LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

1

CH(RLED

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

MAI VĂN BẢY

ÁP DỤNG HÓA TÍNH TOÁN TRONG THIẾT KẾ,

TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ

SENSOR HUỲNH QUANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HUẾ, NĂM 2021

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

MAI VĂN BẢY

ÁP DỤNG HÓA TÍNH TOÁN TRONG THIẾT KẾ,

TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ

SENSOR HUỲNH QUANG

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 9440119

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS. PHẠM CẨM NAM

2. GS.TS. DƯƠNG TUẤN QUANG

HUẾ, NĂM 2021

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả

nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, được các đồng tác

giả cho phép sử dụng và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn theo đúng quy định.

Tác giả

Mai Văn Bảy

ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án này, với lòng biết ơn sâu sắc, tôi chân thành gửi lời cảm

ơn đến PGS.TS Phạm Cẩm Nam, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng và

GS.TS. Dương Tuấn Quang, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, những người

thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và

nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm, Đại học

Huế; Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng; Viện Nghiên cứu Khoa học Miền

Trung, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Trung Tâm Kiểm nghiệm

Thuốc – Mỹ phẩm – Thực phẩm Thừa Thiên Huế đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho

tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Hóa học Trường Đại học Sư

phạm – Đại học Huế; Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng; Phòng Đào

tạo Sau Đại học Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã tạo điều kiện thuận lợi

cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam

đã hỗ trợ kinh phí thực hiện luận án, thông qua các đề tài, chương trình của GS.TS.

Dương Tuấn Quang và TS. Nguyễn Khoa Hiền.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Khoa Hiền, Viện Nghiên cứu Khoa

học Miền Trung, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; GS.TS. Jong

Seung Kim, Khoa Hóa học, Trường Đại học Korea; PGS.TS. Hoàng Văn Đức,

PGS.TS. Trần Dương, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế; GS.TS. Đinh Quang

Khiếu, GS.TS. Trần Thái Hòa, PGS.TS. Hoàng Thái Long, PGS.TS. Nguyễn Hải

Phong, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt

quá trình thực hiện luận án.

Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt

quá trình thực hiện luận án.

iii

Cuối cùng xin gửi lời biết ơn sâu nặng đến ba mẹ, vợ và anh chị em trong gia

đình đã luôn dành cho tôi những gì tốt đẹp nhất.

Tác giả

Mai Văn Bảy

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1. Tổng quan các nghiên cứu về sensor huỳnh quang 4

1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang 4

1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang 6

1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang 6

1.2. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ và phát xạ của phân tử 7

1.2.1. Quá trình hấp thụ 7

1.2.2. Quá trình phát xạ huỳnh quang 9

1.3. Nguyên tắc thiết kế sensor huỳnh quang 12

1.3.1. Thiết kế theo cơ chế chuyển electron cảm ứng ánh sáng PET 13

1.3.2. Thiết kế theo cơ chế chuyển điện tích nội phân tử ICT (intramolecular charge

transfer) 15

1.3.3. Thiết kế theo cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Forster (FRET) 17

1.3.4. Thiết kế theo cơ chế mở vòng spirolactam của dẫn xuất rhodamine spirolactam

18

1.3.5. Lựa chọn fluorophore 20

1.4. Tổng quan về các đối tượng phân tích Cu2+, Hg2+ và các biothiol 22

1.4.1. Ion Hg2+ 22

1.4.2. Ion Cu2+ 23

1.4.3. Các biothiol Cys, Hcy và GSH 23

1.5. Hóa tính toán trong nghiên cứu sensor huỳnh quang 25

1.5.1. Khảo sát cấu trúc và các thông số nhiệt động học 25

v

1.5.2. Khảo sát tính chất quang học của sensor dựa vào trạng thái cơ bản 26

1.5.3. Khảo sát đặc tính quang học của sensor dựa vào trạng thái kích thích 28

Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.1. Mục tiêu nghiên cứu 31

2.2. Nội dung nghiên cứu 31

2.3. Phương pháp nghiên cứu 32

2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết 32

2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 49

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52

3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang BDC dựa trên

dẫn xuất coumarin phát hiện Cu2+ 52

3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh

quang BDC 52

3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor BDC 76

3.1.3. Kết luận chung về nghiên cứu sensor huỳnh quang BDC và [CuBDC]2+ 91

3.2. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang RLED dựa trên

phản ứng mở vòng rhodamine spirolactam phát hiện Hg2+ 93

3.2.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh

quang RLED 93

3.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor RLED 103

3.2.3. Kết luận chung về nghiên cứu sensor huỳnh quang RLED 110

NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN 112

ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 114

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHỤ LỤC

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

𝛽 Hằng số bền của phức

1, 2, 3 Trị riêng của ma trận Hessian mật độ electron

ρ(r) Hàm mật độ electron

2ρ(r) Laplacian của mật độ electron

∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣 Năng lượng Gibbs solvat hóa

∆𝐺𝑎𝑞 Năng lượng Gibbs phản ứng trong dung dịch

∆𝐺𝑔 Năng lượng Gibbs phản ứng trong pha khí

Φf Hiệu suất lượng tử huỳnh quang

a.u Hartree atomic units: Các đơn vị nguyên tử Hartree

AAS Atomic absorption spectroscopy: quang phổ hấp thụ nguyên tử

AO Atomic orbital: orbital nguyên tử

B3LYP Phiếm hàm mật độ Becke 3 tham số Lee–Yang–Parr

BCP Bond critical point: điểm tới hạn liên kết

BDC (E)–3–((2–(benzo[d]thiazol–2–yl)hydrazono)methyl)–7–

(diethylamino) coumarin

BODIPY Boron–dipyrromethene

13C-NMR Cộng hưởng từ hạt nhân carbon-13

CHEF Chelation induced enhanced fluorescence: sự tăng cường độ huỳnh

quang do tạo phức chelate

CP Critical Point: điểm tới hạn

CT Charge transfer: chuyển điện tích

Cys Cysteine

DFT Density functional theory: thuyết phiếm hàm mật độ

ESPT Excited-state proton transfer: chuyển proton trạng thái kích thích

ESIPT Excited-state intramolecular proton transfer: chuyển proton nội phân tử

ở trạng thái kích thích

f Oscillator strength: cường độ dao động

vii

FRET Forster resonance energy transfer: truyền năng lượng cộng hưởng

Forster

GSH Glutathione

GTO Gaussian-type orbital: orbital kiểu Gaussian

1H-NMR Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton

Hcy Homocysteine

HOMO Highest occupied molecular orbital: orbital phân tử bị chiếm cao nhất

ICT Intramolecular charge transfer: chuyển điện tích nội phân tử

LOD Limit of detection: giới hạn phát hiện

LOQ Limit of quantitation: giới hạn định lượng

LUMO Lowest unoccupied molecular orbital: orbital phân tử không bị chiếm

thấp nhất

MO Molecular orbital: orbital phân tử

PBE0 Phiếm hàm Perdew – Burke-Ernzerhof (PBE) lai Hartree – Fock

PCM Polarizable solvation model: mô hình solvat hóa phân cực

PET Photoinduced electron transfer: chuyển electron do cảm ứng ánh sáng

QTAIM Quantum theory of atoms in molecules: lý thuyết lượng tử về nguyên tử

trong phân tử

RCP Ring critical point: điểm tới hạn vòng

RLED N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine-4-dimethylamino cinnamal

dehyde

STO Slater-type orbital: orbital kiểu Slater

SMD Solvation model based on density: mô hình solvat hóa dựa trên mật độ

TDDFT Time-dependent density functional theory: thuyết phiếm hàm mật độ

phụ thuộc thời gian

TICT Twisted intramolecular charge transfer: chuyển điện tích nội phân tử

xoắn

ZPE Zero point energies: năng lượng điểm không

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Phân loại các điểm tới hạn và các đặc trưng tương ứng 45

Bảng 2.2. Các hóa chất chính sử dụng trong luận án 49

Bảng 3.1. Tính toán năng lượng kích thích (E), bước sóng (𝜆) và cường độ dao

động (𝑓) của BDC tại PBE0/6-311++G(d,p)/PCM(H2O)

53

Bảng 3.2. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi S0 → S1 của BDC 55

Bảng 3.3. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi S1 → S0 của BDC 58

Bảng 3.4. Kết quả tính hằng số bền của phức trong môi trường nước 62

Bảng 3.5. Mật độ electron (𝜌(𝑟), a.u.), Laplacian (𝛻2𝜌(𝑟), a.u.) và các điểm tới

hạn (CP) trong phức [CuBDC]2+

63

Bảng 3.6. Tính toán năng lượng kích thích (E), bước sóng (𝜆) và cường độ dao động

(𝑓) của [Cu(BDC)]2+ tại PBE0/6-311++G(d,p)

64

Bảng 3.7. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi D0 → D10 trong phức

[CuBDC]2+

67

Bảng 3.8. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi D1 → D0 trong phức

[CuBDC]2+

70

Bảng 3.9. Các thông số nhiệt động học của các phản ứng tổng hợp BDC 74


động (𝑓) của RLED tại PBE0/6-311++G(d,p)/PCM(H2O)

94

Bảng 3.11. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi S0 → S1 của RLED 95

Bảng 3.12. Năng lượng Gibbs các phản ứng chuyển đổi dạng tồn tại của RLED 97

Bảng 3.13. Năng lượng Gibbs của các phản ứng khảo sát và hằng số bền của phức 99

Bảng 3.14. Một độ electron (ρ(r), a.u.), Laplacian (∇2ρ(r), a.u.) và điểm tới hạn

(CP) của phức [HgL1]2+

100

Bảng 3.15. Các thông số nhiệt động học của các phản ứng tổng hợp RLED 102

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố bởi Goppelsrӧder 4

Hình 1.2. Hai nguyên tắc hoạt động thường gặp của sensor huỳnh quang 6

Hình 1.3. Cấu tạo thường gặp của sensor huỳnh quang 7

Hình 1.4. Cấu tạo của hai sensor huỳnh quang BClO và CCF1 7

Hình 1.5. Các bước chuyển electron trong quang phổ hấp thụ của anthracene 8

Hình 1.6. Khoáng chất phát huỳnh quang dưới ánh sáng tử ngoại 9

Hình 1.7. Giản đồ Jablonski quá trình hấp thụ và phát xạ của phân tử 10

Hình 1.8. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của Azulene 12

Hình 1.9. Thiết kế thường gặp của sensor huỳnh quang 12

Hình 1.10. Cơ chế PET của sensor huỳnh quang hoạt động theo kiểu OFF–ON 13

Hình 1.11. Sensor BClO và CCF1 hoạt động theo cơ chế PET 14

Hình 1.12. Minh họa cơ chế của một sensor huỳnh quang ICT 15

Hình 1.13. Sensor huỳnh quang ICT, fura-2 phát hiện Ca2+ trong chụp ảnh tế

bào

16

Hình 1.14. Sensor huỳnh quang ICT, ZS1 phát hiện H2S trong tế bào 17

Hình 1.15. Minh họa cấu tạo và cơ chế của một sensor huỳnh quang FRET 18

Hình 1.16. Sensor huỳnh quang FRET, IPIN-SO2 phát hiện ion SO32− trong tế

bào

18

Hình 1.17. Cơ chế hoạt động thường gặp của sensor huỳnh quang dựa vào phản

ứng mở vòng rhodamine spirolactam

19

Hình 1.18. Sensor huỳnh quang RD phát hiện Cu2+ 19

Hình 1.19. Sensor huỳnh quang RMTE phát hiện Hg2+ 19

Hình 1.20. Tính chất quang học của một số phân tử hữu cơ sử dụng các

khung fluorophore thường gặp

20

Hình 1.21. Các vị trí nhóm thế có thể sửa đổi của một số khung fluorophore 21

Hình 1.22. Công thức cấu tạo của các biothiol Cys, Hcy và GSH 24

x

Hình 1.23. Sensor huỳnh quang phát hiện GSH dựa vào phản ứng cộng

Michael và hình ảnh phát quang của tế bào phơi nhiễm GSH khi có

mặt sensor

26

Hình 1.24. Các MO biên của phức ITTP1-TTP và quá trình PET dập tắt huỳnh

quang của sensor

27

Hình 1.25. Phản ứng giữa sensor và H2S. Cơ chế ICT và ESIPT của TBTTP 30

Hình 2.1. Cấu trúc bộ hàm cơ sở 6-31G cho nguyên tử N 36

Hình 2.2. Các điểm tới hạn liên kết của một số phân tử theo QTAIM 45

Hình 2.3. Minh họa cách xây dựng chung của khoang dung môi 46

Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor BDC 52

Hình 3.2. Hình học cấu dạng bền của sensor BDC ở trạng thái cơ bản 53

Hình 3.3. Phổ UV-Vis, HOMO và LUMO của BDC 54

Hình 3.4. Phân bố lỗ trống – electron chuyển đổi S0 → S1 của BDC 56

Hình 3.5. Hình học cấu dạng bền của BDC ở trạng thái S1 tại PBE0/6-

31+G(d,p)/PCM(H2O)

57

Hình 3.6. Phổ huỳnh quang, HOMO và LUMO của BDC tại PBE0/6-

311++G(d,p)/PCM(H2O)

57

Hình 3.7. Phân bố lỗ trống – điện tích chuyển đổi S1 → S0 của BDC 59

Hình 3.8. Hình học tối ưu các dạng phức giữa Cu2+ và BDC tại PBE0/6-

31+G(d,p)/PCM(H2O)

60

Hình 3.9. Sơ đồ nhiệt động học thể hiện mối liên hệ giữa đại lượng ∆𝐺𝑎𝑞0 với

∆𝐺𝑔0, ∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣

0 và ∆𝐺𝑔→𝑎𝑞0

61

Hình 3.10. Cấu trúc của ligand histamine và phức của nó với Cu2+ 62

Hình 3.11. Hình học topo các điểm tới hạn trong phức [Cu(BDC)]2+ 63

Hình 3.12. MO các bước chuyển chính D0 → D10 của [CuBDC]2+ tại

PBE0/6-311++G(d,p)

65

Hình 3.13. Phổ UV-Vis của phức [CuBDC]2+ tại PBE0/6-311++G(d,p) 66

Hình 3.14. Phân bố lỗ trống – điện tích chuyển đổi D0 → D10 của [CuBDC]2+ 68

Hình 3.15. Cấu trúc, HOMO và LUMO của [CuBDC]𝟐+ ở trạng thái D1 69

xi

Hình 3.16. Phân bố lỗ trống – điện tích chuyển đổi D1 → D0 trong [CuBDC]2+ 71

Hình 3.17. Giản đồ Jablonski minh họa cơ chế kích thích và dập tắt huỳnh

quang trong phức [CuBDC]2+

71

Hình 3.18. Sơ đồ tổng hợp dự kiến của BDC 73

Hình 3.19. Các phản ứng dự kiến trong quá trình tổng hợp BDC 74

Hình 3.20. Tổng hợp kết quả thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang BDC 75

Hình 3.21. Sơ đồ các giai đoạn tổng hợp BDC 76

Hình 3.22. Phổ 1H-NMR của sản phẩm P2 77

Hình 3.23. Phổ 1H-NMR của sản phẩm P3 78

Hình 3.24. Phổ 1H-NMR (a) và 13C-NMR (b) của BDC 79

Hình 3.25. Phổ UV-Vis và huỳnh quang tại bước sóng kích thích 460 nm của

BDC (5,0 μM) trong ethanol/HEPES (pH 7,4, 1/1, v/v)

80

Hình 3.26. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm

5,0 μM Cu2+ và các cation Na+, K+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+,

Pb2+, Cd2+ và Hg2+

81

Hình 3.27. Thay đổi màu sắc (a) và huỳnh quang (b) của BDC khi thêm các

cation kim loại Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+,

Pb2+, Cu2+và Hg2+

82

Hình 3.28. Phổ huỳnh quang của BDC (5,0 μM) trong ethanol/HEPES (pH 7,4,

1/1, v/v) khi có mặt Hg2+, Cu2+ và Cl‒ (a); khi có mặt Cu2+ và EDTA

(b)

82

Hình 3.29. Mật độ quang tại 510 nm (a) và cường độ huỳnh quang tại 536 nm

(b) của BDC (5,0 μM) sau khi thêm Cu2+ (5,0 μM) tại những thời

gian khác nhau

83


(b) của BDC (5,0 μM) khi có và không có Cu2+ (5,0 μM) tại các pH

khác nhau

84

xii

Hình 3.31. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm

Cu2+ (0,0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 7,5 và 10,0

μM)

84

Hình 3.32. Thay đổi mật độ quang tại 525 nm (a) và cường độ huỳnh quang tại

536 nm (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm Cu2+ (0,0 – 300,0 ppb)

85

Hình 3.33. Đồ thị xác định LOD và LOQ của Cu2+ bằng sensor BDC (5,0 μM)

sử dụng phương pháp UV-Vis tại 525 nm (a) và huỳnh quang tại

536 nm (b)

86

Hình 3.34. Đồ thị Job của BDC và Cu2+ (a); đồ thị cường độ huỳnh quang của

BDC (5,0 μM) ở các nồng độ khác nhau của Cu2+ (b)

87

Hình 3.35. Đường cong phi tuyến xác định hằng số bền của phức [CuBDC]2+ 88

Hình 3.36. Cường độ huỳnh quang của BDC (5,0 μM); BDC (5,0 μM) + Cu2+

(5,0 μM) và BDC (5,0 μM) + Cu2+ (5,0 μM) + Cys, HCy và GSH

(10,0 μM)

89

Hình 3.37. Phổ huỳnh quang (a) và cường độ huỳnh quang (b) của [CuBDC]2+

(5,0 μM) khi thêm Cys (0,0; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0;

10,0; 13,0; 17,0 và 20,0 μM)

90

Hình 3.38. Đồ thị xác định LOD và LOQ Cys bằng sensor [CuBDC]2+

(5,0 μM)

91

Hình 3.39. Kết quả thiết kế lý thuyết và thực nghiệm sensor BDC 91

Hình 3.40. Sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor RLED 93

Hình 3.41. Hình học cấu dạng bền của sensor RLED ở trạng thái cơ bản 94

Hình 3.42. Phổ UV-Vis, HOMO và LUMO của RLED 95

Hình 3.43. Phân bố lỗ trống – electron chuyển đổi S0 → S1 của RLED 96

Hình 3.44. Cấu trúc phân tử các dạng tồn tại của RLED trong dung dịch 97

Hình 3.45. Công thức cấu tạo và ký hiệu các chất và phức ổn định 98

Hình 3.46. Cấu dạng bền của M, N và các phức ổn định 99

Hình 3.47. Hình học topo các điểm tới hạn trong phức [HgL1]2+ 100

Hình 3.48. Sơ đồ tổng hợp dự kiến của RLED 101

xiii

Hình 3.49. Các phản ứng dự kiến trong quá trình tổng hợp RLED 102

Hình 3.50. Tổng hợp kết quả thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang RLED 102

Hình 3.51. Sơ đồ thực nghiệm tổng hợp RLED 103

Hình 3.52. Phổ 1H NMR (a) và ESI-MS (b) của N-(rhodamine-6G)lactam

ethylenediamine

104

Hình 3.53. Phổ 1H NMR (a), 13C NMR (b) và ESI-MS (c) của RLED 105

Hình 3.54. Phổ 1H NMR (a), 13C NMR (b) và ESI-MS (c) của rhodamine 575 106

Hình 3.55. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của RLED (10,0 μM) khi thêm

10,0 μM Hg2+ và 10,0 μM các cation kim loại khác (Mn+) Cu2+,

Zn2+, Pb2+, Cd2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Ag+, Na+, K+, Ca2+ và Mg2+

107

Hình 3.56. Thay đổi màu sắc (a) và huỳnh quang (b) của A (RLED), B (RLED

+ Hg2+), C (RLED + Hg2+ + cation kim loại khác) và D (RLED +

cation kim loại khác)

108

Hình 3.57. Thay đổi mật độ quang tại 530 nm (a) và thay đổi cường độ huỳnh

quang tại 558 nm (b) của RLED (10,0 𝜇M) theo thời gian khi thêm

50,0 𝜇M Hg2+

108


(b) của RLED (10,0 μM) khi có và không có Hg2+ (10,0 μM) tại các

pH khác nhau

109

Hình 3.59. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của RLED (10,0 μM) khi thêm

Hg2+ (0,0; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 12,0;14,0;

16,0; 18,0 và 20,0 μM)

109


(b) của RLED (10,0 μM) khi thêm Hg2+ (0,0 – 20,0 μM)

110

Hình 3.61. Kết quả thiết kế lý thuyết và thực nghiệm sensor RLED 111

1

MỞ ĐẦU

Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố bởi Goppelsrӧder vào năm 1867,

phát hiện chọn lọc ion Al3+ dựa vào sự hình thành phức chất phát huỳnh quang mạnh

giữa ion Al3+ với một phân tử flavonol gọi là morin. Đây là khởi đầu cho việc tìm

kiếm nhiều chất huỳnh quang mới để phát hiện các cation kim loại khác nhau, đánh

dấu một phần sự ra đời của ngành hóa học phân tích. Các sensor huỳnh quang thời

kỳ đầu chủ yếu tập trung vào việc phát hiện các cation kim loại hơn là phát hiện các

anion hay các phân tử trung hòa. Tuy nhiên, trong các thập niên gần đây, khởi đầu từ

các công trình của những nhà nghiên cứu tiên phong như Silva và Czarnik, các sensor

huỳnh quang đã và đang được phát triển mạnh và phạm vi ứng dụng được mở rộng

để phát hiện nhiều đối tượng phân tích có mặt trong môi trường cũng như trong các

hệ sinh học như các cation kim loại, anion, các phân tử sinh học quan trọng như

protein và DNA.

So với các phương pháp phân tích truyền thống, việc sử dụng các sensor huỳnh

quang có những lợi thế nhất định như quá trình xử lý mẫu tương đối đơn giản, thời

gian phân tích nhanh, thiết bị có giá thành không cao và các phép đo huỳnh quang

theo dõi theo thời gian thực trong các hệ sinh học. Hơn nữa, cùng với sự phát triển

của công nghệ kính hiển vi chụp ảnh huỳnh quang (fluorescence imaging

microscope), các sensor huỳnh quang là yếu tố cấu thành không thể thay thế trong

công nghệ này, cho phép theo dõi sự thay đổi nồng độ của các đối tượng phân tích

sinh học trong tế bào, phân giải theo cấu trúc không gian và thời gian thực.

Một trong những trở ngại chính của việc phát triển các sensor huỳnh quang

mới là dự đoán và kiểm soát được các đặc tính quang học của sensor khi ở dạng tự

do cũng như dạng liên kết với các đối tượng phân tích. Các phương pháp thực nghiệm

truyền thống thường dựa vào kinh nghiệm và khả năng thành công chỉ được khẳng

định ở bước cuối cùng khi đo trực tiếp tương tác của sensor tổng hợp dự kiến trên đối

tượng phân tích. Trong thập niên qua, đã có rất nhiều công bố kết hợp tính toán lý

thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với thực nghiệm để phát triển các sensor huỳnh

quang mới. Tuy nhiên, phần nhiều các nghiên cứu chỉ dừng ở mức sử dụng tính toán

2

lý thuyết để giải thích các đặc tính quang học và cơ chế hoạt động của sensor dựa trên

các số liệu thực nghiệm đã có, mà chưa sử dụng tính toán lý thuyết như một công cụ

hỗ trợ hiệu quả. Do đó, việc sử dụng tính toán lý thuyết ngay từ giai đoạn đầu tiên

trong quá trình thiết kế sensor huỳnh quang là một hướng nghiên cứu hấp dẫn, có

nhiều triển vọng. Việc sử dụng hiệu quả công cụ tính toán lý thuyết giúp định hướng

phát triển các sensor mới từ đầu, rút ngắn được thời gian thăm dò thực nghiệm và tiết

kiệm chi phí nghiên cứu. Bên cạnh đó vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề cần được giải

quyết đối với sensor huỳnh quang như nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc, mở rộng phạm

vi đối tượng phân tích và khả năng hoạt động của sensor huỳnh quang trong các môi

trường khác nhau.

Xuất phát từ thực trạng và nhu cầu trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển các

sensor huỳnh quang mới, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Áp dụng hóa tính toán

trong thiết kế, tổng hợp và ứng dụng một số sensor huỳnh quang”.

Nhiệm vụ của luận án:

– Áp dụng hóa tính toán để thiết kế các sensor huỳnh quang

– Sử dụng kết quả thiết kế lý thuyết để tổng hợp các sensor huỳnh quang mới:

+..Chemosensor..(E)–3–((2–(benzo[d]thiazol–2–yl)hydrazono)methyl)–7–

(diethylamino) coumarin (BDC) phát hiện Cu2+ và các biothiol dựa trên fluorophore

là dẫn xuất của coumarin;

+..Sensor..N–(rhodamine–6G)lactam–ethylenediamine–4–dimethylamino

cinnamaldehyde (RLED) phát hiện Hg2+ dựa trên fluorophore là dẫn xuất của

rhodamine spirolactam.

Những đóng góp mới của luận án:

– Quy trình thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang bao gồm: dự đoán các đặc

tính quang học của sensor ở dạng tự do và dạng liên kết với đối tượng phân tích; hằng

số bền của phức giữa cation kim loại và ligand huỳnh quang; cơ chế hoạt động của

sensor và dự đoán nhiệt động học các phản ứng tổng hợp sensor;

‒ Phát triển thành công chemosensor BDC mới từ dẫn xuất của coumarin, có

thể phát hiện chọn lọc Cu2+ dựa trên phản ứng tạo phức giữa Cu2+ với ligand huỳnh

3

quang. Sensor hoạt động theo cơ chế PET theo kiểu bật – tắt huỳnh quang (ON–OFF),

có độ nhạy cao (LOD = 4,0 ppb);

– Phát triển thành công sensor huỳnh quang dựa trên phức giữa BDC và Cu2+

([CuBDC]2+) có thể phát hiện các biothiol (Cys, Hcy và GSH). Sensor hoạt động theo

kiểu OFF–ON, có độ nhạy cao với cysteine (LOD = 0,3 μM);

‒ Phát triển thành công chemodosimeter RLED mới từ dẫn xuất của rhodamine

spirolactam, có thể phát hiện chọn lọc Hg2+ với độ nhạy cao (LOD = 28,0 ppb). Sensor

hoạt động theo cơ chế mở vòng spirolactam khi có mặt Hg2+ và tạo ra sản phẩm

rhodamine 575 là một chất phát huỳnh quang mạnh.

Những đóng góp mới của luận án đã được công bố tại:

– Sensor, 2019, 19, pp. 128

– ACS Omega, 2020, 33, pp. 21241 – 21249

– RSC Advances, 2020, 10, pp. 36265 – 36274

– Vietnam Journal of Chemistry, 2019, 57, pp. 389 – 400

– Hue University Journal of Science: Natural Science, 2020,129, pp. 15 – 23.

Cấu trúc của luận án gồm các phần sau:

– Mở đầu

– Chương 1: Tổng quan tài liệu

– Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

– Chương 3: Kết quả và thảo luận

– Những kết luận chính của luận án

– Định hướng nghiên cứu tiếp theo

– Danh mục các công trình liên quan đến luận án

– Tài liệu tham khảo

– Phụ lục

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Tổng quan các nghiên cứu về sensor huỳnh quang

1.1.1. Tình hình nghiên cứu sensor huỳnh quang

Sử dụng sensor huỳnh quang để phát hiện và định lượng các ion và phân tử đã

được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sinh học, dược học, hóa

học phân tích và khoa học môi trường [1]. Về cơ bản sensor huỳnh quang là một phân

tử có thể tương tác chọn lọc với các chất phân tích, qua đó làm thay đổi tín hiệu huỳnh

quang của phân tử. Các chất phân tích được phát hiện và định lượng dựa vào sự thay

đổi tín hiệu huỳnh quang này. Nếu tương tác giữa sensor với chất phân tích là thuận

nghịch thì sensor được gọi là chemosensor và bất thuận nghịch thì được gọi là

chemodosimeter [2]. Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố vào năm 1867 bởi

Goppelsrӧder (Hình 1.1). Sensor này hoạt động dựa vào sự hình thành phức chất phát

huỳnh quang mạnh giữa ion Al3+ và một hợp chất flavonoid gọi là morin [3]. Phát

hiện này dẫn sự tìm kiếm các chất huỳnh quang khác để chế tạo các sensor huỳnh

quang ứng dụng trong phát hiện và định lượng các chất phân tích.

Hình 1.1. Sensor huỳnh quang đầu tiên được công bố bởi Goppelsrӧder

Đối tượng phân tích ban đầu của các sensor huỳnh quang chủ yếu là các cation

kim loại. Điều này là do các cation kim loại trong môi trường nước dễ tương tác chọn

lọc với các phân tử huỳnh quang hơn so với các chất phân tích khác như anion hay

các phân tử trung hòa. Ngày nay, lĩnh vực nghiên cứu sensor huỳnh quang đã và đang

phát triển mạnh. Đối tượng phân tích cũng như phạm vi ứng dụng của các sensor

5

huỳnh quang không ngừng được mở rộng, đặc biệt là các đối tượng phân tích trong

các hệ sinh học. Cụ thể, các sensor huỳnh quang có thể phát hiện chọn lọc các cation,

anion, các phân tử sinh học quan trọng như protein và DNA, trong môi trường cũng

như trong cơ thể sống. Cùng với sự phát triển của công nghệ kính hiển vi chụp ảnh

huỳnh quang (Fluorescence imaging microscope), các sensor huỳnh quang là yếu tố

cấu thành không thể thay thế trong công nghệ này, giúp cho việc theo dõi sự thay đổi

nồng độ chất phân tích trong hệ sinh học phân giải theo cấu trúc không gian tế bào và

theo thời gian thực [4].

So với các phương pháp phân tích truyền thống, việc sử dụng các sensor huỳnh

quang có những lợi thế nhất định, như quá trình xử lý mẫu tương đối đơn giản, thời

gian phân tích nhanh, thiết bị có giá thành không cao và kỹ thuật phân tích theo thời

gian thực trong các hệ sinh học là gần như không thể thay thế bằng các phương pháp

khác như theo dõi sự thay đổi nồng độ các đối tượng phân tích trong tế bào bằng kính

hiển vi huỳnh quang. So với phương pháp phân tích UV-Vis, dựa vào sự chênh lệch

cường độ chùm sáng đến và đi ra khỏi mẫu, phương pháp huỳnh quang đo trực tiếp

cường độ ánh sáng phát xạ mà không tham chiếu với cường độ ánh sáng kích thích,

tránh được nhiễu nền nên có độ nhạy cao hơn rất nhiều. Hiện nay các nghiên cứu về

sensor huỳnh quang tập trung vào việc nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc, mở rộng phạm

vi các đối tượng phân tích và khả năng hoạt động của các sensor huỳnh quang trong

các môi trường và điều kiện khác nhau. Gần đây nhiều sensor huỳnh quang được

công bố có thể phát hiện chọn lọc các cation kim loại như Hg2+ [5-8], Cu2+ [9-12],

Fe2+ [13], Fe3+ [14-16], Zn2+ [14],[17], Cr3+ [18],[19], Ag+ [20],[21], Pb2+ [12],[21],

Mg2+, Ba2+ [22], Cd2+ [23]. Sensor phát hiện các cation kim loại trong môi trường tế

bào như Hg2+ trong tế bào ung thư vú [24], Cu2+ trong lysosome của tế bào 293T [25],

Cd2+ [26], và Pb2+ [27] trong tế bào Hela. Sensor huỳnh quang phát hiện các anion

như F‒ [28], CN‒ [29], Br‒ [30], S2‒ [31], HSO3‒/SO3

2‒ [32]; phát hiện các phân tử

trung hòa như H2S [33], SO2 [34], các biothiol (GSH, Hcy và Cys) [35-37].

Ở Việt Nam, có rất ít nhóm nghiên cứu về sensor huỳnh quang. Các công bố

về lĩnh vực này chủ yếu đến từ nhóm của GS.TS. Dương Tuấn Quang. Ông và cộng

sự đã công bố các sensor huỳnh quang phát hiện Hg2+ [38-45], Cu2+ [39],[46], Ag+

6

[39], Al3+ [47],[48], Cs+ [49], F‒ [49] và các biothiol [50],[51]. Mặc dù các sensor

huỳnh quang mới liên tục được công bố, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải

quyết trong lĩnh vực này bao gồm nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc, mở rộng phạm vi

các đối tượng phân tích và khả năng hoạt động của các sensor huỳnh quang trong các

môi trường và điều kiện khác nhau.

1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của sensor huỳnh quang

Các sensor huỳnh quang có thể hoạt động theo nhiều nguyên tắc khác nhau.

Hình 1.2 minh họa nguyên tắc hoạt động cơ bản của một sensor huỳnh quang. Khi

chưa có mặt chất phân tích, phân tử sensor có thể ở trạng thái phát (ON) hoặc không

phát (OFF) huỳnh quang. Quá trình liên kết hóa học của phân tử sensor với chất phân

tích làm thay đổi cấu trúc electron của sensor, dẫn đến phân tử chuyển từ trạng thái

phát sang không phát huỳnh quang (ON–OFF) hoặc không phát sang phát huỳnh

quang (OFF–ON). Ngoài hai nguyên tắc hoạt động thường gặp trên, có thể chất phân

tích không dập tắt huỳnh quang mà làm thay đổi bước sóng phát xạ huỳnh quang của

sensor [52].

Hình 1.2. Hai nguyên tắc hoạt động thường gặp của sensor huỳnh quang

1.1.3. Cấu tạo của sensor huỳnh quang

Một sensor huỳnh quang về cơ bản gồm ba bộ phận: 1) Fluorophore là bộ

phận chịu trách nhiệm cho quá trình hấp thụ photon và phát xạ huỳnh quang;

2) Receptor đóng vai trò tương tác chọn lọc với đối tượng phân tích và 3) Spacer có

vai trò liên kết và truyền tín hiệu giữa fluorophore và receptor (Hình 1.3).

7

Hình 1.3. Cấu tạo thường gặp của sensor huỳnh quang

Hình 1.4. Cấu tạo của hai sensor huỳnh quang BClO và CCF1

Hình 1.4 trình bày cấu tạo của sensor BClO được công bố bởi Hao Zhu và

cộng sự [53] phát hiện HClO trong tế bào ung thư và sensor CCF1 được phát triển

bởi Jia và cộng sự [54] phát hiện Cu2+ trong môi trường nội bào. Sensor BClO sử

dụng fluorophore dựa trên BODIPY, nhóm ethane-1,2-diyl là spacer và receptor là

dẫn xuất của pyrrole. Quá trình oxy hóa nhân pyrrole bởi HClO dẫn đến sự phát

huỳnh quang của BClO. Sensor ngoài cấu trúc theo kiểu “fluorophore – spacer –

receptor”, receptor có thể gắn trực tiếp lên fluorophore mà không cần spacer hoặc bản

thân fluorophore có chứa sẵn các nhóm chức đóng vai trò làm receptor [1].

1.2. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ và phát xạ của phân tử

1.2.1. Quá trình hấp thụ

Ở trạng thái cơ bản, phân tử có thể hấp thụ photon để chuyển lên các trạng thái

kích thích có năng lượng cao hơn. Theo quan điểm của cơ học lượng tử, quá trình này

làm thay đổi hàm sóng của electron từ trạng thái có năng lượng thấp sang trạng thái

8

có năng lượng cao hơn. Năng lượng photon hấp thụ bằng chênh lệch năng lượng giữa

hai trạng thái chuyển đổi (ΔE):

𝐸𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛 = ℎ𝑐

𝜆= ∆𝐸 (1.1)

Phần lớn các phân tử hữu cơ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại xa. Tuy

nhiên, các ứng dụng thực tế quá trình hấp thụ ánh sáng của phân tử chủ yếu gặp ở

vùng ánh sáng khả kiến và tử ngoại gần như phân tích trắc quang và công nghiệp

phẩm màu. Để có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến và tử ngoại gần, các phân

tử hữu cơ phải chứa nhóm nhận tín hiệu ánh sáng gọi là chromophore (hoặc

fluorophore trong hợp chất huỳnh quang) chịu trách nhiệm chính cho quá trình kích

thích electron trong phân tử. Các trung tâm chromophore, trong hầu hết các trường

hợp, liên quan đến sự có mặt hệ liên hợp electron 𝜋 của vòng thơm, dị vòng và hệ

liên kết đôi liên hợp dài.

Hình 1.5. Các chuyển đổi trạng thái electron trong phổ hấp thụ của anthracene

Hình 1.5 minh họa phổ hấp thụ của anthracene. Bình thường phân tử

anthracene ở trạng thái cơ bản singlet (S0) và phân bố chủ yếu ở mức dao động thấp

nhất, 𝑣0 (ký hiệu là S0,𝑣0). Khi phân tử anthracene hấp thụ photon ánh sáng có bước

sóng thích hợp, nó sẽ chuyển lên trạng thái kích thích S1 (có cùng độ bội spin theo

quy tắc chọn lọc spin) ứng với các mức dao động khác nhau có thể có. Xác suất của

các chuyển đổi kết thúc ở các mức dao động khác nhau của trạng thái kích thích phụ

9

thuộc hình học ở trạng thái cơ bản. Vì quá trình chuyển trạng thái electron về cơ bản

là tức thì so với thang thời gian của chuyển động hạt nhân, nên hình học của phân tử

không thay đổi trong suốt quá trình chuyển đổi. Theo nguyên lý Franck – Condon,

chuyển đổi có xác suất lớn nhất ứng với mức dao động của trạng thái kích thích phù

hợp nhất với hình học ở trạng thái cơ bản. Giá trị xác suất của chuyển đổi được xác

định bằng cường độ dao động 𝑓 (oscillator strength). Giá trị 𝜆𝑚𝑎𝑥 trong phổ hấp thụ

của phân tử ứng với chuyển đổi có cường độ dao động lớn nhất. Trong trường hợp

phân tử anthracene, 𝜆𝑚𝑎𝑥 ứng với chuyển đổi S0,𝑣0 → S1,𝑣0 [55].

1.2.2. Quá trình phát xạ huỳnh quang

Hiện tượng phát huỳnh quang được

mô tả lần đầu tiên bởi Sahagun (1560) khi

ông quan sát thấy sự phát huỳnh quang của

dịch chiết từ cây Eysenhardtia

polystachya. Trong bài báo năm 1852 về

khả năng thay đổi bước sóng của ánh sáng,

Stokes đã mô tả khả năng của khoáng chất

fluorite và thủy tinh uranium có thể thay

đổi ánh sáng cực tím không nhìn thấy thành ánh sáng màu xanh. Ông đặt tên cho hiện

tượng này là huỳnh quang. Thuật ngữ huỳnh quang (fluorescence) bắt nguồn từ tên

gọi khác của khoáng fluorite là fluororspar [56]. Hình 1.6 cho thấy các màu ánh sáng

huỳnh quang khác nhau của một số khoáng chất khi được chiếu bởi ánh sáng tử ngoại.

Hình 1.7 trình bày cơ chế quá trình hấp thụ ánh sáng và phát xạ huỳnh quang

của một phân tử điển hình. Sau khi bị kích thích, phân tử chuyển lên trạng thái kích

thích S2. Phân tử ở trạng thái kích thích rất không bền vững, có xu hướng hồi phục

về trạng thái có năng lượng thấp hơn. Giả sử trạng thái kích thích của phân tử có xác

suất lớn nhất là S2,𝑣3. Do quá trình va chạm với các phân tử xung quanh, phân tử

nhanh chóng hồi phục dao động (vr) về trạng thái có mức dao động thấp nhất, S2,𝑣0

ứng với hình học bền ở trạng thái kích thích S2. Đối với hầu hết các phân tử, mức

năng lượng của trạng thái S2 và S1 tương đối gần nhau. Khi đó quá trình ic sẽ xảy ra

Hình 1.6. Khoáng chất phát huỳnh

quang dưới ánh sáng tử ngoại

10

từ trạng thái S2,𝑣0 tới trạng thái S1,𝑣𝑖 có cùng mức năng lượng. Phân tử kích thích ở

mức năng lượng S1,𝑣𝑖 thông qua quá trình vr nhanh chóng đạt đến trạng thái kích thích

thấp nhất S1,𝑣0. Ứng với trạng thái S1,𝑣0, phân tử có thể phát xạ một photon để chuyển

về trạng thái cơ bản S0,𝑣𝑖. Hiện tượng phát xạ ở đây được gọi là huỳnh quang. Vì

chuyển đổi huỳnh quang này có năng lượng nhỏ hơn chuyển đổi kích thích, nên ánh

sáng huỳnh quang sẽ có bước sóng dài hơn so với ánh sáng kích thích. Chênh lệch

giữa bước sóng ánh sáng kích thích và bước sóng huỳnh quang gọi là chuyển dịch

Stokes.

Hình 1.7. Giản đồ Jablonski quá trình hấp thụ và phát xạ của phân tử

Thực tế, số phân tử có thể phát huỳnh quang tương đối ít vì có nhiều quá trình

cạnh tranh với huỳnh quang. Ở trạng thái S1, có thể xảy ra quá trình isc (intersystem

crossing: chuyển đổi từ singlet sang triplet khi trạng thái T1,𝑣𝑖 có cùng mức năng

lượng với S1,𝑣0), chuyển từ trạng thái thái S1 sang trạng thái kích thích triplet, T1. Ứng

với trạng thái này, phân tử có thể thực hiện quá trình isc hoặc phát xạ lân quang để

hồi phục về trạng thái cơ bản. Ngoài các quá trình hồi phục trạng thái kích thích bằng

11

các quá trình vật lý, trạng thái kích thích của phân tử có thể bị khử kích hoạt bởi các

quá trình biến đổi quang hóa mà không gây ra phát xạ huỳnh quang [55].

Quy tắc Kasha

Theo quy tắc Kasha phát xạ huỳnh quang của các phân tử hữu cơ thường xảy

ra từ trạng thái kích thích singlet S1 có năng lượng thấp nhất (S1,𝑣0). Một trường hợp

ngoại lệ của quy tắc Kasha là phân tử azulene. Phân tử này phát xạ huỳnh quang từ

trạng thái S2 (Hình 1.8). Điều này có thể giải thích là do azulene có khoảng cách năng

lượng giữa S2 và S1 tương đối lớn, làm chậm đáng kể tốc độ quá trình ic từ S2 về S1.

Do đó chuyển đổi huỳnh quang từ S2 → S0 trong phân tử azulene chiếm ưu thế hơn

so với các quá trình cạnh tranh khác [55].

Hình 1.8. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của Azulene

Hiệu suất lượng tử huỳnh quang

Tỉ lệ số photon phát xạ huỳnh quang trên số photon hấp thụ gọi là hiệu suất

lượng tử huỳnh quang, 𝜙𝑓.

𝜙𝑓 =Số photon phát xạ huỳnh quang

Số photon hấp thụ (1.2)

Theo quy tắc Kasha, xác suất của một phân tử kích thích kết thúc ở mức dao động

thấp nhất của S1 là rất cao, bất kể năng lượng ánh sáng kích thích được sử dụng. Do

đó hiệu suất lượng tử huỳnh quang không phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích

thích (Quy tắc Vavilov). Ở trạng thái kích thích S1,𝑣0, phân tử có thể hồi phục về trạng

12

thái cơ bản bằng các quá trình phát xạ huỳnh quang, quá trình ic và isc. Thông thường,

do khoảng cách năng lượng giữa S1 và S0 tương đối lớn, nên quá trình ic diễn ra rất

chậm, bởi vậy 𝜙𝑓 + 𝜙𝑖𝑠𝑐 ≈ 1 (Quy tắc Ermolaev) [55].

1.3. Nguyên tắc thiết kế sensor huỳnh quang

Một hợp chất hóa học có thể sử dụng làm sensor huỳnh quang để phát hiện các

chất phân tích nếu nó có tính chất huỳnh quang khác nhau khi ở dạng tự do và dạng

liên kết với các chất phân tích. Kiểu hoạt động thường gặp nhất của các sensor huỳnh

quang là:

Kiểu bật – tắt huỳnh quang (ON–OFF): sensor phát huỳnh quang ở dạng

tự do nhưng bị dập tắt huỳnh quang khi liên kết với chất phân tích

Kiểu tắt – bật (OFF–ON): sensor chuyển từ trạng thái tắt huỳnh quang

sang phát huỳnh quang khi liên kết với chất phân tích

Kiểu thay đổi bước sóng huỳnh quang: bước sóng huỳnh quang của sensor

bị thay đổi khi liên kết với chất phân tích.

Hình 1.9. Thiết kế thường gặp của sensor huỳnh quang

Quá trình thiết kế sensor huỳnh quang thường quan tâm đến hai bộ phận chính:

1) fluorophore, chịu trách nhiệm cho quá trình phát huỳnh quang; 2) receptor, có vai

trò liên kết chọn lọc với đối tượng phân tích. Thường thì có thể có thêm bộ phận thứ

ba là spacer có nhiệm vụ liên kết và truyền tín hiệu giữa fluorophore và receptor (Hình

1.9). Về mặt tương tác, khi sensor liên kết với chất phân tích, phải làm thay đổi cấu

trúc electron hoặc cấu trúc phân tử của sensor, từ đó tạo ra các thay đổi trong tín hiệu

huỳnh quang. Nhiều cơ chế vật lý và hóa học khác nhau đã được sử dụng trong quá

13

trình thiết kế sensor huỳnh quang, như chuyển electron cảm ứng ánh sáng

(photoinduced electron transfer: PET), chuyển điện tích (charge transfer: CT), truyền

năng lượng cộng hưởng Förster (Förster resonance energy transfer: FRET), chuyển

điện tích nội phân tử (intramolecular charge transfer: ICT), sự tăng cường độ huỳnh

quang do tạo phức chelate (chelation induced enhanced fluorescence: CHEF), chuyển

proton trạng thái kích thích (excited-state proton transfer: ESPT) và mở vòng

spirolactam của dẫn xuất rhodamine spirolactam [57],[58].

1.3.1. Thiết kế theo cơ chế chuyển electron cảm ứng ánh sáng PET

PET là một trong những cơ chế được sử dụng phổ biến nhất trong thiết kế

sensor huỳnh quang. Theo cơ chế này, tính chất huỳnh quang có thể được điều khiển

bằng quá trình chuyển electron giữa receptor và fluorophore khi sensor ở dạng tự do

hoặc ở dạng liên kết với chất phân tích [59],[60]. Hình 1.10 trình bày cơ chế PET của

sensor huỳnh quang dạng “fluorophore – spacer – receptor” hoạt động theo kiểu

OFF–ON. Khi sensor ở dạng tự do, năng lượng HOMO của receptor nằm giữa khoảng

năng lượng HOMO – LUMO của fluorophore. Quá trình chuyển electron từ LUMO

về HOMO của fluorophore ở trạng thái kích thích dẫn đến phát huỳnh quang sẽ bị

cạnh tranh với quá trình chuyển electron từ HOMO của receptor đến HOMO của

fluorophore (quá trình chuyển electron cảm ứng ánh sáng PET), và có thể dẫn đến

dập tắt huỳnh quang. Khi receptor liên kết với chất phân tích, năng lượng HOMO của

receptor trở nên thấp hơn năng lượng HOMO của fluorophore dẫn đến loại bỏ quá

trình PET và kết quả là huỳnh quang trên fluorophore được phục hồi.

Hình 1.10. Cơ chế PET của sensor huỳnh quang hoạt động theo kiểu OFF–ON

14

Sensor hoạt động theo cơ chế PET cũng có thể theo kiểu “ON–OFF”. Nếu

HOMO của receptor ở dạng tự do có năng lượng thấp hơn HOMO của fluorophore

và khi liên kết với chất phân tích năng lượng HOMO của receptor trở nên lớn hơn

năng lượng HOMO của fluorophore. Ngoài ra quá trình PET cũng có thể xảy ra từ

LUMO của fluorophore tới LUMO của receptor khi nó thỏa mãn các điều kiện về

năng lượng tượng tự như giữa HOMO của fluorophore và receptor. Sensor PET hoạt

động theo kiểu “ON–OFF” thường gặp trong trường hợp các chất phân tích là cation

kim loại chuyển tiếp. Khi đó PET thường là quá trình chuyển electron giữa

fluorophore với orbital d của kim loại. PET có thể được kiểm soát bằng cách lựa chọn

các fluorophore, spacer và receptor phù hợp. Cụ thể, điều chỉnh mật độ electron bằng

các nhóm hút electron, thay đổi bản chất “công tắc” PET, và thay đổi spacer giữa

receptor và fluorophore có thể điều chỉnh hiệu suất PET [61],[62]. Một sensor huỳnh

quang được thiết kế theo dạng fluorophore–receptor mà không có spacer rõ ràng cũng

có thể được sử dụng để phát hiện các cation kim loại [63].

Hình 1.11. Sensor BClO và CCF1 hoạt động theo cơ chế PET

Hai ví dụ minh họa về sensor huỳnh quang hoạt động theo cơ chế PET được

trình bày trên Hình 1.11 [53],[54]. Sensor đầu tiên (BClO) phát hiện HClO trong môi

trường nội bào, sử dụng fluorophore là dẫn xuất của BODIPY. Ở trạng thái tự do, quá

trình phát huỳnh quang của fluorophore bị dập tắt bởi PET từ vòng pyrrole giàu

electron. Khi có mặt HClO, pyrrole bị oxy hóa thành ketone, làm giảm mạnh mật độ

electron trên nhân pyrrole dẫn đến ức chế quá trình PET, kết quả làm phục hồi huỳnh

quang trên fluorophore. Sensor thứ hai (CCF1) sử dụng fluorophore là dẫn xuất của

fluorescein. Ở trạng thái kích thích, phát xạ huỳnh quang bị dập tắt bởi PET từ cặp

15

electron không liên kết trên amine bậc 3. Khi liên kết với Cu2+, cặp electron trên

amine tham gia tạo liên kết phối trí với Cu2+. Điều này dẫn đến ức chế PET, và sensor

chuyển sang trạng thái phát huỳnh quang. Đặc biệt quá trình ức chế PET này chỉ xảy

ra chọn lọc với Cu2+. Do đó sensor CCF1 được sử dụng để phát hiện chọn lọc Cu2+.

1.3.2. Thiết kế theo cơ chế chuyển điện tích nội phân tử ICT (intramolecular

charge transfer)

Cùng với cơ chế PET, điều khiển quá trình chuyển điện tích nội phân tử (ICT)

là một trong các cơ chế hoạt động phổ biến được sử dụng trong thiết kế sensor huỳnh

quang [64]. Tính chất huỳnh quang của fluorophore có thể được điều khiển bằng cách

tác động lên quá trình ICT từ phần cho electron (Donor: D) đến phần nhận electron

(Acceptor: A) trên sensor.

Hình 1.12. Minh họa cơ chế của một sensor huỳnh quang ICT

Hình 1.12 minh họa cơ chế hoạt động của một sensor huỳnh quang ICT. Quá

trình kích thích electron từ HOMO lên LUMO làm chuyển dịch electron từ donor đến

acceptor (quá trình ICT), dẫn đến momen lưỡng cực của phân tử ở trạng thái kích

thích lớn hơn nhiều so với ở trạng thái cơ bản. Bởi vì tốc độ sắp xếp lại của các phân

tử dung môi chậm hơn nhiều so với quá trình thay đổi phân bố điện tích trong phân

tử cho nên lớp vỏ solvat hóa chỉ đạt cân bằng cho phân tử ở trạng thái cơ bản (HOMO)

mà không đạt cân bằng cho phân tử ở trạng thái kích thích (LUMO). Sau đó, thông

thường trạng thái kích thích kéo dài đủ lâu để lớp vỏ dung môi sắp xếp lại và đạt đến

trạng thái solvat hóa cân bằng cho phân tử ở trạng thái kích thích (LUMO*). Điều này

làm giảm năng lượng của trạng thái kích thích LUMO* so với LUMO. Tương tự như

quá trình kích thích, quá trình phát xạ huỳnh quang từ LUMO* về HOMO* cũng xảy

16

ra rất nhanh so với quá trình solvat hóa, dẫn đến lớp vỏ dung môi của phân tử sensor

ở trạng thái cơ bản (HOMO*) chưa đạt đến trạng thái cân bằng. Điều này làm tăng

năng lượng của trạng thái cơ bản HOMO* so với HOMO. Kết quả là sự chênh lệch

năng lượng giữa HOMO* và LUMO* giảm mạnh dẫn đến sự phát xạ huỳnh quang

của phân tử có quá trình ICT xảy ra ở bước sóng dài hơn so với phân tử không có quá

trình ICT.

Phản ứng giữa sensor với chất phân tích có thể gây nhiễu loạn quá trình ICT,

dẫn đến thay đổi bước sóng phát xạ huỳnh quang và do đó có thể phát hiện được sự

có mặt của chất phân tích. Nếu tương tác giữa sensor và chất phân tích làm giảm quá

trình ICT, dẫn đến giảm bước sóng huỳnh quang. Ngược lại nếu tương tác làm tăng

quá trình ICT, huỳnh quang sẽ xảy ra ở bước sóng dài hơn.

Hình 1.13. Sensor huỳnh quang ICT, fura-2 phát hiện Ca2+ trong chụp ảnh tế bào

Ví dụ thứ nhất là sensor huỳnh quang fura-2 (Hình 1.13) phát hiện Ca2+ có độ

nhạy cao trong môi trường nội bào [65]. Khi sensor ở dạng tự do, quá trình ICT từ

donor chứa cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử N (màu hồng) đến acceptor (màu

xanh) dẫn đến chuyển dịch Stoke rất lớn (hấp thụ tại 362 nm và phát xạ tại 518 nm).

Khi sensor liên kết phối trí với Ca2+, mật độ của cặp electron trên nguyên tử N bị

giảm, làm hạn chế quá trình ICT, dẫn đến giảm bước sóng huỳnh quang của sensor.

Điều này cho phép đo riêng được cường độ huỳnh quang của fura-2 ở dạng tự do và

ở dạng tạo phức với Ca2+. Do đó sự thay đổi nồng độ Ca2+ trong mẫu phân tích có thể

được đo lường. Fura-2 được phát triển bởi Roger Y. Tsien. Ông được trao giải Nobel

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2008/tsien/facts/

17

hóa học vào năm 2008 cho công trình nghiên cứu phát triển các phương pháp chụp

ảnh tế bào bằng đánh dấu huỳnh quang [66].

Hình 1.14. Sensor huỳnh quang ICT, ZS1 phát hiện H2S trong tế bào

Ví dụ thứ hai là một sensor huỳnh quang ICT phát hiện H2S trình bày trên

Hình 1.14 [67]. Ở trạng thái tự do, donor (BODIPY) và acceptor (aldehyde) của

sensor là một hệ ICT rất hiệu quả, làm giảm mạnh khoảng cách năng lượng giữa trạng

thái S1 và S0. Do đó quá trình ic từ S1 về S0 xảy ra rất thuận lợi dẫn đến dập tắt huỳnh

quang trên fluorophore BODIPY. Khi sensor phản ứng với H2S, nhóm aldehyde bị

loại bỏ, làm ức chế quá trình ICT và dẫn đến huỳnh quang trên fluorophore BODIPY

được phục hồi.

1.3.3. Thiết kế theo cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Forster (FRET)

FRET dựa trên khả năng một fluorophore đóng vai trò donor (D) truyền năng

lượng ở trạng thái kích thích của nó tới một fluorophore khác đóng vai trò acceptor

(A) có năng lượng trạng thái kích thích thấp hơn, với điều kiện D và A có cùng mức

năng lượng vibronic (tổng năng lượng electron và dao động) (Hình 1.15). Quá trình

truyền năng lượng này không liên quan đến sự phát xạ và hấp thụ photon, được gọi

là truyền năng lượng cộng hưởng Forster (FRET).

Có hai yếu tố quan trọng để điều khiển quá trình FRET. Yếu tố thứ nhất là

khoảng cách giữa D và A. Hiệu suất của FRET tỷ lệ thuận với 1/r6 với r là khoảng

cách trung bình giữa D và A. Do đó quá trình FRET cực kỳ nhạy cảm với khoảng

cách giữa D và A, yếu tố này được ứng dụng để phát triển sensor huỳnh quang đo

khoảng cách ở thang phân tử trong các hệ sinh học. Đối với các sensor phân tử nhỏ,

D và A ở rất gần nhau, nên khoảng cách giữa chúng gần như không ảnh hưởng đáng

18

kể đến quá trình FRET. Yếu tố thứ hai tác động vào quá trình cho và nhận năng lượng

của D và A là thông qua tương tác giữa sensor với chất phân tích có thể ức chế D

hoặc A, dẫn đến quá trình FRET được tăng cường hoặc bị ngăn chặn.

Hình 1.15. Minh họa cấu tạo và cơ chế của một sensor huỳnh quang FRET

Hình 1.16 trình bày ví dụ senor huỳnh quang IPIN-SO2 hoạt động theo cơ chế

FRET [68]. D và A của sensor tương ứng với hai fluorophore tô màu xanh và hồng.

Ở trạng thái tự do, fluorophore D trên sensor hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 380 nm.

Thông qua quá trình FRET, năng lượng kích thích này được truyền đến fluorophore

A và xảy ra phát xạ huỳnh quang tại 580 nm. Khi sensor tương tác với ion SO32− làm

phá vỡ hệ liên hợp dẫn đến ức chế donor A. Kết quả là quá trình FRET bị ngăn chặn,

và sensor phát huỳnh quang ở 475 nm tại fluorophore D.

Hình 1.16. Sensor huỳnh quang FRET, IPIN-SO2 phát hiện ion 𝑆𝑂32− trong tế bào

1.3.4. Thiết kế theo cơ chế mở vòng spirolactam của dẫn xuất rhodamine

spirolactam

Các dẫn xuất của rhodamine spirolactam ở dạng vòng không có màu và không

phát huỳnh quang nhưng ở dạng mở vòng spirolactam có màu hồng và phát huỳnh

19

quang mạnh. Đặc điểm thú vị này đã được sử dụng để thiết kế các sensor huỳnh

quang. Các sensor dạng này hoạt động theo kiểu OFF–ON. Khi sensor liên kết với

chất phân tích có thể dẫn đến mở vòng spirolactam làm bật “công tắc huỳnh quang”

(Hình 1.17).

Hình 1.17. Cơ chế hoạt động thường gặp của sensor huỳnh quang dựa vào

phản ứng mở vòng rhodamine spirolactam

Trên Hình 1.18 và 1.19 là hai ví dụ về sensor huỳnh quang hoạt động theo cơ

chế mở vòng spirolactam sử dụng fluorophore là dẫn xuất của rhodamine spirolactam

[69],[70]. Ở trạng thái tự do, các sensor RD và RMTE tồn tại ở dạng đóng vòng

spirolactam và không phát huỳnh quang. Khi receptor tạo liên kết phối trí với Cu2+

và Hg2+ tương ứng, dẫn đến mở vòng spirolactam và sensor chuyển sang trạng thái

phát huỳnh quang.

Hình 1.18. Sensor huỳnh quang RD phát hiện Cu2+

Hình 1.19. Sensor huỳnh quang RMTE phát hiện Hg2+

20

1.3.5. Lựa chọn fluorophore

Fluorophore chịu trách nhiệm cho quá trình phát huỳnh quang của sensor, do

đó nó là bộ phận quan trọng nhất quyết định đến các đặc tính quang học của sensor

bao gồm bước sóng kích thích và phát xạ, độ chuyển dịch Stoke, hiệu suất lượng tử

huỳnh quang và độ bền quang hóa [71]. Phần lớn các sensor đã công bố sử dụng bộ

khung fluorophore dựa trên các dẫn xuất của coumarin, naphthalimide, rhodamine,

BODIPY, cyanine [72]. Tính chất quang học của một phân tử hữu cơ dựa trên các

khung fluorophore thường gặp được trình bày trên Hình 1.20.

Hình 1.20. Tính chất quang học của một số phân tử hữu cơ sử dụng các

khung fluorophore thường gặp

Yếu tố thứ nhất cần cân nhắc khi lựa chọn fluorophore là tính chất quang học

của nó. Fluorophore phải có độ hấp thụ ánh sáng đủ lớn được định lượng bằng hệ số

hấp thụ mol phân tử 𝜀. Một fluorophore hấp thụ ánh sáng yếu thì cường độ phát xạ

huỳnh quang yếu dẫn đến làm giảm độ nhạy của phép phân tích. Yếu tố thứ hai là

bước sóng kích thích, thường được sử dụng nhất là bước sóng kích thích cực đại

𝜆𝑚𝑎𝑥. Trường hợp phân tử có nhiều dải hấp thụ, bước sóng kích thích thường được

lựa chọn là 𝜆𝑚𝑎𝑥 của dải có độ hấp thụ cao nhất. Tuy nhiên, đối với các fluorophore

có chuyển dịch Stokes nhỏ, ánh sáng kích thích có thể gây nhiễu nền khi đo cường

độ phát xạ huỳnh quang. Trong trường hợp này, thường thì nên chọn bước sóng kích

thích ở các dải có bước sóng hấp thụ nhỏ hơn. Một lưu ý quan trọng khi thiết kế

21

sensor hoạt động trong môi trường sinh học là lựa chọn fluorophore có bước sóng

kích thích đủ lớn để không gây hại lên tế bào và tránh được hiện tượng huỳnh quang

nền của mẫu. Yếu tố thứ ba là bước sóng phát xạ huỳnh quang của fluorophore.

Thường thì bước sóng phát xạ huỳnh quang phải có chuyển dịch Stoke đủ lớn để

tránh nhiễu từ ánh sáng kích thích khi đo phổ huỳnh quang. Yếu tố thứ tư là hiệu suất

lượng tử huỳnh quang của fluorophore (ϕ). Hiệu suất lượng tử huỳnh quang càng lớn

thì độ nhạy của phương pháp đo càng cao. Yếu tố thứ năm là độ sáng của fluorophore,

là bội số εϕ, thường chia cho 1000. Độ sáng càng cao thì cường độ huỳnh quang càng

lớn, do đó độ nhạy của sensor càng cao. Một yếu tố nữa cũng thường được chú ý khi

thiết kế sensor là độ bền quang hóa của fluorophore. Khi sensor bị kích thích trong

thời gian dài có thể dẫn các biến đổi quang hóa làm giảm hiệu suất lượng tử huỳnh

quang. Hình 1.20 trình các đặc tính quang học của một số phân tử hữu cơ dựa trên

các khung fluorophore thường được sử dụng trong thiết kế sensor huỳnh quang [73].

Hình 1.21. Các vị trí nhóm thế có thể sửa đổi của một số khung fluorophore

Bằng cách sửa đổi cấu trúc của khung fluorophore có thể làm thay đổi đáng

kể tính chất quang học của các dẫn xuất so với khung fluorophore ban đầu. Trên Hình

1.21 minh họa các vị trí có thể sửa đổi trên các khung fluorophore [73].

22

1.4. Tổng quan về các đối tượng phân tích Cu2+, Hg2+ và các biothiol

1.4.1. Ion Hg2+

Thủy ngân được cơ quan đăng ký dịch bệnh và chất độc hại của Hoa Kỳ

(ATSDR) xếp hạng thứ ba trong số các chất độc hại nhất [74]. Ion Hg2+ không bị

phân hủy sinh học và có thể bị tích lũy sinh học, là nguyên nhân đe dọa nghiêm trọng

đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người. Độc tính của Hg2+ là do nó có ái lực

mạnh với các nhóm thiol trong protein và enzyme nội bào, dẫn đến rối loạn các chức

năng của cơ thể sống [1],[75]. Nhiễm độc Hg2+ có thể gây ra stress oxy hóa (Oxidative

stress), rối loạn chức năng ty thể, thay đổi cân bằng canxi trong nội bào [76]. Sự tích

tụ thủy ngân trong tim mạch được cho là nguyên nhân gây ra bệnh cơ tim. Thủy ngân

tấn công hệ thần kinh trung ương, hệ nội tiết, ảnh hưởng tới miệng, các cơ quai hàm

và răng. Phơi nhiễm thủy ngân kéo dài gây ra các tổn thương não và dẫn đến tử vong.

Hơn nữa, phơi nhiễm thủy ngân trước khi sinh có thể ảnh hưởng cấp tính đến sự phát

triển thần kinh của phôi và thai nhi, do đó phụ nữ mang thai là nhóm có nguy cơ cao

về phơi nhiễm thủy ngân [77]. Theo cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) mức

tối đa cho phép của thủy ngân trong nước uống là 10 nM [78]. Thủy ngân được thải

ra môi trường bởi các hoạt động tự nhiên và con người. Việc giải phóng thủy ngân

bởi hoạt động tự nhiên chủ yếu là do xói mòn, núi lửa và cháy rừng; trong khi phát

thải do con người gây ra chủ yếu do hoạt động khai thác mỏ, hóa chất nông nghiệp,

đốt nhiên liệu hóa thạch, công nghiệp luyện kim và sản xuất thủy ngân, vàng [79].

Các phương pháp phát hiện thủy ngân thường được sử dụng là quang phổ hấp

thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ nguyên tử plasma kết hợp cảm ứng

(ICP-AES), quang phổ khối plasma kết hợp cảm ứng (ICP-MS). Tuy nhiên chúng

thường đòi hỏi kỹ thuật chuẩn bị mẫu phức tạp, thiết bị có độ chính xác cao và người

vận hành được đào tạo bài bản, điều này gây khó khăn khi thực hiện trực tiếp các

phép đo tại hiện trường. Trong những năm gần đây, sensor huỳnh quang đã được ứng

dụng để phát hiện Hg2+ trong các hệ sinh học và môi trường vì tính tiện lợi, phản ứng

nhanh và có độ nhạy cao. Nhiều sensor huỳnh quang phát hiện chọn lọc ion Hg2+ đã

được công bố, hoạt động dựa vào phản ứng tạo phức giữa ion Hg2+ với phân tử sensor

[80-84]. Ngoài ra các sensor có thể hoạt động dựa vào phản ứng đặc trưng của Hg2+

23

như phản ứng chuyển đổi nhóm thiocarbonyl thành nhóm carbonyl [85],[86]; phản

ứng của Hg2+ với nhóm thioether [87],[88] và phản ứng thủy phân được xúc tác bởi

Hg2+ [89],[90].

1.4.2. Ion Cu2+

Đồng là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho hầu hết các dạng của sự sống và

là kim loại chuyển tiếp phổ biến thứ ba trong cơ thể người [91],[92]. Đồng đóng vai

trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh lý cơ bản ở các sinh vật khác nhau từ vi

khuẩn đến động vật có vú, liên quan đến các quá trình chuyển hóa năng lượng, vận

chuyển, hoạt hóa oxy và truyền tín hiệu [93],[94]. Bên cạnh đó, đồng còn có vai trò

như một yếu tố trợ xúc tác (cofactor) trong hoạt động của nhiều enzyme [95]. Đồng

có thể có hai trạng thái oxy hóa trong các hệ sinh học là Cu2+ và Cu+. Quá trình oxy

hóa khử của đồng rất quan trọng đối với một số quá trình sinh lý. Việc sử dụng rộng

rãi đồng trong đời sống và công nghiệp dẫn đến Cu2+ trở thành chất gây ô nhiễm môi

trường. Mức độ không được kiểm soát của đồng có thể gây ra stress oxy hóa

(oxidative stress) và độc tính trong các tế bào [95]. Rối loạn cân bằng chuyển hóa

đồng trong nội bào có liên quan đến bệnh tật, bao gồm rối loạn thần kinh, bệnh

Alzheimer, bệnh teo cơ, bệnh Parkinson, bệnh Menkes và Wilson [96-98]. Các tế bào

phải duy trì nồng độ tối ưu và tích trữ đồng bằng cách điều tiết chặt chẽ sự hấp thu,

phân phối và lưu trữ đồng. Theo cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) mức tối

đa cho phép của đồng trong nước uống là 1,3 ppm [99].

Nhiều sensor huỳnh quang phát hiện chọn lọc ion Cu2+ đã được công bố [100-

102]. Phần lớn các sensor này sử dụng fluorophore là dẫn xuất của rhodamine,

anthracene, BODIPY, calix[4]arenes, coumarin, fluorescein, dansyl, naphthalene,

quinoline và benzimidazole [102]. Cơ chế tương tác của hầu hết các sensor này là

dựa trên phản ứng tạo phức giữa phân tử sensor với ion Cu2+.

1.4.3. Các biothiol Cys, Hcy và GSH

Cysteine (Cys), homocysteine (Hcy) và glutathione (GSH) là một trong số các

phân tử biothiol phổ biến nhất (Hình 1.22). Chúng có vai trò không thể thay thế trong

nhiều hoạt động sinh lý của con người. Ví dụ Cys là tiền chất của GSH, acetyl

coenzyme A cũng như đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và hoạt động của protein

24

[103]. Thông thường, mức độ bất thường của Cys có mối quan hệ mật thiết với nhiều

bệnh như nhiễm độc thần kinh, phù nề, bạc tóc, tổn thương gan và tổn thương da. Mất

cân bằng nồng độ Hcy trong huyết tương là một trong các nguyên nhân chủ yếu gây

ra các bệnh tim mạch. Hơn nữa tổng nồng độ Hcy trong huyết tương cũng liên quan

đến dị tật bẩm sinh cũng như suy giảm nhận thức ở người cao tuổi [104]. GSH là một

trong các thiol nội bào phong phú nhất, đóng vai trò như một chất chống oxy hóa nội

sinh tham gia vào việc duy trì các cân bằng oxy hóa nội bào, trao đổi chất và dẫn

truyền tín hiệu nội bào. Sự mất cân bằng GSH có liên quan trực tiếp đến nhiều bệnh

như ung thư, tim mạch và Alzheimer [105]. Do đó việc phát triển các phương pháp

có thể theo dõi nồng độ các biothiol trong cơ thể có ý nghĩa lớn và cấp thiết. Cho đến

nay, một số phương pháp phân tích đã được sử dụng để phát hiện và định lượng các

biothiol như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), điện di mao quản, khối phổ (MS) và

sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép nối khối phổ (HPLC-MS). Tuy nhiên các phương

pháp này thường yêu cầu nhiều mẫu, thao tác thí nghiệm phức tạp và thời gian phân

tích lâu [106].

Hình 1.22. Công thức cấu tạo của các biothiol Cys, Hcy và GSH

Trong thời gian gần đây, phương pháp phân tích huỳnh quang được quan tâm

nhiều do có một số ưu điểm vượt trội như thời gian đáp ứng nhanh, độ nhạy cao, chi

phí thấp, có thể quan sát bằng mắt thường và thao tác đơn giản. Trong thập kỷ qua,

nhiều sensor huỳnh quang phát hiện biothiol đã được phát triển. Những sensor này

có thể phát hiện chọn lọc một hoặc hai trong số các phân tử Cys, Hcy và GSH hoặc

phát hiện đồng thời [107]. Các sensor này thường hoạt động dựa vào phản ứng trao

đổi phức, phản ứng cộng Michael, phản ứng đặc trưng của thiol với nhóm aldehyde,

sulfonamide và sulfonate [107-110].

25

1.5. Hóa tính toán trong nghiên cứu sensor huỳnh quang

Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ cung cấp thông tin gián tiếp về các đặc tính

quang lý và cấu trúc của các sensor huỳnh quang. Trong thập kỷ qua, các nhà nghiên

cứu đã đề xuất một loạt các cơ chế giải thích hoạt động của các sensor huỳnh quang

dựa vào tính toán các trạng thái kích thích. Các nghiên cứu về cơ chế sensor dựa trên

những hiểu biết sâu sắc về tương tác giữa phân tử sensor và chất phân tích, cũng như

đặc tính phát huỳnh quang của chúng. Các tính toán lý thuyết nhằm tái tạo hiện tượng

huỳnh quang thực nghiệm và đưa ra các giải thích ở mức độ phân tử [111],[112].

1.5.1. Khảo sát cấu trúc và các thông số nhiệt động học

Cấu trúc hình học phân tử, các thông số nhiệt động học và động học của phản

ứng hóa học là những đại lượng được tính toán phổ biến nhất trong hóa học tính toán.

Đối với chất có kích thước tương đối lớn như các phân tử sensor huỳnh quang, hầu

hết các tính toán sử dụng lý thuyết DFT bởi sự kết hợp tối ưu giữa độ chính xác và

thời gian cũng như khả năng đáp ứng của sức máy tính ở thời điểm hiện tại. Sử dụng

lý thuyết DFT, Ramakrishnan và cộng sự [113] đã xây dựng bộ cơ sở dữ liệu khổng

lồ cho 134000 phân tử hữu cơ nhỏ chứa tối đa 9 nguyên tử nặng (không tính nguyên

tử H) về các thông số hình học cân bằng, năng lượng orbital phân tử biên, momen

lưỡng cực, phổ IR, độ phân cực, năng lượng ion hóa, enthalpy và entropy ở mức lý

thuyết B3LYP/6-31G(2df,p). Mẫu đối chứng gồm 6095 đồng phân (C7H10O2) được

tính toán năng lượng enthalpy và năng lượng tự do Gibbs của quá trình ion hóa bằng

phương pháp hàm sóng, G4MP2, có độ chính xác cao hơn DFT và được coi là tương

đương với thực nghiệm [114]. Kết quả công bố cho thấy độ lệch năng lượng ion hóa

trung bình khi sử dụng DFT (B3LYP) không vượt quá 5 kcal.mol‒1 so với các phương

pháp hàm sóng G4MP2. Điều này khẳng định có thể sử dụng DFT để khảo sát các

cấu trúc cũng như các thông số nhiệt động học, đặc biệt đối với các phân tử lớn, khi

việc sử dụng các phương pháp hàm sóng có độ chính xác cao cho các phân tử này là

không khả dụng.

Rất nhiều sensor huỳnh quang được công bố đã sử dụng lý thuyết DFT để giải

thích các thông số thực nghiệm cũng như khảo sát các giai đoạn liên quan trong quá

trình tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor. Các tính toán lý thuyết tập trung

26

vào giải quyết các vấn đề như xác định thông số nhiệt động học của các phản ứng

tổng hợp; xác định dạng tồn tại của phân tử sensor trong dung dịch thông qua tính

toán giá trị pKa; xác định cấu trúc hình học bền của phức giữa sensor và chất phân

tích thông qua năng lượng liên kết của phức cũng như hằng số bền của phức

[109],[115-118].

Chen và cộng sự đã phát triển sensor huỳnh quang phát hiện glutathione (GSH)

trong tế bào sống dựa vào phản ứng cộng Michael thuận nghịch giữa sensor và GSH

(Hình 1.23) [109]. Năng lượng Gibbs của phản ứng (∆𝐺) được tính tại mức lý thuyết

M06-2X/6-31g(d)/SMD có kết quả phù hợp rất tốt với thực nghiệm với sai số nhỏ

hơn 1 kcal.mol–1. Động học của phản ứng cũng được khảo sát định tính bằng lý thuyết

DFT. Các kết quả tính toán này được sử dụng để giải thích các quan sát thực nghiệm

của sensor cũng như phục vụ việc thiết kế các sensor mới.

Hình 1.23. Sensor huỳnh quang phát hiện GSH dựa vào phản ứng cộng Michael và

hình ảnh phát quang của tế bào phơi nhiễm GSH khi có mặt sensor.

1.5.2. Khảo sát tính chất quang học của sensor dựa vào trạng thái cơ bản

Các thông tin về tính chất quang học (hấp thụ và phát xạ huỳnh quang) của

sensor ở dạng tự do và dạng liên kết với chất phân tích là vô cùng quan trọng trong

nghiên cứu về sensor huỳnh quang. Một sensor phải có khả năng hấp thụ ánh sáng

đáng kể trong vùng bước sóng phù hợp. Các thông tin về hấp phụ và phát xạ của

fluorophore thường được biết trước. Tuy nhiên, khi lắp ráp thành một phân tử sensor

dự kiến, do tương tác với các bộ phận khác như receptor, các đặc tính hấp thụ và

huỳnh quang của fluorophore ban đầu có thể bị thay đổi ngoài dự kiến. Mặt khác, sự

tương tác giữa receptor với chất phân tích phải đủ mạnh và sự thay đổi tín hiệu huỳnh

27

quang do tương tác này phải được dự đoán để đảm bảo khả năng hoạt động của sensor.

Đây là những trở ngại chính cho quá trình phát triển các sensor mới. Các khảo sát lý

thuyết sử dụng DFT đã và đang trở thành công cụ mạnh mẽ để vượt qua các trở ngại

này. Rất nhiều nghiên cứu đã sử dụng tính toán DFT để khảo sát tính chất quang học

của sensor ở dạng tự do và dạng liên kết với chất phân tích. Ở mức độ khảo sát định

tính, các đặc tính quang học này có thể được dự đoán dựa vào tính toán ở trạng thái

cơ bản, cụ thể ở đây là phân tích các orbital phân tử biên (frontier molecular orbital:

FMO). Vì các quá trình kích thích cũng như phát xạ phần lớn liên quan đến bước

chuyển electron giữa các FMO, nên sự phân bố cũng như năng lượng của các FMO

này sẽ cung cấp thông tin định tính về bản chất quá trình kích thích (như kích thích

cục bộ hay chuyển điện tích,…), năng lượng kích thích cũng như khả năng phát xạ

huỳnh quang [119].

Hình 1.24. Các MO biên của phức ITTP1-TTP và quá trình PET dập tắt huỳnh

quang của sensor

Ma và cộng sự [120] đã phát triển sensor huỳnh quang ITTP1 phát hiện piric

acid (TTP). Khảo sát DFT (B3LYP/6-31G(d,p)) cho thấy ITTP1 tương tác xếp chồng

π–π với TTP (π–π stacking interaction). Tính toán TDDFT cho thấy quá trình kích

thích trong phức ITTP1-TTP được đóng góp chính bởi chuyển đổi electron từ HOMO

28

lên LUMO+2. Hình ảnh các FMO xác nhận quá trình kích thích này gồm hai thành

phần: chuyển điện tích cục bộ (trên phân tử sensor) và chuyển điện tích từ ITTP1 đến

TTP. Quá trình dập tắt huỳnh quang trong phức ITTP1-TTP được giải thích là do quá

trình PET từ LUMO+2 về LUMO nằm trên TTP (Hình 1.24). Các tính toán ở trạng

thái cơ bản không phản ánh chính xác hình học và cấu trúc electron của phân tử ở

trạng thái kích thích. Tuy nhiên, các tính toán ở trạng thái cơ bản tương đối đơn giản,

không đòi hỏi sức máy tính nhiều và có thể cung cấp một số thông tin về trạng thái

kích thích.

1.5.3. Khảo sát đặc tính quang học của sensor dựa vào trạng thái kích thích

Lý thuyết phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TDDFT) là phương pháp

được sử dụng rộng rãi nhất để tính toán trạng thái kích thích của các phân tử hữu cơ

lớn. TDDFT có khả năng tính toán phổ kích thích, phổ phát xạ cũng như hình học và

cấu trúc của phân tử ở trạng thái kích thích. Vì vậy, nó trở thành công cụ lý thuyết

mạnh mẽ nhất trong nghiên cứu thiết kế và phát triển các sensor huỳnh quang mới.

Phần nhiều các công bố về sensor huỳnh quang trong thời gian gần đây đều sử dụng

tính toán TDDFT để giải thích cơ chế hoạt động của sensor [121]. Từ kết quả tính

toán TDDFT thu được phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang cũng như sự đóng góp của

các FMO vào các chuyển đổi electron trong phổ UV-Vis và phổ huỳnh quang. Bằng

cách phân tích các FMO liên quan đến các quá trình chuyển đổi electron có thể thu

được các đặc tính cấu trúc electron của mỗi trạng thái. Hầu hết các cơ chế cảm biến

liên quan đến thay đổi cấu trúc electron, ví dụ, ICT và PET, được mô tả theo cách

này. Cường độ dao động (f) cũng là một thông số quan trọng đối với quá trình chuyển

đổi electron. Nó tương ứng với cường độ của các dải chuyển đổi electron trong phổ

hấp thụ và phát xạ. Cường độ dao động cao ứng với chuyển đổi có xác suất lớn.

Cường độ dao động thấp ứng với chuyển đổi có xác suất nhỏ, giải thích cho quá trình

hồi phục không phát xạ huỳnh quang của phân tử khi chuyển từ trạng thái kích thích

về trạng thái cơ bản. Từ sự thay đổi cường độ dao động của bước chuyển tương ứng,

có thể giải thích sự tăng cường hoặc dập tắt huỳnh quang của sensor khi nó liên kết

với chất phân tích.

29

Hình học và cấu trúc electron của phân tử ở trạng thái kích thích có thể cung

cấp nhiều thông tin quan trọng về quá trình khử kích hoạt trạng thái kích thích của

phân tử. Phát xạ huỳnh quang của phân tử sensor là do quá trình chuyển đổi từ S1 về

S0 (quy tắc Kasha). Tuy nhiên, có rất ít thông tin thực nghiệm trực tiếp về cấu trúc

của phân tử ở trạng thái kích thích. Các cơ chế hoạt động của sensor liên quan đến

quá trình đồng phân hóa quang học, ví dụ, chuyển điện tích nội phân tử xoắn (twist

intramolecular charge transfer: TICT) và chuyển proton ở trạng thái kích thích

(excited-state proton transfer: ESPT), có thể được mô tả bằng cách tối ưu hóa hình

học và quét bề mặt thế năng của phân tử ở trạng thái kích thích.

Kết quả TDDFT nhạy cảm với phiếm hàm tương quan trao đổi (exchange-

correlation: XC) được sử dụng. Hầu hết các phiếm hàm XC phổ biến được tham số

hóa bởi lượng lớn dữ liệu thực nghiệm về năng lượng và các đặc tính khác của nguyên

tử ở trạng thái cơ bản. Do đó, việc lựa chọn các phiếm hàm XC này để tính toán phân

tử ở trạng thái kích thích cần được sử dụng cẩn thận. Hiện tại, các phiếm hàm XC lai

vẫn chiếm ưu thế trong các phép tính ở trạng thái kích thích do hiệu suất tổng thể của

chúng. Các phiếm hàm XC lai được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu các sensor

huỳnh quang là B3LYP và PBE0 [122],[123]. Tuy nhiên, các phiếm hàm XC lai

truyền thống này đôi khi hoạt động kém đối với các phân tử lớn có tương tác yếu,

như trong các sensor phát hiện anion. Trong trường hợp này, nên sử dụng các phiếm

hàm XC có hiệu chỉnh phân tán và hiệu chỉnh tầm xa LC-wPBE, LC-BLYP, CAM-

B3LYP và wB97XD [7],[124],[125].

Dung môi có thể ảnh hưởng đáng kể đến cường độ và bước sóng của ánh sáng

kích thích và phát xạ huỳnh quang. Mô hình dung môi không tường minh, xem dung

môi là môi trường liên tục, cho hiệu quả về mặt tính toán và có thể mô tả tương đối

hợp lý về ảnh hưởng của dung môi. Trong số đó, mô hình solvat hóa phân cực

(Polarizable solvation model) thường được sử dụng nhất trong các tính toán ở trạng

thái kích thích [126-128]. Mô hình dung môi tường minh hiển thị dung môi dưới dạng

các phân tử riêng biệt. Nó yêu cầu cao hơn về sức máy tính và khó thiết lập cấu trúc

hình học dự đoán ban đầu của các phân tử dung môi và phân tử cần tính, nhưng có

thể đặc trưng tốt cho tương tác của dung môi và sensor ví dụ liên kết hydro hoặc

30

tương tác phối trí giữa sensor và các phân tử dung môi. Trong một số nghiên cứu,

tương tác giữa sensor – dung môi hoặc chất phân tích – dung môi đã được nghiên cứu

bằng cách thêm một vài phân tử dung môi riêng biệt xung quanh phân tử cần tính

toán [129].

Hình 1.25. Phản ứng giữa sensor và H2S. Cơ chế ICT và ESIPT của HBTTP

Sử dụng lý thuyết DFT và TDDFT, Li và Chu đã nghiên cứu cơ chế cảm biến

của sensor TBTTP-S (dẫn xuất của 2-(2-hydroxyphenyl)benzothiazole) phát hiện H2S

[130] (Hình 1.25). Kết quả cho thấy phản ứng giữa sensor TBTTP-S và H2S có năng

lượng hoạt hóa trung bình là 18,40 kcal.mol−1. Do quá trình PET từ fluorophore sang

nhóm hút electron 2,4-dinitrophenyl, sensor TBTTP-S hầu như không phát huỳnh

quang. Sản phẩm phản ứng giữa sensor và H2S (HBTPP) trải qua quá trình chuyển

proton nội phân tử ở trạng thái kích thích (ESIPT) kết hợp với quá trình truyền điện

tích nội phân tử (ICT) ở trạng thái kích thích S1 và dẫn đến phát huỳnh quang.

31

CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Mục tiêu nghiên cứu

‒ Sử dụng hóa học tính toán để thiết kế và thăm dò hoạt động của sensor huỳnh

quang

– Áp dụng kết quả thiết kế lý thuyết với thực nghiệm để tổng hợp các sensor

huỳnh quang:

+ Sensor BDC phát hiện Cu2+ dựa trên fluorophore là dẫn xuất của coumarin

+ Sensor [CuBDC]2+ phát hiện cysteine dựa trên phức của BDC và Cu2+

+ Sensor RLED phát hiện Hg2+ dựa trên fluorophore là dẫn xuất của rhodamine

spirolactam.

2.2. Nội dung nghiên cứu

– Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang

BDC dựa trên dẫn xuất coumarin để phát hiện Cu2+ và các biothiol:

+ Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor

huỳnh quang BDC và [CuBDC]2+;

+ Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor huỳnh

quang BDC;

+ Nghiên cứu đặc trưng và ứng dụng của sensor huỳnh quang [CuBDC]2+.

– Nghiên cứu thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang

RLED dựa trên dẫn xuất rhodamine spirolactam để phát hiện Hg2+:

+ Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor

huỳnh quang RLED;

+ Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor huỳnh

quang RLED.

32

2.3. Phương pháp nghiên cứu

2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết

2.3.1.1. Cơ sở phương pháp hóa học tính toán

Hóa học tính toán (Computational chemistry) là một chuyên ngành của hóa

học lý thuyết với mục đích chính là tạo ra và áp dụng các mô hình toán học gần đúng

và các chương trình máy tính để giải quyết các vấn đề hóa học. Hóa học tính toán

được đề cập ở đây là hóa học lượng tử tính toán. Cơ sở chính của nó là áp dụng

phương trình Schrödinger cho các hệ hóa học [131].

Mọi thông tin về hệ lượng tử được mô tả bởi hàm sóng 𝜓(𝑟, 𝑡) là nghiệm của

phương trình Schrödinger.

𝑖ℏ𝜕

𝜕𝑡𝜓(𝑟, 𝑡) = ��𝜓(𝑟, 𝑡) (2.1)

Trong đó, H là toán tử Hamilton; r là ký hiệu chung của tọa độ không gian và t là tọa

độ về thời gian. Đối với các hệ hóa học, ở trạng thái cơ bản, tính chất của các nguyên

tử và phân tử không thay đổi theo thời gian. Khi đó phương trình Schrödinger được

viết lại ở dạng độc lập với thời gian được gọi là phương trình Schrödinger ở trạng

thái dừng.

��𝜓(𝑟) = 𝐸𝜓(𝑟, 𝑡) (2.2)

Từ nghiệm năng lượng (𝐸) và hàm sóng 𝜓(𝑟) thu được, qua các xử lý thống

kê sẽ cho biết mọi thông tin về tính chất hóa học cũng như thông tin nhiệt động học

và động hóa học của các hệ nghiên cứu. Tuy nhiên, phương trình Schrödinger cho

các hệ có nhiều hơn một electron là không thể giải chính xác. Do đó, rất nhiều phương

pháp gần đúng đã được phát triển để giải phương trình Schrödinger. Cơ sở chung của

các phương pháp gần đúng này là xây dựng các hàm sóng dự đoán ban đầu, 𝜓(𝑟)

(Phương pháp hàm sóng) hoặc hàm mật độ electron dự đoán ban đầu, 𝜓(𝑟)2, (Phương

pháp phiếm hàm mật độ) sau đó sử dụng các phương pháp cực tiểu hóa giá trị năng

lượng E để thu được nghiệm hàm sóng hoặc hàm mật độ electron gần đúng [132].

33

Phương pháp bán kinh nghiệm (semiempirical methods)

Đây là phương pháp xấp xỉ dựa vào hàm sóng, sử dụng lý thuyết Hartree –

Fock dưới dạng đơn giản. Nhiều đại lượng tính toán trong quá trình giải phương trình

Schrödinger được bỏ qua hoặc thay thế bằng các giá trị thực nghiệm, ví dụ như các

tích phân Coulomb, tích phân trao đổi. Do đó phương pháp bán kinh nghiệm không

yêu cầu máy tính mạnh, có thời gian tính toán rất nhanh, nhưng kết quả có độ chính

xác hạn chế và có thể rất sai lệch nếu các phân tử được tính toán không tương tự với

các phân tử trong cơ sở dữ liệu được sử dụng để tham số hóa.

Các phương pháp bán thực nghiệm thường được sử dụng như CNO, INDO,

NDDO, ZINDO, AM1, PM3, RM1 và PM6. Do độ chính xác hạn chế, nên ngày nay

hầu như các phương pháp bán kinh nghiệm không được sử dụng [133].

Phương pháp tính toán từ đầu (ab initio methods)

Đây là các phương pháp gần đúng dựa trên hàm sóng, việc giải phương trình

Schrödinger không sử dụng các tham số từ thực nghiệm mà hoàn toàn dựa trên lý

thuyết. Phương pháp Hartree – Fock (HF) là cách tiếp cận đơn giản nhất thuộc loại

này. Tuy nhiên độ chính xác của phương pháp HF là hạn chế vì bỏ qua tương quan

electron (electron correlation), xem các electron chuyển động độc lập với nhau. Các

phương pháp hàm sóng có xét đến tương quan electron (các phương pháp hậu Hartree

– Fock) có độ chính xác cao hơn nhiều so với phương pháp HF. Một số phương pháp

hậu Hartree – Fock phổ biến như:

Phương pháp nhiễu loạn Møller–Plesset, như MP2, MP3 và MP4

Phương pháp tương tác cấu hình (configuration interaction, CI) như CIS,

CID, CISD, CISDT, CISDTQ,…

Phương pháp cụm ghép nối (coupled cluster: CC) như CCD, CCSD,

CCSD(T), CCSDT, CCSDTQ,…

Phương pháp đa cấu hình như CASSCF, CASPT2, NEVPT2, MRPT2,…

Các phương pháp hàm sóng hậu Hartree – Fock có độ chính xác cao, đặc biệt

như phương pháp CCSD(T) cho độ chính xác có thể cạnh tranh với thực nghiệm

34

nhưng có yêu cầu rất cao về khả năng tính toán của máy tính và thời gian tính toán

lâu, không phù hợp với các phân tử lớn [134].

Phương pháp phiếm hàm mật độ (density functional theory, DFT)

Phương pháp DFT là sự thay thế đầy hứa hẹn cho các phương pháp hậu

Hartree – Fock khi tính toán trên các hệ phân tử lớn. Phương pháp DFT dựa trên hàm

mật độ electron 𝜌(𝑟) = |𝛹(𝑟)|2 thay vì hàm sóng. Các phép tính DFT được thực hiện

nhanh hơn nhiều (>102 – 105 lần) so với phương pháp hậu Hartree – Fock cho cùng

một hệ phân tử. Tuy vậy, độ chính xác về năng lượng cũng không thua kém nhiều và

cũng thu được đầy đủ thông tin của hệ. Nhờ khả năng tính nhanh, nên DFT được áp

dụng ngày càng rộng rãi cho hệ chứa các phân tử lớn. Các phương pháp DFT thường

được sử dụng như B3LYP, PBE0, M052X, M06, M062X, LC-wPBE, CAM-B3LYP,

wB97XD [135].

2.3.1.2. Bộ hàm cơ sở (basis set)

Bộ hàm cơ sở là mô tả toán học về hàm sóng của một hệ, được sử dụng để tính

toán hoặc mô hình hóa gần đúng. Mỗi MO (hàm một electron) ψi là tổ hợp tuyến tính

của n hàm cơ sở (basis function) 𝜙𝑘.

𝜓𝑖 =∑𝑐𝑘𝑖𝜙𝑘

𝑛

𝑘=1

(2.3)

Trong đó 𝑐𝑘𝑖 là hệ số tổ hợp orbital phân tử và 𝑘 là kích thước của bộ hàm cơ sở. Hai

loại hàm cơ sở thường được sử dụng để xây dựng nên bộ hàm cơ sở là hàm cơ sở kiểu

Slater (STO hay Slater-type orbital) và hàm cơ sở kiểu Gauss (GTO hay Gaussian-

type orbital) [136].

Hàm cơ sở

Năm 1930, Slater đề xuất một hàm cơ sở dựa trên dạng toán học của hàm sóng

nguyên tử H. Trong tọa độ cầu, hàm Slater có dạng:

𝜙𝑘 = 𝑁𝑟𝑛−1𝑒−𝛼𝑟𝑌𝑙,𝑚(𝜃, 𝜑) (2.4)

Trong đó 𝑁 là thừa số chuẩn hóa, 𝛼 hệ số hàm mũ, 𝑟, 𝜃 và 𝜑 là các tọa độ cầu, và

𝑌𝑙,𝑚 là phần phụ thuộc góc (hàm mô tả hình dạng của orbital). Còn 𝑛, 𝑙, và 𝑚 là các

số lượng tử. Hàm cơ sở kiểu Slater có thể mô tả tốt hàm sóng giống nguyên tử H,

35

nhưng việc tính toán các tích phân liên quan đến hàm cơ sở này tốn nhiều thời gian,

do đó hầu như không được sử dụng cho tính toán cấu trúc electron.

Năm 1950, Boys từ đại học Cambridge đã đề xuất sửa đổi hàm sóng bằng cách

giới thiệu các hàm kiểu Gaussian, chứa hàm số mũ 𝑒−𝑟2, khác với 𝑒−𝛼𝑟 như các hàm

STO. Các hàm GTO không mô tả tốt các hàm sóng tại khu vực gần và xa hạt nhân

bằng các hàm STO, nhưng nó giúp tính toán các tích phân nhanh hơn nhiều so với

STO và do đó giảm được thời gian tính. Trong tọa độ Cartesian hàm cơ sở GTO có

dạng:

𝑔 = 𝑁𝑛𝑟𝑛−1𝑒−𝛼𝑟

2𝑌𝑙,𝑚(𝜃, 𝜙) (2.5)

Ở đây N thừa số chuẩn hóa của hàm Gaussian [136].

Bộ cơ sở tối thiểu (minimum basis set)

Các hàm GTO đơn không thích hợp để mô tả các đặc điểm của hàm sóng tại

vùng xa hạt nhân và tại các node của orbital. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng

cách xây dựng các hàm cơ sở bằng tổ hợp của các hàm GTO đơn như sau:

𝜙𝑘 =∑𝑑𝑘𝑠𝑔𝑠𝑠

(2.6)

Các hệ số tổ hợp 𝑑𝑘𝑠 và hệ số mũ α trong hàm GTO đã được tối ưu hóa trong tính

toán năng lượng của các nguyên tử bằng cách làm khớp với thực nghiệm. Bộ hàm cơ

sở chỉ bao gồm các hàm cơ sở tối thiểu mô tả các orbital nguyên tử được gọi là bộ

hàm cơ sở tối thiểu. Ví dụ bộ hàm cơ sở tối thiểu cho nguyên tử H và He chỉ mô tả

orbital 1s. Bộ hàm cơ sở tối thiểu được biết đến nhiều nhất là STO-3G, trong đó mỗi

orbital nguyên tử (𝜙𝑘) được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính ba hàm GTO. Trong trường

hợp H và He bộ hàm STO-3G mô tả chúng có tất cả là 3 hàm GTO. Đối với N (1s2

2s2 2p3) mỗi orbital nguyên tử 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz được mô tả bằng 3 hàm GTO, nên

bộ hàm STO-3G mô tả nguyên tử N sẽ có tất cả 3 × 5 = 15 hàm GTO [132].

Bộ hàm cơ sở phân tách hóa trị (split – valence basis set)

Các bộ hàm cơ sở lớn được tạo ra bằng cách phân tách các orbital phân tử

thành orbital lõi và orbital hóa trị. Việc phân tách này dựa trên cơ sở là tính chất hóa

học của các nguyên tử chủ yếu là do các electron hóa trị chi phối, nên các orbital hóa

36

trị cần được mô tả chi tiết hơn. Nếu orbital hóa trị được mô tả bằng hai hàm cơ sở thì

gọi là “double zeta” (DZ), bằng ba hàm cơ sở thì gọi là “triple zeta” (TZ) và bằng bốn

hàm cơ sở thì gọi là “quadruple zeta” (QZ). Ví dụ bộ hàm cơ sở 6-31G cho nguyên

tử N (Hình 2.1), orbital bên trong (lõi) 1s được mô tả bằng một hàm cơ sở tổ hợp từ

sáu hàm GTO và mỗi orbital hóa trị 2s, 2px, 2py và 2pz được mô tả bằng hai hàm cơ

sở. Hàm cơ sở đầu tiên được tổ hợp từ ba hàm GTO và hàm cơ sở thứ hai chỉ chứa

một hàm GTO. Nhóm các bộ hàm cơ sở phân tách hóa trị theo cách tiếp cận này gọi

là bộ hàm cơ sở Pople như 3-21G, 6-31G, 6-311G [132].

Hình 2.1. Cấu trúc bộ hàm cơ sở 6-31G cho nguyên tử N

Hàm cơ sở phân cực trên bộ hàm cơ sở

Khi tham gia liên kết hóa học hình dạng orbital nguyên tử (như orbital s có

hình cầu, orbital p có hình quả tạ đôi) sẽ bị thay đổi do sự phân bố lại điện tích khi

các nguyên tử tương tác với nhau. Quá trình này gọi là sự phân cực orbital. Do đó các

hàm orbital nguyên tử cần phải được hiệu chỉnh để bao gồm sự phân cực này, bằng

cách thêm các hàm hiệu chỉnh vào bộ cơ sở. Những hàm như vậy được gọi là hàm cơ

sở phân cực (polarization basis function). Thông thường các hàm cơ sở loại p được

thêm vào các bộ cơ sở với các orbital hóa trị s (nguyên tử H), các hàm d được thêm

vào bộ cơ sở có orbital hóa trị p và các hàm f được thêm vào bộ cơ sở có orbital hóa

trị d. Ví dụ bộ hàm cơ sở 6-31G(d,p), đã bao gồm các hàm phân cực p trên nguyên tử

H và các hàm phân cực d trên các nguyên tử có orbital hóa trị p. Việc sử dụng các

hàm phân cực trên bộ cơ sở là rất quan trọng để mô tả hiện tượng phân cực orbital

nguyên tử trong phân tử [132].

Hàm cơ sở khuếch tán trên bộ hàm cơ sở

Đối với các hệ có tương tác yếu, đặc biệt là các anion, electron có thể phân bố

rất xa hạt nhân và có mật độ rất nhỏ. Khi đó bộ cơ sở thông thường sẽ không mô tả

37

tốt sự khuếch tán điện tích này. Bộ cơ sở cần được bổ sung các hàm mô tả xác suất

phân bố electron ở vùng không gian xa hạt nhân. Các hàm này được gọi là hàm cơ sở

khuếch tán (diffuse basis function). Để ký hiệu bổ sung các hàm cơ sở khuếch tán

trên tất cả các nguyên tử không phải nguyên tử H, dấu “+” được thêm vào ký hiệu bộ

cơ sở loại Pople. Nếu hàm khuếch tán loại s cũng được thêm vào bộ cơ sở của các

nguyên tử hydro, thì sẽ được thêm hai dấu +. Ví dụ các bộ hàm cơ sở đã bao gồm

khuếch tán như 6-31+G(d), 6-31++G(d), 6-311++G(d,p) [132].

Bộ hàm cơ sở nhất quán tương quan (correlation–consistent basis set)

Các bộ hàm cơ sở này được thiết kế cho các phương pháp hàm sóng có xét đến

tương quan electron. Nổi tiếng nhất trong loại này là bộ hàm cơ sở của Dunning, bao

gồm các bộ cơ sở như:

cc-pVDZ: vỏ hóa trị phân tách hai (double zeta)

cc-pVTZ: vỏ hóa trị phân tách ba (triple zeta)

cc-pVQz: vỏ hóa trị phân tách bốn (quadruple zeta)

aug-cc-pVDZ

aug-cc-pVTZ

Trong đó cc-p và aug ký hiệu tương ứng cho phần phân cực nhất quán tương quan và

phần khuếch tán [137].

Bộ hàm cơ sở lõi hiệu dụng cho kim loại chuyển tiếp

Đối với kim loại chuyển tiếp từ hàng thứ hai trở đi (chu kỳ 5), các hiệu ứng

tương đối trở nên quan trọng vì phương trình Schrödinger dự đoán các electron 1s

trong các nguyên tử này chuyển động gần với tốc độ ánh sáng. Trong trường hợp này,

phương trình Schrödinger không hoàn toàn đúng, cần phải hiệu chỉnh hiệu ứng tương

đối tính. Cách hiệu quả nhất để kết hợp thuyết tương đối là sử dụng thế năng lõi hiệu

dụng (effective core potential, ECP) đã được tham số hóa. ECP được sử dụng để thay

thế các electron bên trong (lõi) của nguyên tử và chỉ tính toán các electron hóa trị.

Điều này giúp giảm đáng kể thời gian tính toán và cũng cho phép xử lý hiệu quả các

hiệu ứng tương đối tính.

38

Nhiều bộ hàm cơ sở tích hợp ECP “lõi nhỏ” và “lõi lớn” đã được xây dựng

cho các kim loại chuyển tiếp. Hai bộ cơ sở ECP được sử dụng phổ biến là LANL2DZ

(The Los Alamos National Laboratory basis set) được phát triển bởi Hay và Wadt

[138] và bộ cơ sở SDD (Stuttgart – Dresden ECP) [139]. LANL2DZ có ECP thay thế

68 electron lõi (1s2 → 5p6) và 14 electron bên ngoài (4f14 5d10 6s2) được mô tả bằng

hai hàm cơ sở phân tách hóa trị (DZ) cho nguyên tử Hg. Còn đối với SDD cho nguyên

tử Hg có 60 electron lõi được thay thế bằng ECP và 20 electron bên ngoài mô tả bằng

hai hàm cơ sở phân tách hóa trị. Các bộ cơ sở ECP không được khuyến nghị sử dụng

cho các nguyên tố kim loại chuyển tiếp hàng đầu tiên (chu kỳ 5) do độ chính xác

không tốt bằng các tính toán phi tương đối tính cho tất cả các electron [131].

2.3.1.3. Phương pháp phiếm hàm mật độ

Các phương pháp hậu Hartree – Fock, dựa vào hàm sóng để xác định năng

lượng và các tính chất khác của hệ. Đối với hệ có N electron, hàm sóng của hệ nói

chung sẽ có 4N biến số, trong đó mỗi electron đóng góp 3 biến số về tọa độ không

gian và 1 biến số về spin. Việc giải phương trình Schrödinger đối với hàm sóng có

nhiều biến số như vậy gặp nhiều khó khăn. Đặc biệt với các phân tử lớn, các phương

pháp dựa vào hàm sóng có tính đến tương quan electron yêu cầu sức tính của máy rất

lớn và tốn rất nhiều thời gian. Do đó, mặc dù một số phương pháp tương quan electron

cho kết quả tính toán rất tốt so với thực nghiệm, nhưng không khả thi khi sử dụng để

tính cho các phân tử lớn, có nhiều ứng dụng thực tiễn hơn.

Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) không sử dụng hàm sóng mà dựa vào hàm

mật độ của electron (𝜌) để xác định năng lượng và các tính chất khác của hệ. Cách

tiếp cận này có một lợi thế rất lớn so với các phương pháp tính dựa vào hàm sóng.

Mật độ electron của một phân tử là hàm của 3 biến số tọa độ, do đó thay vì giải

phương trình với 4N biến số, chuyển thành giải phương trình có 3 biến số. Rõ ràng,

cách tiếp cận gần đúng dựa vào hàm mật độ electron này tính toán nhanh hơn nhiều

và do đó phương pháp DFT có triển vọng tính cho các phân tử lớn hơn so với các

phương pháp lượng tử hậu Hartree – Fock. Mặt khác mật độ electron trên phân tử là

một tính chất có thể đo được bằng thực nghiệm còn hàm sóng là một khái niệm toán

học không có ý nghĩa vật lý rõ ràng.

39

Lịch sử của DFT bắt đầu vào năm 1964, khi Walter Kohn và đồng nghiệp

Pierre Hohenberg đưa ra định lý Hohenberg-Kohn thứ nhất: các tính chất của phân tử

ở trạng thái cơ bản được xác định duy nhất bởi mật độ electron của hệ. Như vậy theo

định lý này, năng lượng của phân tử ở trạng thái cơ bản 𝐸0 có thể được xác định chính

xác khi biết mật độ electron của phân tử ở trạng thái cơ bản 𝜌0(𝑟):

𝐸0 = 𝐸[𝜌0(𝑟)] (2.7)

Vì 𝐸[𝜌0(𝑟)] là hàm của hàm 𝜌0(𝑟) nên năng lượng của hệ ở trạng thái cơ bản sẽ là

một phiếm hàm của mật độ electron ở trạng thái cơ bản. Một năm sau đó, Kohn và

Hohenberg đưa ra định lý Hohenberg-Kohn thứ hai thiết lập một nguyên lý biến phân:

đối với bất kỳ mật độ electron thử nghiệm dương, 𝜌𝑡, thỏa mãn điều kiện chuẩn hóa

∫ 𝜌𝑡(𝑟)𝑑𝑟 = 𝑁 (N là số electron của hệ) luôn có:

𝐸𝑡[𝜌𝑡(𝑟)] ≥ 𝐸0[𝜌0(𝑟)] (2.8)

Như vậy, theo định lý này, nếu biết dạng phiếm hàm chính xác, mọi mật độ thử

nghiệm đều thu được năng lượng lớn hơn năng lượng chính xác của hệ ở trạng thái

cơ bản. Mặc dù hai định lý này chứng minh sự tồn tại của một phiếm hàm phổ quát,

nhưng chúng không đưa ra bất kỳ ý tưởng nào về dạng toán học của phiếm hàm, hoặc

làm thế nào để tính toán được năng lượng từ mật độ electron của hệ.

Phiếm hàm năng lượng

Từ toán tử năng lượng Hamilton sử dụng sự gần đúng Bohr – Oppenheimer

chúng ta biết năng lượng gồm ba thành phần: động năng của electron, thế năng tương

tác electron với hạt nhân và thế năng tương tác giữa các electron, bởi vậy chúng ta có

thể viết:

𝐸[𝜌(𝑟)] = 𝑇𝑒[𝜌(𝑟)] + 𝑉𝑒𝑛[𝜌(𝑟)] + 𝑉𝑒𝑒[𝜌(𝑟)] (2.9)

Động năng của electron, 𝑇𝑒[𝜌(𝑟)], và thế năng tương tác electron–electron, 𝑉𝑒𝑒[𝜌(𝑟)]

không được biết chính xác. Tìm kiếm các dạng gần đúng của hai đại lượng này đã và

đang là chủ đề nghiên cứu lớn hiện nay.

Konh và Sham đã đề xuất cách tiếp cận gần đúng sau đây để xây dựng các

phiếm hàm 𝑇𝑒[𝜌(𝑟)] và 𝑉𝑒𝑒[𝜌(𝑟)]. Konh và Sham đã giới thiệu một hệ giả định gồm

N electron không tương tác được mô tả bằng một hàm sóng xác định duy nhất trong

40

N orbital Kohn-Sham 𝜓𝑖𝐾𝑆. Trong hệ này động năng và mật độ electron được xác định

chính xác từ các orbital Kohn-Sham.

𝑇𝐾𝑆[𝜌(𝑟)] = −1

2∑⟨𝜓𝑖

𝐾𝑆|𝛻2|𝜓𝑖𝐾𝑆⟩

𝑁

𝑖

(2.10)

𝑇𝐾𝑆[𝜌(𝑟)] ở đây không phải là động năng electron thật của hệ, mà là của hệ chứa các

electron không tương tác, sao cho hệ giả định này có cùng mật độ electron ở trạng

thái cơ bản với hệ thật.

𝜌(𝑟) = 𝜌𝐾𝑆(𝑟)(𝑟) =∑|𝜓𝑖𝐾𝑆|

2𝑁

𝑖

(2.11)

Một thành phần quan trọng của tương tác electron–electron là tương tác Coulomb cổ

điển gọi là năng lượng Hartree, thế năng của phần này, 𝑉𝐻[𝜌], là:

𝑉𝐻[𝜌(𝑟)] =1

2∫∫

𝜌(𝑟1)𝜌(𝑟2)

|𝑟1 − 𝑟2|𝑑𝑟1𝑑𝑟2 (2.12)

Phiếm hàm năng lượng có thể được sắp xếp lại như sau:

𝐸[𝜌(𝑟)] = 𝑇𝐾𝑆[𝜌(𝑟)] + 𝑉𝑒𝑛[𝜌(𝑟)] + 𝑉𝐻[𝜌(𝑟)] + 𝐸𝑥𝑐[𝜌(𝑟)] (2.13)

Ở đây đại lượng 𝐸𝑥𝑐[𝜌] gọi là phiếm hàm tương quan trao đổi. So sánh hai Phương

trình 2.9 và 2.13 thu được biểu thức của phiếm hàm tương quan trao đổi.

𝐸𝑥𝑐[𝜌(𝑟)] = (𝑇𝑒[𝜌(𝑟)] − 𝑇𝐾𝑆[𝜌(𝑟)]) + (𝑉𝑒𝑒[𝜌(𝑟)] − 𝑉𝐻[𝜌(𝑟)]) (2.14)

𝐸𝑥𝑐[𝜌] chính là tổng của lỗi được tạo ra khi sử dụng động năng không tương tác và

lỗi xảy ra do việc xử lý tương tác electron–electron theo cách cổ điển (chỉ xử lý phần

tương tác cổ điển Coulomb). Giả định về hệ chứa N electron không tương tác nhằm

mục đích để tính động năng của các electron trong hệ không tương tác (𝑇𝐾𝑆[𝜌(𝑟)])

và tính mật độ electron của hệ. Đặt ℎ𝐾𝑠 là toán tử Kohn-Sham được xác định theo

biểu thức:

ℎ𝐾𝑠 = ��𝐾𝑆 + ��𝑒𝑛 + ��𝐻 + ��𝑥𝑐 (2.15)

Sau một số biến đổi thu được phương trình Kohn-Sham:

ℎ𝐾𝑠𝜓𝑖𝐾𝑆 = 𝐸𝑖

𝐾𝑆𝜓𝑖𝐾𝑆 (2.16)

41

Phương trình Kohn-Sham tương tự như phương trình Hartree-Fock nên cách

giải phương trình này là giống với phương trình Hartree-Fock. Yêu cầu về sức máy

tính khi giải phương trình Kohn-Sham cũng tương tự như giải phương trình Hartree-

Fock. Độ chính xác của giá trị năng lượng ở trạng thái cơ bản 𝐸0[𝜌0(𝑟)] phụ thuộc

vào độ chính xác của giá trị năng lượng tương quan trao đổi 𝐸𝑥𝑐[𝜌(𝑟)]. Đến thời điểm

này, phiếm hàm năng lượng tương quan trao đổi vẫn chưa tìm được dạng chính xác.

Tuy nhiên nhiều phiếm hàm xấp xỉ rất tốt như B3LYP, PBE0, M052X, M06… đã mở

rộng khả năng áp dụng của lý thuyết DFT vào giải quyết các vấn đề thực tế và kết

quả thu được có thể so sánh với thực nghiệm.

Sự gần đúng mật độ cục bộ (local density approximation – LDA)

Việc xây dựng các phiếm hàm gần đúng cho năng lượng tương quan trao đổi,

𝐸𝑥𝑐 , trở thành một chủ đề nghiên cứu lớn và vẫn đang được mở rộng. Hiện nay rất

nhiều các phiếm hàm tương quan trao đổi đã được công bố. Việc sử dụng các phiếm

hàm trong nghiên cứu, tốt nhất phải được khảo sát tính toán, so sánh với giá trị thực

nghiệm để tìm ra phiếm hàm phù hợp với đối tượng nghiên cứu cụ thể.

Về mặt vật lý năng lượng tương quan trao đổi có thể được hiểu là những đóng

góp của sự tương quan và trao đổi giữa các electron cho năng lượng của hệ. Tuy

nhiên, dạng chính xác của những đại lượng này chưa được biết đến, do đó chúng ta

phải sử dụng các hàm gần đúng dựa trên mật độ electron để mô tả các đại lượng này.

Có hai cách tính gần đúng phổ biến (dưới nhiều hình thức khác nhau) được sử dụng:

sự gần đúng mật độ cục bộ (LDA) và sự gần đúng độ dốc tổng quát (GGA). Dạng

gần đúng đơn giản nhất là LDA: giả định các electron trong hệ chuyển động giống

như các khí electron đồng nhất (rõ ràng giả định mật độ electron đồng nhất là rất thô),

và do đó năng lượng tương quan trao đổi của hệ tại một điểm sẽ bằng năng lượng

tương quan trao đổi của một khí electron đồng nhất có cùng mật độ tại điểm đó, và

như vậy ta có:

𝐸𝑥𝑐𝐿𝐷𝐴[𝜌(𝑟)] = ∫ ∈𝑥𝑐

ℎ𝑜𝑚 [𝜌(𝑟)]𝑑𝑟 (2.17)

Đại lượng ∈𝑥𝑐ℎ𝑜𝑚 [𝜌(𝑟)] được xác định bằng thực nghiệm. LDA giả định năng lượng

tương quan trao đổi hoàn toàn cục bộ và bỏ qua các hiệu chỉnh do tính không đồng

42

nhất trong mật độ electron. Do đó, kết quả tính toán không tốt và hiện nay ít được sử

dụng. GGA cố gắng hiệu chỉnh ảnh hưởng của sự không đồng nhất trong mật độ

electron bằng cách bao gồm gradient của mật độ electron (𝐹𝑥𝑐[𝜌(𝑟), 𝛻𝜌(𝑟)]), như vậy

nó là một phương pháp bán cục bộ và hàm tương quan trao đổi GGA có thể được viết

là:

𝐸𝑥𝑐𝐺𝐺𝐴[𝜌(𝑟)] = ∫𝜌(𝑟) ∈𝑥𝑐

ℎ𝑜𝑚 [𝜌(𝑟)]𝐹𝑥𝑐[𝜌(𝑟), 𝛻𝜌(𝑟)]𝑑𝑟 (2.18)

GGA có nhiều biến thể khác nhau, như các phiếm hàm tương quan trao đổi VWN,

PW91, PW92, BP86, PBE, BLYP. Các phiếm hàm này đã được sử dụng và thu được

một số kết quả đáng kể khi áp dụng cho các phân tử.

Hàm tương quan trao đổi lai (hybrid exchange correlation functional)

Một cách tiếp cận đáng tin cậy hơn, là các phiếm hàm tương quan trao đổi

được xây dựng bằng cách lai ghép nhiều loại phiếm hàm tương quan trao đổi lại với

nhau. Ví dụ, phiếm hàm 3 tham số B3LYP (viết tắt của “Becke, 3-parameter, Lee-

Yang-Parr”) có hàm tương quan trao đổi là:

𝐸𝑥𝑐𝐵3𝐿𝑌𝑃 = 𝐸𝑥

𝐿𝐷𝐴 + 𝑎0(𝐸𝑥𝐻𝐹 + 𝐸𝑥

𝐿𝐷𝐴) + 𝑎𝑥(𝐸𝑥𝐺𝐺𝐴 − 𝐸𝑥

𝐿𝐷𝐴) + 𝑎𝑐(𝐸𝑐𝐺𝐺𝐴 − 𝐸𝑥

𝐿𝐷𝐴)

+ 𝐸𝑐𝐿𝐷𝐴 (2.19)

Ở đây 𝑎0 = 0,20; 𝑎𝑥 = 0,72 và ac = 0,81. 𝐸𝑥𝐻𝐹 là hàm trao đổi chính xác Hartree –

Fock. 𝐸𝑥𝐺𝐺𝐴 và 𝐸𝑐

𝐺𝐺𝐴 là các GGA: hàm trao đổi Becke 88 và hàm tương quan của Lee,

Yang và Parr cho B3LYP và 𝐸𝑐𝐿𝐷𝐴 là gần đúng mật độ cục bộ VWN của hàm tương

quan. Các tham số được xác định bằng cách làm khớp giá trị tính toán với các giá

thực nghiệm về năng lượng ion hóa, ái lực proton và tổng năng lượng cho một tập

hợp các nguyên tử.

Một phiếm hàm khác cũng được sử dụng rộng rãi là PBE0, lai tạo giữa năng

lượng trao đổi Perdew – Burke – Ernzerhof (PBE) và năng lượng trao đổi Hartree –

Fock theo tỷ lệ 3:1, cùng với năng lượng tương quan PBE đầy đủ:

𝐸𝑥𝑐𝑃𝐵𝐸0 = 0,25𝐸𝑥

𝐻𝐹 + 0,75𝐸𝑥𝑃𝐵𝐸 + 𝐸𝑐

𝑃𝐵𝐸 (2.20)

43

Ở đây 𝐸𝑥𝐻𝐹 là hàm trao đổi chính xác Hartree – Fock, 𝐸𝑥

𝑃𝐵𝐸 hàm trao đổi PBE và 𝐸𝑐𝑃𝐵𝐸

là hàm tương quan PBE. Các hàm lai này được sử dụng rất phổ biến và cho kết quả

phù hợp tốt với thực nghiệm khi được lựa chọn kỹ càng [135],[140].

2.3.1.4. Phương pháp phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian

Lý thuyết phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TDDFT hay time –

dependent density – Functional theory) là mở rộng của DFT để giải quyết các hệ

lượng tử ở trạng thái kích thích cũng như các hiện tượng phụ thuộc thời gian của hệ

lượng tử. Ở trạng thái này, hàm sóng của hệ phụ thuộc vào thời gian dẫn đến hàm

mật độ electron của hệ cũng phụ thuộc vào thời gian. Do đó hàm mật độ có bốn biến

số gồm ba biến số không gian và một biến số thời gian, ρ(x,y,z, t) hay ρ(r,t). Nền tảng

lý thuyết của TDDFT là định lý Runge – Gross (1984) và định lý Hohenberg-Kohn

thứ nhất (1964). Định lý Runge – Gross cho thấy các tính chất của phân tử ở trạng

thái phụ thuộc thời gian được xác định duy nhất bởi mật độ electron phụ thuộc thời

gian của hệ. Theo định lý này, năng lượng của phân tử ở trạng thái kích thích 𝐸∗ ở

một thời điểm nào đó được xác định chính xác khi biết mật độ electron của phân tử

tại thời điểm đó:

𝐸∗ = 𝐸[𝜌0(𝑟, 𝑡)] (2.21)

Điều này hàm ý tại một thời điểm xác định, năng lượng của phân tử chỉ phụ thuộc

vào mật độ electron là hàm của các biến số không gian. Do đó tất cả các tính chất của

hệ có thể được xác định từ thông tin về mật độ electron. Tuy nhiên khác với DFT,

không có nguyên tắc tối thiểu năng lượng chung trong cơ học lượng tử phụ thuộc thời

gian giống như Định lý Hohenberg-Kohn thứ hai. Tương tự như trong DFT, các

phương pháp tính toán được xây dựng dựa trên một hệ phụ thuộc thời gian giả định

có N electron không tương tác có cùng mật độ với hệ tương tác có N electron (phụ

thuộc thời gian), được gọi là hệ Kohn – Sham phụ thuộc thời gian. Ứng dụng phổ

biến nhất của TDDFT là tính toán các tính chất của phân tử ở trạng thái kích thích

như dự đoán phổ hấp thụ UV-Vis, phổ phát xạ huỳnh quang và hình học cân bằng

của phân tử ở trạng thái kích thích [141].

44

2.3.1.5. Lý thuyết lượng tử về nguyên tử trong phân tử (QTAIM)

Giả thuyết về cấu trúc phân tử là một tập hợp của các nguyên tử được gắn kết

với nhau bằng một mạng lưới các liên kết từ lâu đã đóng vai trò là cơ sở để sắp xếp

và phân loại các hiện tượng hóa học. Tuy nhiên, giả thuyết về các liên kết theo góc

nhìn cổ điển này không có một sự tương đồng trực tiếp trong các khái niệm của lý

thuyết lượng tử về cấu trúc của phân tử. Theo lý thuyết lượng tử, phân tử là tập hợp

của các hạt nhân mang điện dương và các electron phân bố ở không gian xung quanh

các hạt nhân này tạo thành cấu trúc ổn định. Sự khác biệt này gây trở ngại cho vấn đề

mô tả cấu trúc phân tử cũng như liên kết giữa các nguyên tử theo cách tiếp cận thông

thường. Lý thuyết lượng tử về các nguyên tử trong phân tử (QTAIM hay quantum

theory of atoms in molecules) được xây dựng để kết nối cách tiếp cận cổ điển về cấu

trúc phân tử với các khái niệm trong lý thuyết lượng tử. QTAIM dựa vào hàm phân

bố mật độ electron trong phân tử để đưa ra các tiêu chí nhận biết các nguyên tử trong

phân tử và liên kết giữa các nguyên tử. Cụ thể là định nghĩa liên kết hóa học và cấu

trúc của phân tử dựa vào tính chất topo của mật độ electron.

Điểm tới hạn

Các đặc điểm topo của mật độ electron được phân tích tại các điểm tới hạn

(CP hay critical point) là những điểm có đạo hàm thứ nhất của mật độ electron, 𝜌(𝑟),

bị triệt tiêu, 𝛻𝜌(𝑟) = 0. Do đó các CP có thể là điểm cực tiểu, cực đại hoặc điểm yên

ngựa và được xác định dựa vào đạo hàm bậc hai của mật độ electron.

𝛻2𝜌(𝑟) = (𝜕2𝜌(𝑟)

𝜕𝑥2+𝜕2𝜌(𝑟)

𝜕𝑦2+𝜕2𝜌(𝑟)

𝜕𝑧2) = (𝜆1 + 𝜆2 + 𝜆3) (2.22)

Trong đó, các giá trị 𝜆1, 𝜆2, 𝜆3 là trị riêng của ma trận Hessian mật độ electron cho

biết độ cong của 𝜌(𝑟) theo các hướng x, y và z tương ứng.

Phân loại điểm tới hạn

Các điểm tới hạn được phân loại dựa vào dạng cực trị và được xác định bằng

tổ hợp dấu các trị riêng của ma trận Hessian mật độ electron. Bảng 2.1 liệt kê cách

phân loại các điểm tới hạn và đặc trưng về cấu trúc hóa học tương ứng.

45

Bảng 2.1. Phân loại các điểm tới hạn và các đặc trưng tương ứng

Loại điểm tới hạn Dấu của trị riêng Ký hiệu

𝜆1 𝜆2 𝜆3

Điểm tới hạn hạt nhân (NA) − − − (3,‒3)

Điểm tới hạn liên kết thẳng (BCP) − − + (3,–1)

Điểm tới hạn liên kết vòng (RCP) − + + (3,+1)

Điểm tới hạn liên kết lồng (CCP) + + + (3,+3)

Hình 2.2. Các điểm tới hạn liên kết của một số phân tử theo QTAIM

Hình 2.2 trình bày các điểm tới hạn của các phân tử acetylene, furan và cubane

theo QTAIM. Mỗi liên kết được phân loại thành dạng vỏ chia sẻ (shared shell) hoặc

vỏ đóng (closed shell). Nếu một CP(3,‒1) có 𝛻2𝜌(𝑟) < 0 thì thuộc dạng vỏ chia sẻ,

thường tìm thấy giữa các nguyên tử liên kết cộng hóa trị. Nếu một CP(3,–1) có

𝛻2𝜌(𝑟) > 0 thì thuộc dạng vỏ đóng, thường tương ứng với liên kết ion hoặc liên kết

van der Waals. Trong một tập hợp các điểm tới hạn cùng loại, điểm nào có 𝜌(𝑟) càng

cao thì liên kết càng mạnh và có thể dùng 𝜌(𝑟) để xác định bậc liên kết. Phương pháp

QTAIM thường được sử dụng để phân tích sự phân bố mật độ electron và liên kết

trong phân tử, đặc biệt là trong các hệ có tương tác yếu như liên kết hydro hoặc phức

chất [142].

2.3.1.6. Mô hình dung môi

Các tính chất lý hóa của phân tử có thể thay đổi nhiều khi chuyển từ trạng thái

cô lập sang dung dịch. Trong hóa học tính toán, các mô hình dung môi cho phép mô

phỏng gần đúng sự ảnh hưởng của dung môi lên các tính chất vật lý và hóa học của

46

các phân tử. Các mô hình dung môi có thể chia thành hai lớp: mô hình dung môi

không tường minh và mô hình dung môi tường minh.

Mô hình dung môi không tường minh

Trong mô hình này, các phân tử dung môi không được xem xét dưới dạng các

phân tử riêng biệt mà xem dung môi là môi trường liên tục phân cực và đồng nhất.

Một số thông số của dung môi được sử dụng để mô hình hóa như hằng số điện môi,

độ nhớt, bán kính phân tử dung môi,…

Hình 2.3. Minh họa cách xây dựng chung của khoang dung môi

Cách xây dựng khoang dung môi chứa chất tan được minh họa trên Hình 2.3.

Trong đó VdW là bề mặt van der Waals được xây dựng từ bán kính van der Waals

của nguyên tử (trừ nguyên tử H). SES là bề mặt ngăn cách dung môi của chất tan, bề

mặt được tạo ra khi lăn đầu dò (probe) hình cầu trên bề mặt VdW. SAS là bề mặt tiếp

xúc dung môi. Sự tương tác giữa trường tĩnh điện trên phân tử chất tan và trên bề mặt

của khoang dung môi làm sắp xếp lại sự phân bố điện tích trên phân tử và trên bề mặt

khoang dung môi. Sau đó trường tĩnh điện tương tác này được điều chỉnh lặp lại theo

hướng trường tĩnh điện của chất tan tự hợp với trường tĩnh điện dung môi.

Hầu hết trong các mô hình dung môi không tường minh, năng lượng tự do

solvat hóa của phân tử được tính dưới dạng tổng của ba số hạng:

𝐺𝑠𝑜𝑙 = 𝐺𝑐𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 + 𝐺𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐 + 𝐺𝑉𝑎𝑛 𝑑𝑒𝑟 𝑊𝑎𝑎𝑙𝑠 (2.23)

Các thành phần này đại diện cho năng lượng tạo khoang dung môi (cavity), năng

lượng tương tác tĩnh điện (electrostatic) và năng lượng tương tác van der Waals.

Trong hóa học lượng tử, tác động của dung môi không tường minh lên phân tử chất

tan được xem xét như một nhiễu loạn lên toán tử Hamilton năng lượng.

47

��𝑡ổ𝑛𝑔 = ��𝑐ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛 + ��𝑠𝑜𝑙𝑣𝑎𝑡 (2.24)

Trong đó, ��𝑡ổ𝑛𝑔 là toán tử Hamilton tổng của hệ, ��𝑐ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛 là toán tử Hamilton của

chất tan ở dạng không tương tác với dung môi và ��𝑠𝑜𝑙𝑣𝑎𝑡 là toán tử Hamilton nhiễu

loạn do tương tác giữa chất tan và dung môi. Các mô hình dung môi không tường

minh thường được sử dụng như: mô hình liên tục phân cực (PCM hay Polarizable

continuum model), mô hình solvat hóa dựa trên mật độ chất tan (SMD hay Solvation

model based on solute electron density) [143].

Mô hình PCM được xây dựng bởi Tomasi và đồng nghiệp [144], là một trong những

mô hình dung môi liên tục được sử dụng rộng rãi nhất. Có hai biến thể được sử dụng

phổ biến là DPCM trong đó dung môi được xem là môi trường có điện môi liên tục

và có thể phân cực và CPCM trong đó dung môi là môi trường liên tục phân cực

giống như chất dẫn điện tương tự như mô hình COSMO (conductor-like screening

model).

Mô hình SMD được phát triển bởi Truhlar và cộng sự, dựa trên sự tương tác của mật

độ electron trên chất tan với trường dung môi liên tục [145]. SMD có thể được coi là

một cải tiến so với PCM, vì sử dụng mật độ electron đầy đủ thay vì chỉ điện tích như

PCM. Mô hình SMD đã được tham số hóa với tập huấn luyện gồm 2821 dữ liệu về

năng lượng tự do solvat hóa bao gồm 112 giá trị năng lượng tự do solvat hóa của các

ion trong nước, 220 giá trị năng lượng tự do solvat hóa của 116 ion trong acetonitrile,

methanol và dimethyl sulfoxide, 2346 giá trị năng lượng tự do solvat hóa của 318

chất tan trung hòa trong 91 dung môi, và 143 giá trị năng lượng tự do phân bố của 93

chất tan trung hòa giữa nước và 15 dung môi hữu cơ. SMD là mô hình dung môi tốt

nhất hiện nay để tính năng lượng tự do solvat hóa với sai số trung bình 0,6 – 1,0

kcal.mol–1 ở mức lý thuyết đã được tham số hóa tại M052X/6-31G(d).

Mô hình dung môi tường minh

Trong mô hình này, các phân tử dung môi bao bọc xung quanh chất tan được

xem xét riêng biệt. Các mô hình này thường được sử dụng trong cơ học phân tử (MM

hay molecular mechanics) và động lực học phân tử (MD hay molecular dynamic)

hoặc mô phỏng Monte Carlo. Các mô phỏng động lực học phân tử cho phép nghiên

48

cứu sự tiến hóa theo thời gian của các hệ hóa học. Những mô phỏng này thường sử

dụng trường lực cơ học phân tử là các hàm thực nghiệm, được tham số hóa để có thể

tính toán hiệu quả các thuộc tính và chuyển động của hệ lớn [146].

Mô hình dung môi kết hợp

Trong mô hình này dung môi được xem xét theo kiểu kết hợp hai mô hình

dung môi tường minh và dung môi không tường minh. Ví dụ trong các phương pháp

kết hợp cơ học lượng tử và cơ học phân tử (QM/QMM hay quantum

mechanics/molecular mechanics). Lõi chứa phân tử chất tan được xử lý bằng QM,

lớp thứ hai bao gồm các phân tử dung môi riêng biệt được xử lý bằng MM và lớp thứ

ba cuối cùng sử dụng mô hình dung môi không tường minh. Có nhiều cách kết hợp

để mô hình hóa dung môi bằng tính toán QM/MM. Ngoài ra một số phân tử dung môi

có thể được thêm vào vùng QM và phần còn lại được xử lý theo mô hình MM và

dung môi không tường minh [132].

2.3.1.7. Các phần mềm tính toán và phương pháp áp dụng

Phần mềm tính toán sử dụng

Các tính toán và phân tích sử dụng các phần mềm:

Gaussian 16 Revs. A.03

Gaussview 6.0.16

Multiwfn version 3.8

Phương pháp tính toán áp dụng

Độ tin cậy của các phương pháp tính toán sử dụng dưới đây dựa vào các đối

sánh đã được phân tích và công bố trên các tạp chí uy tín và đã được trích dẫn theo

sau phương pháp sử dụng.

Tối ưu hóa hình học và tính tần số dao động điều hòa thực hiện ở cùng mức

lý thuyết: PBE0/6-31+G(d,p)/SDD(Hg) [147],[148]

Đối với nguyên tử Hg, sử dụng bộ hàm cơ sở thế lõi hiệu dụng SDD [149]

Tối ưu hóa hình học của các trạng thái kích thích sử dụng phương pháp

TDDFT tại mức lý thuyết PBE0/6-31+G(d,p)/SDD(Hg) [147],[148]

49

Năng lượng điểm đơn được tính toán tại mức lý thuyết PBE0/6-

311++G(d,p)/SDD(Hg)

Tính toán năng lượng kích thích dọc sử dụng TDDFT tại mức lý thuyết 6-

311++G(d,p)/ SDD(Hg) [147],[148],[150]

Mô hình dung môi PCM được sử dụng để tối ưu hóa hình học và tính năng

lượng điểm đơn [143]

Năng lượng tự do solvat hóa của các chất được tính tại mức lý thuyết M05-

2X/6-31G(d)/SMD(H2O) [145]

Các phân tích QTAIM được thực hiện trên phần mềm Multiwfn

Tất cả các dạng năng lượng như enthalpy, Gibbs đều đã bao gồm hiệu chỉnh

năng lượng điểm không (ZPE).

2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

2.3.2.1. Hóa chất

Các hóa chất chính sử dụng trong luận án được trình bày trong Bảng 2.2. Tất cả

các hóa chất và dung môi sử dụng đều là hóa chất tinh khiết phân tích.

Bảng 2.2. Các hóa chất chính sử dụng trong luận án

Hóa chất Nguồn sử dụng

4-(Diethylamino)salicylaldehyde (CAS 17754-90-4)

(C2H5)2NC6H3-2-(OH)CHO

Aldrich

Dimethyl malonate (CAS 105-53-3)

CH2(COOC2H5)2

Aldrich

Triethylamine (CAS 121-44-8)

(C2H5)3N

Aldrich

Acetic acid (CAS 64-19-7)

CH3COOH

Aldrich

Phosphorus(V) oxychloride (CAS 10025-87-3)

POCl3

Aldrich

2-Hydrazinobenzothiazole (CAS 615-21-4)

C7H7N3S

Aldrich

50

Rhodamine 6G (CAS 989-38-8)

C28H31N2O3Cl

Aldrich

Ethylenediamine (CAS 107-15-3)

NH2CH2CH2NH2

Aldrich

4-(Dimethylamino)cinnamaldehyde (CAS 6203-18-5)

(CH3)2NC6H4CH=CHCHO (DMAC)

Aldrich

HEPES (CAS 7365-45-9)

C8H18N2O4S

Aldrich

Các muối perchlorate hoặc chloride của các cation kim loại:

Zn2+, Cu2+, Cd2+, Pb2+, Ag+, Fe2+, Cr3+, Co2+, Ni2+, Ca2+, Ba2+,

Al2+, Mg2+, Hg2+, K2+, Na2+

Aldrich

(Na4EDTA), Na2S2O3, HCl, NaOH, Na2SO4, MgSO4 Merck

Dung môi hữu cơ: acetonitrile, ethanol, ethyl ether, ethyl

acetate, CH2Cl2

Merck

2.3.2.2. Xác định đặc trưng cấu trúc của sensor

Đặc trưng cấu trúc của các chất được khẳng định bởi kết quả phân tích các

phổ: 1H NMR, 13C NMR và phổ khối MS.

Phổ 1H NMR và phổ 13C NMR được thực hiện trên thiết bị Bruker-400

instrument (400 MHz cho phổ 1H NMR và 100 MHz cho phổ 13C NMR).

Phổ MS được thực hiện trên thiết bị Finnigan 4021C MS-spectrometer và phân

tích trên phần mềm Bruker Daltonics Flexanalysis software.

Tất cả các thí nghiệm xác định đặc trưng của các chất được tiến hành tại phòng

thí nghiệm của GS.TS. Jong Seung Kim, Khoa Hóa học Trường Đại học Korea, Hàn

Quốc.

2.3.2.3. Xác định đặc tính, ứng dụng của sensor

a. Phương pháp quang phổ huỳnh quang

Các phép đo quang phổ huỳnh quang được tiến hành trên thiết bị Shimadzu

RF-5301 PC series fluorescence spectrometer, tại Trung tâm Kiểm nghiệm Thuốc –

Mỹ phẩm – Thực phẩm Thừa Thiên Huế.

51

Các dung dịch đo sau khi được chuẩn bị theo các điều kiện thí nghiệm khác

nhau được cho vào cuvet thạch anh có chiều dài quang học 1 cm để tiến hành đo ở

nhiệt độ phòng.

Các thí nghiệm về sensor BDC được tiến hành ở bước sóng kích thích 460 nm,

bước sóng phát huỳnh quang 536 nm, độ rộng khe (slit) kích thích và phát xạ là 5 nm.

Các thí nghiệm về sensor RLED được tiến hành ở bước sóng kích thích 530

nm, bước sóng phát huỳnh quang 558 nm, độ rộng khe (slit) kích thích và phát xạ là

10 nm.

Xác định hiệu suất lượng tử huỳnh quang

Hiệu suất lượng tử huỳnh quang của chất nghiên cứu được xác định bằng

phương pháp so sánh với chất huỳnh quang chuẩn theo phương trình sau:

𝛷𝑋 = 𝛷𝑆𝐷 (𝑏𝑋

𝑏𝑆𝐷) (

𝑛2𝑋

𝑛2𝑆𝐷) (2.25)

Trong đó:

ΦX và ΦSD tương ứng là hiệu suất lượng tử huỳnh quang của chất nghiên cứu

và chất chuẩn.

nX và nSD tương ứng là chỉ số khúc xạ trong dung môi của chất nghiên cứu và

chất chuẩn.

bX và bSD tương ứng là hệ số góc của phương trình quan hệ tuyến tính (Y= a +

bX) giữa cường độ huỳnh quang tích phân Y (diện tích) với mật độ quang X của chất

nghiên cứu và chất chuẩn.

b. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử

Các phép đo quang phổ hấp thụ phân tử (phổ UV-Vis) được tiến hành trên

thiết bị Shimadzu UV-1800 UV-Vis spectrophotometer, tại Viện Nghiên cứu Khoa

học Miền Trung – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Các dung dịch đo sau khi được chuẩn bị theo các điều kiện thí nghiệm khác

nhau được cho vào cuvet thuỷ tinh có chiều dài quang học 1 cm để tiến hành đo ở

nhiệt độ phòng, 25C. Dung dịch so sánh là nước cất.

52

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang BDC dựa

trên dẫn xuất coumarin phát hiện Cu2+

3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor

huỳnh quang BDC

3.1.1.1 Sơ đồ thiết kế BDC

Hình 3.1 trình bày sơ đồ thiết kế dự kiến của sensor huỳnh quang (E)–3–((2–

(benzo[d]thiazol.–.2.–.yl).hydrazono).methyl).–.7.–.(diethylamino)coumarin (BDC).

Fluorophore sử dụng khung coumarin và receptor dựa trên 2-hydrazinobenzothiazole.

Sensor dự kiến hoạt động theo kiểu ON–OFF. Tương tác giữa BDC và Cu2+ dựa trên

phản ứng tạo phức của Cu2+ với trung tâm chelate chứa hai nguyên tử N và một

nguyên tử O và dự kiến phức tạo thành không phát huỳnh quang. Hơn nữa, nếu hằng

số bền của phức Cu2+–BDC nhỏ hơn đáng kể so với phức giữa Cu2+ với cysteine (có

hằng số bền thực nghiệm, 𝑙𝑜𝑔 𝛽𝐶𝑢(𝐶𝑦𝑠)2 = 14) thì có thể sử dụng phức Cu2+–BDC

làm sensor huỳnh quang phát hiện cysteine theo nguyên tắc OFF–ON.

Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor BDC

Bước tiếp theo trong quá trình thiết kế là tính toán lý thuyết đặc tính quang

học của BDC, khả năng tạo phức giữa BDC và Cu2+ cũng như tính chất quang học

của phức này.

53

3.1.1.2. Khảo sát tính chất quang học của BDC

a. Phổ UV-Vis

Hình học cấu dạng bền của BDC được tính toán tại mức lý thuyết PBE0/6-

31+G(d,p)/PCM(H2O) và được trình bày trên Hình 3.2. Kết quả cho thấy BDC có cấu

trúc gần như đồng phẳng, với hệ liên hợp 𝜋 trải dài từ fluorophore (nhân coumarin)

đến nhân benzothiazole. Cấu trúc này được kỳ vọng làm dịch chuyển vùng hấp thụ

của fluorophore về phía bước sóng dài hơn.

Hình 3.2. Hình học cấu dạng bền của sensor BDC ở trạng thái cơ bản

Phổ UV-Vis, các orbital phân tử biên và cường độ dao động của các bước

chuyển electron của BDC thu được từ tính toán TDDFT tại mức lý thuyết PBE0/6-

311++G(d,p)/PCM(H2O) được trình bày trên Hình 3.2 và Bảng 3.1.


động (𝑓) của BDC tại PBE0/6-311++G(d,p)/PCM(H2O)

Trạng thái E(eV) 𝜆(nm) 𝑓 Phân bố chuyển tiếp MO

Chuyển tiếp Đóng góp (%)

S0 → S1 2,74 452,9 1,2659 HOMO→LUMO 98,58

S0 → S2 3,60 364,4 0,0585 HOMO-1→LUMO 97,59

S0 → S3 3,98 311,6 0,3340 HOMO→LUMO+1 80,64

S0 → S4 4,12 301,1 0,1155 HOMO-3→LUMO 69,20

S0 → S5 4,14 299,2 0,0325 HOMO-2→LUMO 90,33

54

S0 → S6 4,40 281,8 0,0293 HOMO-3→LUMO

HOMO→LUMO+2

HOMO→LUMO+3

15,72

18,96

49,74

Kết quả cho thấy BDC có hai dải hấp thụ cực đại tại 453 nm và 312 nm tương

ứng với các bước chuyển từ S0 → S1 và S0 → S3. Trong đó dải hấp thụ có cường độ

mạnh nhất (S0 → S1) chủ yếu được đóng góp bởi quá trình chuyển từ HOMO →

LUMO (98,58%) với cường độ dao động lớn, 𝑓 = 1,266. Do đó có khả năng BDC

hấp thụ mạnh ánh sáng ở bước sóng cực đại 453 nm và là hợp chất có màu.

Hình 3.3. Phổ UV-Vis, HOMO và LUMO của BDC

Phân bố HOMO và LUMO cho thấy quá trình hấp thụ photon được đóng góp

chủ yếu bởi kích thích cục bộ LE (locally excited) trên nhân fluorophore và một phần

chuyển điện tích nội phân tử ICT (intramolecular charge transfer) từ nhân

benzothiazole đến fluorophore. Bản chất quá trình kích thích S0→S1 của BDC được

tiếp cận chi tiết hơn thông qua phân tích mô hình kích thích cặp lỗ trống – electron

(hole – electron) [151]. Trong mô hình này, sự kích thích được mô tả là “một electron

rời khỏi lỗ trống và chuyển tới nơi chứa electron”. Ví dụ quá trình kích thích

HOMO→LUMO thì lỗ trống được biểu diễn bởi HOMO và electron được biểu diễn

bởi LUMO [151]. Các giá trị độ trùng lặp lỗ trống – electron (mức độ xen phủ giữa

vùng không gian mô tả lỗ trống và electron: Sr), khoảng cách lỗ trống – electron

55

(khoảng cách giữa tâm giữa vùng không gian mô tả lỗ trống và electron: D), momen

lưỡng cực chuyển tiếp, đóng góp các MO và nguyên tử vào lỗ trống và electron được

liệt kê trong Bảng 3.2. Hình ảnh phân bố lỗ trống và electron trình bày trên Hình 3.4.

Dữ liệu phân tích lỗ trống – electron cho thấy chỉ số độ trùng lặp lỗ trống – electron

lớn (Sr = 72,00%), khoảng cách lỗ trống – electron nhỏ (D = 0,22 Å) và momen lưỡng

cực chuyển tiếp nhỏ cho phép dự đoán đây là một kích thích cục bộ LE điển hình.

Ngoài ra, lỗ trống được đóng góp chủ yếu từ HOMO (98,35%) và electron được đóng

góp chủ yếu từ LUMO (98,37%) do đó hình ảnh phân bố lỗ trống – electron tương

đồng với phân bố HOMO và LUMO (Hình 3.3 và 3.4).

Bảng 3.2. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi S0 → S1 của BDC

Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron

Tích phân lỗ trống 1,00

Tích phân electron 1,00

Độ trùng lặp lỗ trống – electron, Sr (%) 72,00

Khoảng cách lỗ trống – electron, D (Å) 0,22

Momen lưỡng cực chuyển tiếp x, y, z (a.u.) –4,26 (x) –0,69 (y) 0,04 (x)

MO đóng góp vào lỗ trống (%) HOMO

MO đóng góp vào electron (%) LUMO

Đóng góp của các nguyên tử vào lỗ trống – electron (≥ 1%)

Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron

thu được

(%)

Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron

thu được

(%)

O1 0,00 2,13 2,13 C16 1,64 3,15 1,51

O2 3,21 2,36 –0,85 C17 3,99 8,92 4,93

N3 13,07 3,25 –9,82 S33 1,52 1,21 –0,31

C4 3,43 6,31 2,88 N34 5,60 1,97 –3,64

C7 5,51 0,30 –5,21 N35 11,79 1,14 –10,65

C8 8,87 0,54 –8,33 N36 6,51 11,23 4,72

C9 1,48 5,97 4,49 C37 2,96 0,53 –2,43

C10 5,43 1,34 –4,09 C38 1,53 0,36 –1,17

56

C11 1,31 5,96 4,65 C40 1,83 0,81 –1,02

C14 1,57 28,51 26,94 C41 0,72 2,46 1,75

C15 9,43 8,53 –0,90 C42 3,27 1,05 –2,21

Tổng Lỗ trống (100%) Electron (100%) Electron thu được (0%)

Kết quả phân tích lỗ trống – electron cho thấy các nguyên tử đóng góp chính

vào kích thích là N3, C4, C7, C8, C9, C10, C11, C14, C15, C17, N34, N35 và N36.

Trong đó N3 trên nhóm (C2H5)2N– đóng vai trò cho electron, đóng góp vào lỗ trống

13,07%. Các nguyên tử C4, C7, C8, C9, C10, C11, C14, C15 và C17 đại diện cho

fluorophore. Nguyên tử N34 và N35 đại diện cho vòng benzothiazole. Hai nguyên tử

N34 và N36 trên receptor đóng góp cho lỗ trống và electron lần lượt là 5,60% và

11,23%. Chúng có vai trò rất quan trọng trong hoạt động dự kiến của sensor vì thông

qua quá trình tạo phức với N34 và N36, Cu2+ sẽ ảnh hưởng đến quá trình kích thích

cũng như phát xạ của BDC.

Hình 3.4. Phân bố lỗ trống – electron chuyển đổi 𝑆0 → 𝑆1 của BDC

b. Phổ huỳnh quang

Theo quy tắc Kasha phát xạ huỳnh quang của các hợp chất hữu cơ hầu hết xảy

ra thông qua chuyển đổi S1 → S0. Do đó hình học trạng thái kích thích S1 của BDC

đã được tối ưu hóa bằng TDDFT tại mức lý thuyết PBE0/6-31+G(d,p)/PCM(H2O)

(Hình 3.4). Cấu trúc của BDC ở trạng thái S1 gần như đồng phẳng và không có thay

đổi rõ rệt so với cấu trúc ở trạng thái cơ bản S0. Điều này có thể là do sự liên hợp hiệu

57

quả của BDC, dẫn đến phân tử tái cấu trúc lại liên kết 𝜋 để thích ứng với trạng thái

kích thích mà không gây ra biến dạng đáng kể cấu trúc phân tử.

Hình 3.5. Hình học cấu dạng bền của BDC ở trạng thái S1 tại PBE0/6-

31+G(d,p)/PCM(H2O)

Phổ huỳnh quang của BDC được tính bằng TDDFT tại mức lý thuyết PBE0/6-

311++G(d,p)/PCM(H2O) dựa trên hình học cấu dạng bền của BDC ở trạng thái kích

thích S1 được trình bày trên Hình 3.6. Quá trình phát xạ của BDC từ S1 → S0 là do

chuyển dời LUMO → HOMO (100%) có cường độ dao động lớn (f = 1,233) với bước

sóng phát xạ cực đại 512 nm. Kết quả này cho thấy BDC có thể là một chất phát

huỳnh quang mạnh.

Hình 3.6. Phổ huỳnh quang, HOMO và LUMO của BDC tại

PBE0/6-311++G(d,p)/PCM(H2O)

58

Để tìm hiểu sâu hơn bản chất quá trình phát xạ huỳnh quang của BDC. Phân

tích lỗ trống – electron quá trình phát xạ S1 → S0 của BDC được trình bày trong Bảng

3.3 và trên Hình 3.7. Tương đồng với sự đóng góp của LUMO và HOMO vào quá

trình phát xạ huỳnh quang trong tính toán TDDFT. Phân tích lỗ trống – electron cho

thấy quá trình phát xạ từ S1 về S0, LUMO đóng góp vào lỗ trống 98,63% và HOMO

đóng góp vào electron 98,83%. Độ trùng lặp lỗ trống – electron, Sr = 74,00%, khoảng

cách dịch chuyển lỗ trống ‒ electron, D = 1,40 Å và momen lưỡng cực chuyển tiếp

nhỏ, cho thấy quá trình phát xạ hầu như đối xứng với quá trình kích thích của BDC.

Bảng 3.3. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi 𝑆1 → 𝑆0 của BDC






Momen lưỡng cực chuyển tiếp x, y, z (a.u.) 4,53 (x) 0,60 (y) –004 (z)

MO đóng góp vào lỗ trống (%) LUMO (98,63)

MO đóng góp vào electron (%) HOMO (98,83)


Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron

thu được

(%)

Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron

thu được

(%)

O1 2,08 0,00 –2,08 C16 2,17 1,94 –0,24

O2 1,70 3,52 1,83 C17 7,99 4,97 –3,03

N3 4,09 8,82 4,73 S33 1,23 2,09 0,86

C4 7,04 2,94 –4,10 N34 2,01 7,38 5,37

C7 0,38 3,81 3,43 N35 1,18 13,59 12,41

C8 0,70 6,41 5,71 N36 11,53 8,66 –2,86

C9 6,62 1,42 –5,20 C37 0,59 4,03 3,43

C10 1,55 3,73 2,18 C38 0,28 1,88 1,6

C11 6,67 1,42 –5,25 C40 0,81 2,56 1,75

59

C14 29,09 2,05 –27,04 C41 2,28 0,86 –1,42

C15 6,78 9,28 2,50 C42 1,05 4,43 3,38


Hình 3.7. Phân bố lỗ trống – electron chuyển đổi 𝑆1 → 𝑆0 của BDC

Cả tính toán TDDFT và phân tích mô hình lỗ trống – electron đều cho thấy

quá trình phát xạ chủ yếu là từ LUMO về HOMO, do đó phân bố lỗ trống – electron

tương tự như phân bố LUMO và HOMO. Đáng chú ý, so với quá trình kích thích, hai

nguyên tử N34 và N36 đóng góp nhiều hơn vào quá trình phát xạ. Cụ thể N34 đóng

góp vào electron 7,38%, N36 đóng góp vào lỗ trống 11,53% và electron 8,66%. Như

đã đề cập, N34 và N36 có vai trò quan trọng trong hoạt động của sensor vì hai nguyên

tử này sẽ tham gia tạo liên kết phối trí với Cu2+ và thông qua tương tác này để tác

động lên khả năng phát huỳnh quang của BDC.

3.1.1.3 Khảo sát khả năng tạo phức giữa BDC và Cu2+

a. Cấu trúc các dạng phức giữa BDC và Cu2+

Mức độ phù hợp hình học của trung tâm chelate với cation kim loại cũng như

ái lực của các nguyên tử chứa cặp electron chưa liên kết với cation kim loại là những

thông số quan trọng quyết định đến khả năng tạo phức của ligand với cation kim loại.

Trên cơ sở hình học trung tâm chelate của BDC, các dạng phức có tỉ lệ 1:1 giữa Cu2+

và BDC được khảo sát. Hình 3.8 trình bày hình học các dạng phức khác nhau giữa

BDC và Cu2+ từ tính toán DFT. Kết quả cho thấy, đối với phức [CuBDC*]2+ , nguyên

tử Cu trung tâm bị lệch 10,9° so với mặt phẳng chelate chứa các nguyên tử O2, N36

và S33, do đó dự đoán phức này sẽ không ổn định, nên các dạng có ligand H2O của

60

nó không được khảo sát. Đối với phức [CuBDC]2+, nguyên tử Cu nằm gần như đồng

phẳng với mặt phẳng chelate chứa các nguyên tử O2, N34 và N36, cho nên dạng phức

này có thể có độ ổn định cao hơn và các dạng có ligand H2O của phức được khảo sát.

Hình 3.8. Hình học tối ưu các dạng phức giữa Cu2+ và BDC tại

PBE0/6-31+G(d,p)/PCM(H2O)

b. Xác định hằng số bền của phức

Mô hình tính toán

Độ ổn định của phức được đánh giá định lượng qua hằng số bền. Trong nghiên

cứu này, chúng tôi sử dụng sơ đồ nhiệt động học, kết hợp với lý thuyết DFT và mô

hình dung môi SMD để dự đoán hằng số bền của phức giữa Cu2+ và BDC. Các tính

toán chi tiết được trình bày trong công trình đã công bố của chúng tôi (Bài báo số 5

trong Danh mục các công trình đã công bố của luận án). Xét phản ứng trao đổi phức:

[CuL(H2O)2]aq2+ + BDCaq

∆𝐺𝑎𝑞0

→ [CuBDC(H2O)n]aq2+ + Laq + (2 − n)H2Oaq (3.1)

Trong đó, L là histamine, phức của nó với Cu2+ ([CuL(H2O)2]2+) có hằng số bền thực

nghiệm, βref = 109,55 [152],[153]; ∆𝐺𝑎𝑞0 là năng lượng Gibbs của phản ứng trong dung

dịch, có mối quan hệ với nồng độ các chất tại cân bằng theo Phương trình 3.2.

∆𝐺𝑎𝑞0 = −𝑅𝑇 𝑙𝑛

[𝐶𝑢𝐵𝐷𝐶(𝐻2𝑂)𝑛][𝐿][𝐻2𝑂]2−𝑛

[𝐶𝑢𝐿(𝐻2𝑂)2][𝐵𝐷𝐶] (3.2)

61

Theo định nghĩa về hằng số bền của phức, Phương trình 3.2 được biến đổi thành:

𝑙𝑜𝑔 𝛽[𝐶𝑢𝐵𝐷𝐶(𝐻2𝑂)𝑛] = −∆𝐺𝑎𝑞

0

𝑅𝑇 𝑙𝑛(10)+ 𝑙𝑜𝑔 𝛽[𝐶𝑢𝐿(𝐻2𝑂)2] − (𝑛 − 2) 𝑙𝑜𝑔[𝐻2𝑂] (3.3)

Trong đó, [H2O] là nồng độ của nước có giá trị gần đúng bằng 55,56 M [154],[155].

Hình 3.9. Sơ đồ nhiệt động học thể hiện mối liên hệ giữa đại lượng ∆𝐺𝑎𝑞0

với ∆𝐺𝑔0, ∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣

0 và ∆𝐺𝑔→𝑎𝑞0

Hình 3.9 trình bày sơ đồ nhiệt động học để xác định ∆𝐺𝑎𝑞0 . Trong đó, ∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣

là năng lượng Gibbs solvat hóa của một chất, tính theo mô hình tham số hóa của tác

giả Truhlar tại M052X/6-31G(d)/SMD [145]; ∆𝐺𝑔→𝑎𝑞0 là biến thiên năng lượng Gibbs

do thay đổi mật độ vật chất khi chuyển từ điều kiện chuẩn pha khí 1 atm (24,46

L.mol1) vào dung dịch 1 mol.L1 (1 L.mol1). ∆𝐺𝑔→𝑎𝑞0 tương đương với năng lượng

Gibbs của quá trình nén 1 mol khí lý tưởng có thể tích 24,46 L về 1 L tại 298,15 K

và được tính theo phương trình 3.4 [156].

∆𝐺𝑔→𝑎𝑞0 = ∫ 𝑉𝑑𝑝

1

24,46

= −𝑅𝑇 ∫𝑑𝑉

𝑉

1

24,46

= 𝑅𝑇 𝑙𝑛1

22,46= 𝑅𝑇 𝑙𝑛 22,46 (3.4)

∆𝐺𝑔0 là năng lượng Gibbs chuẩn của phản ứng trong pha khí, được tính theo:

∆𝐺0 =∑𝐺0(𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚) −∑𝐺0(𝑐ℎấ𝑡 đầ𝑢) (3.5)

Ở đây, năng lượng Gibbs pha khí của một chất (𝐺0) được tính theo 𝐺0 = 𝜀0 + 𝐺𝑐𝑜𝑟𝑟.

Với 𝜀0 là năng lượng electron được tính từ năng lượng điểm đơn tại PBE0/6-

311++G(d,p). Gcorr năng lượng Gibbs đóng góp bởi chuyển động nhiệt đã bao gồm

năng lượng điểm không, được tính tại PBE0/6-31+G(d,p).

62

Từ sơ đồ nhiệt động học, năng lượng Gibbs của phản ứng trong dung dịch

được tính theo phương trình 3.6.

∆𝐺𝑎𝑞0 = ∆𝐺𝑔

0 + ∆∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣0 + ∆∆𝐺𝑔→𝑎𝑞

0 (3.6)

Trong đó ∆∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣0 và ∆∆𝐺𝑔→𝑎𝑞

0 được tính theo các phương trình 3.7 và 3.8.

∆∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣0 = ∑∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣

0 (𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚) − ∑∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣0 (𝑐ℎấ𝑡 đầ𝑢) (3.7)

∆∆𝐺𝑔→𝑎𝑞0 =∑∆𝐺𝑔→𝑎𝑞

0 (𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚) −∑∆𝐺𝑔→𝑎𝑞0 (𝑐ℎấ𝑡 đầ𝑢) (3.8)

Hình 3.10. Cấu trúc của ligand histamine và phức của nó với Cu2+

Hình 3.10 trình bày cấu trúc của ligand và phức tham chiếu. Kết quả tính toán

hằng số bền của phức Cu2+ với BDC được trình bày trong Bảng 3.4. Đúng như dự

đoán, phức [CuBDC*]2+ rất không ổn định do sự biến dạng mạnh của trung tâm

chelate khi liên kết với Cu2+. Hai dạng phức ổn định nhất là [CuBDC]2+ và

[CuBDC(H2O)]2+ với hằng số bền có giá trị log.β tương ứng là 7,16 và 5,40. Trong

đó phức [CuBDC]2+ là bền nhất, nên được sử dụng trong các khảo sát tiếp theo.

Bảng 3.4. Kết quả tính hằng số bền của phức trong môi trường nước

Phức ∆𝐺𝑔0 (kcal.mol–1) ∆𝐺𝑎𝑞

0 (kcal.mol‒1) 𝑙𝑜𝑔 𝛽𝑟𝑒𝑓 𝑙𝑜𝑔 𝛽𝑐𝑎𝑙𝑐

[CuBDC∗]2+ ‒2,08 30,85 9,55 ‒16,56

[CuBDC]2+ ‒14,47 ‒1,48 9,55 7,16

[CuBDC(H2O)]2+ ‒34,03 3,29 9,55 5,40

[CuBDC]2+ ‒42,46 12,25 9,55 0,57

63

Để làm sáng tỏ bản chất cấu trúc của phức [CuBDC]2+, phân tích mật độ

electron theo QTAIM đã được tính toán tại mức lý thuyết PBE0/6-311++G(d,p). Giá

trị mật độ electron (𝜌(𝑟)) và đạo hàm bậc hai của mật độ electron (𝛻2𝜌(𝑟)) tại điểm

cực trị của mật độ electron (𝛻𝜌(𝑟) = 0) tương ứng với các điểm tới hạn liên kết

(BCP), điểm tới hạn vòng (RCP) của phức [CuBDC]2+ được tổng hợp trong Bảng 3.5.

Hình học topo các điểm tới hạn được trình bày trên Hình 3.11.

Bảng 3.5. Mật độ electron (𝜌(𝑟), a.u.), Laplacian (𝛻2𝜌(𝑟), a.u.) và các điểm tới

hạn (CP) trong phức [CuBDC]2+

Liên kết 𝜌(𝑟) 𝜆1 𝜆2 𝜆3 𝛻2𝜌(𝑟) CP

O2Cu 0,075 0,766 –0,100 –0,102 0,564 BCP

N36Cu 0,062 –0,074 0,465 –0,072 0,319 BCP

N34Cu 0,086 0,727 –0,116 –0,110 0,501 BCP

O2C16C15C17N36Cu 0,012 0,039 0,049 –0,009 0,079 RCP

N36N35C41N34Cu 0,023 0,104 0,048 –0,018 0,134 RCP

Hình 3.11. Hình học topo các điểm tới hạn trong phức [Cu(BDC)]2+

Dữ liệu phân tích QTAIM cho thấy có sự hiện diện các BCP ở giữa nguyên tử

Cu với ba nguyên tử O2, N34 và N36. Khoảng cách giữa các cặp nguyên tử này nhỏ

hơn đáng kể so với tổng bán kính van der Waals giữa chúng. Do đó có thể khẳng định

sự tồn tại của các liên kết Cu–O2, Cu–N34 và Cu–N36. Mật độ electron tại các BCP

của Cu–O2, Cu–N34 và Cu–N36 lần lượt là 0,075, 0,086 và 0,062 a.u. Các trị số này

64

cho thấy độ mạnh liên kết giảm theo thứ tự Cu–N34 > Cu–O2 > Cu–N36. Kết quả

này phù hợp với độ dài liên kết của Cu–N36 là lớn nhất.

3.1.1.4. Khảo sát tính chất quang học của phức [CuBDC]2+

a. Phổ UV-Vis

Ion Cu2+ có cấu hình electron [Ar]3d9 nên phức [CuBDC]2+ có độ bội spin

bằng hai ứng với trạng thái doublet ký hiệu là D. Tính toán TDDFT được thực hiện

với cấu hình vỏ mở không hạn chế (Unrestricted open-shell) trong đó hàm orbital-

spin 𝛼 (MO𝛼) và 𝛽 (MO𝛽) được xử lý riêng. Các giá trị năng lượng kích thích (𝐸),

bước sóng kích thích (𝜆), cường độ dao động (𝑓), chuyển tiếp MO và phần trăm đóng

góp của các MO được liệt kê trong Bảng 3.6. Hình ảnh các MO đóng góp vào quá

trình kích thích chính trình bày trên Hình 3.12 và phổ UV-Vis của phức [CuBDC]2+

trình bày trên Hình 3.13.


động (𝑓) của [Cu(BDC)]2+ tại PBE0/6-311++G(d,p)



D0 → D1 0,92 1350,8 0,0054 HOMOβ → LUMOβ 87,89

D0 → D2 1,44 861,9 0,0090 HOMOβ−1 → LUMOβ

HOMOβ−2 → LUMOβ

42,81

15,15

D0 → D3 1,83 676,7 0,0011 HOMOα → LUMOα

HOMOβ → LUMOβ+1

30,25

27,25

D0 → D4 1,86 666,2 0,0025 HOMOβ−3 → LUMOβ


47,21

14,41

D0 → D5 1,95 637,3 0,0124 HOMOβ−1 → LUMOβ


34,64

21,27

D0 → D6 2,14 579,3 0,0035 HOMOβ−21 → LUMOβ


32,03

12,52

65

D0 → D7 2,16 574,2 0,0019 HOMOβ−21 → LUMOβ


26,27

15,67

D0 → D8 2,27 545,6 0,0021 HOMOβ−2 → LUMOβ


40,68

10,33

D0 → D9 2,68 462,4 0,0014 HOMOβ → LUMOβ+2

HOMOα → LUMOα+1

23,65

24,50

D0 → D10 2,88 430,7 1,2645 HOMOβ → LUMOβ+1

HOMOα → LUMOα


HOMOβ−4 → LUMOβ+2

41,68

39,49

11,84

1,73

Hình 3.12. MO các bước chuyển chính 𝐷0 → 𝐷10 của phức [CuBDC]2+ tại

PBE0/6-311++G(d,p)

66

Dữ liệu tính toán TDDFT cho thấy bước chuyển chính của quá trình kích thích

là D0 → D10 với cường độ dao động lớn (f = 1,2645) ứng với bước sóng kích thích

cực đại tại 430,7 nm. Có ba chuyển tiếp MO quan trọng đối với trạng thái kích thích

D0 → D10 là HOMOβ → LUMOβ+1 (41,68%), HOMOα → LUMOα (39,49%) và

HOMOβ−3 → LUMOβ (11,84%). Sự phân bố của các MO cho thấy hai chuyển tiếp

chính là HOMOβ → LUMOβ+1 và HOMOα → LUMOα hầu như chỉ liên quan đến các

quá trình kích thích cục bộ trên fluorophore. Điều này giải thích bước sóng hấp thụ

cực đại của BDC và phức [CuBDC]2+ có giá trị tương đối gần nhau (tương ứng

452,9 nm và 430,7 nm). Đáng chú ý là chuyển tiếp HOMOβ−3 → LUMOβ (11,84%),

có HOMOβ−3 phân bố trên fluorophore và LUMOβ phân bố chủ yếu tại khu vực của

nguyên tử Cu cho thấy quá trình chuyển điện tích rất mạnh từ fluorophore đến nguyên

tử Cu. Quá trình chuyển điện tích này được kỳ vọng sẽ ảnh hưởng mạnh đến khả năng

phát huỳnh quang của BDC.

Hình 3.13. Phổ UV-Vis của phức [CuBDC]2+ tại PBE0/6-311++G(d,p)

Bản chất quá trình kích thích của [CuBDC]2+ được tìm hiểu sâu hơn qua phân

tích mô hình lỗ trống – electron. Các giá trị độ trùng lặp lỗ trống – electron (Sr),

khoảng cách lỗ trống – electron (D), momen lưỡng cực chuyển tiếp, đóng góp các

MO và nguyên tử vào lỗ trống và electron được liệt kê trong Bảng 3.7. Hình ảnh phân

bố lỗ trống và electron trình bày trên Hình 3.14.

67

Bảng 3.7. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi D0 → D10

trong phức [CuBDC]2+






Momen lưỡng cực x, y, z (a.u.) –4,82 (x) –0,80 (y) –0,03 (z) a.u.

MO đóng góp vào lỗ trống (%) HOMOα(39,49), HOMOβ−3(11,84),

HOMOβ(41,68)

MO đóng góp vào electron (%) LUMOα(39,49), LUMOβ (13,57),

LUMOβ+1(41,68)


Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron

thu được

(%)

Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron

thu được

(%)

O1 1,63 1,61 –0,02 C16 2,88 0,79 –2,09

O2 1,76 0,77 –0,98 C17 0,66 10,01 9,35

N3 15,97 5,92 –10,05 S33 2,01 1,38 –0,62

C4 2,84 8,06 5,21 N34 1,09 1,80 0,71

C7 12,32 1,33 –11,00 N35 4,74 0,63 –4,10

C8 8,58 2,25 –6,33 N36 5,69 8,28 2,59

C9 2,20 6,19 3,98 C37 1,21 –0,34 –1,55

C10 9,00 2,50 –6,50 C38 1,41 1,24 –0,18

C11 4,12 6,34 2,22 C41 0,44 2,23 1,79

C12 1,38 0,39 –1,00 C42 1,28 0,17 –1,11

C13 1,38 0,36 –1,01 C43 1,08 0,39 –0,69

C14 2,14 21,46 19,32 Cu49 1,37 11,37 9,81

C15 8,75 3,28 –5,47


68

Dữ kiện phân tích lỗ trống – electron hoàn toàn tương đồng với phân tích

TDDFT về sự đóng góp của các MO vào quá trình chuyển đổi kích thích D0 → D10.

HOMOα, HOMOβ−3, và HOMOβ lần lượt đóng góp vào lỗ trống 39,49, 11,84 và

41,68%. LUMOα, LUMOβ , LUMOβ+1 lần lượt đóng góp vào electron 39,49, 13,57 và

41,68%. Độ trùng lặp lỗ trống – electron lớn (Sr = 68,2%), cùng với khoảng cách dịch

lỗ trống và electron cỡ chiều dài liên kết C–C (D = 1,33 Å) và momen lưỡng cực

chuyển tiếp nhỏ, cho thấy quá trình kích thích chủ yếu là cục bộ và một phần chuyển

điện tích nội phân tử. Nhận định này được làm sáng tỏ hơn thông qua hình ảnh phân

bố lỗ trống – electron trên Hình 3.14. Lỗ trống và electron chủ yếu phân bố trên

fluorophore đại diện cho kích thích cục bộ trên fluorophore. Đáng chú ý trên nguyên

tử Cu, vùng không gian phân bố electron có kích thước lớn hơn đáng kể so với lỗ

trống, cho thấy quá trình chuyển điện tích từ fluorophore và các nguyên tử O2, N34

và N36 vào nguyên tử Cu trung tâm. Quá trình chuyển điện tích này là một trong các

yếu tố rất quan trọng quyết định khả năng dập tắt huỳnh quang của BDC khi liên kết

với Cu2+.

Hình 3.14. Phân bố lỗ trống – điện tích chuyển đổi 𝐷0 → 𝐷10 của [𝐶𝑢𝐵𝐷𝐶]2+

Quá trình chuyển điện tích từ BDC vào nguyên tử Cu trung tâm được định

lượng dựa vào sự đóng góp của các nguyên tử vào lỗ trống và electron. Trong ba

nguyên tử O2, N34 và N36 trên trung tâm chelate, nguyên tử N36 có đóng góp đáng

kể vào lỗ trống (5,69%) và electron (8,28%). Nguyên tử Cu đóng góp vào lỗ trống

1,37% và electron 11,37%. Như vậy trong quá trình kích thích nguyên tử Cu nhận

9,81% electron.

69

b. Phổ huỳnh quang

Hình học ổn định ở trạng thái kích thích D1 và kết quả tính toán TDDFT

chuyển đổi D1 → D0 của phức [CuBDC]2+ trình bày trên Hình 3.15. Kết quả cho thấy

liên kết Cu‒N36 bị kéo dãn mạnh từ 1,95 Å ở trạng thái cơ bản đến 2,22 Å ở trạng

thái kích thích D1. Quá trình chuyển đổi D1 → D0 có cường độ dao động bằng không

(𝑓 = 0,000). Do đó quá trình hồi phục từ trạng thái kích thích từ D1 về trạng thái D0

của [CuBDC]2+ sẽ không dẫn đến phát xạ huỳnh quang.

Hình 3.15. Hình học, HOMO và LUMO của [CuBDC]2+ ở trạng thái D1

Phân tích lỗ trống – electron đã được tiến hành để tìm hiểu cơ chế dập tắt

huỳnh quang trong phức [CuBDC]2+. Các thông số phân tích lỗ trống – electron được

liệt kê trong Bảng 3.8. Hình ảnh phân bố lỗ trống – electron trình bày trên Hình 3.16.

Kết quả cho thấy độ trùng lặp lỗ trống – electron nhỏ (Sr = 23,57%) cùng với độ dịch

chuyển lỗ trống – electron lớn (D = 4,83 Å) nên chuyển đổi D1 → D0 là quá trình

chuyển điện tích mạnh trong phức [CuBDC]2+. Kết quả phân tích TDDFT và lỗ trống

– electron đều cho thấy D1 → D0 được đóng góp chủ yếu bởi chuyển tiếp LUMOβ →

HOMOβ. LUMOβ và lỗ trống hầu như phân bố trên fluorophore, ngược lại HOMOβ

và electron hầu như phân bố trên nguyên tử Cu. Điều này có thể thấy rõ hơn khi nhìn

vào tỉ lệ đóng góp của nguyên tử Cu vào electron đến 77,05% nhưng chỉ 1,33% cho

lỗ trống. Dựa vào các kết quả này có thể khẳng định chuyển đổi D1 → D0 tương ứng

với quá trình chuyển điện tích mạnh từ fluorophore đến nguyên tử Cu trung tâm. Đây

có thể là nguyên nhân chuyển đổi D1 → D0 có cường độ hầu như bằng không (𝑓 =

70

0,000) vì xác suất chuyển đổi electron tỉ lệ thuận với mức độ trùng lặp giữa vùng

không gian phân bố mật độ electron trước và sau chuyển đổi. Cụ thể, trong trường

hợp của phức [CuBDC]2+ vùng không gian phân bố mật độ electron trước (LUMOβ

hay lỗ trống) và sau chuyển đổi (HOMOβ hay electron) hầu như không trùng lặp với

nhau.

Bảng 3.8. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi 𝐷1 → 𝐷0







Momen lưỡng cực chuyển tiếp x, y, z (a.u.) 0,01 (x) –0,01 (y) 0,04 (z) a.u.

MO đóng góp vào lỗ trống (%) LUMOβ (97,71); LUMOβ+1 (2,09)

MO đóng góp vào electron (%) HOMOβ (99,80)


Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron thu

được (%)

Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron

thu được

(%)

O2 3,08 2,69 –0,39 C16 3,71 0,00 –3,71

N3 19,99 0,00 –19,99 C17 0,35 1,23 0,88

C4 2,05 0,00 –2,05 S33 1,48 0,75 –0,73

C5 1,23 0,00 –1,23 N34 2,08 5,01 2,94

C7 10,83 0,28 –10,54 N35 4,72 0,04 –4,68

C8 10,78 0,40 –10,38 C38 0,70 2,41 1,71

C10 6,82 0,05 –6,77 C43 0,34 1,92 1,57

C14 0,00 1,32 –1,32 Cu49 1,33 77,05 75,72

C15 12,18 0,00 –12,18


71

Hình 3.16. Phân bố lỗ trống – điện tích chuyển đổi D1 → D0 trong [CuBDC]2+

Hình 3.17. Giản đồ Jablonski minh họa cơ chế kích thích và dập tắt huỳnh quang


Cơ chế kích thích và dập tắt huỳnh quang trong phức [CuBDC]2+ được tóm tắt

và minh họa trên Hình 3.17. Ở trạng thái cơ bản [CuBDC]2+ phân bố ở mức dao động

thấp nhất (𝑣0) ký hiệu là D0(𝑣0). Khi bị kích thích bởi photon có bước sóng phù hợp,

[CuBDC]2+ chuyển lên trạng thái kích thích D10 ứng với các mức dao động khác nhau.

Sau đó phân tử thực hiện quá trình vr và ic liên tiếp để hồi phục về trạng thái kích

thích có năng lượng thấp nhất, ký hiệu là 𝐷1(𝑣0). Đối với các phân tử huỳnh quang,

chuyển đổi D1 → D0 sẽ dẫn đến phát xạ huỳnh quang. Trong trường hợp của

[CuBDC]2+ do vùng không gian phân bố mật độ electron của LUMOβ và HOMOβ

72

hầu như không trùng lặp lên nhau, dẫn đến xác suất chuyển đổi D1 → D0 gần như

bằng không (xác suất chuyển đổi được thể hiện qua giá trị cường độ dao động, 𝑓 ≈

0). Đồng thời khoảng cách giữa D0 và D1 có giá trị rất nhỏ (0,35 eV), dẫn đến sự

chồng lấn mức năng lượng vibronic của D1 với D0 ở các mức dao động cao. Sự chồng

lấn mức năng lượng này giúp quá trình ic diễn ra thuận lợi và kết quả cuối cùng là

trạng thái D1 hồi phục về D0 bằng những quá trình không phát xạ photon (ic và vr).

Tóm lại, liên kết giữa BDC với Cu2+ làm thay đổi mạnh cấu trúc electron của BDC,

đồng thời thu hẹp mạnh khoảng cách năng lượng giữa trạng thái cơ bản và trạng thái

kích thích đầu tiên và kết quả là dẫn đến dập tắt huỳnh quang trong phức [CuBDC]2+.

3.1.1.5. Sử dụng phức [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol

Theo kết quả tính toán lý thuyết trình bày ở trên dự đoán BDC là hợp chất phát

huỳnh quang với bước sóng hấp thụ cực đại tại 453 nm và phát xạ huỳnh quang ở 512

nm. BDC phản ứng với Cu2+ hình thành phức [CuBDC]2+ không phát huỳnh quang.

Hằng số bền dự đoán của phức [CuBDC]2+ có giá trị log β = 7,16. Giá trị hằng số bền

này nhỏ hơn rất nhiều so với phức giữa cysteine và Cu2+ (𝑙𝑜𝑔𝛽𝐶𝑢(𝑐𝑦𝑠)2= 16,0)

[157],[158]. Do đó phản ứng giữa [CuBDC]2+ với cysteine hình thành phức

[Cu(Cys)2] và giải phóng BDC có thể xảy ra gần như hoàn toàn theo phương trình:

[CuBDC]2+ + 2 Cysteine– → [Cu(Cysteine)2] + BDC

Phản ứng này rất thú vị, vì có thể sử dụng phức [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang

để phát hiện cystein. [CuBDC]2+ là hợp chất không phát huỳnh quang, khi phản ứng

với cysteine tạo ra sản phẩm BDC là phân tử phát huỳnh quang. Như vậy, [CuBDC]2+

có thể sử dụng để phát hiện cysteine và sensor huỳnh quang này hoạt động theo kiểu

“OFF–ON”. Tương tự như cysteine, các biothiol khác gồm homocysteine (Hcy) và

glutathione (GSH) đều tạo phức mạnh với Cu2+, do đó tính toán lý thuyết dự đoán có

thể sử dụng [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol.

3.1.1.6. Khảo sát phản ứng tổng hợp BDC

a. Sơ đồ tổng hợp BDC

Tính toán lý thuyết đã được sử dụng để dự đoán khả năng xảy ra các phản ứng

trong quá trình tổng hợp BDC. Khả năng tự phát của các phản ứng được tính toán

73

dựa vào các thông số nhiệt động học bao gồm enthalpy (∆Ho) và năng lượng tự do

Gibbs (∆Go) của phản ứng. Sơ đồ tổng hợp dự kiến của BDC được trình bày trên

Hình 3.18.

Hình 3.18. Sơ đồ tổng hợp dự kiến của BDC

b. Dự đoán các thông số nhiệt động học của phản ứng tổng hợp

Dựa trên sơ đồ tổng hợp dự kiến và quy trình thực nghiệm các giai đoạn tổng

hợp (xem phần Thực nghiệm tổng hợp BDC), các phản ứng được mô hình hóa như

được trình bày trên Hình 3.19. Các thông số nhiệt động học của các phản ứng bao

gồm ∆Ho và ∆Go được tính theo các Phương trình 3.9 và 3.10.

∆𝐻0 =∑𝐻0(𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚) −∑𝐻0(𝑐ℎấ𝑡 đầ𝑢) (3.9)

∆𝐺0 =∑𝐺0(𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚) −∑𝐺0(𝑐ℎấ𝑡 đầ𝑢) (3.10)

Trong đó, enthalpy và năng lượng Gibbs của một chất được xác định theo các biểu

thức 𝐻0 = 𝜀0 + 𝐻𝑐𝑜𝑟𝑟 và 𝐺0 = 𝜀0 + 𝐺𝑐𝑜𝑟𝑟. Ở đây 𝜀0 là năng lượng electron được tính

từ năng lượng điểm đơn tại PBE0/6-311++G(d,p). 𝐻𝑐𝑜𝑟𝑟 và 𝐺𝑐𝑜𝑟𝑟 lần lượt là enthalpy

và năng lượng Gibbs đóng góp bởi chuyển động nhiệt đã bao gồm năng lượng điểm

không và được tính tại PBE0/6-31+G(d,p). Môi trường dung môi được mô hình hóa

theo đúng như trong quy trình tổng hợp thực nghiệm. Hình học bền của các chất có

trên Hình 3.19 được đính kèm ở Phụ lục 5.

74

Hình 3.19. Các phản ứng dự kiến trong quá trình tổng hợp BDC

Bảng 3.9. Các thông số nhiệt động học của các phản ứng tổng hợp BDC

Giá trị enthalpy (∆Ho) và năng lượng Gibbs (ΔGo) của các phản ứng (1), (2),

(3), (4), (5) và (6) được liệt kê trong Bảng 3.9. Dữ liệu tính toán cho thấy tất cả các

phản ứng tổng hợp đều có giá trị ΔGo < 0. Trong đó các phản ứng (3), (4) và (5) rất

thuận lợi về mặt nhiệt động học khi có giá trị 𝛥𝐺0 rất âm và tất cả các phản ứng này

đều tỏa nhiệt (∆Ho < 0).

Phản ứng (1) (2) (3) (4) (5) (6)

∆𝐻0 (kcal.mol−1) 3,4 –12,5 –39,1 –63,1 –80,4 –8,7

∆𝐺0(kcal.mol−1) –8,8 –14,9 –47,1 –50,2 –92,1 –7,1

75

3.1.1.6. Tổng kết thiết kế lý thuyết sensor BDC

Kết quả thiết kế lý thuyết sensor BDC được minh họa trên Hình 3.20.

Hình 3.20. Tổng hợp kết quả thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang BDC

Các tính toán lý thuyết cho thấy BDC bị kích thích ở bước sóng 454 nm và

phát xạ huỳnh quang tại bước sóng 512 nm. Cả hai quá trình kích thích và phát xạ

huỳnh quang đều có cường độ dao động lớn, f = 1,266 đối với kích thích và f = 1,233

đối với huỳnh quang. BDC có thể tạo phức bền với Cu2+ trong dung dịch. Phức

[CuBDC]2+ là dạng ổn định nhất với hằng số bền β = 107,16. Ở dạng liên kết với Cu2+

BDC bị dập tắt huỳnh quang. Do đó có thể sử dụng BDC làm sensor huỳnh quang

phát hiện Cu2+ hoạt động theo kiểu ON–OFF. Ngoài ra, hằng số bền của phức

[CuBDC]2+ nhỏ hơn đáng kể so với phức giữa Cu2+ và cysteine (𝑙𝑜𝑔𝛽𝐶𝑢(𝑐𝑦𝑠)2= 16,0).

Vì vậy có thể sử dụng phức [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát hiện cysteine

hoạt động theo kiểu OFF–ON. Các phản ứng tổng hợp BDC đã được đánh giá khả

năng xảy ra tự phát dựa vào tính toán các giá trị ∆Ho và ∆Go của phản ứng. Kết quả

cho thấy tất cả các phản ứng này đều thuận lợi về mặt nhiệt động học. Từ các kết quả

thiết kế lý thuyết, tiến hành thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng tính chất và ứng dụng

của BDC, được trình bày trong các phần tiếp theo.

76

3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của sensor BDC

3.1.2.1. Thực nghiệm tổng hợp BDC

Sơ đồ tổng hợp BDC ((E)-3-((2-(benzo[d]thiazol-2-yl)hydrazono)methyl)-7-

(diethylamino) coumarin) được trình bày trên Hình 3.21. Theo đó, phản ứng tổng hợp

đi qua bốn giai đoạn. Giai đoạn (1) tổng hợp P1, giai đoạn (2) tổng hợp P2, giai đoạn

(3) tổng hợp P3 và giai đoạn (4) tổng hợp BDC.

Hình 3.21. Sơ đồ các giai đoạn tổng hợp BDC

a. Tổng hợp chất trung gian P1 và P2

Quy trình tổng hợp P1 và P2 đã được khảo sát và tóm tắt như sau:

Hòa tan 3,86 gam (20 mmol) 4-Diethylamino salicylaldehyde và 6,4 gam (40

mmol) diethyl malonate vào bình cầu chứa 100 mL ethanol tuyệt đối, thêm tiếp vào

hỗn hợp 5 mL triethylamine. Khuấy và đun hồi lưu hỗn hợp trong 6 giờ. Hỗn hợp sau

phản ứng đem cô quay chân không để loại bỏ dung môi và triethylamine, thu được

sản phẩm thô P1.

Thêm hỗn hợp gồm 50 mL acid HCl đặc và 50 mL acetic acid khan vào bình

cầu chứa sản phẩm thô P1, khuấy và đun hồi lưu hỗn hợp trong 6 giờ. Bình chứa hỗn

hợp phản ứng được để nguội đến nhiệt độ phòng, sau đó cho vào nước đá trong 5

phút. Nhỏ từng giọt dung dịch NaOH đặc vào hỗn hợp để điều chỉnh pH hỗn hợp về

khoảng 5, thu được kết tủa màu nhạt. Sau đó khuấy hỗn hợp trong 30 phút. Lọc hỗn

77

hợp, rửa kết tủa với nước, sau đó kết tinh kết tủa lại trong ethanol thu được sản phẩm

P2 với hiệu suất khoảng 65,5%.

Cấu trúc của sản phẩm P2 (7-diethylamino coumarin intermediate) được xác

nhận bởi phổ 1H-NMR (Hình 3.22) và kết quả phổ 1H-NMR(CDCl3) δ: 7,55 (d, 1H);

7,27 (d, 1H); 6,62 (d, 1H); 6,53 (s, 1H); 6,07 (d, 1H); 3,45 (m, 4H); 1,24 (t, 6H).

Hình 3.22. Phổ 1H-NMR của sản phẩm P2.

b. Tổng hợp chất trung gian P3

Quy trình tổng hợp P3 đã được khảo sát và tóm tắt như sau:

Thêm từng giọt DMF khan (5 mL) vào bình cầu chứa 5mL POCl3 ở nhiệt độ

phòng trong môi trường khí N2 và khuấy hỗn hợp trong 30 phút thu được dung dịch

màu đỏ sẫm. Tiếp tục cho 3,0 gam (14 mmol) sản phẩm P2 vào bình cầu chứa hỗn

hợp chuẩn bị ở trên. Khuấy hỗn hợp trong 30 phút, thu được huyền phù màu đỏ tươi.

Sau đó hỗn hợp được khuấy qua đêm ở 600C. Để nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt

độ phòng và sau đó cho vào nước đá trong 5 phút. Nhỏ từng giọt dung dịch NaOH

20% vào hỗn hợp thu được kết tủa màu trắng. Kết tủa được lọc, rửa bằng nước, sấy

khô và kết tinh lại trong ethanol khan, thu được sản phẩm P3 với hiệu suất khoảng

60,5%.

Cấu trúc của sản phẩm P3 (7-diethylamino coumarin-3-aldehyde) được xác

nhận bởi phổ 1H-NMR (Hình 3.23) và kết quả phổ 1H-NMR(CDCl3) δ: 10,11 (s, 1H);

8,23 (s, 1H); 7,39 (d, 1H); 6,64 (d, 1H); 6,48 (s, 1H); 3,47 (m, 4H); 1,24 (t, 6H).

78

Hình 3.23. Phổ 1H-NMR của sản phẩm P3

c. Tổng hợp sensor BDC

Quy trình tổng hợp BDC đã được khảo sát và tóm tắt như sau:

Hòa tan 245 mg (1 mmol) sản phẩm P3 và 182,5 mg (1,1 mmol) 2-

hydrazinobenzothiazole vào bình cầu chứa 50 mL ethanol khan. Khuấy và đun hồi

lưu hỗn hợp trong 6 giờ thu được kết tủa màu đỏ. Lọc, rửa kết tủa bằng ethanol nóng

3 lần, thu được sản phẩm BDC với hiệu suất khoảng 75,6%.

Cấu trúc của sản phẩm BDC được xác nhận bởi phổ 1H-NMR, 13C-NMR và

ESI-MS (Hình 3.24). Kết quả phổ 1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ: 12,26 (s, 1H);

8,23 (s, 1H); 8,14 (s, 1H); 7,78 (d, 1H); 7,63 (d, 1H); 7,44 (m, 1H); 7,30 (t, 1H); 7,11

(t, 1H); 6,77 (d, 1H); 6,58 (s, 1H); 3,48 (q, 4H); 1,14 (t, 6H). Kết quả phổ 13C-NMR

(DMSO-d6, 100 MHz) δ: 166,7; 160,2; 156,3; 151,1; 137,3; 130,6; 125,9; 121,6;

112,8; 109,8; 108,1; 96,5; 44,2; 12,4. Kết quả phổ ESI-MS: C21H20N4O2S 392,5.

http://www.jkchemical.com/CH/products/A01610674.html

http://www.jkchemical.com/CH/products/A01610674.html

79

Hình 3.24. Phổ 1H-NMR (a) và 13C-NMR (b) của BDC

3.1.2.2 Khảo sát thực nghiệm đặc trưng của sensor BDC

a. Chuẩn bị mẫu và điều kiện đo

Dung dịch gốc của BDC (1 mM) được pha trong hệ dung môi ethanol/HEPES

với tỉ lệ thể tích ethanol và HEPES là 1:1 ở pH 7,4 (pH 7,4, 1/1, v/v). Dung dịch gốc

của các cation kim loại (1 mM), biothiol (1 mM) được pha bằng nước cất hai lần.

Dung dịch của BDC, các cation kim loại và các biothiol được pha loãng trong bình

định mức 10 mL trước khi sử dụng. Cuvette thủy tinh và thạch anh có chiều rộng 10

mm được sử dụng để đo phổ UV-Vis và huỳnh quang. Chiều rộng của khe (slit) kích

thích và phát xạ đều là 5 nm. Tất cả các phổ UV-Vis và huỳnh quang đều được đo

ngay khi thêm các cation kim loại và các biothiol ở nhiệt độ phòng.

80

b. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC

Phổ thực nghiệm UV-Vis và huỳnh quang của dung dịch BDC được trình bày

trên Hình 3.25. Kết quả cho thấy BDC có hai dải hấp thụ với bước sóng cực đại tại

300 nm và 460 nm. Trong đó dải hấp thụ với 𝜆𝑚𝑎𝑥 = 460 nm có cường độ lớn nhất.

Do đó, bước sóng 460 nm được chọn làm bước sóng kích thích khi đo phổ huỳnh

quang. Hình dạng dải hấp thụ và bước sóng hấp thụ cực đại có sự tương đồng tốt giữa

tính toán và thực nghiệm. Bước sóng hấp thụ cực đại thực nghiệm là 300 nm và 460

nm so với dự đoán lý thuyết là 312 nm và 453 nm. Điều này cho thấy sự phù hợp của

phiếm hàm PBE0 và bộ hàm cơ sở 6-311++G(d,p) sử dụng trong tính toán trạng thái

kích thích của BDC.

Hình 3.25. Phổ UV-Vis và huỳnh quang tại bước sóng kích thích 460 nm của BDC

(5,0 μM) trong ethanol/HEPES (pH 7,4, 1/1, v/v)

Phổ huỳnh quang của BDC, có một dải phát xạ mạnh đạt cực đại tại 536 nm,

với độ chuyển dịch Stoke tương đối lớn (76 nm), giúp tránh được nhiễu nền khi đo

cường độ huỳnh quang. Do đó cường độ phát xạ huỳnh quang trong các thực nghiệm

tiếp theo được đo tại 536 nm. Hiệu suất lượng tử huỳnh quang (Φ) của BDC trong

dung dịch được xác định là 10,5%, so với chất chuẩn fluorescein trong dung dịch

NaOH 0,1 M [159]. Tương tự như phổ UV-Vis, dự đoán lý thuyết có sự phù hợp tốt

với phổ huỳnh quang thực nghiệm. Bước sóng cực đại huỳnh quang thực nghiệm và

dự đoán lý thuyết tương ứng là 536 nm và 512 nm.

81

c. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC với các cation kim loại

Hình 3.26 trình bày phổ UV-Vis và huỳnh quang của dung dịch BDC khi có

mặt các cation kim loại Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Hg2+

và Cu2+. Dữ liệu cho thấy Cu2+ có tương tác rõ ràng với BDC và kết quả làm tăng

cường độ hấp thụ và dịch chuyển đáng kể cực đại hấp thụ từ 460 nm đến 510 nm.

Hg2+ cũng làm dịch chuyển cực đại hấp thụ từ 460 nm đến 500 nm, nhưng cường độ

hấp thụ nhỏ hơn so với Cu2+. Các cation kim loại còn lại chỉ tạo ra những thay đổi

nhỏ trong phổ UV-Vis của BDC. Đối với phổ huỳnh quang, sự có mặt của Cu2+ dẫn

đến dập tắt huỳnh quang của BDC hơn 95%, trong khi Hg2+ có thể dập tắt huỳnh

quang khoảng 40%. Các cation kim loại còn lại hầu như không làm thay đổi huỳnh

quang của BDC.

Hình 3.26. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm 5,0 μM

Cu2+ và các cation Na+, K+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+ và Hg2+

Những thay đổi về phổ UV-Vis và huỳnh quang ở trên có thể được quan sát

qua thay đổi màu sắc của dung dịch BDC (Hình 3.27). Các ion Cu2+ và Hg2+ làm thay

đổi rõ rệt màu của dung dịch BDC chuyển từ vàng sang hồng và huỳnh quang không

được quan sát thấy trong trường hợp có ion Cu2+. Đối với các cation còn lại, không

làm thay đổi màu của dung dịch BDC và huỳnh quang có thể được quan sát rõ.

82

Hình 3.27. Thay đổi màu sắc (a) và huỳnh quang (b) của BDC khi thêm các cation

kim loại Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cu2+và Hg2+

Tất cả các kết quả này cho thấy tính chọn lọc cao của sensor BDC đối với ion

Cu2+ so với các cation kim loại cạnh tranh đã được khảo sát ngoại trừ ion Hg2+. Như

vậy để sử dụng BDC làm sensor huỳnh quang phát hiện Cu2+ trong các mẫu thực tế

cần phải loại bỏ sự ảnh hưởng của ion Hg2+. Kết quả khảo sát loại bỏ sự ảnh hưởng

của Hg2+ bằng ion Cl‒ được trình bày trên Hình 3.28a.

Hình 3.28. Phổ huỳnh quang của BDC (5,0 μM) trong ethanol/HEPES (pH 7,4, 1/1,

v/v) khi có mặt Hg2+, Cu2+ và Cl– (a); khi có mặt Cu2+ và EDTA (b)

Sự có mặt của ion Cl– không ảnh hưởng đến huỳnh quang của hệ BDC–Cu2+ nhưng

làm tăng cường độ huỳnh quang của hệ BDC–Hg2+. Khi thêm 40,0 – 50,0 μM ion Cl‒

vào dung dịch BDC–Hg2+ cường độ huỳnh quang phục hồi tương đương với dung

dịch chỉ chứa BDC. Do đó ion Cl– được sử dụng để loại bỏ sự ảnh hưởng của ion

Hg2+ đối với huỳnh quang của hệ BDC–Cu2+. Bản chất phản ứng giữa BDC và Cu2+

cũng đã được thăm dò. Hình 3.28b cho thấy, khi 5,0 μM Na4EDTA được thêm vào

dung dịch của BDC chứa 5,0 μM Cu2+, cường độ huỳnh quang được phục hồi tương

đương với dung dịch chỉ chứa BDC. Điều này cho thấy BDC tạo phức với Cu2+ và

83

dẫn đến dập tắt huỳnh quang. Khi có mặt EDTA, xảy ra phản ứng trao đổi phức và

giải phóng BDC tự do, kéo theo sự phục hồi huỳnh quang của dung dịch. Do đó BDC

hoạt động như một chemosensor phát hiện Cu2+.

d. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và pH lên phổ UV-Vis và huỳnh quang

Để sử dụng BDC làm sensor phát hiện ion Cu2+, yếu tố thời gian và pH đã

được khảo sát. Hình 3.29 trình bày sự thay đổi cường độ hấp thụ và huỳnh quang theo

thời gian của sensor BDC (5,0 µM, trong ethanol / HEPES, pH 7,4, 1/1, v / v) sau khi

thêm 5,0 μM Cu2+. Kết quả cho thấy cường độ hấp thụ và huỳnh quang đạt giá trị

cân bằng sau thời gian khoảng vài giây. Điều này là do phản ứng tạo phức giữa BDC

và Cu2+ xảy ra rất nhanh. Do đó sensor BDC có thể sử dụng để theo dõi sự thay đổi

nồng độ Cu2+ theo thời gian thực.

Hình 3.29. Mật độ quang tại 510 nm (a) và cường độ huỳnh quang tại 536 nm (b)

của BDC (5,0 μM) sau khi thêm Cu2+ (5,0 𝜇M) tại những thời gian khác nhau

Đối với khả năng ứng dụng thực tế, khoảng pH hoạt động của sensor là một

thông số quan trọng. Hình 3.30a cho thấy độ hấp thụ của sensor BDC ở dạng tự do

và khi có mặt ion Cu2+ đạt ổn định trong phạm vi pH từ 5,0 và 9,0. Trong khoảng pH

nhỏ hơn 5,0 và lớn hơn 9,0 độ hấp thụ của các dung dịch này không ổn định. Phổ

huỳnh quang trên Hình 3.30b cũng cho kết quả tương tự. Các kết quả này cho thấy

sensor BDC có thể phát hiện ion Cu2+ trong khoảng pH rộng từ 5,0 đến 9,0.

84


của BDC (5,0 μM) khi có và không có Cu2+ (5,0 μM) tại các pH khác nhau

e. Khảo sát phổ UV-Vis và huỳnh quang của BDC với Cu2+

Hình 3.31. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm Cu2+

(0,0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 7,5 và 10,0 μM)

Phổ UV-Vis của dung dịch BDC khi thêm dần Cu2+ được trình bày trên Hình

3.31a. Khi tăng nồng độ Cu2+ cực đại hấp thụ ở 460 nm giảm dần, trong khi xuất hiện

một cực đại hấp thụ mới tại 510 nm. Đồng thời với sự thay đổi này, màu sắc của dung

dịch chuyển từ màu cam sang hồng. Hơn nữa ba điểm uống (isosbestic) được quan

sát thấy ở 340, 400 và 475 nm. Những kết quả này cho thấy có sự chuyển hóa nồng

độ qua lại giữa các chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch. Đây được xem là bằng

chứng cho sự hình thành hợp chất mới giữa BDC và Cu2+ [160].

85

Hình 3.31b cho thấy, khi thêm Cu2+, cường độ huỳnh quang của BDC giảm

mạnh, kéo theo dịch chuyển nhẹ của bước sóng phát xạ cực đại về phía bước sóng

dài. Khi thêm đến 5,0 μM Cu2+ vào dung dịch BDC, cường độ huỳnh quang giảm hơn

95% so với cường độ huỳnh quang ban đầu và cực đại phát xạ chuyển từ 536 nm tới

545 nm. Hiệu suất lượng tử huỳnh quang của sản phẩm giữa BDC và Cu2+ trong dung

dịch bằng 0,15% so với chất chuẩn fluorescein trong dung dịch NaOH 0,1 M [159].

f. Khảo sát sử dụng BDC làm sensor UV-Vis và huỳnh quang phát hiện Cu2+

Để xem xét khả năng sử dụng BDC làm sensor UV-Vis và huỳnh quang phát

hiện Cu2+, sự phụ thuộc mật độ quang và cường độ huỳnh quang dung dịch BDC vào

nồng độ Cu2+ đã được khảo sát. Từ phổ UV-Vis (Hình 3.31a) cho thấy bước sóng tối

ưu để định lượng Cu2+ là 525 nm, trong đó cường độ hấp thụ của BDC tự do tại bước

sóng 525 nm xấp xỉ bằng không và tăng nhanh khi có mặt Cu2+. Hình 3.32a cho thấy

trong khoảng nồng độ Cu2+ từ 0,0 đến 300,0 ppb, mật độ quang (A525nm) có xu hướng

tỉ lệ tuyến tính với nồng độ Cu2+. Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính, cho thấy

mật độ quang của dung dịch BDC (5,0 μM) phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ ion

Cu2+ theo phương trình A525nm = (0,013 ± 0,002) + (0,001 ± 0,000)[Cu2+] (ppb) với

R2 = 0,9992. Kết quả này cho thấy có thể sử dụng BDC làm sensor UV-Vis để phát

hiện Cu2+.

Hình 3.32. Thay đổi mật độ quang tại 525 nm (a) và cường độ huỳnh quang tại 536

nm (b) của BDC (5,0 μM) khi thêm Cu2+ (0,0 – 300,0 ppb)

Tương tự, cường độ huỳnh quang của dung dịch BDC (5,0 μM) tỉ lệ tuyến tính với

nồng độ Cu2+ (Hình 3.32b). Tại bước sóng huỳnh quang 536 nm, trong khoảng nồng

86

độ Cu2+ từ 0,0 đến 300,0 ppb, cường độ huỳnh quang dung dịch BDC (F536nm) tỉ lệ

tuyến tính với nồng độ ion Cu2+ theo phương trình F536nm = (967,793 ± 4,262) – (3,004

± 0,029)[Cu2+] (ppb) với R2 = 0,9992. Kết quả này cho thấy có thể sử dụng BDC là

sensor huỳnh quang phát hiện Cu2+.

Hình 3.33. Đồ thị xác định LOD và LOQ của Cu2+ bằng sensor BDC (5,0 μM) sử

dụng phương pháp UV-Vis tại 525 nm (a) và huỳnh quang tại 536 nm (b)

Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) đã được xác định

bằng phương pháp đường chuẩn ở nồng độ thấp và trình bày trên Hình 3.33. Kết quả

cho thấy đối với phương pháp đo UV-Vis có LOD = 5,7 ppb, LOQ = 19,0 ppb và đối

với phương đo huỳnh quang có LOD = 4,0 ppb, LOQ = 13,3 ppb. Độ nhạy của sensor

huỳnh quang BDC cao hơn nhiều so với một số sensor công bố gần đây [161-164].

3.1.2.3. Khảo sát khả năng sử dụng phức BDC–Cu2+ phát hiện biothiol

Kết quả thiết kế lý thuyết, dự đoán BDC và Cu2+ sẽ tạo phức bền [CuBDC]2+.

Hằng số bền dự đoán của phức có giá trị log β = 7,16 và nhỏ hơn nhiều so với hằng

số bền của phức [Cu(cysteine)] (log β = 16,0). Do đó tính toán lý thuyết dự đoán có

thể sử dụng phức [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát hiện cysteine thông qua

phản ứng trao đổi phức [CuBDC]2+ + Cysteine → [Cu(cysteine)] + BDC. BDC được

giải phóng sẽ kéo theo sự phục hồi huỳnh quang của dung dịch.

a. Xác định tỉ lệ tạo phức giữa BDC và Cu2+

Kết quả trình bày trên Hình 3.28b cho thấy tương tác giữa BDC và Cu2+ theo

phản ứng tạo phức. Tỉ lệ phản ứng giữa BDC và Cu2+ được xác định dựa vào đồ thị

Job (Job’s plot) và được trình bày trên Hình 3.34a.

87

Hình 3.34. Đồ thị Job của BDC và Cu2+(a); đồ thị cường độ huỳnh quang của BDC

(5,0 μM) ở các nồng độ khác nhau của Cu2+ (b)

Kết quả từ đồ thị Job cho thấy BDC tạo phức với ion Cu2+ theo tỷ lệ 1:1. Kết

quả này cũng được xác nhận dựa vào sự thay đổi cường độ huỳnh quang của dung

dịch BDC khi thêm Cu2+ ở các nồng độ khác nhau (Hình 3.34b). Ở các nồng độ Cu2+

tăng dần, cường độ huỳnh quang của dung dịch BDC giảm dần. Tại tỉ lệ BDC và Cu2+

1:1, tương ứng với 5,0 μM Cu2+, huỳnh quang hầu như bị dập tắt hoàn toàn. Điều này

một lần nữa xác nhận tỉ lệ tạo phức giữa BDC và Cu2+ là 1:1.

b. Xác định hằng số bền thực nghiệm của phức BDC–Cu2+

Hằng số bền thực nghiệm của phức [BDC–Cu]2+ (βex) được xác định bằng

phương pháp làm khớp đường cong phi tuyến (Nonlinear curve-fitting method)

[165],[166]. Theo phản ứng tạo phức

Cu2+ + BDC = [CuDBC]2+ (3.11)

Tại cân bằng, hằng số bền của phức [CuBDC]2+ được xác định theo phương trình:

𝛽𝑒𝑥 =[𝐶𝑢𝐵𝐷𝐶]2+

[𝐶𝑢2+][𝐵𝐷𝐶] (3.12)

Gọi [BDC]o và [Cu2+]o là nồng độ ban đầu của BDC và Cu2+, ta có

𝛽𝑒𝑥 =[𝐵𝐷𝐶]𝑜 − [𝐵𝐷𝐶]

([𝐶𝑢2+]𝑜 − ([𝐵𝐷𝐶]𝑜 − [𝐵𝐷𝐶]))[𝐵𝐷𝐶] (3.13)

Biến đổi Phương trình 3.13 thu được

88

[𝐶𝑢2+]𝑜 = (1 − [𝐵𝐷𝐶]/[𝐵𝐷𝐶]𝑜)[𝐵𝐷𝐶]𝑜 +1

𝛽𝑒𝑥.1 − [𝐵𝐷𝐶]/[𝐵𝐷𝐶]𝑜[𝐵𝐷𝐶]/[𝐵𝐷𝐶]𝑜

(3.14)

Gọi Fo và F lần lượt là cường độ huỳnh quang của dung dịch BDC ban đầu và BDC

nằm cân bằng trong phản ứng tạo phức. Ở khoảng nồng độ thấp cường độ huỳnh

quang tỷ lệ tuyến tính với nồng độ BDC nên Phương trình 3.14 được viết lại

[𝐶𝑢2+]𝑜 = (1 − 𝐹/𝐹𝑜)[𝐵𝐷𝐶]𝑜 +1

𝛽𝑒𝑥.1 − 𝐹/𝐹𝑜𝐹/𝐹𝑜

(3.15)

Đặt 𝑥 = 𝐹/𝐹𝑜 và 𝑦 = [𝐶𝑢2+]𝑜, Phương trình 3.15 được viết lại

𝑦 = [𝐵𝐷𝐶]𝑜(1 − 𝑥) +1

𝛽𝑒𝑥.1 − 𝑥

𝑥 (3.16)

Hình 3.35. Đường cong phi tuyến xác định hằng số bền của phức [CuBDC]2+

Thí nghiệm được tiến hành với nồng độ BDC được giữ không đổi ở 5,0 μM

và nồng độ Cu2+được thêm vào là 0, 2,0, 4,0, 6,0, 8,0 và 10,0 μM. Kết quả phương

pháp làm khớp đường cong phi tuyến được trình bày trên Hình 3.35 với hằng số bền

thực nghiệm của phức [CuBDC]2+ có giá trị log.βex = 7,54 (R2 = 0,990). Giá trị tính

toán lý thuyết hằng số bền của phức rất gần với kết quả thực nghiệm (log.βcal = 7,16).

Kết quả này cho thấy sự phù hợp của mô hình tính toán lý thuyết sử dụng để xác định

hằng số bền của phức giữa BDC và Cu2+.

89

c. Khảo sát khả năng phản ứng giữa [CuBDC]2+ với các biothiol

Khả năng phản ứng của các phân tử biothiol gồm cysteine (Cys), homocysteine

(Hcy) và glutathione (GSH) với phức [CuBDC]2+ đã được khảo sát và trình bày trên

Hình 3.36.

Hình 3.36. Cường độ huỳnh quang của BDC (5,0 μM); BDC (5,0 μM) + Cu2+ (5,0

μM) và BDC (5,0 μM) + Cu2+ (5,0 μM) + Cys, HCy và GSH (10,0 μM)

Kết quả cho thấy cả ba biothiol Cys, Hcy và GSH đều phản ứng với [CuBDC]2+ và

dẫn đến phục hồi huỳnh quang của dung dịch. Điều này có thể được giải thích là do

khả năng tạo phức mạnh của các biothiol với Cu2+. Kết quả này mở ra khả năng sử

dụng phức [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát hiện các biothiol.

Theo sự hiểu biết của chúng tôi, việc phát triển các sensor huỳnh quang có thể

phát hiện chọn lọc các biothiol (Cys, Hcy, GSH giống nhau về cấu trúc và hoạt tính

hóa học) vẫn là thách thức đáng kể [107],[167]. Các sensor phát hiện biothiol dựa

trên phản ứng trao đổi phức rất khó để phát hiện chọn lọc Cys, Hcy và GSH vì các

thiol này có ái lực tạo phức với kim loại rất giống nhau. Hầu như các công bố sensor

huỳnh quang phát hiện các biothiol theo phản ứng trao đổi phức đều phát hiện đồng

thời các biothiol Cys, Hcy và GSH [158],[168]. Một số ít các sensor huỳnh quang

phát hiện chọn lọc các biothiol đã được công bố, thường dựa trên phản ứng hóa học

đặc trưng của mỗi thiol với sensor [167],[169]. Tuy nhiên, trong nhiều mẫu thực tế,

các biothiol này không xuất hiện đồng thời. Ví dụ, trong mẫu máu toàn phần của con

người, nồng độ GSH cao hơn nhiều so với các loại thiols khác, lên đến 1 mM. Trong

90

khi đó, trong huyết tương người, nồng độ Cys lên tới 250 µM, trong khi nồng độ của

GSH và Hcy hầu như không đáng kể [170-172]. Do đó, có thể sử dụng phức

[CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát hiện Cys, Hcy, hoặc GSH, tùy thuộc vào

các trường hợp thực tế.

d. Khảo sát sử dụng [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát hiện cysteine

Để xem xét khả năng sử dụng [CuBDC]2+ làm sensor huỳnh quang phát hiện

cysteine, sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang dung dịch [CuBDC]2+ vào nồng độ

Cys đã được khảo sát.

Hình 3.37. Phổ huỳnh quang (a) và cường độ huỳnh quang (b) của [CuBDC]2+ (5,0

μM) khi thêm Cys (0,0; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 13,0; 17,0

và 20,0 μM)

Như được trình bày trên Hình 3.37, khi thêm Cys có nồng độ từ 0,0 đến 10,0

μM vào dung dịch [CuBDC]2+ (5,0 μM), cường độ huỳnh quang tỷ lệ tuyến tính với

nồng độ của Cys theo phương trình F536 nm = (3,8 ± 10,4) + (87,1 ± 1,8)[Cys] với R2

= 0,9959. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) cũng được xác

định bằng phương pháp hồi quy tuyến tính ở khoảng nồng độ thấp của Cys. Giá trị

của LOD và LOQ lần lượt là 0,3 và 1,1 μM (Hình 3.38). Trong khi đó, nồng độ Cys

nội bào là 30 – 200 μM [173]. Các kết quả này cho thấy phức [CuBDC]2+ có thể sử

dụng làm sensor huỳnh quang để định lượng Cys nội bào, với độ nhạy lớn hơn một

số sensor tương tự được công bố [174],[175].

91

Hình 3.38. Đồ thị xác định LOD và LOQ Cys bằng sensor [CuBDC]2+ (5,0 μM)

3.1.3. Kết luận chung về nghiên cứu sensor huỳnh quang BDC và [CuBDC]2+

Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sensor huỳnh quang BDC và

[CuBDC]2+ được minh họa tóm tắt trên Hình 3.39.

Hình 3.39. Kết quả thiết kế lý thuyết và thực nghiệm sensor BDC và [CuBDC]2+

Các kết quả đã đạt được như sau:

1. Chemosensor huỳnh quang BDC mới dựa trên dẫn xuất coumarin đã được

thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng thành công dựa trên thiết kế

92

lý thuyết. Các thông số quan trọng nhất quyết định đến khả năng phát triển

thành công sensor huỳnh quang BDC bao gồm phổ UV-Vis, phổ huỳnh

quang và cơ chế tương tác với ion Cu2+ đã được tính toán và có kết quả phù

hợp tốt với thực nghiệm.

2. Sensor BDC có thể phát hiện chọn lọc ion Cu2+ với sự có mặt của các cation

kim loại cạnh tranh bao gồm Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+ và

Pb2+. BDC có thể hoạt động trong khoảng pH rộng từ 5 đến 9; có độ nhạy

cao với giới hạn phát hiện và định lượng ion Cu2+ lần lượt là 4,0 ppb và

13,3 ppb. Hơn nữa BDC có thể phát hiện ion Cu2+ bằng phương pháp trắc

quang với giới hạn phát hiện và định lượng tương ứng là 5,7 ppb và 19,0

ppb.

3. Phức giữa BDC và Cu2+ ([CuBDC]2+) có thể sử dụng làm sensor huỳnh

quang phát hiện các biothiol. Giới hạn phát hiện và định lượng cysteine đã

được xác định tương ứng là 0,3 μM và 1,1 μM.

93

3.2. Thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor huỳnh quang RLED dựa

trên phản ứng mở vòng rhodamine spirolactam phát hiện Hg2+

3.2.1. Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor

huỳnh quang RLED

3.2.1.1. Sơ đồ thiết kế RLED

Hình 3.40 trình bày sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor huỳnh

quang N–(rhodamine–6G)lactam – ethylenediamine – 4 – dimethylamino –

cinnamaldehyde (RLED). Fluorophore dựa trên dẫn xuất của rhodamine và receptor

tạo thành bởi nhóm amide trên vòng spirolactam và 4-dimethylamino-

cinnamaldehyde. Dự kiến RLED tồn tại ở dạng đóng vòng spirolactam và không phát

huỳnh quang. Quá trình tạo phức của receptor với Hg2+ sẽ dẫn đến phản ứng mở vòng

spirolactam và RLED chuyển sang dạng phát huỳnh quang. Hơn nữa, phản ứng thủy

phân nhóm amide có thể được thúc đẩy bởi sự hình thành phức bền của Hg2+ với sản

phẩm thủy phân và kết quả cuối cùng RLED có thể bị thủy phân hoàn toàn thành

Rhodamine 575. Theo cơ chế dự kiến này, sensor RLED sẽ hoạt động theo kiểu OFF–

ON và là một chemodosimeter huỳnh quang phát hiện ion Hg2+.

Hình 3.40. Sơ đồ thiết kế và hoạt động dự kiến của sensor RLED

Bước tiếp theo trong quá trình thiết kế, là tính toán các đặc tính quang học,

khả năng phản ứng giữa RLED với Hg2+ cũng như các phản ứng tổng hợp sensor.

94

3.2.1.2. Khảo sát tính chất quang học của RLED

Hình học bền của RLED được tính toán tại mức lý thuyết PBE0/6-

31+G(d,p)/PCM(H2O) được trình bày trên Hình 3.41. Cấu trúc tương tự RLED ở

dạng đóng vòng spirolactam được biết đến là không có màu và không phát huỳnh

quang. Cấu trúc này được kỳ vọng sẽ chuyển sang dạng mở vòng spirolactam khi

tương tác với ion Hg2+. Ở dạng mở vòng, các dẫn xuất tương tự RLED có màu hồng

và phát huỳnh quang mạnh [176].

Hình 3.41. Hình học cấu dạng bền của sensor RLED ở trạng thái cơ bản

Phổ UV-Vis, các orbital phân tử biên và cường độ dao động các chuyển đổi

electron của RLED từ tính toán TDDFT được trình bày trong Bảng 3.10 và trên Hình

3.42. Dữ liệu cho thấy RLED có dải hấp thụ mạnh tại 𝜆𝑚𝑎𝑥= 375,2 nm tương ứng với

kích thích S0 → S1 (𝑓 = 1,3797) và chủ yếu được đóng góp bởi quá trình chuyển đổi

từ HOMO lên LUMO (98,60%). Ngoài ra, cả HOMO và LUMO đều phân bố trên

hợp phần nằm bên ngoài trung tâm fluorophore. Do đó có thể kết luận RLED là hợp

chất không phát huỳnh quang.


động (𝑓) của RLED tại PBE0/6-311++G(d,p)/PCM(H2O)



S0 → S1 3,30 375,2 1,3797 HOMO→LUMO 98,60

S0 → S2 3,52 352,6 0,0109 HOMO-1→LUMO 86,35

95

S0 → S3 3,59 345,0 0,0018 HOMO-2→LUMO 60,97

S0 → S17 4,65 266,6 0,1890 HOMO-4→LUMO 84,92

Hình 3.42. Phổ UV-Vis, HOMO và LUMO của RLED

Bảng 3.11. Các chỉ số phân tích lỗ trống – electron chuyển đổi S0→S1 của RLED






Momen lưỡng cực chuyển tiếp x, y, z (a.u.) –3,21 (x) –0,62 (y) 0,66 (x)

MO đóng góp vào lỗ trống (%) HOMO

MO đóng góp vào electron (%) LUMO


Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron

thu được

(%)

Nguyên

tử

Lỗ

trống

(%)

Electron

(%)

Electron

thu được

(%)

C61 2,40 2,44 0,04 C71 1,87 6,61 4,74

N64 10,62 15,14 4,52 C72 1,97 10,84 8,88

96

C65 0,02 11,79 11,78 C73 9,46 0,26 –9,20

C66 16,34 11,85 –4,49 C75 7,88 0,47 –7,41

C68 2,14 21,99 19,86 C77 4,96 9,87 4,92

C70 14,58 1,73 –12,68 N80 19,52 3,95 –15,56


Hình 3.43. Phân bố lỗ trống – electron chuyển đổi 𝑆0 → 𝑆1 của RLED

Cơ chế quá trình kích thích của RLED được tìm hiểu sâu hơn qua phân tích

mô hình lỗ trống – electron và kết quả phân tích được trình bày trong Bảng 3.11 và

trên Hình 3.43. Độ trùng lặp lỗ trống – electron, Sr = 71,83%; khoảng cách lỗ trống

– electron, D = 1,78 Å và momen lưỡng cực chuyển tiếp nhỏ (–3,21(x), –0,62 (y),

0,66 (x) a.u.) cho thấy quá trình kích thích là cục bộ. Hình ảnh phân bố lỗ trống –

electron và phần trăm đóng góp của các nguyên tử cũng cho thấy quá trình kích thích

là cục bộ và xảy ra bên ngoài trung tâm fluorophore của RLED. Tương đồng với tính

toán TDDFT, mô hình lỗ trống – electron cũng dự đoán RLED là hợp chất không

phát huỳnh quang.

3.2.1.3. Khảo sát dạng tồn tại của RLED trong dung dịch

Nhiều nghiên cứu cho thấy các dẫn xuất của rhodamine spirolactam có thể tồn

tại nhiều dạng khác nhau trong dung dịch. Các dạng này có thể ở dạng đóng vòng

spirolactam (không phát huỳnh quang) hoặc dạng mở vòng spirolactam (phát huỳnh

quang) [177]. Do đó cân bằng giữa các dạng này trong dung dịch cần được khảo sát

để đảm bảo hoạt động của sensor. Hình 3.44 trình bày các dạng tồn tại của RLED

trong dung dịch: dạng đóng vòng spirolactam (L1) không phát huỳnh quang và các

97

dạng mở vòng spirolactam phát huỳnh quang: dạng lưỡng tính (zwitter ionic, L2),

dạng cationic (L3) trong môi trường acid, và dạng trung hòa (L4 và L5).

Hình 3.44. Cấu trúc phân tử các dạng tồn tại của RLED trong dung dịch

Bảng 3.12. Năng lượng Gibbs các phản ứng chuyển đổi dạng tồn tại của RLED

Phản ứng ∆G0(kcal.mol−1)

L1 → L2 20,56

L1 + H3O+ → L3 + H2O –28,13

L1 → L4 17,62

L1 → L5 35,48

Để dự đoán các dạng tồn tại của RLED trong dung dịch, năng lượng Gibbs các

phản ứng chuyển đổi dạng tồn tại đã được tính toán và liệt kê trong Bảng 3.12. Hình

học bền của các dạng L1, L2, L3, L4 và L5 được đính kèm ở Phụ lục 7. Kết quả cho

thấy trong môi trường acid, phản ứng chuyển từ L1 về L3 có năng lượng Gibbs rất

âm (∆𝐺0 = −28,13 kcal.mol−1). Vì vậy trong môi trường acid RLED tồn tại chủ

yếu ở dạng cationic (L3) là dạng phát huỳnh quang. Các trường hợp còn lại, năng

lượng Gibbs của phản ứng đều rất dương, do đó có thể dự đoán RLED tồn tại chủ yếu

ở dạng lactam (L1) và không phát huỳnh quang.

3.2.1.3. Khảo sát phản ứng giữa RLED và Hg2+

Tương tác giữa RLED và Hg2+ đóng một vai trò quyết định trong hoạt động

của sensor dự kiến. Theo sơ đồ thiết kế, phản ứng giữa RLED và Hg2+ phải dẫn đến

mở vòng spirolactam để bật huỳnh quang trên phân tử sensor. Năng lượng Gibbs của

98

các phản ứng dự kiến và hằng số bền của các phức được khảo sát theo mô hình tính

toán đã được trình bày trong phần tính hằng số bền của phức [CuBDC]2+ sử dụng

phức tham chiếu [Hg(ethylenediamine)]2+ có hằng số bền thực nghiệm, β = 1016,72

[178]. Hình học bền của các hợp chất được đính kèm trong Phụ lục 8. Công thức cấu

tạo các hợp chất dự kiến hình thành trong phản ứng giữa RLED với Hg2+ và ký hiệu

của chúng được trình bày trên Hình 3.45. Các dạng phức được trình bày ở đây là dạng

ổn định nhất xác định được sau khi khảo sát các dạng phức có ligand nước tham gia

(xem Phụ lục 9).

Hình 3.45. Công thức cấu tạo và ký hiệu các chất và phức ổn định

Kết quả tính toán trong Bảng 3.13 cho thấy tương tác giữa RLED với Hg2+

hình thành phức [HgL1]2+ là quá trình tự phát với ∆Go = ‒7,82 kcal.mol-1 và hằng số

bền của phức có giá trị log β = 5,73. Các giá trị nhiệt động học này cho thấy phản ứng

giữa RLED với Hg2+ là hiệu quả về mặt năng lượng và điều quan trọng là phản ứng

này dẫn đến mở vòng spirolactam. Do đó về mặt lý thuyết RLED có khả năng phát

hiện ion Hg2+. Năng lượng Gibbs của các phản ứng thủy phân [HgL1]2+ (1), (2) và

(3) có giá trị âm, trong đó phản ứng (2) có giá trị âm nhất (∆Go = –12,65 kcal.mol‒1).

Do đó [HgN]2+ và M dự kiến là sản phẩm chính của phản ứng giữa RLED và Hg2+.

Trong đó M là rhodamine 575, là một hợp chất phát huỳnh quang mạnh, với bước

sóng kích thích và phát xạ thực nghiệm trong môi trường ethanol tương ứng là

99

526 nm và 546 nm [179]. Như vậy, tính toán lý thuyết dự đoán nồng độ ion Hg2+ sẽ

tỉ lệ với cường độ phát huỳnh quang của của rhodamine 575 và tỉ lệ phản ứng giữa

RLED và Hg2+ là 1:1.

Hình 3.46. Hình học bền của M, N và các phức ổn định

Bảng 3.13. Năng lượng Gibbs của các phản ứng khảo sát và hằng số bền của phức

Phản ứng ∆𝐺0(kcal.mol−1) Phức 𝑙𝑜𝑔 𝛽𝑐𝑎𝑙

(1) RLED + Hg2+ → [HgL1]2+ –7,82 [HgL1]2+ 5,73

(2) [HgL1]2+ + H2O → [HgN]2+ +M –12,65 [HgN]2+ 20,42

(3) [HgL1]2+ + H2O → [HgM]2+ + N –2,15 [HgM]2+ 12,72

(4) [HgL1]2+ + H2O → [HgNM]2+ –8,87 [HgNM]2+ 17,65

Các kết quả trên cho thấy, sự hình thành phức [HgL1]2+ đóng vai trò quyết định

đến khả năng phát hiện Hg2+ bởi RLED. Do đó, để làm sáng tỏ thêm bản chất cấu

trúc của phức [HgL1]2+, phân tích hàm mật độ electron theo QTAIM đã được tiến

hành tại PBE0/6-311++G(d,p). Giá trị mật độ electron (𝜌(𝑟)) và đạo hàm bậc hai của

mật độ electron (𝛻2𝜌(𝑟)) tại điểm cực trị của mật độ electron (𝛻𝜌(𝑟) = 0) tương ứng

với các điểm tới hạn liên kết (BCP), điểm tới hạn vòng (RCP) của phức [HgL1]2+

100

được tổng hợp trong Bảng 3.14. Hình học topo các điểm tới hạn được trình bày trên

Hình 3.47.

Bảng 3.14. Một độ electron (𝜌(𝑟), a.u.), Laplacian (𝛻2𝜌(𝑟), a.u.) và điểm tới hạn

(CP) của phức [HgL1]2+

Liên kết ρ(r) λ1 λ2 λ3 ∇2ρ(r) CP

N31Hg (121) 0,091 –0,109 –0,098 0,492 0,285 BCP

N64Hg (131) 0,054 –0,055 0,285 –0,052 0,178 BCP

N31C58C61N64Hg 0,018 0,063 –0,012 0,043 0,094 RCP

Hình 3.47. Hình học topo các điểm tới hạn trong phức [HgL1]2+

Dữ liệu phân tích QTAIM cho thấy sự hiện diện các BCP ở giữa nguyên tử Hg

với hai nguyên tử N31 và N64. Khoảng cách giữa các cặp nguyên tử này nhỏ hơn

đáng kể so với tổng bán kính van der Waals giữa chúng. Do đó có thể khẳng định sự

tồn tại của các liên kết Hg–N31 và Hg–N64. Mật độ electron tại các BCP của N31–

Hg, và N64–Hg lần lượt là 0,091 a.u. và 0,054 a.u. Các trị số này cho thấy liên kết

N31–Hg mạnh hơn đáng kể so với liên kết N64–Hg. Kết quả này phù hợp với độ dài

liên kết của N31–Hg (2,2 Å) ngắn hơn N64–Hg (2,4 Å). Như vậy các kết quả tính

101

toán đã khẳng định được sự hình thành liên kết giữa ion Hg2+ và RLED tại vị trí các

nguyên tử N31 và N64 và chính tương tác này quyết định đến khả năng mở vòng

spirolactam trên RLED.

3.2.1.4. Khảo sát phản ứng tổng hợp RLED

a. Sơ đồ tổng hợp RLED

Bước cuối cùng trong thiết kế sensor huỳnh quang RLED là dự đoán khả năng

xảy ra của các phản ứng trong quá trình tổng hợp RLED. Khả năng tự phát của phản

ứng được tính toán dựa vào các thông số nhiệt động học bao gồm enthalpy (∆Ho) và

năng lượng tự do Gibbs (∆Go) của phản ứng. Sơ đồ tổng hợp dự kiến của RLED được

trình bày trên Hình 3.48.

Hình 3.48. Sơ đồ tổng hợp dự kiến của RLED

b. Tính toán các thông số nhiệt động học của phản ứng tổng hợp

Dựa trên sơ đồ tổng hợp dự kiến và quy trình thực nghiệm các giai đoạn tổng

hợp (xem phần Thực nghiệm tổng hợp RLED), các phản ứng được mô hình hóa như

được trình bày trên Hình 3.49. Phương pháp tính toán tương tự như trường hợp sensor

BDC. Hình học bền của các chất trên Hình 3.49 được đính kèm ở Phụ lục 10. Giá trị

enthalpy (∆Ho) và năng lượng Gibbs (∆Go) của phản ứng (1) và (2) được liệt kê trong

Bảng 3.15. Dữ liệu tính toán cho thấy phản ứng (1) thuận lợi về mặt nhiệt động học

với giá trị ∆Go = ‒16,0 kcal.mol–1. Phản ứng số (2) thuộc loại phản ứng tạo imine

giữa nhóm aldehyde và amine bậc hai. Về mặt thực nghiệm, phản ứng này là thuận

nghịch. Điều này tương đồng với kết quả tính toán năng lượng Gibbs của phản ứng

là 0,1 kcal.mol–1. Từ giá trị năng lượng Gibbs tính được hằng số cân bằng của phản

102

ứng là 0,84. Giá trị hằng số cân bằng cho thấy đây là một phản ứng thuận nghịch điển

hình. Do đó để tăng hiệu suất của phản ứng (2) cần có biện pháp loại bỏ nước tạo

thành trong quá trình phản ứng.

Hình 3.49. Các phản ứng dự kiến trong quá trình tổng hợp RLED

Bảng 3.15. Các thông số nhiệt động học của các phản ứng tổng hợp RLED

3.2.1.6. Tổng kết thiết kế lý thuyết sensor RLED

Hình 3.50. Tổng hợp kết quả thiết kế lý thuyết sensor huỳnh quang RLED

Kết quả thiết kế lý thuyết sensor RLED được trình bày trên Hình 3.50. Các

tính toán lý thuyết cho thấy trong môi trường trung tính RLED tồn tại ở dạng đóng

Phản ứng ∆𝐻0 (kcal.mol−1) ∆𝐺0(kcal.mol−1)

(1) –18,5 –16,0

(2) –0,9 0,1

103

vòng spirolactam, không có màu và không phát huỳnh quang. Phản ứng tạo phức giữa

RLED Hg2+ thuận lợi về mặt nhiệt động học với ∆Go = ‒7,82 kcal.mol–1 và hằng số

bền của phức có giá trị log β = 5,73. Đồng thời phản ứng này dẫn đến mở vòng

spirolactam và phục hồi huỳnh quang trên RLED. Do đó về mặt lý thuyết RLED có

khả năng phát hiện ion Hg2+. Ngoài ra, sự có mặt của Hg2+ dẫn đến phản ứng thủy

phân RLED (∆Go = ‒12,65 kcal.mol–1) tạo thành rhodamine 575 là một hợp chất phát

huỳnh quang mạnh, có bước sóng kích thích và phát xạ thực nghiệm trong môi trường

ethanol tương ứng là 526 nm và 546 nm [179]. Như vậy, thiết kế lý thuyết dự đoán

nồng độ ion Hg2+ sẽ tỉ lệ với cường độ phát huỳnh quang của của rhodamine 575 và

tỉ lệ phản ứng giữa RLED và ion Hg2+ là 1:1.

3.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng sensor RLED

3.2.2.1. Thực nghiệm tổng hợp RLED

Sơ đồ tổng hợp RLED được trình bày trên Hình 3.51. Theo đó, phản ứng tổng

hợp đi qua hai giai đoạn. Giai đoạn (1) tổng hợp N-(rhodamine-6G)lactam-

ethylenediamine và giai đoạn (2) tổng hợp RLED.

Hình 3.51. Sơ đồ thực nghiệm tổng hợp RLED

a. Tổng hợp N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine

Quy trình tổng hợp đã được khảo sát và tóm tắt như sau:

Cho vào bình cầu 100 mL, 480 mg (1,0 mmol) Rhodamine 6G, 0,67 mL

(10,0 mmol) ethylenediamine và 20 mL ethanol. Hỗn hợp phản ứng được đun hồi lưu

trong 4 giờ cho đến khi huỳnh quang của mẫu biến mất. Hỗn hợp sau phản ứng để

nguội đến nhiệt độ phòng, lọc kết tủa và rửa ba lần trong ethanol lạnh. Sản phẩm thô

104

được kết tinh lại trong acetonitril và thu được khoảng 370 mg N-(rhodamine-

6G)lactam-ethylenediamine chất rắn màu trắng với hiệu suất khoảng 80%.

Cấu trúc N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine được xác nhận bởi phổ

1H-NMR và ESI-MS (Hình 3.52). Kết quả phổ 1H-NMR (CDCl3): δ 7,95 (d, 1H);

7,47 (t, 2H); 7,05 (d, 1H); 6,34 (s, 2H); 6,23 (s, 2H); 3,50 (t, 2H); 3,24 (t, 4H); 2,39

(t, 2H); 1,90 (s, 6H); 1,36 (t, 6H). Kết quả phổ ESI-MS (M+H+): m/z=457.

Hình 3.52. Phổ 1H NMR (a) và ESI-MS (b) của N-(rhodamine-6G)lactam

ethylenediamine

b. Tổng hợp RLED

Quy trình tổng hợp đã được khảo sát và tóm tắt như sau:

Cho 456 mg (1,0 mmol) N-(rhodamine-6G)lactam-ethylenediamine, 350 mg

(2,0 mmol) 4-dimethylamino-cinnamaldehyde và 50 mL ethanol vào bình cầu. Đun

hồi lưu hỗn hợp phản ứng trong 8 giờ dưới khí quyển N2 và khuấy thêm 2 giờ ở nhiệt

độ phòng thu được kết tủa màu trắng, lọc và rửa kết tủa ba lần trong ethanol lạnh. Kết

tinh lại sản phẩm trong acetonitrile thu được khoảng 338,2 mg RLED với hiệu suất

khoảng 50%.

Cấu trúc RLED được xác nhận bởi phổ 1H-NMR, 13C-NMR và ESI-MS (Hình

3.53). Kết quả phổ 1H-NMR (CDCl3) δ 7,94-7,92 (d, 1H); 7,70-7,68 (d, 1H); 7,43-

7,40 (m, 2H); 7,30-7,28 (d, 2H); 7,05-7,03 (d, 2H); 6,75-6,71 (d, 1H); 6,66-6,64 (d,

1H); 6,48 (m, 1H); 6,32 (s, 2H); 6,22 (s, 2H); 3,49-3,45 (t, 2H); 3,38-3,45 (t, 2H);

6,27-3,23 (t, 2H); 3,22-3,19 (t, 4H); 2,98 (s, 6H); 1,88 (s, 6H); 1,59 (s, 6H). Kết quả

phổ 13C-NMR (CDCl3) δ: 168,46; 164,59; 154,07; 152,03; 151,16; 147,59; 142,00;

105

132,45; 131,50; 128,77; 128,72; 128,06; 124,30; 124,10; 123,99; 122,93; 118,01;

112,30; 106,52; 100,20; 96,95; 65,35; 58,74; 41,73; 40,31; 38,53; 16,70; 14,93 ppm.

Kết quả phổ ESI-MS (M+H+): m/z=614,35.

Hình 3.53. Phổ 1H NMR (a), 13C NMR (b) và ESI-MS (c) của RLED

c. Sản phẩm phản ứng giữa RLED và Hg2+

Theo thiết kế lý thuyết, khi có mặt Hg2+, RLED có thể bị thủy phân tạo sản

phẩm rhodamine 575. Do đó thực nghiệm phản ứng giữa RLED và Hg2+ được tiến

hành để xác nhận sản phẩm phản ứng. Cho 100 mg (0,16 mmol) RLED, 400 mg (1,0

mmol) Hg(ClO4).nH2O và 100 mL ethanol vào bình cầu. Đun hồi lưu hỗn hợp trong

2 giờ. Dung môi được loại bỏ dưới áp suất thấp và hòa tan cặn trong 100 mL CH2Cl2,

và rửa trong nước 3 lần. Lớp hữu cơ được làm khô bằng MgSO4 và dung môi được

làm bay hơi dưới áp suất thấp. Sản phẩm thô được tính chế bằng sắt ký cột thu được

16,5 mg Rhodamine 575.

Cấu trúc của Rhodamine 575 được xác định bằng phổ 1H-NMR, 13C NMR và

ESI-MS (Hình 3.54). Kết quả phổ 1H-NMR (DMSO) δ 13,03 (s, 1H); 8,25-8,23 (d,

1H); 7,88-7,85 (t, 1H); 7,83-7,79 (t, 1H); 7,66 (t, 2H); 7,43-7,42 (d, 1H); 6,92 (s, 2H);

106

6,81 (s, 2H); 3,52-3,45 (t, 4H); 2,10 (s, 6H); 1,28-1,25 (t, 6H). Kết quả phổ 13C-NMR

(DMSO) δ: 166,25; 156,62; 155,65; 132,68; 130,91; 130,73; 130,17; 130,09; 128,52;

125,19; 112,81; 93,55; 37,90; 17,37; 13,59 ppm. Kết quả phổ ESI-MS (M+H+): m/z

= 415,1996.

Hình 3.54. Phổ 1H NMR (a), 13C NMR (b) và ESI-MS (c) của rhodamine 575

3.2.2.2 Khảo sát thực nghiệm đặc trưng của sensor RLED

a. Chuẩn bị mẫu và điều kiện đo

Dung dịch gốc của RLED (1,0 mM) được pha trong hệ dung môi

methanol/HEPES (pH 7,4, 1/9, v/v). Các dung dịch gốc của các cation kim loại

(1,0 mM) được pha bằng nước cất hai lần. Dung dịch RLED và cation kim loại được

pha loãng trong bình định mức 10 mL trước khi sử dụng. Các cuvette thủy tinh và

thạch anh có chiều rộng 10 mm được sử dụng để đo phổ UV-Vis và huỳnh quang

tương ứng. Chiều rộng của khe (slit) kích thích và phát xạ là 5 nm. Thời gian đo tiến

hành sau 30 phút sau khi chuẩn bị mẫu.

107

b. Phổ UV-Vis và huỳnh quang của RLED khi có mặt các cation kim loại

Phổ UV-Vis và huỳnh quang của RLED ở dạng tự do và khi có mặt các cation

kim loại Hg2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Ag+, Na+, K+, Ca2+ và Mg2+

được trình bày trên Hình 3.55. Kết quả cho thấy ở dạng tự do RLED có ba dải hấp

thụ ánh sáng ứng với bước sóng hấp thụ cực đại tại 295 nm, 407 nm và 480 nm. Kết

quả tính toán lý thuyết dự đoán RLED có hai cực đại hấp thụ và 267 nm và 375 nm.

Hơn nữa ở trạng thái tự do RLED không có màu (Hình 3.56). Do đó dải hấp thụ tại

480 nm là bất thường so với quan sát về màu sắc và kết quả tính toán lý thuyết phổ

UV-Vis của RLED dự đoán nó là hợp chất không có màu. Nhiều nghiên cứu cho thấy,

khi bị kích thích bởi ánh sáng tử ngoại các dẫn xuất rhodamine spirolactam có thể

xảy ra phản ứng quang hóa thuận nghịch chuyển đổi từ dạng đóng vòng spirolactam

(không màu) sang dạng mở vòng (có màu hồng) [180-182]. Do đó, có thể cực đại hấp

thụ tại 480 nm là của RLED ở dạng mở vòng spirolactam tạo thành do phản ứng

quang hóa của RLED khi bị kích thích bởi ánh sáng tử ngoại trong quá trình quét phổ

UV-Vis.

Hình 3.55. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của RLED (10,0 μM) khi thêm 10,0

μM Hg2+ và 10,0 μM các cation kim loại khác (Mn+) Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Fe2+,

Co2+, Ni2+, Ag+, Na+, K+, Ca2+ và Mg2+

Dung dịch RLED khi có mặt Hg2+ xuất hiện một cực đại hấp thụ mới tại 530

nm trong khi các cation kim loại khác hầu như không ảnh hưởng lên phổ UV-Vis của

RLED. Đúng như dự đoán lý thuyết, RLED chuyển từ dạng không phát huỳnh quang

sang phát huỳnh quang khi tương tác với ion Hg2+ với bước sóng phát xạ cực đại là

558 nm. Hơn nữa, sự có mặt của các cation kim loại khác gần như không làm thay

108

đổi tính chất huỳnh quang của RLED. Các kết quả này mở ra khả năng sử dụng RLED

làm sensor huỳnh quang để phát hiện Hg2+.

Hình 3.56. Thay đổi màu sắc (a) và huỳnh quang (b) của A (RLED), B (RLED +

Hg2+), C (RLED + Hg2+ + các cation kim loại) và D (RLED + các cation kim loại)

c. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và pH lên phổ UV-Vis và huỳnh quang

Hình 3.57 trình bày sự thay đổi cường độ hấp thụ và huỳnh quang theo thời

gian của RLED (10,0 µM), sau khi thêm 10,0 μM Hg2+. Kết quả cho thấy cường độ

hấp thụ và huỳnh quang đạt giá trị cân bằng sau khoảng 30 phút. Điều này cho thấy

phản ứng giữa RLED và Hg2+ xảy ra tương đối chậm. Do đó, tương tác giữa RLED

và Hg2+ không phải là quá trình tạo phức thông thường (xảy ra rất nhanh) mà là phản

ứng hóa học liên quan đến phá vỡ và hình thành liên kết.

Hình 3.57. Thay đổi mật độ quang tại 530 nm (a) và thay đổi cường độ huỳnh quang

tại 558 nm (b) của RLED (10,0 𝜇M) theo thời gian khi thêm 50,0 𝜇M Hg2+

Đối với khả năng ứng dụng thực tế, khoảng pH hoạt động của sensor là một

thông số quan trọng. Hình 3.58 cho thấy, khi pH giảm từ 5,0 xuống 2,0 kéo theo sự

gia tăng độ hấp thụ và cường độ huỳnh quang của dung dịch RLED tự do. Điều này

có thể được giải thích là do sự mở vòng spirolactam gây ra bởi quá trình proton hóa

RLED (dạng cationic) như đã được tính toán và trình bày trong phần xác định dạng

109

tồn tại của RLED trong dung dịch. Trong khoảng pH từ 5,0 đến 10,0 độ hấp thụ và

cường độ huỳnh quang của hệ RLED – Hg2+ đạt giá trị ổn định. Các kết quả này cho

thấy RLED có thể phát hiện Hg2+ trong khoảng pH rộng, từ 5,0 đến 10,0.


của RLED (10,0 μM) khi có và không có Hg2+ (10,0 μM) tại các pH khác nhau

d. Khảo sát sử dụng RLED làm sensor UV-Vis và huỳnh quang phát hiện Hg2+

Phổ UV-Vis của RLED với Hg2+ được trình bày trên Hình 3.59a. Cực đại hấp

thụ mới xuất hiện tại 530 nm và có cường độ tăng dần khi thêm Hg2+. Đồng thời với

sự thay đổi này, màu sắc của dung dịch chuyển từ không màu sang màu hồng. Trong

khi phổ huỳnh quang trên Hình 3.59b cho thấy khi bổ sung dần Hg2+ xuất hiện dải

hấp thụ cực đại tại 558 nm với cường độ tăng dần, kéo theo sự phát xạ huỳnh quang

màu vàng của dung dịch.

Hình 3.59. Phổ UV-Vis (a) và huỳnh quang (b) của RLED (10,0 μM) khi thêm Hg2+

(0,0; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 12,0; 14,0;

16,0; 18,0 và 20,0 μM)

110


của RLED (10,0 μM) khi thêm Hg2+ (0,0 – 20,0 μM)

Kết quả được trình bày trên Hình 3.60a và Hình 3.60b cho thấy mối quan hệ

tuyến tính tốt giữa độ hấp thụ ở bước sóng 530 nm (A530nm) và cường độ huỳnh quang

ở bước sóng 558 nm (F558nm) với nồng độ Hg2+ khoảng 0,0÷10,0 μM. Ở nồng độ Hg2+

lớn hơn 10,0 μM, độ hấp thụ và cường độ huỳnh quang hầu như không thay đổi.

Những kết quả này cho thấy RLED phản ứng với ion Hg2+ theo tỉ lệ 1:1. Trong khoảng

nồng độ Hg2+ từ 0,0 μM đến 10,0 μM, đường chuẩn thu được từ mối quan hệ tuyến

tính giữa độ hấp thụ của dung dịch RLED và nồng độ ion Hg2+ là A530nm = (0,022 ±

0,002) + (0,017 ± 0,000)[Hg2+] với R2 = 0,9969; đường chuẩn thu được từ mối quan

hệ tuyến tính giữa cường độ huỳnh quang của dung dịch RLED và nồng độ Hg2+ là

F558nm = (–34,015 ± 26,792) + (199,175 ± 4,529)[Hg2+] với R2 = 0,9949. Giới hạn

phát hiện Hg2+ bằng phương pháp đo UV-Vis và huỳnh quang tương ứng là 0,02 μM

và 0,014 μM. Các kết quả này cho thấy có thể sử dụng RLED làm sensor UV-Vis và

huỳnh quang để phát hiện Hg2+.

3.2.3. Kết luận chung về nghiên cứu sensor huỳnh quang RLED

Kết quả nghiên cứu sensor huỳnh quang RLED được trình bày tóm tắt trên

Hình 3.61. Các kết quả đã đạt được như sau:

1. Chemodosimeter huỳnh quang RLED mới dựa trên dẫn xuất rhodamine

spirolactam đã được thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng thành công

dựa trên thiết kế lý thuyết.

111

Hình 3.61. Kết quả thiết kế lý thuyết và thực nghiệm sensor RLED

2. Sensor RLED có thể phát hiện chọn lọc ion Hg2+ với sự có mặt của các cation

kim loại cạnh tranh bao gồm Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Ag+, Na+,

K+, Ca2+ và Mg2+. RLED có thể hoạt động trong khoảng pH rộng từ 5,0 đến

10,0 với giới hạn phát hiện và định lượng ion Hg2+ lần lượt là 0,14 μM và 0,47

μM. Hơn nữa RLED có thể phát hiện ion Hg2+ bằng phương pháp trắc quang

với giới hạn phát hiện và định lượng tương ứng là 0,02 μM và 0,07 μM.

3. Các thông số quan trọng nhất quyết định đến khả năng phát triển thành công

sensor huỳnh quang RLED bao gồm đặc tính hấp thụ và huỳnh quang của

RLED ở dạng tự do, cơ chế tương tác với ion Hg2+ dẫn đến mở vòng

spirolactam cũng như phản ứng thủy phân RLED tạo sản phẩm rhodamine 575

đã được đánh giá thành công bằng tính toán lý thuyết.

112

NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

1. Hóa học tính toán lượng tử đã được áp dụng thành công để hỗ trợ và định hướng

thực nghiệm trong thiết kế, tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng ba sensor huỳnh

quang mới là chemosensor BDC, chemosensor [CuBDC]2+ và chemodosimeter

RLED.

2. Chemosensor BDC và chemodosimeter RLED đã được thiết kế lý thuyết từ đầu,

bao gồm khảo sát đặc tính quang học của sensor; khả năng tương tác của sensor

với đối tượng phân tích; sự thay đổi tín hiệu huỳnh quang của sensor trước và

sau khi tương tác với đối tượng phân tích; và nhiệt động học các phản ứng tổng

hợp sensor. Quá trình nghiên cứu thực nghiệm thành công các sensor BDC và

RLED dựa trên sơ đồ thiết kế lý thuyết đã chứng minh cho kết quả, giá trị khoa

học của luận án với mục tiêu chính là áp dụng hóa học tính toán và thực nghiệm

để phát triển các sensor huỳnh quang mới.

3. Chemosensor huỳnh quang BDC có thể phát hiện ion Cu2+ với các đặc tính: giới

hạn phát hiện và giới hạn định lượng tương ứng là 4,0 ppb và 13,3 ppb; phản

ứng xảy ra gần như tức thời; không bị ảnh hưởng bởi các cation kim loại khác

như Na+, K+, Mg2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Pb2+ và Cd2+; có thể hoạt động trong

khoảng pH rộng từ 5,0 đến 9,0. BDC và Cu2+ tương tác với nhau theo cơ chế

tạo phức với tỉ lệ phản ứng 1:1. Hằng số bền của phức [CuBDC]2+ xác định bằng

tính toán phù hợp tốt với thực nghiệm với giá trị 𝑙𝑜𝑔 𝛽 tương ứng là 7,16 và

7,54. Kết quả tính toán và thực nghiệm đều cho thấy sensor BDC hoạt động theo

kiểu ON–OFF. Ngoài ra có thể sử dụng BDC làm sensor trắc quang phát hiện

Cu2+ với giới hạn phát hiện và định lượng tương ứng là 5,7 ppb và 19,0 ppb.

4. Một sensor huỳnh quang mới sử dụng phức [CuBDC]2+ phát hiện các biothiol

cũng đã được phát triển thành công dựa vào thiết kế lý thuyết và thực nghiệm.

Sensor huỳnh quang [CuBDC]2+ có thể xác định cysteine với giới hạn phát hiện

và định lượng tương ứng là 0,3 μM và 1,1 μM.

5. Chemodosimeter huỳnh quang RLED có thể phát hiện chọn lọc ion Hg2+ trong

sự có mặt của các cation kim loại cạnh Cu2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Fe2+, Co2+, Ni2+,

Ag+, Na+, K+, Ca2+ và Mg2+ với giới hạn phát hiện và định lượng tương ứng là

113

0,14 μM và 0,47 μM. Kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy

RLED tương tác với ion Hg2+ thông qua phản ứng tạo phức dẫn đến mở vòng

spirolactam và quá trình thủy phân tiếp theo tạo ra rhodamine 575 là một chất

có màu hồng và phát huỳnh quang mạnh. Sensor RLED có thể hoạt động trong

khoảng pH rộng từ 5,0 đến 10,0 và theo kiểu OFF–ON. Ngoài ra có thể sử dụng

RLED làm sensor trắc quang xác định Hg2+ với giới hạn phát hiện và định lượng

tương ứng là 0,02 μM và 0,07 μM.

114

ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

Dựa trên các kết quả đạt được trong luận án, những định hướng nghiên cứu

triển vọng có thể tiếp cận trong thời gian đến như sau:

1. Tiếp tục sử dụng hóa học tính toán để thiết kế các sensor huỳnh quang mới

cũng như sửa đổi cấu trúc hóa học của sensor đã phát triển theo hướng nâng

cao độ nhạy, độ chọn lọc và khả năng tương thích sinh học.

2. Tính toán khả năng phát hiện chọn lọc các đối tượng phân tích của sensor

huỳnh quang.

3. Phát triển sử dụng BDC và RLED để phân tích các cation kim loại Cu2+ và

Hg2+ trong môi trường tế bào.

4. Nghiên cứu gắn kết các sensor huỳnh quang phân tử trên bề mặt các vật liệu

rắn, ứng dụng để sản xuất các bộ KIT dùng để phát hiện nhanh các chất

phân tích trên hiện trường. Bước đầu nghiên cứu gắn kết BDC và RLED

trên vật liệu silica mao quản, sản xuất bộ KIT phát hiện nhanh các cation

kim loại Cu2+ và Hg2+.

115

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN

1. Mai Van Bay, Nguyen Khoa Hien, Subin Son, Nguyen Duy Trinh, Nguyen

Tien Trung, Pham Cam Nam, Jong Seung Kim, Duong Tuan Quang (2019),

Hg2+-promoted spirolactam hydrolysis reaction: A design strategy for the highly

selective sensing of Hg2+ over other metal ions in aqueous

media., Sensors, 19(1), pp. 128.

2. Nguyen Khoa Hien§, Mai Van Bay§, Nguyen Chi Bao, Quan V Vo, Nguyen

Duc Cuong, Tran Vinh Thien, Nguyen Thi Ai Nhung, Dang Ung Van, Pham

Cam Nam, Duong Tuan Quang (2020), Coumarin-based dual chemosensor for

colorimetric and fluorescent detection of Cu2+ in water media, ACS omega., 33,

pp. 21241-21249. (§: These authors contributed equally to the work).

3. Mai Van Bay, Nguyen Khoa Hien, Phan Tu Quy, Pham Cam Nam, Dang Ung

Van, Duong Tuan Quang (2019), Using calculations of the electronically

excited states for investigation of fluorescent sensors: A review, Vietnam

Journal of Chemistry., 57(4), pp. 389-400.

4. Nguyen Khoa Hien‡, Mai Van Bay‡, Phan Diem Tran, Nguyen Tan Khanh,

Nguyen Dinh Luyen, Quan V. Vo, Dang Ung Van, Pham Cam Nam, and Duong

Tuan Quang (2020), A coumarin derivative-Cu2+ complex-based fluorescent

chemosensor for detection of biothiols, RSC Advances., 10, pp. 36265-36274.

(‡: These authors contributed equally to the work).

5. Mai Van Bay, Nguyen Khoa Hien, Hoang Kim Thanh, Pham Cam Nam, Duong

Tuan Quang (2020), Prediction of stability constant of Cu2+ complex with

organic fluorescence ligands using thermodynamic cycle in combination with

DFT theory and SMD solvent model, Hue University Journal of Science:

Natural Science., 129, pp. 15-23.

116

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Quang D. T. , Kim J. S. (2010). Fluoro- and chromogenic chemodosimeters

for heavy metal ion detection in solution and biospecimens. Chemical reviews,

110 (10), 6280-6301.

[2] Wu D., Sedgwick A. C., Gunnlaugsson T., Akkaya E. U., Yoon J. et al. (2017).

Fluorescent chemosensors: the past, present and future. Chemical Society

Reviews, 46 (23), 7105-7123.

[3] Bright F. V. (1988). Bioanalytical applications of fluorescence spectroscopy.

Analytical chemistry, 60 (18), 1031A-1039A.

[4] Pogue B. W., Gibbs-Strauss S. L., Valdés P. A., Samkoe K. S., Roberts D. W.

et al. (2010). Review of neurosurgical fluorescence imaging methodologies.

IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 16 (3), 493-505.

[5] Hiremath S. D., Maiti K. K., Ghosh N. N., Banerjee M. , Chatterjee A. (2020).

Reduced graphene oxide–thioguanine composites for the selective detection

of inorganic and organic mercury in aqueous media. ACS Applied Nano

Materials, 3 (3), 3071-3079.

[6] Paul L., Mukherjee S., Chatterjee S., Bhaumik A. , Das D. (2019). Organically

functionalized mesoporous SBA-15 type material bearing fluorescent sites for

selective detection of Hg(II) from aqueous Medium. ACS omega, 4 (18),

17857-17863.

[7] Afaneh A. T. , Schreckenbach G. (2015). Fluorescence enhancement /

quenching based on metal orbital control: computational studies of a 6-

thienyllumazine-based mercury sensor. The Journal of Physical Chemistry A,

119 (29), 8106-8116.

[8] Chen L., Yang L., Li H., Gao Y., Deng D. et al. (2011). Tridentate lysine-

based fluorescent sensor for Hg(II) in aqueous solution. Inorganic chemistry,

50 (20), 10028-10032.

[9] Chen C., Yang L.-L., Tang A.-L., Wang P.-Y., Dong R. et al. (2020).

Curcumin–Cu(II) ensemble-based fluorescence “Turn-On” mode sensing the

117

plant defensive hormone salicylic acid in situ and in vivo. Journal of

agricultural and food chemistry, 68 (17), 4844-4850.

[10] Mu L., Shi W., Chang J. C. , Lee S.-T. (2008). Silicon nanowires-based

fluorescence sensor for Cu(II). Nano letters, 8 (1), 104-109.

[11] Zhang H., Dong X., Wang J., Guan R., Cao D. et al. (2019). Fluorescence

emission of polyethylenimine-derived polymer dots and its application to

detect copper and hypochlorite Ions. ACS Applied Materials & Interfaces, 11

(35), 32489-32499.

[12] Lo M., Diaw A. K., Gningue‐Sall D., Oturan M. A., Chehimi M. M. et al.

(2019). A novel fluorescent sensor based on electrosynthesized benzene

sulfonic acid‐doped polypyrrole for determination of Pb(II) and Cu(II).

Luminescence, 34 (5), 489-499.

[13] Hirayama T. (2019). Fluorescent probes for the detection of catalytic Fe(II)

ion. Free radical biology and medicine, 133, 38-45.

[14] Liu C.-H., Guan Q.-L., Yang X.-D., Bai F.-Y., Sun L.-X. et al. (2020).

Polyiodine-modified 1, 3, 5-benzenetricarboxylic acid framework

Zn(II)/Cd(II) complexes as highly selective fluorescence sensors for thiamine

hydrochloride, NACs, and Fe3+/Zn2+. Inorganic chemistry.

[15] Mitra M., Mahapatra M., Dutta A., Chattopadhyay P. K., Deb M. et al. (2020).

Light-emitting multifunctional maleic acid-co-2-(N-(hydroxymethyl)

acrylamido) succinic acid-co-N-(hydroxymethyl) acrylamide for Fe(III)

sensing, removal, and cell imaging. ACS omega, 5 (7), 3333-3345.

[16] Sun Y., Zhang N., Guan Q. L., Liu C. H., Li B. et al. (2019). Sensing of Fe3+

and Cr2O72– in water and white light: synthesis, characterization, and

fluorescence properties of a crystalline bismuth-1, 3, 5-benzenetricarboxylic

acid framework. Crystal Growth & Design, 19 (12), 7217-7229.

[17] Kwon J. E., Lee S., You Y., Baek K.-H., Ohkubo K. et al. (2012). Fluorescent

zinc sensor with minimized proton-induced interferences: photophysical

mechanism for fluorescence turn-on response and detection of endogenous

free zinc ions. Inorganic chemistry, 51 (16), 8760-8774.

118

[18] Dutta A., Mahapatra M., Deb M., Mitra M., Dutta S. et al. (2020). Fluorescent

terpolymers using two non-emissive monomers for Cr(III) sensors, removal,

and bio-imaging. ACS Biomaterials Science & Engineering, 6 (3), 1397-1407.

[19] Upadhyay Y., Paira P., Kumar S. A., Choi H.-J., Kumar R. et al. (2019).

Vitamin B6 cofactor conjugated rhodamine 6G derivative: Fluorescent turn-

on sensing of Al(III) and Cr(III) with bioimaging application in live HeLa

cells. Inorganica Chimica Acta, 489, 198-203.

[20] Ke H., Wei W., Yang Y., Wu H., Zhang Y.-Q. et al. (2020). A trinuclear zinc

coordination cluster exhibiting fluorescence, colorimetric sensitivity, and

recycling of silver ion and detection of cupric ion. Inorganic chemistry, 59 (5),

2833-2842.

[21] Lu H., Yu C. , Xu S. (2019). A dual reference ion-imprinted ratiometric

fluorescence probe for simultaneous detection of silver(I) and lead(II). Sensors

and Actuators B: Chemical, 288, 691-698.

[22] Chaichana K., Phutlaprungrueang N., Chaicharoenwimolkul L., Promkatkaew

M. , Kongsriprapan S. (2019). A selective fluorescence probe based on

naphthalene for the detection of barium(ii). Spectrochimica Acta Part A:

Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 207, 118-122.

[23] Zehra S., Khan R. A., Alsalme A. , Tabassum S. (2019). Coumarin derived

“turn on” fluorescent sensor for selective detection of cadmium(II) Ion:

spectroscopic studies and validation of sensing mechanism by DFT

calculations. Journal of fluorescence, 29 (4), 1029-1037.

[24] Sarkar A., Chakraborty S., Lohar S., Ahmmed E., Saha N. C. et al. (2019). A

lysosome-targetable fluorescence sensor for ultrasensitive detection of Hg2+ in

living cells and real samples. Chemical research in toxicology, 32 (6), 1144-

1150.

[25] Fu Y., Pang X.-X., Wang Z.-Q., Chai Q. , Ye F. (2019). A highly sensitive and

selective fluorescent probe for determination of Cu(II) and application in live

cell imaging. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular

Spectroscopy, 208, 198-205.

119

[26] Wang P., Zhou D. , Chen B. (2019). A fluorescent dansyl-based peptide probe

for highly selective and sensitive detect Cd2+ ions and its application in living

cell imaging. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular


[27] Bi J., Fang M., Wang J., Xia S., Zhang Y. et al. (2017). Near-infrared

fluorescent probe for sensitive detection of Pb(II) ions in living cells.

Inorganica Chimica Acta, 468, 140-145.

[28] Yao K., Chang Y., Li B., Yang H. , Xu K. (2019). A novel coumarin-based

fluorescent sensor for Ca2+ and sequential detection of F− and its live cell

imaging. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular


[29] Kwon N., Baek G., Swamy K., Lee M., Xu Q. et al. (2019).

Naphthoimidazolium based ratiometric fluorescent probes for F− and CN−, and

anion-activated CO2 sensing. Dyes and Pigments, 171, 107679.

[30] Kumawat L. K., Abogunrin A. A., Kickham M., Pardeshi J., Fenelon O. et al.

(2019). Squaramide—naphthalimide conjugates as “turn-on” fluorescent

sensors for bromide through an aggregation-disaggregation approach.

Frontiers in chemistry, 7.

[31] Feng Y., Yang Y., Wang Y., Qiu F., Song X. et al. (2019). Dual-functional

colorimetric fluorescent probe for sequential Cu2+ and S2− detection in bio-

imaging. Sensors and Actuators B: Chemical, 288, 27-37.

[32] Yang B., Xu J. , Zhu H.-L. (2019). Recent progress in the small-molecule

fluorescent probes for the detection of sulfur dioxide derivatives

(HSO3−/SO3

2−). Free radical biology and medicine.

[33] Jin L., Tan X., Dai L., Bai H. , Wang Q. (2019). Modulation of fluorescence

sensing properties of coumarin-based fluorescent probe for H2S and its

application in cell imaging. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and

Biomolecular Spectroscopy, 221, 117187.

120

[34] Niu T., Yu T., Yin G., Chen H., Yin P. et al. (2019). A novel colorimetric and

ratiometric fluorescent probe for sensing SO2 derivatives and their bio-

imaging in living cells. Analyst, 144 (5), 1546-1554.

[35] Li H., Sun X., Zheng T., Xu Z., Song Y. et al. (2019). Coumarin-based

multifunctional chemosensor for arginine/lysine and Cu2+/Al3+ ions and its

Cu2+ complex as colorimetric and fluorescent sensor for biothiols. Sensors and

Actuators B: Chemical, 279, 400-409.

[36] Wang C., Wang Y., Wang G., Chen S. , Huang C. (2019). Two-isophorone

fluorophore-based design of a ratiometric fluorescent probe and its application

in the sensing of biothiols. Journal of Materials Chemistry B, 7 (37), 5633-

5639.

[37] Wu S., Li Y., Deng T., Wang X., Hu S. et al. (2020). A new fluorescent probe

for sensing of biothiols and screening of acetylcholinesterase inhibitors.

Organic & Biomolecular Chemistry, 18 (13), 2468-2474.

[38] Quang D. T., Wu J.-S., Luyen N. D., Duong T., Dan N. D. et al. (2011).

Rhodamine-derived Schiff base for the selective determination of mercuric

ions in water media. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and

Biomolecular Spectroscopy, 78 (2), 753-756.

[39] Hien N. K., Bao N. C., Nhung N. T. A., Trung N. T., Nam P. C. et al. (2015).

A highly sensitive fluorescent chemosensor for simultaneous determination of

Ag(I), Hg(II), and Cu(II) ions: Design, synthesis, characterization and

application. Dyes and Pigments, 116, 89-96.

[40] Quang D. T., Hop N. V., Luyen N. D., Thu H. P., Oanh D. Y. et al. (2013). A

new fluorescent chemosensor for Hg2+ in aqueous solution. Luminescence, 28

(2), 222-225.

[41] Quy P. T., Hien N. K., Bao N. C., Nhan D. T., Khanh D. V. et al. (2015). A

new rhodamine‐based fluorescent chemodosimeter for mercuric ions in water

media. Luminescence, 30 (3), 325-329.

[42] Hien N. K., Quy P. T., Trung N. T., Vien V., Van Khanh D. et al. (2014). A

dansyl–diethylenetriamine–thiourea conjugate as a fluorescent

121

chemodosimeter for Hg2+ ions in water media. Chemistry Letters, 43 (7), 1034-

1036.

[43] Nhan D. T., Nhung N. T. A., Vien V., Trung N. T., Cuong N. D. et al. (2017).

A benzothiazolium-derived colorimetric and fluorescent chemosensor for

detection of Hg2+ ions. Chemistry Letters, 46 (1), 135-138.

[44] Bay M. V., Hien N. K., Son S., Trinh N. D., Trung N. T. et al. (2019). Hg2+-

promoted spirolactam hydrolysis reaction: A design strategy for the highly

selective sensing of Hg2+ over other metal Ions in aqueous media. Sensors, 19

(1), 128.

[45] Quy P. T., Hien N. K., Tung T. Q. , Quang D. T. (2017). A fluorescent

chemodosimeter based on rhodamine derivative for detection of Hg(II) ions

studied by using the density functional theory. Vietnam Journal of Chemistry,

55 (2), 139.

[46] Quang D. T., Jung H.-S., Yoon J.-H., Lee S.-Y. , Kim J.-S. (2007). Coumarin

appended calix[4] arene as a selective fluorometric sensor for Cu2+ ion in

aqueous solution. Bulletin of the Korean Chemical Society, 28 (4), 682-684.

[47] Kim S. H., Choi H. S., Kim J., Lee S. J., Quang D. T. et al. (2010). Novel

optical/electrochemical selective 1, 2, 3-triazole ring-appended chemosensor

for the Al3+ ion. Organic letters, 12 (3), 560-563.

[48] Kim H.-J., Kim S.-H., Quang D. T., Kim J.-H., Suh I.-H. et al. (2007). Highly

selective fluorescent signaling for Al3+ in bispyrenyl polyether. Bulletin of the

Korean Chemical Society, 28 (5), 811-815.

[49] Lee M. H., Quang D. T., Jung H. S., Yoon J., Lee C.-H. et al. (2007). Ion-

induced FRET on−off in fluorescent calix[4]arene. The Journal of organic

chemistry, 72 (11), 4242-4245.

[50] Nhan D. T., Hien N. K., Van Duc H., Nhung N. T. A., Trung N. T. et al. (2016).

A hemicyanine complex for the detection of thiol biomolecules by

fluorescence. Dyes and Pigments, 131, 301-306.

[51] Hien N. K., Nhan D. T., Kim W. Y., Van Bay M., Nam P. C. et al. (2018).

Exceptional case of Kasha's rule: Emission from higher-lying singlet electron

122

excited states into ground states in coumarin-based biothiol sensing. Dyes and

Pigments, 152, 118-126.

[52] Silva A. P., NimaláGunaratne H., MarkáLynch P., Glenn E. ,

SamankumaraáSandanayake K. (1992). Molecular fluorescent signalling with

‘fluor–spacer–receptor’systems: approaches to sensing and switching devices

via supramolecular photophysics. Chemical Society Reviews, 21 (3), 187-195.

[53] Zhu H., Zhang Z., Long S., Du J., Fan J. et al. (2018). Synthesis of an

ultrasensitive BODIPY-derived fluorescent probe for detecting HOCl in live

cells. Nature protocols, 13 (10), 2348-2361.

[54] Jia S., Ramos-Torres K. M., Kolemen S., Ackerman C. M. , Chang C. J.

(2017). Tuning the color palette of fluorescent copper sensors through

systematic heteroatom substitution at rhodol cores. ACS chemical biology, 13

(7), 1844-1852.

[55] Wardle B. (2009). Principles and applications of photochemistry, John Wiley

& Sons.

[56] Acuña A. , Amat-Guerri F. (2007). "Early history of solution fluorescence: the

Lignum nephriticum of Nicolás Monardes", Fluorescence of supermolecules,

polymers, and nanosystems, Springer, 3-20.

[57] Valeur B. , Leray I. (2000). Design principles of fluorescent molecular sensors

for cation recognition. Coordination Chemistry Reviews, 205 (1), 3-40.

[58] Klymchenko A. S. , Demchenko A. P. (2002). Electrochromic modulation of

excited-state intramolecular proton transfer: the new principle in design of

fluorescence sensors. Journal of the American Chemical Society, 124 (41),

12372-12379.

[59] Kemlo J. A. , Shepherd T. M. (1977). Quenching of excited singlet states by

metal ions. Chemical Physics Letters, 47 (1), 158-162.

[60] Fabbrizzi L., Licchelli M., Pallavicini P., Sacchi D. , Taglietti A. (1996).

Sensing of transition metals through fluorescence quenching or enhancement.

A review. Analyst, 121 (12), 1763-1768.

123

[61] Que E. L., Domaille D. W. , Chang C. J. (2008). Metals in neurobiology:

probing their chemistry and biology with molecular imaging. Chemical

reviews, 108 (5), 1517-1549.

[62] De Silva A. P., Moody T. S. , Wright G. D. (2009). Fluorescent PET

(Photoinduced Electron Transfer) sensors as potent analytical tools. Analyst,

134 (12), 2385-2393.

[63] De Silva A. P., Fox D., Moody T. , Weir S. (2001). Trends in biotechnol.

[64] Liese D. , Haberhauer G. (2018). Rotations in excited ICT states–fluorescence

and its microenvironmental sensitivity. Israel Journal of Chemistry, 58 (8),

813-826.

[65] Grynkiewicz G., Poenie M. , Tsien R. Y. (1985). A new generation of Ca2+

indicators with greatly improved fluorescence properties. Journal of

biological chemistry, 260 (6), 3440-3450.

[66] Tsien R. Y. (2010). The 2009 Lindau Nobel laureate meeting: Roger Y. Tsien,

Chemistry 2008. JoVE (Journal of Visualized Experiments)(35), e1575.

[67] Li X., Zhang S., Cao J., Xie N., Liu T. et al. (2013). An ICT-based fluorescent

switch-on probe for hydrogen sulfide in living cells. Chemical

Communications, 49 (77), 8656-8658.

[68] Xu Z., Chen Z., Liu A., Ji R., Cao X. et al. (2019). A ratiometric fluorescent

probe for detection of exogenous mitochondrial SO2 based on a FRET

mechanism. RSC Advances, 9 (16), 8943-8948.

[69] Long C., Hu J.-H., Fu Q.-Q. , Ni P.-W. (2019). A new colorimetric and

fluorescent probe based on Rhodamine B hydrazone derivatives for cyanide

and Cu2+ in aqueous media and its application in real life. Spectrochimica Acta

Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 219, 297-306.

[70] Hong M., Chen Y., Zhang Y. , Xu D. (2019). A novel rhodamine-based Hg2+

sensor with a simple structure and fine performance. Analyst, 144 (24), 7351-

7358.

[71] Hong G., Antaris A. L. , Dai H. (2017). Near-infrared fluorophores for

biomedical imaging. Nature Biomedical Engineering, 1 (1), 1-22.

124

[72] Udhayakumari D. (2018). Chromogenic and fluorogenic chemosensors for

lethal cyanide ion. A comprehensive review of the year 2016. Sensors and

Actuators B: Chemical, 259, 1022-1057.

[73] Fu Y. , Finney N. S. (2018). Small-molecule fluorescent probes and their

design. RSC Advances, 8 (51), 29051-29061.

[74] Risher J. (1999). Toxicological profile for mercury.

[75] Zhang C., Yu Z.-g., Zeng G.-m., Jiang M., Yang Z.-z. et al. (2014). Effects of

sediment geochemical properties on heavy metal bioavailability. Environment

international, 73, 270-281.

[76] Teixeira F. B., de Oliveira A. C., Leão L. K., Fagundes N. C., Fernandes R.

M. et al. (2018). Exposure to inorganic mercury causes oxidative stress, cell

death, and functional deficits in the motor cortex. Frontiers in molecular

neuroscience, 11, 125.

[77] Matta G. , Gjyli L. (2016). Mercury, lead and arsenic: impact on environment

and human health. J. Chem. Pharm. Sci, 9, 718-725.

[78] Karimi R., Fitzgerald T. P. , Fisher N. S. (2012). A quantitative synthesis of

mercury in commercial seafood and implications for exposure in the United

States. Environmental Health Perspectives, 120 (11), 1512-1519.

[79] Selin N. E. (2018). A proposed global metric to aid mercury pollution policy.

Science, 360 (6389), 607-609.

[80] Gholami M. D., Manzhos S., Sonar P., Ayoko G. A. , Izake E. L. (2019). Dual

chemosensor for the rapid detection of mercury(II) pollution and biothiols.

Analyst, 144 (16), 4908-4916.

[81] Shyamal M., Maity S., Maity A., Maity R., Roy S. et al. (2018). Aggregation

induced emission based “turn-off” fluorescent chemosensor for selective and

swift sensing of mercury(II) ions in water. Sensors and Actuators B: Chemical,

263, 347-359.

[82] Elmas Ş. N. K. , Yilmaz I. (2018). A turn off-on fluorescent chemosensor for

sequential determination of mercury and biothiols. Journal of fluorescence, 28

(6), 1451-1458.

125

[83] Momidi B. K., Tekuri V. , Trivedi D. R. (2016). Selective detection of mercury

ions using benzothiazole based colorimetric chemosensor. Inorganic

Chemistry Communications, 74, 1-5.

[84] Kim A., Kim S. , Kim C. (2020). A conjugated Schiff base-based chemosensor

for selectively detecting mercury ion. Journal of Chemical Sciences, 132 (1),

1-7.

[85] Gu L., Zheng T., Xu Z., Song Y., Li H. et al. (2019). A novel bifunctional

fluorescent and colorimetric probe for detection of mercury and fluoride ions.

Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 207,

88-95.

[86] Xu D., Tang L., Tian M., He P. , Yan X. (2017). A benzothizole-based

fluorescent probe for Hg2+ recognition utilizing ESIPT coupled AIE

characteristics. Tetrahedron Letters, 58 (37), 3654-3657.

[87] Ding S.-Y., Dong M., Wang Y.-W., Chen Y.-T., Wang H.-Z. et al. (2016).

Thioether-based fluorescent covalent organic framework for selective

detection and facile removal of mercury(II). Journal of the American

Chemical Society, 138 (9), 3031-3037.

[88] Feng W., Xia Q., Zhou H., Ni Y., Wang L. et al. (2017). A fluorescent probe

based upon anthrancene-dopamine thioether for imaging Hg2+ ions in living

cells. Talanta, 167, 681-687.

[89] Lee J. J., Kim Y. S., Nam E., Lee S. Y., Lim M. H. et al. (2016). A PET-based

fluorometric chemosensor for the determination of mercury(II) and pH, and

hydrolysis reaction-based colorimetric detection of hydrogen sulfide. Dalton

Transactions, 45 (13), 5700-5712.

[90] Tekuri V., Sahoo S. K. , Trivedi D. R. (2019). Hg2+ induced hydrolysis of

thiazole amine based Schiff base: Colorimetric and fluorogenic

chemodosimeter for Hg2+ ions in an aqueous medium. Spectrochimica Acta

Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 218, 19-26.

[91] Kim B.-E., Nevitt T. , Thiele D. J. (2008). Mechanisms for copper acquisition,

distribution and regulation. Nature chemical biology, 4 (3), 176-185.

126

[92] Lutsenko S. (2010). Human copper homeostasis: a network of interconnected

pathways. Current opinion in chemical biology, 14 (2), 211-217.

[93] Jung H. S., Kwon P. S., Lee J. W., Kim J. I., Hong C. S. et al. (2009).

Coumarin-derived Cu2+-selective fluorescence sensor: synthesis, mechanisms,

and applications in living cells. Journal of the American Chemical Society,

131 (5), 2008-2012.

[94] Linder M. C. , Hazegh-Azam M. (1996). Copper biochemistry and molecular

biology. The American journal of clinical nutrition, 63 (5), 797S-811S.

[95] Zhou Y., Wang F., Kim Y., Kim S.-J. , Yoon J. (2009). Cu2+-selective

ratiometric and “off-on” sensor based on the rhodamine derivative bearing

pyrene group. Organic letters, 11 (19), 4442-4445.

[96] Barnham K. J., Masters C. L. , Bush A. I. (2004). Neurodegenerative diseases

and oxidative stress. Nature reviews Drug discovery, 3 (3), 205-214.

[97] Waggoner D. J., Bartnikas T. B. , Gitlin J. D. (1999). The role of copper in

neurodegenerative disease. Neurobiology of disease, 6 (4), 221-230.

[98] Vulpe C., Levinson B., Whitney S., Packman S. , Gitschier J. (1993). Isolation

of a candidate gene for Menkes disease and evidence that it encodes a copper–

transporting ATPase. Nature genetics, 3 (1), 7-13.

[99] Federal R. (1991). Maximum contaminant level goals and national primary

drinking water regulations for lead and copper. US EPA, 56, 26460.

[100] Tachapermpon Y., Chaneam S., Charoenpanich A., Sirirak J. , Wanichacheva

N. (2017). Highly Cu2+ sensitive and selective colorimetric and fluorescent

probes: Utilizations in batch, flow analysis and living cell imaging. Sensors


[101] Qiu S., Wei Y., Tu T., Xiang J., Zhang D. et al. (2020). Triazole-stabilized

fluorescence sensor for highly selective detection of copper in tea and animal

feed. Food chemistry, 317, 126434.

[102] Saleem M., Rafiq M., Hanif M., Shaheen M. A. , Seo S.-Y. (2018). A brief

review on fluorescent copper sensor based on conjugated organic dyes.

Journal of fluorescence, 28 (1), 97-165.

127

[103] Franco R., Schoneveld O., Pappa A. , Panayiotidis M. (2007). The central role

of glutathione in the pathophysiology of human diseases. Archives of

physiology and biochemistry, 113 (4-5), 234-258.

[104] Shoveller A. K., Stoll B., Ball R. O. , Burrin D. G. (2005). Nutritional and

functional importance of intestinal sulfur amino acid metabolism. The Journal

of nutrition, 135 (7), 1609-1612.

[105] Ghanizadeh A., Akhondzadeh S., Hormozi M., Makarem A., Abotorabi-

Zarchi M. et al. (2012). Glutathione-related factors and oxidative stress in

autism, a review. Current Medicinal Chemistry, 19 (23), 4000-4005.

[106] Özyürek M., Baki S., Güngör N., Çelik S. E., Güçlü K. et al. (2012).

Determination of biothiols by a novel on-line HPLC-DTNB assay with post-

column detection. Analytica Chimica Acta, 750, 173-181.

[107] Dai J., Ma C., Zhang P., Fu Y. , Shen B. (2020). Recent progress in the

development of fluorescent probes for detection of biothiols. Dyes and

Pigments, 108321.

[108] He G., Li J., Yang L., Hou C., Ni T. et al. (2016). The Synthesis of a coumarin

carbohydrazide dinuclear copper complex based fluorescence probe and its

detection of thiols. PLoS One, 11 (2), e0148026.

[109] Chen J., Jiang X., Carroll S. L., Huang J. , Wang J. (2015). Theoretical and

experimental investigation of thermodynamics and kinetics of thiol-michael

addition reactions: a case study of reversible fluorescent probes for glutathione

imaging in single cells. Organic letters, 17 (24), 5978-5981.

[110] Yang C., Wang X., Shen L., Deng W., Liu H. et al. (2016). An aldehyde group-

based P-acid probe for selective fluorescence turn-on sensing of cysteine and

homocysteine. Biosensors and Bioelectronics, 80, 17-23.

[111] Li B., Zhou Q., Sun C., Cao B., Li Y. et al. (2020). Revised excited-state

intramolecular proton transfer of the 3-Aminophthalimide molecule: A

TDDFT study. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular

Spectroscopy, 118386.

128

[112] Xue Y., Liu Y., Wang G., An L., Teng Y. et al. (2020). TDDFT study on the

photophysical properties of coumarinyl chalcones and sensing mechanism of

a derived fluorescent probe for hydrogen sulfide. Spectrochimica Acta Part A:

Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 118263.

[113] Ramakrishnan R., Dral P. O., Rupp M. , Von Lilienfeld O. A. (2014). Quantum

chemistry structures and properties of 134 kilo molecules. Scientific data, 1

(1), 1-7.

[114] Curtiss L. A., Redfern P. C. , Raghavachari K. (2007). Gaussian-4 theory using

reduced order perturbation theory. The Journal of Chemical Physics, 127 (12),

124105.

[115] Yu M., Zuo C.-S. , Zhang N. (2020). An experimental and computational study

on naphthylideneimine based pH sensitive fluorescence probe for zinc.

Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 224,

117389.

[116] Batistela V. R., da Costa Cedran J., De Oliveira H. P. M., Scarminio I. S.,

Ueno L. T. et al. (2010). Protolytic fluorescein species evaluated using

chemometry and DFT studies. Dyes and Pigments, 86 (1), 15-24.

[117] Yang D., Wu X.-T., Cao X.-J. , Zhao B.-X. (2019). A reversible ratiometric

fluorescence probe for fast detection of trace water in different organic

solvents. Dyes and Pigments, 170, 107558.

[118] Heo J., Lim C. K., Whang D. R., Shin J., Jeong S. Y. et al. (2012). Self‐

Deprotonation and Colorization of 1, 3‐Bis (dicyanomethylidene) indan in

Polar Media: A Facile Route to a Minimal Polymethine Dye for NIR

Fluorescence Imaging. Chemistry–A European Journal, 18 (28), 8699-8704.

[119] Rad A. S., Zardoost M. R. , Abedini E. (2015). First-principles study of

terpyrrole as a potential hydrogen cyanide sensor: DFT calculations. Journal

of molecular modeling, 21 (10), 273.

[120] Ma Y., Feng L., Liu J., Yang Y. , Chu T. (2020). DFT/TDDFT investigation

on the D–π–A type molecule probes 4-(5-R-thiophen-2-yl)-2-isobutyl-2H-[1,

2, 3] triazolo [4, 5-e][1, 2, 4] triazolo [1, 5-a] pyrimidines: fluorescence

129

sensing mechanism and roles of weak interactions. Theoretical Chemistry

Accounts, 139 (1), 11.

[121] Li G. Y. , Han K. L. (2018). The sensing mechanism studies of the fluorescent

probes with electronically excited state calculations. Wiley Interdisciplinary

Reviews: Computational Molecular Science, 8 (2), e1351.

[122] Xue Y., Dou Y., An L., Zheng Y., Zhang L. et al. (2016). Electronic structure

and spectral properties of aurones as visible range fluorescent probes: a

DFT/TDDFT study. RSC Advances, 6 (9), 7002-7010.

[123] Jacquemin D., Perpète E. A., Scalmani G., Frisch M. J., Ciofini I. et al. (2007).

Fluorescence of 1, 8-naphthalimide: a PCM-TD-DFT investigation. Chemical

Physics Letters, 448 (1-3), 3-6.

[124] Guo Y.-R., Li X.-R., Zhang M.-J., Pan Q.-J. , Sun Z.-M. (2013). Theoretical

studies on the structural and spectroscopic properties of an iminocoumarin-

based probe and its metal complexation: an implication for a fluorescence

probe. Dalton Transactions, 42 (36), 13004-13013.

[125] Li Y., Chen J. , Chu T.-S. (2016). Sensing mechanism for a fluorescent off–

on chemosensor for cyanide anion. Journal of Luminescence, 179, 203-210.

[126] Naskar B., Modak R., Sikdar Y., Maiti D. K., Bauzá A. et al. (2017).

Fluorescent sensing of Al3+ by benzophenone based Schiff base chemosensor

and live cell imaging applications: Impact of keto-enol tautomerism. Sensors


[127] Jiménez-Sánchez A., Ortíz B., Navarrete V. O., Farfán N. , Santillan R. (2015).

Two fluorescent Schiff base sensors for Zn2+: the Zn2+/Cu2+ ion interference.

Analyst, 140 (17), 6031-6039.

[128] Henthorn H. A. , Pluth M. D. (2015). Mechanistic insights into the H2S-

mediated reduction of aryl azides commonly used in H2S detection. Journal of

the American Chemical Society, 137 (48), 15330-15336.

[129] Pradhan R., Harshan A. K., Krishnavilasam Chandrika G. S., Srinivasan A. ,

Lourderaj U. (2016). Time-dependent density functional theoretical

investigation of photoinduced excited-state intramolecular dual proton transfer

130

in diformyl dipyrromethanes. The Journal of Physical Chemistry A, 120 (50),

9894-9906.

[130] Li Y. , Chu T.-S. (2017). DFT/TDDFT study on the sensing mechanism of a

fluorescent probe for hydrogen sulfide: Excited state intramolecular proton

transfer coupled twisted intramolecular charge transfer. The Journal of

Physical Chemistry A, 121 (28), 5245-5256.

[131] Jensen F. (2017). Introduction to computational chemistry, John wiley & sons.

[132] Ramachandran K., Deepa G. , Namboori K. (2008). Computational chemistry

and molecular modeling: principles and applications, Springer Science &

Business Media.

[133] Stewart J. J. (1989). Optimization of parameters for semiempirical methods II.

Applications. Journal of computational chemistry, 10 (2), 221-264.

[134] Marx D. , Hutter J. (2009). Ab initio molecular dynamics: basic theory and

advanced methods, Cambridge University Press.

[135] Labanowski J. K. , Andzelm J. W. (2012). Density functional methods in

chemistry, Springer Science & Business Media.

[136] Van Lenthe E. , Baerends E. J. (2003). Optimized Slater‐type basis sets for the

elements 1–118. Journal of computational chemistry, 24 (9), 1142-1156.

[137] Wilson A. K., van Mourik T. , Dunning Jr T. H. (1996). Gaussian basis sets

for use in correlated molecular calculations. VI. Sextuple zeta correlation

consistent basis sets for boron through neon. Journal of Molecular Structure:

THEOCHEM, 388, 339-349.

[138] Hay P. J. , Wadt W. R. (1985). Ab initio effective core potentials for molecular

calculations. Potentials for the transition metal atoms Sc to Hg. The Journal of

Chemical Physics, 82 (1), 270-283.

[139] Andrae D., Haeussermann U., Dolg M., Stoll H. , Preuss H. (1990). Energy-

adjustedab initio pseudopotentials for the second and third row transition

elements. Theoretica chimica acta, 77 (2), 123-141.

[140] Parr R. G. (1980). "Density functional theory of atoms and molecules",

Horizons of quantum chemistry, Springer, 5-15.

131

[141] Marques M. A., Maitra N. T., Nogueira F. M., Gross E. K. , Rubio A. (2012).

Fundamentals of time-dependent density functional theory, Vol. 837, Springer

Science & Business Media.

[142] Bader R. F. , Matta C. F. (2004). Atomic charges are measurable quantum

expectation values: a rebuttal of criticisms of QTAIM charges. The Journal of

Physical Chemistry A, 108 (40), 8385-8394.

[143] Mennucci B. (2012). Polarizable continuum model. Wiley Interdisciplinary

Reviews: Computational Molecular Science, 2 (3), 386-404.

[144] Mennucci B., Tomasi J., Cammi R., Cheeseman J., Frisch M. et al. (2002).

Polarizable continuum model (PCM) calculations of solvent effects on optical

rotations of chiral molecules. The Journal of Physical Chemistry A, 106 (25),

6102-6113.

[145] Marenich A. V., Cramer C. J. , Truhlar D. G. (2009). Universal solvation

model based on solute electron density and on a continuum model of the

solvent defined by the bulk dielectric constant and atomic surface tensions.

The Journal of Physical Chemistry B, 113 (18), 6378-6396.

[146] Malevanets A. , Kapral R. (2000). Solute molecular dynamics in a mesoscale

solvent. The Journal of Chemical Physics, 112 (16), 7260-7269.

[147] Olsen S. T., Elm J., Storm F. E., Gejl A. N., Hansen A. S. et al. (2015).

Computational methodology study of the optical and thermochemical

properties of a molecular photoswitch. The Journal of Physical Chemistry A,

119 (5), 896-904.

[148] Laurent A. D. , Jacquemin D. (2013). TD‐DFT benchmarks: a review.

International Journal of Quantum Chemistry, 113 (17), 2019-2039.

[149] Mandal S., Hebenbrock M. , Müller J. (2016). A dinuclear mercury(II)‐

mediated base pair in DNA. Angewandte Chemie International Edition, 55

(50), 15520-15523.

[150] Bremond E., Savarese M., Adamo C. , Jacquemin D. (2018). Accuracy of TD-

DFT Geometries: A Fresh Look. Journal of chemical theory and computation,

14 (7), 3715-3727.

132

[151] Liu Z., Lu T. , Chen Q. (2020). An sp-hybridized all-carboatomic ring, cyclo

[18] carbon: Electronic structure, electronic spectrum, and optical

nonlinearity. Carbon.

[152] Mickel B. , Andrews A. (1955). Stability of the histamine chelates1. Journal

of the American Chemical Society, 77 (20), 5291-5292.

[153] Schubert J., Sharma V., White E. , Bergelson L. S. (1968). Catalytic

decomposition of hydrogen peroxide by copper chelates and mixed ligand

complexes of histamine in the presence of phosphate buffer in the neutral pH

region. Journal of the American Chemical Society, 90 (16), 4476-4478.

[154] Pliego Jr J. R. (2003). Reply to comment on:‘Thermodynamic cycles and the

calculation of pKa’[Chem. Phys. Lett. 367 (2003) 145]. Chemical Physics

Letters, 381 (1-2), 246-247.

[155] Bryantsev V. S., Diallo M. S. , Goddard Iii W. A. (2008). Calculation of

solvation free energies of charged solutes using mixed cluster/continuum

models. The Journal of Physical Chemistry B, 112 (32), 9709-9719.

[156] Qu Z. W., Zhu H. , Grimme S. (2019). Acylation reactions of dibenzo‐7‐

phosphanorbornadiene: DFT mechanistic insights. ChemistryOpen, 8 (6), 807-

810.

[157] Berthon G. (1995). Critical evaluation of the stability constants of metal

complexes of amino acids with polar side chains (Technical Report). Pure and

applied chemistry, 67 (7), 1117-1240.

[158] Tavallali H., Deilamy-Rad G., Karimi M. A. , Rahimy E. (2019). A novel dye-

based colorimetric chemosensors for sequential detection of Cu2+ and cysteine

in aqueous solution. Analytical biochemistry, 583, 113376.

[159] More K. N., Lim T.-H., Kang J., Yun H., Yee S.-T. et al. (2019). Asymmetric

and reduced xanthene fluorophores: synthesis, photochemical properties, and

application to activatable fluorescent probes for detection of nitroreductase.

Molecules, 24 (17), 3206.

[160] Cohen M. , Fischer E. (1962). 588. Isosbestic points. Journal of the Chemical

Society (Resumed), 3044-3052.

133

[161] Mohammadi A. , Ghasemi Z. (2020). A simple pyrimidine based colorimetric

and fluorescent chemosensor for sequential detection of copper(II) and

cyanide ions and its application in real samples. Spectrochimica Acta Part A:

Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 228, 117730.

[162] Kumar A., Chae P. S. , Kumar S. (2020). A dual-responsive anthrapyridone-

triazole-based probe for selective detection of Ni2+ and Cu2+: A mimetic

system for molecular logic gates based on color change. Dyes and Pigments,

174, 108092.

[163] Xie H.-F., Yu C.-J., Huang Y.-L., Xu H., Zhang Q.-L. et al. (2020). A turn-off

fluorescent probe for the detection of Cu2+ based on a tetraphenylethylene-

functionalized salicylaldehyde Schiff-base. Materials Chemistry Frontiers, 4

(5), 1500-1506.

[164] Dong W., Wang R., Gong X., Liang W., Fan L. et al. (2020). A ratiometric

and far-red fluorescence “off-on” sensor for sequential determination of

copper(II) and L-histidine based on FRET system between N-acetyl-L-

cysteine-capped AuNCs and N, S, P co-doped carbon dots. Microchimica

Acta, 187, 1-12.

[165] Wu J.-S., Wang F., Liu W.-M., Wang P.-F., Wu S.-K. et al. (2007). Light-on

fluorescent chemosensor for fluoride in aqueous solution based on ternary

complex of Zr-EDTA and 4′-N, N-dimethylamino-6-methyl-3-

hydroxylflavone. Sensors and Actuators B: Chemical, 125 (2), 447-452.

[166] Lee Y. H., Lee M. H., Zhang J. F. , Kim J. S. (2010). Pyrene excimer-based

calix[4]arene FRET chemosensor for mercury(II). The Journal of organic

chemistry, 75 (21), 7159-7165.

[167] Yin J., Kwon Y., Kim D., Lee D., Kim G. et al. (2014). Cyanine-based

fluorescent probe for highly selective detection of glutathione in cell cultures

and live mouse tissues. Journal of the American Chemical Society, 136 (14),

5351-5358.

[168] Guo Y., Yang L., Li W., Wang X., Shang Y. et al. (2016). Carbon dots doped

with nitrogen and sulfur and loaded with copper(II) as a “turn-on” fluorescent

134

probe for cystein, glutathione and homocysteine. Microchimica Acta, 183 (4),

1409-1416.

[169] Xiong K., Huo F., Chao J., Zhang Y. , Yin C. (2018). Colorimetric and NIR

fluorescence probe with multiple binding sites for distinguishing detection of

Cys/Hcy and GSH in vivo. Analytical chemistry, 91 (2), 1472-1478.

[170] Fu X., Cate S. A., Dominguez M., Osborn W., Özpolat T. et al. (2019).

Cysteine disulfides (Cys-ss-X) as sensitive plasma biomarkers of oxidative

stress. Scientific reports, 9 (1), 1-9.

[171] Hallman P., Perrin D. , Watt A. E. (1971). The computed distribution of

copper(II) and zinc(II) ions among seventeen amino acids present in human

blood plasma. Biochemical Journal, 121 (3), 549-555.

[172] Ueland P. M., Refsum H., Stabler S. P., Malinow M. R., Andersson A. et al.

(1993). Total homocysteine in plasma or serum: methods and clinical

applications. Clinical chemistry, 39 (9), 1764-1779.

[173] Jia H., Yang M., Meng Q., He G., Wang Y. et al. (2016). Synthesis and

application of an aldazine-based fluorescence chemosensor for the sequential

detection of Cu2+ and biological thiols in aqueous solution and living cells.

Sensors, 16 (1), 79.

[174] Yang M., Ma L., Li J. , Kang L. (2019). Fluorescent probe for Cu2+ and the

secondary application of the resultant complex to detect cysteine. RSC

Advances, 9 (29), 16812-16818.

[175] Yang Y., Wang H., Wei Y.-L., Zhou J., Zhang J.-F. et al. (2017). A selective

coumarin-based “turn-on” fluorescent sensor for the detection of cysteine and

its applications for bioimaging. Chinese Chemical Letters, 28 (10), 2023-2026.

[176] Dan W., Deng X. , Yu Y. (2019). A novel turn-on fluorescent probe for Hg2+

detection based on rhodamine B spirolactam derivative. International Journal

of Environmental Analytical Chemistry, 99 (15), 1515-1527.

[177] Beija M., Afonso C. A. , Martinho J. M. (2009). Synthesis and applications of

Rhodamine derivatives as fluorescent probes. Chemical Society Reviews, 38

(8), 2410-2433.

135

[178] Devarajan D., Lian P., Brooks S. C., Parks J. M. , Smith J. C. (2018). Quantum

chemical approach for calculating stability constants of mercury complexes.

ACS Earth and Space Chemistry, 2 (11), 1168-1178.

[179] Forbes M. W. , Jockusch R. A. (2011). Gas-phase fluorescence excitation and

emission spectroscopy of three xanthene dyes (rhodamine 575, rhodamine 590

and rhodamine 6G) in a quadrupole ion trap mass spectrometer. Journal of the

American Society for Mass Spectrometry, 22 (1), 93-109.

[180] Li K., Xiang Y., Wang X., Li J., Hu R. et al. (2014). Reversible photochromic

system based on rhodamine B salicylaldehyde hydrazone metal complex.

Journal of the American Chemical Society, 136 (4), 1643-1649.

[181] Knauer K. H. , Gleiter R. (1977). Photochromie von rhodaminderivaten.

Angewandte Chemie, 89 (2), 116-117.

[182] Willwohl H., Wolfrum J. , Gleiter R. (1989). Kinetics and mechanism of the

photochromism of N-phenyl-rhodaminelactame. Laser chemistry, 10 (2), 63-

72.

136

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Tọa độ xyz của BDC và BDC-S11 (trạng thái kích thích S1)

BDC BDC-S1 Atom x y z Atom x Y z

O -2.65982 2.192202 -0.15152 O -2.62975 2.156501 -0.15364

O -1.10673 3.766965 -0.24841 O -1.04806 3.705216 -0.25638

N -6.25037 -0.91934 0.056701 N -6.30952 -0.84768 0.059143

C -4.9069 -0.66155 0.041534 C -4.95115 -0.64195 0.041415

C -6.77732 -2.25584 0.27522 C -6.88345 -2.15984 0.288671

C -7.23151 0.13217 -0.1531 C -7.24896 0.236881 -0.15722

C -4.4174 0.658345 -0.04964 C -4.41103 0.662152 -0.05075

C -2.10286 -0.13855 0.006667 C -2.11498 -0.21037 0.004552

C -3.05445 0.895405 -0.06802 C -3.04619 0.86249 -0.07012

C -3.95128 -1.71633 0.113844 C -4.03453 -1.72706 0.111717

C -2.60065 -1.45249 0.09834 C -2.67466 -1.51084 0.094998

C -6.92682 -3.07292 -1.0045 C -7.06716 -2.98111 -0.98543

C -7.63565 0.858779 1.126267 C -7.63055 0.982794 1.119304

C -0.73013 0.214105 -0.01601 C -0.74773 0.087754 -0.01513

C -0.3343 1.520938 -0.10276 C -0.32851 1.438557 -0.10643

C -1.33652 2.581148 -0.17296 C -1.2841 2.51487 -0.17755

C 1.050832 1.954295 -0.13233 C 1.035173 1.799106 -0.13065

H -6.14825 -2.78099 1.002007 H -6.26863 -2.70351 1.0146

H -7.75517 -2.1436 0.758545 H -7.85574 -2.01111 0.774569

H -6.85 0.838752 -0.89843 H -6.83819 0.92839 -0.90123

H -8.11354 -0.33283 -0.60931 H -8.14774 -0.19502 -0.61458

H -5.0748 1.518282 -0.0849 H -5.03968 1.543943 -0.08629

H -4.2774 -2.7485 0.161035 H -4.39561 -2.74822 0.158531

H -1.89375 -2.27758 0.148793 H -1.99834 -2.36132 0.143907

H -7.59807 -2.57286 -1.7117 H -7.72671 -2.46485 -1.6921

H -5.96238 -3.21331 -1.50333 H -6.1097 -3.15324 -1.48758

H -7.34618 -4.06086 -0.78158 H -7.51564 -3.95434 -0.75299

H -8.07064 0.161735 1.851391 H -8.09406 0.304862 1.845076

H -6.7755 1.341549 1.601098 H -6.75301 1.432976 1.594054

H -8.38349 1.629656 0.907663 H -8.34779 1.781153 0.895248

H 0.027731 -0.56526 0.036798 H -0.00067 -0.69843 0.039772

H 1.223089 3.032759 -0.2076 H 1.256675 2.869928 -0.20306

S 4.082239 -0.98838 0.080812 S 4.143375 -1.04135 0.082647

N 5.561285 1.173726 -0.08145 N 5.564334 1.190371 -0.08667

N 3.268833 1.586718 -0.10821 N 3.248663 1.469887 -0.10985

N 2.016995 1.108284 -0.07341 N 1.999774 0.907986 -0.07021

C 5.824217 -1.16822 0.091239 C 5.881858 -1.1429 0.092615

C 6.430726 0.104661 -0.00375 C 6.44645 0.171105 -0.00763

C 6.578152 -2.33466 0.175655 C 6.685321 -2.27207 0.179973

C 7.826164 0.196345 -0.013 C 7.852126 0.314495 -0.01753

137

C 4.338324 0.747399 -0.04815 C 4.329097 0.708571 -0.05092

C 7.966165 -2.22241 0.164896 C 8.067296 -2.09948 0.167907

C 8.581034 -0.96708 0.071355 C 8.640958 -0.81394 0.069655

H 6.100941 -3.30827 0.24818 H 6.252413 -3.2654 0.255753

H 8.294647 1.173598 -0.08612 H 8.279078 1.309717 -0.09361

H 8.575371 -3.11992 0.229898 H 8.713427 -2.97018 0.235254

H 9.666009 -0.90219 0.064616 H 9.722927 -0.71576 0.06302

H 3.461764 2.583593 -0.18087 H 3.381008 2.478919 -0.18608

Phục lục 2. Tọa độ xyz của của các phức ở Hình 3.8

[CuL']2+ [CuL]2+

O 2.051431 0.77092 0.145936 O 1.897016 0.663891 0.100907

O -0.08129 1.145343 0.197625 O -0.24867 0.916734 0.192057

N 6.778904 0.475515 0.099369 N 6.636212 0.66313 0.001126

C 5.582796 -0.11629 0.00848 C 5.482004 -0.00103 -0.04187

C 8.042305 -0.2457 -0.11545 C 7.939494 0.007726 -0.18699

C 6.933055 1.901571 0.418629 C 6.703244 2.11082 0.241302

C 4.375974 0.641832 0.13335 C 4.22729 0.683417 0.051666

C 3.046174 -1.39331 -0.191 C 3.02381 -1.4555 -0.12101

C 3.171636 0.004149 0.030783 C 3.071407 -0.03631 0.011433

C 5.471144 -1.53775 -0.21623 C 5.453382 -1.44003 -0.18303

C 4.254561 -2.14181 -0.30743 C 4.281892 -2.12702 -0.21855

C 8.585208 -0.86349 1.168197 C 8.52613 -0.5202 1.115774

C 6.909644 2.782001 -0.82638 C 6.621035 2.925558 -1.04346

C 1.767723 -1.93222 -0.28231 C 1.791474 -2.07139 -0.15048

C 0.618672 -1.13871 -0.17439 C 0.590559 -1.33067 -0.05769

C 0.79666 0.294976 0.058907 C 0.696056 0.092036 0.080835

C -0.6553 -1.76927 -0.27393 C -0.66348 -2.00417 -0.11331

H 7.903651 -0.99192 -0.90064 H 7.84298 -0.77928 -0.93882

H 8.748153 0.490039 -0.51169 H 8.600182 0.762486 -0.62329

H 6.165456 2.193438 1.139092 H 5.92274 2.392742 0.952691

H 7.892728 1.997813 0.934721 H 7.655314 2.294956 0.747805

H 4.380189 1.714244 0.282197 H 4.164709 1.761434 0.128042

H 6.362766 -2.14697 -0.29161 H 6.382011 -1.99354 -0.23821

H 4.194544 -3.21489 -0.46731 H 4.291883 -3.20945 -0.31391

H 8.754206 -0.1044 1.938321 H 8.654573 0.281782 1.849658

H 7.906364 -1.61927 1.575402 H 7.894048 -1.29332 1.564268

H 9.545341 -1.3439 0.956647 H 9.511321 -0.9553 0.921456

H 7.706671 2.509034 -1.52478 H 7.429587 2.664351 -1.73338

H 5.953658 2.714255 -1.35494 H 5.669463 2.774049 -1.56329

H 7.06617 3.82424 -0.53211 H 6.715714 3.989853 -0.80683

H 1.655806 -3.00203 -0.4488 H 1.737249 -3.15343 -0.25465

H -0.65372 -2.85759 -0.38638 H -0.64867 -3.09639 -0.15618

S -4.11267 0.626207 -0.60702 S -5.72023 -1.72087 -0.12757

N -5.24369 -1.63184 0.114023 N -3.89884 0.110896 0.086207

138

N -2.93968 -1.79554 -0.26198 N -3.00233 -2.02514 -0.10322

N -1.79153 -1.12477 -0.2318 N -1.80731 -1.38319 -0.13778

C -5.79861 0.665494 -0.08354 C -6.22507 -0.04146 -0.02747

C -6.21563 -0.66803 0.187742 C -5.10611 0.805091 0.065711

C -6.66786 1.738082 -0.03501 C -7.5228 0.459242 -0.01611

C -7.55487 -0.91204 0.532447 C -5.27264 2.186345 0.170139

C -4.11463 -1.1034 -0.22325 C -4.08581 -1.19596 -0.02245

C -7.99468 1.466042 0.318554 C -7.67591 1.838303 0.074663

C -8.42936 0.160095 0.595236 C -6.56518 2.690131 0.166464

H -6.34965 2.751917 -0.25663 H -8.386 -0.19613 -0.07934

H -7.87424 -1.9282 0.742164 H -4.41553 2.849513 0.254953

H -8.70117 2.288925 0.375855 H -8.67625 2.260344 0.078805

H -9.46809 -0.00897 0.861721 H -6.71992 3.761991 0.242468

H -2.98077 -2.80937 -0.14662 H -3.05549 -2.99188 0.20501

Cu -2.0187 0.956456 0.089703 Cu -2.05075 0.543265 0.060771

[CuL(H2O)]2+ [CuL(H2O)2]2+

O 2.030192 0.615834 0.085491 O 2.122895 0.578739 0.097015

O -0.12371 0.86314 0.172416 O -0.032 0.828782 0.141447

N 6.773007 0.592856 -0.06374 N 6.86952 0.557181 0.059735

C 5.613104 -0.06553 -0.09053 C 5.708464 -0.10042 -0.00902

C 8.068986 -0.07244 -0.261 C 8.168376 -0.10487 -0.12152

C 6.849508 2.040195 0.167049 C 6.939549 1.998298 0.322823

C 4.363342 0.623328 0.014407 C 4.45806 0.586014 0.082506

C 3.147198 -1.50991 -0.13517 C 3.243937 -1.5398 -0.14775

C 3.202201 -0.09094 -0.00968 C 3.29577 -0.12665 0.013298

C 5.575853 -1.50384 -0.22197 C 5.67347 -1.53397 -0.17438

C 4.400594 -2.18619 -0.23991 C 4.49738 -2.21442 -0.23787

C 8.665481 -0.60304 1.035766 C 8.734596 -0.66526 1.176239

C 6.754012 2.850785 -1.11906 C 6.867515 2.836672 -0.94703

C 1.911711 -2.1211 -0.14709 C 2.005297 -2.14859 -0.20145

C 0.718476 -1.37264 -0.04606 C 0.812641 -1.40567 -0.11039

C 0.826829 0.042821 0.070307 C 0.91486 0.009583 0.041431

C -0.54543 -2.03023 -0.05705 C -0.44998 -2.07294 -0.15263

H 7.960228 -0.86049 -1.01046 H 8.07724 -0.87616 -0.89065

H 8.732162 0.675055 -0.70625 H 8.843193 0.650693 -0.53477

H 6.079469 2.329511 0.887387 H 6.155043 2.271905 1.033883

H 7.808115 2.22443 0.661277 H 7.887743 2.174202 0.839824

H 4.307561 1.701881 0.087624 H 4.40063 1.662392 0.181724

H 6.501118 -2.06208 -0.28484 H 6.599244 -2.09243 -0.22748

H 4.405327 -3.26926 -0.32899 H 4.504008 -3.29511 -0.35262

H 8.80958 0.199801 1.765986 H 8.860322 0.121067 1.927623

H 8.030348 -1.36803 1.493971 H 8.088474 -1.43984 1.601761

H 9.644169 -1.04921 0.833351 H 9.71802 -1.1073 0.987976

H 7.553372 2.583388 -1.81743 H 7.681587 2.585765 -1.6345

139

H 5.796363 2.69866 -1.62765 H 5.920916 2.691328 -1.47781

H 6.854508 3.916348 -0.89008 H 6.959478 3.897738 -0.69449

H 1.851803 -3.20413 -0.23843 H 1.94797 -3.22946 -0.31822

H -0.5397 -3.12059 -0.13348 H -0.43223 -3.16248 -0.24267

S -5.58557 -1.94345 -0.08472 S -5.4889 -2.05404 0.000638

N -3.85041 -0.01403 -0.00828 N -3.78108 -0.10002 0.057448

N -2.86446 -2.10486 0.01487 N -2.76225 -2.16236 -0.11788

N -1.6871 -1.41401 0.019966 N -1.5922 -1.46419 -0.08552

C -6.17152 -0.28613 -0.09705 C -6.09859 -0.4075 0.101255

C -5.09723 0.618359 -0.06311 C -5.03508 0.510734 0.109585

C -7.49329 0.141597 -0.16243 C -7.4256 0.005082 0.1559

C -5.34243 1.989959 -0.12782 C -5.29618 1.880755 0.155509

C -3.97869 -1.32846 -0.03581 C -3.88767 -1.41201 -0.01425

C -7.72518 1.512157 -0.1976 C -7.67341 1.372775 0.211959

C -6.66172 2.422554 -0.1895 C -6.62175 2.29701 0.207869

H -8.31701 -0.56522 -0.1899 H -8.2425 -0.71016 0.15139

H -4.52402 2.701618 -0.1742 H -4.48331 2.601546 0.137693

H -8.74647 1.87704 -0.24686 H -8.69955 1.724802 0.25428

H -6.87007 3.486712 -0.24596 H -6.84525 3.359138 0.242552

H -2.87889 -3.08671 -0.23913 H -2.76675 -3.17509 -0.07078

Cu -1.99315 0.504947 0.187909 Cu -1.92115 0.481691 0.06305

O -2.19047 2.42564 0.712662 O -2.13712 2.215538 1.186159

H -1.3304 2.859128 0.846983 H -1.28227 2.594909 1.446463

H -2.77359 2.699424 1.43881 H -2.70526 2.234653 1.971884

O -2.02186 1.519221 -1.89536

H -2.83728 1.669793 -2.39567

H -1.39698 2.202056 -2.17927

Phục lục 3. Tọa độ xyz của [Cu(Histamine)]2+ và [Cu(Histamine)(H2O)2]2+

Histamine [Cu(histamin)(H2O)2]2+

C 2.202184 -0.91019 -0.03018 C 1.381855 -1.70782 0.123361

C 1.356445 1.119342 -0.09919 C 3.02725 -0.24076 0.149852

C 0.391538 0.20574 0.24997 C 1.84275 0.439672 0.092373

N 0.938028 -1.05748 0.285947 N 0.819946 -0.49717 0.071106

H 3.414412 0.755167 -0.52859 H 3.371329 -2.33947 0.219171

H 1.327504 2.191633 -0.23026 H 4.049174 0.109552 0.18414

N 2.50945 0.390535 -0.27328 N 2.707425 -1.57369 0.173177

C -1.05174 0.437312 0.554189 C 1.608894 1.915357 0.113855

H -1.28529 0.085498 1.566902 H 1.54859 2.271989 1.153135

H -1.25731 1.516588 0.536163 H 2.4779 2.42093 -0.31976

C -1.98159 -0.28165 -0.42124 C 0.373752 2.358567 -0.64925

H -1.74898 0.047921 -1.4494 H 0.323493 3.452788 -0.66993

H -1.76829 -1.35488 -0.37447 H 0.38885 2.003128 -1.68408

N -3.37302 -0.07658 -0.03548 N -0.86636 1.838897 -0.00345

H -3.64821 0.891077 -0.18347 H -0.91498 2.197684 0.954565

140

H -3.99178 -0.64829 -0.60273 H -1.68333 2.23511 -0.47521

H 2.935697 -1.70341 -0.09575 H 0.863154 -2.65519 0.134739

Cu -1.06845 -0.13463 0.015548

O -1.5545 -1.98841 -0.65871

H -1.31097 -2.34108 -1.53061

H -2.34572 -2.46731 -0.36097

O -3.02958 -0.02685 0.62078

H -3.33019 0.138015 1.530594

H -3.81375 0.033722 0.049776

Phục lục 4. Tọa độ xyz của [CuL]2+-S1 (trạng thái kích thích S1)

[CuL]2+-S1

O 1.970111 0.695509 0.046027

O -0.22676 0.93737 0.066547

N 6.737483 0.627724 0.021864

C 5.554329 -0.03244 -0.02066

C 8.035376 -0.05401 -0.14572

C 6.823314 2.084256 0.237519

C 4.322261 0.679386 0.042258

C 3.0854 -1.43366 -0.11097

C 3.141214 -0.02789 -0.00635

C 5.513 -1.46769 -0.12863

C 4.317839 -2.13679 -0.16852

C 8.601169 -0.55582 1.186421

C 6.764309 2.867753 -1.07752

C 1.808344 -2.04797 -0.15157

C 0.637428 -1.32508 -0.09611

C 0.712747 0.134301 0.007991

C -0.63378 -2.03643 -0.14407

H 7.92945 -0.86485 -0.86945

H 8.714244 0.679821 -0.58974

H 6.036086 2.395458 0.927729

H 7.776734 2.267215 0.741504

H 4.273192 1.756978 0.103465

H 6.431741 -2.03608 -0.15679

H 4.308018 -3.21869 -0.24069

H 8.738761 0.264449 1.896664

H 7.95093 -1.30497 1.647345

H 9.579182 -1.01194 1.008928

H 7.575233 2.578232 -1.75187

H 5.81385 2.716975 -1.59758

H 6.873414 3.934404 -0.86237

H 1.757951 -3.13088 -0.22989

H -0.59066 -3.12438 -0.22475

S -5.69831 -1.84433 -0.11222

141

N -3.96131 0.144269 0.023417

N -2.94071 -1.98219 -0.13124

N -1.74316 -1.37845 -0.09144

C -6.30737 -0.13828 0.010902

C -5.22184 0.754808 0.070998

C -7.62533 0.294749 0.046212

C -5.4561 2.128217 0.169819

C -4.05119 -1.16448 -0.06929

C -7.84493 1.668752 0.144932

C -6.77183 2.573624 0.205938

H -8.45537 -0.39924 -0.00042

H -4.62648 2.824767 0.216874

H -8.86222 2.040794 0.174865

H -6.97457 3.635182 0.282377

H -3.04768 -2.98811 -0.20287

Cu -2.17407 0.791715 0.063511

Phục lục 5. Tọa độ xyz của các chất trong các phản ứng tổng hợp BDC (Hình 3.19)

(I) (II) Atom x y x Atom x y z

142

C 0.276854 0.90453 0.22347 C 0 1.295271 -0.37563

C 1.645783 0.697979 0.189079 O 0 2.314309 0.490979

C 2.187156 -0.58091 -0.11927 C 0 3.641899 -0.0726

C 1.276976 -1.62589 -0.38529 H 0.886832 3.750169 -0.70465

C -0.08202 -1.43753 -0.35337 H -0.88683 3.750169 -0.70465

C -0.62749 -0.15145 -0.04435 C 0 4.623778 1.073067

H -0.06886 1.90849 0.439142 H 0 5.644405 0.676289

H 1.672149 -2.61384 -0.61501 H -0.88962 4.499843 1.698885

H -0.7332 -2.28166 -0.54332 H 0.889622 4.499843 1.698885

N -1.97065 0.046839 -0.00692 C 0 0 0.402178

C -2.92176 -0.99125 -0.38601 H 0.867868 0 1.072396

H -3.8094 -0.48341 -0.77835 H -0.86787 0 1.072396

H -2.51684 -1.57068 -1.22107 C 0 -1.29527 -0.37563

C -2.55221 1.315448 0.412961 O 0 -2.31431 0.490979

H -3.53046 1.090944 0.851458 C 0 -3.6419 -0.0726

H -1.95108 1.739736 1.223203 H 0.886832 -3.75017 -0.70465

O 2.461237 1.734974 0.44468 H -0.88683 -3.75017 -0.70465

H 3.390083 1.391992 0.368374 C 0 -4.62378 1.073067

C 3.598718 -0.79726 -0.15841 H -0.88962 -4.49984 1.698885

H 3.93408 -1.82078 -0.40322 H 0 -5.64441 0.676289

O 4.453789 0.081819 0.062301 H 0.889622 -4.49984 1.698885

C -2.71367 2.314089 -0.72777 O 0 -1.43666 -1.57757

H -3.35687 1.906012 -1.51533 O 0 1.436664 -1.57757

H -3.17393 3.237031 -0.35787 H -1.74793 2.568801 -1.17644 C -3.31631 -1.90255 0.770575 H -2.44955 -2.43984 1.169461 H -3.76329 -1.32547 1.587702 H -4.05272 -2.64088 0.434161

(III) (IV) Atom x y z Atom x y z

C -2.81719 -0.1949 -0.04649 C -1.09622 0.079374 0.016318

C -1.77523 0.754566 0.098713 C 0.01361 0.878742 -0.20428

C -0.45965 0.344809 0.038199 C 1.274458 0.303268 -0.07769

C -0.08555 -0.99846 -0.16929 C 1.43349 -1.04683 0.263157

C -1.12998 -1.94009 -0.31635 C 0.284231 -1.82042 0.47956

C -2.44671 -1.56272 -0.25852 C -0.98109 -1.26941 0.359173

H -1.97428 1.809863 0.237271 H -0.06962 1.928865 -0.47

C 1.286398 -1.29639 -0.20984 C 2.776863 -1.54996 0.373978

H -0.87655 -2.98605 -0.47013 H 0.392326 -2.8674 0.74694

H -3.20922 -2.32544 -0.35649 H -1.85203 -1.889 0.538662

C 2.256995 -0.33006 -0.05943 C 3.830011 -0.73345 0.153837

C 1.861385 1.05291 0.142235 C 3.642309 0.662198 -0.19703

H 1.608994 -2.32347 -0.36396 H 2.92834 -2.59364 0.636686

N -4.11951 0.17514 0.016274 N -2.41864 0.705125 -0.15765

143

C -4.51764 1.54146 0.335201 C -2.98164 0.503955 -1.55969

H -3.83447 1.952998 1.08468 H -2.21253 0.884726 -2.23526

H -5.49699 1.484093 0.821421 H -3.84841 1.166668 -1.61293

C -5.20967 -0.76295 -0.23061 C -3.41744 0.384165 0.929248

H -4.92234 -1.45651 -1.02629 H -3.60166 -0.68946 0.903921

H -6.04604 -0.18028 -0.63049 H -4.33793 0.892311 0.632731

O 0.497054 1.298378 0.178808 O 2.342945 1.109807 -0.29477

O 2.565563 2.032466 0.281843 O 4.521909 1.469507 -0.41208

C 3.663354 -0.78357 -0.11737 C -2.94109 0.847336 2.288497

O 3.969272 -1.95122 -0.31578 H -2.76244 1.927432 2.308834

O 4.566317 0.177615 0.067885 H -3.72489 0.624476 3.018179

C 5.947463 -0.22929 0.023798 H -2.03057 0.330794 2.604788

H 6.146965 -0.68421 -0.95152 C -3.35253 -0.9217 -1.89433

H 6.112801 -0.98878 0.794439 H -2.48936 -1.59184 -1.87875

C 6.790753 1.000907 0.255035 H -4.13576 -1.32017 -1.24375

H 7.850309 0.72543 0.227975 H -3.74751 -0.91949 -2.91497

H 6.612588 1.752939 -0.52032 H 4.856457 -1.07424 0.227367

H 6.577939 1.447323 1.231719 H -2.26255 1.71588 -0.08857

C -5.65233 -1.51494 1.019036 H -5.98388 -0.81855 1.797063 H -6.48919 -2.18015 0.779459 H -4.8391 -2.12182 1.430614 C -4.59838 2.446651 -0.88875 H -3.62788 2.533977 -1.38816 H -5.3204 2.057079 -1.61476 H -4.92249 3.450138 -0.59196

(V) (VI) Atom x y z Atom x y z

C -1.13729 -0.22587 -0.06072 C -2.9731 -0.22365 -0.06766

C -0.04274 0.650655 0.121373 C -1.9353 0.705882 0.194494

C 1.25106 0.166105 0.054934 C -0.6206 0.311886 0.084732

C 1.548623 -1.18537 -0.19568 C -0.23419 -0.99299 -0.2886

C 0.453345 -2.05211 -0.37762 C -1.27504 -1.91386 -0.54739

C -0.8448 -1.60056 -0.31317 C -2.59323 -1.55301 -0.44247

H -0.17799 1.711417 0.293782 H -2.13811 1.734599 0.464304

C 2.917792 -1.56798 -0.24514 C 1.140949 -1.27847 -0.38967

H 0.643687 -3.10623 -0.56556 H -1.01769 -2.93138 -0.82999

H -1.64823 -2.31614 -0.43954 H -3.35096 -2.30275 -0.633

C 3.906362 -0.65086 -0.05969 C 2.079763 -0.31204 -0.1259

C 3.590884 0.731671 0.191824 C 1.66217 1.007188 0.275813

H 3.167467 -2.60984 -0.43558 H 1.455213 -2.27645 -0.68972

N -2.422 0.22237 0.004805 N -4.27582 0.129851 0.035677

C -2.73813 1.595321 0.37233 C -4.68218 1.447779 0.511367

H -2.03885 1.93563 1.143217 H -4.00307 1.772644 1.30559

H -3.72442 1.582536 0.848786 H -5.6619 1.327895 0.985078

144

C -3.5596 -0.63787 -0.29166 C -5.36112 -0.77722 -0.32488

H -3.30059 -1.31938 -1.10813 H -5.06763 -1.37118 -1.19534

H -4.35496 0.005746 -0.68308 H -6.19803 -0.15426 -0.65699

O 2.256188 1.071684 0.236274 O 0.330061 1.25668 0.354707

O 4.389881 1.637784 0.368651 O 2.424974 1.922697 0.578283

C -4.07006 -1.40937 0.920435 C -5.80451 -1.67154 0.826675

H -4.37384 -0.72346 1.719077 H -6.1383 -1.07172 1.680444

H -4.94034 -2.01503 0.643634 H -6.63995 -2.30473 0.508638

H -3.30137 -2.07783 1.322369 H -4.99126 -2.32184 1.165589

C -2.75035 2.554245 -0.81343 C -4.76594 2.488339 -0.59933

H -1.77173 2.599855 -1.30264 H -3.7947 2.640686 -1.08148

H -3.48826 2.240236 -1.56006 H -5.4828 2.18072 -1.36845

H -3.0135 3.56417 -0.47952 H -5.09866 3.447826 -0.18871

H 4.957797 -0.91214 -0.09251 C 3.534409 -0.55567 -0.32169

Cl 4.106989 0.201695 -1.85378

N 4.345818 -0.01063 0.827886

C 5.821831 -0.0675 0.630558

H 6.289674 0.315652 1.537045

H 6.114153 -1.10587 0.467248

H 6.103288 0.54876 -0.21998

C 3.972792 -0.70997 2.095082

H 4.256253 -1.76006 2.011103

H 4.518894 -0.23627 2.910269

H 2.900802 -0.61927 2.262458

H 4.03602 0.977542 0.908671

H 3.759448 -1.61993 -0.40417

(VII) (VIII) Atom x y z Atom x y z

C -1.72365 -0.23898 -0.05842 C -0.55053 0.692424 0.017896

C -0.73267 0.759826 0.123571 C -0.87439 -0.68243 -0.00191

C 0.601293 0.421856 0.077641 C -2.19192 -1.1302 -0.02336

C 1.048734 -0.901 -0.15033 C -3.20864 -0.17632 -0.02346

C 0.052699 -1.89059 -0.3331 C -2.90511 1.191195 -0.0033

C -1.28089 -1.58271 -0.29086 C -1.58568 1.633016 0.017042

H -0.98875 1.800188 0.279596 C 1.504273 -0.10022 0.028966

C 2.430404 -1.13365 -0.17713 H -2.42511 -2.19118 -0.0392

H 0.36238 -2.91877 -0.50265 H -4.24534 -0.50133 -0.03934

H -2.00198 -2.38067 -0.41671 H -3.71214 1.919229 -0.0036

C 3.336249 -0.10856 0.007641 H -1.3474 2.69314 0.032473

C 2.865486 1.241987 0.233019 S 0.601568 -1.62369 0.005603

H 2.810735 -2.13929 -0.34674 N 0.800307 0.992054 0.032847

N -3.04098 0.063976 -0.01109 N 2.861086 -0.12987 0.080274

C -3.51401 1.402771 0.326121 H 3.341487 -0.97464 -0.19368

H -2.86356 1.834776 1.092611 N 3.611278 1.035992 -0.08756

H -4.49559 1.285203 0.796393 H 3.513731 1.598778 0.75448

145

C -4.07983 -0.92257 -0.2932 H 3.212888 1.582968 -0.85103

H -3.74488 -1.58674 -1.09496 H -4.93637 -0.37378 -0.69772 O 1.499452 1.429734 0.255003 O 3.550366 2.233757 0.4058 C -4.50442 -1.71574 0.936795 H -4.8821 -1.04984 1.720318 H -5.30364 -2.41652 0.671948 H -3.66899 -2.28924 1.351661 C -3.62407 2.323133 -0.88388 H -2.65233 2.469742 -1.36663 H -4.31426 1.909645 -1.62729 H -4.00445 3.3027 -0.57462 C 4.772829 -0.34898 -0.01909 H 5.405873 0.540777 0.141222 O 5.284653 -1.4481 -0.20349

Phục lục 6. Tọa độ xyz của RLED và RLED-S1

RLED RLED-S1 Atom x y z Atom x y z

C 2.476121 -3.50247 1.774317 C 2.656826 -3.49758 1.737682

C 2.681554 -2.21093 2.269192 C 2.785388 -2.20166 2.247076

C 2.830263 -1.13347 1.393773 C 2.870584 -1.10769 1.383852

C 2.767386 -1.2946 0.015196 C 2.817251 -1.25668 0.003478

C 2.559677 -2.59991 -0.45997 C 2.687084 -2.56679 -0.4863

C 2.414071 -3.70102 0.364606 C 2.607687 -3.68386 0.325943

C 3.202715 1.141368 -0.17394 C 3.123876 1.200369 -0.15804

C 3.246664 1.176153 1.214792 C 3.164417 1.222494 1.231051

C 3.505034 2.356318 1.914278 C 3.365326 2.405957 1.943619

H 3.519344 2.314 2.998149 H 3.380899 2.352613 3.026995

C 3.736992 3.5514 1.226223 C 3.540552 3.618131 1.268681

C 3.69555 3.548459 -0.19813 C 3.500949 3.62843 -0.15568

C 3.431162 2.354152 -0.84452 C 3.294452 2.429912 -0.81522

H 2.734255 -2.01343 3.334594 H 2.826604 -2.0133 3.314631

H 2.506358 -2.7527 -1.53707 H 2.643404 -2.71049 -1.56504

H 3.397712 2.354781 -1.93321 H 3.262105 2.440741 -1.90388

O 3.039601 0.075057 1.997711 O 3.009187 0.104179 2.001503

C 2.882689 -0.12522 -0.94018 C 2.86178 -0.07123 -0.93758

C 3.885066 -0.39332 -2.05145 C 3.864465 -0.27298 -2.06211

C 3.256535 -0.35177 -3.29002 C 3.220568 -0.249 -3.29346

C 5.246257 -0.65208 -1.95656 C 5.23832 -0.46012 -1.98477

C 3.954829 -0.56322 -4.47496 C 3.916629 -0.40656 -4.48839

C 5.957643 -0.8655 -3.1386 C 5.947351 -0.6197 -3.17688

H 5.747019 -0.68762 -0.99201 H 5.750725 -0.48146 -1.02592

C 5.321219 -0.82205 -4.38645 C 5.295715 -0.59339 -4.41738

H 3.446541 -0.52645 -5.43499 H 3.396822 -0.38376 -5.4427

146

H 7.024419 -1.06886 -3.09116 H 7.023877 -0.76656 -3.14313

H 5.900604 -0.99232 -5.28989 H 5.873408 -0.72029 -5.32902

C 1.820259 -0.05468 -3.08129 C 1.773613 -0.03058 -3.06654

O 0.945346 0.086648 -3.9389 O 0.883538 0.074392 -3.91427

N 1.638871 0.047847 -1.7376 N 1.601347 0.050015 -1.71948

C 2.204906 -5.07641 -0.20079 C 2.480676 -5.06276 -0.25508

H 2.9847 -5.77532 0.130865 H 3.300535 -5.71796 0.069125

H 1.238433 -5.50602 0.099197 H 1.541372 -5.55246 0.039185

H 2.222587 -5.05253 -1.29418 H 2.497 -5.02543 -1.34814

C 3.945097 4.812845 -0.96891 C 3.690417 4.911447 -0.91266

H 3.191661 5.584512 -0.75587 H 2.900879 5.643991 -0.69236

H 4.926191 5.246502 -0.73248 H 4.649565 5.388899 -0.67063

H 3.916645 4.621801 -2.04549 H 3.671722 4.730725 -1.99124

N 4.042009 4.715916 1.892208 N 3.788596 4.788668 1.947602

H 3.887509 5.566802 1.368467 H 3.59558 5.63694 1.432463

N 2.376477 -4.58712 2.61502 N 2.62069 -4.59531 2.566549

H 1.9289 -5.40159 2.216864 H 2.221347 -5.43003 2.159079

C 3.883171 4.851599 3.326982 C 3.621901 4.901333 3.383464

H 2.858997 4.585762 3.637016 H 2.611402 4.58313 3.689003

H 4.560645 4.146838 3.825779 H 4.332024 4.224781 3.875904

C 4.208942 6.267634 3.76737 C 3.878414 6.326658 3.839407

H 3.528358 6.993669 3.306746 H 3.163374 7.02372 3.386311

H 4.106939 6.356933 4.853258 H 3.772086 6.399027 4.926141

H 5.235686 6.53711 3.496288 H 4.89088 6.648676 3.571953

C 2.203257 -4.44313 4.047357 C 2.437678 -4.4774 4.000089

H 3.088889 -3.94532 4.462372 H 3.292323 -3.93358 4.422269

H 1.337075 -3.80071 4.277068 H 1.535255 -3.88914 4.235204

C 2.031351 -5.80241 4.701617 C 2.344437 -5.85164 4.638888

H 2.900186 -6.44238 4.512174 H 3.249477 -6.43761 4.444296

H 1.920176 -5.68785 5.784234 H 2.224939 -5.75594 5.722451

H 1.137281 -6.31418 4.32585 H 1.482419 -6.41043 4.255274

C 0.372762 0.418299 -1.1497 C 0.32195 0.324088 -1.11128

H 0.569806 0.935197 -0.20441 H 0.496082 0.817506 -0.1494

H -0.11912 1.129341 -1.82294 H -0.2212 1.02321 -1.75671

C -0.55852 -0.77487 -0.90583 C -0.54623 -0.93544 -0.89654

H -0.74698 -1.29289 -1.86074 H -0.70751 -1.41843 -1.8765

H -0.05377 -1.48097 -0.23442 H 0.032238 -1.63217 -0.27222

N -1.77194 -0.31762 -0.26992 N -1.76786 -0.58963 -0.23385

C -2.87954 -0.55176 -0.87179 C -2.87184 -0.68814 -0.94376

C -4.16097 -0.14398 -0.34291 C -4.15488 -0.36021 -0.44649

H -4.14965 0.386544 0.607682 H -4.19629 -0.0043 0.582321

C -5.31466 -0.41197 -1.00128 C -5.33603 -0.47184 -1.20078

H -5.23247 -0.94928 -1.94867 H -5.25214 -0.82615 -2.22804

C -6.66932 -0.07406 -0.60937 C -6.64068 -0.15952 -0.73859

C -7.74273 -0.44086 -1.44124 C -7.76752 -0.30586 -1.60916

C -6.99515 0.614398 0.575491 C -6.92903 0.310271 0.586773

C -9.05909 -0.14772 -1.12589 C -9.04832 -0.01556 -1.21279

147

H -7.53509 -0.97388 -2.36759 H -7.59735 -0.66097 -2.6231

C -8.30193 0.917147 0.909898 C -8.21244 0.603537 0.991012

H -6.20735 0.923715 1.25796 H -6.12156 0.441722 1.300069

C -9.38166 0.544114 0.066954 C -9.31966 0.454148 0.110188

H -9.84168 -0.45681 -1.80995 H -9.85869 -0.14847 -1.92092

H -8.49155 1.449318 1.835643 H -8.36942 0.956151 2.004535

N -10.6734 0.840179 0.394153 N -10.5911 0.745972 0.507061

C -10.9694 1.561002 1.613867 C -10.847 1.210297 1.853617

H -10.4975 2.552967 1.624707 H -10.3186 2.151667 2.055695

H -12.0479 1.700237 1.693105 H -11.9153 1.381002 1.977579

H -10.6329 1.010252 2.502561 H -10.5254 0.468052 2.59634

C -11.7517 0.451486 -0.48918 C -11.703 0.593456 -0.40839

H -11.7891 -0.63753 -0.62739 H -11.8066 -0.44845 -0.73892

H -12.7006 0.768676 -0.056 H -12.6229 0.886951 0.095344

H -11.6559 0.920122 -1.47826 H -11.5774 1.227864 -1.29541

H -2.89785 -1.08838 -1.83522 H -2.82138 -1.05278 -1.98358

Phụ lục 7. Tọa độ xyz của các dạng L1(RLED), L2, L3, L4 và L5 của RLED (Hình

3.44)

L2 L3 Atom x y z Atom x y z

C -4.3634 3.400644 1.283742 C -3.50007 -3.26211 -2.07873

C -3.77593 2.372077 2.039891 C -3.69681 -1.9321 -2.49546

C -3.51853 1.147092 1.448183 C -3.79171 -0.93072 -1.55161

C -3.82701 0.880418 0.098558 C -3.69132 -1.18225 -0.15901

C -4.41823 1.937439 -0.6397 C -3.5104 -2.53991 0.230345

C -4.69276 3.167549 -0.09778 C -3.41124 -3.56549 -0.67027

C -3.01203 -1.38169 0.426444 C -4.01798 1.188842 0.230971

C -2.72828 -1.0446 1.765441 C -4.1163 1.369906 -1.17261

C -2.2146 -1.96013 2.668235 C -4.32962 2.605128 -1.74837

148

H -2.02517 -1.63936 3.686314 H -4.39781 2.675691 -2.82771

C -1.95792 -3.27778 2.253279 C -4.44944 3.741855 -0.92694

C -2.23675 -3.6617 0.894619 C -4.33555 3.605528 0.505893

C -2.74639 -2.71931 0.037362 C -4.12594 2.360372 1.032806

H -3.52112 2.511105 3.084491 H -3.78169 -1.67266 -3.54438

H -4.65876 1.75675 -1.68432 H -3.45739 -2.76818 1.291187

H -2.95364 -3.00148 -0.99178 H -4.03152 2.254868 2.109625

O -2.95523 0.20396 2.241408 O -3.99461 0.321585 -2.01649

C -3.5001 -0.38378 -0.45947 C -3.79008 -0.1028 0.738582

C -4.03664 -0.77125 -1.79404 C -3.73132 -0.33504 2.205501

C -3.23564 -0.71151 -2.9391 C -2.53902 -0.68095 2.867534

C -5.36455 -1.20404 -1.88944 C -4.91906 -0.24459 2.937412

C -3.77333 -1.08863 -4.17285 C -2.56195 -0.90993 4.246525

C -5.89058 -1.57949 -3.12256 C -4.93133 -0.48272 4.310056

H -5.98311 -1.24702 -0.99573 H -5.843 0.005211 2.4221

C -5.09183 -1.52158 -4.2675 C -3.74914 -0.81057 4.967717

H -3.13541 -1.03352 -5.05004 H -1.63667 -1.13753 4.769735

H -6.92232 -1.91486 -3.18934 H -5.86424 -0.40583 4.861381

H -5.50062 -1.81394 -5.23159 H -3.746 -0.98192 6.04036

C -1.82805 -0.22348 -2.74878 C -1.24356 -0.72554 2.110888

O -1.55868 0.123884 -1.5446 O -0.97238 0.122495 1.256441

N -1.05317 -0.19786 -3.80171 N -0.41505 -1.74086 2.431884

C -5.31954 4.258355 -0.91571 C -3.22262 -4.9837 -0.22069

H -6.28626 4.576333 -0.50253 H -4.04915 -5.62847 -0.54771

H -4.67748 5.1477 -0.97199 H -2.29177 -5.41474 -0.61252

H -5.49701 3.917105 -1.93899 H -3.1755 -5.03763 0.869761

C -1.96719 -5.0662 0.439579 C -4.44089 4.816664 1.384007

H -0.90768 -5.33508 0.547597 H -3.66046 5.554406 1.155323

H -2.55236 -5.80121 1.008706 H -5.41202 5.317253 1.273893

H -2.22935 -5.18487 -0.61504 H -4.33261 4.538803 2.435391

N -1.45891 -4.19255 3.11293 N -4.66227 4.958393 -1.45685

H -1.29192 -5.12652 2.768737 N -3.40301 -4.25995 -2.97375

N -4.62847 4.604661 1.83561 H -3.26709 -5.19841 -2.6254

H -5.04966 5.312768 1.252398 C -4.78971 5.240713 -2.87538

C -1.13168 -3.93292 4.501077 H -3.87631 4.91858 -3.39337

H -0.3929 -3.12127 4.558055 H -5.62352 4.657063 -3.28806

H -2.03081 -3.59107 5.032703 C -5.02504 6.72246 -3.10283

C -0.58162 -5.18407 5.16128 H -4.19091 7.319863 -2.71844

H 0.333561 -5.52441 4.663981 H -5.11711 6.921409 -4.17435

H -0.34008 -4.97629 6.207698 H -5.9481 7.056712 -2.61631

H -1.31408 -5.99881 5.138743 C -3.48258 -4.09951 -4.41459

C -4.34508 4.965712 3.210815 H -4.44779 -3.64573 -4.67678

H -4.87425 4.279082 3.886233 H -2.69522 -3.40985 -4.74708

H -3.27004 4.849104 3.406792 C -3.32993 -5.44075 -5.10736

C -4.77159 6.396362 3.485146 H -4.12242 -6.13473 -4.80617

H -5.84736 6.526973 3.322792 H -3.39292 -5.30596 -6.19089

H -4.5532 6.655982 4.525056 H -2.3603 -5.89679 -4.87891

149

H -4.23382 7.100873 2.840734 C 0.903739 -1.89693 1.855103

C 0.292939 0.284092 -3.58195 H 1.109151 -2.96539 1.740473

H 0.647938 0.778753 -4.49694 H 0.895168 -1.44169 0.86099

H 0.350817 1.018042 -2.76262 C 1.991288 -1.24922 2.717954

C 1.263504 -0.8637 -3.26765 H 1.781097 -0.17165 2.822714

H 0.951844 -1.36111 -2.3334 H 1.9481 -1.69679 3.72085

H 1.187657 -1.60053 -4.0797 N 3.292628 -1.51433 2.151653

N 2.628263 -0.38982 -3.2102 C 4.017809 -0.50352 1.840224

C 3.26101 -0.52905 -2.10486 C 5.33743 -0.6317 1.266599

C 4.624036 -0.08083 -1.91938 H 5.701857 -1.64405 1.101331

H 5.098125 0.396262 -2.77563 C 6.079612 0.458363 0.953902

C 5.274259 -0.24782 -0.74305 H 5.634478 1.43572 1.153047

H 4.724502 -0.73667 0.064345 C 7.409953 0.501631 0.379195

C 6.630424 0.144473 -0.4056 C 8.01164 1.7462 0.118353

C 7.124322 -0.10915 0.886519 C 8.162764 -0.64417 0.055614

C 7.509955 0.780109 -1.30314 C 9.278491 1.856897 -0.43007

C 8.4081 0.241177 1.272425 H 7.464785 2.657457 0.354621

H 6.476878 -0.59667 1.613547 C 9.42911 -0.55684 -0.49174

C 8.795014 1.138538 -0.93916 H 7.750359 -1.63377 0.236292

H 7.183948 1.004294 -2.31582 C 10.03093 0.70187 -0.75491

C 9.289857 0.876444 0.365002 H 9.686801 2.845734 -0.60717

H 8.72772 0.020203 2.284903 H 9.961236 -1.47393 -0.71958

H 9.425183 1.628143 -1.6736 N 11.28011 0.792316 -1.29728

N 10.56153 1.221152 0.725931 C 12.02669 -0.40718 -1.6119

C 11.42046 1.91636 -0.20863 H 11.50383 -1.02842 -2.35158

H 11.00423 2.890405 -0.5022 H 12.99304 -0.12636 -2.0315

H 12.38984 2.090119 0.259396 H 12.20995 -1.01786 -0.71745

H 11.58724 1.325572 -1.11874 C 11.86667 2.090386 -1.55267

C 11.01759 0.987288 2.078988 H 11.97787 2.674618 -0.62899

H 10.98349 -0.07949 2.336461 H 12.85719 1.955817 -1.98785

H 12.05153 1.321184 2.170342 H 11.26245 2.675926 -2.2588

H 10.41472 1.537627 2.815188 H 3.65613 0.525074 2.005904

H 2.7824 -1.01063 -1.23503 H -0.72765 -2.42929 3.102643

L4 L5 Atom x y z Atom x y z

C -3.35336 -3.35973 -1.92526 C -3.59036 -3.4365 -1.73432

C -3.63034 -2.06418 -2.39511 C -3.88396 -2.1608 -2.24661

C -3.77879 -1.02197 -1.49534 C -3.95383 -1.0742 -1.39072

C -3.6554 -1.19986 -0.10474 C -3.73197 -1.18691 -0.00564

C -3.39473 -2.51718 0.340192 C -3.45479 -2.48489 0.483997

C -3.23995 -3.58593 -0.51563 C -3.37623 -3.59582 -0.32724

C -4.13254 1.163037 0.19739 C -4.1439 1.197116 0.211967

C -4.25565 1.284464 -1.23065 C -4.37105 1.251691 -1.20729

C -4.55486 2.461493 -1.84846 C -4.69494 2.403609 -1.8593

150

H -4.63023 2.470623 -2.93054 H -4.85267 2.361607 -2.9317

C -4.76297 3.674971 -1.08868 C -4.82186 3.657161 -1.14808

C -4.61086 3.573151 0.371625 C -4.55581 3.624184 0.298944

C -4.31255 2.378585 0.947173 C -4.24025 2.452059 0.910385

H -3.73842 -1.85659 -3.454 H -4.06497 -2.00286 -3.30412

H -3.31932 -2.69677 1.409687 H -3.29994 -2.61267 1.552329

H -4.19761 2.324645 2.026791 H -4.04268 2.448363 1.979365

O -4.0615 0.195165 -2.02628 O -4.2576 0.120834 -1.95938

C -3.82307 -0.06483 0.753061 C -3.81956 -0.00913 0.805038

C -3.7225 -0.23676 2.227063 C -3.62504 -0.11532 2.27609

C -2.50369 -0.50802 2.877323 C -2.38491 -0.41113 2.875889

C -4.8942 -0.17556 2.988485 C -4.75455 0.017981 3.093808

C -2.48604 -0.69373 4.263593 C -2.31217 -0.56523 4.264932

C -4.86772 -0.36207 4.369064 C -4.66957 -0.13103 4.474969

H -5.83898 0.014416 2.485315 H -5.71453 0.229642 2.629617

C -3.65901 -0.61791 5.01062 C -3.44133 -0.4256 5.063951

H -1.53965 -0.87196 4.768496 H -1.34701 -0.78993 4.708803

H -5.79117 -0.30497 4.938942 H -5.56116 -0.01957 5.086178

H -3.62489 -0.75393 6.087964 H -3.36103 -0.5416 6.14131

C -1.21199 -0.53166 2.111541 C -1.12591 -0.56401 2.098

O -0.92604 0.34523 1.29255 O -1.03855 0.331119 1.086948

N -0.39282 -1.56683 2.397613 N -0.27032 -1.44616 2.432528

C -2.9626 -4.96589 0.006294 C -3.07995 -4.95345 0.240621

H -3.74766 -5.67936 -0.27987 H -3.89117 -5.66724 0.041713

H -2.00895 -5.36212 -0.36878 H -2.15851 -5.38154 -0.17762

H -2.90785 -4.96111 1.098338 H -2.95095 -4.89779 1.32498

C -4.78959 4.808476 1.198176 C -4.63693 4.903697 1.071847

H -4.0908 5.594506 0.889041 H -3.93216 5.646379 0.679664

H -5.79558 5.22547 1.070159 H -5.63361 5.352636 0.988708

H -4.63176 4.594326 2.259813 H -4.41541 4.73484 2.130293

N -5.06364 4.840351 -1.59232 N -5.14262 4.802235 -1.6851

N -3.19843 -4.39558 -2.78676 N -3.51761 -4.51663 -2.55108

H -3.02943 -5.31261 -2.4015 H -3.29064 -5.40909 -2.13887

C -5.21088 4.949163 -3.02754 C -5.40501 4.841666 -3.10747

H -4.28012 4.652163 -3.54253 H -4.52296 4.50439 -3.68023

H -5.99144 4.26102 -3.39754 H -6.22133 4.148589 -3.3776

C -5.56954 6.371263 -3.43007 C -5.77837 6.247324 -3.55206

H -4.79127 7.073503 -3.10918 H -4.9673 6.952085 -3.33484

H -5.67903 6.454701 -4.5177 H -5.97828 6.277086 -4.62957

H -6.51374 6.679702 -2.96624 H -6.6762 6.594652 -3.0276

C -3.31545 -4.29522 -4.22666 C -3.70837 -4.48079 -3.98608

H -4.3132 -3.9173 -4.49342 H -4.70874 -4.08691 -4.2158

H -2.58343 -3.56802 -4.60563 H -2.9794 -3.79417 -4.44034

C -3.08372 -5.64796 -4.87498 C -3.55124 -5.86952 -4.57845

H -3.82175 -6.38231 -4.53279 H -4.28932 -6.56349 -4.16066

H -3.17322 -5.56101 -5.96178 H -3.69814 -5.83181 -5.66184

H -2.0821 -6.02946 -4.64689 H -2.54951 -6.27053 -4.38679

151

C 0.920577 -1.7228 1.809858 C 0.992929 -1.57896 1.742255

H 1.110203 -2.7897 1.657974 H 1.179856 -2.64648 1.577761

H 0.914563 -1.23431 0.831521 H 1.039436 -1.10799 0.744985

C 2.022844 -1.12089 2.687073 C 2.130101 -1.01758 2.603

H 1.831364 -0.04381 2.826786 H 1.975982 0.063446 2.76134

H 1.976822 -1.59925 3.675536 H 2.077299 -1.50762 3.584713

N 3.316987 -1.38979 2.106024 N 3.408878 -1.31632 2.002877

C 4.057345 -0.38244 1.820437 C 4.18175 -0.32828 1.737103

C 5.370942 -0.51626 1.234068 C 5.487083 -0.49256 1.13988

H 5.715715 -1.5295 1.035422 H 5.795886 -1.51193 0.915169

C 6.131194 0.568952 0.949562 C 6.282875 0.572378 0.877185

H 5.706431 1.547857 1.182612 H 5.893133 1.559458 1.135553

C 7.458091 0.604809 0.366135 C 7.607736 0.576689 0.287854

C 8.085779 1.844769 0.148384 C 8.274901 1.799645 0.092737

C 8.182315 -0.54407 -0.00766 C 8.293159 -0.58739 -0.11115

C 9.351249 1.948237 -0.40475 C 9.540946 1.873109 -0.46394

H 7.561132 2.75819 0.423501 H 7.781974 2.723792 0.389879

C 9.446563 -0.46396 -0.56102 C 9.557207 -0.53713 -0.66858

H 7.748377 -1.53043 0.136749 H 7.829051 -1.56213 0.017701

C 10.07526 0.790145 -0.77929 C 10.22438 0.700192 -0.86725

H 9.780455 2.933848 -0.54709 H 10.00241 2.846791 -0.58602

H 9.955797 -1.3832 -0.82904 H 10.03641 -1.46712 -0.9543

N 11.32292 0.873509 -1.32651 N 11.46989 0.754451 -1.42352

C 12.03856 -0.32919 -1.69584 C 12.15834 -0.46537 -1.78846

H 11.4957 -0.90751 -2.45567 H 11.59524 -1.03791 -2.53714

H 13.00812 -0.05411 -2.11184 H 13.1275 -0.21288 -2.21946

H 12.2141 -0.97991 -0.82849 H 12.33127 -1.11333 -0.91793

C 11.93731 2.166994 -1.53532 C 12.139 2.028365 -1.57753

H 12.06532 2.712768 -0.59056 H 12.30322 2.522976 -0.60994

H 12.92288 2.027217 -1.98005 H 13.11094 1.867644 -2.04466

H 11.34357 2.792585 -2.21558 H 11.56458 2.710086 -2.21854

H 3.714509 0.646715 2.019337 H 3.875396 0.706988 1.962659

H -0.71443 -2.27263 3.045661 H -0.23166 0.174849 0.57059

Phụ lục 8. Tọa độ xyz của các chất và phức ổn định trên Hình 3.45

152

Ethylenediamine [Hg(Ethylenediamine)]2+ Atom x y z Atom x y z

N 1.856658 -0.2091 -0.03678 Hg 0.737747 -0.0062 -0.00079

N -1.85669 0.209045 -0.03689 N -1.17344 -1.46123 -0.11369

H 2.618491 0.457094 -0.13287 N -1.08517 1.454093 0.131923

H 1.992979 -0.65818 0.866299 H -1.03072 -2.2645 0.490877

C 0.576658 0.495718 -0.0517 H -1.2595 -1.80671 -1.06664

H -2.61859 -0.45727 -0.13168 C -2.339 -0.6724 0.286521

H -1.99243 0.659173 0.865762 H -0.90574 2.270287 -0.44599

C -0.57669 -0.49578 -0.05173 H -1.16856 1.777384 1.093628

H 0.525595 1.099912 -0.96472 C -2.28758 0.735541 -0.3008

H 0.453479 1.188939 0.799084 H -2.35055 -0.62134 1.37942

H -0.52554 -1.09995 -0.96476 H -3.27033 -1.15014 -0.03793

H -0.45357 -1.189 0.79906 H -2.27246 0.687349 -1.3938

H -3.19214 1.274487 0.001636

M [HgM]2+ Atom x y z Atom x y z

C -3.58115 -1.41491 -0.09451 C -1.94102 3.692771 0.135038

C -2.32305 -2.03901 -0.01835 C -0.63163 3.545692 -0.36026

C -1.17606 -1.26996 -0.06917 C 0.156689 2.50976 0.098781

C -1.21141 0.13808 -0.19764 C -0.30144 1.573182 1.058704

C -2.49686 0.73952 -0.27188 C -1.6225 1.758156 1.553066

C -3.66086 0.018818 -0.22567 C -2.43827 2.773299 1.130852

C 1.211584 0.138294 -0.19762 C 1.845816 0.458333 0.907577

C 1.176476 -1.26975 -0.06913 C 2.24535 1.433299 -0.04107

C 2.323608 -2.0386 -0.01825 C 3.493672 1.425891 -0.62969

153

H 2.22914 -3.11411 0.077826 H 3.73784 2.197178 -1.35091

C 3.581602 -1.41427 -0.09436 C 4.416294 0.419333 -0.28696

C 3.661058 0.019476 -0.2255 C 4.051796 -0.5882 0.680825

C 2.496929 0.739966 -0.27178 C 2.801125 -0.54405 1.235533

H -2.22839 -3.11451 0.077721 H -0.22517 4.226085 -1.09954

H -2.54904 1.82084 -0.36667 H -1.99435 1.058927 2.297248

H 2.548917 1.821298 -0.36654 H 2.518704 -1.30415 1.958843

O 0.000269 -1.93394 0.007499 O 1.400283 2.416501 -0.42259

C 0.000026 0.86026 -0.21978 C 0.543515 0.513503 1.434354

C -0.00011 2.322793 -0.49644 C 0.099964 -0.48267 2.448164

C -0.00067 3.289664 0.519943 C -0.64197 -1.63496 2.124439

C 0.000256 2.723001 -1.83854 C 0.4358 -0.2395 3.783596

C -0.00087 4.641726 0.166927 C -1.03054 -2.5107 3.143704

C 0.000065 4.074769 -2.17396 C 0.04492 -1.12126 4.789056

H 0.00068 1.969138 -2.62261 H 1.006092 0.651276 4.034309

C -0.00051 5.039464 -1.16666 C -0.69011 -2.26108 4.469022

H -0.00131 5.373647 0.969548 H -1.60313 -3.39333 2.877245

H 0.000361 4.370338 -3.21991 H 0.31625 -0.91385 5.820534

H -0.00066 6.096243 -1.42162 H -0.99752 -2.95245 5.248466

C -0.00095 2.877331 1.985806 C -1.02198 -1.94199 0.708747

O -0.00177 3.794094 2.843331 O -1.79141 -2.93714 0.496435

C -4.99895 0.692065 -0.30788 C -3.82553 2.937619 1.676765

H -5.57879 0.345183 -1.17366 H -3.96045 3.914242 2.160496

H -5.60457 0.508863 0.589699 H -4.58687 2.849905 0.890145

H -4.8779 1.773867 -0.40635 H -4.03646 2.16891 2.424572

C 4.999031 0.692973 -0.30764 C 5.03369 -1.65834 1.055297

H 5.604676 0.509788 0.589927 H 5.321193 -2.26991 0.18965

H 5.578927 0.346285 -1.17345 H 5.953208 -1.23665 1.482682

H 4.877779 1.774764 -0.40599 H 4.602388 -2.32933 1.802527

N 4.717303 -2.13776 -0.05055 N 5.635834 0.378583 -0.85227

H 5.597368 -1.64546 -0.10336 H 6.264102 -0.36219 -0.57497

N -4.71673 -2.13861 -0.05075 N -2.74071 4.679347 -0.30805

H -5.59688 -1.64646 -0.10364 H -3.67084 4.747846 0.079783

C 4.778848 -3.58162 0.077132 C 6.123034 1.310598 -1.85289

H 4.277465 -3.88832 1.005409 H 5.442164 1.305397 -2.71485

H 4.233425 -4.04471 -0.75651 H 6.118259 2.327668 -1.438

C 6.22119 -4.0533 0.082257 C 7.524899 0.93069 -2.29262

H 6.776343 -3.62097 0.922159 H 7.543095 -0.07248 -2.73307

H 6.254554 -5.14216 0.180362 H 7.880218 1.637831 -3.04767

H 6.729995 -3.78168 -0.84936 H 8.225105 0.955116 -1.45012

C -4.77802 -3.58249 0.076856 C -2.38043 5.65265 -1.32294

H -4.23246 -4.04544 -0.75677 H -1.51621 6.237358 -0.97941

H -4.27664 -3.88914 1.005149 H -2.07636 5.125774 -2.2375

C -6.22028 -4.05443 0.081866 C -3.55221 6.571548 -1.61553

H -6.72907 -3.78285 -0.84977 H -3.85525 7.125627 -0.72005

H -6.25345 -5.14329 0.179912 H -3.2699 7.29828 -2.38273

H -6.77556 -3.62224 0.921755 H -4.41512 6.006471 -1.9854

154

O -0.00032 1.63565 2.200377 O -0.58604 -1.21768 -0.21545

Hg -1.92004 -2.6705 -1.79358

N [HgN]2+ Atom x y z Atom x y z

N -7.56727 -0.02804 -0.49711 N -4.83123 0.276137 0.36554

C -6.20563 0.487178 -0.61825 C -4.43987 1.650202 0.693546

H -5.72409 0.233278 -1.57723 H -5.29412 2.334319 0.6298

H -6.24427 1.580792 -0.55675 H -4.07099 1.658584 1.723211

C -5.33914 -0.03945 0.522258 C -3.34112 2.137879 -0.24866

H -5.80904 0.257996 1.469993 H -3.71635 2.123593 -1.28159

H -5.32085 -1.14398 0.493886 H -3.08634 3.174782 0.002145

N -4.01218 0.530204 0.464502 N -2.17628 1.284962 -0.16498

C -3.02256 -0.2779 0.365352 C -0.98343 1.778717 -0.14189

C -1.64898 0.167914 0.295781 C 0.216037 1.010693 -0.05771

H -1.48384 1.243435 0.329794 H 0.120016 -0.07102 0.016845

C -0.62356 -0.71149 0.192403 C 1.432398 1.627124 -0.07875

H -0.87987 -1.77293 0.164 H 1.433616 2.7161 -0.15172

C 0.796478 -0.42632 0.111793 C 2.735587 1.020734 -0.0262

C 1.711082 -1.4891 0.000636 C 3.881709 1.841197 -0.07469

C 1.338821 0.873275 0.137371 C 2.951803 -0.37172 0.063027

C 3.078684 -1.28527 -0.08183 C 5.161598 1.322608 -0.0411

H 1.334213 -2.51026 -0.02187 H 3.756342 2.920175 -0.14286

C 2.700357 1.099696 0.056812 C 4.220962 -0.90982 0.098019

H 0.680865 1.734533 0.223474 H 2.105248 -1.0521 0.104616

C 3.619056 0.023435 -0.05709 C 5.374072 -0.07803 0.044715

H 3.731248 -2.14726 -0.16607 H 6.003973 2.003638 -0.08351

H 3.059392 2.12275 0.082305 H 4.328628 -1.98647 0.16581

N 4.964068 0.243054 -0.13906 N 6.62642 -0.60572 0.073878

C 5.48555 1.592661 -0.10316 C 6.814861 -2.04083 0.151073

H 5.231033 2.102378 0.836115 H 6.371353 -2.55332 -0.71263

H 6.572341 1.557497 -0.18328 H 7.882665 -2.25952 0.161849

H 5.104179 2.197413 -0.93696 H 6.373616 -2.45695 1.065993

C 5.87536 -0.87565 -0.24794 C 7.784075 0.26379 0.010781

H 5.682627 -1.46872 -1.15222 H 7.808602 0.963214 0.856522

H 6.897474 -0.50017 -0.30315 H 8.688659 -0.34324 0.048052

H 5.805123 -1.54313 0.621855 H 7.801439 0.845128 -0.92051

H -3.18352 -1.36874 0.331586 H -0.87488 2.868846 -0.19558

H -8.16056 0.400858 -1.20259 Hg -2.78808 -0.91463 -0.07789

H -7.57791 -1.02619 -0.69609 H -5.34113 -0.16095 1.127793

H -5.4287 0.242437 -0.45729

[HgL1]2+ [HgNM]2+ Atom x y z Atom x y z

155

C 2.512296 3.965471 -0.35265 C -5.97911 1.150039 -0.80727

C 3.395461 3.215809 -1.15281 C -4.97619 1.977914 -1.34508

C 3.839923 1.987333 -0.70877 C -3.78802 2.1394 -0.66056

C 3.43121 1.430416 0.530797 C -3.53036 1.500142 0.577242

C 2.546884 2.218546 1.320737 C -4.56447 0.6731 1.096938

C 2.084387 3.443989 0.92367 C -5.75869 0.484194 0.454219

C 4.858244 -0.47565 0.077956 C -1.35296 2.564052 0.603941

C 5.222167 0.134219 -1.15012 C -1.67577 3.176191 -0.63248

C 6.105311 -0.44897 -2.03547 C -0.80876 4.029151 -1.28603

H 6.343561 0.069862 -2.95675 H -1.11517 4.466266 -2.22937

C 6.673361 -1.69921 -1.72603 C 0.446422 4.312548 -0.71606

C 6.317343 -2.3627 -0.49394 C 0.813272 3.711708 0.543971

C 5.437399 -1.74646 0.353933 C -0.07733 2.869873 1.154538

H 3.746232 3.585249 -2.10947 H -5.11206 2.494633 -2.28815

H 2.242598 1.830524 2.28869 H -4.3907 0.171725 2.045308

H 5.158353 -2.24529 1.277498 H 0.194204 2.412735 2.102274

O 4.70317 1.32858 -1.51196 O -2.86424 2.94359 -1.23263

C 3.937852 0.175848 0.918627 C -2.2822 1.690441 1.198474

C 3.557302 -0.4165 2.227489 C -2.00379 1.094753 2.534678

C 2.289686 -0.9861 2.447337 C -1.39599 -0.16123 2.71277

C 4.488767 -0.37938 3.270371 C -2.37114 1.845369 3.656825

C 1.995603 -1.52305 3.704021 C -1.17204 -0.63369 4.010255

C 4.180445 -0.91411 4.519594 C -2.14255 1.362185 4.943218

H 5.461124 0.076009 3.099317 H -2.84003 2.816283 3.517321

C 2.932726 -1.49441 4.734594 C -1.54039 0.117955 5.121397

H 1.026321 -1.98551 3.87155 H -0.70287 -1.60471 4.131534

H 4.916799 -0.8798 5.317738 H -2.43567 1.95984 5.802063

H 2.687277 -1.92615 5.701047 H -1.35891 -0.26545 6.121679

C 1.314833 -1.14818 1.304827 C -0.99657 -0.99427 1.524366

O 1.745935 -1.68745 0.26362 O -0.43732 -2.12101 1.812804

N 0.052515 -0.75678 1.452943 N -1.11095 -5.07728 -1.19789

C 1.162457 4.248688 1.790623 C -6.82754 -0.39483 1.032819

H 1.601583 5.217731 2.062733 H -7.75815 0.159649 1.214064

H 0.204148 4.448334 1.29259 H -7.06816 -1.2353 0.368136

H 0.945167 3.714588 2.719185 H -6.50381 -0.8144 1.988767

C 6.904509 -3.70416 -0.16951 C 2.147005 4.016931 1.158332

H 6.649207 -4.45502 -0.92913 H 2.975966 3.718525 0.502715

H 7.999654 -3.66371 -0.09908 H 2.262417 5.088515 1.369866

H 6.527212 -4.06603 0.790361 H 2.266159 3.480774 2.103387

N 7.541028 -2.29033 -2.56575 N 1.313316 5.139484 -1.3284

H 7.921143 -3.18841 -2.30232 H 2.20244 5.311906 -0.88131

N 2.068122 5.1692 -0.75369 N -7.14583 0.968718 -1.45257

H 1.445469 5.674326 -0.13907 H -7.83523 0.365303 -1.02746

C 7.980705 -1.73838 -3.83448 C 1.073728 5.809005 -2.59367

H 7.108217 -1.57403 -4.48126 H 0.870232 5.058534 -3.36958

H 8.449472 -0.76007 -3.66231 H 0.179396 6.441128 -2.50751

C 8.96301 -2.67735 -4.50986 C 2.273829 6.651769 -2.9843

156

H 8.504042 -3.6512 -4.71364 H 3.170435 6.033435 -3.10489

H 9.286345 -2.25027 -5.46356 H 2.079125 7.153288 -3.93671

H 9.852951 -2.83305 -3.88982 H 2.478831 7.422005 -2.23235

C 2.436326 5.822994 -1.99666 C -7.49729 1.574741 -2.72369

H 3.527404 5.945055 -2.03389 H -7.46249 2.668608 -2.62812

H 2.149181 5.183757 -2.84238 H -6.75434 1.288836 -3.48059

C 1.755581 7.174769 -2.10709 C -8.88209 1.131902 -3.15856

H 2.051115 7.835432 -1.2843 H -9.64159 1.429666 -2.42698

H 2.041503 7.656813 -3.04637 H -9.13518 1.596334 -4.11603

H 0.664755 7.071489 -2.09795 H -8.92816 0.04473 -3.28725

C -0.5103 -0.03032 2.568208 C -0.24056 -5.45901 -2.31216

H -1.02872 -0.71445 3.256327 H -0.53989 -6.4161 -2.7563

H 0.265564 0.489614 3.142299 H -0.31916 -4.68647 -3.08299

C -1.51515 1.017621 2.073702 C 1.202995 -5.55704 -1.83195

H -1.9414 1.546229 2.937921 H 1.275619 -6.33833 -1.06191

H -0.97664 1.749691 1.456124 H 1.851382 -5.84826 -2.66747

N -2.54487 0.410063 1.262256 N 1.627944 -4.29855 -1.25637

C -3.77763 0.738989 1.417296 C 2.807273 -3.83194 -1.50254

C -4.854 0.193621 0.640459 C 3.333229 -2.60922 -0.9842

H -4.59448 -0.54751 -0.11378 H 2.690589 -2.00523 -0.34741

C -6.13326 0.605723 0.84603 C 4.608563 -2.2278 -1.27779

H -6.29141 1.350073 1.62905 H 5.187463 -2.8873 -1.92683

C -7.3307 0.19055 0.154759 C 5.306129 -1.05227 -0.82631

C -8.57189 0.735948 0.537324 C 6.637528 -0.83698 -1.23752

C -7.34482 -0.73801 -0.90663 C 4.739176 -0.08277 0.02904

C -9.75603 0.388173 -0.0868 C 7.366597 0.26393 -0.83026

H -8.60355 1.456724 1.352409 H 7.110447 -1.56223 -1.89705

C -8.51544 -1.09795 -1.54446 C 5.449991 1.0223 0.448502

H -6.4159 -1.18944 -1.24602 H 3.716452 -0.1969 0.379056

C -9.76544 -0.54459 -1.1546 C 6.793566 1.234219 0.032099

H -10.6798 0.842513 0.253185 H 8.387237 0.374158 -1.17871

H -8.46664 -1.81476 -2.35659 H 4.965784 1.732627 1.109126

N -10.922 -0.89588 -1.78224 N 7.497562 2.32156 0.44601

C -10.9004 -1.84545 -2.87585 C 6.890488 3.291859 1.334979

H -10.5096 -2.8208 -2.55683 H 6.591073 2.835392 2.287558

H -11.9173 -1.99278 -3.24033 H 7.613509 4.078731 1.550256

H -10.2883 -1.48489 -3.71338 H 6.006386 3.758036 0.880699

C -12.1797 -0.30923 -1.368 C 8.866994 2.5101 0.011527

H -12.176 0.782539 -1.48799 H 8.935158 2.59104 -1.08118

H -12.9829 -0.71416 -1.984 H 9.254541 3.432923 0.443325

H -12.4068 -0.54028 -0.31873 H 9.511524 1.68346 0.338554

H -4.04422 1.486677 2.177844 H 3.467692 -4.41572 -2.15537

Hg -1.3928 -1.24688 -0.09996 O -1.21626 -0.5743 0.381994

Hg 0.043477 -3.35927 0.08177

H -2.00828 -4.73312 -1.5271

H -1.30213 -5.87021 -0.5897

157

Phụ lục 9. Tọa độ xyz của các phức có phối tử nước ít ổn định hơn so với các phức ở

Phụ lục 8

[Hg(ethylenediamine)(H2O)]2+ [Hg(ethylenediamine)(H2O)2]2+

Atom x y z Atom x y z

Hg 0.737747 -0.0062 -0.00079 Hg -0.37189 0.006226 -0.09892

N -1.17344 -1.46123 -0.11369 N 1.578865 0.553042 -1.2613

N -1.08517 1.454093 0.131923 N 1.355382 -0.70688 1.353897

H -1.03072 -2.2645 0.490877 H 1.473955 1.471023 -1.68443

H -1.2595 -1.80671 -1.06664 H 1.719945 -0.11148 -2.01936

C -2.339 -0.6724 0.286521 C 2.695148 0.524119 -0.30964

H -0.90574 2.270287 -0.44599 H 1.138944 -1.63389 1.708976

H -1.16856 1.777384 1.093628 H 1.402641 -0.08246 2.155597

C -2.28758 0.735541 -0.3008 C 2.608695 -0.70103 0.593577

H -2.35055 -0.62134 1.37942 H 2.648014 1.438163 0.290486

H -3.27033 -1.15014 -0.03793 H 3.65735 0.51308 -0.83339

H -2.27246 0.687349 -1.3938 H 2.638113 -1.61197 -0.01239

H -3.19214 1.274487 0.001636 H 3.478103 -0.71199 1.26029

O -2.1609 -1.79236 -0.31014

H -2.80946 -1.64813 0.395769

O -1.84354 1.930779 0.7036

H -1.97352 1.805098 1.655683

H -2.64667 -1.62618 -1.1324

H -1.3032 2.731639 0.629278

[HgN(H2O)]2+ [HgM(H2O)]2+

158

Atom x y z Atom x y z

N -4.71231 0.529338 0.375258 C -3.28712 -3.23109 -0.45557

C -4.31273 1.904794 0.688174 C -3.54103 -1.91331 -0.8804

H -5.16063 2.595353 0.610912 C -2.84641 -0.86764 -0.30636

H -3.94888 1.923842 1.719513 C -1.87522 -1.06538 0.706897

C -3.20452 2.364961 -0.25506 C -1.63609 -2.40883 1.110214

H -3.57721 2.346842 -1.28897 C -2.30013 -3.47661 0.56905

H -2.92984 3.39931 -0.01496 C -1.55768 1.335784 0.788015

N -2.05865 1.48768 -0.15771 C -2.53344 1.463718 -0.23177

C -0.85625 1.959312 -0.1476 C -2.91788 2.688435 -0.73952

C 0.329355 1.170771 -0.05229 H -3.67258 2.720085 -1.51675

H 0.214493 0.093406 0.048578 C -2.32769 3.863576 -0.23757

C 1.558274 1.760094 -0.09646 C -1.32598 3.776785 0.798431

H 1.584036 2.84647 -0.19822 C -0.97762 2.540844 1.273086

C 2.846984 1.123429 -0.03616 H -4.27559 -1.69638 -1.64722

C 4.013172 1.911946 -0.12028 H -0.89362 -2.58703 1.883384

C 3.02859 -0.27057 0.095854 H -0.22524 2.468813 2.053905

C 5.279723 1.361591 -0.08112 O -3.1387 0.373646 -0.75389

H 3.914904 2.991114 -0.22173 C -1.21024 0.051564 1.244009

C 4.283774 -0.83997 0.138296 C -0.26913 -0.11615 2.385522

H 2.165537 -0.92743 0.166302 C 1.117973 -0.29675 2.240245

C 5.457206 -0.04051 0.048601 C -0.827 -0.09653 3.668632

H 6.13884 2.018896 -0.15217 C 1.910036 -0.45457 3.383516

H 4.364361 -1.91635 0.239844 C -0.02697 -0.25319 4.797773

N 6.695815 -0.59948 0.084992 H -1.89951 0.04281 3.778695

C 6.847683 -2.03513 0.214599 C 1.347381 -0.43398 4.65508

H 6.387552 -2.56796 -0.62791 H 2.978703 -0.59249 3.257589

H 7.909573 -2.28072 0.230456 H -0.48032 -0.23404 5.785044

H 6.399719 -2.40532 1.145826 H 1.978912 -0.55749 5.530406

C 7.874902 0.236302 -0.02146 C 1.753068 -0.31013 0.877039

H 7.93087 0.960767 0.801479 O 3.036467 -0.50428 0.899643

H 8.763598 -0.39341 0.021463 C -2.0242 -4.87895 1.024072

H 7.893418 0.78778 -0.97067 H -2.91982 -5.35431 1.446048

H -0.72704 3.045958 -0.22153 H -1.66969 -5.51353 0.200851

Hg -2.69696 -0.70147 -0.05912 H -1.2536 -4.88559 1.799191

H -5.22751 0.105871 1.141725 C -0.69147 5.025771 1.334298

H -5.31157 0.492369 -0.44622 H -0.16997 5.587934 0.548149

O -1.9485 -2.98926 -0.25867 H -1.43253 5.698785 1.786138

H -2.62401 -3.56031 0.140238 H 0.043613 4.781522 2.105435

H -1.16602 -3.08969 0.306323 N -2.68613 5.07178 -0.70798

H -2.23442 5.886976 -0.31868

N -3.95478 -4.26987 -0.98875

H -3.73824 -5.1971 -0.65188

C -3.68645 5.302552 -1.73422

H -3.3881 4.785965 -2.65666

H -4.64342 4.870047 -1.41204

C -3.84716 6.788769 -1.99553

159

H -2.90784 7.234636 -2.34129

H -4.60184 6.94797 -2.77115

H -4.17346 7.317092 -1.09267

C -4.9788 -4.1658 -2.01237

H -5.7858 -3.51288 -1.6532

H -4.55184 -3.69558 -2.90868

C -5.53037 -5.53774 -2.35401

H -5.98619 -6.01133 -1.47729

H -6.30005 -5.44469 -3.12564

H -4.74423 -6.19717 -2.73857

O 1.071888 -0.14235 -0.13618

Hg 3.996741 -0.39151 -1.01081

O 5.006659 0.184289 -2.98886

H 5.898917 -0.19946 -3.01837

H 4.521921 -0.23339 -3.72018

[HgL1a(H2O)]2+ [HgL1b(H2O)]2+ Atom x y z Atom x y z

C 2.277177 3.806334 -0.52221 C 2.512736 3.961224 -0.58327

C 3.158211 3.033455 -1.30263 C 3.402607 3.162264 -1.32627

C 3.697232 1.877711 -0.77669 C 3.859946 1.975285 -0.79169

C 3.382406 1.412746 0.527013 C 3.455326 1.50778 0.485548

C 2.506812 2.229064 1.298696 C 2.568045 2.346756 1.217737

C 1.961609 3.391529 0.824465 C 2.09694 3.536729 0.732421

C 4.882124 -0.45678 0.158014 C 4.897816 -0.41491 0.173622

C 5.164764 0.071165 -1.12892 C 5.260656 0.108224 -1.09419

C 6.052754 -0.5277 -1.99763 C 6.152656 -0.52865 -1.93242

H 6.22809 -0.07192 -2.96514 H 6.3896 -0.07547 -2.88802

C 6.710228 -1.71107 -1.61053 C 6.731216 -1.74771 -1.53161

C 6.430657 -2.29772 -0.32064 C 6.377069 -2.32379 -0.2558

C 5.542085 -1.66895 0.508499 C 5.487754 -1.65692 0.542425

H 3.435791 3.330824 -2.30726 H 3.749283 3.462286 -2.3084

H 2.281626 1.920412 2.315712 H 2.270167 2.030232 2.21327

H 5.325121 -2.10864 1.477669 H 5.210299 -2.09069 1.498745

O 4.558363 1.19769 -1.56395 O 4.730318 1.267356 -1.54363

C 3.968321 0.218233 0.985764 C 3.968687 0.287077 0.962349

C 3.664583 -0.28993 2.349295 C 3.582494 -0.21902 2.305296

C 2.427044 -0.87905 2.672782 C 2.316302 -0.78084 2.552359

C 4.632043 -0.13652 3.347323 C 4.506311 -0.11064 3.349996

C 2.193046 -1.30468 3.983977 C 2.016727 -1.24056 3.838117

C 4.385687 -0.56263 4.650749 C 4.19222 -0.56787 4.628187

H 5.581845 0.330079 3.098904 H 5.477388 0.338726 3.15727

C 3.164693 -1.15147 4.969562 C 2.946617 -1.14185 4.870846

H 1.246902 -1.7805 4.227523 H 1.048589 -1.69691 4.027899

H 5.149737 -0.4347 5.412349 H 4.922623 -0.4787 5.427549

H 2.967725 -1.49522 5.980973 H 2.697193 -1.5139 5.860806

160

C 1.372976 -1.10412 1.64125 C 1.349679 -1.01569 1.416305

O 1.832353 -1.72518 0.557044 O 1.786932 -1.61239 0.410246

N 0.137653 -0.79156 1.731465 N 0.081978 -0.62558 1.535964

C 1.063684 4.237892 1.677004 C 1.177685 4.401641 1.542471

H 1.470229 5.24865 1.815029 H 1.612107 5.392778 1.72981

H 0.061585 4.343127 1.239892 H 0.212036 4.553821 1.041709

H 0.945046 3.793874 2.668761 H 0.975609 3.943159 2.514008

C 7.108666 -3.57255 0.084815 C 6.976232 -3.63216 0.166841

H 6.88175 -4.39323 -0.60865 H 6.734819 -4.4381 -0.53905

H 8.200507 -3.46031 0.119034 H 8.07037 -3.57453 0.241432

H 6.779621 -3.88215 1.080021 H 6.595753 -3.92898 1.14752

N 7.593956 -2.30814 -2.42768 N 7.606845 -2.39081 -2.32336

H 8.04211 -3.15439 -2.1059 H 7.996863 -3.26136 -1.99116

N 1.733302 4.935274 -1.0072 N 2.050846 5.123452 -1.07615

H 1.113107 5.459981 -0.40649 H 1.424626 5.668292 -0.50024

C 7.974343 -1.8243 -3.74283 C 8.046642 -1.93165 -3.62844

H 7.083876 -1.77471 -4.38391 H 7.174859 -1.82022 -4.2873

H 8.370974 -0.804 -3.65309 H 8.510586 -0.94101 -3.52869

C 9.015774 -2.73753 -4.36264 C 9.034727 -2.91388 -4.23013

H 8.629312 -3.75579 -4.48213 H 8.581052 -3.90287 -4.35952

H 9.293236 -2.36328 -5.35228 H 9.356946 -2.55878 -5.21326

H 9.922922 -2.77739 -3.74933 H 9.924827 -3.01742 -3.59945

C 1.970117 5.47176 -2.33566 C 2.398613 5.676418 -2.37281

H 3.043524 5.66652 -2.463 H 3.485941 5.823461 -2.42626

H 1.681628 4.722917 -3.08543 H 2.126123 4.958537 -3.15799

C 1.178656 6.749924 -2.54154 C 1.681082 6.994443 -2.59768

H 1.470391 7.518022 -1.81665 H 1.959267 7.731988 -1.83655

H 1.367445 7.143416 -3.54447 H 1.952649 7.400643 -3.57627

H 0.102137 6.569629 -2.4459 H 0.593565 6.862565 -2.57563

C -0.47452 -0.01976 2.780154 C -0.47749 0.190167 2.591764

H -1.07347 -0.68499 3.417047 H -1.03257 -0.43304 3.308286

H 0.243877 0.501012 3.429297 H 0.306874 0.714486 3.149578

C -1.40324 1.038145 2.165036 C -1.43455 1.240733 2.015353

H -1.90507 1.586044 2.971664 H -1.84704 1.843966 2.837163

H -0.79622 1.750988 1.593629 H -0.86017 1.90688 1.356622

N -2.39366 0.468365 1.260645 N -2.47471 0.614851 1.233582

C -3.65711 0.682919 1.455729 C -3.70137 0.962695 1.388218

C -4.72061 0.186294 0.65035 C -4.79095 0.378871 0.655885

H -4.47567 -0.42433 -0.21514 H -4.541 -0.40353 -0.05851

C -6.01676 0.469728 0.974635 C -6.06865 0.793811 0.859555

H -6.18421 1.093225 1.854587 H -6.21973 1.585976 1.59573

C -7.20807 0.03845 0.297866 C -7.27556 0.318627 0.223035

C -8.4682 0.435465 0.793259 C -8.51383 0.888079 0.577587

C -7.20449 -0.7832 -0.85139 C -7.30147 -0.70183 -0.74965

C -9.6506 0.046871 0.195381 C -9.70632 0.47813 0.00858

H -8.5123 1.067813 1.677895 H -8.53703 1.678638 1.325535

C -8.37318 -1.18236 -1.46312 C -8.48056 -1.1263 -1.33022

161

H -6.2629 -1.12066 -1.2765 H -6.37544 -1.17834 -1.06163

C -9.64179 -0.7805 -0.95837 C -9.72771 -0.5484 -0.96885

H -10.5888 0.381855 0.622728 H -10.6275 0.9557 0.322988

H -8.3119 -1.81424 -2.3419 H -8.44041 -1.91531 -2.073

N -10.7951 -1.17525 -1.55766 N -10.8932 -0.96484 -1.53867

C -10.757 -2.0307 -2.72764 C -10.8833 -2.01019 -2.541

H -10.2692 -2.98972 -2.51001 H -10.4783 -2.94973 -2.14209

H -11.7772 -2.23634 -3.05158 H -11.9054 -2.19749 -2.87098

H -10.2258 -1.55144 -3.56005 H -10.29 -1.72357 -3.41964

C -12.075 -0.75517 -1.0224 C -12.1482 -0.35348 -1.15358

H -12.1714 0.3382 -1.02353 H -12.1587 0.722694 -1.37325

H -12.8728 -1.1655 -1.64153 H -12.9595 -0.82019 -1.71263

H -12.2201 -1.11559 0.004415 H -12.3517 -0.48885 -0.0829

H -3.93455 1.299809 2.3173 H -3.95598 1.749456 2.113395

Hg -1.48196 -0.75958 -0.27753 Hg -1.28761 -1.18189 -0.03821

O -0.06393 -1.99084 -1.22473 O -1.83195 -2.40867 -1.9801

H 1.097924 -1.8158 -0.15285 H -2.33097 -3.1988 -1.71752

H 0.162063 -1.60535 -2.08394 H -2.44542 -1.8912 -2.526

[HgL1(H2O)2]2+

Atom x y z

C 3.824816 3.847443 -1.14

C 4.456675 2.728437 -1.71271

C 4.519852 1.544813 -1.00595

C 3.95002 1.395817 0.285399

C 3.315457 2.544998 0.836064

C 3.23956 3.742197 0.175689

C 4.799885 -0.87567 0.331585

C 5.342361 -0.66056 -0.96394

C 6.060619 -1.62563 -1.63629

H 6.455592 -1.39573 -2.61897

C 6.27464 -2.87871 -1.02991

C 5.722812 -3.14721 0.278876

C 5.014028 -2.16118 0.907192

H 4.921118 2.777736 -2.69073

H 2.896925 2.467976 1.836346

H 4.591248 -2.35925 1.887922

O 5.172027 0.521184 -1.59636

C 4.086183 0.162075 0.95128

C 3.569546 -0.00788 2.337866

C 2.215243 -0.25192 2.645092

C 4.493085 0.108841 3.38148

C 1.836484 -0.40113 3.984649

C 4.09916 -0.02887 4.710387

H 5.534527 0.311561 3.144211

C 2.76717 -0.29473 5.013075

162

H 0.804943 -0.64102 4.224181

H 4.835588 0.063209 5.503661

H 2.453023 -0.42679 6.044296

C 1.183558 -0.42089 1.586196

O 1.610333 -1.14854 0.560656

N -0.01698 0.032429 1.598668

C 2.588935 4.940437 0.801624

H 3.297571 5.770278 0.928087

H 1.746018 5.311678 0.202661

H 2.202956 4.69788 1.795308

C 5.934273 -4.48721 0.918575

H 5.517057 -5.30147 0.310785

H 6.999909 -4.70027 1.079247

H 5.447041 -4.53099 1.895849

N 6.984764 -3.83428 -1.65099

H 7.116586 -4.71252 -1.16965

N 3.766926 5.020584 -1.7961

H 3.335247 5.804297 -1.32815

C 7.611165 -3.70683 -2.95725

H 6.839315 -3.48473 -3.70672

H 8.310392 -2.85978 -2.94023

C 8.344255 -4.98477 -3.32191

H 7.659489 -5.83896 -3.37

H 8.810632 -4.87881 -4.30525

H 9.138752 -5.2092 -2.60139

C 4.349139 5.282827 -3.10246

H 5.427815 5.076799 -3.06662

H 3.905933 4.597964 -3.8381

C 4.104829 6.723118 -3.514

H 4.565288 7.424006 -2.80852

H 4.544694 6.909308 -4.49764

H 3.033534 6.943576 -3.58219

C -0.62871 0.886737 2.586378

H -1.15294 0.274602 3.333979

H 0.092628 1.519329 3.12255

C -1.66031 1.800326 1.903076

H -2.18245 2.385352 2.669733

H -1.13301 2.504055 1.244523

N -2.63463 1.057324 1.109532

C -3.92695 1.251652 1.250587

C -4.94814 0.595008 0.551094

H -4.67543 -0.16581 -0.1786

C -6.2709 0.911199 0.799304

H -6.45095 1.68555 1.547635

C -7.4367 0.365525 0.209866

C -8.70675 0.850353 0.614298

C -7.42383 -0.65355 -0.77763

163

C -9.87753 0.368506 0.084279

H -8.75615 1.631495 1.370104

C -8.58261 -1.14797 -1.31906

H -6.4783 -1.06361 -1.12238

C -9.85809 -0.65333 -0.90777

H -10.8193 0.776712 0.430841

H -8.51978 -1.92649 -2.07021

N -10.9997 -1.13708 -1.43961

C -10.961 -2.17958 -2.45167

H -10.4898 -3.09203 -2.06654

H -11.9799 -2.4263 -2.74847

H -10.4185 -1.84784 -3.34531

C -12.2884 -0.62089 -1.00732

H -12.3767 0.452406 -1.21447

H -13.0799 -1.13607 -1.55067

H -12.4457 -0.79081 0.064619

H -4.22257 2.002038 1.990377

Hg -1.70904 -0.31814 -0.15593

O -0.43366 -1.53597 -1.20988

H 0.901064 -1.27129 -0.13827

H -0.34412 -1.29593 -2.14339

O -2.69772 -2.74098 -0.17082

H -1.90428 -3.02101 -0.66029

H -2.94569 -3.46931 0.414782

Phụ lục 10. Tọa độ xyz của các chất trong phản ứng tổng hợp RLED (trên hình 3.49)

A B Atom x y z Atom x y z

C 3.909563 0.999739 -0.7735 C -3.49661 -1.49324 -0.35649

C 3.593245 2.3398 -0.34268 C -2.22438 -2.07233 -0.32359

C 2.263886 2.677075 -0.02871 C -1.0846 -1.27103 -0.23323

C 1.274815 1.720082 -0.13875 C -1.16509 0.114946 -0.17974

C 1.543342 0.395006 -0.56102 C -2.45161 0.675838 -0.22801

164

C 2.896175 0.08383 -0.86882 C -3.6112 -0.07376 -0.31202

O 0.018771 2.105814 0.178632 C 1.315949 0.141506 -0.11794

C -1.02234 1.248615 0.076826 C 1.268344 -1.24592 -0.18224

C -0.82254 -0.08878 -0.35247 C 2.428269 -2.02208 -0.21515

C 0.478822 -0.52251 -0.64551 H 2.318868 -3.10041 -0.25939

C -2.26794 1.74457 0.396258 C 3.687633 -1.41519 -0.19039

C -3.4021 0.911308 0.298856 C 3.76915 0.005519 -0.12137

C -3.23813 -0.46101 -0.13008 C 2.590831 0.729699 -0.08675

C -1.98246 -0.91059 -0.43445 H -2.08903 -3.14767 -0.36928

N -4.62788 1.359713 0.622326 H -2.54168 1.760504 -0.18664

C 4.400359 4.632506 0.159712 H 2.655773 1.815553 -0.03176

C 5.726119 5.370398 0.13307 O 0.099591 -1.95387 -0.21329

C -4.89966 2.701698 1.107968 C 0.063462 0.990305 -0.04528

C -6.27303 2.776533 1.752269 C 0.0753 2.11649 -1.06684

C 0.714867 -1.90039 -1.1592 C 0.070848 3.349474 -0.42632

C 1.0713 -2.98932 -0.34136 C 0.089567 2.038907 -2.45341

C 1.280532 -4.24671 -0.9207 C 0.082247 4.545764 -1.1369

C 1.139613 -4.4325 -2.29098 C 0.101099 3.232477 -3.17731

C 0.785569 -3.35552 -3.10038 H 0.092465 1.078836 -2.96393

C 0.57522 -2.09995 -2.53546 C 0.097588 4.474655 -2.52852

C 5.324717 0.635179 -1.1112 H 0.079201 5.501018 -0.61835

C -4.42403 -1.37458 -0.19081 H 0.11328 3.198622 -4.26376

C 1.214728 -2.80256 1.129616 H 0.106714 5.387404 -3.11822

O 1.006062 -1.74939 1.703313 C 0.059009 3.121176 1.03773

O 1.591228 -3.92224 1.75024 O 0.077088 3.967942 1.933983

H 1.993564 3.674502 0.298218 N 0.035176 1.773725 1.217671

H 3.129022 -0.926 -1.19617 C -4.96174 0.581894 -0.34765

H -2.35156 2.784666 0.687758 H -5.49872 0.376052 -1.28473

H -1.8557 -1.94469 -0.74337 H -5.60355 0.236737 0.474198

H 3.682157 5.12148 -0.5124 H -4.86695 1.668199 -0.26194

H 3.972521 4.659934 1.171121 C 5.105233 0.69057 -0.09822

H 5.578134 6.408299 0.444662 H 5.694984 0.420718 0.789536

H 6.448762 4.912037 0.817271 H 5.710127 0.432113 -0.97788

H 6.155296 5.378028 -0.87499 H 4.982754 1.777402 -0.08654

H -4.13403 2.963733 1.846257 N 4.844329 -2.15658 -0.27049

H -4.82143 3.427089 0.284064 H 5.678534 -1.69305 0.063303

H -6.46589 3.799956 2.089331 N -4.63657 -2.26335 -0.39627

H -7.05622 2.489774 1.043413 H -5.46472 -1.79204 -0.73419

H -6.332 2.111718 2.620984 C 4.85191 -3.59792 -0.11445

H 1.55352 -5.08054 -0.28313 H 4.365499 -3.89502 0.829453

H 1.304098 -5.41478 -2.72435 H 4.267839 -4.04483 -0.92908

H 0.671143 -3.48816 -4.17262 C 6.273253 -4.13015 -0.15718

H 0.299775 -1.2595 -3.16716 H 6.875548 -3.72093 0.662799

H 5.716278 1.243511 -1.93741 H 6.270743 -5.21994 -0.05761

H 5.997133 0.769913 -0.25349 H 6.760632 -3.87375 -1.10429

H 5.388647 -0.41234 -1.4163 C -4.60055 -3.68721 -0.66613

H -5.19709 -1.00686 -0.87706 H -4.06701 -3.89724 -1.60804

165

H -4.12129 -2.37314 -0.51743 H -4.04053 -4.18475 0.135849

H -4.89837 -1.46913 0.795015 C -6.00853 -4.25213 -0.72846

N 4.578782 3.251875 -0.25056 H -6.58613 -3.79091 -1.53854

H 5.517615 2.961627 -0.48352 H -5.97437 -5.32992 -0.91489

C 1.765924 -3.86071 3.181863 H -6.54131 -4.08387 0.213931

H 0.999171 -3.20429 3.600421 C 0.094904 1.161106 2.525235

H 1.58499 -4.88478 3.514691 H 0.605571 0.196348 2.433605

C 3.160118 -3.3981 3.543358 H 0.713229 1.804126 3.163661

H 3.337659 -2.37305 3.204401 C -1.27358 0.966316 3.176682

H 3.279293 -3.42384 4.632143 H -1.81771 1.924035 3.15379

H 3.916691 -4.05436 3.10122 H -1.85629 0.24659 2.593145

H -5.44209 0.84596 0.278567 N -1.09037 0.427692 4.521022

Cl -7.47969 0.544116 -1.06191 H -0.71526 1.147219 5.135551

H -1.9902 0.165775 4.914637

C D Atom x y z Atom x y z

C -2.2269 0.389043 -0.01932 C 1.371932 1.293764 0.000007

H -2.35641 1.044821 0.85756 C -0.00035 1.455381 -0.00001

H -2.38324 1.006015 -0.91155 C -0.88671 0.359819 -7E-06

C -0.81193 -0.16816 -0.03387 C -0.30878 -0.92741 0.000017

H -0.63659 -0.8327 0.816166 C 1.058211 -1.11114 0.000034

H -0.6211 -0.72487 -0.95358 C 1.948668 -0.00229 0.000027

N -3.16672 -0.72211 -0.06426 H 2.003108 2.175181 -6E-06

H -3.22455 -1.17189 0.846157 H -0.40787 2.464638 -3.1E-05

H -4.09981 -0.37737 -0.27003 H -0.94617 -1.80788 0.000027

N 0.204836 0.911904 0.051177 H 1.447861 -2.12288 0.000064

H 1.192442 0.509234 0.031918 N 3.297318 -0.17966 0.00004

H 0.126274 1.569001 -0.72816 C 4.181739 0.967634 0.000144

H 0.109929 1.453832 0.912927 H 5.215298 0.621458 0.000273

Cl 2.991717 -0.30176 -0.01122 H 4.032267 1.592383 -0.89024

H 4.032048 1.592376 0.890495

C 3.859973 -1.5149 -1.4E-05

H 4.947644 -1.44285 -0.00014

H 3.557264 -2.08102 0.890572

H 3.557073 -2.08101 -0.89054

C -2.30724 0.596784 -2.6E-05

H -2.59862 1.649935 -4.6E-05

C -3.31853 -0.31407 -1.8E-05

H -3.14493 -1.3881 -1E-06

C -4.68837 0.135101 -2.9E-05

H -4.8249 1.236797 -0.00018

O -5.67682 -0.59793 -0.00016

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Documents

Transcript of LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC