Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh lê thế tâm Nghiên cứu sự tạo phức của MALTOL với fe 3+ ứng dụng xác định d lợng streptomycin trong thực phẩm chuyên ngành: Hóa vô cơ m số : 60.44.25ã luận văn thạc sĩ hóa học Ngời hớng dẫn khoa học: TS. NGuyễn hoa du Vinh - 2008 2 Lời cảm ơn Luận văn đợc hoàn thành tại phòng thí nghiệm chuyên đề bộ môn Hoá Vô cơ - Khoa Hoá - Trờng Đại học Vinh. Để hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: - TS. Nguyễn Hoa Du đã giao đề tài, tận tình hớng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho việc nghiên cứu và hoàn thành luận văn. - TS. Phan Thị Hồng Tuyết, TS. Trần Đình Thắng, TS. Nguyễn Quốc Thắng đã đóng góp nhiều ý kiến quí báu trong quá trình làm luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, khoa Hoá học cùng các thầy cô giáo, các cán bộ phòng thí nghiệm khoa Hoá đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cung cấp hoá chất, thiết bị và dụng cụ dùng cho đề tài. Xin cảm ơn tất cả những ngời thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tôi thực hiện và hoàn thành luận văn. Vinh, tháng 12 năm 2008. Lê thế tâm Mục lục Mở đầu .1 Chơng 1: Tổng Quan .2 1.1. Giới thiệu về sắt(III) .2 1.1.1. Tính chất hoá học của Fe 3+ 2 1.1.2. Các phản ứng tạo phức của sắt với các thuốc khử 2 1.2. Giới thiệu về kháng sinh nhóm Aminosid .7 1.3. Giới thiệu về Maltol và khả năng tạo phức màu với các ion kim loại .14 1.4. Các phơng pháp xác định thành phần phức trong dung dịch .15 1.4.1. Phơng pháp tỷ số mol 16 1.4.2. Phơng pháp hệ đồng phân tử mol 16 1.5. Cơ chế tạo phức 18 1.6. Các phơng pháp và xác định hệ số hấp thụ phân tử của phức .22 1.6.1. Phơng pháp Kormar xác định hệ số hấp thụ phân tử của phức .22 1.6.2. Phơng pháp xử lý thống kê đờng chuẩn 24 1.7. Phơng pháp nghiên cứu 24 1.7.1. Phơng pháp phổ hồng ngoại 24 1.7.2. Phơng pháp phổ hấp thụ electron 24 1.7.2.1. Các kiểu chuyển mức electron trong phân tử phức chất 24 1.7.2.2. Phổ hấp thụ electron của phức chất Fe(III) 26 Chơng 2: Kỹ thuật thực nghiệm .29 2.1. Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 29 2.1.1. Dụng cụ .29 2.1.2. Thiết bị nghiên cứu .29 2.2. Pha chế hoá chất .29 2.2.1. Dung dịch gốc Fe 3+ (10 -3 M) .29 2.2.2. Dung dịch gốc streptomycin (10 -3 M) 30 2.2.3. Dung dịch NaOH (1M) .30 2.2.4. Dung dịch hoá chất khác .30 2.3. Cách tiến hành thí nghiệm .30 2.4. Xử lý các kết quả thực nghiệm 32 Chơng 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận .33 3.1. Nghiên cứu sự tạo phức trong hệ Fe 3+ - maltol 33 3.1.1. Nghiên cứu hiệu ứng tạo phức 33 3.1.2. Nghiên cứu điều kiện ảnh hởng đến sự thuỷ phân streptomycin 35 3.1.2.1. ảnh hởng của nhiệt độ đến quá trình thuỷ phân streptomycin 35 3.1.2.2. ảnh hởng của thời gian đun nóng đến quá trình thuỷ phân streptomycin 38 3.1.2.3. ảnh hởng của NaOH đến quá trình thuỷ phân streptomycin 39 3.1.3. Nghiên cứu các điều kiện ảnh hởng đến sự tạo phức màu Fe 3+ -maltol .41 3.1.3.1. ảnh hởng của thời gian đến hiệu suất phản ứng tạo phức .41 3.1.3.2. ảnh hởng của pH đến hiệu suất phản ứng tạo phức 42 3.2. Khảo sát thành phần phức Fe 3+ -maltol .43 3.2.1. Phơng pháp tỷ số mol xác định tỷ lệ Fe 3+ : maltol .43 3.2.2. Phơng pháp hệ đồng phân tử mol xác định tỷ lệ Fe 3+ : maltol .45 3.3. Nghiên cứu cơ chế tạo phức Fe 3+ -maltol 47 3.3.1. Giản đồ phân bố các dạng tồn tại của Fe 3+ và ligan theo pH 47 3.3.1.1. Giản đồ phân bố các dạng tồn tại của Fe 3+ theo pH .47 3.3.1.2. Giản đồ phân bố các dạng tồn tại của HMal (Maltol) theo pH .50 3.3.2. Cơ chế tạo phức Fe 3+ - maltol .51 3.3.3. Xác định hệ số hấp thụ phân tử của phức Fe(Mal) 3 theo phơng pháp Komar .53 3.3.4. Xác định các hằng số K cb ,của phức Fe(Mal) 3 theo phơng pháp Komar .54 3.3.5. Khoảng nồng phức tuân theo định luật Beer .56 3.4. Qúa trình chiết tách maltol ra khỏi hỗn hợp thủy phân 57 3.5. ứng dụng kết quả nghiên cứu để xác định hàm lợng steptomycin trong thực phẩm 58 3.5.1. xây dựng đờng chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ của phức màu 58 3.5.2. Xác định hàm lợng streptomycin trong mẫu giả bằng phơng pháp trắc quang .60 Kết luận 62 Tài liệu tham khảo .64 2 Phụ lục .67 Mở đầu Streptomycin có công thức chung S 12 H 39 O 12 N 17 là chất kháng sinh tách đợc từ xạ khuẩn streptomycyes grieus và một số xạ khuẩn khác, liên kết đặc hiệu với phần tiểu đơn vị 30S ở ribosom có tác dụng ngăn cản quá trình sinh tổng hợp protein ở nhiều vi khuẩn gran dơng, gran âm (Mycobacterium). streptomycin có tác dụng tốt trên trực khuẩn lao, nhất là vi khuẩn lao ở giai đoạn sinh sản nhanh. Ngoài ra còn có tác dụng cả trên trực khuẩn gây bệnh phong, dịch hạch và trực khuấn đờng ruột. Streptomycin gây độc với thính giác mạnh nhất trong nhóm, nh rối loạn tiền đình, gây ù tai, giảm thính lực và điếc không hồi phục. Đặc biệt trong nhiều thực phẩm có chứa một lợng streptomycin, vì vậy điều đó sẽ không tốt cho sức khỏe khi đa vào cơ thể. Uỷ ban tiêu chuẩn hóa thực phẩm Việt Nam đã khuyến nghị mức d lợng đối với streptomycin trong thực phẩm. Để xác định d lợng streptomycin trong các đối tợng thực phẩm, Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) sử dụng phơng pháp thủy phân streptomycin và dựa vào sự tạo phức màu của maltol tạo thành với ion Fe 3+ . Để làm rõ cơ sở khoa học của phơng pháp này, chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu tạo phức của maltol với ion Fe 3+ , ứng dụng xác định d lợng streptomycin trong thực phẩm làm đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp cao học. Để thực hiện mục đích đó chúng tôi cần giải quyết những nội dung chủ yếu nh sau: 1. Nghiên cứu các điều kiện ảnh hởng đến quá trình thủy phân streptomycin tạo ra maltol. 2. Nghiên cứu sự tạo phức của Fe 3+ với maltol: - Xác định các điều kiện tạo phức tối u. - Xác định thành phần phức tạo thành. - Nghiên cứu cơ chế tạo phức và xác định các tham số định lợng phức tạo thành. 3. ứng dụng các kết quả nghiên cứu để xác định streptomycin trong thịt. 3 Chơng 1 Tổng quan tài liệu 1.1. Giới thiệu về Fe(III) [1,2,13,22,26] 1.1.1. Tính chất hóa học của Fe(III). Số phối trí của Fe(III) là 4, 6 ứng với các cấu trúc tứ diện và bát diện. Trong dung dịch nớc Fe(III) rất dễ thuỷ phân và tồn tại dới dạng phức hiđroxo: Fe 3+ + H 2 O Fe(OH) 2+ + H + Fe 3+ + 2H 2 O Fe (OH) 2 + + 2H + Fe 3+ + 3H 2 O Fe(OH) 3 + 3H + 2 Fe 3+ + 2H 2 O Fe 2 (OH) 2 4+ +2H + Trong môi trờng axit có pH = 2 sắt tạo phức hiđroxo. Fe(III) có tính oxi hoá mạnh. Fe 3+ + e - = Fe 2+ E 0 = 0,77V Fe(H 2 O) 6 3+ + H 2 O [Fe(H 2 O) 5 OH] 2+ + H 3 O + Sắt(III) có nhiều khả năng hình thành phức nhiều nhân do hiện tợng polime hoá. Trong môi trờng axit Fe 3+ có tính oxi hoá và Fe 2+ có tính khử, Fe 3+ có thể oxi hoá đợc nhiều chất khử (H 2 S, I - , Sn 2+ , SO 2 , S 2 O 3 2- ) và Fe 2+ có thể khử đợc nhiều chất oxi hoá (MnO 4 - , Cr 2 O 7 2- , O 2 , HNO 3 ). Khi có các chất tạo phức mạnh với Fe 3+ , tính khử của Fe 2+ tăng lên, tính oxi hoá của Fe 3+ giảm xuống. Ngoài ra sắt còn tạo nhiều muối ít tan, muối có màu và muối không màu. 1.1.2. Các phản ứng tạo phức của sắt với các thuốc thử 1. Thuốc thử 4- (2-pyridylazo)-rezoxin PAR Theo các tài liệu chúng tôi thông kê các tham số về phức sắt(III)-PAR đợc trình bày nh sau: 4 Bảng 1.1. Các tham số định lợng phức sắt(III)-PAR Ion pH tu max (nm) .10 4 lg Fe : R Fe 3+ 8,0ữ9,3 530 6,04 4,0 517 4,2 1:2 496 6,05 18,7 1:2 720 Các tham số định lợng của phức đơn li gan Fe 3+ -PAR trong các công trình cho kết quả không giống nhau đặc biệt là các giá trị max , hoặc cha đủ giá trị hằng số bền. 2. Thuốc thử thioxianat (SCN - ) Thioxianat là một thuốc thử nhạy đối với ion Fe(III), nó đợc sử dụng rộng rãi trong định tính và định lơng sắt. vì axit thioxianic là một axit mạnh nên nồng độ SCN - ít bị ảnh hởng bởi pH. Trong dung dịch cờng độ màu của phức Fe 3+ - SCN - phụ thuộc vào nồng độ SCN - , pH và thời gian phản ứng. Theo saclo và KabKo[35] phức Fe 3+ - SCN - hấp thụ cực đại ở 480nm, dung dịch phức Fe 3+ - SCN - bị giảm màu khi để ngoài ánh sáng, tốc độ giảm màu chậm trong vùng axit yếu và nhanh khi nhiệt độ tăng. Sự có mặt H 2 O 2 hoặc (NH 4 ) 2 S 2 O 8 càng làm cho cờng độ màu và độ bền màu của phức giảm đi. Khi nồng độ SCN - lớn không những nó làm tăng độ nhạy của phép đo mà còn loại trừ đợc sự ảnh hởng của các ion F - , PO 4 3- và một số ion khác tạo phức đợc với ion Fe 3+ . Trong môi trờng axit có những ion gây ảnh hởng đến việc xác định ion Fe 3+ bằng SCN - nh C 2 O 4 2- , F - . Ngoài ra còn có các ion tạo phức màu hay kết tủa với ion thioxianat nh Cu 2+ , Co 2+ , Fe 3+ , Ag + , Hg 2+ .Sự cản trở của ion Co 2+ là do màu của bản thân nó,ta có thể loại trừ bằng cách chọn bớc sóng đo thích hợp. Các ion Zn 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ tạo phức với SCN - sẽ làm giảm cờng độ màu của phức Fe 3+ - SCN - . Do đó muốn sử dụng phơng pháp này cần phải tách các ion gây ảnh hởng đến màu của phức [22]. Phơng pháp dùng thuốc thử SCN - có giới hạn phát hiện, độ chính xác thấp nh- ng đợc sử dụng rộng rãi vì phơng pháp này đơn giản, nhanh, áp dụng đợc trong các dung dịch axit mạnh và là thuốc thử tơng đối rẻ tiền. Phơng pháp này xác định đợc 5 hàm lợng sắt từ 1ppm-10ppm [16] ngời ta cũng đã sử dụng phức của Fe 2+ với SCN - để chiết lên dung môi hữu cơ nhằm tăng độ chọn lọc và độ nhạy của cho phép xác định Fe 2+ . Trong nghiên cứu các tác giả này đã nghiên cứu thành công phép chiết Fe 2+ - SCN - lên dung môi hữu cơ bằng chất chiết tetrabutyl amoni sunfat (TBAS) bằng dung môi clorofom [22]. Cũng dựa trên cơ sở nghiên cứu trớc đây về sự tạo phức màu giữa Fe và SCN - , gần đây một số tác giả đã đề xuất một số phơng pháp xác định sắt tổng và sắt(III) trong nớc ma cỡ ppb. Đây là phơng pháp xác định sắt đơn giản, có độ nhạy vừa và độ chọn lọc cao. Phơng pháp này dựa trên phản ứng tạo màu giữa Fe 3+ và SCN - với sự có mặt của một cation mang hoạt tính hoạt động bề mặt, ví dụ nh cetyl pyridin clorua (CPC), trong môi trờng axit HCl đặc, sau đó chiết phức này với N- octyl axetamin bằng dung môi toluen hoặc clorofom. Hệ số hấp thụ phân tử của phức là = 2,6.10 5 l.mol -1 cm -1 tại bớc sóng cức đại là max =480nm và hệ số làm giàu là 10. Giới hạn phát hiện là 5.10 -6 mg/ml. Các ion thờng đi cùng với sắt không gây cản trở đến phép xác định hàm lợng sắt ở nồng độ cỡ ppb trong các mẫu nớc. 3. Thuốc thử o-phenantrolin [4] Thuốc thử o-phenantrolin là một thuốc thử khá nhạy, dùng để xác định ion Fe 2+ dựa trên sự tạo phức giữa thuốc thử và Fe 2+ phức tạo thành có màu đỏ da cam và có công thức [(C 12 H 8 N 2 ) 3 Fe] 2+ Phức này hoàn toàn bền, cờng độ màu không thay đổi trong khoảng pH từ 2-9 và phức có max = 508nm. Nồng độ sắt tuân theo định luật bia là 0,4-8 ppm. Một số nguyên tố gây ảnh hởng dến tới xác định sắt bằng thuốc thử o- phenantrolin nh Ag + do tạo kết tủa,các nguyên tố Cd, Hg và Zn tạo phức khó tan + Fe 2+ N N N N Fe 2+ 3 3 6 với thuốc thử đồng thời làm giảm cờng độ màu của phức sắt. Có thể giảm ảnh h- ởng các nguyên tố nh Be, Sn, Cu, Mo đến mức tối thiểu bằng cách điều chỉnh pH trong khoảng hẹp nh : Hg 2+ có thể có mặt 10ppm (từ pH 3-9), Be 2+ có thể có mặt 50ppm (từ pH 3-5,5), Co có thể có mặt 10ppm (từ pH 2-5), Sn 2+ không quá 20ppm pH từ 2-3 Sn 4+ nhỏ hơn 50ppm (pH=2,5) đều không cản trở đến sự tạo màu của giữa phức sắt và thuốc thử. Fe 3+ cũng tạo phức với o-phenantrolin, phức này có màu lục nhạt và có max = 585nm tuy vậy phức này không bền theo thời gian và chuyển dần sang phức màu vàng nhạt và có cực đại hấp thụ ở max = 360nm. 4. Thuốc thử axit sunfosalixilic [4] Axit sunfosalixilic tạo phức với sắt(II) có màu phụ thuộc vào nồng độ axit của dung dịch. Theo Saclo, với dung dịch có pH =1,5 thì max =500nm, còn pH =5 thì max = 460nm. Axit sunfosalixilic còn đợc sử dụng để xác định sắt(II) trong môi trờng axit, xác định tổng lợng Fe 2+ và Fe 3+ trong môi trờng kiềm. ở pH = 1,8-2,5 phức Fe 3+ với axit sunfosalixilic có màu tím đỏ ứng với max = 510 nm , ở pH = 4 - 8 phức Fe 3+ với axit sunfosalixilic có màu đỏ da cam ứng với max = 490 nm và ở pH = 8-12 phức Fe 3+ với axit sunfosalixilic có màu vàng da cam ứng với max = 420 - 430 nm. Khi pH > 12 xảy ra sự phân huỷ phức do sự hình thành phức hiđroxo. 5. Thuốc thử mecaptoaxetat Phản ứng của muối amoni mecaptoaxetat với sắt trong môi trờng bazơ sẽ tạo ra phức tan có màu đỏ tía, cờng độ màu bị ảnh hởng bởi nồng độ thuốc thử. Trong khoảng pH = 6 11 phức có max = 530 540 nm. Khi có mặt các nguyên tố khác nh Co, Ni, Pb, Fe, Ag sẽ ảnh h ởng đến màu của phức. Hầu hết các các anion hoặc không hoặc ít ảnh hởng. Khoảng tuân theo định luật bia là 0,5- 2 ppm COOH OH SO 3 H 7