Một phương pháp nghiên cứu mới sử dụng trong đề tài này khi tối ưu hóa một quy trình tổng hợp đó là phương pháp quy hoạch thực nghiệm.Theo phương pháp này với 1 số lượng thí nghiệm tối t
Trang 1MỤC LỤC
MỤC LỤC 2
TÓM TẮT 5
ABSTRACT 6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 7
DANH MỤC CÁC BẢNG 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 9
LỜI CÁM ƠN 12
BÁO CÁO TÓM TẮT 13
1 TỔNG QUAN 22
1.1 Phương pháp chiết pha rắn 22
1.2 Vật liệu cơ chế pha đảo và trao đổi cation trong chiết pha rắn 22
1.2.1 Vật liệu pha đảo nền silica 22
1.2.2 Vật liệu trao đổi ion nền polystyrene khâu mạng 25
2 VẬT LIỆU PHA ĐẢO CHỨA NHÓM OCTADECYL TRÊN NỀN SILICA 29 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 29
2.1.1 Hóa chất 29
2.1.2 Dụng cụ, thiết bị 29
2.2 Quy trình thực nghiệm 29
2.2.1 Xử lý bề mặt silica 29
2.2.2 Gắn nhóm chức octadecyl 30
2.2.3 Xác định tính chất pha tĩnh 30
2.3 Kết quả và thảo luận 32
2.3.1 Xử lý bề mặt silica 32
2.3.2 Tối ưu phản ứng silane hóa 34
2.3.3 End-capping 41
Trang 23 Tổng hợp và ứng dụng vật liệu polystyrene siêu khâu mạng ghép nhóm sulfonate 45
3.1 Tóm tắt nội dung nghiên cứu 45
3.2 Hóa chất, thiết bị và quy trình thực hiện 45
3.2.1 Hóa chất 45
3.2.2 Thiết bị - dụng cụ 45
3.2.3 Quy trình thực hiện 46
3.3 Kết quả và biện luận 49
3.3.1 Tổng hợp vật liệu polystyrene siêu khâu mạng 49
3.3.2 Biến tính bề mặt vật liệu bằng nhóm sulfonate 50
3.3.3 Tối ưu hóa và điều khiển dung lượng vật liệu bằng quy hoạch thực nghiệm 54 3.3.4 Ứng dụng phân tích amine thơm và phẩm màu azo trong vải sợi 56
4 CHẾ TẠO MIẾNG FRIT THEO PHƯƠNG PHÁP NUNG KẾT BỘT VÀ RỬA GIẢI 63
4.1 Điều kiện thực nghiệm 63
4.1.1 Hóa chất 63
4.1.2 Dụng cụ 63
4.1.3 Thiết bị 63
4.2 Phương pháp 64
4.2.1 Điều chế polypropylene (PP) dạng hồ 64
4.2.2 Chế tạo miếng xốp 64
4.2.3 Rửa giải 65
4.3 Kết quả và thảo luận 65
4.3.1 Điều chế dạng hồ của PP 65
4.3.2 Thành phần hóa học 66
Trang 34.3.3 Quá trình nung kết 69
4.4 Kết luận 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 72
Trang 4TÓM TẮT
Đ tài nghiên cứu cấp Đại học Quốc gia “Tổng hợp vật liệu pha đảo chưa nhóm
octadecyl (C18) trên nền silica và vật liệu trao đổi cation mạnh chưa nhóm sulfonate trên nền polymer dùng làm pha tĩnh cho cột chiết pha rắn (SPE)” đã thu được kết quả rất khả
quan so với dự kiến ban đầu cả về phương diện khoa học lẫn đào tạo
Qua quá trình nghiên cứu chúng tôi đã thu được các quy trình tổng hợp 2 loại vật liệu này với mật độ ghép nhóm C18 và sulfonate cao tương đương hoặc hơn các sản phẩm thương mại hiện có trên thị trường và với giá thành cạnh tranh Trong trường hợp của vật liệu trao đổi cation, chúng tôi còn có thể kiểm soát mật độ nhóm chức theo ý muốn để sử dụng cho các đối tượng phân tích cần lưu giữ bằng một hay nhiều loại cơ chế khác nhau Bên cạnh đó một sản phẩm phụ của đề tài cũng được quan tâm nghiên cứu đó
là miếng lót xốp dùng trong cột SPE Miếng xốp này đạt yêu cầu về độ bền cơ lý cho ứng dụng SPE, giá thành thấp hơn thị trường gần 10 lần: tuy nhiên cần có nghiên cứu thêm để cải tiến năng suất lọc
Một phương pháp nghiên cứu mới sử dụng trong đề tài này khi tối ưu hóa một quy trình tổng hợp đó là phương pháp quy hoạch thực nghiệm.Theo phương pháp này với 1
số lượng thí nghiệm tối thiểu chúng ta có thể thấy được ảnh hưởng của từng yếu tố cũng như sự tương tác giữa các yếu tố đối với hiệu suất phản ứng mà phương pháp thay đổi từng yếu tố không làm được Mô hình toán học xây dựng được cho phép tìm điều kiện để tổng hợp vật liệu với dung lượng theo ý muốn
Nghiên cứu này đã tạo điều kiện để đào tạo 1 thạc sĩ, 7 cử nhân và xuất bản 1 bài báo trên tạp chí chuyên ngành cũng như 9 báo cáo miệng và 1 báo cáo treo tại các hội nghị
Trang 5ABSTRACT
The project funded by Viet Nam National University – Ho Chi Minh City with the
title “Synthesis of silica-based reverse-phase material possessing octadecyl groups (C18)
and polymer-based strong cation-exchange material containing sulfonate groups as stationary phases for solid-phase extraction (SPE)” has impressive achievements both in
education and science
After the study we end up with procedures to synthesize these two sorbents with ligand densities comparable or even higher than those of commercially available materials in the local market The production costs are also competitive In the case of cation exchange materials we are able to control the capacity in order to use for various applications where the retention requires one or more than one mode of interaction In addition, we made a lot of efforts in producing macro-porous polymer sheet (frit) used for SPE, a small part of the project The mechanical property of the frit is good for this application, the cost is very cheap (~10 times lower than the commercial ones) but the fluid transfer characteristics requires more efforts to improve
A modern approach has been used in this research is experimental design method With a minimal number of experiments the effects of each factors and interactions between factors on the reaction yield were revealed, which cannot be seen by one-factor-at-a-time method We can find the conditions (factor levels) for given capacities of the materials
There have been 1 master thesis, 7 bachelor theses, 1publications on national journals and presentations (1 oral, 9 poster) at conferences which are based on this research
Trang 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
SPE: Solid phase extraction
SCX: Strong cation exchange
IPA: Iso propanol
PP: Polypropylene
Trang 7DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số dung môi 35
Bảng 2.2: Một số xúc tác và tính chất vật lý của chúng 39
Bảng 2.3: So sánh thông số của hai loại pha tĩnh SPE C18 42
Bảng 3.1: Tỉ lệ thành phần vật liệu nền 3M 46
Bảng 3.2: Kết quả mô hình quy hoạch thực nghiệm tổng hợp vật liệu sulfonate 47
Bảng 3.3: So sánh kết quả phổ IR của vật liệu 3MH với nghiên cứu khác 50
Bảng 3.4: Kết quả phổ IR của vật liệu ghép nhóm sulfonate SPS 51
Bảng 3.5: Kết quả đường chuẩn phương pháp xác định Pb2+ 77
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các loại nhóm silanol trên bề mặt silica 23
Hình 1.2: Phản ứng của trimethoxyoctadecylsilane với silica 23
Hình 1.3: Pha đảo theo kiểu polymer hóa 24
Hình 1.4: Phản ứng của trung gian hoạt tính với silica 24
Hình 1.5:Cơ chế phản ứng của silica và alkoxysilane, trong đó: (1) quá trình thủy phân alkoxysilane, (2,3) quá trình ngưng tự tạo liên kết hydrogen lên bề mặt silica và (4) sự hình thành liên kết 24
Hình 1.6: Mô hình cấu trúc vật liệu polystyrene khâu mạng 25
Hình 1.7: Cấu trúc vật liệu sulfonate poly(styrene-co-divinylbenzene) 27
Hình 1.8: Mô hình cấu trúc vật liệu polystyrene khâu mạng đã biến tính 27
Hình 2.1: Phản ứng của silica với trimethoxyoctadecyl silane 30
Hình 2.2: Hệ thống xác định hàm lượng C theo Allison 30
Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn hiệu suất phản ứng theo thời gian xử lý acid 33
Hình 2.4:Đồ thị biều diễn số lượng nhóm silanol theo thời gian xử lý HF 0.1% 34
Hình 2.5: Đồ thị biểu diễn hiệu suất phản ứng theo các dung môi khác nhau 35
Hình 2.6: Hình ảnh trước và sau phản ứng của sản phẩm: (a) Silica trước phản ứng chìm trong nước (b) Silica sau phản ứng có gắn dây C18 kỵ nước nên nổi hoàn toàn trên nước 36
Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian phản ứng 37
Hình 2.8: Cơ chế phản ứng của silica và alkoxysilane, trong đó: (1) quá trình thủy phân alkoxysilane, (2,3) quá trình ngưng tự tạo liên kết hydrogen lên bề mặt silica và (4) sự hình thành liên kết 38
Hình 2.9: Biểu diễn hiệu suất phản ứng theo xúc tác 39
Hình 2.10: Biểu diễn hiệu suất phản ứng theo hàm lượng xúc tác 40
Hình 2.11: Tác chất end-capping (A) Trimethylchlorosilane và (B) Hexamethyldisilazane 41
Hình 2.12: Phản ứng end-capping với tác chất chlorotrimethyl silane 42
Trang 9Hình 3.1: (A) Cấu trúc vật liệu trước và (B) sau quá trình siêu khâu mạng hình
thành cầu nối methylene giữa hai vòng phenyl 49
Hình 3.2: Màu sắc vật liệu trước (A) và sau (B) siêu khâu mạng 50
Hình 3.3: Ảnh chụp vật liệu (A) trước và (B) sau phản ứng với acid chlorosulfonic 51
Hình 3.4: Khảo sát (A) nhiệt độ và (B) thời gian phản ứng với tác chất acid chlorosulfonic 52
Hình 3.5: Các giai đoạn của phản ứng sulfonate hóa với tác chất acid chlorosulfonic 52
Hình 3.6: Ảnh hưởng của tỉ lệ mol acid so với nhóm phenyl trên mức độ sulfonate hóa 53
Hình 3.7: So sánh phổ IR của vật liệu SPS và phổ chuẩn của công ty Agielnt Technologies 54
Hình 3.8: Đồ thị bề mặt đáp trị biểu diễn ảnh hưởng hỗ tương giữa nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ tác chất lên dung lượng động của vật liệu 55
Hình 3.9: So sánh dung lượng lý thuyết và thực tế của vật liệu SPS 56
Hình 3.10: Khảo sát % NH3 rửa giải theo từng dung lượng vật liệu(n=3) 58
Hình 3.11: % NH3 rửa giải tối ưu theo dung lượng vật liệu 59
Hình 3.12: Hiệu suất thu hồi của amine thơm trên các loại vật liệu hấp phụ khác nhau 60
Hình 3.13: Đường động học hấp phụ Pb2+ lên vật liệu 3MHS 77
Hình 4.1: Máy nén áp suất và bộ gia nhiệt 64
Hình 4.2: Ảnh SEM mặt cắt của miếng xốp với Tween 80 là chất lỏng tạo kênh xốp 66
Hình 4.3: Ảnh SEM mặt cắt của miếng xốp với glycerol là chất lỏng tạo kênh xốp 67
Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất lọc theo hàm lượng tween 80 68 Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất lọc vào thành phần hỗn hợp
Trang 10Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất lọc vào nhiệt độ nung kết 70
Trang 121 TỔNG QUAN
1.1 Phương pháp chiết pha rắn
Các quy trình phân tích gồm nhiều giai đoạn từ lấy mẫu, trữ mẫu, xử lý mẫu, phân tích mẫu đến báo cáo kết quả phân tích.Tuy nhiên, xử lý mẫu là giai đoạn quan trọng và tốn nhiều thời gian, ảnh hưởng đến độđúng vàđộ chính xác của cả quá trình phân tích Chiết pha rắn (SPE) là một trong những kỹ thuật quan trọng trong quy trình xử lý mẫu, nhất làđối với những mẫu phân tích có nền phức tạp hoặc chất phân tích hàm lượng vết
Mục đích của quá trình xử lý mẫu dùng cho các phương pháp sắc ký là hòa tan chất phân tích trong dung môi thích hợp nhất, loại bỏ các chất có thể gây nhiễu, làm cho nền mẫu đơn giản Do đó chiết pha rắn (SPE) được sử dụng rộng rãi để làm giàu và làm sạch mẫu
Hai loạt cột chiết pha rắn thường được sử dụng là cột pha đảo và cột trao đổi cation, tương ứng với hai loại vật liệu được nghiên cứu là vật liệu silica ghép nhóm octadecyl và vật liệu polystyrene khâu mạng ghép nhóm sulfonate
1.2 Vật liệu cơ chế pha đảo và trao đổi cation trong chiết pha rắn
1.2.1 Vật liệu pha đảo nền silica
Pha tĩnh sử dụng silica làm giá mang đã được nghiên cứu tổng hợp từ những năm
1949 bởi Howard và Martin1 Từ đó trở đi, có rất nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu trên nền silica, nhằm mục đích tạo ra loại pha tĩnh mới hoặc cải tiến chúng Đến năm
1987, Buszewski đã tổng hợp thành công pha tĩnh pha đảo bằng cách gắn octadecyldimethyldimethylaminosilane lên silica với mật độ rất cao2
n-Nguyên tắc chung để tổng hợp pha tĩnh trên giá mang silica là cho silica phản ứng với một tác chất silane mong muốn Để phản ứng xảy ra, bề mặt silica thường được xử lý
để tối đa số lượng nhóm silanol Si-OH, nơi xảy ra mọi phản ứng biến tính bề mặt
Trang 13Hình 1.1: Các loại nhóm silanol trên bề mặt silica
Silica có thể được hoạt hóa với nước đề ion, với acid hoặc baz3 Trong một nghiên cứu về ảnh hưởng của silica trước và sau xử lý, tác giả nhận thấy việc xử lý silica với HF làm tăng lượng nhóm silanol kế cận hoạt tính cao, làm giảm lượng vết kim loại… và sau khi phản ứng với octadecylsilane, phần trăm carbon trong trường hợp silica có xử lý cũng cao hơn trong trường hợp không xử lý4
Hình 1.2: Phản ứng của trimethoxyoctadecylsilane với silica
Silane là tác chất có dạng XnSiRMe3-n trong đó X là nhóm xuất, thường là Cl hoặc nhóm alkoxy và R là nhóm cần gắn lên bề mặt, với trường hợp tổng hợp pha đảo thì R là dây 18 carbon Cách thức silane gắn lên bề mặt silica như thế nào là phụ thuộc vào số lượng nhóm xuất Nếu chỉ có một nhóm xuất thì pha tĩnh tạo ra có kiểu monomeric5 Nếu
số lượng nhóm xuất là 2 hoặc 3 thì pha tĩnh có thể theo kiểu monomeric hoặc polymer, vì khi đó silane này có vừa có thể phản ứng với bề mặt silica vừa có thể phản ứng với các phân tử silane khác6
Trang 14Hình 1.3: Pha đảo theo kiểu polymer hóa
Cơ chế phản ứng trong trường hợp nhóm xuất Cl và nhóm xuất alkoxy là khác nhau Theo đó, khi tổng hợp vật liệu với silane có nhóm xuất là Cl, một baz sẽ được thêm vào
để bắt HCl sinh ra từ phản ứng, dịch chuyển cân bằng theo chiều thuận Không những vậy, baz này còn tấn công vào silane tạo ra một trung gian có hoạt tính cao, dễ dàng phản ứng với bề mặt silica7
Hình 1.4: Phản ứng của trung gian hoạt tính với silica
Phản ứng của alkoxysilane với silica cũng được thêm vào một xúc tác acid hoặc baz, mục đích là để thủy phân các nhóm alkoxy này, tạo ra nhóm silanol hoạt tính Nhóm silanol này sau đó tạo liên kết hydrogen với nhóm silanol trên bề mặt silica và dưới nhiệt
độ cao, chúng mất nước để hình thành liên kết8
Hình 1.5:Cơ chế phản ứng của silica và alkoxysilane, trong đó: (1) quá trình thủy phân alkoxysilane, (2,3) quá trình ngưng tự tạo liên kết hydrogen lên bề mặt silica và (4) sự hình thành
liên kết
Trang 15Các nhóm silanol trên bể mặt silica là rất quan trọng trong quá trình biến tính, tuy nhiên khi không thể phản ứng hết vì chướng ngại không gian thì chúng lại là các tâm lưu giữ mạnh các chất phân cực, vì vậy cần được giảm thiểu.Phản ứng giảm thiểu này gọi là phản ứng end-capping.Tác chất dùng trong phản ứng end-capping là một một silane nhỏ
để có thể len lỏi vào bề mặt silica Một số tác chất end-capping thường được dùng là chlorotrimethylsilane, hexamethyldisilazane…
1.2.2 Vật liệu trao đổi ion nền polystyrene khâu mạng
Polystyrene là polymer mạch thẳng được tổng hợp từ monomer styrene (STY) Khi thêm vào hỗn hợp phản ứng monomer divinylbenzene (DVB) thì sản phẩm tạo thành sẽ
có cấu trúc không gian ba chiều, với các mạch polystyrene được liên kết với nhau thông qua các cầu nối benzene, (Hình 1.6-A).9
Hình 1.6: Mô hình cấu trúc vật liệu polystyrene khâu mạng
Dù có thêm các cầu nối trong cấu trúc nhờ sự có mặt của DVB, vật liệu polystyrene khâu mạng vẫn còn khả năng bị trương nở trong quá trình ứng dụng cho trong sắc ký – một phương pháp sử dụng nhiều loại dung môi hữu cơ khác nhau Do đó, phản ứng tạo cầu nối methylene giữa hai vòng benzene được tiếp tục thực hiện.10 Phản ứng dựa trên cơ chế Friedel – Crafts11 giữa nhóm chloromethyl và vòng benzene khi có mặt xúc tác là acid Lewis (ví dụ FeCl3) Vì vậy, để thực hiện phản ứng này thì hỗn hợp monomer ban đầu phải có thêm vinyl benzylchloride (VBC) – một loại monomer có sẵn nhóm chloromethyl (Hình 1.6) Sau khi thực hiện phản ứng trùng hợp, nhóm chức này sẽ tiếp tục tham gia phản ứng với vòng benzene tạo thành cầu nối methylene, giúp cấu trúc vật
Trang 16liệu trở nên bền vững, đồng thời hỗ trợ tăng diện tích bề mặt của vật liệu– một yếu tố quan trọng trong quá trình hấp phụ
Tuy nhiên, vật liệu polystyrene siêu khâu mạng vẫn mang tính kỵ nước Khi các nhóm chức phân cực như amine, sulfonate, acetyl, hydroxyl…12 được đưa lên bề mặt vật liệu sẽ cải thiện được tính ưa nước của vật liệu, từ đó mở rộng phạm vi ứng dụng đối với các chất phân tích trong nền mẫu nước.12c, 13
Vật liệu sulfonate poly(styrene-co-divinylbenzene) có cấu trúc gồm các nhóm sulfonate phân bố trên các vòng hương phương, do đó có khả năng cung cấp hai cơ chế lưu giữ là cơ chế pha đảo và cơ chế ion (Hình 1.7) Do đó, có thể sử dụng vật liệu vừa tổng hợp được vào việc làm giàu các amine thơm trong nước – những chất cũng vừa có vòng benzene, vừa có các nhóm amine có khả năng bị proton hóa để mang điện tích dương
Có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới về tổng hợp polystyrene khâu mạng, đặc biệt
là các nghiên cứu của Davankov, Fréchet, Svec Davnakov là tác giả đầu tiên đề ra lý thuyết về loại vật liệu mới, có các cầu nối giữa mạch polystyrene tạo nên vật liệu có độ bền hóa lý, cho phép ứng dụng vào lĩnh vực sắc ký14-16 cũng như xử lý mẫu bằng chiết pha rắn.10
Các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu polystyrene khâu mạng dùng trong phân tích đều sử dụng phản ứng polymer hóa theo cơ chế gốc tự do với chất khơi mào là azobisisobutyronitrile (AIBN) hay benzoyl peroxide (BPO).9, 14 Để tổng hợp vật liệu có dạng hạt, phương pháp polymer hóa nhũ tương, huyền phù hoặc kết tủa thường được sử dụng.Việc lựa chọn phương pháp polymer hóa nào ảnh hưởng mạnh đến kích thước, phân
bố hạt và hiệu suất của sản phẩm.Phương pháp polymer hóa kết tủa tạo ra sản phẩm là các hạt tròn kích thước từ 1 - 10 m, phân bố kích cỡ đồng đều nhưng hiệu suất phản ứng thường thấp (<30%).15Do đó phương pháp này thường được sử dụng để tạo ra sản phẩm làm pha tĩnh cho cột sắc ký lỏng Để tạo ra hạt polymer có kích cỡ phù hợp làm pha tĩnh cột chiết pha rắn (khoảng 100 m) thì phương pháp polymer hóa huyền phù là phù hợp nhất.16
Trang 17Hình 1.7: Cấu trúc vật liệu sulfonate poly(styrene-co-divinylbenzene)
Hình 1.8: Mô hình cấu trúc vật liệu polystyrene khâu mạng đã biến tính
Trang 18Trên nền vật liệu polystyrene khâu mạng, cũng có nhiều nhóm tác giả thực hiện các nghiên cứu về biến tính bằng các nhóm chức phân cực (Hình 1.8) Điển hình là các nghiên cứu của Fritz cùng các cộng sự về amine hóa17 cũng như sulfonate hóa vật liệu.18Tác giả sử dụng tác chất sulfonate hóa là acid sulfuric và phản ứng amine hóa trên nhóm methylene chloride trên vòng benzene Một số tác chất đã được sử dụng cho phản ứng sulfonate hóa như acid sulfuric,18c acetyl sulfate,19 acid chlorosulfonic.20 Đối với phản ứng amine hóa, phương pháp được sử dụng là sử dụng tác chất amine phản ứng trực tiếp lên nhóm methylene chloride17b, 21 hoặc thông qua phản ứng Leukart.22Theo tìm hiểu của chúng tôi nước ta chưa có các nghiên cứu về biến tính và ứng dụng vật liệu trao đổi ion trên nền polystyrene khâu mạng.23
Các nhóm chức như sulfonate, amine vừa có khả năng trao đổi ion, vừa cung cấp được tương tác lưỡng cực nên thích hợp để ứng dụng làm pha tĩnh cột chiết SPE cũng như QuEChERS phân tích những hợp chất phân cực hoặc mang điện tích.12c, 18b,24 Đặc biệt vật liệu chứa đồng thời nhóm amine bậc một và hai có nhiều ứng dụng trong phân tích đa dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong thực phẩm.25Khi phân tích thuốc bảo vệ thực vật trong nền mẫu thực phẩm, vấn đề đáng lo ngại nhất là nền mẫu có thể chứa nhiều chất béo (dừa, ca cao…), đường (mía, củ cải đường…), các acid hữu cơ, đặc biệt là phẩm màu.Các hợp chất này nếu không được loại bỏ khỏi mẫu sẽ gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích, làm nhiễu thậm chí sai lệch hoàn toàn Do đó, phương pháp QuEChERS được phát triển với nhiều loại pha tĩnh khác nhau như C18, than hoạt tính… Trong đó vật liệu chứa đồng thời nhóm amine bậc một và hai (Primary Secondary Amine – PSA) được sử dụng nhiều và cho hiệu quả cao
Phương pháp QuEChERS và SPE được sử dụng rất nhiều tại các phòng thí nghiệm, trung tâm phân tích tuy nhiên chỉ là ứng dụng và phát triển quy trình trên các loại vật liệu thương mại bán sẵn mà không phát triển quy trình cho các loại pha tĩnh mới cũng như những công thức phối trộn vật liệu hấp phụ phù hợp với từng nền mẫu khác nhau
Trang 192 VẬT LIỆU PHA ĐẢO CHỨA NHÓM OCTADECYL TRÊN NỀN SILICA 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
2.1.1 Hóa chất
Trimethoxyoctadecyl silane 90%, nhiệt độ sôi 170OC, d=0.88, M=374.56 g/mol cho tổng hợp, Aldrich-Sigma
Silaca gel cho sắc ký lỏng, đường kính 40-60 µm,Scharlau
Chlorotrimethyl silane 97%, d=0.856, M= 108.6, cho tổng hợp, Aldrich-Sigma
Imidazole, Merck
Acetone, diethylether, benzene, xylene, dichlorobenzene,dichloromethane, toluene, methanol, isopropanol, 2-propanol, acid formic, tinh khiết phân tích, Merck và Labscan
2.1.2 Dụng cụ, thiết bị
Hệ thống phản ứng: ống sinh hàn, bình cầu đáy bằng
Hệ thống chưng cất carbon
Buret 25, erlen 250, ống đong 10, các loại pipet
Máy khuấy từ gia nhiệt
Máy đo pH Schott-Lab 850
Trang 202.2.2 Gắn nhóm chức octadecyl
Quy trình phản ứng được thực hiện như sau: Cân chính xác khoảng 1gsilica đã xử lý
bề mặt cho vào bình cầu cổ nhám 100ml, cho tiếp 15ml dung môi toluene và 150mg toluenesulfonic aicd, tiến hành khuấy từ trong 30 phút để đồng nhấthỗn hợp Thêm 0.4ml octadecyltrimethoxy silane, tiến hành đun hoàn lưu cánh khuấy ở 105OC trong 4h trong điều kiện khí trơ N2 Phản ứng của octadecyltrimethoxy silane với silica:
p-Hình 2.1: Phản ứng của silica với trimethoxyoctadecyl silane
Sau khi kết thúc phản ứng, sản phẩm được rửa với 50ml toluene, 50ml IPA 1% acid fomic, 50ml hexan, 50ml hệ ACN:H2O (7:3), và 50ml ACN, sau đó đem sấy ở nhiệt độ
90OC trong chân không trong 5h
2.2.3 Xác định tính chất pha tĩnh
2.2.3.1 Phần trăm carbon
Hình 2.2: Hệ thống xác định hàm lượng C theo Allison
Trang 21Phần trăm carbon được xác định bằng phương pháp Allison26, theo quy trình sau: cho 20 ml dung dịch NaOH 0.5N vào bình hấp phụ có khuấy từ Cân một lượng chính xác khoảng 0.3g bột C18 vào bình cầu 2 cổ, thêm tiếp khoảng 2g K2Cr2O7, lắp 1 cổ của bình vào ống hoàn lưu, thêm tiếp 30ml hỗn hợp acid H2SO4:H3PO4 (3:2), và nhanh chóng gắn ống sục khí vào cổ còn lại Tiến hành đun hỗn hợp trong khoảng 2h tại nhiệt độ sôi Sau đó lấy dung dịch NaOH ra, chuẩn độ với dd HCl 0.2N và chỉ thị phenolphthaline, điểm cuối chuẩn độ là khi dung dịch chuyển từ màu đỏ tím sang không màu, thu được
Vmau(ml) Sau đó, tiến hành làm mẫu trắng với 0.3g silica như quy trình trên, thu được
Vblank(ml)
%C được tính theo công thức sau:
Trong đó: Vchuan: Thể tích HCl tiêu tốn để chuẩn dung dịch NaOH của mẫu trắng (ml)
Vmau: Thể tích HCl tiêu tốn để chuẩn lại dung dịch NaOH của mẫu (ml)
mmau: Khối lượng mẫu (g)
NHCl: Nồng độ đương lượng HCl
2.2.3.2 Tính hiệu suất phản ứng
Hiệu suất phản ứng dựa trên tỉ số phần trăm carbon đạt được và phân trăm carbon tính theo lý thuyết của hàm lượng silane thêm vào Phần trăm carbon theo lý thuyết được tính theo công thức sau:
%Clt = 100%*mCS/(mSil + mS – 3mCH3OH) Trong đó:
mCS: là khối lượng carbon của lượng thuốc thử silane thêm vào bình phản ứng
mCS được tính theo thể tích thuốc thử silane (VS) và các thông số của loại thuốc thử silane, với thuốc thử octadecyltrimethoxysilane:
mCS = VS*0.88*0.9*12*18/374.67 = 0.457* VS
Trang 22 3mCH3OH: là khối lượng 3 phân tử CH3OH giải phóng ra ứng với lượng thuốc thử silane thêm vào bình phản ứng dung mCH3OH được tính theo thể tích thuốc thử silane (VS) và các thông số của loại thuốc thử silane, với thuốc thử octadecyltrimethoxysilane:
3mCH3OH = VS*0.88*0.9*96/374.67 = 0.203* VS
msil: là khối lượng silica cho vào phản ứng (g)
mS: là khối lượng thuốc thử silane thêm vào bình phản ứng ms được tính theo thể tích thuốc thử silane (Vs) và các thông số thuốc thử silane, với thuốc thử octadecyltrimethoxysilane:
mS=Vs*0.88.0.9=0.792*VS
2.2.3.3 Xác định số lượng nhóm silanol
Quy trình: Cân chính xác 1.50 g silica và khoảng 30 g NaCl vào becher 250, thêm
100 ml nước cất và 50 ml methanol, khuấy từ cho muối tan hết Tiến hành thêm từng giọt NaOH 0.100N cho đến khi đạt pH 9, ghi lại thể tích NaOH tiêu tốn.Tiến hành 3 lần, lấy trung bình Mẫu trắng gồm 30g NaCl, 100 ml nước cất và 50 ml methanol được tiến hành đồng thời 3 lần, lấy trung bình
ØSiOH (mmol/g) = 0.1*VNaOH/mSil
2.3 Kết quả và thảo luận
2.3.1 Xử lý bề mặt silica
Để nâng cao hiệu suất phản ứng silanol hóa, bề mặt silica phải chứa các lỗ xốp có kích thước đủ lớn và một lượng lớn nhóm silanol tự do; mặt khác, hàm lượng nước hấp phụ vật lý phải đủ nhỏ.Vì vậy, khảo sát quá trình thủy giải nối Si-O-Si trong môi trường
HF, để tạo nhóm silanol tự do và quá trình xử lý nhiệt để giải phóng nước hấp phụ là cần thiết
2.3.1.1 Thời gian xử lý acid
Theo nhà nghiên cứu M.Hetem4, dung dịch HF 0.1% là phù hợp nhất để thủy giải nối Si-O-Si tạo nhóm silanol tự do Đối với mỗi loại silica có kích thước lỗ xốp và mật độ nhóm silanol khác nhau, thời gian thủy giải tối ưu theo qui trình tại mục 2.1 sẽ khác nhau
Trang 23Sau khi thủy giải ở các thời gian khác nhau, bột silica được sấy tại 200OC trong 16h Các bột silica này được thực hiện phản ứng silane hóa và xử lý sau phản ứng theo mục 2.2.2 Sau cùng, xác định phần trăm carbon và hiệu suất phản ứng theo mục 2.2.3 Kết quả khảo sát thời gian thủy giải cho silica của công ty Scharlau được thể hiện trong hình 2.3, thời gian tối ưu là 2 giờ
Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn hiệu suất phản ứng theo thời gian xử lý acid
Theo các số liệu trên, ta thấy việc xử lý silica với dung dịch HF 0.1% có ý nghĩa đáng kể, làm cho hiệu suất phản ứng tăng thêm khoảng 15%
Theo đồ thị trên, hiệu suất phản ứng ban đầu tăng, đạt một cực đại rồi giảm dần Điều này phù hợp với lý thuyết rằng việc xử lý silica với HF sẽ làm tăng kích thước lỗ trống
và bão hòa số lượng nhóm silanol trên bề mặt silica, nên ta thấy hiệu suất phản ứng tăng nhanh Tuy nhiên, nếu xử lý với HF quá lâu thì silica sẽ bị ăn mòn quá nhiều, làm cho các
lỗ xốp kế cận trên silica thông với nhau, dẫn đến giảm diện tích bề mặt Do đó, ta thấy thời gian xử lý với HF càng lâu thì hiệu suất phản ứng càng giảm.Số liệu xác định hàm lượng nhóm silanol trên bề mặt cũng cho thấy rõ xu hướng này (hình 3-2)
Trang 24Hình 2.4:Đồ thị biều diễn số lượng nhóm silanol theo thời gian xử lý HF 0.1%
2.3.1.2 Nhiệt độ xử lý
Theo Unger27, nhiệt độ loại nước hấp phụ tối ưu cho silica là 200OC Trên 200OC, quá trình loại nước trên bề mặt luôn đi kèm với quá trình khử nhóm silanol tự do Như vậy, mỗi loại silica sẽ có một nhiệt độ loại nước tối ưu, ở đó, hiệu suất gắn nhóm octadecylsilane là cao nhất.Đối với silica sau khi thủy giải có nhiệt độ loại nước tối ưu là
200OC
2.3.2 Tối ưu phản ứng silane hóa
2.3.2.1 Bản chất của dung môi và nhiệt độ
Phản ứng silane hóa của thuốc thử alkoxysilane là một hàm theo nhiệt độ6, nên nhiệt độ là yếu tố quan trọng cần khảo sát Thêm vào đó, độ phân cực dung môi cũng ảnh hưởng đến phản ứng, yếu tố này quyết định độ tan của thuốc thử, sự thấm ướt các hạt silica… vì vậy dung môi cũng cần được tối ưu
Khảo sát dung môi và nhiệt độ cho phản ứng silane hóa được thực hiện trên silica
đã xử lý bề mặt theo mục 2.1 Phản ứng silane hóa được thực hiện và làm sạch theo mục 2.2.2 với các dung môi khác nhau, nhiệt độ thay đổi từ 60-160OC Sau cùng, xác định phần trăm carbon và hiệu suất phản ứng theo mục 2.2.3 Ở đây, bốn dung môi xylene,
Trang 25benzene, toluene, 1,2-dichlorobenzene với các hằng số vật lý được cho trong bảng 2.1 được khảo sát.Kết quả khảo sát bản chất dung môi được thể hiện trong hình 2.5
Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số dung môi
Moment lưỡng cực (D)
Hình 2.5: Đồ thị biểu diễn hiệu suất phản ứng theo các dung môi khác nhau
Theo biểu đồ trên, ta thấy khi nhiệt độ tăng thì hiệu suất phản ứng tăng, đặc biệt đường biểu diễn của toluene và xylene rất giống nhau Khi nhiệt độ lên đến một mốc nhất định thì hiệu suất phản ứng giảm
Benzene có moment lưỡng cực bằng 0, không thấm ướt tốt bề mặt silica, thêm vào đó nhiệt độ sôi của benzene là khá thấp (80OC) nên hiệu suất phản ứng tối đa chỉ đạt 57% tại nhiệt độ sôi Trái ngược với benzene, 1,2-dichlorobenzen có độ phân cực khá cao (moment lưỡng cực bằng 1.80), nên mặc dù có nhiệt độ sôi cao, hiệu suất phản ứng tối đa cũng chỉ đạt 80% Điều này được giải thích do có độ phân cực cao, các phân tử 1,2-
Trang 26dichlorobenzene có thể hấp phụ vào bề mặt silica, ngăn cản sự tiếp xúc của silane với silica
Toluene có moment lưỡng cực bằng 0.39, giá trị moment lưỡng cực cho xylene nằm trong khoảng 0.07 đến 0.64, tùy thuộc vào tỉ lệ của ortho, para và meta xylene Có thể thấy rằng, các giá trị moment lưỡng cực trên là phù hợp để hòa tan tác chất silane và thấm ướt bề mặt silica, thêm vào đó hai dung môi này có nhiệt độ sôi tương đối cao, nên hiệu suất có thể đạt trên 90% tại 110OC Tại 140OC, hiệu suất phản ứng với dung môi xylene giảm, điều này có thể là do tác chất silane bị phân hủy tại nhiệt độ cao
Như vậy, toluene được chọn là dung môi phản ứng cho các thí nghiệm sau và nhiệt
độ phản ứng tại nhiệt độ sôi của toluene (110OC) được xem là tối ưu Tuy nhiên, khi thực hiện phản ứng tại nhiệt độ sôi, các pha rắn trong hỗn hợp rất dễ bị văng lên thành bình, vì vậy chọn nhiệt độ tối ưu là 105OC Như vậy, với dung môi phản ứng là toluene và nhiệt
độ phản ứng là 105OC, thời gian phản ứng 4h, hiệu suất phản ứng đạt 90%, tương ứng với
%C sản phẩm là 13.2%
Một điều dễ để nhận ra phản ứng đã xảy ra là sản phẩm sau phản ứng nổi hoàn toàn khi tiếp xúc với nước, trái ngược với nguyên liệu silica ban đầu chìm hoàn toàn khi tiếp xúc với nước
Hình 2.6: Hình ảnh trước và sau phản ứng của sản phẩm: (a) Silica trước phản ứng chìm trong nước (b) Silica sau phản ứng có gắn dây C18 kỵ nước nên nổi hoàn toàn trên nước
Trang 272.3.2.2 Thời gian phản ứng
Khảo sát thời gian phản ứng được thực hiện trên silica đã xử lý bề mặt theo mục 2.1 Phản ứng silane hóa được thực hiện và làm sạch theo mục 2.2.2 Sau cùng, xác định phần trăm carbon và hiệu suất phản ứng theo mục 2.2.3 Kết quả khảo sát nhiệt độ phản ứng silane hóa được thể hiện trong hình 2.7
Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian phản ứng
Theo đồ thị trên, ban đầu hiệu suất phản ứng tăng rất, sau đó tăng chậm lại và gần như không đổi.Với 2h đầu, hiệu suất phản ứng đã đạt 74.5%, đến 4h, hiệu suất tăng thêm 14.8% đạt 90.2%, vàhiệu suất đến 6h phản ứng chỉ tăng thêm một lượng rất nhỏ Điều này phù hợp với lý thuyết rằng ban đầu phản ứng diễn ra nhanh, sau đó chậm dần vì gặp phải chướng ngại không gian, hơn nữa, thời gian càng lâu thì nồng độ tác chất trong dung dịch càng nhỏ, dẫn đến xác xuất gặp nhau giữa tác chất và nhóm silanol càng ít, nên hiệu suất phản ứng không đổi Như vậy, thời gian 4h được chọn là tối ưu với %C sản phẩm là 13.2%
2.3.2.3 Xúc tác
Xúc tác rất quan trọng trong phản ứng silane hóa, phản ứng của octadecyltrimethoxy silane với silica chỉ đạt 3.5%C trong trường hợp không có xúc tác28
Trang 28Phản ứng của alkoxysilane với silica tương tự như phản ứng hình thành anhydride từ một acid (silica) và một ester (alkoxysilane) và có thể được xúc tác bằng cả acid hoặc baz6 Theo cơ chế phản ứng8, khi tiếp xúc với xúc tác, nhóm alkoxy OR của silane bị thủy phân
để hình thành nhóm silanol trung gian hoạt tính phản ứng cao Nhóm silanol trung gian này sẽ liên kết, ngưng tụ vào nhóm silanol tại bề mặt silica bằng liên kết hydro, khi nhiệt
độ tăng cao quá trình mất nước xảy ra và liên kết siloxane được hình thành Xúc tác giúp quá trình thủy phân (1) và ngưng tụ (2) xảy ra nhanh hơn, trong đó baz sẽ thủy phân các nhóm alkoxy OR theo kiểu bậc thang, nghĩa là quá trình thủy phân các nhóm OR trên cùng một phân tử silane không xảy ra đồng thời mà từng nhóm một và tốc độ thủy phân nhóm thứ hai sẽ lâu hơn nhóm thứ nhất Trái lại, xúc tác acid thủy phân chúng nhanh hơn đáng kể so với baz, làm phản ứng xảy ra nhanh hơn
Hình 2.8: Cơ chế phản ứng của silica và alkoxysilane, trong đó: (1) quá trình thủy phân
alkoxysilane, (2,3) quá trình ngưng tự tạo liên kết hydrogen lên bề mặt silica và (4) sự hình thành
liên kết
Khảo sát xúc tác cho phản ứng silane hóa được thực hiện trên silica đã xử lý bề mặt theo mục 2.1 Phản ứng silane hóa được thực hiện và làm sạch theo mục 2.2.2 Sau cùng, xác định phần trăm carbon và hiệu suất phản ứng theo mục 2.2.3.Ở đây, các xúc tác được khảo sát gồm các amine bậc 2,3 và acid gồm pyridine, imidazole, diethyl amine, triethyl amine và p-toluenesulfonic acid với các hằng số vật lý được cho trong bảng 2.2 Hàm lượng xúc tác thêm vào bằng 50% số mole tác chất silane.Kết quả khảo sát xúc tác phản ứng silane hóa được thể hiện trong hình 2.9
Trang 29Hình 2.9: Biểu diễn hiệu suất phản ứng theo xúc tác
Theo biểu đồ trên, ta thấy đa số các amine cho hiệu suất phản ứng thấp, riêng có imidazole cho hiệu suất khá cao (85%) và con số lớn nhất xảy ra với acid p-
Trang 30phản ứng xảy ra nhanh nhất Các amine như triethylamine, diethylamine, pyridine cho hiệu suất phản ứng thấp, ngoài lý do vì chúng thủy phân silane chậm, còn có thể do chúng có nhiệt độ sôi thấp nên bị bay hơi thất thoát trong điều kiện phản ứng, riêng imidazole có nhiệt độ sôi tương đối cao (256OC) nên cho hiệu suất khá cao
Như vậy, p-toluenesulfonic acid được chọn là xúc tác tối ưu với %C sản phẩm là 13.2%
2.3.2.4 Hàm lượng xúc tác
Khảo sát hàm lượng xúc tác cho phản ứng silane hóa được thực hiện trên silica đã
xử lý bề mặt theo mục 2.1 Phản ứng silane hóa được thực hiện và làm sạch theo mục 2.2.2 với hàm lượng xúc tác khác nhau Sau cùng, xác định phần trăm carbon và hiệu suất phản ứng theo mục 2.2.3 Kết quả được thể hiện trên hình 2.10
Hình 2.10: Biểu diễn hiệu suất phản ứng theo hàm lượng xúc tác
Kết quả cho thấy, với hàm lượng xúc tác p-toluenesulfonic acid tương đương 50%
số mole tác chất silane, hiệu suất phản ứng là cao nhất (90.2%) Lớn hơn hàm lượng này, hiệu suất phản ứng có xu hướng giảm, có thể là do xác tác đã hấp phụ vào bề mặt silica, làm cản trở quá trình tiếp xúc của silane và silica
Trang 31Vậy, hàm lượng xúc tác tương đương 50% số mole tác chất silane được chọn là hàm lượng tối ưu với %C sản phẩm là 13.2%
2.3.3 End-capping
Tiến hành xác định hàm lượng silanol tự do của bột C18 (% C = 13.2) theo mục 2.3.3, ta thấy số lượng nhóm silanol còn lại lên đến 2.32 mmol/g, chiếm 86.9% hàm lượng silanol ban đầu Lượng silanol còn lại này bao gồm silanol trên bề mặt silica và silanol chưa phản ứng trên phân tử silane, chúng làm ảnh hưởng xấu đến bản chất pha tĩnh, vì vậy cần tiến hành phản ứng để giảm thiểu nhóm silanol dư này, phản ứng này được gọi là phản ứng endcapping Tuy nhiên, việc end-capping cũng không thể loại bỏ hoàn toàn các nhóm silanol tự do
Tác chất end-capping là một silane nhỏ gọn, thường có dạng Me3SiX, trong đó trimethylchlorosilane và hexamethyldisilazane là hai tác chất end-capping được dùng Ngoài ra, N,O-Bis(trimethylsilyl)acetamide, trimethylsilylphosphine, trimethylsilylimida -zole cũng được đánhgiá khảlà có năng end-capping tốt29
Hình 2.11: Tác chất end-capping (A) Trimethylchlorosilane và (B) Hexamethyldisilazane
Phản ứng end-capping có thể thực hiện tại nhiệt độ thường với trường hợp của trimethylsilylimidazole dùng acetonitrile là dung môi30 và với hexamethyldisilazane dùng toluene làm dung môi31
Trong đề tài này, phản ứng end-capping không được khảo sát mà thực hiện theo tiêu chuẩn đã công bố Patent EP1361915 B132 với tác chất end-capping là chlorotrimethyl silane, quy trình được tóm tắt như sau: cân 1g pha tĩnh C18 đã tổng hợp ( %C = 13.2%) vào bình cầu 100 mL, thêm 15 mL toluene, thêm 1 mL chlorotrimethyl silane và 0.5g imidazole, tiến hành đun hoàn lưu dùng cánh khuấy tại 80OC trong 4h Sau phản ứng sản phẩm được rửa toluene, acetone, acetone/water (1:1), acetone và làm khô tại 80OC trong 16h Sản phẩm cuối cùng được xác định hàm lượng carbon theo mục 2.2.2 và xác định
Trang 32hàm lượng nhóm silanol còn lại theo mục 2.2.3 Kết quả của phản ứng end-capping được
Phân trăm silanol tự do so với ban đầu
(%)
Ở phản ứng end-capping ở trên, mặc dù đã cho một lượng tác chất end-capping lớn (theo tính toán là khoảng gấp 4 lần lượng cần thiết), nhưng vẫn không thể phản ứng hết các nhóm silanol tự do còn lại Điều này cũng có thể giải thích do chướng ngại không gian, khi mật độ ligand quá cao, các phân tử tác chất end-capping sẽ khó len lỏi vào bề mặt silica để gặp nhóm silanol tự do Tuy không đạt đươc mục đích là loại bỏ hoàn toàn nhóm silanol tự do, nhưng tác chất end-capping đã giúp giảm đi lượng nhóm silanol đáng
kể
2.4 Kết luận
Quy trình tổng hợp pha tĩnh C18 dùng cho SPE với silica Schalau bao gồm ba bước: bước một là hoạt hóa bề mặt silica, bước hai là gắn tác chất octadecyl silane vào bề mặt silica và bước ba là thực hiện phản ứng end-capping Điều kiện tối ưu cho bước một bao
Trang 33gồm: Dung dịch hoạt hóa HF 0.1%, thời gian hoạt hóa 2 giờ, nhiệt độ hoạt hóa 90OC, nhiệt độ sấy silica sau hoạt hóa là 200OC trong 24 giờ Điều kiện tối ưu cho bước hai bao gồm: Tác chất trimethoxyoctadecyl silane, dung môi toluene, nhiệt độ phản ứng 105OC, xúc tác p-toluenesulfonic acid tại hàm lượng bằng 50% số mole silane Bước ba được thực hiện theo quy trình tiêu chuẩn Patent EP1361915 B1
Sản phẩm trước end-capping có %C là 13.2% và sau end-capping có %C là 14.1%,
so với sản phẩm cùng loại trên thị trường ( có %C dao động từ 10-18%) Giá thành của 1g sản phẩm vào khoảng 65.000 VND, tương đương với giá sản phẩm trên thị trường Giá thành sản phẩm còn cao do mới thử nghiệm theo quy mô phòng thí nghiệm, theo tính toán nếu sản xuất theo quy mô công nghiệp thì giá thành có thể hạ xuống 35.000/g Sản phẩm có dạng bột, màu trắng, có tính kỵ nước cao (nổi hoàn toàn khi cho tiếp xúc nước), hoàn toàn tương tự với các tính chất của sản phẩm trên thị trường