ỨNG DỤNG của PHỨC CHẤT TRONG SINH học

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA HÓA HỌC
----------

BÀI TIỂU LUẬN
Đề tài: ỨNG DỤNG CỦA PHỨC CHẤT TRONG SINH HỌC

Giáo viên phụ trách
PGS.TS TRẦN NGỌC TUYỀN

Sinh viên thực hiện
TRƯƠNG THỊ MINH NHUNG
Hóa K37B

Huế, 11/2015


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU
Tổng hợp và nghiên cứu các hợp chất phức tạp là một trong những hướng
phát triển của hóa học vô cơ hiện đại ngày nay. Có thể nói rằng hiện nay hóa
học phức chất đang phát triển rực rỡ và là nơi hội tụ của những thành tựu hóa
lý, hóa phân tích ,hóa học hữu cơ, hóa sinh, hóa dược, hóa môi trường.
Đặc biệt hóa phức chất đang phát huy ảnh hưởng sâu rộng sang lĩnh vực hóa
sinh về cả lý thuyết lẫn ứng dụng. Rất nhiều thành tựu trong hóa sinh và trong y
dược gắn liền với việc nghiên cứu phức chất trong các hệ sinh học. Vì vậy
chúng tôi đã tìm hiểu vấn đề “ứng dụng của hóa phức chất trong sinh học “.

Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 2

Phần 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHỨC CHẤT
1.1.

Khái niệm về phức chất

1.1.1. Phức chất
Theo A. Werner: phức chất là hợp chất phân tử nào bền trong dung dịch
nước, không phân hủy hoặc chỉ phân hủy rất ít ra các hợp phần tạo thành hợp
chất đó.
Theo A. Grinbe: phức chất là những hợp chất phân tử xác định, khi kết hợp
các hợp phần của chúng lại thì tạo thành các ion phức tạp tích điện dương hay
âm, có khả năng tồn tại ở dạng tinh thể cũng như ở trong dung dịch. Trong
trường hợp riêng, điện tích của ion phức tạp có thể bằng 0.
Theo K. B. Iaximirxki: phức chất là những hợp chất tạo được các nhóm
riêng biệt từ các nguyên tử, ion hay phân tử với những đặc trưng:
-

Có mặt sự phối trí.
Không phân ly hoàn toàn trong dung dịch.
Có thành phần phức tạp, số phối trí và số hóa trị không trùng nhau.
Tổng quát: Công thức chung của phức chất là: [MLn]
Ví dụ: [Ag(NH3)2]+, [CuCl4]2-, [Fe(CO)5], [Al(H2O)6]3+ …
1.1.2. Cấu tạo của phức chất
Công thức chung của phức chất: [MLn]
M: ion trung tâm
L: phối tử
n: số phối trí
Ví dụ

Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 3


cầu nội cầu ngoại
[Cu(NH3)4]2SO4
ion trung tâm phối tử số phối trí

1.1.2.1. Ion trung tâm và phối tử
- Ion hay nguyên tử kim loại M được gọi là ion trung tâm. M là axit Lewis vì
có các orbital hóa trị đang còn trống, có thể nhận các cặp electron của các phân
tử hay ion khác.
- Phối tử L là bazơ Lewis. L có các cặp electron tự do để cho M. Ví dụ: Cl-,
CN-, H2O, NH3…
1.1.2.2. Cầu nội, cầu ngoại
- Dấu móc vuông [ ] được dùng để chỉ các nguyên tử liên kết với nhau bằng
liên kết cộng hóa trị, các nguyên tử đó được gọi chung là cầu phối trí, cầu nội
hay ion phức.
- Nếu cầu nội mang điện thì cần kết hợp thêm các ion trái dấu để tạo hợp
chất trung hòa điện, các ion đó được gọi là cầu ngoại.
Ví dụ: [Ag(NH3)2]Cl, Na[AgCl2]
Như vậy nếu cầu nội không mang điện thì không có cầu ngoại. Vì vậy, từ
phức chất thường dùng để chỉ cầu nội.
1.1.2.3. Số phối trí
Số phối trí của M là số liên kết mà ion trung tâm M tạo được với các phối tử.
Số phối trí quan hệ mật thiết với cấu trúc hình học của phức chất (Bảng 1.1)

Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 4


1.1.2.4. Dung lượng phối trí của phối tử

Dung lượng phối trí của một phối tử: là số vị trí phối trí mà nó chiếm được
trong cầu nội.
+ Các phối tử liên kết trực tiếp với ion trung tâm bằng một liên kết thì có
dung lượng phối trí là 1.
Ví dụ: gốc axit hóa trị 1 (Cl-, CN-,…), các phân tử trung hòa như NH3,
CH3NH2, H2O,…
+ Phối tử liên kết với ion trung tâm qua 2 hay một số liên kết, thì phối tử đó
chiếm chiếm hai hay nhiều vị trí phối trí gọi là phối trí hai, ba hay đa phối trí.
Ví dụ: SO42-, C2O42-, NH2-CH2-CH2-NH2,… có dung lượng phối trí là 2
CH2NH2-CHNH2-CH2NH2

có dung lượng phối trí là 3

1.1.2.5. Phối tử
Phối tử chia ra thành 2 loại:
- Phối tử đơn răng: là phối tử chỉ cho M một cặp electron tự do, mặc dù nó
có thể có nhiều cặp electron tự do.
Ví dụ:
- Phối tử đa răng:
là phối tử có thể cho M từ 2 cặp electron trở lên
Ví dụ:
Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 5


+ Phối tử 2 răng: etylendiamin (en) NH2-CH2-CH2-NH2, carbonat, oxalat,…
+ Phối tử 6 răng: etylendiamintetraaxetat EDTA4-

EDTA

Cấu tạo một số phức chất:

[Co(en)3]3+
1.2.

[Co(NH3)3Cl3]

[CoCl(en)2NO]2+

Phân loại phức chất

Có nhiều cách khác nhau để phân loại các phức chất:
1.2.1. Dựa vào các hợp chất:
+ Phức axit: H2[SiF6], H[AuCl4], H2[PtCl6],…
+ Phức base: [Ag(NH3)2]OH, [Co(en)3](OH)2,…
+ Phức muối: K2[HgI4], [PtCl6]SO4, [Cu(H2O)4]Cl2,…
1.2.2. Dựa vào dấu điện tích của ion phức:
+ Phức chất cation: [Co(NH3)6]Cl3, [Zn(H2O)6]Cl3,…
+ Phức chất anion: H2[PtCl6], K4[Fe(CN)6],…
+ Phức chất trung hòa: [Pt(NH3)2SO4], [Fe(CO)5], [Co(NH3)3Cl3],…

Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 6


1.2.3. Dựa theo bản chất phối tử:
+ Phức chất aquơ, phối tử là H2O: [Co(H2O)6]SO4, [Cu(H2O)4]Cl2,…
+ Phức chất amoniacat, phối tử là NH3: [Ag(NH3)2]Cl, [Cu(NH3)4](OH)2,…
+ Phức chất axit, phối tử là gốc của các axit khác nhau:

K 2[MnCl4],

[Co(CN)3]Cl3,…
+ Phức chất hydroxo, phối tử là OH-: K3[Al(OH)3], Na[Al(OH)4],…
+ Phức chất hidrua, phối tử là H-: Li[AlH4],…
+ Phức chất cơ kim, phối tử là các gốc hữu cơ: Na[Zn(C 2H5)3],
Li3[Zn(C6H5)3],…
+ Phức chất π, phối tử là các phân tử chưa bão hòa như C 2H4,C2H2, C3H6,
stiren, rượu allylic, … Ví dụ: Na[PtCl3(C2H4)3].2H2O, [Cr(C6H9)3],…Trong các
phức chất này, các phối tử liên kết với nguyên tử kim loại trung tâm nhờ các
electron π của các phân tử chưa bão hòa.
+ Dựa vào cấu trúc lớp vỏ electron, chia thành 2 loại:
Phối tử có một hay nhiều hơn một cặp electron: phối tử không có orbital
trống, phối tử có orbital trống hoặc các orbital có thể tạo các liên kết p, phối tử
có electron p có thể điền vào các orbital trống của kim loại…
Phối tử không có cặp electron tự do, nhưng có những electron có khả năng
tạo các liên kết p.
1.2.4. Dựa theo cấu trúc của cầu nội phức
- Dựa theo số nhân tạo thành phức chất: phức đơn nhân, phức đa nhân.
- Dựa theo sự có hay không có các vòng trong thành phần của phức chất
người ta phân
biệt phức chất đơn giản (phối tử chiếm một chỗ phối trí) và phức chất vòng.
- Hợp chất quá phức (siêu phức): trong các hợp chất này số các phối tử vượt
quá số phối tử của chất tạo phức.
- Poliaxit đồng thể và dị thể: Poliaxit là những phức chất oxo nhiều nhân
chứa cầu nối
oxi.
Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 7


Vai trò của phức chất

1.3.

- Trong hóa học phân tích: Phức chất đóng vai trò quan trọng trong việc phát
triển các phương pháp phân tích định tính và định lượng.
- Trong điều chế kim loại: Dùng để điều chế các kim loại tinh khiết, tách
riêng các nguyên tố hiếm, các kim loại quý, đặc biệt là họ Platin, các nguyên tố
sau uranium…
- Trong công nghiệp:
-

Phức chất được dùng làm chất xúc tác và là các sản phẩm trung

gian trong tổng hợp hữu cơ.
- Phức chất cũng được dùng để loại trừ độ cứng của nước, dùng
trong mạ điện, trong công nghệ nhuộm và thuộc da…
- Trong đời sống sinh vật: Phức chất có ý nghĩa to lớn trong hoạt động sống
của sinh vật. Có 24 nguyên tố cần thiết cho đời sống sinh vật, trong đó có 7
nguyên tố quan trọng nhất là (Fe, Zn, Co, Cu, Mn, Cr, V) hoạt động dựa trên cơ
sở tạo chelat.
- Trong dược phẩm:
+ Insulin: thuốc chữa bệnh đái đường, là dẫn xuất phức của kẽm.
+ Vitamin B12: là hợp chất hữu cơ với Cobalt là nguyên tử trung tâm

+ Thuốc chống ung thư cisplatin
+ Thuốc chống viêm khớp Auranofin

Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 8


Ngoài ra, phức chất còn đóng vai trò to lớn đối với hóa học lý thuyết như

góp phần cung cấp thêm các hiểu biết về trạng thái của của các ion trung tâm
trong dung dịch, hay phát triển lý thuyết tĩnh điện acid – base.

Phần 2: ỨNG DỤNG CỦA PHỨC CHẤT TRONG SINH HỌC
Khi nói về ứng dụng của phức chất trong sinh học, người ta thường nói đến
Hóa sinh vô cơ
1. Sự ra đời của hóa sinh vô cơ.
Các sản phẩm hóa học tự nhiên và nhân tạo vừa là cơ sở của sự sống, vừa là
phương tiện dùy trì và phát triển cuộc sống, từ thực phẩm, thuốc men, trang
phục … đến vật liệu xây dựng, đồ nội thất, công cụ sản xuất.. gọi là Hóa sinh.
Hóa sinh Vô cơ là cầu nối giữa Hóa Sinh và Hóa học phức chất vì cơ bản các
kim loại có mặt trong cơ thể đều tồn tại dưới dạng phức chất.
Hóa sinh vô cơ là Hóa học phức chất của các hệ sinh học với nhiệm vụ
+ Là nghiên cứu cấu tạo của các phức chất sinh học
+ Làm sáng tỏ mối quan hệ giữa cấu tạo đó với hoạt tính sinh học.
2. Các phức chất tiêu biểu
Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 9


Phức chất có ý nghĩa to lớn trong hoạt động sống của sinh vật. Có 24 nguyên
tố cần thiết cho đời sống sinh vật, trong đó có 7 nguyên tố quan trọng nhất (Fe,
Zn, Co, Cu, Mn, Cr, V) hoạt động dựa trên cơ sở tạo chelat.
Nhiều chelat tự nhiên được tạo thành trên cơ sở phân tử porphyrin

Hình 1.1. Cấu tạo của porphyrin
Khi hai nguyên tử H liên kết với N bị tách đi, porphyrin là phối tử 4 răng.
Phức chất tạo thành từ các dẫn xuất của porphyrin với các kim loại được gọi là
các porphyrin. Hai porphyrin quan trọng là Heme ( Fe2+, đọc là hem) và
chlorophyll ( Mg2+).
a. Heme

Là chelat mà nguyên tử trung tâm là sắt và các phối tử là các

vòng

porphyrin. Chính các vòng porphyrin làm cho heme có màu đỏ. Trong heme, sắt
có số phối trí 6, bốn vị trí trong số đó nằm trong mặt phẳng vòng porphyrin, hai
vị trí còn lại thẳng góc với mặt phẳng đó. Trong hai vị trí này, một vị trí sẽ lien
kết với một bazơ thuộc cấu trúc protein ( thường là globin khi tạo hemoglobin),
còn vị trí thứ hai liên kết với oxi phân tử khi vận chuyển oxi từ phổi đến tế bào
trong cơ thể.

Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 10


Hình 1.2 Cấu tạo của Heme
b. Hemoglobin

Hemoglobin (có trong thành phần máu của người và động vật ) gồm có chất
albumin gọi là “globin” và một hợp chất màu gọi làm” heme” . Hemoglobin
gồm bốn đơn vị protein, mỗi đơn vị chứa một heme, làm nhiệm vụ vận chuyển
oxi từ phổi đến các tế bào:

Hb + 4O2 ⇌ Hb-(O2)4 màu đỏ
Khi từ tế bào về phổi, vị trí của O 2 được thay bằng H2O: Hb-(H2O)4 màu
xanh da trời.
CO liên kết rất bền với Fe2+ trong heme nên không còn vị trí trống để heme
liên kết với oxi (hemoglobin bị ngộ độc), vì vậy các tế bào chết do không có
oxi nuôi dưỡng.

Hình 1.3 Cấu tạo của Heme
Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 11


c. Chlorophyll

Chlorophyll là chất màu xanh lục của thực vật (diệp lục tố), nhân diệp lục là
phần quan trọng nhất trong phân tử diệp lục, gồm 1 nguyên tử Mg ở trung tâm
liên kết với 4 nguyên tử N của vòng porphyrin.

Hình 1.4 Cấu tạo của Chlorophyll

Điều quan trọng nhất của phân tử này là nó có hệ thông nối đôi liên hợp làm
cho diệp lục tố có hoạt tính quang hoá mạnh. Khả năng hấp thụ ánh sáng phụ
thuộc vào số lượng liên kết đôi trong phân tử. Diệp lục đóng vai trò quan trọng
trong quá trình quang hợp của cây xanh:
-

Hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời
Vận chuyển năng lượng vào trung tâm phản ứng
Tham gia biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học.
Tổng hợp quang hóa là phản ứng thu nhiệt, chuyển CO 2 và H2O thành
glucose và O2 nhờ thực vật khi có ánh sáng:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6
Metalloprotein khác chứa các kim loại như molipden, kẽm, đồng v.v… và
đóng vai trò quan trọng như cố định nito, thủy phân chuyển nhóm nguyên tử.
Feredoxin chữa các cụm sắt- lưu huỳnh Fe2S2 và Fe4S4; nitrogenaza, enzim xúc
tác cho quá trình cố định nito khí quyển
Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 12

3. Ứng dụng của phức chất trong y học.
Hóa sinh vô cơ có vai trò rất quan trọng trong Y học. Trong cơ thể con
người có khoảng 60 nguyên tố hóa học, trong đó phần lớn là các kim loại.
Theo quan diểm của Y học, hàm lượng mỗi kim loại trong cơ thể chỉ được dao
động trong một giới hạn nhất định. Sự thiếu hay thừa đều dẫn đến rối loạn hoạt
động cơ thể, nghĩa là dẫn đến bệnh tật, thậm chí có thể sẫn đến sự chết.
Ví dụ
Thiếu sắt dẫn đến bệnh thiếu máu, thiếu canxi dẫn đến bệnh loãng xương…
Dư sắt bệnh chàm da, dư caxi dẫn đến bệnh sỏi thận.
- Y học hiện đại người ta dùng các loại thuốc chứa những hoạt chất có khả năng
tạo phức với các kim loại. Những kim loại cần bổ sung thường được đưa vào cơ
thể dứoi dạng phức chất với các phối tử không gây độc cho cơ thể mà còn có tác
dụng bổ ích như các amino axit, protein, đường, vitamin v.v.
- Vitamin B12:
là những hợp chất hữu cơ có nguyên tử cobalt ở trung tâm, với tên gọi là
những cobalamin và có hoạt tính sinh học trên cơ thể người. Vitamin B12 tham
gia phản ứng tổng hợp thymidylate, một thành phần trong phân tử ADN, cung
cấp nguyên liệu để tổng hợp ADN, góp phần vào quá trình phân chia tế bào và
trưởng thành tế bào trong cơ thể. Thiếu vitamin B12 cho thấy ảnh hưởng rõ rệt
lên những dòng tế bào có sự phân bào nhiều như các tế bào máu, tế bào biểu mô
(nhất là ở niêm mạc đường tiêu hóa); gây suy thoái chất myelin, một chất béo và
là thành phần quan trọng của tế bào thần kinh, gây ra những triệu chứng thần
kinh.

Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 13


Thuốc chống ung thư cisplatin
Cisplatin là hợp chất của platin gồm 1 nguyên tử platin nối với 2 nguyên tử

clo và 2 phân tử amoniac ở vị trí cis, có tác dụng độc với tế bào, chống u và
thuộc loại các chất alkyl hóa.
Cisplatin tạo thành các liên kết chéo bên trong và giữa các sợi DNA, nên
làm thay đổi cấu trúc của DNA và ức chế tổng hợp DNA. Ngoài ra, ở một mức
độ thấp hơn, cisplatin ức chế tổng hợp protein và RNA. Thuốc không có tác
dụng đặc hiệu trên một pha nào của chu kỳ tế bào.

Ứng dụng của hóa học phức chất trong sinh họcPage 14


Phức chất cis-[Pt(NH3)2Cl2 một hợp chất vô cơ có khả năng ức chế các tế
bào ung thư như ung thư tinh hoàn, buồng trứng, bàng quang và các khối u ở
đầu và cổ
Vì cisplatin có độc tính cao đối với thận và chỉ có tác dụng với một số bệnh
ung thư
Một số thuốc chống ung thư trên cơ sở Platin

Cacboplatin
- Thuốc chống viêm khớp Auranofin:
Auranofin là phức của vàng với các phosphin được sử dụng như thuốc
chống thấp khớp, dùng điều trị bệnh viêm khớp dạng thấp.


Phức của Molipden và hoạt tính sinh học của chúng
Molypđen là kim loại 4d có mặt trong cơ thể và có vai trò rất quan trọng đối
với sự sống.
Thiosemicacbazit và các dẫn xuất của nó – các thiosemicacbazon –có tính
sinh học
•

Phức chất thiosemicacbazonat kim loại có khả năng ức chế phát triển của ung

thư
• Phức chất của Mo(III) với thiosemicacbazit
• Phức chất của Mo(V) với thiosemicacbazit
• Phức chất của Mo(VI) với các dẫn xuất salixilandehit và axetylaxeton của
thiosemicacbazit
• Phức chất Mo với thiosemicacbazon có khả năng diệt khuẩn cao cùng với khả
năng ức chế sự phát triển ung thư
Hai phức chất Mo(Hth)3Cl3 có tác dụng ức chế đáng kể đối với sự phát triển
của khối u như làm giảm thể tích khối u, giảm mật độ tế bào ung thư, giảm tổng
số tế bào và từ đó đã làm giảm chỉ số phát triển của u.

Phức chất Glutamat Borat và thử nghiệm làm phân bón vi lượng cho cây
vừng
Phức Glutamat borat neodim với thành phần của phức tương ứng là
H2[Nd(Glu)(BO3)]. 3H2O và thử nghiệm làm phân bón vi lượng cho cây vừng,
đã thấy rằng:
+ Làm tăng tỷ lệ nảy mầm, tăng cường các chỉ tiêu sinh trưởng phát triển,
tăng cường các quá trình sinh lý theo hướng thuận lợi
+Tăng năng suất và chất lượng hạt của cây vừng.


Phức chất đa phối tử của các nguyên tố đất hiếm và thử nghiệm hoạt tính
sinh học đến sự sinh trưởng và phát triển của cây đậu tương
Phức chất này được tổng hợp từ ion đất hiếm Nd 3+ và axitglutamic với
Na2MoO4
Phức chất Glutamat molypdatneodim ở các nồng độ thích hợp để ngâm hạt
đậu và phun lên lá cây đậu tương đã thu được:
+ Chiều cao, diện tích lá, trọng lượng tươi và trọng lượng khô của cây đậu

tương ở giai đoạn ra hoa đều tăng lên
+ Rút ngắn được thời gian ra hoa,làm tăng cường độ quang hợp, cường độ
hô hấp của cây
+ Hàm lượng protit và lipt trong hạt đều tăng lên

Một số các nguyên tố khác được ứng dụng trong y học
Để làm tăng độ nhạy của phép chuẩn đoán ngừơi ta thường đưa vào cơ thể
những chất có tác dụng làm nổi bật các hình ảnh thu được, do đó làm tăng độ
nhạy của phép chuẩn đoán
Ví dụ
Đồng vị phóng xạ 99TC đã được dùng trong y học hạt nhân trong việc
chuẩn đoán bệnh ung thư xương bằng cách chụp ảnh gamma.


KẾT LUẬN
- Hóa học phức chất đóng vai trò hết sức quan trọng trong nhiều lĩnh vực:
hóa lý, hóa môi trường, hóa phân tích và đặc biệt trong lĩnh vực hóa sinh
- Phức chất trong hóa sinh được ứng dụng để sản xuất một số thuốc chống
ung thư, tiểu đường….
- Những quá trình quan trọng nhất của sự sống như sự quang hợp, sự vận
chuyển oxi và cacbon đioxit trong cơ thể….
- Ngày nay hóa học phức chất còn có nhiều ứng dụng trên lý thuyết nhưng
trên thực tế chưa được sử dụng vào thực tế.
- Nhiệm vụ của các nhà hóa học là tiếp tục nghiên cứu để ngành hóa học
phức chất ngày càng phát triển rực rỡ