Luận văn tốt nghiệp tổng hợp terpin hydrate từ tinh dầu thông

Họ và tên sinh viên: Văn Thành Phước MSSV: 2063997 Lớp: Công Nghệ Hóa Học Khóa: 32 Giới hạn của đề tài: sản phẩm Terpin hydrate tổng hợp được phải đạt tiêu chuẩn trong Dược điển Việt N

MSSV: 2063997 Ngành: Công Nghệ Hóa Học-K32

Tháng 11/2010

Bộ môn Công nghệ hóa học -

Cần Thơ, ngày tháng năm 2010

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CHO SINH VIÊN

NĂM HỌC: 2009 – 2010

1 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: Phan Thế Duy

2 Tên đề tài: “Tổng hợp Terpin hydrate từ tinh dầu thông”

3 Địa điểm thực hiện: PTN Hóa học hữu cơ – Bộ môn Công nghệ hóa học - Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần Thơ

4 Số lượng sinh viên thực hiện: 01 sinh viên

5 Họ và tên sinh viên: Văn Thành Phước MSSV: 2063997

Lớp: Công Nghệ Hóa Học Khóa: 32

Giới hạn của đề tài: sản phẩm Terpin hydrate tổng hợp được phải đạt tiêu

chuẩn trong Dược điển Việt Nam để có thể sử dụng làm nguyên liệu trong

9 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: 250.000 đồng

Phan Thế Duy

DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG THI & XÉT TỐT NGHIỆP

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN





NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN







Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại Học Cần Thơ đã tạo điều kiện học tập tốt nhất cho chúng em Cám ơn các Thầy Cô đã tận tình dạy bảo và truyền đạt kiến thức để em có một nền tảng tri thức vững chắc về nhân cách lẫn chuyên môn như hiện nay

Kế đến, em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Quý Thầy Cô trong Bộ môn Công Nghệ Hóa Học đã rất nhiệt tình chỉ dạy, hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian 4,5 năm học Nhất là, cám ơn Bộ môn đã tạo điều kiện tốt nhất

để em và các bạn có thể hoàn thành Luận văn lần này

Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn Thầy Phan Thế Duy đã rất nhiệt tình hướng dẫn em không chỉ về mặt kiến thức để thực hiện luận văn mà còn kiến thức sống, kinh nghiệm làm việc

Cuối cùng, xin cảm ơn các bạn đã đồng hành, chia sẻ và giúp đỡ mình trong thời gian vừa qua

Trong quá trình thực hiện đề tài, dù đã cố gắng hết mình nhưng do kinh nghiệm còn khá ít ỏi nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Rất mong nhận được sự góp ý của quý Thầy Cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày 10 tháng 11 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Văn Thành Phước

Từ xa xưa, tinh dầu thông đã được biết đến như là một phương thuốc để chữa một số bệnh về đường hô hấp như viêm phế quản, ho, … và nó còn có tính năng diệt khuẩn Vào những năm đầu thế kỷ XX, người ta đã xác định được thành phần chủ yếu và có tác dụng chính trong tinh dầu thông là - pinen Từ thành phần này, người ta đã tổng hợp ra được Terpin hydrate, một chất đã được thử nghiệm là có hoạt tính trên màng nhầy của hệ hô hấp và hệ thần kinh trung ương Từ đó, Terpin hydrate được ứng dụng rộng rãi vào dược phẩm để phối hợp với các chất khác tạo nên các loại thuốc chữa bệnh về hô hấp và thần kinh

Tuy nhiên, theo nhiều nguồn tài liệu thì điều kiện để tổng hợp Terpin hydrate

từ tinh dầu thông là có khác nhau và tùy thuộc vào nguồn tinh dầu thông ở mỗi nước Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, cũng đã có một số công trình nghiên cứu về đề tài này và quy trình tổng hợp này cũng đã được đưa vào sản xuất ở một số nhà máy dược trong nước Tuy vậy, phản ứng tổng hợp Terpin hydrate từ tinh dầu thông bị ảnh hưởng bởi rất nhiều điều kiện khác nhau mà các bài nghiên cứu trước chưa khảo sát hết Do vậy, tôi thực hiện đề tài luận văn này để tiếp tục khảo sát thêm các yếu tố ảnh hưởng còn lại nhằm hoàn chỉnh quy trình tổng hợp, giúp đạt được hiệu suất tổng hợp cao nhất

Trang

LỜI CẢM ƠN i

LỜI MỞ ĐẦU ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về tinh dầu thông 1

1.1.1Giới thiệu về các loài thông và tình hình sử dụng rừng thông ở Việt Nam 1

1.1.2 Tinh dầu thông 5

1.1.3 Tùng hương 7

1.2 α-pinene - thành phần chính trong tinh dầu thông 9

1.3 Terpin hydrate 11

1.4 Cơ sở lý thuyết 12

1.4.1 Phản ứng hydrate hóa α-pinene 12

1.4.2 Vai trò của chất nhũ hóa đối với phản ứng tổng hợp Terpinhydrate 15

1.4.2.1 Lý thuyết về chất nhũ hóa 15

1.4.2.2 Cách lựa chọn chất nhũ hóa có giá trị HLB thích hợp cho từng loại nhũ tương 17

1.4.2.3 Giới thiệu về Tween80 và Tween20 19

1.4.2.4 Vai trò của Tween 20 và Tween 80 trong phản ứng tổng hợp Terpin hydrate

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Mục tiêu 23

2.2 Phương tiện nghiên cứu 23

2.2.1 Nguyên liệu và hóa chất sử dụng 23

2.2.2 Tiến hành thí nghiệm 23

2.2.2.1 Dụng cụ và thiết bị 23

2.2.2.2 Cách tiến hành thí nghiệm 24

2.2.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khối lượng sản phẩm thu được 26

2.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 26

2.2.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác H2SO4 26

2.2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của cặp yếu tố giá trị HLB của hỗn hợp Tween80 - Tween20 và pha thực hiện phản ứng 27

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Kết quả thực nghiệm theo các yếu tố ảnh hưởng 28

3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ chất xúc tác H2SO4 28

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 29

3.1.3 Ảnh hưởng của HLB của hỗn hợp chất nhũ hóa 31

3.1.4 Ảnh hưởng của pha thực hiện phản ứng 33

3.2 Kết quả tổng hợp đánh giá chất lượng sản phẩm 34

3.2.1 Kiểm tra sản phẩm – phương pháp và phương tiện nghiên cứu 34

3.2.1.1 Tính chất chế phẩm 35

3.2.1.2 Độ tan 35

3.2.1.3 Độ trong và màu sắc dung dịch 35

3.2.1.4 Giới hạn acid 35

3.2.1.5 Tạp chất liên quan 35

3.2.1.6 Xác định độ ẩm, hàm lượng nước 36

3.2.1.7 Tro sulfate 36

3.2.1.8 Định tính sản phẩm 37

3.2.1.9 Định lượng sản phẩm 37

3.2.2 Bảng tóm tắt đánh giá chất lượng sản phẩm 37

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 39

CHƯƠNG 5 KIẾN NGHỊ 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 42

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT

DANH MỤC HÌNH



Trang

Hình1.1 Rừng thông 1

Hình 1.2 Tinh dầu thông 6

Hình 1.3 Colophane 7

Hình 1.4 Các hướng phản ứng của α-pinene 10

Hình 1.5 Terpin hydrate dạng bột và dạng tinh thể 11

Hình 1.6 Tween 80 20

Hình 1.7 Tween 20 21

Hình 2.1 Thí nghiệm thực 24

Hình 2.2 Lọc sản phẩm 24

Hình 2.3 Quy trình tổng hợp Terpin hydrate từ tinh dầu thông 25

Hình 3.1 Đồ thị khối lượng sản phẩm theo nồng độ xúc tác H2SO4 29

Hình 3.2 Đồ thị khối lượng sản phẩm theo nhiệt độ thực hiện phản ứng 30

Hình 3.3 Đồ thị khối lượng sản phẩm theo HLB của chất nhũ hóa 32

Hình 3.4 Đồ thị so sánh khối lượng giữa hai pha dầu và pha nước 34

Hình 3.5 Sắc ký của các mẫu thử khác nhau 36

Hình 3.6 Kết quả định tính hóa học 37

DANH MỤC BẢNG



Trang

Bảng 1.1: Sản lượng nhựa thông và tùng hương 3

Bảng 1.2: Sản lượng nhựa thông khai thác trong các năm 1995-1999 3

Bảng 1.3: Chỉ tiêu chất lượng tinh dầu thông 6

Bảng 1.4: Chỉ tiêu chất lượng tùng hương 8

Bảng 1.5: Mối liên hệ giữa độ hòa tan của các CHĐBM với giá trị HLB 16

Bảng 1.6: Giá trị HLB của các nhóm ưa dầu và ưa nước 17

Bảng 1.7: HLB “yêu cầu” của một số chất thuộc pha dầu 18

Bảng 3.1: Khối lượng sản phẩm thu được theo nồng độ dung dịch H2SO4 28

Bảng 3.2: Khối lượng sản phẩm thu được theo nhiệt độ phản ứng 30

Bảng 3.3: Khối lượng sản phẩm thu được theo HLB của chất nhũ hóa 32

Bảng 3 Tóm tắt đánh giá chất lượng sản phẩm 37

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về tinh dầu thông

Sau khi chưng cất nhựa thông người ta thu được khoảng 20% tinh dầu thông

và 60-70% tùng hương (colophan), còn lại 10% là nước và các tạp chất

Nhựa thông là loại nhựa sinh lý của cây, chứa trong các mạch dẫn nhựa của

gỗ Khi có vết chích nhựa chảy ra qua các mạch thông ngang, hợp lại chảy vào rãnh máng chích Nhựa thông là dung dịch của tùng hương trong tinh dầu thông Tinh dầu trong sản xuất thường vào khoảng 20-25% (trọng lượng) Nhưng nếu tìm cách giảm thiểu sự mất mát do sự bay hơi của những chất dễ bay hơi trong tinh dầu thì tỷ

lệ tinh dầu thu được có thể tới 35% Nhựa thông khai thác bằng cách chích, tạo thành một vết thương trên thân cây thông

1.1.1 Giới thiệu về các loài thông và tình hình sử dụng rừng thông ở Việt Nam [1, 3, 4]

Thông thuộc họ thực vật

Abietaceae có nhiều chi: Pinus,

Sequola, Agathis,Cryptomeria,

Keteleeria, v.v

Thông Pinus gồm 110 loài

phân bố rộng rãi ở Bắc bán cầu,

chủ yếu ở vùng ôn đới, từ trung

Mỹ đến Bắc Phi, Bắc Ấn Độ,

Philippin

Thông được chia thành hai nhóm chính: thông miền núi (pin sylvestre) và thông miền duyên hải (pin maritime) Ngoài tác dụng cung cấp gỗ và nhựa, thông miền duyên hải còn bảo vệ vùng đá ven biển, ngăn chặn cát tiến sâu vào bên trong đất liền

Trên thế giới người ta đã sử dụng 30 loài thông để khai thác nhựa ở qui mô

Hình 1.1 Rừng thông

thông 3 lá, thông đuôi ngựa, thông 5 lá, thông lá dẹp Trong đó, chỉ có 3 loài đầu tiên có giá trị kinh tế về gỗ và có thể sử dụng để khai thác nhựa thông

Tổng diện tích rừng thông tự nhiên và rừng trồng các loại có khoảng 300.000

ha Tập trung chủ yếu các tỉnh Quảng Ninh, Lạng Sơn, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Lâm Đồng, Gia Lai, Kon Tum Ngành khai thác nhựa thông Việt Nam có những ưu thế:

- Diện tích đồi trọc, đất trống của ta có thể qui hoạch trồng rừng thông còn nhiều

- Các loài thông ở nước ta sinh trưởng nhanh (tăng trưởng bình quân hàng năm 10-15 m3/ ha) và khoảng 25 năm có thể sử dụng để khai thác nhựa

- Thời gian để khai thác nhựa trong 1 năm lớn (hầu như quanh năm)

- Khả năng tăng sản lượng nhựa bằng cách áp dụng qui trình công nghệ khai thác tối ưu, sử dụng kích thích tố và chọn giống thông cao sản Việc sử dụng kích thích tố CNMB (có thể chế tạo trong nước) đã làm sản lượng nhựa thông 3 lá tăng

từ 34% lên 55% Bên cạnh đó, chọn giống nhằm xây dựng những khu rừng chuyên doanh về khai thác nhựa từ những cá thể ưu thế cao sản cần được quan tâm Thông qua con đường nhân giống hữu tính và vô tính chọn các cá thể có năng suất nhựa cao để gây trồng

Hai trung tâm chế biến nhựa lớn nhất trong cả nước là Quảng Ninh và Quảng Bình đã liên doanh chế biến với Nhật Bản và phía Nhật bao tiêu toàn bộ sản phẩm chế biến với tổng công suất 3.000 tấn nhựa/năm Trong vòng 20 năm qua trên thị trường thế giới giá cả cô lô phan và tinh dầu thông tăng gấp đôi: 600 USD 1 tấn cô

lô phan; 650 USD 1 tấn tinh dầu thông Do đó ta cần đẩy mạnh khai thác và chế biến nhựa thông Trong đó, sử dụng hợp lý các bộ dụng cụ cho khai thác nhựa thông Việc áp dụng các tiến bộ kỹ thuật về công nghệ khai thác, cải tiến các công

cụ trong đó bộ dụng cụ chích nhựa dùng cho phương pháp chích hình xương cá (chữ V) đối với thông 3 lá và áp dụng cho rừng thông nhựa tỉa thưa, chích diệt đối với những cây tỉa thưa lần 2 và lần 3

Khai thác dưỡng dùng phương pháp đẽo (cuốc đẽo) áp dụng cho rừng đạt tuổi thành thục công nghệ đối với loài cây thông nhựa Kèm theo bộ đá mài chuyên dùng

Tùng hương là vật liệu làm phụ gia cho giấy, là một thành phần của sơn dầu, nguyên liệu của công nghiệp mực in, trong đó vai trò của tùng hương trong công nghiệp giấy là quan trọng nhất vì nhu cầu đối với giấy tăng không ngừng và chưa có

vật liệu nào có thể thay thế Sản lượng tùng hương tăng với tốc độ nhanh ở Việt nam do diện tích khai thác nhựa ngày càng mở rộng Miền Bắc bắt đầu khai thác nhựa thông năm 1955 ở Hoàng mai (Nghệ An), sản lượng 20 tấn tùng hương/năm

Từ sau “Đổi mới”, tuy thị trường xuất khẩu chưa mở rộng, song sản xuất tùng hương đã tăng lên khá nhanh, như thống kê trong Bảng 1.1

Bảng 1.1: Sản lượng nhựa thông và tùng hương

(Nguồn:Bộ Nông nghiệp và PTNT)

Trong giai đoạn 1986-1990, công nghệ chế biến nhựa còn rất lạc hậu, bán thủ công, thiết bị chưng cất thô sơ đơn giản, công suất 300-500 tấn nhựa/năm Từ khai thác, bảo quản nguyên liệu đến qui trình chưng cất đều được thực hiện bằng lao động thủ công do đó chất lượng sản phẩm rất thấp Từ sau 1990, công nghệ chế biến nhựa đã được đổi mới với việc nhập khẩu thiết bị tiên tiến Hiện tại có 2 xí nghiệp chế biến nhựa thông công suất 2000-3000 tấn nhựa/năm là Nhà máy Uông Bí (Quảng Ninh) và Nhà máy Long Đại (Quảng Bình) có thiết bị tương đối hiện đại Ngoài ra còn có một số xí nghiệp chế biến nhựa thông qui mô công suất 500-1000 tấn/năm với công nghệ thủ công ở Vinh (Nghệ An), Lạng Sơn, Hà Tĩnh, Lâm Đồng…Tổng sản lượng tùng hương đạt khoảng 2500 tấn và khoảng 700-800 tấn tinh dầu thông Chất lượng tùng hương đã được nâng cao gần tiêu chuẩn quốc tế Nhu cầu trong nước đối với tùng hương khoảng 1/3 sản lượng, còn lại phục vụ xuất khẩu Giá tùng hương xuất từ Việt Nam chỉ nằm trong khoảng 420-450 USD/tấn Tinh dầu thông chỉ để dùng trong nước, đáp ứng nhu cầu của công nghiệp dược, công nghiệp sơn và thường ít xuất khẩu

Bảng 1.2: Sản lượng nhựa thông khai thác trong các năm 1995-1999

(Nguồn:Bộ Nông nghiệp và PTNT)

Hàng năm khối lượng nhựa thông khai thác trên toàn thế giới vào khoảng 1,2

phần còn lại là tinh dầu thu hồi từ dịch đen của quá trình nấu bột giấy bằng phương pháp sulphate

Vai trò và lợi ích của thông

Rừng thông có vai trò to lớn trong việc bảo vệ môi trường sống và duy trì ổn định sinh thái Ngoài tác dụng phủ xanh đất trống đồi trọc, rừng thông còn là chiếc máy lọc không khí khổng lồ và tinh vi 1ha rừng thông trong 1 năm sản xuất được 5-7 tấn oxy làm trong sạch 18 triệu m3 không khí, giữ lại 30-70 tấn bụi và hấp thụ 3-7 tấn carbondioxide Rừng thông còn có tác dụng bảo hộ, hạn chế lũ lụt, góp phần tạo nên khung cảnh thiên nhiên tươi đẹp

Cây thông mang đầy đủ tính chất của loài cây tiên phong Ở nhiều lập địa hầu như rất khắc nghiệt, thông vẫn sống và phát triển nhanh, làm thay đổi dần môi trường theo hướng có lợi cho quần thụ - nhất là thông nhựa, mở đường cho các loài cây khác có thể sinh tồn được Cây thông có khả năng phát triển trên đất nghèo kiệt,

có lẫn nhiều đá, tầng mặt mỏng, đất chua Thông có tác dụng giữ đất, giữ nước, chống sói mòn rất tốt vì có bộ rễ phát triển mạnh ngay trên đất đồi núi trọc khô cằn

rễ thông ăn lan rất rộng từ 8-10m ở lớp đất mặt và rễ cọc đâm sâu xuống hơn 2m Ở

rễ lại có nấm cộng sinh giúp cho rễ hấp thụ chất khoáng trong đất được tốt

Thông là một trong những nguồn quan trọng cung cấp gỗ Gỗ thông nhẹ, mềm, dễ xẻ, dễ bào được dùng rộng rãi trong xây dựng, đóng thùng, đàn, bàn ghế, chế tạo diêm quẹt, ván ép, làm sàn nhà, nhiều mặt hàng thủ công mỹ nghệ (hộp, tranh chạm bút lửa, ) Các loại gỗ thông cũng được dùng để xây dựng cầu, sườn nhà máy Thân thông dài và thẳng được dùng để làm trụ điện, điện thoại, cột buồm Thông là nguyên liệu dùng làm bột giấy rất tốt vì thông cho sợi dài, tỷ lệ xeluloza (cellulose) chiếm hơn 62%

Về mặt y dược

Theo các nghiên cứu hiện đại, tinh dầu thông có tác dụng ức chế sự phát triển của nhiều loài vi sinh vật gây bệnh (trực khuẩn lao, lỵ, thương hàn, tụ cầu, liên cầu

và phế cầu ) Nó cũng có khả năng chống co thắt cơ trơn và chống viêm

Một công trình khoa học ở Nhật Bản cũng cho thấy, cao quả bạch thông giúp

ức chế sự phát triển của HIV trong các tế bào bạch huyết Qua nghiên cứu loài thông đỏ, các nhà khoa học trên thế giới đã chế tạo được một loại thuốc có tên là Paclitaxel, dùng trong điều trị ung thư buồng trứng di căn và ung thư vú di căn Cây thông cũng được sử dụng rộng rãi trong nền y học cổ truyền của nhiều nước Các lương y Ấn Độ dùng dầu thông làm thuốc long đờm, trị viêm phế quản

mãn tính, đau bụng do đầy hơi, chảy máu nhẹ ở chân răng và mũi Người Ấn Độ còn dùng dầu này làm thuốc bôi ngoài da để điều trị đau lưng, viêm khớp và đau dây thần kinh Tại Nhật Bản, cao quả thông được sử dụng để điều trị các u ở dạ dày

và bệnh bạch cầu

Trong y học cổ truyền Việt Nam, tất cả các bộ phận của cây thông đều được dùng làm thuốc, cụ thể là:

- Tinh dầu thông: Dùng làm thuốc bôi chữa các bệnh ngoài da như ghẻ (chỉ

bôi một lớp mỏng để tránh bị rộp da) Có thể phối hợp tinh dầu thông với cồn long não để xoa bóp trị đau nhức

- Tùng hương (nhựa thu được sau khi cất lấy tinh dầu thông): có tác dụng chữa

mụn nhọt, ghẻ lở, mủ rò Dùng tùng hương đắp lên vết thương, vết thương sẽ chóng lành Tùng hương cũng được phối hợp với các vị thuốc khác (hoàng liên, hoàng cầm, khổ sâm, đại hoàng, hạt xà sàng, khô phàn) để nấu cao dán nhọt

- Tùng tiết (đốt mắt ở cành thông): Để chữa đau nhức răng, có thể ngâm tùng

tiết với rượu (tỷ lệ 50%) rồi chấm rượu thuốc vào nơi bị đau (hoặc pha loãng với nước để ngậm) Tùng tiết còn được dùng để chữa tê thấp, nhức mỏi, khớp sưng đau (mỗi ngày lấy 12-20 g phối hợp với các vị thuốc khác, sắc hoặc ngâm rượu uống)

- Tùng mao (lá thông): Có tác dụng chữa lở loét nếu kết hợp với một số loại lá

khác (long não, khế, thanh hao) để nấu nước tắm Nếu bị đau cơ, nhức mỏi gân xương, ứ máu bầm tím, có thể lấy lá thông tươi băm nhỏ, ngâm với nước, dùng nước thuốc xoa bóp chỗ đau

- Tùng hoàng (phấn hoa thông): Có tác dụng chữa đau đầu, choáng váng,

chóng mặt (ngày dùng 4-8 g sắc uống) hoặc trị mụn nhọt lở loét, chảy nước vàng (lấy bột tùng hoàng rắc vào vết thương)

- Quả thông: Có tác dụng chữa ho (quả thông 10 g, lá hẹ và lá kinh giới mỗi

thứ 12 g sắc uống ngày 2 lần)

- Vỏ thông: Được dùng để chữa vết thương lở loét (lấy vỏ thông và vỏ cây

sung lượng bằng nhau, đốt thành than, tán nhỏ, rây lấy bột mịn, rắc vào chỗ tổn thương)

1.1.2 Tinh dầu thông [16, 17, 18]

Tinh dầu thông (essence de térébenthine, turpentine) là một chất lỏng trong suốt, có màu vàng xanh, có mùi vị đặc trưng, không có cặn và nước

Tinh dầu thông là một hỗn hợp của một số

terpenoid, chủ yếu là monoterpen (C10H16), như

α-pinen, β-α-pinen, limonen, Δ3 Karen,… và một

lượng nhỏ các sesquiterpen và các dẫn xuất của

các terpen Trong đó α-pinen (65-70%) và β-pinen

(6-7%) có giá trị quan trọng nhất Chất lượng của

tinh dầu thông tùy thuộc vào hàm lượng pinen

trong tinh dầu thông

Tinh dầu thông được chia làm 2 loại: loại I

và II

Chỉ tiêu đánh giá chất lượng tinh dầu thông như Bảng 1.3

Bảng 1.3: Chỉ tiêu chất lượng tinh dầu thông

Trong suốt, không cặn và nước, mùi đặc trưng

2 Khối lượng riêng (20ºC) g/cm3 0,8570 - 0,8590 0,8605 - 0,8650

3 Chỉ số khúc xạ (25ºC) 1,4670 - 1,4720 1,4620 - 1,4725

5 Thể tích thu được khi nhiệt độ

chưng tới 170ºC, không dưới (%)

Nhờ khả năng hòa tan tốt, tinh dầu thông được sử dụng phổ biến làm dung môi trong công nghiệp sơn Trong các xí nghiệp sản xuất chất dẻo và celluloid, tinh dầu thông được dùng để hòa tan cao su và các chất nhựa khác Tinh dầu thông còn được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp ra các chế phẩm như long não, thuốc trừ sâu, thuốc ho terpincol, terpin hydrate v.v

1.1.3 Tùng hương (colophane)

Tùng hương (rosin) thường được gọi

là cô-lô-phan (colophane) Cô-lô-phan

(CLP) là một chất rắn, dòn, màu vàng sáng

(chất lượng tốt) hoặc sẫm (chất lượng

kém)

Hình 1.3 Colophane CLP hòa tan tốt trong các dung môi hữu cơ đặc biệt ở nhiệt độ cao Khi đun nóng kéo dài ở nhiệt độ 250-300ºC trong điều kiện không có sự hiện diện của không khí, CLP bị phân hủy tạo thành các sản phẩm lỏng gọi là dầu CLP

Tùng hương là phần nhựa hoà tan trong tinh dầu thông Khi chưng cất tách tùng hương ra khỏi dung dịch tỷ lệ thu được 70-75% trọng lượng Thành phần hoá học chủ yếu của tùng hương gồm: các acid nhựa (90% trọng lượng tùng hương); các acid béo (6%); những chất không xà phòng hóa (4%) Acid nhựa là phần quan trọng nhất của tùng hương gồm: acid pimaric (có hai dạng đồng phân là dextro- và levo-pimaric), acid sapinic, acid abietic Trong thành phần của tùng hương kỹ thuật còn

có những tạp chất lẫn vào trong quá trình khai thác nhựa, bảo quản và chưng cất Thành phần hoá học của tùng hương thông 3 lá: Palustric: 27,1%, Abietic: 37,3%, Neoabietic: 13,7%, Dehydroabietic: 5,6%, Pimaric: 7,4%, Isopimaric: 3,8%, Sandaracopimaric: 2,2% Chất lượng tùng hương được đánh giá thông qua một số chỉ tiêu vật lý quy định thành tiêu chuẩn như trong Bảng 1.4

Bảng 1.4: Chỉ tiêu chất lượng tùng hương

Các chỉ tiêu đánh giá chất

1 Cảm quan

Trong suốt, vàng sáng đến đục, dòn, mùi đặc trưng khi đun chảy

Trong suốt, vàng sáng đến đục, dòn, mùi đặc trưng

* Công nghiệp điện: chế tạo các vật liệu điện, phối hợp với các loại nhựa khác

để chế tạo sơn ngâm tẩm cách điện cho các dụng cụ điện

* Công nghiệp sơn: chế tạo chất làm khô cho các loại sơn dầu

* Công nghiệp dược: nấu cao dán nhọt

* Công nghiệp cao su: chế vải sơn, phủ bóng cho các sản phẩm làm bằng cao

su, cho thêm vào cao su để tăng độ đàn hồi

* Công nghiệp dầu mỏ: chế tạo chất bôi trơn đặc quánh

* Công nghiệp dệt: chế tạo các chất cắn màu dùng cho quá trình nhuộm

1.2 α-pinene - thành phần chính trong tinh dầu thông [20]

Một số tính chất hóa lý:

 Trạng thái vật lý: dung dịch lỏng, trong suốt, không màu

 Khối lượng phân tử: 136,23 g/mol

 Tỷ trọng: 0,858 g/ml (dung dịch ở 20ºC)

 Khả năng hòa tan trong nước thấp

 Có thể tan được trong acid acetic, acetone, ethanol

 Nhiệt độ nóng chảy: -64ºC (209K)

 Nhiệt độ sôi: 155ºC (428K)

Các thuộc tính hóa học:

Vòng bốn cạnh trong α-pinene (1) làm cho nó có hoạt tính của một

hydrocarbon, trong đó có sự chuyển vị trong cấu trúc phân tử như chuyển vị Wagner-Meerwein Điển hình như phản ứng hydrate hóa hay phản ứng cộng hydro halogen vào nhóm chức alkene mà thường dẫn đến sự chuyển vị ở sản phẩm cuối Nếu thực hiện phản ứng với acid sulfuric đặc và ethanol thì sản phẩm chính là

terpineol (2) và ethyl ether (3), với acid acetic băng thì cho ra acetate ester tương

ứng Còn với acid loãng thì sản phẩm chính là terpin hydrate

Ở nhiệt độ thấp với sự có mặt của ether, thì α-pinene sẽ phản ứng với 1 mol

HCl khan để tạo thành sản phẩm 6a nhưng nó không ổn định Còn ở nhiệt độ thường hoặc là không có mặt ether thì sản phẩm chính là bonyl chloride (6b), cùng với một lượng nhỏ fenchyl chloride (6c) Trong suốt một thời gian dài, 6b (long não

nhân tạo) được xem là “pinene hydrochloride” trước khi được xác nhận là bonyl chloride được tạo thành từ camphene Nếu sử dụng HCl nhiều hơn thì sản phẩm

chính là achiral (7) (dipentene hydrochloride) và lượng nhỏ 6b Nitrosyl chloride tạo cơ sở để điều chế oxime 8 , chất mà có thể biến đổi thành pinyl amine Cả 8 và 9

Ứng dụng: α-pinene là nguồn nguyên liệu quan trọng trong các ngành công nghiệp hóa chất Từ α-pinene có thể tổng hợp được nhiều hợp chất quan trọng như terpin hydrate, benzyl pinonat và một số dẫn xuất hydrazon, semicarbazon, được dùng để bào chế thuốc, hương liệu nhân tạo

Các thuộc tính đặc trưng của terpin hydrate:

Hình 1.5 Terpin hydrate dạng bột và dạng tinh thể

Terpin hydrate tồn tại ở dạng tinh thể lăng trụ có tiết diện hình thoi, không màu, bóng láng hoặc ở dạng bột trắng Nó gần như không mùi, có vị hơi đắng, bền trong không khí 1gam Terpin hydrate có thể hòa tan trong khoảng 200ml nước, 13ml rượu, 140ml chloroform hay trong 140ml ether ở 25ºC Còn trong nước sôi thì 1gam Terpin hydrate có thể tan trong 35ml hay là trong 3ml rượu sôi

Terpin hydrate bị nóng chảy và mất nước khi gia nhiệt nhanh đến 116 - 1170C

lên thì trước tiên nó sẽ bị mất nước Khi đến nhiệt độ 258ºC, terpin hydrate khan (do mất hết nước) vẫn không bị phân hủy mà nhanh chóng rắn kết lại thành một khối tinh thể có tính hút ẩm và có nhiệt độ nóng chảy 102 – 105ºC (phụ thuộc vào lượng nước còn lại) Khi gia nhiệt mạnh trên nền platin, nó bốc cháy với ngọn lửa sáng chói và tỏa khói, không còn gì lại sau khi cháy Dung dịch tạo thành khi tinh thể nóng chảy nếu được cho vào vài giọt acid sulfuric thì sẽ trở nên đục và bốc ra một mùi thơm mạnh Terpin hydrate phải không có mùi của tinh dầu thông và không làm đổi màu giấy quỳ thành đỏ Terpin hydrate khan (thu được bằng cách loại nước) có đặc tính của một glycol Dipentene dihydrochloride là ether của nó với hydrochloric acid Bằng cách làm mất nước của terpin, nó sẽ trở thành terpinneol và sản phẩm cuối cùng là dipentene, terpinene hay terpinolene tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể

Ứng dụng:

Terpin hydrate được thử nghiệm sinh lý lần đầu tiên bởi Lepine vào năm 1855 Ông đã phát hiện ra rằng nó có tác dụng trên màng nhầy và trên hệ thống thần kinh tương tự như dầu thông Kể từ đó nó được sử dụng trong điều trị bệnh viêm phế quản mãn tính và trong giai đoạn gấp rút của bệnh viêm phế quản cấp tính, nhất là khi dịch bài tiết ra nhiều Ngoài ra, nó còn dùng để chữa viêm bàng quang mãn tính

H H

Khi cho tinh dầu thông (có chứa α-pinene) thực hiện phản ứng hydrate hóa với xúc tác là acid sulfuric loãng (phân ly ra H+), α-pinene sẽ nhận một proton H+ tạo thành carbocation (1) Ion này không bền sẽ chuyển vị (đồng thời có sự di chuyển điện tích) để tạo thành một dạng ion mới bền hơn (2) Tiếp theo đó, một phân tử nước (có tính thân hạch) sẽ được cộng vào vị trí mang điện tích dương của ion mới tạo thành (3), đồng thời tách ra một H+ để tạo thành terpineol (4) Trong môi trường acid, terpineol (còn nối đôi trong phân tử) sẽ tiếp tục phản ứng thành terpin (5) Terpin là chất hút nước, nó sẽ ngậm một phân tử nước để tạo thành tinh thể terpin

- Thời gian khuấy:

Đối với phản ứng tổng hợp terpin hydrate này, do đây là một quá trình tạo nhũ nên cần phải có thời gian khuấy đủ lâu để phân tán tinh dầu thông thành các giọt có kích thước đủ nhỏ giúp cho quá trình tạo nhũ được bền và ổn định hơn Nhưng thời gian khuấy cũng không được quá lâu vì sẽ có sự phá vỡ nhũ tương và tăng chi phí sản xuất do tốn nhiều năng lượng cho quá trình khuấy

- Thời gian phản ứng:

Đối với các phản ứng của các chất hữu cơ, thông thường tốc độ phản ứng xảy

ra khá chậm nên thời gian phản ứng càng lâu thì hiệu suất càng cao Đối với phản ứng hydrate hóa tinh dầu thông, do có sự cân bằng giữa quá trình hydrate hóa và

dehydrate hóa nên cần thực hiện phản ứng ở khoảng thời gian thích hợp để tránh lãng phí và tăng chi phí sản xuất (trong một số trường hợp, thời gian phản ứng quá lâu có thể dẫn tới sự phân hủy sản phẩm và sinh ra sản phẩm phụ)

- Chất nhũ hóa:

Phản ứng được thực hiện giữa một bên là pha dầu (tinh dầu thông) và pha nước (acid H2SO4 loãng), vì vậy cần phải có chất nhũ hóa để giúp tinh dầu thông phân tán vào acid tốt hơn, hệ nhũ bền hơn, từ đó giúp cho phản ứng xảy ra dễ dàng

và hiệu quả hơn (Xem thêm ở mục 2.2)

- Pha thực hiện phản ứng (Cho chất nhũ hóa vào pha dầu hay pha nước trước)

1.4.2 Vai trò của chất nhũ hóa đối với phản ứng tổng hợp terpin hydrate [4, 7,

8, 9, 10]

1.4.2.1 Lý thuyết về chất nhũ hóa

 Hệ nhũ tương: là một hệ phân tán cao của ít nhất hai chất lỏng mà thông

thường không hòa tan được với nhau, một pha là pha phân tán, và pha kia gọi là pha liên tục Có rất rất nhiều hệ nhũ tương nhưng thường gặp là:

- Hệ dầu trong nước: là hệ mà trong đó các giọt dầu phân tán trong pha liên tục

là nước Ví dụ: mayonnaises, kem sữa,

- Hệ nước trong dầu: là hệ mà trong đó các giọt nước phân tán trong pha liên tục

là dầu Ví dụ: bơ, margarine,

- Hệ nước trong dầu trong nước: hệ nhũ tương dầu trong nước mà các giọt phân

tán của nó có chứa nước, đây là hệ khá phức tạp

 Chất nhũ hóa: là chất hoạt động bề mặt (CHĐBM), có tác dụng làm giảm sức

căng bề mặt của các pha trong hệ và từ đó duy trì được sự ổn định cấu trúc của hệ nhũ tương Trong cấu trúc phân tử của chất nhũ hóa có cả phần háo nước và phần háo béo

Chất nhũ hóa được sử dụng nhằm tạo sự ổn định của hệ keo phân tán trong pha liên tục bằng cách hình thành một bề mặt điện tích trên nó Đồng thời nó còn làm giảm sức căng bề mặt của các giọt phân tán từ đó giảm được năng lượng hình thành các giọt trong hệ

Chất nhũ hóa đa số là ester của acid béo và rượu

Cũng giống như chất hoạt động bề mặt, chất nhũ hóa có 4 loại:

Tất cả CHĐBM phải có một phần ưa nước và một phần ưa dầu nếu không nó

sẽ không có hoạt tính bề mặt Tỉ số của phần ưa nước và phần ưa dầu gọi là giá trị cân bằng (HLB) Giá trị HLB là thông số quan trọng bậc nhất của chất nhũ hóa HLB được hiểu là Hydrophile Lipophile Balance Khi HLB tăng (phần ưa nước nhiều hơn), CHĐBM càng dễ tan trong nước; HLB nhỏ (phần ưa dầu nhiều hơn) thì CHĐBM dễ tan trong dầu

Bảng 1.5: Mối liên hệ giữa độ hòa tan của các CHĐBM với giá trị HLB

- Phân tán từ trong mờ đến trong 10 – 13

Nhìn chung, HLB chỉ áp dụng đối với CHĐBM nonionic Mỗi CHĐBM nonionic có một giá trị HLB “chuẩn” xác định

Khi để nhũ tương một thời gian lâu mà không có chất nhũ hóa, các hạt pha phân tán kết hợp lại thành các hạt to hơn rồi từ từ phân thành 2 lớp dầu và nước (do

tự làm giảm diện tích bề mặt để bền hơn)

Độ bền của nhũ tương do:

- Sự làm giảm sức căng bề mặt phân chia pha nên làm chậm quá trình kết hợp các hạt phân tán

- Chất nhũ hóa hấp phụ lên bề mặt phân chia pha hình thành xung quanh hạt pha phân tán một lớp phân tử, lớp này có độ nhớt cao, có khả năng hydrate hóa mạnh đối với nhũ tương dầu/nước

- Tỉ lệ thể tích giữa pha phân tán và môi trường phân tán Thông thường pha phân tán có thể tích nhỏ hơn môi trường phân tán nhiều lần

1.4.2.2 Cách lựa chọn chất nhũ hóa có giá trị HLB thích hợp cho từng loại nhũ tương (Chỉ áp dụng cho loại nonionic)

Tùy thuộc vào pha dầu của nhũ tương muốn tạo thành mà ta chọn chất nhũ hóa

có giá trị HLB phù hợp Mỗi chất nhũ hóa nonion đều có một giá trị HLB “chuẩn” (HLB “value”) nhất định Có nhiều công thức để xác định HLB “chuẩn” của chất nhũ hóa, nhưng thường sử dụng hai công thức dưới đây:

 HLB = 7 + (giá trị HLB các nhóm háo nước) – (HLB của nhóm kỵ nước) Giá trị HLB của các nhóm được cho trong Bảng 1.6

Bảng 1.6: Giá trị HLB của các nhóm ưa dầu và ưa nước

-CH2-; -CH3; -CH- (trong hợp chất vòng thơm); =CH- (trong alkene)

-(CH2CH2O)- -(CH2CH2CH2O)-

0,475

0,33 0,15

 HLB = % khối lượng phân tử của phần ưa nước (trong tổng khối lượng phân tử chất nhũ hóa) chia cho 5

VD: Tween 20 (Polyoxyethylen (20) Sorbitan monolaurate) có công thức cấu tạo như sau:

1642044

0

16,78 (Giá trị tham khảo 16,7)

Các công thức tính HLB trên chỉ mang tính tương đối, không chính xác hoàn toàn Do vậy, các giá trị HLB tính được thường phải 1

Để cho pha dầu và pha nước phân tán tốt vào nhau (nhũ tương bền, ổn định cao) thì nên chọn chất nhũ hóa có HLB “chuẩn” bằng hoặc gần bằng với giá trị HLB “yêu cầu” của pha dầu Đây là một yếu tố rất quan trọng của quá trình tạo nhũ

và đây là cũng là vai trò quan trọng nhất của việc tạo ra “hệ thống” HLB

Tất cả các chất béo hay dầu đều có một giá trị HLB “yêu cầu” (HLB

“required”) nhất định Để xác định HLB “yêu cầu” của một loại dầu nào đó thường chúng ta phải tiến hành các thí nghiệm thực nghiệm Ta cũng có thể sử dụng các giá trị đã được tìm ra trước đó trong các tài liệu đã công bố

Bảng 1.7: HLB “yêu cầu” của một số chất thuộc pha dầu

HLB “yêu cầu” cho nhũ tương dầu/nước của nhiều loại dầu khác nhau (±1 )

Isopropyl miristate 11-12 Isopropyl lanolate 14 Isopropyl palmitate 11-12 Jojoba oil 6-7 Kerosene 12 Liquid lanolin 9 Lauryl amine 12 Mehadin oil 12

Methylphenyl silicone 7 Methyl silicone 11 Mineral oil 9-12 Mineral spirits 14

Mink oil 5 Nitro benzene 13 Nonylphenol 14 o-dichlorobenzene 13 Palm oil 10 Petrolatum 7-8 Petroleum naphta 14

Pine oil 16

Propene tetramer 14 Rapeseed oil 6 Silicone oil 7-8 Soybean oil 6 Styrene 15 Toluene 15 Trichlorotrifluoro 14 ethane

Tricresyl phosphate 17 Xylene 14

(Nguồn: http://surface.akzonobe.com) Bên cạnh đó, để tạo thành nhũ tương bền và ổn định, ngoài việc chọn chất nhũ hóa có HLB “chuẩn” bằng với HLB “yêu cầu” của pha dầu thì theo thực nghiệm

Lợi ích của việc sử dụng hỗn hợp chất nhũ hóa:

- Dễ dàng tạo ra hỗn hợp có HLB “chuẩn” mong muốn bằng cách phối trộn các chất nhũ hóa có giá trị HLB khác nhau (Khi không tìm được một chất nhũ hóa có HLB “chuẩn” = HLB “yêu cầu”)

- Hỗn hợp chất nhũ hóa sẽ mang lại sự liên kết trên bề mặt liên diện giữa hai pha tốt hơn so với chỉ dùng một chất nhũ hóa có cùng HLB “chuẩn”

Chẳng hạn, khi sử dụng Span 80 và Tween 80 để tạo thành hỗn hợp có HLB bằng 10 thì sẽ tạo nhũ tốt hơn so với chỉ dùng một chất nhũ hóa có HLB bằng 10

Để tính HLB của hỗn hợp chất nhũ hóa ta dùng công thức sau:

HLBhh = % chất A * HLBchất A + % chất B * HLBchất B

% chất A, % chất B: % khối lượng (thể tích, ) của chất A, B trong hỗn hợp

Ví dụ: một hỗn hợp 2 chất nhũ hóa là Span 80 (40%)và Tween 80 (60%) Tính HLB của hỗn hợp trên

Ta có: HLB của Span 80 là 4,3; Tween 80 là 15

Suy ra, HLBhỗn hợp = 0,4 * 4,3 + 0,6 * 15 = 10,72

1.4.2.3 Giới thiệu về Tween80 và Tween20

■ Tween 80 (polysorbate 80): (HLB = 15) là

một chất hoạt động bề mặt nonionic và cũng là

một chất nhũ hoá có nguồn gốc từ polyethoxylate

sorbitan và acid oleic, nó thường được sử dụng

trong thực phẩm Polysorbate 80 là một chất lỏng

nhớt màu vàng tan trong nước Những nhóm ưa

nước trong hợp chất này là các gốc polyether hay

cũng được biết như là các nhóm polyoxyethylen –

là các polyme của ethylen oxide Trong danh

pháp của polysorbate, chỉ số theo sau nó dùng để

chỉ nhóm lipophilic, trong trường hợp này số 80

dùng để chỉ acid oleic Polysorbate 80 thường

 (X)-Sorbitan mono-9-octadecenoate poly (oxy-1 ,2-ethanediyl)

 Tween 80

 POE (20) Sorbitan monooleate

Polysorbate 80 cũng được sử dụng trong một số thuốc nhỏ mắt

Tween 80 được sử dụng như là một chất nhũ hoá trong sản xuất thuốc uống

An toàn sử dụng: Nhìn chung, tween 80 thì an toàn và dung nạp tốt

■ Tween 20 (polysorbate 20): (HLB = 16,7)

là một chất hoạt động bề mặt có tính ổn định và

tương đối không có độc tính, cho phép nó được sử

dụng như một chất tẩy rửa và chất nhũ hoá trong

một số ứng dụng khoa học và dược phẩm Nó là

một polyoxyethylen có nguồn gốc từ sorbitan

monolaurate, được phân biệt với các chất khác

trong họ Tween bởi chiều dài của chuỗi

polyoxyethylen và nhóm chức acid béo của ester

Hình 1.7 Tween 20