THIẾT KẾ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật ISSN 1859 0209 17 NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ HOẠT CHẤT DIETHYLTOLUAMINDE ỨNG DỤNG CHỐNG MUỖI VÀ C[.]
Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - ISSN 1859-0209 NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ HOẠT CHẤT DIETHYLTOLUAMINDE ỨNG DỤNG CHỐNG MUỖI VÀ CÔN TRÙNG Bùi Thùy Trang 1,*, Nguyễn Thành Vinh2 1Khoa 2Khoa Khoa học Cơ bản, Học viện Hậu cần Hóa - Lý kỹ thuật, Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Tóm tắt Hoạt chất diethyltoluamide đánh giá hiệu xua đuổi trùng nói chung Trung tâm Kiểm sốt Phịng ngừa dịch bệnh khuyến khích sử dụng làm chất xua đuổi côn trùng, đặc biệt chống muỗi nước giới Trong báo này, nhóm tác giả trình bày phương pháp tổng hợp xác định điều kiện tối ưu để điều chế hoạt chất diethyltoluamide từ axit 3-methyl benzoic Sử dụng tác nhân clo hoá SOCl2, quy trình điều chế thực dễ dàng điều kiện phản ứng êm dịu diethyltoluamide thu với hiệu suất đạt 92%, quy mô đạt 500 gam/mẻ Từ khóa: Diethyltoluamide; axit 3-methyl benzoic; chất xua đuổi côn trùng Mở đầu Muỗi lồi sinh vật có sức sinh sơi mạnh mẽ nhiều môi trường sống khác Chúng xuất phần lớn quốc gia giới châu Á, châu Phi đặc biệt nơi có độ ẩm nhiệt độ cao, có Việt Nam Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), muỗi nguồn truyền nhiễm bệnh nguy hiểm nhất, lây nhiễm loại bệnh cho tỉ người làm chết hàng triệu người năm Muỗi gây dịch bệnh nguy hiểm sốt rét, sốt xuất huyết, bệnh vàng da gần năm 2015 gây dịch virus Zika châu Mỹ, châu Phi số vùng khác giới [1, 2] Một loại thuốc chống muỗi hiệu thị trường diethyltoluamide (DEET), thành phần sản phẩm chống muỗi trùng Cơ chế hoạt động DEET cách ngăn chặn thụ thể khứu giác côn trùng 1-octen-3-ol, chất dễ bay có mồ thở người DEET gây "mù" "nhầm lẫn" giác quan côn trùng cách hiệu để cắn khơng bị kích hoạt hóa chất có mồ thở người [3] Ngồi ra, DEET có khả ức chế hoạt động enzim dẫn truyền thần kinh acetylcholine khiến cho acetylcholine tích tụ nhiều khe khớp thần kinh, gây nên tê liệt thần kinh muỗi côn trùng [4] Mặc dù sử dụng rộng rãi chưa có nghiên cứu tổng hợp hoạt chất nước số lượng công bố hoạt chất giới hạn chế [5, 6] Trong báo này, nhóm Email: buithuytrang171984@gmail.com https://doi.org/10.56651/lqdtu.jst.v17.n02.305 17 Journal of Science and Technique - ISSN 1859-0209 tác giả trình bày phương pháp tổng hợp hoạt chất từ 3-methylbenzoic hai phương pháp khác nhau, nghiên cứu tìm điều kiện tối ưu phù hợp với điều kiện nước nghiên cứu khả nâng quy mô điều chế DEET Thực nghiệm Tất hóa chất sử dụng hãng Sigma Aldrich có độ tinh khiết 98% Các phản ứng thực điều kiện khan mơi trường khí nitơ Dung mơi sử dụng khan, tinh khiết cất Các phản ứng thực bình cầu nhám nhiệt độ xác định có sử dụng máy khuấy từ gia nhiệt Tiến trình phản ứng theo dõi sắc ký mỏng sử dụng dung dịch chất thị p-anisaldehit đèn UV-CAMAG bước sóng 254 nm Chất tách tinh chế phương pháp sắc ký cột SiO2 Across (0,040-0,063 mm) Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H, 13C NMR đo máy Brucker Avance 500 MHz sắc ký khí ghép khối phổ GC-MS chụp thiết bị Spectrometter LTQ Orbitrap XLTM khoa Hoá, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Phổ hồng ngoại chụp máy Spectrum Two (Perkin Elmer) mơn Phịng hóa, Khoa Hóa - Lý kỹ thuật, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Tổng hợp hoạt chất DEET phương pháp giai đoạn Giai đoạn 1: 136 mg 3-methylbenzoic hoà tan 40 mL ethanol khan Làm lạnh hỗn hợp 0oC thêm từ từ mL H2SO4 đặc Phản ứng tiếp tục khuấy nhiệt độ thêm 30 phút nâng lên nhiệt độ phòng Sau khuấy nhiệt độ phòng thêm 12 giờ, thêm tiếp dung dịch Na2CO3 bão hoà để trung hoà axit Chiết với etylaxetat (20 mL x lần), làm khan Na2SO4 cất quay chân không thu chất rắn khan Tinh chế sắc ký cột (hexan/ethylaxetat: 6/4) thu 167 mg DEET (hiệu suất 92%) Giai đoạn 2: Phản ứng amit hoá tạo DEET Từ 167 mg este thu giai đoạn hoà tan n-hexan thêm tiếp 60 mg diethylamine khuấy nhiệt độ phòng thêm 12 hết chất tham gia phản ứng (theo dõi tiến trình phản ứng sắc ký mỏng) Sau phản ứng, phân lập hỗn hợp sản phẩm sắc ký cột (hexan/ethyl axetat: 6/4) thu sản phẩm DEET chất rắn màu trắng (137 mg, 78%) Tổng hợp hoạt chất DEET phương pháp giai đoạn Cho 136 mg axit 3-methylbenzoic (1 mmol, đl), 73 mg diethylamine (1 mmol, đl), 390 mg triethylamine (3 mmol, đl) dung mơi phản ứng vào bình cầu đáy trịn có gia nhiệt Dùng khuấy từ trộn hỗn hợp, thêm tiếp từ từ tác nhân clo hóa Duy trì phản ứng nhiệt độ thời gian xác định, kiểm tra tiến trình phản ứng sắc ký mỏng Phản ứng kết thúc, cất quay máy cất chân khơng, thêm dung dịch muối 18 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - ISSN 1859-0209 NaHCO3 bão hòa, chiết tách CH2Cl2 Pha hữu thu hồi, làm khô Na2SO4, cô quay tách sắc ký cột (n-hexane/EtOAc: 6/4) thu 176 gam sản phẩm DEET Rf = 0.35 (hexane/EtOAc: 4/1) Phổ IR ν(cm-1): 2972-2875, 1627, 1289, 1217 Phổ 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm): 7.21-7.06 (m, 4H, ArH), 3.63-3.43 (m, 2H, NCH2), 3.47-3.18 (m, 4H, 2(NCH2)), 2.92 (s, 3H, ArCH3) 1.17-1.03 (m, 6H, 2(CH2CH3)); Phổ 13C NMR (125 MHz, CDCl3) δ (ppm): 171.5; 138.2; 123.1; 43.2; 39.1; 21.3; 14.2; 12.9 MS (EI, 70 eV) m/z: 190, 119, 91, 65 Kết thảo luận Đầu tiên, phương pháp tổng hợp hoạt chất DEET giai đoạn tiến hành nghiên cứu Phản ứng este hoá tiến hành axit 3-methylbenzoic với ethanol, sử dụng ethanol vừa tác nhân vừa dung môi phản ứng Sau đun hồi lưu với xúc tác axit H2SO4 đặc 13 giờ, este thu với hiệu suất 92% Sơ đồ Phản ứng este hoá axit 3-methylbenzoic với ethanol Tiếp theo, phản ứng este với diethylamine tạo thành hoạt chất DEET, sản phẩm phân lập sắc ký cột thu hiệu suất 78% Như vậy, với phương pháp giai đoạn, hiệu suất tổng cộng tạo thành sản phẩm DEET 71,8% Sơ đồ Phản ứng amit hoá amin este Phương pháp điều chế DEET giai đoạn trực tiếp từ axit 3-methylbenzoic với tác nhân clo hóa SOCl2 diethylamine dung mơi CH2Cl2 tiến hành thử nghiệm Chỉ sau thời gian 60 phút phản ứng, thu sản phẩm mong muốn DEET với hiệu suất 80% (Sơ đồ 3) Sơ đồ Điều chế hoạt chất DEET phương pháp giai đoạn 19 Journal of Science and Technique - ISSN 1859-0209 Kết thu cho thấy hai phương pháp có khả điều chế hợp chất DEET với quy mơ phịng thí nghiệm với hiệu suất tốt Tuy nhiên, phương pháp giai đoạn cần nhiều thời gian hơn, hiệu suất thấp phải thực phân lập tinh chế sản phẩm trung gian sản phẩm cuối hiệu khơng cao Vì vậy, khn khổ nghiên cứu, nhóm tác giả lựa chọn phương pháp để điều chế hoạt chất DEET tiếp tục nghiên cứu khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất để tìm điều kiện tối ưu tạo thành sản phẩm mong muốn Tác nhân clo hoá ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tạo thành sản phẩm hai tác nhân clo hoá SOCl2 (COCl)2 lựa chọn để khảo sát Phản ứng tiến hành dung môi CH2Cl2, nhiệt độ 25oC, thời gian phản ứng 60 phút với tỉ lệ mol axit : tác nhân clo hoá: amine 1:1:1 Kết thu cho thấy hai tác nhân hiệu cho phản ứng clo hoá, hiệu suất phản ứng tương ứng 80% 83% Tuy nhiên, tác nhân (ClO)2 tạo khí CO độc tác nhân khó bảo quản dễ bị phân huỷ điều kiện thường Mặt khác, SOCl2 với giá thành rẻ hơn, dễ mua bảo quản nhiệt độ phịng nên hiệu sử dụng Vì vậy, tác nhận clo hóa SOCl2 lựa chọn sử dụng để nghiên cứu Qua khảo sát, nhận thấy dung môi ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tạo thành sản phẩm DEET Phản ứng tiến hành điều kiện tỉ lệ số mol axit 3-metylbenzoic, SOCl2 diethylamine 1:1:1, thời gian 60 phút nhiệt độ 25oC dung môi khác thu kết bảng Bảng Kết ảnh hưởng dung môi đến hiệu suất tạo thành DEET Dung môi THF C2H5OH EtOAc CH3OH Aceton CH2Cl2 Hiệu suất 74% 65% 72% 61% 76% 80% Đối với dung môi phân cực ethanol, methanol hiệu suất tạo thành sản phẩm đạt trung bình 61-65% Điều giải thích q trình solvat hố dung môi với chất phản ứng mạnh làm giảm khả công tác nhân phản ứng Hơn nữa, dung mơi có khả phản ứng với SOCl 2, làm giảm nồng độ tác nhân clo hoá nên sử dụng dung môi hiệu suất tạo thành sản phẩm không cao Ngược lại, dung môi không phân cực như: THF, ethyl axetat, axeton, CH2Cl2 phản ứng xảy thuận lợi hơn, hiệu suất tạo thành sản phẩm 70% (72-80%) đạt hiệu suất cao 80% dung mơi CH2Cl2 Do đó, dung mơi CH2Cl2 lựa chọn để tiếp tục tiến hành nghiên cứu cho phản ứng điều chế DEET Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn, trực tiếp đến hiệu suất phản ứng Phản ứng tiến hành điều kiện: tỉ lệ số mol axit 3-methylbenzoic, SOCl2 diethylamine 1:1:1 dung môi CH2Cl2, thời gian 60 phút nhiệt độ khác thu kết bảng 20 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - ISSN 1859-0209 Bảng Kết ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất tạo thành DEET Nhiệt độ 0oC 25oC 50oC 75oC 100oC Hiệu suất 35% 80% 88% 84% 55% Hiệu suất thu sản phẩm DEET nhiệt độ 0oC, 25oC, 50oC, 70oC 100oC 35%, 80%, 88%, 84% 55% Từ nhiệt độ 0oC hiệu suất phản ứng tạo thành DEET tăng dần đến cực đại 50oC đạt 88% Sau tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng thấy hiệu suất khơng khơng tăng mà cịn giảm hợp chất DEET không bền nhiệt độ cao, dễ bị phân huỷ Như vậy, điều kiện tốt cho phản ứng tỉ lệ số mol axit 3-metyl benzoic diethyl amin 1:1 dung môi CH2Cl2, thời gian 60 phút nhiệt độ 50oC Khảo sát thời gian phản ứng chất tham gia phản ứng có tỉ lệ số mol axit 3-methylbenzoic, SOCl2 diethylamine 1:1:1 dung môi CH2Cl2, nhiệt độ phản ứng 50oC theo thời gian phản ứng 30 phút, 60 phút, 120 phút 180 phút Kết thu bảng Bảng Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến hiệu suất tạo thành DEET Thời gian 30 phút 60 phút 120 phút 180 phút Hiệu suất 60% 88% 92% 85% Nhận thấy, ban đầu tăng dần thời gian phản ứng hiệu suất phản ứng tăng đáng kể tăng cực đại đạt 92% thực phản ứng thời gian 120 phút Tuy nhiên, kéo dài thời gian phản ứng, hiệu suất tạo thành hoạt chất DEET giảm sản phẩm tạo thành bị phân huỷ điều kiện phản ứng Như vậy, điều kiện tối ưu thực phản ứng là: tỉ lệ số mol axit 3-methylbenzoic, SOCl2 diethylamine 1:1:1, thời gian phản ứng 120 phút 50oC, dung môi CH2Cl2 thu hoạt chất DEET với hiệu suất cao đạt 92% Quy mô tổng hợp hoạt chất DEET tiếp tục nghiên cứu tăng lên Từ 408 gam axit ban đầu (3 mol) điều kiện tối ưu áp dụng, hoạt chất DEET thu 527 gam với hiệu suất đạt 92% Quy trình thí nghiệm tiến hành lặp lại lần cho kết ổn định với quy mô đạt 500 gam/mẻ hồn tồn tiếp tục nâng cao Phổ hồng ngoại hoạt chất DEET thể hình với pic đặc trưng sau: Vị trí pic 2972-2875 cm-1 ứng với dao động hoá trị liên kết C-H no (H liên kết với C lai hoá sp3), pic 1724 cm-1 ứng với dao động hoá trị liên kết C=O, pic 1627 cm-1 ứng với dao động hoá trị liên kết đôi C=C nhân thơm, pic 1217 cm-1 ứng với dao động hoá trị liên kết O=C-N, pic 1289 cm-1 ứng với dao động 21 Journal of Science and Technique - ISSN 1859-0209 hoá trị liên kết H2C-N Các vị trí pic phổ IR hồn tồn phù hợp với công thức cấu tạo hoạt chất DEET Các tín hiệu proton thu phổ 1H-NMR (Hình 1) sau: Các pic từ 7.21-7.06 ppm ứng với proton nhân thơm; pic chứa proton vị trí 3.46 3.18 ppm tương ứng với hai nhóm CH2 (của CH2-CH3) liên kết trực tiếp với N; nhóm proton 2.92 ppm tương ứng với nhóm CH3 gắn trực tiếp nhân thơm; proton pic 1.17 ppm 1.03 ppm ứng với hai nhóm CH3 (của CH2-CH3) Hình Phổ cộng hưởng từ 1H NMR hoạt chất DEET Hình Phổ cộng hưởng từ 13C NMR hoạt chất DEET 22 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - ISSN 1859-0209 Trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR hoạt chất (Hình 2) thu pic đặc trưng 171.5 ppm C nhóm C=O; nhóm pic 138.2-123.1 ppm ứng với C nhân thơm; pic 43.2 ppm 39.1 ppm ứng với hai nhóm CH2 (của CH2-CH3); pic 21.3 ppm ứng với C nhóm CH3 gắn trực tiếp nhân thơm pic 14.2 ppm 12.9 ppm ứng với hai nhóm CH3 (của CH2-CH3) Như vậy, phổ 1H-NMR 13C-NMR sản phẩm thu hoàn toàn phù hợp với cấu trúc hoạt chất DEET Phổ khối lượng hoạt chất DEET điều chế có pic đặc trưng m/z 190, 119, 91, 65 hoàn toàn phù hợp với mảnh phân tử [M-H] mảnh chứa nhân thơm hoạt chất DEET Hơn nữa, sắc ký đồ GC-MS có pic thời gian lưu 11,71 phút ứng với hoạt chất DEET Từ bảng số liệu tỉ lệ phần trăm pic có hoạt chất cho thấy sản phẩm thu có độ tinh khiết cao đạt 99% Như vậy, phương pháp phổ đại IR, NMR, GC-MS, chứng minh công thức sản phẩm đề tài điều chế hoàn toàn phù hợp với công thức dự kiến Hoạt chất DEET thu với độ tinh khiết sản phẩm 99% Kết luận Hoạt chất DEET nghiên cứu tổng hợp trực tiếp từ axit 3-methylbenzoic phương pháp giai đoạn khảo sát xác định điều kiện tối ưu khả nâng cao cơng suất quy trình phản ứng Tác nhân clo hoá SOCl2 cho thấy khả phù hợp cho phản ứng Với tỉ lệ mol axit 3-methylbenzoic : SOCl2 : diethylamine 1:1:1, thời gian phản ứng 120 phút 50oC, dung môi CH2Cl2 thu hoạt chất DEET với hiệu suất cao đạt 92% với quy mô công suất 500 g/mẻ với độ tinh khiết 99% Quy trình tổng hợp hoạt chất DEET có khả nâng cơng suất cao nghiên cứu ứng dụng làm sản phẩm chống muỗi côn trùng tiến hành giai đoạn Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] Sluydts, V., Durnez, L., Heng, S., Gryseels, C., Canier, L., Kim, S., Coosemans, M Efficacy of topical mosquito repellent (picaridin) plus long-lasting insecticidal nets versus long-lasting insecticidal nets alone for control of malaria: A cluster randomised controlled trial The Lancet Infectious Diseases, 16(10), 2016, pp 1169-1177 https://www.cdc.gov/zika/ prevention/ prevent-mosquito-bites.html Swale, D R., Sun, B., Tong, F., & Bloomquist, J R Neurotoxicity and Mode of Action of N, N-Diethyl-Meta-Toluamide (DEET) PLoS ONE, 9(8), 2014, e103713 23 Journal of Science and Technique - ISSN 1859-0209 [4] [5] [6] The Reregistration Eligibility Decision document (RED) for DEET was completed on April 13, 1998: Docket number EPA-HQ-OPP-2012-0162 Leggio, A., Belsito, E L., De Luca, G., Di Gioia, M L., Leotta, V., Romio, E., … Liguori, A., “One-pot synthesis of amides from carboxylic acids activated using thionyl chloride,” RSC Advances, 6(41), 2016, pp 34468-34475 Habeck, J C., Diop, L., & Dickman, M “Synthesis of N,N-Diethyl-3-methylbenzamide (DEET): Two Ways to the Same Goal,” Journal of Chemical Education, 87(5), 2010, pp 528-529 STUDY ON THE SYNTHESIS OF DIETHYLTOLUAMIDE AS INSECT REPELLENTS Abstract: Diethyltoluamide is evaluated as effective insect repellents with no side effects and recommended by the Centers for Disease Control and Prevention, to be used as insect repellents, especially mosquitoes, in Vietnam as well as in the world In this paper, we present a synthesis method including the optimal conditions to prepare the bioactive molecule diethyltoluamide from 3-methyl benzoic acid Using SOCl2 as a chlorinating agent, the procedure is simple, under mild reaction conditions, the desired diethyltoluamide is obtained in excellent yield up to 92% with the scale is over 500g/batch Keywords: Diethyltoluamide; axit 3-methyl benzoic; insect repellents Nhận bài: 15/12/2021; Hoàn thiện sau phản biện: 21/02/2022; Chấp nhận đăng: 14/04/2022 24