Nghiên cứu quy trình tổng hợp para menthan 3,8 diol quy mô phòng thí nghiệm định hướng làm thuốc xua đuổi muỗi

Tuy nhiên, trong tinh dầubạch đàn chanh lại chứa nhiều citronellal, đây là nguyên liệu dùng để tổng hợp PMD.Việt Nam hiện nay cũng đã trồng cây bạch đàn chanh để chiết xuất tinh dầu này.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ

ĐẠI HỌC Y DƯỢC TP HỒ CHÍ MINH

-Phan Minh Hoàng

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TỔNG HỢP PARA-MENTHAN-3,8-DIOL QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

ĐỊNH HƯỚNG LÀM THUỐC XUA ĐUỔI MUỖI

LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh - 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ

ĐẠI HỌC Y DƯỢC TP HỒ CHÍ MINH

-Phan Minh Hoàng

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TỔNG HỢP PARA-MENTHAN-3,8-DIOL QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

ĐỊNH HƯỚNG LÀM THUỐC XUA ĐUỔI MUỖI

Ngành: Công Nghệ Dược Phẩm và Bào Chế Thuốc

Mã số: 8720202

Luận văn Thạc sĩ Dược học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 TS Trần Ngọc Châu

2 GS TS Trần Thành Đạo

Thành phố Hồ Chí Minh - 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn cao học “Nghiên cứu quy trình tổng hợp 3,8-diol quy mô phòng thí nghiệm định hướng làm thuốc xua đuổi muỗi” là côngtrình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của thầy TS.Trần Ngọc Châu vàGS.TS Trần Thành Đạo, không sao chép của bất cứ ai Tôi xin chịu mọi trách nhiệm

para-menthan-về công trình nghiên cứu của mình

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TỔNG HỢP PARA-MENTHAN-3,8-DIOL QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐỊNH HƯỚNG LÀM THUỐC XUA ĐUỔI MUỖI

Tóm tắt

Mở đầu: Muỗi là trung gian truyền nhiều bệnh nguy hiểm cho người Phòng ngừa

muỗi đốt sẽ giúp bảo vệ sức khỏe p-Menthan-3,8-diol (PMD) là hoạt chất xua đuổimuỗi hiệu quả nhưng vẫn chưa được sản xuất hay phổ biến ở Việt Nam Nghiên cứutổng hợp PMD tạo tiền đề cho phát triển sản phẩm chứa PMD tại Việt Nam

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: PMD được tổng hợp theo cơ chế Prins từ

2 nguồn nguyên liệu là (±)-citronellal tinh khiết (~95%) và tinh dầu bạch đàn chanh

chứa citronellal (~53%) bằng 2 phương pháp khác nhau bao gồm khuấy và sử dụngsiêu âm Dựa trên các phổ đồ IR, NMR và sắc ký đồ GC nghiên cứu về phản ứng, cấutrúc hoạt chất, và một số phương pháp kiểm nghiệm PMD

Kết quả: Đối với (±)-citronellal thì phương pháp khuấy ở 50-60 °C, acid sulfuric

0,25% (kl/kl), thời gian 8 giờ cho kết quả hiệu suất sau kết tinh tới 78,5% Phươngpháp dùng sóng siêu âm với biên độ siêu âm 40% (48 µm), xung sóng siêu âm 30giây hoạt động và 5 giây ngừng, thời gian siêu âm 2 giờ, xúc tác acid sulfuric 0,25%(kl/kl) giúp thu được sản phẩm có hàm lượng PMD lên tới 98,09% theo GC-FID.Thời gian siêu âm có thể giảm còn 10 phút với biên độ siêu âm 100% mà sản phẩmthu được vẫn có hàm lượng PMD cao khoảng 93% Đối với tinh dầu bạch đàn chanh,phương pháp khuấy ở 50-60 °C, acid citric 7% (kl/kl), thời gian 15 giờ giúp thu đượcsản phẩm có hàm lượng PMD khoảng 54% Phương pháp siêu âm với biên độ 40-60%, xúc tác acid sulfuric 0,25% giúp giảm thời gian tổng hợp còn 0,5-2 giờ và sảnphẩm thu được có hàm lượng PMD khoảng 53-63%

Cơ chế phản ứng chọn lọc lập thể đồng phân quang học PMD được đề xuất Phương

pháp IR, NMR có thể giúp xác định tỉ lệ cis- và trans- PMD trong hỗn hợp hai đồng phân và phương pháp IR định tính được hỗn hợp cis/trans-PMD được chứng minh.

Kết luận: Tổng hợp PMD hoàn toàn có thể thực hiện được ở Việt Nam với nguồn

nguyên liệu citronellal nhập khẩu hoặc từ nguồn nguyên liệu tinh dầu bạch đàn chanhtrong nước

Từ khóa: PMD, citronellal, Prins, Eucalyptus citriodora.

RESEARCH ON SYNTHETIC PROCESS OF PARA-MENTHANE-3,8-DIOL ORIENTED FOR MOSQUITO REPELLENT ON LABORATORY SCALE

Summary

Introduction: Mosquitoes are intermediate hosts that transmit many dangerous

diseases to humans Prevention of mosquito bites will help protect health 3,8-diol (PMD) is an effective mosquito repellent but it has not yet been produced orpopular in Vietnam Research on synthetic process of PMD can support for PMD-containing product development in Vietnam

p-Menthan-Materials and methods: PMD is synthesized through Prins mechanism from two

sources of materials that are pure (±)- citronellal (~ 95%) and essential oil of Eucalyptus citriodora L (~53% citronellal) with 2 different methods including

stirring method and ultrasound-supported method Based on IR, NMR and GCresults, reaction, structures, and some PMD testing methods are studied

Results: For (±)-citronellal, the stirring method carried out at 50-60 °C in 8 hours

using 0.25% (w/w) sulfuric acid as catalyst gave a crystallization yield up to 78.5%.The ultrasonic method with 40% amplitude (48 µm), pulse of 30 seconds on and 5seconds off in 2 hours, using 0.25% (w/w) sulfuric acid catalyst helped to obtain oilproduct up to 98.09% PMD The ultrasonic time could be reduced to 10 minutes with

100% amplitude and the oil product contained about 93% PMD For Eucalyptus citriodora essential oil, the stirring method at 50-60 °C for 15 hours with 7% citric

acid catalyst resulted in 54% PMD oil product The ultrasonic method with 40-60%amplitude and 0.25% (w/w) sulfuric acid catalyst could reduce synthesis time to 0.5-

2 hours and obtain the oil product containing 53-63% PMD PMD optical isomerselective reaction mechanism was proposed The IR and NMR spectra methods

determining the cis-/trans- PMD ratios in a mixture, and the IR spectrum method applied to identify PMD not only in pure form but also in cis-/trans- PMD mixture

form were proven

Conclusion: Synthesis of PMD is completely possible in Vietnam with imported

citronellal or domestic Eucalyptus citriodora essential oil.

Keywords: PMD, citronellal, Prins, Eucalyptus citriodora.

LỜI CẢM ƠN

Cho phép em gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy TS.TRẦN NGỌC CHÂU, thầy GS

TS TRẦN THÀNH ĐẠO đã dành nhiều thời gian quý báu để hướng dẫn, chỉ bảo tậntình cũng như động viên và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện

đề tài

Em xin gửi lời cảm ơn thầy PGS.TS Lê Minh Trí, thầy PGS.TS Trương Phương, côPGS.TS Huỳnh Thị Ngọc Phương, thầy PGS.TS Thái Khắc Minh, cô TS Võ ThịCẩm Vân, cô Th.S Huỳnh Nguyễn Hoài Phương đã luôn quan tâm, tạo cho em môitrường học tập, làm việc tốt nhất

Em xin cảm ơn cô PGS.TS Bùi Mỹ Linh đã tài trợ tinh dầu bạch đàn chanh chonghiên cứu

Em xin cảm ơn chị Ngô Thị Kiều Khương, chị Đặng Thị Hồng Chi, con cảm ơn côThảo đã chăm lo dụng cụ, hóa chất, hỗ trợ lab được ngăn nắp, giúp em/con hoàn thành

đề tài

Em/mình cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị, các bạn và các em đã đồng hànhtrong suốt quá trình thực hiện đề tài tại bộ môn Hóa Dược

MỤC LỤC

1 MỞ ĐẦU 1

2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1.Tổng quan về các chất xua đuổi muỗi 3

2.2.Tổng quan về PMD và tinh dầu được làm giàu PMD 6

2.2.1 Tổng quan về PMD 6

2.2.2 Tổng quan về tinh dầu được làm giàu PMD 9

2.3.Tổng quan về các phương pháp tổng hợp và chiết xuất PMD 10

2.3.1 Chiết xuất từ tự nhiên 10

2.3.2 Tổng hợp từ nguyên liệu citronellal theo phản ứng Prins 10

2.3.3 Tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu khác 17

2.4.Tổng quan về citronellal 17

2.5.Tổng quan về cây bạch đàn chanh và thành phần tinh dầu 18

2.6.Tổng quan về áp dụng sóng siêu âm trong tổng hợp 20

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1.Dụng cụ và hóa chất 22

3.2.Phương pháp tổng hợp PMD từ citronellal tinh khiết 23

3.2.1 Phân tích các điều kiện tiến hành thí nghiệm 23

3.2.2 Quy trình tổng hợp PMD bằng cách khuấy 24

3.2.3 Quy trình tổng hợp và tinh chế PMD có sử dụng sóng siêu âm 25

3.2.4 Khảo sát các yếu tố của siêu âm ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp và tỉ lệ chuyển hóa của citronellal 25

3.2.5 Tối ưu hóa quy trình tổng hợp 26

3.3.Phương pháp tổng hợp PMD từ tinh dầu bạch đàn chanh 27

3.3.1 Điều kiện tiến hành thí nghiệm và quy trình tổng hợp dự kiến 27

3.3.2 Tối ưu hóa quy trình tổng hợp 27

3.4.Phương pháp xác định cấu trúc và độ tinh khiết của sản phẩm 28

3.4.1 Nhiệt độ nóng chảy 28

3.4.2 Sắc ký lớp mỏng 28

3.4.3 Khối phổ 28

3.4.4 Sắc ký khí 29

3.4.5 Phổ hồng ngoại 33

3.4.6 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 33

4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 35

4.1.Tổng hợp PMD từ nguyên liệu (±)-citronellal 35

4.1.1 Phân tích nguyên liệu (±)-citronellal bằng sắc ký khí 35

4.1.2 Phân lập, phân tích đặc điểm các đồng phân PMD và chứng minh vị trí của các pic PMD trên phổ đồ và sắc ký đồ 35

4.1.3 Tổng hợp PMD bằng phương pháp khuấy 63

4.1.4 Tổng hợp PMD bằng phương pháp áp dụng siêu âm 67

4.1.5 Nghiên cứu tinh chế PMD bằng phương pháp kết tinh 76

4.2.Tổng hợp PMD từ nguyên liệu tinh dầu bạch đàn chanh 78

4.2.1 Phân tích nguyên liệu tinh dầu bạch đàn chanh bằng sắc ký khí 78

4.2.2 Kết quả tổng hợp PMD từ nguyên liệu tinh dầu bạch đàn chanh 79

4.2.3 Phân tích PMD kết tinh từ dầu thô sau phản ứng siêu âm 81

4.3.Phân tích và bàn luận về cơ chế phản ứng chọn lọc lập thể của phản ứng Prins tổng hợp PMD từ citronellal 83

4.4.Phân tích và bàn luận về kiểm nghiệm PMD 86

4.4.1 Nhiệt độ nóng chảy 86

4.4.2 Sắc ký lớp mỏng 88

4.4.3 Phổ hồng ngoại 89

4.4.4 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 96

4.4.5 So sánh các phương pháp kiểm nghiệm 96

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97

Danh sách chữ viết tắt và kí hiệu

TCCS Tiêu chuẩn cơ sở

Kí hiệu Tiếng Việt

Citro Lượng nguyên liệu citronellal tham gia phản ứng

C_acid Nồng độ dung dịch acid (kl/kl)

m_acid Khối lượng dung dịch acid tham gia phản ứng

p_cis Phần trăm đồng phân cis trong hỗn hợp đồng phân cis/trans-PMD

pC_citro Phần trăm chuyển hóa citronellal tối thiểu

pS_imp2 Phần trăm diện tích pic của các chất khó bay hơi hơn PMD trong kết

quả GC-FID, trong đó có acetal của PMD và citronellalpS_PMD Phần trăm diện tích pic của PMD trong kết quả GC-FID

pS_PMD_m Phần trăm diện tích pic tối thiểu của PMD trong kết quả GC-FID

sau khi hiệu chỉnh cho các tạp nguyên liệu

time Thời gian siêu âm/Thời gian thực hiện phản ứng

Danh sách hình

Hình 2.1 Công thức cấu tạo DEET 3

Hình 2.2 Công thức cấu tạo của picaridin 4

Hình 2.3 Công thức cấu tạo của IR3535 5

Hình 2.4 Công thức cấu tạo của permethrin 5

Hình 2.5 Công thức cấu tạo và cách đánh số trên cấu trúc PMD 6

Hình 2.6 Phản ứng Prins của citronellal 11

Hình 2.7 Hai đồng phân quang học của citronellal 18

Hình 2.8 Đầu siêu âm và bộ điều khiển máy siêu âm Q500 hãng Q-SONICA 21

Hình 4.9 Kết quả SKLM sản phẩm dầu thô của thí nghiệm đầu tiên 36

Hình 4.10 Kết quả phân tích GC-FID các phân đoạn sắc ký cột: 37

Hình 4.11 Kí hiệu các proton trong biện giải phổ 1H-NMR của ta và ta’ 41

Hình 4.12 Sự ghép spin của proton trên carbon mang nhóm hydroxy của ta/ta’ 42

Hình 4.13 Sự ghép spin của proton G của ta/ta’ 42

Hình 4.14 Sự ghép spin của proton C của ta/ta’ 43

Hình 4.15 Độ dịch chuyển của một số carbon trong phổ 13C-NMR của ta và ta’ 44

Hình 4.16 Kí hiệu các proton trong biện giải phổ 1H-NMR của ca và ca’ 45

Hình 4.17 Sự ghép spin của proton trên carbon mang nhóm hydroxy của ca/ca’ 46

Hình 4.18 Sự ghép spin của proton trên carbon mang hydroxyisopropyl ca/ca’ 47

Hình 4.19 Sự ghép spin của proton H của ca/ca’ 47

Hình 4.20 Độ dịch chuyển của một số carbon trong phổ 13C-NMR ca và ca’ 49

Hình 4.21 Kết quả GC-FID sản phẩm dầu thô của thí nghiệm D0 50

Hình 4.22 Kết quả GC-MS dầu thô của thí nghiệm D0 51

Hình 4.23 Sắc ký đồ GC-FID sản phẩm dầu thô nghiên cứu của Y.Yuasa và cs 52

Hình 4.24 Proton được dự đoán là proton gắn với carbon liên kết nhóm hydroxy trên

vòng ở vị trí trục của (tb + tb’) 54

Hình 4.25 Proton được dự đoán là proton C của (tb + tb’) 55

Hình 4.26 Phổ COSY cho thấy sự ghép cặp của các proton dự đoán là proton A và proton C của tb và tb’ 56

Hình 4.27 Proton gắn với carbon liên kết nhóm hydroxy trên vòng ở vị trí trục của (ta + ta’) và (tb + tb’) 57

Hình 4.28 Proton C của (ta + ta’) và (tb + tb’) 57

Hình 4.29 Proton được dự đoán gắn với carbon liên kết nhóm hydroxy trên vòng ở vị trí trục của (cb + cb’) 58

Hình 4.30 Tỉ lệ proton gắn với carbon liên kết nhóm hydroxy trên vòng ở vị trí trục của (ca +ca’) và (cb + cb’) 59

Hình 4.31 Kết tinh PMD sản phẩm dầu thô 60

Hình 4.32 SKLM pha nước sau khi chiết với DCM 64

Hình 4.33. Phân tích GC-FID sản phẩm dầu thô của thí nghiệm D0 65

Hình 4.34 Phản ứng cộng nước của acetal citronellal PMD 66

Hình 4.35 Ảnh hưởng của các yếu tố siêu âm lên phần trăm diện tích pic PMD trong GC-FID 68

Hình 4.36 Ảnh hưởng của các yếu tố siêu âm lên phần trăm tạp dễ bay hơi hơn PMD, tạp chất khó bay hơi hơn PMD và cis-PMD 69

Hình 4.37 Ảnh hưởng biên độ siêu âm lên tỉ lệ cis-PMD 73

Hình 4.38 Mức độ đục khi phân tán citronellal trong dung dịch H2SO4 0,25% 75

Hình 4.39. Kết quả phân tích GC-FID kết tinh từ sản phẩm dầu thô khi tổng hợp PMD từ nguyên liệu citronellal tinh khiết 77

Hình 4.40. Kết quả phân tích GC-FID kết tinh từ sản phẩm dầu thô khi tổng hợp PMD từ nguyên liệu tinh dầu bạch đàn chanh 82

Hình 4.41 Cơ chế chọn lọc lập thể của phản ứng tạo PMD từ citronellal 85

Hình 4.42 Mối tương quan giữa phần trăm cis-PMD trong hỗn hợp và phần trăm

diện tích pic vùng 804-806 cm-1 90

Hình 4.43 Phổ IR hỗn hợp cis/trans-PMD với tỉ lệ cis dao động từ 0-100% 92

Hình 4.44 Kết quả chồng phổ IR của kết tinh dầu thô khi tổng hợp PMD từ nguyên

liệu citronellal tinh khiết với phổ IR hỗn hợp PMD có sẵn, cis-PMD và trans-PMD 93

Hình 4.45 Kết quả chồng phổ IR của kết tinh dầu thô khi tổng hợp PMD từ tinh dầu

bạch đàn chanh với phổ IR của hỗn hợp PMD có sẵn, cis-PMD và

trans-PMD 94

Danh sách bảng

Bảng 2.1 Các đồng phân lập thể của PMD 7

Bảng 2.2 Các nghiên cứu tổng hợp PMD từ citronellal 15

Bảng 3.3 Trang thiết bị dùng cho nghiên cứu 22

Bảng 3.4 Hóa chất dùng cho nghiên cứu 22

Bảng 3.5 Thiết kế thí nghiệm tổng hợp PMD từ citronellal sử dụng siêu âm 26

Bảng 3.6 Mã hóa thiết kế thí nghiệm tổng hợp PMD từ citronellal 26

Bảng 3.7 Chia dòng (flow ratio) cho GC-MS và GC-FID 29

Bảng 3.8 Chương trình nhiệt cho GC-MS và GC-FID 30

Bảng 4.9 Kết quả SKLM sản phẩm sau sắc ký cột 36

Bảng 4.10 Kết quả đo năng suất quay cực 38

Bảng 4.11 So sánh kết quả NMR và năng suất quay cực của chất chính phân đoạn 1 với các nghiên cứu khác 38

Bảng 4.12 So sánh kết quả NMR và năng suất quay cực của chất chính phân đoạn 2 với các nghiên cứu khác 39

Bảng 4.13 Phân tích phổ 1H-NMR của (ta + ta’) 43

Bảng 4.14 Phân tích phổ 1H-NMR của cis-PMD 48

Bảng 4.15 Các cấu dạng của sản phẩm PMD 53

Bảng 4.16 Kết quả đo nhiệt độ nóng chảy của PMD 60

Bảng 4.17 Phổ hồng ngoại của cis-PMD 61

Bảng 4.18 Phổ hồng ngoại của trans-PMD 61

Bảng 4.19 Khảo sát các điều kiện tổng hợp PMD bằng phương pháp khuấy 64

Bảng 4.20 Các điều kiện tổng hợp PMD không dùng siêu âm 65

Bảng 4.21 Kết quả tổng hợp PMD trong điều kiện không dùng siêu âm 67

Bảng 4.22 Khảo sát ban đầu về tổng hợp PMD bằng siêu âm 67

Bảng 4.23 Kết quả tổng hợp PMD của 4 thí nghiệm siêu âm được thiết kế 68

Bảng 4.24 Các điều kiện khảo sát tổng hợp PMD từ citronellal bằng siêu âm 70

Bảng 4.25 Kết quả tổng hợp PMD từ citronellal bằng siêu âm 71

Bảng 4.26 Kết quả kết tinh từ sản phẩm dầu thô trong n-hexan 76

Bảng 4.27 Các điều kiện tổng hợp PMD được khảo sát từ nguyên liệu tinh dầu bạch đàn chanh 79

Bảng 4.28 Kết quả tổng hợp PMD từ tinh dầu bạch đàn chanh 79

Bảng 4.29 Tỉ lệ các đồng phân PMD thu được từ phản ứng đóng vòng citronellal với xúc tác acid 86

Bảng 4.30 Nhiệt độ nóng chảy cis-PMD và trans-PMD từ các tài liệu tham khảo và của nghiên cứu 88

Bảng 4.31 Kết quả đánh giá phần trăm cis-PMD dựa trên IR 90

Bảng 4.32 Kết quả tính toán tỉ lệ cis-PMD theo phương trình hồi quy 90

Bảng 4.33 Đánh giá định tính và xác định tỉ lệ cis/trans-PMD 96

1 MỞ ĐẦU

Muỗi là trung gian lây truyền của nhiều bệnh do virus và ký sinh trùng có thể kể tớinhư bệnh sốt rét, sốt xuất huyết, sốt vàng da, viêm não Nhật Bản hoặc sốt Tây sôngNile (West Nile) Các bệnh nhiễm này rất nguy hiểm đối với sức khỏe và thậm chícòn đe dọa tính mạng con người Đến nay, nhiều bệnh trong số này vẫn chưa có thuốcđặc trị Hiện nay, vắc-xin phòng bệnh lại chưa phổ biến hoặc đang nghiên cứu [33],chỉ có hai vắc-xin được CDC ở Hoa Kì chấp nhận và đưa vào sử dụng gồm vắc-xinviêm não Nhật Bản và vắc-xin sốt vàng da [19] Đối với bệnh sốt rét thì đã có thuốc

dự phòng nhưng hiệu quả không ổn định, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sự đề khángthuốc, sinh khả dụng và sự tuân thủ [38] Chính vì những lý do này mà phòng tránhmuỗi đốt là biện pháp phù hợp nhất để phòng ngừa các bệnh nhiễm nêu trên Có nhiềucách phòng muỗi đốt, bao gồm: dùng chất diệt muỗi, dùng chất xua muỗi, bảo vệ vật

lý, tiêu diệt muỗi bằng đèn diệt muỗi, vợt đập muỗi, không cho muỗi đẻ trứng, diệtlăng quăng Dùng chất diệt muỗi có bất lợi là muỗi có thể kháng thuốc, tác dụng phụhay tác động đến môi trường Các biện pháp bảo vệ vật lý như ngủ màn, mặc quần

áo che phủ thì lại không phù hợp cho các hoạt động ngoài trời hoặc di chuyển Việcdùng chất xua muỗi tỏ ra ưu thế hơn trong những trường hợp này và được cơ quanchính phủ nhiều nước khuyến cáo sử dụng [19]

Nổi bật trong các hoạt chất có tác dụng xua đuổi muỗi là

N,N-diethyl-m-methylbenzamid (DEET) DEET đã được sử dụng phổ biến để xua đuổi muỗi từ nhiềuthập kỷ Tuy nhiên, độc tính của DEET vẫn còn là vấn đề đang được quan tâm: tácdụng bất lợi trên thần kinh, hạ huyết áp hay kích ứng da Các tác dụng phụ thấy rõhơn ở trẻ em: kích động, tăng trương lực, co giật, mất điều hòa, bồn chồn, và cử độngtay chân không kiểm soát [9] Nhiều hoạt chất xua đuổi muỗi khác cũng đã và đangđược nghiên cứu, một trong những chất đó là para-menthan-3,8-diol (PMD) được ghinhận có hiệu quả xua đuổi côn trùng tương đương với DEET nhưng độc tính đượcghi nhận thấp hơn so với DEET Hoạt chất PMD cũng đã được thương mại hóa trênthế giới

Tại Việt Nam, DEET vẫn là hoạt chất xua đuổi muỗi được sử dụng nhiều nhất Cònđối với hoạt chất PMD, trên thị trường hiện nay chỉ ghi nhận sản phẩm chứa tinh dầubạch đàn chanh chưa qua xử lý acid có PMD hàm lượng rất thấp mà chưa có sảnphẩm chứa hoạt chất chính là PMD với hàm lượng cao Các tinh dầu này vẫn chưađược chấp thuận bởi EPA cho hiệu quả xua đuổi muỗi [58] Tuy nhiên, trong tinh dầubạch đàn chanh lại chứa nhiều citronellal, đây là nguyên liệu dùng để tổng hợp PMD.Việt Nam hiện nay cũng đã trồng cây bạch đàn chanh để chiết xuất tinh dầu này.

Việc nghiên cứu, tổng hợp PMD và tạo ra sản phẩm xua đuổi muỗi từ hoạt chấtcitronellal là cần thiết, đặc biệt hơn nữa là khi chủ động về nguồn nguyên liệu tinhdầu bạch đàn chanh trong nước Một mặt, cung cấp những sản phẩm có độc tính thấp

và an toàn cho người sử dụng Mặt khác, đa dạng hóa sản phẩm trên thị trường vàngười dùng có thêm nhiều lựa chọn sản phẩm xua đuổi muỗi

Nghiên cứu này sẽ tiến hành:

- Khảo sát tổng hợp PMD từ nguyên liệu citronellal tinh khiết và từ tinh dầu bạchđàn chanh

- Tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp và tinh chế PMD

2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về các chất xua đuổi muỗi

Cho đến nay đã có nhiều chất được chứng minh có khả năng xua đuổi muỗi Nhưnghiện tại, chỉ có một vài hoạt chất được EPA công nhận là có hoạt tính xua đuổi muỗi

và được phép sử dụng cho người bao gồm DEET, picaridin, IR3535, tinh dầu bạch

đàn chanh (OLE), para-menthan-diol (PMD), dầu catnip (Nepeta cataria, thường gọi

là cây catmint) và 2-undecanone [58] Một số hoạt chất khác cũng có tiềm năng xuađuổi muỗi và côn trùng có thể kể đến là permethrin, methyl anthranilat, methyljasmonate, dầu chứa hợp chất glycerid (thầu dầu, đậu nành, nem, dừa, ô-liu) [19].Thông tin về một số hoạt chất thường dùng xua đuổi muỗi được trình bày cụ thể dướiđây

- DEET: DEET còn có tên là N,N-diethyl-3-methylbenzamid hay

N,N-diethyl-meta-tolunamid, đây là chất được tổng hợp và sử dụng rộng rãi từ năm 1956

Hình 2.1 Công thức cấu tạo DEET

Kể từ khi đưa ra thị trường, DEET đã trở thành hoạt chất được sử dụng rộng rãi nhấttrong việc xua đuổi côn trùng DEET có phổ hoạt động rộng trong xua đuổi côn trùngbao gồm muỗi, ruồi, các loài ruồi trâu, côn trùng hút máu (chigger) và ve DEET được

sử dụng trong nhiều dạng bào chế, bao gồm kem dưỡng da, gel, bình xịt, dạng que vàkhăn tắm với nồng độ dao động từ 5 - 100% [14] DEET được xem như là tiêu chuẩnvàng để so sánh hoạt tính xua đuổi côn trùng với các hoạt chất mới [14],[33]

Tuy nhiên, DEET nhanh chóng được hấp thụ qua da và gây ra các tác động bất lợibao gồm mụn nước và cảm giác nóng rát [14] Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệmcòn cho thấy khả năng gây tổn thương thần kinh của DEET Dùng DEET thường

xuyên và kéo dài khiến tế bào thần kinh trong vùng kiểm soát chuyển động cơ bắp,học tập, trí nhớ và sự tập trung giảm đi Chuột được sử dụng với liều DEET trungbình ở người (40 mg/kg trọng lượng cơ thể) hoạt động kém hơn nhiều so với chuộtđối chứng khi được cho thực hiện các bài kiểm tra vật lý đánh giá về hoạt động cơbắp, sức mạnh và phối hợp[18] Các nghiên cứu còn cho thấy nhiều tương tác có hạikhi sử dụng DEET chung với sử dụng dược phẩm và thuốc diệt côn trùng Ví dụ:permethrin hay thuốc kháng histamin cũng có thể tương tác với DEET để gây ra tácđộng bất lợi [14] Việc lạm dụng DEET trong cộng đồng có thể dẫn tới nhiều mốinguy hại, đặc biệt là trẻ nhỏ Trung tâm kiểm soát chất độc Hoa Kì đưa ra báo cáo:hầu hết các ca ngộ độc DEET được báo cáo liên quan đến trẻ nhỏ, hay gặp ở trườnghợp nuốt hay tiếp xúc đường miệng với sản phẩm chứa DEET Trẻ em có thể nhậpviện hoặc trường hợp xấu nhất là tử vong nếu phơi nhiễm với lượng lớn DEET [14].Gần đây đã có những báo cáo cho thấy sự đề kháng DEET ở côn trùng [19] Một sốbất lợi khác của DEET có thể kể đến là khả năng hòa tan nhựa, các bao bì nhựa, mùikhó chịu nếu không được xử lý tốt [10], [19]

- Picaridin hay [2-(2-hydroxyethyl)-1-piperidinecarboxylic acid 1-methylpropyl

ester] là hoạt chất xua đuổi muỗi được sàng lọc qua mô hình thiết kế phân tử và đượctổng hợp toàn phần

Hình 2.2 Công thức cấu tạo của picaridin

Hiệu quả xua đuổi côn trùng của picaridin tốt, có thể tương đương với DEET, trongkhi đó mùi ít khó chịu hơn DEET Khi được dùng với nồng độ khoảng 10%, picaridin

có thể bảo vệ khỏi muỗi khoảng 2 - 5 giờ và khi dùng công thức 20% picaridin có thểbảo vệ lên tới 6 - 10 giờ Về độc tính, so với DEET thì ít độc tính trên thần kinh hơn,

ghi nhận khi dùng liều cao ở động vật sẽ gây ra tổn thương cho gan và thận [13] Đã

có báo cáo gây viêm da ở người và độc tính trên gan ở chuột [19]

- IR3535 hay ethyl butylacetylaminopropionat (hay còn gọi là EBAAP, EBAP,

Merck 3535, OMS 3065) là một N-acyl β-aminoester.

Hình 2.3 Công thức cấu tạo của IR3535

IR3535 có hiệu quả như DEET trên các loài muỗi Culex và Aedes nhưng ít hiệu quả trên loài Anophele Độc tính da và đường uống trên chuột ít hơn DEET khoảng 2 lần.

IR3535 gây kích ứng mắt trầm trọng và có thể thấm qua da IR3535 có thể hòa tancác đồ đựng Tuy nhiên, hoạt chất này không gây hại cho môi trường nước và khôngtích lũy trong môi trường [19]

- Permethrin (tên IUPAC là dimethylcyclopropan-carboxylat) thuộc nhóm thuốc diệt côn trùng pyrethroid, hoạtđộng như một chất xua đuổi côn trùng

3-phenoxybenzyl-3-(2,2-diclorovinyl)-2,2-Hình 2.4 Công thức cấu tạo của permethrin

Tuy nhiên, hoạt tính xua đuổi côn trùng yếu hơn các hoạt chất khác, đồng thời có tácđộng xấu lên hệ thần kinh trung ương Permethrin được bôi chủ yếu lên màn ngủ hoặcquần áo để xua đuổi côn trùng [19]

- PMD và tinh dầu bạch đàn chanh (OLE): sẽ được đề cập đến trong những phần

sau

2.2 Tổng quan về PMD và tinh dầu được làm giàu PMD

2.2.1 Tổng quan về PMD

2.2.1.1 Danh pháp, cấu trúc và đồng phân

Tên IUPAC: 2-(2-hydroxypropan-2-yl)-5-methylcyclohexanol

Tên thông thường: para-menthan-3,8-diol; PMD; menthoglycol; isopulegol hydrat;

neoisopulegol hydrat; isoisopulegol hydrat; neoisoisopulegol hydrat; hydroxymenthol; cubabeol

Công thức phân tử: C10H20O2

Phân tử lượng: 172,27

Công thức cấu tạo:

Đánh số theo IUPAC Đánh số theo tên thông thường

Hình 2.5 Công thức cấu tạo và cách đánh số trên cấu trúc PMD

Cấu trúc PMD có vòng cyclohexan và ba nhóm thế khác nhau ở vị trí 1,3 và 4 tạo ba

trung tâm bất đối Chính vì vậy, PMD có đồng phân lập thể cis/trans và tám đồng

phân quang học Mặc dù PMD có 3 nhóm thế khác nhau ở vị trí 1,3 và 4 trong cấutrúc, nhưng để đơn giản trong việc gọi tên, các nhóm nghiên cứu trên thế giới đều đề

cập dạng 3,4-cis-PMD và 3,4-trans-PMD (lần lượt được gọi ngắn gọn là cis-PMD và trans-PMD) Chính vì vậy, trong luận văn này khi đề cập dạng cis- hay trans-PMD tức có nghĩa là dạng 3,4-cis-PMD và 3,4-trans-PMD tương ứng Các kí hiệu đưa ra

theo Bảng 2.1.

2.2.1.4 Tác dụng xua đuổi muỗi và một số côn trùng khác

Nhiều nghiên cứu cho thấy PMD là một chất xua đuổi côn trùng rất hữu ích, thíchhợp cho những người muốn giảm thiểu tiếp xúc với hóa chất độc hại và là một hoạtchất xua đuổi muỗi có khả năng bảo vệ và sử dụng lâu dài Trong một thử nghiệmđược tiến hành với mức độ lặp lại cao và tần suất cắn lớn (27 - 68 phát cắn/5 phút) sử

dụng muỗi Aedes melanimon và Aedes vexans, PMD với hàm lượng 10% tạo ra sự

bảo vệ hoàn toàn từ 0 - 4,5 giờ, PMD 20% tạo ra sự bảo vệ từ 2 giờ đến hơn 8 giờ[14] Thêm vào đó, nghiên cứu của Yuwadee Trongtokit và cs cho thấy các sản phẩm

chứa PMD 20-30% cho tác động xua đuổi muỗi Anopheles stephensi trong 11-12 giờ

với liều bôi 2,6 g cho chân [50] Ngoài ra, các nghiên cứu khác chứng minh PMD có

hiệu quả xua đuổi muỗi Anophele, Aedes, và Culex; ruồi (Stomoxys calcitrans); các loài Culicoides; ve Ixodes ricinus và các loài ruồi trâu [14]

Khi so sánh hiệu quả của PMD với DEET, các nghiên cứu cho nhiều kết luận khácnhau Barbara Colucci và cs cho thấy PMD 15% và DEET 15% cho tác động bảo vệ

không bị đốt bất kì vết nào (bảo vệ hoàn toàn) từ muỗi Aedes aegypti, Anopheles stephensi và Culex quinquefasciatus kéo dài ít nhất 6 giờ, trong đó DEET có hiệu quả

cao hơn một chút [12] Trong cùng nồng độ sử dụng 0,1% và 1%, Yoshinori Asakawa

và cs đã chứng minh hiệu quả xua đuổi muỗi Aedes albopictus của trans-PMD (ta)

hơn DEET [6] Scott P Carroll và cs cho thấy hiệu quả bảo vệ hoàn toàn khỏi muỗi

Aedes aegypti đốt trong phòng thí nghiệm của PMD 20-26% kéo dài trên 5 giờ, gấp

2,5 lần so với PMD 10%, trong khi đó thời gian bảo vệ hoàn toàn của DEET 10% là

2 giờ và DEET 30% là 8 giờ Cũng trong cùng nghiên cứu, nhóm của Scott và cs ghinhận hiệu quả bảo vệ hoàn toàn khỏi muỗi đốt khi tiến hành bên ngoài phòng thínghiệm của PMD 20-26% so với DEET 20% là gần như nhau [10]

Tất cả 8 đồng phân của PMD đều cho hiệu quả xua đuổi côn trùng [14] Trong bằng

sáng chế của nhóm Bryan David Lett và cs có đề cập đồng phân cis-PMD có hoạt tính hơn đồng phân trans-PMD, tuy nhiên khi lựa chọn nguồn nguyên liệu PMD cần cân nhắc vì hỗn hợp đồng phân cis/trans-PMD có lợi về mặt kinh tế hơn đồng phân cis-PMD [34] Stephen S Barasa và cs đã chứng minh hiệu quả xua đuổi muỗi A.

gambiae s.s của các đồng phân quang học PMD ta, ta’, ca, ca’, hỗn hợp (ta + ta’),

hỗn hợp (ca + ca’), hỗn hợp (ta + ta’ + ca +ca’) ở các nồng độ khác nhau từ 0,001%

đến 1% khác biệt nhau không có ý nghĩa thống kê [7]

PMD đã được đăng ký là thành phần có hoạt tính tại Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ(United States Environmental Protection Agency-EPA) vào năm 2000 và ở Cơ quanquản lý dịch hại Canada (Canadian Pest Management Regulatory Agency) vào năm

2002 Trung tâm kiểm soát và phòng ngừa dịch bệnh Hoa Kỳ (U.S Centers forDisease Control and Prevention) đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của PMD năm

2005 và công nhận các sản phẩm có chứa "Dầu bạch đàn chanh (PMD)", cùng vớiDEET và picaridin, là những chất xua đuổi muỗi hiệu quả nhất [38]

2.2.1.5 Độc tính

Cho đến nay, thông tin về độc tính của PMD được công bố rất ít Theo EPA Hoa Kỳ,

khi được sử dụng theo hướng dẫn trên nhãn, các sản phẩm p-menthan-3,8-diol sẽ

không gây hại cho con người và môi trường

Nguyên liệu PMD có thể gây kích ứng cho mắt, tuy nhiên sản phẩm sử dụng có nồng

độ thấp hơn (khoảng 10%) thì tính kích ứng nhẹ hơn, chỉ gây ảnh hưởng mắt tạmthời Một số thử nghiệm độc tính khác cũng cho thấy PMD có độc tính thấp: LD50

đường uống ở chuột là 2408 – 5000 mg/kg, LD50 qua da thỏ lớn hơn 5000 mg/kg,đường tiêm dưới da ở chuột là 1240 mg/kg và không có tác dụng phụ nào xuất hiện

ở chuột con mặc dù liều rất cao (1000 mg/kg mỗi ngày) [14]

2.2.1.6 Một số chế phẩm thương mại

Bởi vì đặc tính về mùi, bắt nguồn từ thiên nhiên, hiệu quả xua đuổi côn trùng cao vàtính an toàn, PMD ngày càng được chú ý nhiều trong các sản phẩm xua đuổi côntrùng [33] Một số sản sản phẩm chứa PMD trên thế giới: Xịt Mosi-guard Natural,kem bôi Mosi-guard Natural (công ty Masta, Anh), kem bôi Repel Lemon Eucalyptus(Công ty Jackson, Mỹ), lotion Off! Botanicals (công ty Johnson & Son, Mỹ) [50]

2.2.2 Tổng quan về tinh dầu được làm giàu PMD

Các loại tinh dầu chứa nhiều citronellal có thể được sử dụng để chuyển hóa thànhPMD bằng nhiều phương pháp khác nhau Một số tác giả đề nghị sản phẩm sau khichuyển hóa citronellal, không tách PMD riêng mà sử dụng sản phẩm này như nguồnnguyên liệu để bào chế các chế phẩm xua đuổi muỗi, các sản phẩm này được gọichung là tinh dầu được làm giàu PMD Các sản phẩm này có khả năng xua đuổi muỗi

tốt hơn nhiều so với các tinh dầu ban đầu Ví dụ tinh dầu bạch đàn chanh (Eucalyptus citriodora) chứa khoảng <1% PMD sau khi chuyển hóa citronellal thành PMD thì

tinh dầu có khả năng xua đuổi muỗi tốt hơn nhiều so với tinh dầu ban đầu [19] Một

số nghiên cứu cho thấy tinh dầu được làm giàu PMD có khả năng xua đuổi muỗi tốthơn so với PMD tổng hợp có nồng độ tương tự [35].

Nhóm nghiên cứu của Jeremy Drapeau và cs cho thấy tinh dầu bạch đàn chanh đượclàm giàu PMD (PMD chiếm 64%) khi pha thành dung dịch có nồng độ tinh dầu là

20% có hiệu quả xua đuổi muỗi Aedes aegypti khác biệt không có ý nghĩa thống kê

so với DEET 20% và có thời gian xua đuổi muỗi dài hơn so với PMD 20% [27].Ngoài ra, nhóm nghiên cứu Scott P Carroll và Jenella Loye chứng minh khả năngxua đuổi muỗi của sản phẩm chứa tinh dầu làm giàu PMD với hàm lượng PMDkhoảng 20% tương đương với DEET 20% [10]

Nhiều sản phẩm chứa tinh dầu được làm giàu PMD đã được đăng ký tại Cục bảo vệmôi trường Hoa Kỳ (EPA) là chất xua đuổi côn trùng Hàm lượng tinh dầu được làmgiàu PMD cũng giao động từ 10% đến 20% trong sản phẩm bán ra thị trường [58].Nguồn nguyên liệu tinh dầu làm giàu PMD dùng để sản xuất các sản phẩm xua đuổicôn trùng cũng được đăng ký tại EPA, ví dụ dầu Citriodiol chứa khoảng 65% PMD.[57]

2.3 Tổng quan về các phương pháp tổng hợp và chiết xuất PMD

2.3.1 Chiết xuất từ tự nhiên

PMD có thể thu được từ lá cây bạch đàn chanh (Eucalyptus citriodora,L hay Corymbia citriodora,L.) Tuy nhiên, hàm lượng PMD trong tinh dầu lá cây bạch đàn

chanh khá thấp (cao nhất khoảng 4%) [15] Chính vì vậy, việc chiết xuất không cólợi về mặt kinh tế nên các phương pháp tổng hợp hóa học được đề xuất [16]

2.3.2 Tổng hợp từ nguyên liệu citronellal theo phản ứng Prins

Phản ứng Prins là phản ứng giữa một aldehyd/ceton với nối đôi/nối ba có sử dụngxúc tác acid Tùy thuộc vào điều kiện phản ứng mà có thể sinh ra những sản phẩmkhác nhau [36]

Citronellal khi thực hiện phản ứng Prins trong môi trường nước, sản phẩm thu được

sẽ gồm PMD và các sản phẩm phụ (isopulegol, neoisopulegol và tạp acetal) (Hình

2.6).

Hình 2.6 Phản ứng Prins của citronellal

2.3.2.1 Tổng hợp từ citronellal tinh khiết với xúc tác acid

Kể từ khi PMD được khám phá và đánh giá là có hoạt tính xua đuổi muỗi tốt, rấtnhiều nghiên cứu đã được tiến hành tổng hợp PMD bằng nhiều phương pháp khácnhau Trong đó, phần lớn các nghiên cứu tìm thấy đều sử dụng nguồn nguyên liệuđầu là citronellal để tổng hợp PMD với xúc tác acid theo cơ chế phản ứng Prins Một

số nghiên cứu tiêu biểu được liệt kê dưới đây:

- Các tác giả Howard E Zimmerman và cs tổng hợp PMD từ d-citronellal, xúc tác

H2SO4 5%, ở nhiệt độ phòng, trong vòng 27 giờ Sau đó lớp dầu được chiết bằngether, làm khan bằng Na2SO4 Tiến hành chưng cất phân đoạn để thu PMD [55]

- Nghiên cứu của nhóm Leff Brian David và cs tiến hành tổng hợp ở quy mô lớn 4 kgcitronellal phản ứng với 20 kg acid sulfuric 5% trong ít nhất 5 giờ Hỗn hợp sau phảnứng được chiết bằng toluen, rửa bằng nước rồi sau đó rửa bằng dung dịch bicarbonat2% Sau đó, pha hữu cơ được chưng cất phân đoạn ở áp suất 4 mmHg để tách PMD[34]

- Tác giả Rainer Schoftner nghiên cứu và đánh giá tác động của các yếu tố ảnh hưởngđến hiệu suất và tạp chất liên quan quy trình tổng hợp PMD Nghiên cứu cho thấy sựảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên kết quả tổng hợp: khi tăng nhiệt độ lượngtạp acetal sẽ tăng Khi tiến hành với xúc tác acid citric, ở nhiệt độ 60 °C, nguyên liệucòn dư sau hơn 3 giờ, ở 72 °C và 90 °C thì sau hơn 3 giờ phản ứng gần như hoàn toàn,lượng PMD thu được nhiều nhất ở 90 °C, tuy nhiên lượng tạp acetal thu được cũngnhiều nhất (gần 6%) Các loại xúc tác acid ascorbic, acid citric, acid tartaric giúp thuđược PMD nhiều hơn và lượng tạp ít hơn so với acid maleic, acid oxalic, acid adipic

và acid salicylic Tỉ lệ cis:trans của PMD thu được cao hơn khi dùng acid adipic và

acid citric.[46]

- Ian Thomas Dell nghiên cứu tổng hợp PMD bằng cách sử dụng thêmhexadecyltrimethylammonium bromid (0,05%) trong H2SO4 5% Thu hỗn hợp sảnphẩm ở dạng lỏng nhớt gồm PMD, isopulegol và acetal của PMD Với thành phầnPMD chiếm 74-88% hỗn hợp [16]

- Trong nghiên cứu của nhóm Clark và cs, sử dụng thêm chất nhũ hóa natri dodecylsulfat (SDS), tiến hành tổng hợp PMD bằng cách sử dụng hệ đệm acetat hoặc hệ đệmphosphat hoặc acid sulfuric để chuyển hóa citronellal Citronellal được sử dụng ởlượng nhỏ, hòa tan trong pha nước Thí nghiệm được tiến hành khoảng 4 ngày Kết

quả cho thấy tỉ lệ cis tăng khi hệ phản ứng có SDS (từ 66,67% đến 83%) [11]

- Năm 2000, Yoshifumi Yuasa và cs đã có bước tiến lớn trong tổng hợp PMD từcitronellal với hiệu suất tổng hợp PMD trên 90% Nghiên cứu cho thấy ở nồng độacid sulfuric thấp, khoảng 0,25%, hiệu suất tổng hợp cao hơn nhiều so với nồng độ5% như các nghiên cứu trước đây đã thực hiện Tiến hành phản ứng: cho vào bìnhcầu đáy tròn 3 lít là 636 g (16,3 mmol) dung dịch H2SO4 0,25%, gia nhiệt đến 55 °C

và khuấy Cho 500 g (3,24 mol) (+)-citronellal từ từ từng giọt trong 1 giờ Hỗn hợp

phản ứng được duy trì ở 55 °C trong 10 giờ Mức độ chuyển hóa của citronellal và

độ chọn lọc hình thành PMD là 99% và 92,3% (ca/cb/ta/tb=61,2/1,2/35,0/2,6) Dẫn

xuất acetal khoảng 2,1% Thêm vào hỗn hợp sau phản ứng 8 g (50 mmol) dung dịch

NaOH 25%, tiếp theo đó là 1200 ml n-heptan Lớp hữu cơ được rửa với 500 ml nước,

tách lớp hữu cơ, đun hồi lưu để loại nước hỗn hòa Dung dịch hữu cơ được làm lạnhđến -50 °C và khuấy trong 20 giờ ở nhiệt độ này Tinh thể PMD không màu được lọc(sử dụng ly tâm) PMD kết tinh được đem đi đun sôi, thu 447 g (80%) PMD (nhiệt

độ sôi của hỗn hợp tinh thể là 100-130 °C/0,8 Torr) Sản phẩm dạng dầu sau khi đượcđun sôi sẽ cho kết tinh lại ở 30 °C Độ tinh khiết của hỗn hợp đồng phân quang học

PMD là 99,5% (ca/cb/ta/tb = 64,7/0,2/34,0/1,1), có khoảng 0,15% tạp chất acetal.

Các tạp chất khác gồm: 0,1% citronellal, 0,25% neoisopulegol và isopulegol Lấy 25

g PMD để tiến hành sắc ký cột (300 g silica gel, rửa giải bằng ethyl acetat/n-hexan = 1:5) thu được 5,2 g dạng cis-PMD và 3,5 g dạng trans-PMD [53]

- Yasuhiro Komatsuki và cs tiến hành tổng hợp PMD dùng H2SO4 0,25% xúc tác.Trong nghiên cứu này, tác giả có sử dụng thêm toluen trong pha dầu lúc tiến hànhphản ứng Hiệu suất kết tinh khoảng 74,6% [52]

- Trong nghiên cứu của tác giả Lubabalo Mafu và cs năm 2016, cho 30,08g citronellalvào khuấy cùng dung dịch H2SO4 0,3 % (tt/tt) ở 100 °C Sau 4 giờ pha nước đượctách loại khỏi pha dầu hữu cơ Pha hữu cơ được trung tính hóa với 50 ml dung dịchNaHCO3 2,5% để loại xúc tác acid, rồi làm khô bằng MgSO4 Sản phẩm được kết

tinh lại trong n-hexan ở -18 °C trong 24 giờ PMD thu được ở dạng kết tinh trắng

(96%) [31]

- Với nỗ lực cải tiến quy trình tổng hợp, nhóm nghiên cứu của Haiyang Cheng cũngnghiên cứu về xúc tác phản ứng, nhằm mục đính tổng hợp xanh, sử dụng CO2 và H2Olàm môi trường acid sẽ giúp thay thế H2SO4, đồng thời không phải tốn nhiều công

sức để loại acid sau phản ứng Lớp dầu sau phản ứng được chiết bằng n-hexan, làm

khan bằng Na2SO4 Sau đó được phân tích bằng GC Tuy nhiên, kết quả thu được sovới các acid khác thì CO2 và H2O có tỉ lệ chuyển hóa citronellal và mức chọn lọc tạoPMD thấp hơn, và phải sử dụng áp suất và nhiệt độ cao Nghiên cứu cho thấy đồng

phân S/(-)-citronellal chuyển hóa thành PMD dễ hơn hỗn hợp racemic, tác giả cũng

nhận định 1mmol citronellal sẽ gia tăng mức độ chuyển hóa khi tăng lượng nước từ

2 ml lên 15 ml và không thay đổi nhiều nữa khi tăng lượng nước hơn 15 ml, còn tỉ lệPMD chiếm cao nhất ở 10 ml nước [21]

- Tại Việt Nam, nhóm tác giả Nguyễn Thị Kim Thu và Mạc Đình Hùng cũng đãnghiên cứu quy trình tổng hợp PMD năm 2017: nhóm nghiên cứu sử dụng xúc tác

H2SO4 nồng độ từ 0,01-5% , với nhiệt độ dao động 50-60 °C (nồng độ acid 2% trởlên thực hiện ở nhiệt độ 50°C với lý giải của nhóm nghiên cứu là nhằm tránh tạo sảnphẩm phụ do sự có mặt của acid dẫn đến phản ứng tách nước hoặc tạo sản phẩmacetal của PMD), thời gian 16 giờ Kết quả là thu được sản phẩm PMD với mức độchuyển hóa citronellal cao nhất là 91,5% với xúc tác acid ở nồng độ 0,1%.[5]

Có thể thấy từ những năm 1980 đến nay, các quy trình tổng hợp PMD vẫn đang được

quan tâm nghiên cứu và phát triển ở trong nước cũng như trên thế giới (Bảng 2.2).

2.3.2.2 Tổng hợp từ citronellal trong tinh dầu với xúc tác acid

Tinh dầu bạch đàn chanh (C citriodora) với hàm lượng citronellal khoảng 73-80%

đã được nghiên cứu để tổng hợp PMD [19] Nhóm nghiên cứu của Drapeau Jeremy

và cs đã tổng hợp PMD từ tinh dầu Eucalyptus citriodora chiết xuất từ lá qua quy trình chưng cất lôi cuốn theo hơi nước chứa khoảng 74% (+)-citronellal Các đồng phân cis- và trans- PMD được tạo ra thông qua phản ứng đóng vòng, xúc tác acid của (+)-citronellal, bằng cách cho tinh dầu phản ứng với dung dịch acid citric trong dung

môi nước Tác giả cho rằng sử dụng xúc tác acid citric cho quá trình tổng hợp PMD

làm cho quá trình này tương tự như một quá trình chuyển hóa sinh học và tự nhiên[27] Tác giả nghiên cứu các thông số khác nhau (nồng độ acid, thời gian phản ứng

và lượng nước) để chuyển đổi (+)-citronellal tốt nhất và độ chọn lọc trong chuyển

hóa thành PMD cao nhất trong khoảng thời gian phản ứng Quy trình được thực hiệnnhư sau: Cho vào bình cầu đáy tròn 50 ml là 5,25 g dung dịch acid citric 7% (kl/kl)

và 3,7 g (24 mmol) dầu E citriodora, gia nhiệt đến 50 °C, khuấy trộn (450

vòng/phút) Hệ 2 pha được duy trì trong 15 giờ Sau đó, pha hữu cơ, chứa PMD,monoterpen, sesquiterpen và các acetal khác được tách khỏi pha nước sau vài giờlắng gạn và làm khô bằng Na2SO4 Tác giả thu được kết quả về hiệu suất chuyển đổi

(+)-citronellal là 82,1%, sự chọn lọc tạo PMD là 79,6%, tỉ lệ (+)-cis : (-)-trans là

H_reac (%)

H_c rys (%)

Trích dẫn

100-0,5-2

T Năm tci mci cat mca temp

(°C) time

pC_ci tro (%)

H_reac (%)

H_c rys (%)

Trích dẫn

8 kg

a toluensulfo nic

* chỉ tách đồng phân cis-PMD (tci: loại citronellal sử dụng ; mci: lượng citronellal sử dụng; cat: loại xúc tác; mca: lượng xúc tác sử dụng; temp: nhiệt độ thực hiện phản ứng; time: thời gian thực hiện phản ứng; pC_citro: mức độ chuyển hóa citronellal; H-reac: hiệu suất tổng hợp PMD; H-crys: hiệu suất kết tinh PMD)

Peng Xuedong đã tiến hành tổng hợp PMD từ 8 kg tinh dầu bạch đàn chanh có hàmlượng citronellal 75-85% trong 50 lít nước, sử dụng các xúc tác là acid p-toluensulfonic, polyetylenglycol 6000, ether vòng và muối amoni bậc bốn 0,1-3% vàloại bỏ O2 hòa tan bằng cách sục khí N2 Tác giả đã sử dụng thiết bị chuyên biệt để

tinh chế theo phương pháp chưng cất áp suất giảm phân đoạn thu được cis-PMD

>99% với hiệu suất thu PMD rắn là khoảng 36% [51] Quy trình này được đánh giá

là không thân thiện với môi trường như quy trình của nhóm nghiên cứu của DrapeauJeremy và cs, đồng thời có sử dụng xúc tác tributylamin có thể gây độc tính cấp [19]

2.3.2.3 Tổng hợp từ citronellal với xúc tác khác

Ngoài xúc tác là các acid thông thường, đã có nhiều xúc tác khác được nghiên cứu đểđóng vòng citronellal tạo PMD Nhóm nghiên cứu của Pavel Kocˇovsky và cs đã tổng

hợp chọn lọc cis-PMD từ citronellal với xúc tác Mo(CO)5(OTf)2, sau 24 giờ thu được

PMD với hiệu suất 73% trong đó đồng phân cis-PMD chiếm 80% [29], ngoài ra nhóm

còn nghiên cứu xúc tác W(CO)5(OTf)2 để chuyển hóa không chọn lọc citronellal.Nghiên cứu của Hart-Cooper và các cs đã dùng xúc tác có chứa Ga để chuyển hóa

(±)-citronellal, tuy nhiên sự hình thành PMD không nhiều Nghiên cứu công bố năm

2020 của Irwan Kurnia và các cs sử dụng xúc tác dị thể acid carbon từ lignin kiềm

(alkaline lignin derived carbon acid catalyst) để đóng vòng (±)-citronellal tạo PMD ở

nhiệt độ 50 °C trong 24 giờ với mức độ chuyển hóa citronellal là 97%, độ chọn lọcPMD là 89% và hiệu suất thu được PMD là 86% [30] Nhìn chung, các phản ứng nàycần phải chuẩn bị xúc tác ban đầu, nhiều xúc tác cần chi phí cao, độc hại và có thểkhó nâng cấp lên quy mô công nghiệp [19]

2.3.3 Tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu khác

PMD có thể được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu khác như: Hydro hóa isopulegolvới xúc tác Pd/C [24]; Oxy hóa menthol bằng meta-chloroperbenzoic acid [6]; Hoặccác nguyên liệu thymol, limonen, pulegol, phelandrel, citral, mircen, pinen, mesityloxid [45] Tuy nhiên các quá trình tổng hợp từ các nguyên liệu này thường xảy ra 2giai đoạn trở lên, xúc tác cũng như nguồn nguyên liệu ban đầu tốn kém và hiệu suấtmột số phản ứng thường không cao

2.4 Tổng quan về citronellal

Tên IUPAC: 3,7-dimethyloct-6-enal

Tên thông thường: citronellal

Công thức phân tử: C10H18O

Phân tử lượng: 154,25

Công thức cấu tạo xem Hình 2.7

Hình 2.7 Hai đồng phân quang học của citronellal

Khối lượng riêng: 0,855 g/cm3

Nhiệt độ sôi: 201 °C ở 760 mmHg

Chất lỏng ở nhiệt độ thường

Citronellal (3,7-dimethyl-6-octenal) là một monoterpen, chủ yếu được hình thành bởi

sự trao đổi chất thứ cấp của thực vật Nó thường được phân lập ở dạng hỗn hợp các

chất đối quang R và S bằng cách chưng cất hơi nước hoặc chiết bằng dung môi từ các loại dầu Corymbia citriodora Hill và Johnson (Eucalyptus citriodora Hook), Cymbopogon nardus và Java citronella Ngoài ra, nó cũng được tìm thấy trong hơn

50 loại tinh dầu khác [25]

Citronellal là một hợp chất có nhiều đặc điểm phù hợp trong tổng hợp hữu cơ vì nhiều

lý do: có sẵn từ các nguồn tự nhiên (ví dụ, từ dầu citronella và dầu eucalyptus) hoặcđược điều chế tổng hợp Cả hai đồng phân đối quang đều có sẵn với độ tinh khiết cao

Có trung tâm bất đối, liên kết đôi bị cô lập và nhóm chức aldehyd Khi citronellal

được sử dụng ở một trong các dạng tinh khiết quang học (R hoặc S), có thể điều chế

các sản phẩm với tính chọn lọc quang học cao, đồng thời tránh các bước tách và tinhchế đắt tiền [25]

2.5 Tổng quan về cây bạch đàn chanh và thành phần tinh dầu

Cây bạch đàn chanh (Eucalyptus citriodora) có nguồn gốc từ Úc, thuộc họ Myrtaceae Ngày nay, Eucalyptus có thể được tìm thấy ở nhiều nơi trên thế giới bao gồm các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới Eucalyptus được nghiên cứu chủ yếu về tinh dầu, đây

là thành phần quan trọng của mỹ phẩm, thực phẩm và dược phẩm Các nghiên cứu

khác nhau đã chứng minh rằng tinh dầu Eucalyptus citriodora có nhiều hoạt tính sinh

học bao gồm hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, tác dụng giảm đau và chống viêm,tính chống oxy hóa và tác dụng diệt, xua đuổi côn trùng Những tác dụng này đượcquy cho các monoterpen, là thành phần hóa học chính của loại tinh dầu này Cây bạchđàn chanh đã được chứng minh có chứa khoảng 70% monoterpenoid, chủ yếu làcitronellal, là sản phẩm từ chuyển hóa thứ cấp thực vật.[20]

Theo Phạm Hoàng Hộ, cây bạch đàn chanh hay còn gọi là Khuynh diệp sả hayLemon-scented Gum, là đại mộc, cao 25-40 m Ở Việt Nam cây không to lắm, nhánhnon có cạnh, vỏ láng, lá có mùi thơm sả đặc biệt [1] Một số vùng có thể tìm thấy câybạch đàn chanh ở Việt Nam: Long An [37], Lâm Đồng [28], Tây Ninh Về hàm lượngcitronellal trong tinh dầu bạch đàn chanh Việt Nam có sự khác nhau giữa các nghiêncứu đã công bố: nhóm của Trần Minh Hợi và cs đã ghi nhận hàm lượng citronellaltrong tinh dầu bạch đàn chanh ở Việt Nam là 78,2% [23], nhóm Hồ Dũng Mạnh vàcác cs đã chưng cất thu tinh dầu từ cây bạch đàn chanh ở Long An với hàm lượngcitronellal lên đến 78,6% [37] Trong nghiên cứu của nhóm tác giả Trần Thị NhưTrang và các cs cho thấy tinh dầu trong lá bạch đàn chanh ở Việt Nam có citronellal

chiếm khoảng 62% với tỉ lệ đồng phân (R)-citronellal và (S)-citronellal nằm trong

khoảng 56,7 : 43,3 [42]

Hiện nay, nhiều cơ sở ở Việt Nam cũng đã và đang bắt đầu chưng cất lá bạch đànchanh để thu lấy tinh dầu Một số những cơ sở sản xuất và cung cấp tinh dầu bạchđàn chanh tại Việt Nam có thể kể đến là công ty TNHH Tràm Thiên Nhiên tại TâyNinh hay công ty tinh dầu Việt Thảo với nguồn tinh dầu từ Mộc Hóa, Long An Cáccông ty này có khả năng sản xuất lượng lớn tinh dầu bạch đàn chanh hằng năm Công

ty TNHH Tràm Thiên Nhiên cũng đã đưa sản phẩm tinh dầu bạch đàn chanh với tênthương mại Tinh dầu bạch đàn chanh Charmi ra thị trường Việc giải quyết đầu racho nguồn tinh dầu bạch đàn chanh góp phần giúp cho doanh nghiệp phát triển và thunhập cho người trồng được cải thiện Nghiên cứu chuyển hóa citronellal trong tinh

dầu bạch đàn chanh là một trong những giải pháp làm phong phú hơn các hướng pháttriển thị trường cho bài toán đầu ra của nguồn tinh dầu này Sự kết hợp của trồng trọt,sản xuất, nghiên cứu và kinh doanh sẽ tạo ra thế mạnh cho sự phát triển vững chắccủa các sản phẩm từ tinh dầu và sản phẩm chuyển hóa từ tinh dầu bạch đàn chanh.

2.6 Tổng quan về áp dụng sóng siêu âm trong tổng hợp

Sóng siêu âm là sóng âm có tần số trên 20kHz Hiện nay, sóng siêu âm được sử dụngphổ biến trong nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn ở nhiều lĩnh vực, bao gồm: côngnghệ vật liệu nano, sinh học, môi trường, thực phẩm, tổng hợp hóa học, chiết xuất,kết tinh, công nghệ polymer và nhiều lĩnh vực khác [32, 44]

Khi sóng siêu âm truyền trong môi trường lỏng, nó tạo ra các bọt âm (acousticcavitation) Khi các bọt âm vỡ ra, chúng sẽ tạo ra nhiệt độ và áp suất cao tác động lênmôi trường truyền âm [32] Chính sự hình thành và phá vỡ của các bọt âm đã làmtăng mức độ biến đổi vật lý và hóa học trong môi trường chất lỏng Khi các bọt âm

vỡ, chúng có thể tạo ra nguồn năng lượng lớn cục bộ, với nhiệt độ cao và áp suất tácđộng cao trong thời gian rất ngắn [44] Tùy vào các mục đích cụ thể, các bọt âm cóthể hỗ trợ cho việc tạo nhũ tương, làm sạch bề mặt, tổng hợp nano, biến tính các tạpnhiễm Sự hình thành bọt âm cũng như động học về bọt âm khá phức tạp Kiểm soátquá trình hình thành cũng như quá trình phá vỡ bọt âm có thể giúp kiểm soát được sựtác động của sóng siêu âm

Sự hình thành bọt âm và cách bọt âm tác động lên môi trường hay các chất trong môitrường truyền âm chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm các yếu tố liên quan đếnmôi trường truyền âm (dung dịch được siêu âm) và các đặc điểm của siêu âm Cácyếu tố của dung dịch ảnh hưởng đến tác động của sóng siêu âm có thể kể đến là loạidung môi, lượng khí hòa tan, sự hiện diện của các chất hoạt động bề mặt hay các chấtđiện giải Các đặc điểm siêu âm làm thay đổi khả năng tác động của sóng siêu âmgồm có tần số, cường độ (biên độ), xung sóng [32] Ngoài ra, các yếu tố như kiểumáy chuyển đổi năng lượng thành sóng âm (dạng đĩa đặt dưới đáy hay dạng có đầu

dò (probe) đặt phía trên môi trường truyền âm), chiều cao của mực chất lỏng và dòngchảy của chất lỏng trong môi trường truyền âm cũng tác động đến quá trình tạo thànhcũng như động học của bọt âm [32] Khi nâng cấp lên qui mô lớn hơn, các yếu tố kỹthuật cần được chú trọng nghiên cứu nhằm đảm bảo về hiệu suất của quá trình [32].

Hình 2.8 Đầu siêu âm và bộ điều khiển máy siêu âm Q500 hãng Q-SONICA

Trong tổng hợp hóa học, sóng siêu âm có vai trò cung cấp năng lượng, phân tán cácnguyên liệu, giúp phản ứng hóa học có thể xảy ra nhanh chóng hơn, hiệu suất caohơn Ngoài ra, tổng hợp sử dụng sóng siêu âm cũng được xem là một phương pháptổng hợp “xanh” với các ưu điểm như cho hiệu suất cao, giảm thời gian phản ứng, cóthêm sự lựa chọn cho những tác nhân phản ứng rẻ hơn, giảm lãng phí, tránh một sốcác điều kiện phản ứng khắc nghiệt trong một số trường hợp và giảm năng lượng tiêuhao [44] Đã có nhiều phản ứng hóa học được nghiên cứu với sự hỗ trợ của siêu âm:phản ứng Suzuki, phản ứng bắt cặp Sonogashira, phản ứng Biginelli, phản ứng bắtcặp Ullmann, phản ứng ngưng tụ Knoevenagel, phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmid,phản ứng Reformatsky, phản ứng Baylis–Hillman, phản ứng cộng Michael, phản ứngDiels-Alder, phản ứng Friedel–Crafts, phản ứng Mannich, và một số phản ứng khác[41]

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Bảng 3.4 Hóa chất dùng cho nghiên cứu

008:2017/TTN

3.2 Phương pháp tổng hợp PMD từ citronellal tinh khiết

3.2.1 Phân tích các điều kiện tiến hành thí nghiệm

- Một điểm không thuận lợi trong nghiên cứu này là không tìm được nguồn chất chuẩnPMD Điều này gây khó khăn trong việc xác định vị trí của PMD trên sắc ký đồ củasắc ký lớp mỏng khi khảo sát phản ứng và trên sắc ký đồ của sắc ký khí GC khi đánhgiá sản phẩm dầu thô và sản phẩm kết tinh thu được Chính vì vậy, đầu tiên PMD sẽđược tổng hợp theo quy trình có sẵn của Yuasa và cs [53]: lấy 5,00 g citronellal vừacho từ từ từng giọt vào 20 g dung dịch acid sulfuric 0,25% (kl/kl) vừa khuấy mạnh ởnhiệt độ 50-60 °C Sản phẩm được tinh chế bằng sắc ký cột nhằm tách các phân đoạn

và thu sản phẩm tinh khiết Sau đó, sản phẩm tinh khiết sẽ được phân tích và xác địnhcấu trúc Kết quả phân tích này sẽ phục vụ cho các nghiên cứu đánh giá các yếu tốảnh hưởng và tối ưu hóa tổng hợp PMD

- Phản ứng thực hiện có hai pha không tan vào nhau, hai pha cần tiếp xúc với nhauthì phản ứng mới có thể xảy ra Việc dùng sóng siêu âm có thể giúp hai pha trộn lẫnvào nhau tốt hơn, đồng thời năng lượng của sóng siêu âm có thể giúp phản ứng xảy

ra nhanh hơn cách khuấy thông thường

- Trong các nghiên cứu đã công bố, có nhiều xúc tác acid được lựa chọn Dựa trênyếu tố giá thành thấp, dễ tìm, các nghiên cứu trước cho thấy sử dụng acid sulfuric tạohiệu suất tổng hợp tốt, tạp chất ít hơn các acid khác Nghiên cứu này sẽ chọn acidsulfuric làm xúc tác

- Ở các thí nghiệm khuấy, nhiệt độ được kiểm soát chặt vì yếu tố này ảnh hưởng đếnthời gian, hiệu suất và lượng tạp trong sản phẩm sau phản ứng Trong khi đó, việckiểm soát nhiệt độ tác động của sóng siêu âm lên phản ứng không dễ vì năng lượngcủa sóng lớn Để kiểm soát điều này cần thực hiện gián tiếp qua việc điều chỉnh biên

độ và xung sóng tác động lên hỗn hợp phản ứng Làm lạnh phản ứng ngay từ đầu cóthể giúp kiểm soát tốt nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng không tăng quá cao