VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAMMAI 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:
Trang 1VIỆN HÓA 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: Hóa hữu cơ
Mã số: 62.44.01.14
1
Trang 2TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA 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 nhiềulĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm… Đã có nhiều công trình nghiên cứu về thành phần hóa học và tácdụng chống oxi hóa của hợp chất polyphenol chiết xuất từ chè xanh Các kết quả nghiên cứu cho thấy polyphenol cókhả năng chống lại quá trình oxi hóa [32], thể hiện tác dụng kìm hãm đối với sự phát triển của khối u và làm chậmgiai đoạn phát sinh ung thư ở các mô động vật gây u thực nghiệm [77] Hơn nữa polyphenol còn có khả năng chốnglại quá trình oxi hóa của lipit lớn hơn so với các chất chống oxi hóa khác như vitamin C và vitamin E [32] Cácpolyphenol trong chè là chất quét gốc tự do hiệu quả vượt trội hơn so với các polyphenol chiết xuất từ các loại câykhác 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 sửdụng 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
Trang 3[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 cafeinphân lập được từ phụ phẩm chè xanh, với điện cực nền polyanilin trong quá trình tổng hơp bằng phương pháp phâncực điện hóa và khả năng chống ăn mòn của polyphenol chè xanh
3 Nhiệm vụ của luận án
- Chiết, tinh chế các catechin, cafein từ polyphenol chè xanh Thái Nguyên và chế tạo màng polyme dẫnpolyanilin
- Nghiên cứu tương tác oxi hóa của một số chất phân lập được từ polyphenol chè xanh với polyme dẫn điệnpolyanilin
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 phápsắc 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 chínhxác các thông động học trên phổ phân cực tuần hoàn, góp phần đánh giá chính xác hơn bản chất của quá trìnhtương 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 gallocatechingallat đến quá trình tổng hợp màng polyanilintrên điện cực thép không gỉ Xác định được động học của các quá trình khơi mào, phát triển mạch và tắt mạch củapolyme hóa anilin, xác định được một số tính chất của lớp phủ polyanilin có và không có tương tácgallocatechingallat
Trang 4- Đánh giá được cơ chế và động học tương tác của galocatechin và catechin đến quá trình oxi hóa khửpolyanilin.
- Đánh giá được mức độ tương tác của cafein, đến quá trình oxi hóa khử polyanilin và bước đầu đề xuất cơ chếtương 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 cácchất gallocatechingallat, gallocatechin, cafein với polyanilin, màng phủ polyanilin có tác động củagallocatechingallat, gallocatechin và cafein đều có thời gian bảo vệ lâu hơn so với màng polyanilin thuầnkhông có tác động của các hợp chất trên
5 Bố cục của luận án
Luận án gồm: 127 trang Phần mở đầu 3 trang; kết luận và kiến nghị 2 trang Nội dung chính của luận án:Chương 1.Tổng quan 32 trang; chương 2 Thực Nghiệm 16 trang; chương 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 59trang; Danh mục các công trình nghiên cứu của tác giả liên quan đến luận án: 2 trang: Tài liệu tham khảo 13 trang
Có 5 bảng, 78 hình
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Cây chè có tên khoa học là Camellia sinensis (L.) O.Kuntze 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).
Luận án đã tham khảo và tổng kết 117 tài liệu về các vấn đề chủ yếu sau:
- Những nghiên cứu về nhóm hợp chất polyphenol trong chè
- Tổng hợp các kết quả nghiên cứu trong nước và quốc tế về polyphenol chè xanh tập chung ở các lĩnhvực phân tích thành phần hóa học, phân lập và nghiên cứu khả năng ứng dụng
- Nghiên cứu tổng hợp polyanilin theo phương pháp hóa học và phương pháp điện hóa, các yếu tố ảnh
hưởng đến quá trình tổng hợp và cơ chế tổng polyme hóa điện hóa anilin
Trang 5- Tìm hiểu một số ứng dụng của polyme dẫn trong cuộc sống.
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu
Anilin và polyanilin Các polyphenol được chiết tách từ nguyên liệu lá chè già thu hái tại xã PhúcXuân, Tỉnh Thái Nguyên
2.2 Hóa chất và thiết bị
Hóa chất dùng trong quá trình làm thí nghiệm là hóa chất tính khiết PA
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp chiết tách polyphenol và cafein từ lá chè
1 ext H 2 O, t 0 = 60 0 C, Thêm NaOH (pH=9,5-10)
(Cafein, polymeic:tannin ) 1 Làm khan
2 Cô cạn dung môi
Nghiên cứu tương tác với PANi
Trang 6Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu catechin và cafein từ chè xanh
2.3.2 Phương pháp chiết polyphenol tổng số từ lá chè
Phương pháp: Loại chlorophyl trước, chiết polyphenol sau
2.3.3 Phương pháp phân tích, phân lập các hợp chất từ polyphenol tổng
Sắc kí lớp mỏng (SKLM) Sắc kí lỏng hiệu năng cao áp kết nối khối phổ Sắc kí lỏng cao áp điều chế
2.3.4 Phương pháp khảo sát cấu trúc hóa học các chất.
Khảo sát bằng một số tính chất vật lý đặc trưng: màu sắc, hệ số Rf, điểm nóng chảy Một số phổ như
IR, 1H - NMR, 13C - NMR
2.3.5 Phương pháp điện hoá trong nghiên cứu tổng hợp PANi và tương tác polyphenol/PANi
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tương tác PANi – polyphenol chè xanh
3.1.1 Phân lập polyphenol chè xanh
3.1.1.1 Phân tích định tính các catechin
Các catechin được phân tích định tính và bán định lượng bằng sắc kí lỏng hiệu năng cao kết nối trựctuyến khối phổ (HPLC-MS) Kết quả sắc ký đồ cho thấy trong chè có mặt ít nhất 12 hợp chất
Trang 73.1.1.2 Phân tách các catechin từ polyphenol tổng số
Từ 25g polyphenol tổng số tiến hành sắc kí trên hệ thống tổ hợp cột sắc kí Diaion HP20/SephadexLH20 thu được các phân đoạn và kiểm tra bằng sắc kí lớp mỏng silicagel có so sánh với chất chuẩn, hệ dungmôi triển khai Clorofoc/metanol/axit citric 0,5% theo tỷ lệ 3: 2: 0,2 (v/v) Sản phẩm được kiểm tra bằng phổNMR
Hình 3.2 Sắc đồ UV phân tách các catechin trên cột tách
Diaion HP20/Sephadex LH20
* Phân lâp cafein ( Phân đoạn I).
Thu được từ 76,5→101,1 phút Có Rf 0,95 Kết tinh lại trong etanol 90o thu được 2g Tinh thể hìnhkim, màu trắng, ESI/MS: m/z=194 (M+); Công thức phân tử: C8H10N4O2 (Hình 3.4), t0
nc: 238oC
Trên phổ 1 H-NMR (500 MHz; DMSO-d6 ; δ (ppm): 7,79 s (1 H; H-2); 3,86s (3 H; H-10); 3,19s (3 H; H-12); 3,39 s (3 H; H-14).
13 C-NMR (125 MHz; DMSO-d6 ; δ (ppm): 142,73 d 2); 106,56 s 4); 154,50 s 5); 151,01 s 7); 148,07 s
Trang 8(C-9); 33,05 q (C-10); 27,04 q (C-12); 29,30 q (C-14).
* Phân lập catechin ( phân đoạn III)
Thu được từ 127→138 phút, có Rf~0,56 Kết tinh lại trong etanol thu được 1,98g, là tinh thể hình kim,màu trắng, ESI/MS: m/z = 290 (M+), Công thức phân tử C15 H14O6 (Hình 3.5), t0
* Phân lậpepi gallocatechin ( phân đoạn V)
Thu được từ 145,3→166,4 phút, có Rf~0,4, sau khi tinh chế thu được 2,2g EGC, có dạng tinh thể hình kim màuvàng nhạt; ESI/MS: m/z = 466 [M + H]+, Công thức phân tử C15H14O7 (Hình 3.6), t0
nc: 276oC
1 H-NMR (500 MHz; DMSO-d6 ; δ (ppm):4,66 brs (2); 3,99 d (2 Hz; 3); 2,47 dd (7 Hz; 16,5 Hz; 4a); 2,67 dd (5 Hz; 16,5 Hz; H-4b); 9,11 brs (5-OH); 5,88 d (2 Hz; H-6); 8,92 brs (5-OH;); 5,72 d (2 Hz; H-8); 6,38 brs (2 H; H-2’& H-6’); 8,69 brs (2 H; 3’-OH; 5’-OH ); 7,92 brs (4’-OH).
H-13 C-NMR (125 MHz; DMSO-d6 ; δ (ppm):78,38 d (C-2); 65,27 d (C-3); 28,04 t (C-4); 156,44 s (C-5); 95,41 d (C-6); 156,77 d (C-7); 94,44 d (C-8); 155,99 s (C-9); 98,95 s (C-10); 130,06 s (C-1’); 106,36 d (2C; C- 2’& C-6’); 145,61 s (2 C; C-3’; C-5’); 132,39 s (C-4’).
* Phân lập epigallocatechingallat ( phân đoạn VI và VII)
Thu được từ 166,4→181,1 phút và 181,1→279,1 phút, kết tinh trong axit citric 0,05% thu được 13,7g, tinh thểhình kim màu vàng có ánh kim, ESI/MS: m/z = 458 (M+), Công thức phân tử C22H18O11(Hình 3.7); t0
nc: 216oC
1 H-NMR (500 MHz; DMSO-d6 ; δ (ppm): 4,95 brs (H-2); 5,37 brs (H-3); 2,66 d (17,5 Hz; H-4a); 2,93 dd (5Hz; 17,5 Hz; H-4b); 9,27 brs (5-OH); 5,93 d (2 Hz; H-6); 9,03 brs (7-OH); 5,83 d (2,5 Hz; H-8); 6,41 brs (2 H;
Trang 9H-2’& H-6’); 8,68 brs (3’-OH & 5’-OH); 7,98 brs (H-4’); 6,81 brs (H-2’’& H-6’’); 9,16 brs (3’’-OH & 5’’-OH); 8,86 brs (H-4’’).
13 C-NMR (125 MHz; DMSO-d6 ; δ (ppm):76,54 d (C-2); 68,06 d (C-3); 25,78 t (C-4); 156,52 s (C-5); 95,59 d (C-6); 156,57 s (C-7); 94,39 d (C-8); 155,66 s (C-9); 97,45 s (C-10); 128,69 s (C-1’); 105,56 d (C-2’& C-6’); 145,67 s (C-3’& C-5’); 132,41 s (C-4’); 165,26 s (-COO-); 119,37 s (C-1’’); 108,74 d (C-2’’& C-6’’); 145,43 s (C-3’’& C-5’’); 138,59 s (C-4’’).
Hình 3.4 Công thức cấu tạo
của cafein
Hình 3.5 Công thức cấu tạo
của catechin
Hình 3.6 Công thức cấu
tạo của epigallocatechin
Hình 3.7 Công thức cấu tạo của epigallocatechingallat
Trang 10Phương pháp sắc ký lỏng cao áp đã chứng tỏ hiệu quả phân tách tốt, EGCG với sản phẩm thu được có độsạch cao > 95%, thời gian phân tách ngắn, hiệu suất tách cao (94,5%), hệ dung môi etanol/nước là dung môithông dụng, không độc hại trong công nghiệp thực phẩm
3.1.2 Xác định các thông số hóa lý của quá trình polyme hóa PANi
3.1.2.1 Sự xuất hiện pic oxi hóa PANi
Trên đường CV từ chu kì c1 đến c10 (hình 3.9) khó xác định chính xác thời điểm bắt đầu polyme hóa ANi Ở chu
kì c5 đã xuất hiện pic oxi hóa PANi Số gia Dmax chứng tỏ tốc độ tăng J cao nhất tại điện thế E tương ứng
Trong thực tế thí nghiệm, cho đến chu kì thứ 10 pic oxi hóa PANi mới đạt được dạng hoàn chỉnh là có đỉnhpic xác định, tại đó D=∆J/∆E = 0 (hình 3.12(b)) Phân tích chi tiết biến thiên của số gia D của chu kì c10 chothấy số gia D<0 chứng tỏ tốc độ oxi hóa giảm dần, đỉnh Dmin âm là điểm có mức giảm, tốc độ oxi hóa caonhất Lượng PANi hoạt hóa bị oxi hóa hết tại điểm D=0 thứ 2
Dc5 Dc4 Dc3
Dc6 Dc7
Trang 11P3
P2 P1
Dc5
DC10 Dc5 DC10
c100
c100
c20 c20
.
Trang 123.1.2.2 Oxi hóa anilin trong vùng anôt
Với xử lý vi phân, trên đồ thị (hình 3.15) có thể dễ dàng xác định E oxi hóa (mũi tên chỉ trên đồ thị trong hình), sốgia Dmax và đỉnh pic oxi hóa
đỉnh pic oxi hóa
3.1.2.3 Áp dụng vi phân nghiên cứu khơi mào polyme hóa PANi
Chỉ có vi phân D=f(E) mới cho phép xác định được Epa ở giai đoạn khơi mào
0
∆ i/min CV/J=0 CV/ c>12
Trang 13Hình 3.16 Xác định điện thế pic
trên đồ thị D = f(E).
Hình 3.17 Điện thế bắt đầu oxi hóa PANi
E OxPANi được xác định trên đường CV tại J = 0.
từ vi phân D tại giá trị cực tiểu D min
Trên phổ CV chỉ xác định được Epa từ chu kì thứ 16 Điện thế bắt đầu oxi hóa PANi giai đoạn khơi màopolyme hóa rất khó xác định trên CV Có thể qui ước tại J=0 là điểm chuyển tiếp từ trạng thái catôt sang anôt(hình 3.17)
Cực đại của vi phân Dmax thể hiện sự gia tăng dòng oxi hóa PANi theo điện thế phân cực ở mỗi chu kì
EDmax giảm đến chu kì c11 (hình 3.19), cho thấy quá trình hình thành màng PANi phát triển theo từng chu kì,khi màng PANi đã định hình thì EDmax cũng ổn định theo Đây cũng chính là thời điểm Dmax gia tăng mạnh
mẽ, phù hợp với quá trình tự xúc tác trong tổng hợp điện hóa PANi
Hình 3.19 Điện thế bắt đầu oxi
Giá trị Dmax trong vùng 0,1-0,2V là điểm có vận tốc oxi hóa PANi lớn nhất, đồng thời gián tiếp thể hiệnmức độ polyme hóa ANi xảy ra trong vùng điện thế dương hơn E > 0,4V Xác định giá trị Dmax góp phần bổsung một thông số động học mới hỗ trợ tốt hơn cho nghiên cứu động học polyme hóa điện hóa so với trướcđây [8]
3.1.3 Tương tác của gallocatechingalat (EGCG) với PANi
Trang 14gallocatechingalat chiết từ chè xanh, đã tinh chế đạt độ tinh khiết 98%, sau đó pha trực tiếp vào dung dịch tổng hợp
PANi với nồng độ 0-5g/l
3.1.3.1.Tác động của EGCG đến khơi mào polyme hóa PANi
* Tác động của EGCG đến phổ CV khơi mào polyme hóa ANi
Trong quá trình tổng hợp PANi hợp chất EGCG có tác động mạnh đến quá trình khơi mào polymehóa, thể hiện trên phổ CV tổng hợp PANi (hình 3.20) So với mẫu không có EGCG, đường cong phân cực
CV đã bị tác động làm biến dạng mạnh, nhất là pic oxi hóa PANi và vùng oxi hóa ANi
Dòng pic anôt Jpa tăng mạnh ở nồng độ 1g EGCG/l, tuy nhiên ở nồng độ 0,5 g/l và 3g/l lại giảm mạnhnhất, trong khoảng 20 chu kì đầu phân cực CV tổng hợp PANi (hình 3.21a) Độ lớn của Jpa tỉ lệ thuận vớilượng PANi có trên bề mặt điện cực [18], Giá trị dòng Jpa tăng cao (hình 3.21b) cho thấy EGCG với nồng độthích hợp đã có tác dụng làm tăng nhanh quá trình khơi mào polyme hóa ANi
Trang 150.50 5.00
c5 c9 c11 c15
polyme hóa (a) và theo nồng độ của EGCG (b)
Giá trị Epa của mẫu không có EGCG giảm thấp nhất nguyên nhân là do màng PANi chưa hoàn thiện(hình 3.21a và hình 3.22) Với các mẫu từ M1 – M6 thì Epa khá ổn định, hầu như không tăng theo nồng độEGCG và theo số chu kì c (hình 3.22) là do tương tác điện cực với các nhóm OH hoạt hóa của EGCG, nhanhchóng tạo nên bề mặt điện cực làm cho quá trình oxi hóa PANi xảy ra dễ dàng hơn về mặt nhiệt động học[17], [18]
150 200 250 300
220
c7 c1
c1
c5 c7
c1 c2 c4
Trang 16a b
polyme hóa (a) và theo nồng độ của EGCG (b)
Về mặt động học EGCG làm tăng dòng pic Jpa và biến thiên vi phân Dmax (hình 3.21, 3.25) Giá trị của
J cao chứng tỏ lượng PANi hình thành bám trên bề mặt lớn Điều này có nghĩa EGCG xúc tiến nhanh quátrình polyme hóa ANi tạo thành PANi bám dính và tiếp xúc dẫn điện tốt trên bề mặt điện cực
Hình 3.25 Biến thiên vi phân (D
=∆J/∆E) max theo nồng độ EGCG
Đường CV anôt tổng hợp PANi cắt nhau tại một điểm trước pic oxi hóa PANi Với mẫu PANi không
có EGCG điểm đó là -33mV, mẫu M1 có EGCG là -10mV, mẫu M2 là 0mV, M3 là -1mV, M5 là-5mV (hình 3.26 a-d)
Trang 17-0.2 -0.1 0.0 0.1 -0.1
0.0 0.1
* Động học khơi mào polyme hóa ANi
Trang 18Với CEGCG = 0 vận tốc vQa tại 7 chu kì đầu tăng chậm, sau đó tăng theo hàm mũ Điều đó chứng tỏ sau khơimào phản ứng tổng hợp điện hóa PANi có tính tự xúc tác Sự có mặt của EGCG làm triệt tiêu tính chất tự xúc tác,làm cho vận tốc khơi mào vQa luôn ổn định (hình 3.28).
0.25
1.0
2.0 1.5
chu kì với các nồng độ EGCG khác nhau, 20 chu kì CV
đầu tiên.
Tuy nhiên biến thiên vQa theo nồng độ EGCG ở mỗi chu kì phân cực CV từ c1 đến c7 cho kết quả mới: vớinồng độ CEGCG≤ 0,5g/l và CEGCG ≥ 2g/l vận tốc vQa thấp hơn so với không có EGCG nhưng sự chênh lệch khá nhỏ.Với tỉ lệ bằng 1 và 1,5 thì vận tốc vQa tăng vọt, gấp nhiều lần (hình 3.29a) Nếu tăng số chu kì phân cực CV lên trên
10 vận tốc polyme hóa giảm mạnh do tác động của EGCG Vận tốc này đều nhỏ hơn so với vận tốc polyme hóakhông có EGCG (hình 3.29b) Khi đó tính chất tự xúc tác của polyme hóa điện hóa PANi bị triệt tiêu do sự có mặtcủa EGCG Như vậy rõ ràng là EGCG hấp phụ lên các trung tâm hoạt hóa của PANi ngăn cản quá trình oxi hóa-polyme hóa của ANi trên các trung tâm này
