Nghiên cứu quá trình tương tác oxi hóa của polyphenol chiết xuất từ chè xanh đến polyanilin và khả năng ứng dụng chống ăn mòn

Nghiên cứu quá trình tương tác oxi hóa của polyphenol chiết xuất từ chè xanh đến polyanilin và khả năng ứng dụng chống ăn mòn

TẬP ĐOÀN HOÁ CHẤT VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

MAI THANH NGA

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC OXI HÓA CỦA POLYPHENOL CHIẾT XUẤT TỪ CHÈ XANH ĐẾN POLYANILIN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHỐNG ĂN MÒN

Chuyên ngành: HOÁ HỮU CƠ

Mã số: 62 44 01 14

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS LÊ XUÂN QUẾ

2 GS.TSKH MAI TUYÊN

HÀ NỘI - 2013

TẬP ĐOÀN HOÁ CHẤT VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

MAI THANH NGA

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC OXI HÓA CỦA POLYPHENOL CHIẾT XUẤT TỪ CHÈ XANH ĐẾN POLYANILIN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHỐNG ĂN MÒN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

HÀ NỘI - 2013

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Do có tính chất kháng oxi hóa mạnh, polyphenol tự nhiên tách từ chè xanh được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm,

mỹ phẩm… Đã có nhiều công trình nghiên cứu về thành phần hóa học và tác dụng chống oxi hóa của hợp chất polyphenol chiết xuất từ chè xanh Các kết quả nghiên cứu cho thấy polyphenol có khả năng chống lại quá trình oxi hóa [32], thể hiện tác dụng kìm hãm đối với sự phát triển của khối u và làm chậm giai đoạn phát sinh ung thư ở các mô động vật gây u thực nghiệm [77] Hơn nữa polyphenol còn có khả năng chống lại quá trình oxi hóa của lipit lớn hơn

so với các chất chống oxi hóa khác như vitamin C và vitamin E [32] Các polyphenol trong chè là chất quét gốc tự do hiệu quả vượt trội hơn so với các polyphenol chiết xuất từ các loại cây khác như nho, đay [72]

Có thể nói polyphenol chè xanh có rất nhiều tác dụng sinh học quý giá Ngoài ra hợp chất này còn được sử dụng như một chất ức chế ăn mòn thép CT3 trong axit có hiệu quả [28], [114] Bên cạnh đó màng polyanilin (PANi) có thể thụ động hóa kim loại, tự vá lại vết xước màng sơn bảo vệ và là lớp phủ bảo vệ

chống ăn mòn thông minh [28], [35] Với hoạt tính của polyphenol chè xanh, sự

tương tác với PANi có thể tạo ra vật liệu có tính chất mới, bảo vệ tốt hơn Đây là nội dung nghiên cứu kết hợp đặc điểm của hai chất khác nhau nhằm hướng tới

một ứng dụng có hiệu quả hơn Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu quá

trình tương tác oxi hóa của polyphenol chiết xuất từ chè xanh đến polyanilin

và khả năng ứng dụng chống ăn mòn”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là khảo sát quá trình tương tác oxi hóa của các hợp chất polyphenol và cafein phân lập được từ phụ phẩm chè xanh,

với điện cực nền polyanilin trong quá trình tổng hơp bằng phương pháp phân cực điện hóa

3 Nhiệm vụ của luận án

Chiết, tinh chế các catechin, cafein từ polyphenol chè xanh Thái Nguyên

và chế tạo màng polyme dẫn polyanilin

Nghiên cứu tương tác oxi hóa của một số chất phân lập được từ polyphenol chè xanh với polyme dẫn điện polyanilin

4 Những đóng góp cơ bản của luận án

Công bố công nghệ mới phân tách catechin chè xanh với hiệu suất cao

và thời gian ngắn bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp điều chế bán công nghiệp sử dụng cột sắc ký phối hợp Diaion HP20 và Sephadex LH20

Đã sử dụng phương pháp vi phân nâng cao độ nhạy trong quá trình xử lý

số liệu thực nghiệm xác định chính xác các thông động học trên phổ phân cực tuần hoàn, góp phần đánh giá chính xác hơn bản chất của quá trình tương tác của các chất với polyanilin ngay ở gia đoạn khơi mào polyme hóa

Khảo sát và đánh giá được cơ chế và tác động của epigallocatechingallat đến quá trình tổng hợp màng polyanilin trên điện cực thép không gỉ Xác định được động học của các quá trình khơi mào, phát triển mạch và tắt mạch của polyme hóa anilin, xác định được một số tính chất của lớp phủ polyanilin có

và không có tương tác epigallocatechingallat

Đánh giá được cơ chế và động học tương tác của epigalocatechin và epicatechin đến quá trình oxi hóa khử polyanilin

Đánh giá được mức độ tương tác của cafein, đến quá trình oxi hóa khử polyanilin và bước đầu đề xuất cơ chế tương tác giữa cafein và màng polyanilin

- Xác định được khả năng ứng dụng nâng cao thời gian bảo vệ chống ăn mòn của tương tác giữa các chất epigallocatechingallat, epigallocatechin, cafein với polyanilin, màng phủ polyanilin có tác động của epigallocatechingallat, epigallocatechin và cafein đều có thời gian bảo vệ lâu hơn so với màng polyanilin thuần không có tác động của các hợp chất trên

C HƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Polyphenol chè xanh

1.1.1 Cây chè

1.1.1.1 Tên khoa học

Theo PGS TS Lê Ngọc Công –Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên

thì cây chè có tên khoa học là Camellia sinensis (L.) O.Kuntze

Cây chè thuộc ngành Hạt kín Angiospermatophyta, lớp Ngọc lan (hai lá mầm) Magnoliopsida, phân lớp Sổ Dilleniidae, bộ chè Theales,

họ chè Theaceae, chi chè Camellia (Thea) Năm 1753 Carl Von

Linnaeus nhà thực vật học nổi tiếng người Thụy Điển đã xác định tên

khoa học cây chè là Thea sinensis, được chia thành hai loại: Thea bokea (chè đen) và Thea viritis (chè xanh) [13],[26]

1.1.1.2 Đặc điểm sinh thái học

Cây chè có nguồn gốc ở Vân Nam (Trung Quốc) sau đó được trồng phổ biến ở Việt Nam, Nhật Bản, Ấn Độ và nhiều nước châu Á khác [24], [30]

Ở nước ta, chè được trồng chủ yếu ở các tỉnh Phú Thọ, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Quảng Nam, Lâm Đồng, Đắc Lắc, … với tổng diện tích 125.000 ha, sản lượng hàng năm khoảng 577.000 tấn [30], [96] Nước ta sản xuất 15 loại chè thương phẩm khác nhau, trong đó 60% lượng chè xuất khẩu là chè đen [24], [30], [116]

Cây chè sống thích hợp ở vùng khí hậu gió mùa, nhiệt đới ẩm ướt như vùng đông nam châu Á Cây chè sinh trưởng và phát triển tốt trong điều kiện:

+ Nhiệt độ trung bình: 15- 250

+ Lượng mưa trung bình: 1500 – 2000 mm.

+ Độ ẩm tương đối của không khí: 80 – 85 %

+ Đất chua: pH = 4.5-6

+ Tầng đất dày 1m, nhiều mùn, giàu dinh dưỡng N, P, K kết cấu đất tơi xốp, dốc thoải vừa thoáng vừa giữ được nước, thuộc loại đất thịt

* Thân và cành: Cây chè sinh trưởng chỉ có một thân chính Cành chè

do mầm sinh dưỡng phát triển thành, trên cành chia ra nhiều đốt, chiều dài biến đổi từ 1-10 cm Đốt chè càng dài là biểu hiện của giống chè có năng suất cao Tùy theo chiều cao, độ to nhỏ của thân và cành người ta chia thành 3 loại: Cây bụi, cây gỗ nhỏ và cây gỗ vừa [6],[24]

* Lá: Lá chè mọc cách trên cành, mỗi đốt có một lá, hình dạng và kích

thước thay đổi phụ thuộc vào giống chè Chiều dài lá khoảng từ 4-15cm, chiều rộng 2-5cm Khi còn non mặt dưới lá có các sợi lông tơ màu trắng, các lá già có màu lục sẫm Lá chè có gân rất rõ, rìa lá có răng cưa Lá chè có màu xanh đến vàng, thay đổi tùy theo giống, thời gian trồng, chế độ dinh dưỡng và mùa vụ Lá

có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau: hình thuôn, mũi mác, ô van

Chồi mọc ra từ nách lá, có hai loại chồi: Chồi dinh dưỡng về sau mọc lá gồm có tôm (phần lá non trên đỉnh chưa xòe) và 2 hoặc 3 lá non Lá chè già (chè xanh) được tính từ lá thứ 4 trở đi (gồm các lá bánh tẻ và lá già) Chồi về sau mọc ra nụ, hoa và quả [6], [24]

* Hoa, quả, hạt: Hoa chè hình thành trên cây 2-3 tuổi, màu trắng Hoa

chè lưỡng tính Quả hình tròn, tam giác hoặc vuông tùy theo số lượng hạt bên trong Vỏ quả màu xanh khi chín chuyển sang màu nâu và bị nứt ra Hạt chè màu nâu hoặc màu đen, hình cầu, bán cầu hay tam giác [6], [24]

* Rễ: Hệ thống rễ gồm rễ cọc ( rễ trụ), rễ dẫn ( rễ nhánh, rễ bên) và rễ

hút Rễ nhánh dài trên 1mm có màu nâu hay nâu đỏ Rễ hút hay còn gọi là rễ hấp thụ có chiều dài dưới 1m, có màu vàng ngà [6], [13], [24]

Chè là cây lâu năm, có chu kỳ sống rất dài có thể đạt 60-100 năm hoặc lâu hơn Tuổi thọ tối đa của một cây chè thương mại vào khoảng 50-65 năm tùy thuộc điều kiện môi trường và phương pháp trồng trọt Chè cho năng suất cao vào mùa mưa từ tháng 5-11, sau 10-15 ngày thì thu hoạch một lần hiện nay chè được sử dụng trong cộng nghiệp chế biến chủ yếu là chè búp (1 tôm và 2-3 lá non)

Hình 1.1: Hình ảnh cây chè 1.1.2 Thành phần hóa học của lá chè

1.1.2.1 Phân loại nhóm hợp chất trong chè

Chè là một loại thức uống truyền thống đã có lịch sử hàng ngàn năm Quá trình nghiên cứu về chè trên thế giới đã được thực hiện từ rất lâu Cũng như các loại thực vật bậc cao khác, trong chè xanh có nhiều loại hợp chất tự nhiên, được chia thành hai nhóm lớn [13]:

- Nhóm chất trao đổi bậc 1: Là những chất tham gia vào quá trình trao đổi

chất và quá trình sinh trưởng của cây, như hydratcacbon, lipit và axit amin…là thành phần không thể thiếu trong quá trình sinh trưởng của thực vật

- Nhóm chất trao đổi bậc 2: Là những chất không phải để nuôi sống và

phát triển cây cỏ, có thể có mặt ở loại cây này nhưng hoàn toàn không có ở cây khác, là những hợp chất có hoạt tính sinh học cao

Đối với cây chè, lá chè là bộ phận có giá trị nhất, nên cũng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Có thể nói hiện nay thành phần hóa học của lá chè đã được nghiên cứu tương đối đầy đủ

Bảng 1.1 Thành phần hóa học chủ yếu của lá chè [12],[13]

Flavonol và flavonol glucozơ

Axit polyphenolic and depside

1 -2

3 -4

3 -4

2 -3 0.5 - 0.6

3 -4 4-5 4-5 14-22 4-7 5-6 5-6 14-17 3-5 0,01 - 0,02

1.1.2.2 Một số nhóm hợp chất trong chè

* Ankaloit: Việc nghiên cứu ankaloit trong chè được bắt đầu vào năm

1827 (Bradfield, 1946), hợp chất trong nhóm ankaloit được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất là cafein nó chiếm khoảng 2-5 % về trọng lượng mẫu khô, lá chè tươi chứa nhiều cafein có thể là một nhân tố quan trọng tạo nên chất lượng

của chè xanh (Bhatia, 1964) [12], [13], [29] Hàm lượng này ít biến đổi trong quá trình phát triển của lá chè Điều đáng chú ý là hàm lượng cafein trong lá chè cao hơn hàm lượng cafein tương ứng trong hạt cà phê (chiếm khoảng 1,5% trọng lượng khô) Ngoài cafein, trong lá chè còn có các dẫn xuất khác của metylxanthin như theobromin, theanin với hàm lượng thấp hơn (<0.1%).

Hình 1.2 Cấu trúc của một số ankaloit có trong thành phần lá chè

* Vitamin

Lá chè tươi có nhiều loại vitamin như nhóm vitamin tan trong dầu bao gồm: vitamin A, vitamin D, vitamin E, vitamin F… và nhóm vitamin tan trong nước: vitamin B, vitamin PP, vitamin C… Trong đó vitamin C chiếm hàm lượng cao nhất, có thể đạt đến 280mg/100g (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Hàm lượng vitamin C trong lá chè [12]

Bộ phận Búp chè Lá thứ 1 Lá thứ 2 Lá thứ 3 Lá già mg/kg

* Cacbonhydrat

Nhóm cacbonhydrat có mặt trong lá chè bao gồm hợp chất xenlulozơ, hemi-xenlulozơ và đường tự do Các gốc đường tự do có mặt trong lá chè bao gồm glucozơ, fructozơ Các polysaccarit bao gồm có galactozơ, arabinozơ, axit galacturonic, ribozơ Các đường tự do là nguồn nguyên liệu chính để tổng hợp catechin trong lá chè Những nghiên cứu sử dụng glucozơ đánh dấu

bằng nguyên tử 14C (đồng vị 12C) đã chỉ ra rằng glucozơ là một trong những tiền chất của polyphenol và axit amin (ngoại trừ theanin) có trong thành phần của lá chè [6], [12]

* Các nhóm hợp chất khác

Enzym: Trong búp chè có hầu hết các loại enzym nhưng chủ yếu gồm 2

nhóm: nhóm enzym thủy phân gồm amilaza, glucozidaza, proteaza…; nhóm enzym oxi hóa khử gồm catalaza, polyphenol oxidaza và peroxidaza…Trong

số các enzym có trong lá chè, enzym polyphenol oxidaza có vai trò quan trọng

trong quá trình oxi hóa nhóm catechin của chè [6], [12]

Protein và axit amin: Hàm lượng protein phân bố không đều ở các thành

phần của búp chè và thay đổi theo giống cũng như điều kiện canh tác và các yếu tố khác Protein chiếm hàm lượng khoảng 15% khối lượng chất khô Ngày nay người ta tìm thấy trong chè 17 axit amin Các axit amin cùng với đường và tanin tạo thành ankaloit Ankaloit chính là hợp chất tạo nên vị thơm rất đặc biệt của chè [6]

Chất béo và các axit béo tự do: Các hợp chất lipit, photpholipit và các

axit béo chiếm khoảng 5-6 % khối lượng khô, hàm lượng này biến đổi khá nhiều tuỳ theo từng giống chè Các axit béo tự do tìm thấy trong lá chè như linolenic, linoleic, oleic và panmitic…[6]

Carotenoit: Người ta đã tìm thấy β-caroten, lutein, violaxanthin và

neoxanthin trong lá chè

Axit hữu cơ: Các axit như citric, tactaric, malic, oxalic, fumaric, cafeic,

quinic, gallic, sucxinic, chlorogenic, neo-chlorogenic, p-coumarylquinic, ellagic… đã được nhận diện trong lá chè tươi [12]

Kim loại: Các chất vô cơ chiếm khoảng 5-6% khối lượng khô, trong đó

chất chiếm hàm lượng nhiều nhất là nhôm, mangan, magie… Hàm lượng các chất vô cơ trong lá chè cũng biến đổi nhiều tuỳ theo thổ nhưỡng vùng đất Một điều đáng lưu ý là một phần các kim loại, đặc biệt là nhôm, tìm thấy trong chè dưới dạng phức chelat với các catechin [12]

Các chất dễ bay hơi (tinh dầu chè): Thành phần tinh dầu chè chiếm tỉ lệ

rất thấp trong tổng khối lượng của lá chè (<0.01%) Các thành phần đã được nhận diện trong tinh dầu chè bao gồm linalol, delta-cardinene, geraniol, nerolidol, anpha-terpinol, cis-jasmone, indol, betaionon, 1-octanal, indol-3-cacbinol, beta-caryophyllen [12], [24]

1.1.3 Nhóm hợp chất polyphenol trong chè

1.1.3.1 Giới thiệu về polyphenol

Polyphenol là thành phần chính có trong chè và một số loại thực vật khác, việc sử dụng polyphenol như một loại hóa chất dùng để chống lại sâu

bọ, côn trùng, chim và các loại động vật Chè xanh không có các enzym oxi hoá các polyphenol, nên trong quá trình chế biến (sấy, và lấy hương) không làm thay đổi các polyphenol trong chè

Nhóm các hợp chất polyphenol là thành phần được quan tâm nhiều nhất trong lá chè Các hợp chất polyphenol của lá chè rất khác với các hợp chất polyphenol được tìm thấy trong các loài thực vật khác Trong đó thành phần chủ yếu là các catechin chiếm hơn 25-30% trọng lượng mẫu khô bao gồm (C,

EC, EGCG, EGC, ECG…) [12], [98]

Ngoài ra trong thành phần polyphenol của chè còn có một số chất khác với tỉ lệ thấp như các flavonol (quecetin, kaempferol, rutin…), các dẫn xuất glucozơ như myricetin-3-glucozơ, kaempferol-3-glucozơ, myricetin-3-rhamnoglucozơ, quercetin-3-rhamnoglucozơ, kaempferol-rhamnodiglucozơ

các leucoanthocyanin, các hợp chất polyflavonoit như theaflavin 3-gallat, theaflavin-3’-gallat, theaflavin-3,3’-digallat), thearubigin (procyanidin, procyanidin gallat) Các dạng hợp chất như theaflavin, thearubigin chiếm tỉ lệ rất thấp trong búp chè và lá chè non nhưng tăng dần tỉ

(theaflavin-lệ trong các lá chè già hơn [6], [12]

1.1.3.2 Tính chất lý hoá của catechin

Nhóm hợp chất catechin trong chè đã được quan tâm nghiên cứu từ rất lâu, các dữ liệu về tính chất hóa học, phổ IR, NMR, MS, kết quả phân tích bằng các phương pháp khác đã được công bố Catechin của chè thuộc họ flavonoit, nhóm flavan-3-ol, phân tử có 15 cacbon bao gồm hai vòng 6 cacbon A và B được nối bởi 3 đơn vị cacbon ở vị trí 2, 3, 4, hình thành một dị vòng C chứa một nguyên tử oxi (hình 1.3) Cấu trúc của catechin có chứa hai cacbon bất đối ở vị trí 2 và 3, không chứa nối đôi ở vị trí 2,3 và nhóm 4- oxo [12] [28]

Hình 1.3 Khung cơ bản của hợp chất catechin [12]

Trong thành phần của chè có 6 loại hợp chất catechin chính và một số lượng nhỏ các dẫn xuất catechin (hình 1.4) Các catechin được chia thành 2 nhóm: nhóm catechin tự do bao gồm C, GC, EC, EGC (vị trí cacbon số 3 có chứa nhóm thế hydroxyl) và nhóm đã bị este hóa hay nhóm galloyl catechin: ECG, EGCG (nhóm hydroxyl ở vị trí cacbon số 3 được thay bằng một nhóm gallat)

(+) - Catechin C15H14O6 (-) - Epicatechin C15H14O6,

M = 290, t0nc=176oC, [α]D=+18o M = 290, t0nc = 242oC, [α]D = -69o

(-)- Epicatechin gallate, C22H14O10 (+) - Gallocatechin, C15H14O7

M = 442, t0nc =253oC, [α]D=-177o M = 306, t0nc = 188oC, [α]D = +15o

(-)-Epigallocatechin C15H14O7, (-)-Epigallocatechingallate C22H18O11

M = 306, t0nc = 276oC, [α]D = -50o M = 458, t0nc = 216oC, [α]D = -179o

Hình 1.4 Các hợp chất catechin chính trong chè [15],[26], [58]

Các hợp chất catechin chính trong lá chè (hình 1.4) đã được tách ra từng chất ở dạng tinh khiết, ở thể rắn chúng là những chất kết tinh không màu hình kim hoặc hình lăng trụ, có vị chát dịu hoặc hơi đắng, tác dụng với FeCl3 cho kết tủa xanh thẫm hoặc xanh nhạt tuỳ theo số lượng nhóm hydroxyl trong phân tử Các catechin đều dễ tan trong nước nóng, rượu, axeton, etylaxetat tạo

thành dung dịch không màu, không tan trong các dung môi không phân cực hoặc ít phân cực như benzen hoặc clorofom

Hàm lượng catechin trong búp chè cao nhất đạt khoảng 25-30% trọng lượng khô Trong số các hợp chất catechin có mặt trong lá chè, epigallocatechin gallat (EGCG) là chất có hàm lượng lớn nhất (~ 9%) [83], đồng thời cũng là chất

có khả năng chống oxi hóa, kháng viêm và chống ung thư cao nhất [45] Tiếp theo là EGC và ECG (chiếm khoảng 10-20% tổng catechin) Các hợp chất catechin (C, EC, GC) còn lại có hàm lượng thấp và không phải là thành phần đặc trưng của chè do còn được tìm thấy trong ca cao, nho, táo, hành…

Hàm lượng của các catechin trong lá chè luôn luôn thay đổi, phụ thuộc vào giống chè, thời kỳ sinh trưởng, bộ phận cây chè, vị trí các lá trên búp chè

và các yếu tố khác về thổ nhưỡng, khí hậu, cách chăm bón… Trong quá trình phát triển của lá chè, dưới tác dụng của các enzym, các catechin bị chuyển dần thành các hợp chất tannin và giảm dần hàm lượng trong lá trưởng thành [12], [13], [38], [59]

Bảng 1.3 Hàm lượng catechin trong từng bộ phận của chè [12]

31.04 47.84 132.27 152.27 577.93

28.34 45.13 103.08 206.42 435.78

25.36 45.24 103.09 232.36 432.04

68.9 65.45 87.98 222.08 293.45 Tổng 918.86 941.35 818.75 838.09 737.86

Đơn vị: mg/g chế phẩm chiết bằng etylaxetat

1.1.3.3 Sinh tổng hợp catechin trong lá chè

Hiện nay, cơ chế về quá trình sinh tổng hợp các catechin trong lá chè vẫn chưa được giải thích một cách đầy đủ do thành phần tương đối đặc biệt của các catechin trong lá chè Xét theo khung cơ bản gồm 3 vòng A, B, C (hình 1.3, 1.4), cấu trúc của họ flavonoit được chia làm 2 phần [6], [12]:

- Phần C6-C3 (Vòng B+3C), xuất phát theo chu trình axit shikimic dẫn đến

dẫn chất phenylpropan

Hình 1.5 Chu trình sinh tổng hợp tạo thành phenylpropan

- Phần C6 (vòng A) xuất phát từ 3 đơn vị axetat dẫn đến axit triaxetic

Hai phần này đóng vòng ghép lại thành mạch chính chalcon Từ chalcon hình thành nhiều dẫn xuất khác nhau của họ flavonoit

Trong trường hợp chalcon và các dẫn xuất của chalcon, mạch 3C không đóng vòng Còn phần lớn các trường hợp khác mạch 3C đóng vòng với vòng A tạo thành vòng 6 dị thể chứa 1 nguyên tử oxi

Axit photpho enol pyruvic

3-enol pyruvyl shikimat-5- photphat

Hình 1.6 Quá trình hình thành chalcon [12]

Qua các kết quả nghiên cứu, sơ đồ sinh tổng hợp sau được đề nghị cho các hợp chất catechin trong lá chè

3- Deoxi- D-arabino hepurronic axit -7- photphat ( Vòng B)

Axit 5- Dehydroshikimic

Axit phenyl axetic

Axit

Axit phenyl byruvic

Axit t-cinamic

Glucozơ

CoA ( Vòng A)

Malonyl-p-Coumaric- CoA

Axit Protocatechic

Axit caffeic

Axit gallic

Chalcon

2,4,4’,6’- Pentahydroxichalcon

Chu trình Axit axetic Axit malonic (Tạo vòng A)

Hình 1.7 Chu trình sinh tổng hợp hình thành các hợp chất catechin [12]

1.1.3.4 Biến đổi sinh hóa của nhóm hợp chất catechin

Quá trình biến đổi catechin trong chè đã được nghiên cứu và công bố, quá trình chuyển hóa này bị chi phối bởi enzym polyphenol oxidase, được xác định thông qua hiện tượng oxi hóa không cần oxi Hiện nay enzym polyphenol oxidase đã được tách ra ở dạng tự do với thành phần cấu trúc chính là protein chứa nhân ion đồng [12], [59] Enzym trong lá chè có cấu trúc riêng, trong quá trình phát triển của lá chè, enzym sẽ chuyển hóa dần các hợp chất catechin thành các tannin bậc cao (hình 1.8) [115]

Hình 1.8 Quá trình oxi hóa các hợp chất catechin trong chè [69]

Để sản xuất chè xanh, lá chè được vò và đem sấy để triệt tiêu hoạt tính của các enzym trong lá chè bằng nhiệt hoặc hơi nước ngay khi bắt đầu chế biến nên không xảy ra hiện tượng oxi hoá, do đó hàm lượng polyphenol hầu như không thay đổi trong quá trình chế biến, không xảy ra hiện tượng oxi hóa các catechin

PPO: Polyphenol oxidase

Vì vậy nếu thực hiện quy trình tốt, hàm lượng các hợp chất catechin trong sản phẩm chè xanh tương đương với chè nguyên liệu ban đầu

1.1.3.5 Tác dụng chống oxi hóa của nhóm catechin

* Quá trình oxi hóa và nguyên nhân gây bệnh do mất cân bằng oxi hóa

Theo các nghiên cứu đã được công bố [70], [79], [97], [100], [108], một số bệnh như ung thư, tim mạch, lão hóa …có liên hệ rất gần với các quy luật về quá trình oxi hóa trong tế bào sống Các quá trình oxi hóa, diễn ra dưới tác dụng của các gốc tự do, trong tế bào là cần thiết để tạo ra năng lượng hoặc trong các quá trình tổng hợp axit nucleic, protein, hocmon

Gốc tự do là những hợp chất hoạt động mạnh, được tạo ra trong cơ thể trong quá trình trao đổi chất hay được đưa vào từ bên ngoài do vi sinh vật hay

vi rút Các gốc tự do được tạo thành gồm các gốc có hoạt tính cao như hydroxyl (OH), ion sắt (Fe2+), đồng hydroxit Cu(OH)2, những gốc tự do hoạt tính trung bình và yếu như superoxit anion O2.

, peroxyl (ROO.), hydrogen peroxit H2O2, singlet oxi (O.), nitric oxit (NO.), peroxinitrit (ONOO.), ankoxyl (RO.)….Gốc tự do trong tế bào sinh ra trong quá trình sinh dưỡng được kiểm soát chặt chẽ thông qua quá trình kháng oxi hóa nội tại bằng các hợp chất như glutathion, vitamin E, vitamin C và enzym superoxit dismutat, ngoài ra cơ thể còn có các tế bào như neutrophil, monoxit, B-cell… có khả năng chống lại các yếu tố oxi hóa ngoại lai xâm nhập

Tuy nhiên, trong tế bào có thể xuất hiện hiện tượng các gốc tự do được tạo ra quá nhiều do mất cân bằng trong hoạt động hoặc do các yếu tố bên ngoài như các chất độc, do nhiễm vi sinh vật, ozon, bức xạ UV, nhiễm phóng

xạ, do thuốc lá Các gốc tự do dư thừa, khi cơ thể thiếu các yếu tố bảo vệ để ngăn chặn, có khả năng tương tác, phá hủy màng lipit không bão hoà của tế bào, làm giảm khả năng bảo vệ tế bào, dẫn đến sự xâm nhập của các tác nhân

gây bệnh từ bên ngoài, oxi hóa các nucleic bazơ làm thay đổi cấu trúc ADN, dẫn đến các quá trình đột biến, phát sinh các khối u, ung thư, làm hỏng cấu trúc các protein mang nhóm SH (các protein này đóng vai trò rất quan trọng như là chất mang hoặc chất hoạt hóa enzym trong quá trình hô hấp), gây ra các bệnh nghiêm trọng về đường hô hấp…

Các gốc tự do dư thừa là nguồn gốc phát sinh các bệnh nguy hiểm nên các nghiên cứu đều hướng tới việc khảo sát khả năng chống oxi hóa, quét gốc

tự do trong quá trình tìm kiếm các hợp chất trong thiên nhiên có khả năng ngăn chặn hoặc chữa bệnh

* Tính kháng oxi hóa của nhóm hợp chất catechin

Công thức hóa học của các flavonoit với sự có mặt của các hydrogen phenolic thể hiện khả năng kháng oxi hóa mạnh Công thức cấu tạo catechin với nhiều nhóm hydroxyl (5 nhóm OH ở catechin, 6 nhóm OH ở gallocatechin, 8 nhóm OH ở catechin gallate và 9 nhóm OH ở gallocatechin gallat) đảm bảo khả kháng oxi hóa rất mạnh của nhóm hợp chất catechin Khi thực hiện khảo sát khả năng kháng gốc tự do trên các gốc tự do tổng hợp như DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhidrazyl), các catechin thể hiện hoạt tính vượt trội so với các chất kháng oxi hóa đối chứng như vitamin C, vitamin

E, trolox (các catechin thể hiện hoạt tính mạnh hơn từ 3 đến 6 lần) [42], [51],

[54], [84], [113]

Hoạt tính kháng oxi hóa của nhóm catechin thể hiện một sự khác biệt về mối tương quan cấu trúc so với các hợp chất khác họ flavonoit Khi so sánh với hợp chất flavonoit có hoạt tính quét gốc tự do mạnh nhất trong môi trường phân cực quercetin [59], các hợp chất C và EC, do trong công thức thiếu sự liên hợp giữa vòng A và vòng B, có hoạt tính quét gốc tự do kém hơn, các gallat catechin như EGCG và ECG có hoạt tính trội hơn Sự khác biệt về khả

năng của EGCG và ECG được giải thích dựa trên số lượng lớn các nhóm hydroxil trong công thức, cho phép tiếp nhận electron dễ dàng hơn [59] Hoạt tính kháng oxi hóa của các catechin trong chè, tính theo tỷ lệ mol, trong thử nghiệm chống lại sự hình thành các gốc tự do DPPH trong dung dịch nước được xếp theo trật tự giảm dần như sau: epicatechin gallat ≈ epigallocatechin gallate > epigallocatechin > gallic axit > epicatechin ≈ catechin (hình 1.9) [77] Với hàm lượng catechin tổng chiếm khoảng 25-30% khối lượng khô, chè và dịch chiết chè cũng thể hiện tính kháng oxi hóa rất mạnh trong các thử nghiệm, kết quả tính toán cho thấy thành phần catechin đóng góp khoảng 70-80% khả năng kháng oxi hóa của chè [77], [101]

Hình 1.9 Biến đổi của catechin trong quá trình quét gốc tự do [77]

Khi tiến hành thử nghiệm khả năng kháng oxi hóa lipit màng tế bào (LDL), chống oxi hóa các axit béo, hay quét các gốc tự do superoxyl, hydroxyl… trong môi trường lipit ở các thử nghiệm vitro và in vivo, các hợp chất catechin đều thể hiện khả năng phản ứng rất mạnh, mạnh hơn nhiều so với vitamin E, C và cả quercetin [61], [102], [103] Do đặc điểm gần với môi trường trong cơ thể sống, các thử nghiệm kháng oxi hóa trong môi trường lipit mô tả đầy đủ hơn triển vọng ứng dụng dược lý của các hợp chất Đối với khả năng ức chế quá trình peroxit lipit, các catechin của chè được xếp theo trật tự sau: EGCG>ECG>EGC>EC; khả năng quét gốc tự do sinh ra trong quá trình peroxit lipit thì ECG > EGCG > EC > EGC; khả năng quét gốc tự do

.OH giảm theo trật tự ECG > EC > EGCG > EGC [53], [77], [117] Các kết quả nói trên đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu về tác dụng cụ thể của các hợp chất catechin lên các bệnh ở người và khả năng sử dụng trong quá trình ngăn ngừa và chữa trị bệnh Nhờ khả năng ngăn chặn có hiệu quả các quá trình oxi hóa, đặc biệt là quá trình oxi hóa lipit, nhóm chất này còn được quan tâm sử dụng trong các sản phẩm thuộc các lĩnh vực khác như mỹ phẩm và thực phẩm Trong các lĩnh vực này, do đặc điểm xuất phát từ thiên nhiên, an toàn, chè và các chất từ chè đang được sử dụng chủ yếu như một phụ gia chống oxi hóa nhằm thay thế các phụ gia tổng hợp thường dùng khác Trong mỹ phẩm, chè và các chất từ chè được bổ sung vào các sản phẩm như chăm sóc cá nhân (kem đánh răng, kem dưỡng da, sữa tắm…), các sản phẩm tẩy rửa (nước rửa chén, sữa tắm, dầu gội…), sản phẩm tẩy mùi, diệt khuẩn nhẹ…Trong thực phẩm, ngoài khả năng kháng oxi hóa trong các sản phẩm như bánh kẹo , chè còn được sử dụng như một dạng thực phẩm chức năng nhằm tăng cường khả năng phòng bệnh của cơ thể Trong công nghiệp sử dụng vào quá trình chống

ăn mòn kim loại thân thiện với môi trường [30], [106]

1.1.4 Ứng dụng của chè xanh

1.1.4.1 Ứng dụng dược lý

Chè được sử dụng là một phương thuốc trong y học Phương đông từ rất lâu Tuy nhiên các hiểu biết về cơ chế tác động của chè mới được bắt đầu nghiên cứu mạnh mẽ ở thế kỷ 20 Trước đây cho rằng các tác dụng của chè là

do tác động của cafein và vitamin C Bắt đầu từ khoảng thập niên 70 của thế

kỉ 20, việc nghiên cứu chi tiết về chè đã chỉ ra rằng những tác dụng về mặt dược lý của chè là do sự có mặt của rất nhiều các nhóm hợp chất catechin trong chè Nhiều công trình đã công bố về tác dụng của chè và các chất chiết

ra được từ chè có khả năng chữa được nhiều bệnh khác nhau như bệnh ung thư, bệnh về đường tim mạch, bênh tiểu đường, bệnh parkison, bệnh béo phì, bệnh sỏi thận, bệnh về đường tiêu hoá, bệnh răng miệng… ngoài ra trong chè còn có tác dụng giảm lượng cholesterol, làm giảm sự nhiễm độc do kim loại,

do phóng xạ…[32], [45]

Tác dụng ngăn chặn và chữa bệnh ung thư của chè và các hợp chất catechin được nghiên cứu mạnh mẽ nhất Khi nghiên cứu in vivo, nhiều nghiên cứu cho thấy chè và các chất trích ly từ chè như EGCG, EGC, ECG… của chè có khả năng tương tác, ngăn chặn và hạn chế quá trình khơi mào, hình thành và phát triển của tế bào ung thư Trong gia đoạn khơi mào, các hợp chất catechin trung hoà các tác nhân bị kích hoạt bởi cytochrome P450 enzym, các tác nhân này có khả năng tương tác làm thay đổi cấu trúc của ADN, ngăn chặn sự tạo thành nitrosamin, một nhóm các hợp chất phát sinh từ khuốc lá, thịt, cá nấu chín, các tác nhân được cho là có thể gây ung thư Các thử nghiệm

in vivo cho thấy khả năng tương tác trực tiếp và tăng cường hiệu quả của EGCG, EC vào hệ thống bảo vệ bằng enzym của tế bào, hạn chế sự hình thành các tác nhân gây biến đổi trong tế bào [32], [45]

Trong giai đoạn bắt đầu của tế bào ung thư, EGCG có khả năng ức chế AP-1, một chất dẫn truyền khơi mào cho sự phát triển của tế bào ung thư da, thể hiện khả năng ngăn chặn enzym độc (ví dụ protein kinase kích hoạt trong giai đoạn phát triển của tế bào ung thư, ức chế hoạt động của telomerase, làm giảm thời gian sống của tế bào ung thư…)

Khi quá trình ung thư diễn ra, EGCG có thể can thiệp, ức chế hoạt động của urokinase, enzym đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển và biến đổi của tế bào ung thư, phá huỷ các dạng biến đổi đặc thù của tế bào gây

ra do adevirus hay ngăn chặn quá trình tổng hợp ADN trong tế bào ung thư hepatoma, leukemia và ung thư phổi…

Các kết quả nghiên cứu in vivo và các kết quả nghiên cứu trên động vật

như chuột, thỏ đều cho kết quả rất tốt về khả năng ngăn chặn ung thư của các hợp chất catechin trong chè Một số công trình công bố catechin có khả năng ngăn chặn ung thư ở người như ung thư vòm họng, ung thư đường tiêu hoá, làm giảm khối u ung thư vú…tuy nhiên kết quả cũng mới mang tính cục bộ, chưa đạt được sự thống nhất cao

1.1.4.2 Ứng dụng trong thực phẩm

Chè xanh có tác dụng giải khát, tăng cường chất dinh dưỡng và ngăn ngừa bệnh nhờ vào các chất có hoạt tính sinh học cao có trong lá chè Nó đã trở thành nguyên liệu quan trọng để chế biến nhiều loại thức ăn, đồ uống khác nhau ở rất nhiều nước trên thế giới Phần lớn chè xanh được sử dụng làm đồ uống Tuy nhiên ngày nay, khuynh hướng sử dụng chè xanh trong chế biến thức ăn rất được phát triển Các loại bánh kem chè xanh, bánh gatô chè xanh, kem chè xanh, thạch chè xanh, mì ăn liền chè xanh, sandwich chè xanh đang được tiêu thụ mạnh ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Anh, Mỹ, Úc Trong đó, Nhật Bản là nước có nhiều loại đồ uống và thức ăn được chế biến với chè xanh [1]

1.1.4.3 Ứng dụng trong mỹ phẩm

Một số ứng dụng của polyphenol trong mỹ phẩm như kem đánh răng, nước rửa chén bát, dầu gội đầu

1.1.5 Các nghiên cứu cơ bản về polyphenol trong chè

1.1.5.1 Các nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam chè có vai trò quan trọng trong sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, là một trong các nước xuất khẩu và sử dụng chè hàng đầu trên thế giới Nên hầu hết các công trình, các giáo trình đã công bố và biên soạn chủ yếu tập trung vào nghiên cứu điều kiện chăm sóc và chọn giống chè, các quy trình chế biến nhằm nâng cao năng suất, chất lượng của chè Có rất ít các công trình nghiên cứu nhằm khai thác và sử dụng các hợp chất có hoạt tính sinh học, đặc biệt là những nghiên cứu về hóa học và tác dụng sinh học của polyphenol khai thác từ chè Việt Nam phục vụ cho y học và phục vụ ngành công nghiệp vẫn là một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới mẻ

Về phân tích thành phần hóa học và định lượng

Năm 1984 KM.Dzemukaze, đã nghiên cứu hệ thống thành phần hóa học

và hàm lượng các thành phần trong các loại lá chè khác nhau tại Bắc bộ cho thấy polyphenol trong chè tập trung chủ yếu ở búp chiếm khoảng 25-30% trong lượng khô [12]

Năm 1989 viện chè Phú Hộ cũng tiến hành khảo sát thành phần hóa học

và định lượng hàm lượng các chất các giống chè trung du trồng thử nghiệm tại các nông trường của viện và nhận thấy trong chè chủ yếu là polyphenol chiếm đến hơn 19% trọng lượng lá chè tươi [24]

Trong những năm gần đây một số tác giả công bố một số công trình về phân tích định lượng hàm lượng polyphenol trong chè như: Vũ Anh Tuấn và

cộng sự đã khảo sát hàm lượng polyphenol trong chè Nhật Bản di thực vào Việt Nam được trồng tại Thái Nguyên thấy rõ hàm lượng chính trong chè này

là polyphenol chiếm 11,23% mẫu khô (di thực vào năm 2002) [31] Mai Tuyên và cộng sự, các nghiên cứu này cũng chỉ ra trong polyphenol chè thì catechin chiếm hàm lượng chính (73% trong nước, 83% trong dung môi etanol + nước) [32] Trần Văn Sung và cộng sự cùng nhiều tác giả khác ở nước ta cũng quan tâm nghiên cứu chiết tách và một số tính chất của catechin

- polyphenol chè xanh [1], [7], [10], [11],[68],[106]

Phân lập và thử hoạt tính sinh học của các chất

Năm 2007, nhóm tác giả do Trần Văn Sung chủ trì đã phân lập và xác định cấu trúc của EGCG Các nghiên cứu về hoạt tính sinh học của chè chủ yếu tập trung vào thử khả năng chống oxi hóa của chè xanh như Mai Tuyên

và cộng sự đã khảo sát trên mô hình thực nghiệm oxi hóa lipit nhận thấy polyphenol có khả năng chống lại quá trình oxi hóa của lipit lớn hơn so với các chất chống oxi hóa khác như vitamin C và vitamin E [102], [106]

1.1.5.2 Các nghiên cứu trên thế giới

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến chè xanh và tác dụng của chè xanh đến đối với con người, trong đó các hợp chất polyphenol (flavonoit, tannin, catechin,.v.v ) chiết tách từ chè xanh được đặc biệt quan tâm Một số nghiên cứu dịch tễ học của các nhà khoa học Nhật Bản, một trong số các nước sử dụng nhiều chè nhất thế giới đã chỉ ra mối quan hệ tỉ lệ nghịch giữa thói quen uống chè xanh và tỉ lệ số người chết vì bệnh ung thư, qua đó thấy ở nhóm người có thói quen uống chè xanh thì tỉ lệ chết về ung thư

ác tính thấp hơn một cách đáng ngạc nhiên [112]

Các nghiên cứu cũng đưa ra mối quan hệ giữa mức tiêu thụ chè và tỉ lệ mắc ung thư, các nghiên cứu đã chứng minh được tác dụng kìm hãm của polyphenol

chè lên sự phát triển của tế bào ung thư và sự di căn của nó Tác dụng này chủ yếu do hiệu quả chống oxi hóa của polyphenol trong chè, các polyphenol đã được coi là các chất chống oxi hóa ở mức độ cao dựa vào khả năng loại bỏ các gốc tự do và các gốc oxi hóa hoạt động Tuy nhiên các nghiên cứu cho thấy rằng các polyphenol có hoạt tính chống oxi hóa khác nhau [76]

Các nghiên cứu gần đây đã so sánh khả năng chống oxi hóa trên các loại chè khác nhau có sự khác biệt rõ rệt, trong chè xanh thể hiện hoạt tính mạnh nhất sau đó chè oloong, chè đen thể hiện hoạt tính thấp nhất [76] Các polyphenol trong chè là chất loại gốc tự do hiệu quả hơn so với các polyphenol của các loại cây khác, cũng như các vitamin chống oxi hóa đã biết [71] Nhiều công trình nghiên cứu đã công bố cho thấy chè là nguồn cung cấp polyphenol chủ yếu, là các chất chống oxi hóa đáng kể, với vai trò đã được biết đến là ngăn chặn ung thư [105] Các polyphenol có mặt trong chè xanh thể hiện tác dụng kìm hãm đối với sự phát triển của khối u và các giai đoạn xúc tiến trong quá trình phát sinh ung thư ở các mô hình động vật gây u [96] Chè xanh có thể bảo vệ ung thư bằng cách làm ngừng chu trình tế bào, kể cả nguyên nhân của tế bào ung thư, tác dụng ức chế của các thành phần chè có thể làm giảm nguy cơ phát triển của nhiều loại ung thư

Các bản báo cáo của các nghiên cứu cho thấy các đặc tính của polyphenol chè liên quan đến sức khỏe con người như khả năng bền mao mạch, tính chống oxi hóa đối với tác động chống phóng xạ, tính kháng khuẩn [76], [88] Theo Hava đã chỉ ra vận động thói quen uống chè có thể ngăn ngừa các bệnh về tim mạch, thông qua việc làm tăng khả năng chống oxi hóa huyết tương ở người [115] Có thể sử dụng kết hợp polyphenol chè với các loại thực phẩm khác được hấp thụ nhanh sau khi uống với sữa và sữa không làm giảm tác dụng sinh học của polyphenol [56], [65], [99]

Thói quen đưa vào cơ thể các polyphenol từ nguồn gốc thức uống như chè cũng có thể bảo vệ cơ thể khỏi sự đột quỵ hoặc làm giảm hàm lượng cholesterol ở thành mạch chủ Thêm vào đó dùng quercetin có thể bảo vệ cơ thể khỏi các bệnh tim mạch bằng cách điều chỉnh mao mạch và ức chế sự kết dính tiểu cầu [62], [85]

Tác dụng kháng khuẩn, chống viêm loét, chống đột biến của polyphenol chè đối với nhiều loại đột biến đã được chứng minh Trên các hệ vi khuẩn, hệ thống tế bào động vật có vú qua các nghiên cứu invitro trên động vật [54] Các nghiên cứu về khả năng chống oxi hóa của polyphenol bằng phương pháp điện hóa chưa được áp dụng nhiều, vài năm gần đây có một số tác giả đã sử dụng phương pháp này để tiến hành khảo sát khả năng chống oxi hóa của các hợp chất hữu cơ như vitamin C, E, P, các polyphenol ít được nghiên cứu, đặc biệt trên đối tượng là chè Nhóm tác giả của trường đại học tổng hợp Kobe (Nhật Bản) đã nghiên cứu khả năng oxi hóa của các chất chuẩn như cafein, cystein curcumin, L-ascorbic axit, ellagic axit, catechin bằng phương pháp quét thế tuần hoàn (cyclic voltammetry) và phương pháp sắc kí lỏng cao áp (HPLC) cho thấy khả năng chống oxi hóa của các catechin lớn hơn của các chất oxi hóa khác hàng chục lần, và xác định được số electron trao đổi trong quá trình oxi hóa của các hợp chất đó [10], [38], [60],[66] Ngoài ra polyme hóa polyphenol chè xanh còn được nghiên cứu định hướng ứng dụng y học [78]

Ngoài ra đã có rất nhiều tác giả nghiên cứu khả năng ức chế ăn mòn kim loại của cafein trong dung dịch axit [81], [97], [107] Cơ chế ức chế của cafein được nghiên cứu, nhất là ức chế ăn mòn đồng, trong đó hấp phụ tạo barie được xác định bằng kết quả đo tổng trở [81]

1.2 Giới thiệu về anilin (ANi) và polyanilin (PANi)

1.2.1 Anilin

Công thức cấu tạo của anilin

Ở điều kiện thường anilin là chất lỏng không màu có mùi khó chịu Khi

để lâu trong không khí anilin có màu vàng rồi nâu đen do bị oxi hoá bởi oxi không khí Anilin có tỉ khối 1,022g/ml, nhiệt độ nóng chảy - 6,30C, sôi ở nhiệt

độ 184,40C Anilin tan mạnh trong ete, benzen, etanol, ít tan trong nước (ở

20oC, 100 gam nước hoà tan được 3,4 gam anilin) Anilin rất độc nó không chỉ sâm nhập vào cơ thể qua các màng nhầy, đường hô hấp mà còn thấm qua

da khi tiếp xúc với anilin

Trong phân tử anilin, do có sự liên hợp giữa nguyên tử nitơ với vòng benzen làm cho mật độ electron của nguyên tử nitơ giảm, làm tăng sự phân cực của liên kết N-H Đồng thời mật độ electron trong vòng benzen tăng lên nhất là ở vị trí para Chính vì vậy các phản ứng của anilin tập chung vào nhóm chức amino và vị trí para của vòng benzen [80]

1.2.2 Phương pháp tổng hợp polyanilin

1.2.2.1 Polyme hóa anilin (PANi) bằng phương pháp hoá học

Phương pháp polyme hoá anilin theo con đường hoá học đã được biết đến từ lâu và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế Có thể polyme hoá anilin bằng phương pháp hóa học trong axit tạo PANi có cấu tạo dạng mạch thẳng:

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các chất oxi hóa như (NH4)2S2O8, KMnO4, K2Cr2O7, H2O2, Na2S2O8 trong môi trường axit

H2SO4, HCl thế oxi hóa ANi khoảng 0,7V [2], [3], [80], [109]

* Ưu điểm của phương pháp:

Polyanilin tạo thành có độ dẫn điện là 3S/cm, có độ ổn định và giữ nhiệt tốt, tan tốt trong dung môi hữu cơ như clorofom, m-cresol [86]

* Nhược điểm của phương pháp

Polyanilin thu được bằng phương pháp tổng hợp hoá học khó tạo màng trên bề mặt mẫu bảo vệ, hơn nữa lớp màng này không thể có tính bảo vệ cao như các màng sơn phủ hữu cơ khác có cấu tạo sợi không gian với độ bền cơ lý cao hơn

Các phản ứng oxi hoá - khử polyanilin bằng phương pháp hoá học khó điều khiển hơn so với phương pháp điện hoá vì ngoài phản ứng polyme hóa thì anilin còn tham gia vào một số phản ứng phụ khác

Polyme dẫn có khả năng dẫn điện nên bản thân nó có thể đóng vai trò như một điện cực trên đó có thể tạo ra các phản ứng điện hoá thông thường

Vì vậy để tạo màng sơn bảo vệ chống ăn mòn có thể sử dụng phương pháp polyme hoá điện hoá tạo lớp phủ bảo vệ trực tiếp trên bề mặt điện cực Phương pháp polyme hoá điện hoá có thể khắc phục được nhược điểm của polyme hoá hoá học Đó cũng là phương pháp chế tạo polyanilin có hiệu quả cao

1.2.2.2 Polyme hoá anilin bằng phương pháp điện hoá

* Nguyên tắc của phương pháp điện hoá

Nguyên tắc của phương pháp điện hoá là dùng dòng điện để tạo nên sự phân cực với điện thế thích hợp, sao cho đủ năng lượng để oxi hóa monome trên bề mặt điện cực, khơi mào cho polyme hóa điện hóa tạo màng dẫn điện

phủ trên bề mặt của điện cực làm việc (WE) Điện cực làm việc có thể là kim loại Au, Pt, thép không rỉ CT3, thép 316L [2], [3]

* Thiết bị polyme hoá điện hoá anilin

Thiết bị điện hoá hay được sử dụng là máy Pontentiostat là thiết bị tạo được điện thế hay dòng điện theo yêu cầu để áp lên điện cực đồng thời cho phép ghi lại các tín hiệu phản hồi của hệ nghiên cứu Từ các số liệu thế hoặc dòng phân cực tạo ra từ máy Potentiostat và các số liệu phản hồi ghi được sẽ

vẽ được đồ thị thể hiện sự tương quan thế - dòng (E-I) và ngược lại gọi là đường cong phân cực Qua các thông số đặc trưng điện hoá thể hiện trên đường cong phân cực có thể xác định được các đặc tính điện hóa của hệ đó, biết được quá trình polyme hoá diễn ra như thế nào? Nhờ thiết bị điện hóa này người ta cũng có thể kiểm soát và điều chỉnh được tốc độ phản ứng

* Phương pháp tạo màng PANi bằng phương pháp điện hoá

Trước khi polyme hóa điện hóa, anilin được hòa trong dung dịch axit như axit như axit sunfuric, axit clohidric, axit oxalic…Tùy vào mục đích nghiên cứu mà người ta chọn axit và chọn nồng độ của axit cũng như anilin với các nồng độ khác nhau Theo phương pháp này người ta có thể tạo màng PANi trực tiếp lên bề mặt kim loại

Sử dụng bình điện hoá gồm 3 điện cực:

+ Điện cực làm việc (WE) bằng thép không gỉ Trên bề mặt điện cực này

sẽ xảy ra các phản ứng polyme hóa điện hoá anilin

+ Điện cực đối (CE) bằng Pt hay thép không gỉ để tạo mạch kín cho quá trình chuyển điện tích

+ Điện cực so sánh (RE) thường là điện cực calomel để đo chính xác điện thế

Phân cực điện cực về phía anôt sao cho xuất hiện dòng phản ứng oxi hoá anilin trên điện cực để tạo PANi Ta có thể áp thế tĩnh hay thế động tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu

Chiều dày màng polyanilin trên điện cực làm việc phụ thuộc vào điện lượng truyền qua hệ và hiệu suất dòng Faraday

Tính chất của màng polyme thu được phụ thuộc vào điều kiện polyme hoá (như pH, thành phần dung dịch, mật độ dòng)

Khi áp phân cực anôt đủ lớn (phân cực bằng điện thế hay dòng điện lên điện cực làm việc) sẽ xuất hiện quá trình oxi hoá anilin Quá trình này tạo ra các cation và các gốc hoạt hóa ngay trên bề mặt điện cực Các phân tử này không tồn tại độc lập mà tham gia vào phản ứng polyme hóa tạo màng bám dính trên bề mặt điện cực Trên bề mặt màng polyanilin vừa được tạo thành

có thể tiếp tục oxi hoá điện hoá anilin với các giai đoạn như sau:

+ Khuếch tán và hấp thụ anilin lên bề mặt màng PANi

+ Anilin bị oxi hoá, chuyển điện tử cho màng PANi, tạo thành gốc hoạt hoá có cặp điện tử dư trên bề mặt màng PANi dẫn điện

+ Các gốc anilin và các gốc tự do trong màng PANi kết hợp với nhau tạo PANi làm tăng chiều dày màng polyme dẫn trên bề mặt điện cực

+ Quá trình ổn định màng PANi trên bề mặt điện cực

+ Quá trình oxi hoá khử điện hoá PANi

Màng PANi được chế tạo bằng phương pháp quét điện thế vòng tuần hoàn đa chu kì (CV) bám dính tốt trên bề mặt điện cực [25], [34] Đồng thời phương pháp này cho phép theo dõi được tính oxi hoá khử của PANi trong suốt quá trình phân cực

Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm bất lợi về thời gian Thời gian tạo màng ứng với thời gian tồn tại điện thế mà tại đó xảy ra phản ứng oxi hoá điện hoá monome tương đối ngắn, do đó đẫn đến hiệu suất của phản ứng không cao

1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp điện hoá PANi

Điện thế và dung dịch điện phân là hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp lên quá trình điện hoá (chất lượng sản phẩm PANi và tốc độ phản ứng polyme hóa) Các công trình nghiên cứu chi tiết về quá trình polyme hoá anilin trong dung dịch axit sunfuric cho thấy PANi bị oxi hoá ở E >0,6V trên điện cực Pt trần và dần dần hình thành màng PANi bám dính cao lên toàn bộ điện cực tạo thành điện cực biến tính Trên bề mặt thép không gỉ (SS) ANi bị oxi hoá ở điện thế cao hơn khoảng 0,3V so với trên Pt trần và trùng với vùng oxi hoá thép không gỉ trong dung dịch axit sunfuric 0,5M

Để kiểm soát được quá trình tổng hợp và tính chất của PANi một cách hiệu quả cần xác định được điện thế oxi hoá monome ANi trên bề mặt thép cũng như trên bề mặt màng PANi phủ trên điện cực Việc xác định chính xác điện thế polyme hoá anilin tạo điều kiện cho việc khảo sát có hệ thống hơn các đặc điểm polyme hoá anilin và oxi hoá khử pha tạp màng PANi trên điện cực

Bản chất và nồng độ chất điện li có mặt trong dung dịch phản ứng Nồng

độ axit thường sử dụng là 0,5-2M Nồng độ axit cao quá sẽ làm cho quá trình hoà tan thép cao, dòng thụ động lớn, màng PANi khó hình thành Tuy nhiên nếu nồng độ anilin nhỏ thì quá trình polyme hoá lại khó xảy ra [2], [3]

Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy màng PANi được tổng hợp trong dung dịch có mặt của ion nitơrat có độ dẫn điện cao hơn so với các ion peclorat, clorua hay sunfat

1.2.2.4 Cơ chế polyme hóa diện hóa anilin

Cơ chế polyme hóa điện hóa anilin trong môi trường axit gồm 3 giai đoạn: khơi mào, phát triển và ngắt mạch Giai đoạn khơi mào có ý nghĩa quan trọng về động học, dễ bị tác động bởi điều kiện phản ứng Tuy nhiên việc nghiên cứu quá trình khơi mào gặp nhiều khó khăn do ở giai đoạn này lượng vật chất chuyển hóa rất nhỏ [36], [44], [48], [50]

Hình 1.10 Cơ chế quá trình polyme hóa anilin

Giai đoạn 1: Oxi hóa anilin tạo cation - gốc

Giai đoạn 2: Hai cation gốc phản ứng với nhau sau đó loại ra hai proton tạo ra dime Giai đoạn 3: Các dime này tiếp tục phản ứng với các cation-gốc của monome phát triển mạch PANi [58]

1.2.2.5 Ưu điểm của phương pháp polyme điện hoá

Mặc dù quá trình polyme hoá điện hoá diễn ra rất phức tạp nhưng việc thực hiện nó lại đơn giản, nhanh, có độ tin cậy và độ ổn định cao Đặc biệt là

sử dụng phương pháp phân cực tuần hoàn

Tạo được màng che chắn trực tiếp lên bề mặt mẫu kim loại, dẫn đến phần lớn PANi được sử dụng trong bảo vệ chống ăn mòn kim loại đều được tổng hợp theo phương pháp điện hoá [109]

Bằng phương pháp điện hoá người ta có thể dễ dàng tiến hành đồng trùng hợp giữa PANi với các polyme khác tạo ra sản phẩm copolyme

Đặc biệt màng PANi được tạo thành bằng phương pháp điện hoá có thể bị oxi hoá hay khử điện hoá ngay trên bề mặt điện cực tạo ra những dạng màng PANi có tính chất và ứng dụng khác hẳn so với màng cơ bản ban đầu Quá trình tương tự như quá trình pha tạp trong vật liệu bán dẫn, có thể thay đổi tính chất của PANi như làm thay đổi màu, độ dẫn điện, tính chất hóa học

1.2.3 Quá trình pha tạp (doping) polyanilin

1.2.3.1 Cơ sở của quá trình doping

Quá trình doping là quá trình đưa thêm một số tạp chất (phụ gia) vào mạch polyme hay tạo ra một số sai lệch cấu trúc mạng, làm thay đổi đặc tính dẫn điện của polyme và tạo ra bán dẫn kim loại p hoặc n tùy thuộc vào loại chất phụ gia đưa vào

Từ năm 1977 hai nhà hóa học Heeger và Mac Diarmid đã phát hiện ra khi pha tạp iot vào polyaxetylen thì tạo ra được polyme mới với tính dẫn điện của kim loại Sự pha tạp thành công đã khích lệ các nhà khoa học khác tìm và khám phá các chất pha tạp mới nhằm mục đích tăng độ dẫn điện của polyme dẫn Nhiều ion được đưa vào màng polyme như: Cl-

, Br-, F-, SO42-….[49], [91] Các anion đưa vào màng polyme có tác dụng bù điện tích, duy trì trạng thái oxi hóa màng ngăn PANi khi chưa pha tạp có cấu trúc dạng không dẫn điện (leucoemeraldin) Tuy nhiên, sự pha tạp bằng axit halogen hidric đã làm thay đổi cấu trúc của PANi, chuyển PANi thành dạng dẫn điện (emeraldin)

1.2.3.2 Pha tạp trong khi tổng hợp

Một số chất pha tạp (dopant) được đưa trực tiếp vào bình điện hóa, trong quá trình tổng hợp điện hóa hoặc đưa vào hệ phản ứng trong phương pháp tổng hợp hóa học, để cấy ghép trực tiếp vào mạch polyme làm thay đổi độ dẫn điện [19] Trong quá trình này, dopant sẽ tham gia vào phản ứng cùng với quá trình polyme hóa làm thay đổi cấu trúc của polyme, dẫn đến làm thay đổi cấu trúc của polyme và thay đổi độ dẫn điện của polyme

Các dopant được đưa vào trong quá trình tổng hợp PANi có thể là các axit hoặc muối chứa các anion: Cl-, Br-, F-, SO42-, ClO3- ….[19] Các anion đưa vào màng polyme có tác dụng bù điện tích, duy trì trạng thái oxi hóa của PANi Một phương pháp để làm tăng độ đẫn điện của các polyme dẫn điện mà hiện nay đang được nghiên cứu và ứng dụng đó là phương pháp tạo composit giữa PANi với các phân tử có kích thước nanomet của kim loại hay oxit của kim loại để tạo ra vật liệu mới có độ dẫn điện vượt trội [87], [110] Các hạt có kích thước nano được pha tạp vào polyme thường là kim loại chuyển tiếp hoặc oxit của kim loại chuyển tiếp, khi đó nó có chức năng như những cầu nối

để dẫn điện tử từ chuỗi polyme này sang chuỗi polyme khác Trong thực tế người ta đã chế tạo được các vật liệu composit PANi/Au, composit PANi/Fe3O4, PANi/TiO2… Để làm tăng độ dẫn điện của polyme dẫn [8]

1.2.3.3 Pha tạp sau khi tổng hợp

Sau khi tổng hợp, PANi được xử lý trong các dung dịch pha tạp khác nhau như các axit, muối với thời gian khác nhau Trong quá trình này, các dopant sẽ tương tác với các mạch polyme tạo ra cấu trúc khác nhau của mạch, dẫn đến sự thay đổi về độ dẫn điện Kết quả là khi pha tạp với nồng độ pha tạp khác nhau và thời gian xử lý khác nhau thì độ dẫn điện của PANi thay đổi

và đều lớn hơn so với khi chưa pha tạp [90]

1.2.4 Một số ứng dụng của polyme dẫn

Polyme dẫn là một loại polyme mới được phát hiện so với lịch sử của các hợp chất cao phân tử và được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây Nhiều polyme dẫn đã nhanh chóng trở thành một đề tài thú vị, hấp dẫn đối với các nhà khoa học Polyme dẫn ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Nhất là trong các ngành điện tử, làm sensor sinh học, cửa sổ quang, bán dẫn, tạo màng chống ăn mòn kim loại [37], sử dụng làm phụ gia của điện cực

âm trong pin và ăcquy, sử dụng trong các ngành hoá chất [9] Trong số các polyme dẫn trên một loại polyme dẫn được chú ý quan tâm nghiên cứu và có ứng dụng rộng rãi hơn cả là polyanilin (PANi)

Polyanilin được nghiên cứu ứng dụng làm điện cực thay thế điện cực platin (Pt) trong nghiên cứu phản ứng điện hóa, dùng PANi nghiên cứu khả năng hấp thu các ion kim loại và các chất hữu cơ trong dung dịch nước Tiến hành trộn PANi với mùn cưa và cho hấp thụ Ce (IV), Pd (II), Hg (II), Zn (II),

As (III), thuốc nhuộm cation, thuốc nhuộm anion Kết quả cho thấy hỗn hợp PANi/ mùn cưa có khả năng hấp thu khá tốt các chất này Trước đó, đã có nhóm tác giả nghiên cứu sử dụng polyme dẫn điện như vật liệu trao đổi ion để lọc nước

Sử dụng PANi làm điện cực thay thế Pt trong phân tích ion kim loại và

sử dụng bột PANi hấp thu ion kim loại, chống ô nhiễm môi trường là những ứng dụng mới của PANi

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Nguyên liệu nghiên cứu là lá chè già và bánh tẻ của chè được thu hái tại

xã Phúc Xuân, Tỉnh Thái Nguyên

Mẫu thực vật nghiên cứu được thái nhỏ đem sấy ở nhiệt độ 1100

C trong vòng 15 phút để diệt men, sau đó sấy ở nhiệt độ 50-600C tới khi khô hoàn toàn

2.2 Hóa chất và thiết bị

2.2.1 Hóa chất và dụng cụ

- Methanol, Ethanol, etylaxetat, n- hexan, axeton, bột anilin, natricacbonat, natrisunfat khan, axit sunfuric đặc, anilin, kaliclorua, silica gel, sephadex, nước cất, giấy quỳ (Hóa chất được dùng trong quá trình thực nghiệm là những hóa chất có độ tinh khiết)

- Dụng cụ thủy tinh: Cột sắc ký, hệ chưng cất thu hồi dung môi, cốc thủy tinh, phễu, pipet, ống đong, ống nghiệm, bình cầu, bình tam giác…

2.2.2 Thiết bị

- Máy cô quay chân không Buechi ( Germany)

- Máy HPLC điều chế LC-20 A ( Shimadzu, Japan)

- Hệ thống sắc ký Pilot Prep HPLC Labomatic HD-3000 gồm: Bơm Labomatic HD-3000, thiết bị thu phân đoạn Labocol Vario 4000 Plus, LC -

- Phần mềm Excel và Origin xử lý số liệu thực nghiệm và vẽ đồ thị

- Bình đo điện hóa là hệ ba điện cực (hình 2.1):

- Điện cực so sánh RE (reference electrode) là điện cực calomen bão hoà

- Điện cực đối CE (coating electrode) thường là điện cực platin

Điện cực làm việc WE (working electrode) là điện cực thép không gỉ 316L, được cắt thành những tấm phẳng với mẫu phân tích điện hoá có diện tích tiếp xúc 1cm2 Điện cực được làm sạch và đánh bóng bằng nhiều loại giấy nhám sao cho bề mặt điện cực có độ phẳng và độ bóng cao Sau đó được rửa sạch bằng nước thường, cồn và bằng nước cất 3 lần Khi rửa sạch điện cực phải có độ thấm ướt đều trên bề mặt, sau đó dùng giấy lọc thấm khô Điện cực được phủ một lớp vecni chỉ để lại phần diện tích tiếp xúc với môi trường (hình 2.2)

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu

Sơ đồ nghiên cứu được mô tả trong hình 2.3

Nghiên cứu tương tác với PANi

Hình 2.3 Sơ đồ nghiên cứu catechin và cafein từ chè xanh