Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Tổng hợp para-menthane-3,8-diol từ tinh dầu bạch đàn chanh (Eucalyptus citriodora)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VŨ ĐỨC PHƯƠNG

TỔNG HỢP PARA-MENTHANE-3,8-DIOL TỪ

TINH DẦU BẠCH ĐÀN CHANH (Eucalyptus citriodora)

THE SYNTHESIS OF PARA-MENTHANE-3,8-DIOL FROM

LEMON EUCALYPTUS ESSENTIAL OIL (Eucalyptus citriodora)

Chuyên ngành: Kỹ thuật hoá học Mã số: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Xuân Tiến

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lê Vũ Hà

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Mai Huỳnh Cang

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 26 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong (Chủ tịch hội đồng)

2 PGS TS Mai Huỳnh Cang (Phản biện 2) 3 TS Lê Vũ Hà (Phản biện 1)

4 TS Tống Thanh Danh (Uỷ viên) 5 TS Nguyễn Đăng Khoa (Thư ký)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ tên học viên: VŨ ĐỨC PHƯƠNG MSHV: 2170996

Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1999 Nơi sinh: Long An

I TÊN ĐỀ TÀI:

- Bằng tiếng Việt: Tổng hợp para-menthane-3,8-diol (PMD) từ tinh dầu Bạch đàn

chanh (Eucalyptus citriodora)

- Bằng tiếng Anh: The synthesis of para-menthane-3,8-diol from Lemon Eucalyptus

essential oil (Eucalyptus citriodora)

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Khảo sát phản ứng tổng hợp para-menthane-3,8-diol từ citronellal tinh khiết (96%) và

tinh dầu bạch đàn chanh

- Phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu và sản phẩm tổng hợp - Thử nghiệm kích ứng da và độc tính cấp đường uống cho dầu citriodiol

- Nâng cao năng suất phản ứng từ 20 g lên 200 g nguyên liệu tinh dầu bạch đàn chanh

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2023

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 24/12/2023 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lê Xuân Tiến

TP.HCM, ngày 26 tháng 1 năm 2024

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là Khoa Kỹ thuật Hóa học – Bộ môn Kỹ thuật Hữu cơ đã hỗ trợ, tạo mọi điều kiện tốt nhất có thể để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Em xin cảm ơn quý thầy cô đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong suốt chặng đường 4 năm đại học và 2 năm thạc sĩ, đây sẽ là hành trang quý báu giúp em vững bước hơn trên chặng đường sắp tới

Em xin gửi lời cảm ơn đến và thầy Lê Xuân Tiến đã quan tâm, hướng dẫn sâu sắc và tận tình chỉ bảo cho em ngay từ những ngày đầu thực hiện đồ án Những góp ý thẳng thắn từ thầy đã giúp em nhìn nhận trực diện vào lỗi sai của mình và hoàn thiện bản thân hơn rất nhiều Em cũng xin cảm ơn thầy Tống Thanh Danh dẫ hỗ trợ rất nhiều để em có thể hoàn thành được bài viết luận văn này

Em cảm ơn người em Nguyễn Đình Khải, một người em chăm chỉ và là người cộng sự đáng quý đã đồng hành cùng anh trong một quãng thời gian làm luận văn Được đồng hành cùng em đã giúp anh học thêm được nhiều điều

Em cảm ơn tất cả những người bạn trong team Tiền Lẻ từ K18, K19 đến K20 Mọi người đã cùng đồng hành, hỗ trợ, giúp đỡ và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em cảm ơn chị Thanh – Viện khoa học kỹ thuật cao của trường Đại học Nguyễn Tất Thành đã hỗ trợ tạo điều kiện cho em thực hiện phân tích sắc ký GC-MS phục vụ cho luận văn này

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình đã luôn là chỗ dựa cho con Cảm ơn Byy, người bạn thân yêu đã luôn lắng nghe những lời tâm sự mỗi khi stress cho tui Và gửi lời cảm ơn đến những người thân yêu đã luôn ở bên cạnh, ủng hộ, động viên, là điểm tựa tinh thần to lớn để em/con/tui có thể nỗ lực hoàn thành tốt đồ án này

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023 Vũ Đức Phương

ABSTRACT

Para-menthane-3,8-diol (PMD) and PMD oil (also known as citriodiol oil) are moist mosquito repellents of great interest thanks to their high effectiveness and safety This study synthesized PMD from citronellal and Eucalyptus citriodora essential oil using the Prins mechanism The method of alternating each variation is applied to investigate reasonable reaction conditions and the influence of factors on the synthesis process The investigated factors are the two-phase ratio (sulfuric acid/citronellal solution), sulfuric acid concentration, temperature, and reaction time The influence of the factor will be evaluated based on the extent of citronellal metabolism and the obtained PMD efficiency The result obtained is a set of valid conditions for the best PMD synthesis results: W/O ratio 2/1, sulfuric acid concentration 0.75%, reaction temperature 60 °C, reaction time 6 o'clock There, the citronellal conversion rate reached 98.5%, and the PMD efficiency reached 95.6% With these suitable conditions, the study was conducted to synthesize PMD from Lemon Eucalyptus essential oil with an unchanged input amount of 20 g The product was then tested for potential irritation and oral toxicity Finally, the reaction system is changed to increase the yield from 20 to 200g of raw Eucalyptus essential oil The result was that citriodiol oil with PMD used 59.5% of essential oil ingredients, with an efficiency of 91.5% Research results show that the synthesis of PMD in essential oils is practical, and the resulting product is safe to use as a raw material for preparations used directly on the skin

CAM KẾT CỦA TÁC GIẢ

Luận văn này được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM và tôi xin cam đoan đây là công trình có tính nguyên gốc Dưới sự hướng dẫn của TS Lê Xuân Tiến, các kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ nguồn nào dưới mọi hình thức Luận văn này chưa được gửi cho bất kỳ giải thưởng nào khác tại bất kỳ trường đại học nào khác

Tác giả luận văn

Vũ Đức Phương

1.2 Muỗi và sự ảnh hưởng đến con người 7

1.2.1 Giới thiệu về muỗi 7

1.2.2 Các yếu tố thu hút muỗi 8

1.2.3 Sự nguy hiểm của muỗi và các biện pháp phòng tránh muỗi 9

1.3 Chất xua đuổi muỗi 10

1.3.1 Chất xua đuổi muỗi tổng hợp 10

1.3.2 Chất xua đuổi muỗi tự nhiên 13

1.3.3 Chất xua đuổi muỗi bán tổng hợp 15

1.4 Các nghiên cứu về tổng hợp PMD 20

1.4.1 Cơ chế của quá trình tổng hợp PMD 20

1.4.2 Tổng hợp từ citronellal tinh khiết 23

1.4.3 Tổng hợp PMD từ tinh dầu Bạch đàn chanh 26

1.5 Mục tiêu nghiên cứu 27

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 29

2.1 Hóa chất và thiết bị 29

2.1.1 Hóa chất 29

2.1.2 Chuẩn bị nguyên liệu 29

2.1.3 Thiết bị 29

2.2 Nội dung thực hiện nghiên cứu 30

2.2.1 Tổng hợp PMD từ nguyên liệu citronellal 30

2.2.2 Thử nghiệm kích ứng da 35

2.2.3 Thử nghiệm độc tính cấp đường uống 37

2.2.4 Tổng hợp PMD từ nguyên liệu tinh dầu Bạch đàn chanh 37

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 39

3.1 Tổng hợp PMD từ citronellal tinh khiết 39

3.1.1 Khẳng định cấu trúc 39

3.1.2 Phân tích sắc ký đồ và nhận diện hợp chất 44

3.1.3 Kết quả khảo sát phản ứng tổng hợp PMD 48

3.2 Tổng hợp PMD từ tinh dầu Bạch đàn chanh 55

3.2.1 Phân tích thành phần tinh dầu 55

3.2.2 Tổng hợp PMD 57

3.3 Thử nghiệm kích ứng da 59

3.4 Thử nghiệm độc tính cấp đường uống 61

3.4.1 Giai đoạn sơ khởi 61

3.4.2 Giai đoạn xác định 62

3.5 Nâng cao quy mô phản ứng tổng hợp PMD từ tinh dầu 63

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 75

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hình dáng thân và cành cây bạch đàn chanh tại Nigeria [11] 3

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của DEET (a) và Soffell (b) 11

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của picaridin 12

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của IR3535 12

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của (R)-(+)-citronellal (trái), (S)-(-)-citronellal (phải) 14

Hình 1.6 Các đồng phân lập thể của PMD 16

Hình 1.7 Sự tương đồng về cấu trúc giữa Menthol, 𝛼-Terpineol và PMD 17

Hình 1.8 Một số sản phẩm xua đuổi côn trùng có chứa Citriodiol 19

Hình 1.9 Cơ chế phản ứng Prins [112] 21

Hình 1.10 Các sản phẩm hình thành từ quá trình tổng hợp PMD 21

Hình 1.11 Cơ chế hình thành PMD và isopulegol từ citronellal [111, 112] 22

Hình 1.12 Cơ chế hình thành PMD-acetal từ chất trung gian A và citronellal [112] 22

Hình 1.13 Cơ chế hình thành PMD-acetal từ PMD và citronellal [112] 23

Hình 2.1 Sơ đồ khối thể hiện quy trình tổng hợp PMD 30

Hình 2.2 Hệ thống phản ứng tổng hợp PMD sử dụng khuấy từ 31

Hình 2.3 Đường chuẩn citronellal 34

Hình 2.4 Đường chuẩn PMD 35

Hình 2.5 Hệ thống phản ứng tổng hợp PMD sử dụng cánh khuấy 38

Hình 3.1 Sắc ký đồ phân tích tinh thể PMD thu được sau kết tinh 40

Hình 3.2 Kí hiệu các carbon của PMD trong biện giải phổ 41

Hình 3.3 Trích phổ 1H-NMR của các proton ở nhóm -OH và carbon vị trí 1, 4, 9, 10 42

Hình 3.4 Phân tích GC-MS sản phẩm dầu của thí nghiệm tổng hợp đầu tiên 44

Hình 3.5 Các đồng phân PMD được tổng hợp từ (±)-citronellal 45

Hình 3.6 Cơ chế hình thành PMD và isopulegol từ citronellal (trên) và các nhóm chức của chất trung gian A (dưới) [111, 112] 46

Hình 3.7 Các đồng phân isopulegol tổng hợp từ (±)-citronellal 47

Hình 3.8 Các đồng phân PMD-acetal tổng hợp từ (±)-citronellal 48

Hình 3.9 Cơ chế hình thành PMD và các sản phẩm phụ [111] 49

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ W/O đến hiệu suất và độ chuyển hóa 50

Hình 3.11 Ảnh hưởng của nồng độ sulfuric acid đến hiệu suất và độ chuyển hóa 51

Hình 3.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất và độ chuyển hóa 52

Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hàm lượng đồng phân cis và trans 53 Hình 3.14 Sự chuyển hóa qua lại giữa cis-PMD (cb) và trans-PMD (tb) [123] 54

Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất và độ chuyển hóa 55

Hình 3.16 Da thỏ sau khi tiếp xúc với NaCl (a), và choloroform (b) 59

Hình 3.17 Da thỏ sau khi tiếp xúc với mẫu dầu PMD 50% 60

Hình 3.18 Da thỏ sau khi tiếp xúc với mẫu dầu PMD 100% 60

Bảng 2.1 Hóa chất dùng trong thí nghiệm 29

Bảng 2.2 Các giá trị khảo sát của từng yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp 32

Bảng 2.3 Mức độ phản ứng trên da thỏ 36

Bảng 2.4 Phân loại các phản ứng trên da thỏ 37

Bảng 3.1 Đối chiếu dữ liệu phổ NMR trong nghiên cứu này với các nghiên cứu khác 42

Bảng 3.2 Thành phần hóa học của tinh dầu Bạch đàn chanh thô 56

Bảng 3.3 So sánh kết quả tổng hợp PMD từ citronellal và từ tinh dầu Bạch đàn chanh ở cùng điều kiện 57

Bảng 3.4 So sánh thành phần hóa học của tinh dầu thô với các sản phẩm tổng hợp 58

Bảng 3.5 Kết quả các thí nghiệm của giai đoạn sơ khởi 61

Bảng 3.6 Kết quả các thí nghiệm của giai đoạn xác định 62

Bảng 3.7 So sánh kết quả tổng hợp PMD từ 20 g và từ 200 g tinh dầu 63

Bảng 3.8 So sánh thành phần hóa học của tinh dầu tinh chế ở hai quy mô tổng hợp 63

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

EPA: Cơ quan Bảo vệ môi trường

CDC: Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa dịch bệnh SXHD: Sốt xuất huyết Dengue

DEET: N,N-diethyl-meta-toluamide PMD: para-menthane-3,8-diol

LD50: Liều gây chết 50% số lượng cá thể LD0: Liều gây chết 0% số lượng cá thể LD100: Liều gây chết 100% số lượng cá thể MS: Khối phổ

NMR: Cộng hưởng từ hạt nhân GC-MS: Sắc ký khí ghép khối phổ

NIST: Viện tiêu chuẩn và kỹ thuật Hoa Kỳ kl/kl: Nồng độ khối lượng/khối lượng CDCl3: Chloroform-d

W/O: pha nước/pha dầu

LỜI MỞ ĐẦU

Bạch đàn chanh (tên khoa học: Eucalyptus citriodora Hook.) là loài cây đặc hữu của

vùng Queensland, Australia, họ Myrtaceae ở Việt Nam, loài bạch đàn này được hội nhập vào những năm 1950 và được trồng với quy mô nhỏ trong cả nước kéo dài từ Vĩnh Phúc, Quảng Ninh (miền Bắc) đến Long An (miền Nam) [1] Bạch đàn chanh là một loại cây cho gỗ có giá trị, có thể sử dụng cho hầu hết mọi mục đích như làm chất đốt, làm nguyên liệu để sản xuất giấy, gỗ để xây dựng Ở Việt Nam, do khả năng phát triển của bạch đàn chanh rất nhanh trên các loại đất nên chúng được trồng ở những vùng trung du, đồi núi để phủ xanh đồi trọc, giữ nước, … [2] Mùi thơm đặc trưng của bạch đàn chanh có tác dụng xua đuổi muỗi, do đó được trồng ở những vùng đầm lầy ẩm thấp để cải tạo môi sinh, làm giảm tỉ lệ bệnh sốt rét [2, 3] Khả năng xua đuổi muỗi này có được

là nhờ vào tinh dầu có trong lá cây với hai hoạt chất chính là citronellal và

para-menthane-3,8-diol (PMD)

Citronellal là thành phần chính trong tinh dầu Bạch đàn chanh Citronellal đã được chứng minh có khả năng xua đuổi muỗi, tuy nhiên lại có thời gian hiệu lực thấp [3] Ngược lại, PMD tuy chiếm hàm lượng rất nhỏ trong tinh dầu (dưới 4%), nhưng lại có hiệu quả xua đuổi cao cũng như thời gian hiệu lực lâu dài Đồng thời, PMD đã được chứng minh là một hoạt chất có độc tính thấp và an toàn để sử dụng [4] Do đó, việc tổng hợp PMD đã thu hút được nhiều sự quan tâm

PMD được tổng hợp từ citronellal theo cơ chế phản ứng Prins trong môi trường nước với xúc tác acid [5] Đồng thời, trong tinh dầu Bạch đàn chanh có chứa nhiều citronellal, có thể coi là nguồn nguyên liệu phù hợp để tổng hợp nên PMD [6] Tuy nhiên, các nghiên cứu tổng hợp PMD từ tinh dầu Bạch đàn chanh không nhiều và còn một số nhược điểm làm giảm khả năng ứng dụng vào thực tiễn

Chính vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu này là khảo sát quá trình tổng hợp PMD từ citronellal và tinh dầu Bạch đàn chanh sau đó nâng cao quy mô tổng hợp Nghiên cứu này chủ động tận dụng được nguồn nguyên liệu tinh dầu Bạch đàn chanh trong nước để tạo sản phẩm có thể ứng dụng làm hoạt chất xua đuổi muỗi Ngoài ra, thử nghiệm độc tính cấp đường uống và kích ứng da đã được thực hiện nhằm đảm bảo tính an toàn của sản phẩm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về cây bạch đàn chanh (Eucalyptus citriodora Hook.)

1.1.1 Đặc điểm thực vật

Bạch đàn chanh (tên khoa học: Eucalyptus citriodora Hook.) là loài cây đặc hữu của

vùng Queensland, Australia, họ Myrtaceae Loài cây này có thể được tìm thấy ở nhiều nơi trên thế giới, bao gồm các nước nhiệt đới và cận nhiệt đới [7] Ở Việt Nam, loài bạch đàn này đã được nhập vào từ những năm 1950 và được trồng với quy mô vừa và nhỏ trong cả nước kéo dài từ Vĩnh Phúc, Quảng Ninh (miền Bắc) đến Long An (miền Nam) [1]

Bạch đàn chanh là loài cây đại mộc thuộc họ Bạch đàn Cây thường đạt chiều cao từ 24 đến 40 mét, thân cao và thẳng, có vỏ nhẵn và xám, đường kính thân khoảng 0,6 đến 1,3

mét (Hình 1.1) Lá già mọc so le phiến lá hình liềm hẹp và dài hơn lá non, nụ hoa màu

trắng được quan sát thấy trong một nhóm từ 3 đến 5 chiếc [8, 9] Loài cây này dễ dàng thích nghi với môi trường mới, chịu đựng hạn hán mạnh mẽ, thích hợp trồng ở vùng thấp và có thể phát triển ở các khu vực mưa cả mùa hè và mùa đông Loài cây này thường được trồng ở bờ ao, biển để lấy bóng mát và giữ đất Một số khu vực trồng rừng thương mại ở các vùng mưa nhiệt đới, chẳng hạn như Châu Phi, Châu Á (Trung Quốc, Ấn Độ, Sri Lanka), Nam Mỹ (Brazil) [10]

Bạch đàn chanh là một loại cây cho gỗ có giá trị, có thể sử dụng cho hầu hết mọi mục đích như làm chất đốt, làm nguyên liệu để sản xuất giấy, gỗ để xây dựng Ở Việt Nam, do khả năng phát triển của bạch đàn chanh rất nhanh trên các loại đất nên chúng được trồng ở những vùng trung du, đồi núi để phủ xanh đồi trọc, giữ nước, … [2] Mùi thơm đặc trưng của bạch đàn chanh có tác dụng xua đuổi muỗi, do đó được trồng ở những vùng đầm lầy ẩm thấp để cải tạo môi sinh, làm giảm tỉ lệ bệnh sốt rét [2, 3]

Hình 1.1 Hình dáng thân và cành cây bạch đàn chanh tại Nigeria [11]

Tinh dầu là thành phần mang lại hoạt tính sinh học cho cây bạch đàn chanh Lá của cây bạch đàn chanh được dùng để sản xuất tinh dầu có màu vàng nhạt hoặc vàng nâu nhạt với hương vị cam quýt tươi [8] Bạch đàn chanh cung cấp tinh dầu với năng suất khá cao, có giá trị xuất khẩu [12, 13] Qua các khảo sát trước đây của các tác giả trên thế giới, tinh dầu bạch đàn chanh tuy cùng một loại cây nhưng nồng độ và thành phần hóa học lại khác nhau tùy vào thời điểm khảo sát và nguồn gốc địa lý

Bảng 1.1 Thành phần tinh dầu từ lá cây bạch đàn chanh được chưng tại Algeria [14]

Oxygenated Monoterpenes Monoterpene Hydrocarbons

cis-Rose oxide 0,27 𝛽-Pinene 0,43

trans-Rose oxide 0,13 Limonene 0,25 Isopulegol 4,66 Sesquiterpene Hydrocarbons

Isopulegyl acetate 0,16 Caryophyllene oxide 0,22

chất, chiếm 95,27% tổng lượng tinh dầu đã được xác định, Kết quả Bảng 1.1 cho thấy,

tinh dầu bao gồm các nhóm thành phần như là oxygenated monoterpenes (91,8%), monoterpene hydrocarbons (0,76%), oxygenated sesquiterpenes (0,29%), sesquiterpene hydrocarbons (1,51%) và các hoạt chất không phải terpenoid khác (0,91%) Trong đó, các hoạt chất chiếm phần lớn bao gồm citronellal (69,77%), citronellol (10,63%), isopulegol (4,66%), PMD (2,76%) và citronellyl acetate (2,16%) Các thành phần còn lại hiện diện với nồng độ rất nhỏ (dưới 2%)

Bảng 1.2 So sánh thành phần tinh dầu từ lá cây Bạch đàn chanh ở các nơi khác nhau

PMD 2,87 0,35 - 0,08

Thành phần hóa học của tinh dầu chiết xuất từ lá cây Bạch đàn chanh ở một số nơi trên

thế giới có sự khác biệt giữa các nghiên cứu đã công bố trước đó (Bảng 1.2) Citronellal

là thành phần chính có trong tinh dầu với nồng độ có thể lên đến 84% và một lượng citronellol đáng kể (1,9 - 12,6%) Hai nhóm tạp chất khác là citronellyl acetate và isopulegol có nồng độ dao động từ 0,7 - 8,2% Ngoài ra, một nồng độ nhỏ PMD cũng đã được xác định (0,1 - 2,9%)

Hàm lượng citronellal trong tinh dầu Bạch đàn chanh ở Việt Nam cũng có sự khác nhau trong các công bố Nhóm tác giả Trần Minh Hợi ghi nhận nồng độ citronellal có trong tinh dầu là 78,2% [18], đối với nhóm tác giả Hồ Dũng Mạnh thì ghi nhận nồng độ citronellal là 78,6% trong tinh dầu được chưng cất từ cây Bạch đàn chanh ở Long An [19] Một nghiên cứu khác của nhóm tác giả Trần Thị Như Trang cho thấy trong tinh dầu lá cây Bạch đàn chanh ở Việt Nam có chứa 62% citronellal, với tỷ lệ giữa đồng

phân (R)-(+)-citronellal và đồng phân (S)-(-)-citronellal là 56,7/43,3 [20]

Hoạt tính sinh học của tinh dầu phụ thuộc vào thành phần hóa học (có thể thay đổi đáng kể, ngay cả trong cùng một loài) và sự tương tác giữa các thành phần cấu trúc của các thành phần hóa học Nhiều nghiên cứu cho thấy tinh dầu Bạch đàn chanh có các hoạt tính sinh học bao gồm hoạt tính kháng oxy hóa [7], có tác dụng giảm đau và kháng viêm [17, 21, 22], có khả năng ức chế sự phát triển của một số vi khuẩn Gram âm và Gram

dương như Salmonella typhi, Bacllus subtilis và Pseudomonas aeruginosa [15] Nhờ

những hoạt tính sinh học này, tinh dầu Bạch đàn chanh được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điều trị y học, nước hoa và xà phòng [23], có thể chữa lành các bệnh nhiễm trùng bên trong và bên ngoài, chẳng hạn như thông mũi hay hen suyễn [8] Qua một số nghiên cứu cho thấy các thành phần monoterpene, sesquiterpene trong tinh dầu Bạch đàn chanh có tác dụng xua đuổi côn trùng và muỗi Tế bào thần kinh thụ cảm với chất tạo mùi trong râu của muỗi được kích hoạt bởi linalool và 1,8-cineole [24]

ruồi giấm (Drosophila spp.) [25] Các hoạt chất này hầu hết đều dễ độ bay hơi nên chỉ

có hiệu quả xua đuổi muỗi trong khoảng thời gian ngắn Ngoài các thành phần này, trong tinh dầu Bạch đàn chanh còn chứa một thành phần khác có hoạt tính cao hơn đã được các nhà nghiên cứu quan tâm chú ý Thành phần đó chính là PMD, là một monoterpene có độ bay hơi thấp hơn các monoterpene dễ bay hơi khác được tìm thấy trong hầu hết các loại tinh dầu [26]

Với sự có mặt của các hoạt chất trên đã làm tăng giá trị của tinh dầu Bạch đàn chanh nói chung cũng như tinh dầu thực vật nói riêng Do vậy, việc phát triển các sản phẩm xua đuổi muỗi và côn trùng dựa trên cơ chế cảm nhận mùi bằng các loại tinh dầu là một hướng đi đầy tiềm năng cần được phát triển

1.1.2 Citronellal

Citronellal (3,7-dimethyl-6-octenal) là một hợp chất monoterpene, chủ yếu được hình thành bởi sự trao đổi chất thứ cấp của thực vật và là một chất lỏng không màu ở điều

kiện phòng Citronellal thường được phân lập thành hỗn hợp đồng phân đối quang

(R)-(+)- và (S)-(-)-citronellal (Hình 1.4) từ quá trình chưng cất hơi nước hoặc chiết xuất

bằng dung môi từ tinh dầu Java citronella, Backhousia citriodora, hoặc Eucalyptus citriodora với nồng độ tương ứng có thể lên tới 45, 80, 85% [27, 28] Ngoài ra,

citronellal còn được tìm thấy trong hơn 50 loại tinh dầu thực vật khác Cùng với citral, geranial, linalool, citronellol và citronellal là một trong những terpene quan trọng nhất.và được coi là tác chất xanh có thể thu được từ các nguồn tái tạo sinh học [29, 30] Citronellal cho một mùi sảng khoái gợi nhớ đến bạc hà và chanh tươi [27] Mặc dù ít được sử dụng trong hương thơm, nhưng citronellal được xem là nguồn tổng hợp ra các hoạt chất tạo mùi khác như ionones và methyl ionones với hương thơm của hoa [31] Với sự hiện diện của nhóm chức aldehyde -CHO và nối đôi -C=C-, citronellal có hoạt tính hóa học tương đối cao Hơn nữa, quá trình tổng hợp isopulegol, tinh dầu bạc hà, một số terpenoid và dược phẩm đòi hỏi citronellal như một nguyên liệu ban đầu hoặc một nguồn chiral [28, 31] Citronellal có thể được sử dụng ở một trong các dạng tinh

khiết quang học (R hoặc S, (+) hoặc (-)) để điều chế các sản phẩm với tính chọn lọc

quang học cao, đồng thời tránh các bước tách và tinh chế đắt tiền [28] Một số đặc tính

lý, hóa của citronellal được thể hiện trong Bảng 1.3

Với nồng độ citronellal khá cao, tinh dầu Bạch đàn chanh được xem là nguồn cung cấp dồi dào hợp chất này Nghiên cứu về sự chuyển hóa citronellal là một trong những giải pháp làm phong phú hơn các hướng phát triển thị trường đối với tinh dầu Bạch đàn chanh Sự kết hợp giữa sản xuất, nghiên cứu và kinh doanh sẽ tạo ra thế mạnh cho sự phát triển vững chắc của các sản phẩm chiết xuất và chuyển hóa từ tinh dầu này

Bảng 1.3 Một số đặc tính lý, hóa của citronellal [32]

1.2 Muỗi và sự ảnh hưởng đến con người 1.2.1 Giới thiệu về muỗi

Muỗi là tên gọi chung cho họ côn trùng Culicidae, thuộc bộ Diptera với khoảng trên 3500 loài khác nhau Chúng được tìm thấy gần như trên toàn thế giới trừ châu Nam Cực,

đặc biệt phổ biến ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới [33] Muỗi được biết đến nhiều về việc đốt và hút máu con người, tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ các loài muỗi trên Trái Đất thực hiện việc đó Đặc biệt có thể kể đến các chi được xem là vật chủ trung gian

truyền bệnh đến con người như Anophele (sốt rét, giun chỉ), Aedes (sốt vàng da, sốt xuất huyết Dengue- SXHD, chikungunya) và Culex (Tây sông Nile, viêm não Nhật Bản, giun

chỉ) [34]

Để phát triển và hoàn thành vòng đời, muỗi cần môi trường nước đọng Muỗi đã thích nghi trong môi trường sống dưới nước đa dạng, bao gồm cả nước ngọt; đầm lầy nước mặn; nước lợ; hoặc nước tìm thấy trong thùng chứa, lốp xe cũ hoặc hốc cây [33] Vòng đời của muỗi có bốn giai đoạn: Trứng, ấu trùng (còn gọi là lăng quăng), nhộng và trở thành muỗi trưởng thành Đầu tiên, muỗi cái đẻ trứng, lên tới vài trăm quả mỗi lần, trên

mặt nước hoặc ở khu vực ngập nước Trứng chưa nở của một số loài có thể chịu được khô hạn hàng tuần đến hàng tháng, vẫn tồn tại cho đến khi có điều kiện thích hợp để nở Trứng của hầu hết các loài muỗi nở thành ấu trùng sau 2 đến 3 ngày và dùng chất hữu cơ trong nước khoảng một tuần cho đến khi ấu trùng muỗi biến thành nhộng Nhộng sống trên mặt nước từ 2 đến 3 ngày trước khi biến thái thành muỗi trưởng thành [33, 34] Đối với muỗi trưởng thành, trong khi muỗi đực chủ yếu ăn mật hoa, thì muỗi cái cần phải hút máu để sản xuất trứng Chúng thường kiếm ăn 3 đến 4 ngày một lần; trong một lần hút máu, muỗi cái thường tiêu thụ lượng máu nhiều hơn trọng lượng của chính nó [35] Một số loài muỗi thích kiếm ăn vào lúc chạng vạng hoặc ban đêm; những loài khác lại cắn chủ yếu vào ban ngày Một số loài muỗi thích hút máu động vật và một số khác lại thích hút máu người Ở một số loài muỗi, việc chuyển đổi vật chủ theo mùa tạo cơ chế truyền bệnh từ động vật sang người [34]

1.2.2 Các yếu tố thu hút muỗi

Các yếu tố liên quan đến việc thu hút muỗi đến với vật chủ rất phức tạp và vẫn chưa được hiểu đầy đủ [36-40] Muỗi sử dụng các kích thích thị giác, nhiệt độ và khứu giác để xác định vị trí vật chủ Trong khi kích thích thị giác quan trọng đối với việc định hướng trong chuyến bay thì kích thích khứu giác trở nên quan trọng hơn khi muỗi đến gần vật chủ [41] Chính vì vậy, tín hiệu khứu giác có lẽ là quan trọng nhất trong việc xác định mục tiêu

Có khoảng 300 đến 400 hợp chất được cho là các sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất được giải phóng khỏi cơ thể Trong đó, có hơn 100 hợp chất dễ bay hơi có thể được phát hiện trong hơi thở của con người [37] Các hợp chất này có thể có mùi hoặc không đối với con người, và hiện tại chỉ một phần nhỏ được phân lập và mô tả đầy đủ Trong đó, carbon dioxide và axit lactic là hai chất thu hút muỗi được nghiên cứu nhiều nhất Carbon dioxide, được thải ra chủ yếu từ hơi thở nhưng cũng từ da, đóng vai trò là chất hấp dẫn trong không khí tầm xa và có thể bị muỗi phát hiện ở khoảng cách lên tới 36 mét [42] Ngoài ra,muỗi có các cơ quan thụ cảm hóa học trên râu được kích thích bởi axit lactic [43]

Ở cự ly gần, nhiệt độ và độ ẩm của da cũng đóng vai trò hấp dẫn muỗi [37, 44] Các loài muỗi khác nhau có thể có sở thích đốt mạnh ở các bộ phận khác nhau trên cơ thể con người (như đầu hoặc chân), điều này có thể liên quan đến nhiệt độ da cục bộ và lượng

mồ hôi tiết ra từ tuyến mồ hôi [45] Những người thiếu nước cho thấy sức hấp dẫn đối với muỗi giảm rõ rệt [40] Các hợp chất dễ bay hơi khác, có nguồn gốc từ bã nhờn, mồ hôi eccrine và apocrine, hoặc hoạt động của vi khuẩn ở da đối với các chất tiết này, cũng có thể hoạt động như chất hấp dẫn hóa học [40, 46] Nghiên cứu cho thấy mùi của toàn bộ vật chủ hấp dẫn hơn so với chỉ riêng carbon dioxide và axit lactic [47] Đồng thời, hương hoa từ nước hoa, xà phòng, nước thơm và các sản phẩm chăm sóc tóc cũng có thể thu hút muỗi [48] Nhìn chung, sự hấp dẫn của những người khác nhau đối với cùng một loài muỗi hoặc khác nhau về cơ bản là khác nhau [44, 49] Người lớn có nhiều khả năng bị muỗi đốt hơn trẻ em [44, 50], mặc dù người lớn có thể trở nên kém hấp dẫn hơn đối với muỗi khi có tuổi [40] Đàn ông dễ bị cắn hơn phụ nữ [51] Những người to lớn có xu hướng thu hút nhiều muỗi hơn, điều này có lẽ do nhiệt độ hay lượng carbon dioxide thải ra tương đối lớn hơn [52]

1.2.3 Sự nguy hiểm của muỗi và các biện pháp phòng tránh muỗi

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), muỗi là nguồn bệnh nguy hiểm, lây nhiễm cho hơn một tỷ người và giết chết hàng triệu người mỗi năm [53] Muỗi là vật chủ trung gian truyền nhiều loại bệnh nguy hiểm như: sốt xuất huyết Dengue, sốt vi rút Tây sông Nile, sốt rét, sốt vàng da, sốt Rift Valley, sốt Chikungunya, viêm não Nhật Bản, vi rút viêm não ngựa và vi rút Zika, Trong đó, bệnh phổ biến nhất và có tỷ lệ mắc cao nhất là bệnh SXHD [54] Mỗi năm ước tính trên toàn thế giới có khoảng 390 triệu trường hợp nhiễm vi rút Dengue, trong số này có khoảng 500.000 trường hợp bệnh phát triển thành thể nặng và ước tính có trên 25.000 trường hợp tử vong [55] Bệnh sốt xuất huyết hiện đang lưu hành ở hơn 100 quốc gia trong các khu vực của WHO ở Châu Phi, Châu Mỹ, Đông Địa Trung Hải, Đông Nam Á và Tây Thái Bình Dương Đặc biệt, khu vực châu Á nói chung chiếm 70% số ca bệnh toàn cầu [56] Với Philippines, Malaysia, Việt Nam là những nước có tỷ lệ mắc SXHD cao nhất trong khu vực Đông Nam Á [57] Hiện tại, không có vắc xin hiệu quả chống lại những loại vi rút này, cũng như không có thuốc đặc trị để ức chế, điều trị bệnh

Giải phải để phòng tránh các bệnh trên theo khuyến nghị của WHO đầu tiên là tiêu diệt đồng thời ngăn chặn sự hình thành và phát triển của muỗi Các biện pháp cụ thể bao gồm phun xịt các chất diệt muỗi, hạn chế tối đa các ao tù nước đọng, phát quang bụi

sử dụng các loại thuốc tổng hợp đã gây ra nhiều tác động xấu đối với môi trường và sức khỏe của con người, và đồng thời làm xuất hiện ngày càng nhiều các quần thể muỗi kháng thuốc [58, 59] Ngoài ra, muỗi là một mắt xích quan trọng trong chuỗi thức ăn, việc tiêu diệt muỗi có thể làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái Chính vì vậy, xu hướng của thế giới là sử dụng các sản phẩm tự nhiên có hoạt tính đuổi và diệt côn trùng, đặc biệt là trong phòng xua đuổi muỗi đốt nhằm thay thế các chất hóa học Trong đó, tinh dầu chiết xuất từ thực vật với tác dụng xua đuổi muỗi, ít độc hại hơn đang được coi là một sự lựa chọn an toàn, hiệu quả, ngày càng được quan tâm

1.3 Chất xua đuổi muỗi

Hiện tại, các cơ chế thu hút muỗi vẫn chưa được xác định một cách cụ thể và rõ ràng [60] Tuy nhiên một số phương thức xua đuổi hiệu quả đã được đề xuất Trong đó, một phương thức nhận được nhiều sự chú ý là tạo ra hàng rào hơi bảo vệ để che giấu mùi của các chất dẫn dụ (như carbon dioxide và lactic acid được giải phóng trên da) [61, 62] Từ đó, tín hiệu hấp dẫn bị ức chế và làm cho hệ thống khứu giác của muỗi không hoạt động để ngăn chặn hành vi tìm kiếm vật chủ [63]

Để có hiệu quả, chất xua đuổi cần phải thể hiện mức độ bay hơi tối ưu, giúp duy trì nồng độ hơi hiệu quả trên bề mặt da mà không bay hơi quá nhanh làm giảm thời gian tác dụng Nhiều yếu tố đóng vai trò quyết định mức độ hiệu quả của bất kỳ loại thuốc chống côn trùng nào, bao gồm tần suất sử dụng, số lượng và loài sinh vật cố gắng cắn, sức hấp dẫn vốn có của người dùng đối với động vật chân đốt hút máu và mức độ hoạt động tổng thể của vật chủ tiềm năng [64] Sự mài mòn từ quần áo, sự bay hơi và hấp thụ từ bề mặt da, mồ hôi hoặc mưa, nhiệt độ cao hơn hoặc môi trường nhiều gió đều làm giảm hiệu quả xua đuổi [65-67] Ví dụ như mỗi lần tăng nhiệt độ thêm 10°C có thể làm giảm tới 50% thời gian bảo vệ khỏi muỗi đốt [66] Các loại thuốc chống côn trùng hiện có phải được bôi lên tất cả các vùng da hở, vùng da không được bảo vệ cách vùng được bôi vài cm có thể bị muỗi đói tấn công [64, 67]

1.3.1 Chất xua đuổi muỗi tổng hợp

Cho đến nay, đã có rất nhiều chất được chứng minh là có tác dụng xua đuổi muỗi hiệu quả Nhưng hiện tại, chỉ có một vài chất xua đuổi muỗi tổng hợp được Cơ quan Bảo vệ

môi trường của Mỹ (EPA) công nhận là có hoạt tính và được phép sử dụng cho người bao gồm DEET, picaridin, 2-undecanone, ethyl butylacetylaminopropionat (IR3535)

❖ DEET (N,N-diethyl-meta-toluamide)

N,N-diethyl-meta-toluamide hay N,Ndiethyl-3-ethylbenzamide có tên thường dùng là

DEET được các nhà khoa học tại Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ phát hiện và phát triển và được Quân đội Hoa Kỳ cấp bằng sáng chế vào năm 1946 Sau đó nó được công chúng đăng ký sử dụng vào năm 1957 [64, 68] Đây là một chất xua đuổi được sử dụng rộng rãi và đồng thời được xem như tiêu chuẩn vàng để so sánh hoạt tính xua đuổi muỗi với các hoạt chất khác DEET được dùng để xua đuổi các loại côn trùng như là muỗi, ve, bọ chét và các loại ký sinh khác [4], phổ biến với nhiều loại sản phẩm được sử dụng lên da người dưới dạng bào chế, bao gồm bình xịt, gel hay kem dưỡng da Tại Việt Nam, một sản phẩm xua đuổi muỗi phổ biến và được nhiều người biết tới là Soffell cũng sử dụng

DEET (13% w/v) làm hoạt chất chính (Hình 1.2)

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của DEET (a) và Soffell (b)

Tuy nhiên, gần đây DEET được coi là một yếu tố gây bệnh nhiễm độc thần kinh do sự hấp thụ lớn của hóa chất này qua da khi sử dụng liên tục [69] Đã có rất nhiều nghiên cứu về mối liên hệ giữa việc sử dụng quá mức chất xua đuổi muỗi có chứa hoạt chất DEET với tác dụng phụ lên hệ thần kinh Cuộc khảo sát đối với các nhân viên ở công viên Quốc gia Everglades, Florida cho thấy rằng những người thường xuyên sử dụng sản phẩm này sẽ có tỷ lệ mắc chứng buồn ngủ, mất phương hướng cao hơn, khó tập trung và làm cho da phát ban hơn những người không sử dụng [70] Theo nghiên cứu

kích ứng mắt và gây nguy cơ co giật, mất ngủ, suy giảm nhận thức, tâm trạng không ổn định, tổn thương tế bào thần kinh [71] Đặc biệt, những hậu quả này dễ xảy ra hơn đối với trẻ em, do có làn da rất nhạy cảm, hệ thần kinh và não bộ đang trong quá trình phát triển nên dễ hấp thu và ảnh hưởng bởi DEET [72, 73]

❖ Picaridin [2-(2-hydroxyethyl)-1-piperidinecarboxylic acid 1-methylpropyl ester]

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của picaridin

Picaridin là chất xua đuổi côn trùng được phát triển dựa trên phân tử piperidine - hợp

chất được tìm thấy trong cây hồ tiêu và có mặt trên thị trường kể từ năm 2005 (Hình 1.3) [74] Sản phẩm có chứa hoạt chất này rất hiệu quả trong việc xua đuổi lại nhiều loài

muỗi, có thể tương đương với DEET và sản phẩm hầu như không có mùi hóa học Picaridin có thể xua đuổi ruồi, bọ chét, muỗi và bọ ve dưới dạng kem dưỡng da, thuốc xịt và khăn lau với nồng độ dao động từ 7 - 20% [75] Một nghiên cứu được thực hiện ở Australia cho thấy các sản phẩm có chứa 19,2% picaridin sẽ cung cấp khả năng bảo

vệ tương tự như sản phẩm có chứa 20% DEET khỏi loài muỗi Verrallina lineata sống

trong rừng nhiệt đới Ở nồng độ 10%, picaridin có hiệu lực xua đuổi muỗi từ 2 - 5 tiếng, khi tăng lên 20%, hiệu lực tăng lên đáng kể lên 6 - 10 tiếng [76] Khi nghiên cứu về độc tính của picaridin lên hệ thần kinh, các nhà khoa học nhận thấy rằng so với DEET, picaridin ít gây độc hơn, ghi nhận nếu dùng liều lượng quá cao ở động vật thì sẽ gây ra tổn thương cho gan và thận, gây viêm da ở người [77, 78]

❖ IR3535 (ethyl butylacetylaminopropionat)

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của IR3535

IR3535 (Hình 1.4) là một hoạt chất được dùng để ngăn ngừa muỗi đốt, bọ ve và các loại

côn trùng cắn và đốt khác, hiệu quả bảo vệ có thể tương đương với DEET [4, 79] Ở

nồng độ 20%, IR3535 cung cấp khả năng bảo vệ hoàn toàn xua đuổi lại muỗi Aedes và Culex (hiệu lực trong khoảng 7 - 10 tiếng), nhưng đối với loài muỗi Anopheles thì lại

cho hiệu quả ít hơn (hiệu lực chỉ còn khoảng 3,8 tiếng), điều này ảnh hưởng đến ứng dụng của sản phẩm trong các khu vực lưu hành dịch bệnh sốt rét [80] Trong các nghiên cứu về độc tính cấp tính, khi so sánh với DEET, IR3535 được phát hiện có mức độ độc tính thấp hơn khi tiếp xúc qua đường miệng, da trong cuộc thử nghiệm ở chuột và ít gây kích ứng hơn cho độc vật có vú [72] IR3535 có thể thấm qua da, hòa tan các đồ đựng Tuy nhiên, hoạt chất này không gây hại cho môi trường nước và không tích lũy trong môi trường [81]

1.3.2 Chất xua đuổi muỗi tự nhiên

Xu hướng tiêu dùng cũng như sự quan tâm của các nhà nghiên cứu ngày càng tập trung vào các sản phẩm từ tự nhiên và chất xua đuổi muỗi cũng không nằm ngoài xu thế đó Hàng nghìn loài thực vật đã được thử nghiệm làm nguồn thuốc chống côn trùng tiềm năng [68, 82, 83] Tuy nhiên, cho đến nay, không có hóa chất có nguồn gốc từ thực vật nào được thử nghiệm chứng minh được tính hiệu quả và thời gian bảo vệ lâu dài khi so sánh với DEET Mặc dù vậy, một số ít hoạt chất cho thấy hoạt động xua đuổi muỗi tương đối hiệu quả Các loại thực vật có tinh dầu đã được báo cáo là có hoạt tính xua đuổi bao gồm sả, tuyết tùng, cỏ roi ngựa, hoa đồng tiền, phong lữ, hoa oải hương, thông, tràm, quế, hương thảo, húng quế, húng tây, tiêu, tỏi và bạc hà [68, 84-86] Không giống như thuốc chống côn trùng tổng hợp, thuốc chống côn trùng có nguồn gốc từ thực vật chủ yếu là các loại tinh dầu và chúng được nghiên cứu tương đối ít Khi được thử nghiệm, hầu hết các loại tinh dầu này đều có xu hướng bảo vệ trong thời gian ngắn, thường dưới 2 giờ

❖ Citronellal

Citronella (Hình 1.5) là thành phần hoạt chất phổ biến nhất được tìm thấy trong thuốc

chống côn trùng "tự nhiên" hoặc "thảo dược" được bán trên thị trường Hoa Kỳ Nó được đăng ký với EPA như một loại thuốc chống côn trùng Citronellal có nhiều trong tinh

dầu sả và ban đầu được chiết xuất từ cây Cymbopogon nardus [87]

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của (R)-(+)-citronellal (trái), (S)-(-)-citronellal (phải)

Các nghiên cứu cho thấy citronellal có thể là một chất xua đuổi hiệu quả nhưng nó mang lại thời gian bảo vệ hoàn toàn ngắn hơn so với các sản phẩm dựa trên DEET Việc bôi lại thuốc chống côn trùng thường xuyên có thể bù đắp một phần cho điều này Nhà sản xuất Natrapel (Tender Corp., Littleton, New Hampshire) có dữ liệu từ phòng thí nghiệm cho thấy rằng kem dưỡng da 10% của họ làm giảm 84% vết muỗi đốt trong thời gian thử nghiệm 4 phút Ngược lại, DEET 14% giảm khả năng cắn tới 96% trong cùng thời gian thử nghiệm Buzz Away (Quantum, Inc., Eugene, Oregon) với 5% dầu sả mang lại

thời gian bảo vệ trung bình là 1,9 giờ chống lại muỗi Aedes aegypti [88] Trong thử

nghiệm thực tế, Buzz Away Oil cung cấp khả năng chống thấm trung bình 88% trong thời gian tiếp xúc 2 giờ Nhìn chung, hiệu quả xua đuổi của Buzz Away cao nhất trong vòng 40 phút đầu tiên sau khi sử dụng và giảm dần trong thời gian còn lại của thời gian thử nghiệm [89]

❖ Permethrin

Pyrethrim là một loại thuốc trừ sâu mạnh, tác dụng nhanh, có nguồn gốc từ hoa được

nghiền nát và khô của hoa cúc Chrysanthemum cinerariifolium [90] Nó không xua đuổi

côn trùng nhưng hoạt động như một loại thuốc trừ sâu tiếp xúc, gây độc cho hệ thần kinh dẫn đến cái chết hoặc khiến côn trùng bị "hạ gục" (ngoài không khí) Hóa chất này có tác dụng chống muỗi, ruồi, ve và bọ chét Permethrin có độc tính thấp ở động vật có vú, được da hấp thụ kém và nhanh chóng bị bất hoạt khi thủy phân este [91]

Tuy nhiên, nhược điểm lớn của permethrin là hoạt chất này nên được bôi trực tiếp lên quần áo hoặc các loại vải khác (chẳng hạn như vách lều hoặc màn chống muỗi), không được bôi lên da [92] Điều này khiến cho permethrin không thể sử dụng dưới dạng sản phẩm chăm sóc cá nhân, mà thay vào đó là dạng xịt trực tiếp lên quần áo Dạng xịt không gây ố màu, gần như không mùi và có khả năng chống phân hủy do nhiệt hoặc ánh nắng mặt trời và duy trì hiệu lực trong ít nhất 2 tuần, thậm chí sau nhiều lần giặt [93] Sự kết

hợp giữa quần áo được xử lý bằng permethrin và bôi thuốc chống côn trùng gốc DEET lên da tạo ra một rào cản vững chắc chống lại muỗi đốt [94] Trong một thử nghiệm thực địa được tiến hành ở Alaska, những người mặc đồng phục được xử lý bằng permethrin và sản phẩm DEET 35% gốc polymer có khả năng bảo vệ hơn 99,9% (1 vết cắn/giờ) trong 8 giờ, ngay cả trong điều kiện áp lực cắn mạnh; những người không được bảo vệ nhận trung bình 1188 vết cắn/giờ [95]

1.3.3 Chất xua đuổi muỗi bán tổng hợp

❖ Para-menthane-3,8-diol (PMD)

Para-menthane-3,8-diol (IUPAC: 2-(2-hydroxypropan-2-yl)-5-methylcyclohexan-1-ol)

là một monoterpene có nguồn gốc tự nhiên, được tìm thấy trong lá cây của một số loài

thực vật như Eucalyptus citriodora (họ Myrtaceae), Cymbopogon winterianus (họ Poaceae) hay Melissa officinalis (họ Lamiaceae) Cấu trúc của PMD có ba trung tâm bất

đối nên có tổng cộng tám đồng phân quang học và được phân thành hai đồng phân lập

thể cis/trans (Hình 1.6) Trong đó, bốn đồng phân ca, cb, ta và tb có thể được tìm thấy

trong các loại tinh dầu tự nhiên, hay cùng với các đồng phân còn lại hình thành trong quá trình tổng hợp từ citronellal [81] Nhóm các chất PMD và sản phẩm tinh dầu chứa PMD được xếp vào nhóm các chất xua đuổi côn trùng bán tổng hợp có nguồn gốc sinh học [96]

trans-PMD

Khối lượng riêng 0,989 g/mL(ở 24 °C)

Độ tan (trong nước) 0,29 g/L (ở 25 °C)

PMD đã được nhiều nghiên cứu chứng minh là có tác dụng xua muỗi và bảo vệ con người khỏi muỗi đốt, là hoạt chất tự nhiên duy nhất được sử dụng như một chất xua đuổi côn trùng hiệu quả [98] PMD hoạt động rất hiệu quả và an toàn, có thời gian hiệu lực lâu dài dưới dạng một chế phẩm loãng, phù hợp đối với những người muốn giảm thiểu tiếp xúc với các hóa chất độc hại [4] Khi so sánh về mức độ hiệu quả của PMD so với DEET, Barbara Colucci và các cộng sự đã chỉ ra rằng 15% PMD hay 15% DEET đều

có thể giúp ngăn chặn các vết đốt đến từ muỗi Aedes aegypti, Anopheles và Culex quinquefasciatus trong ít nhất 6 giờ, với DEET hiệu quả hơn một chút [99] Sử dụng ở

cùng nồng độ 0,1% và 1%, nhóm tác giả Yoshinori Asakawa đã chứng minh hoạt chất

trans-PMD (ta) hiệu quả hơn DEET trong việc xua đuổi Aedes albopictus [100] Nghiên

cứu của Scott P Carroll và các cộng sự cho thấy tổng thời gian bảo vệ khỏi các vết cắn

từ muỗi Aedes aegypti trong phòng thí nghiệm của 20 - 26% PMD là hơn 5 giờ, hiệu lực

hơn gấp 2,5 lần so với 10% PMD, trong khi 10% DEET bảo vệ khoảng 2 giờ còn 30% DEET là 8 giờ Cũng trong nghiên cứu tương tự, nhóm của Scott và các cộng sự ghi nhận khi thực hiện thí nghiệm ở môi trường thực tế rằng với nồng độ PMD của sản phẩm đạt 20 - 26% thể hiện mức độ bảo vệ tổng thể xua đuổi lại muỗi đốt gần như tương đương so với 20% DEET [101]

Tác dụng xua đuổi của các sản phẩm phụ thuộc nhiều vào nồng độ sử dụng, nồng độ hoạt chất càng cao thì hiệu quả xua đuổi càng lớn Trong một thử nghiệm được tiến hành

với muỗi Aedes melanimon và muỗi Aedes vexans có tần suất cắn lớn và độ lặp lại cao

(27 - 68 phát cắn/5 phút), với nồng độ 10%, PMD đã đem lại sự bảo vệ hoàn toàn trong 0 - 4,5 giờ khỏi hai loài muỗi này, khi tăng nồng độ lên 20%, thời gian hiệu lực kéo dài lên 2 - 8 giờ Ngoài ra, PMD còn được chứng minh là có hiệu quả xua đuổi đối với muỗi

Anophele, Aedes, và Culex; ruồi Stomoxys calcitrans; các loài Culicoides; ve Ixodes ricinus và các loài ruồi trâu [4]

Đối với vai trò các nhóm hydroxyl của PMD trong hoạt động xua đuổi côn trùng, nhóm nghiên cứu Stephen S Barasa nhận định rằng sự có mặt của hai nhóm hydroxyl đã làm thay đổi tính chất hóa lý của monoterpene này, làm cho hoạt chất tạo thành phân cực hơn và ít bay hơi hơn Điều này được chứng minh khi tác giả so sánh với hai hoạt chất khác có hoạt tính kém hơn có cấu trúc gần tương tự (chỉ có một nhóm hydroxyl) là menthol và 𝛼-terpineol (Hình 1.7) Độ bay hơi thấp hơn giúp kéo dài đáng kể thời gian hiệu lực đuổi côn trùng do giảm tốc độ khuếch tán, như được thể hiện thông qua hiệu suất xua đuổi của các sản phẩm thương mại từ tinh dầu Bạch đàn chanh phân lập [102]

Menthol α-Terpineol PMD

Hình 1.7 Sự tương đồng về cấu trúc giữa Menthol, 𝜶-Terpineol và PMD

Đối với hoạt tính xua đuổi muỗi và côn trùng của các đồng phân PMD, các nghiên cứu cho thấy tất cả các đồng phân đều cho hiệu quả xua đuổi đáng kể [4] Trong nghiên cứu

của Lett và Kraus (1992) đề cập đến việc đồng phân cis-PMD có tính xua đuổi côn trùng cao hơn so với đồng phân trans-PMD, tuy nhiên khi lựa chọn nguồn nguyên liệu PMD cần cân nhắc vì hỗn hợp đồng phân cis/trans-PMD sẽ có lợi về mặt kinh tế hơn đồng phân cis-PMD [103] Nhóm tác giả Stephen S Barasa đã chứng minh hiệu quả xua đuổi muỗi Anopheles gambiae s.s của các đồng phân quang học PMD (các đồng phân riêng

lẻ ta, tb, ca, cb; hỗn hợp (ta + tb); hỗn hợp (ca + cb); hỗn hợp (ta + tb + ca + cb)) ở

các nồng độ khác nhau từ 0,001 đến 1% là có sự khác biệt không đáng kể [102] Điều này cho thấy không có sự tác dụng xua đuổi hiệp đồng giữa các đồng phân và có thể thu được các sản phẩm tổng hợp hoặc bán tổng hợp có tác dụng xua đuổi tối ưu đối với muỗi

Anopheles gambiae s.s mà không quan tâm đến dạng hóa học lập thể hoặc độ tinh khiết

của nguyên liệu ban đầu [30]

Cho đến nay, các thông tin về độc tính của PMD được công bố rất ít Theo EPA, khi được sử dụng theo hướng dẫn trên nhãn, các sản phẩm PMD sẽ không gây hại cho con người và môi trường [104] 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 đến mắt tạm thời Một số thử nghiệm độc tính khác cho thấy PMD có độc tính thấp: LD50 đối với 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 lượng rất cao (1000 mg/kg mỗi ngày) [4]

PMD đã được đăng ký là thành phần có hoạt tính tại EPA vào năm 2000 và ở cơ quan quản lý dịch hại Canada vào năm 2002 Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa dịch bệnh (CDC) đã đánh giá ảnh hưởng của PMD vào năm 2005 và công nhận các sản phẩm có chứa PMD và tinh dầu Bạch đàn chanh được làm giàu PMD (Citriodiol), cùng với DEET và picaridin, là những sản phẩm xua đuổi muỗi tốt nhất hiện nay [79]

❖ Tinh dầu được làm giàu PMD (Citriodiol)

Các thành phần phổ biến trong tinh dầu của các loại thực vật khác nhau (bao gồm cả Bạch đàn chanh) như citral, citronellol, citronellal và isopulegol, có thể dễ dàng chuyển đổi thành PMD, từ đó có thể làm tăng tính ứng dụng của tinh dầu [61] Tinh dầu Bạch đàn chanh chứa nhiều citronellal có thể được sử dụng như nguồn nguyên liệu để tổng

hợp PMD bằng nhiều phương pháp khác nhau [6] Một số tác giả đề nghị tinh dầu sau khi được tinh chế, không tách riêng PMD mà sử dụng như nguồn nguyên liệu để bào chế các chế phẩm xua đuổi muỗi, các sản phẩm này được gọi chung với tên thương mại là Citriodiol (tinh dầu được làm giàu PMD) [48]

Hình 1.8 Một số sản phẩm xua đuổi côn trùng có chứa Citriodiol

Citriodiol đã đăng ký và được công nhận tại EPA là sản phẩm xua đuổi côn trùng (ví dụ như dầu Citriodiol chứa khoảng 65% PMD) [105], và được CDC khuyên dùng vì hiệu quả xua đuổi vượt trội hơn so với các hoạt chất có trong những loại tinh dầu khác như sả, chanh, bạc hà … [79] Nồng độ Citriodiol thường dao động từ 10 đến 40% trong các sản phẩm bán ra trên thị trường [77]

Bởi vì đặc tính về mùi, có nguồn gốc từ thiên nhiên, hiệu quả xua đuổi côn trùng cao và tính an toàn, nên Citriodiol đang ngày càng được chú ý nhiều trong các sản phẩm xua đuổi côn trùng [8] Một số sản phẩm có chứa Citriodiol đã có mặt trên thị trường hiện

nay (Hình 1.8) có thể kể đến như là: Bình xịt Mosi-guard Natural (30% PMD), kem bôi

Mosi-guard Natural (20% PMD) (công ty Masta, Anh), kem bôi Repel Lemon Eucalyptus (công ty Jackson, Mỹ) (20% PMD) và lotion Off! Botanicals (công ty Johnson & Son, Mỹ) (10% PMD, được tổng hợp từ menthol) [106]

Tinh dầu Bạch đàn chanh chứa rất ít PMD (nhỏ hơn 1%), tuy nhiên lại có nồng độ citronellal khá cao (có thể lên đến 84%) [17] Do vậy, sau khi được tinh chế, chuyển hóa

tinh dầu ban đầu [81] Một số nghiên cứu cho thấy Citriodiol thậm chí có khả năng xua đuổi muỗi tốt hơn so với PMD tổng hợp có nồng độ tương tự [107] Nhóm nghiên cứu của Jeremy Drapeau và cộng sự ghi nhận Citriodiol (chứa 64% PMD) khi được pha

thành dung dịch có nồng độ tinh dầu là 20% sẽ đem lại hiệu quả xua đuổi muỗi Aedes aegypti khác biệt không đáng kể so với 20% DEET và có thời gian xua đuổi dài hơn so

với 20% PMD [108] Tương tự, nhóm nghiên cứu của Scott P Carroll và Jenella Loye cũng ghi nhận khả năng xua đuổi muỗi của Citriodiol (chứa 20% PMD) tương đương với 20% DEET [101] Nhóm tác giả Drapeau đã chỉ ra rằng Citriodiol (13% PMD) có thời gian xua đuổi dài hơn gấp 1,5 lần so với dung dịch 13% PMD nguyên chất do công ty Takasago sản xuất và hơn gấp 10 lần so với tinh dầu Bạch đàn chanh thô chưa tinh chế [109]

Với các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, dung dịch gồm nhiều hoạt chất sẽ cho hiệu quả xua đuổi côn trùng cao hơn đáng kể so với sử dụng các hoạt chất riêng lẻ Điều này đã mở ra một giải pháp tiềm năng cho sự phát triển các sản phẩm chiết xuất từ tự nhiên như tinh dầu Bạch đàn chanh

1.4 Các nghiên cứu về tổng hợp PMD

Trong tự nhiên, cây Bạch đàn chanh là loại cây có quá trình tự chuyển hóa để hình thành PMD, tuy nhiên vì nhiều yếu tố khách quan, quá trình này xảy ra trong tự nhiên rất chậm với hàm lượng PMD rất thấp (cao nhất chỉ khoảng 4%) [108] Cho nên sự phát triển của PMD trong tự nhiên không thể đáp ứng được nhu cầu của thị trường, việc chiết xuất PMD không có lợi về mặt kinh tế Chính vì vậy, các phương pháp tổng hợp và làm giàu đã được đề xuất thay thế [110]

1.4.1 Cơ chế của quá trình tổng hợp PMD

PMD được tổng hợp từ citronellal theo cơ chế phản ứng Prins trong môi trường nước với xúc tác acid Phản ứng Prins là phản ứng hình thành liên kết cacbon-cacbon bao gồm

phản ứng ngưng tụ aldehydes với alkenes được xúc tác bởi acid (Hình 1.9) Kết quả của

phản ứng phụ thuộc vào cấu trúc cơ chất và điều kiện phản ứng, thu được nhiều loại sản phẩm như 1,3-diol, 1,3-dioxan hoặc rượu chưa bão hòa [5]

Hình 1.9 Cơ chế phản ứng Prins [112]

Theo các nghiên cứu đã công bố, ngoài sản phẩm chính là PMD và tác chất citronellal

dư, phản ứng còn hình thành các sản phẩm phụ là isopulegol và PMD-acetal (Hình 1.10)

[111, 112] Trong quá trình tổng hợp, PMD được hình thành theo hai con đường khác

nhau (Hình 1.11) Trong đó, một con đường đi từ tác chất citronellal qua sản phẩm trung

gian carbocation A và hình thành nên PMD, với cơ chế là phản ứng đóng vòng và hydrate hóa giữa hai nhóm chức -CHO và -C=C- của citronellal Một con đường khác được hình thành từ sản phẩm phụ isopulegol, với cơ chế tương tự một phản ứng hydrate hóa alkene thông thường [111, 112]

Hình 1.10 Các sản phẩm hình thành từ quá trình tổng hợp PMD

do liên kết hydro nội phân tử giữa nguyên tử oxy và hydro định hướng, hay từ phản ứng

dehydrate hóa nhóm chức hydroxyl bậc ba của PMD với xúc tác acid (Hình 1.11) [111]

Hình 1.11 Cơ chế hình thành PMD và isopulegol từ citronellal [111, 112]

PMD-acetal (para-menthane-3,8-diol citronellal acetal) là sản phẩm phụ thứ hai được

hình thành từ quá trình tạo vòng giữa citronellal với chất trung gian A (Hình 1.12), hay

từ quá trình tạo vòng giữa PMD với citronellal, được xem là phản ứng cạnh tranh với sự

hình thành PMD từ citronellal trong quá trình tổng hợp (Hình 1.13) Măc dù không có

hoạt tính xua đuổi muỗi nào của PMD-acetal được ghi nhận trước đó, tuy nhiên một số nghiên cứu đã cho thấy hợp chất này giúp kìm hãm và giải phóng PMD dần theo thời gian, từ đó giúp tăng đáng kể thời gian hiệu lực của các sản phẩm xua đuổi muỗi [109] Do vậy, mặc dù là sản phẩm phụ nhưng không cần phải phân tách PMD-acetal ra khỏi sản phẩm dầu sau quá trình tổng hợp

Hình 1.12 Cơ chế hình thành PMD-acetal từ chất trung gian A và citronellal [112]

Hình 1.13 Cơ chế hình thành PMD-acetal từ PMD và citronellal [112]

Nhìn chung, cả ba sản phẩm của quá trình tổng hợp đều được hình thành từ chất trung gian A Giai đoạn hình thành A là bước có tốc độ chậm và được xem là bước quyết định tốc độ phản ứng theo nhận định của nhóm tác giả Charles C Price khi nghiên cứu về động học sự đóng vòng của phản ứng Prins trên citral và citronellal [113] Để tăng tốc độ phản ứng, xúc tác acid đã được dùng để hoạt hóa nhóm chức -CHO của citronellal, thúc đẩy quá trình đóng vòng hình thành A Đồng thời phản ứng sẽ được gia nhiệt để tăng tốc độ chung của quá trình chuyển đổi Tuy nhiên, cần phải xem xét rằng PMD và isopulegol có thể chuyển hóa lẫn nhau qua chất trung gian A, PMD-acetal có thể được tạo ra ngay sau khi PMD được hình thành Nếu nồng độ acid lớn hoặc nhiệt độ cao hoặc có cả hai điều này, quá trình dehydrate hóa PMD sẽ dễ xảy ra hơn làm giảm lượng PMD hình thành và tạo ra các sản phẩm phụ isopulegol và PMD-acetal Đồng thời, nếu thời gian phản ứng quá dài, hàm lượng PMD có thể giảm do sự hình thành cạnh tranh của PMD-acetal Vì vậy, để thu được PMD nhiều nhất, nghiên cứu sẽ tiến hành khảo sát và tìm các điều kiện tổng hợp thích hợp nhất

1.4.2 Tổng hợp từ citronellal tinh khiết

Kể từ khi PMD được tìm thấy và đánh giá là có hoạt tính đuổi muỗi tốt, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để tổng hợp ra hoạt chất này bằng nhiều phương pháp khác nhau Trong đó, hầu hết các nghiên cứu đều cho thấy citronellal được sử dụng làm nguyên liệu

Nhóm nghiên cứu Howard E Zimmerman và các cộng sự đã tổng hợp PMD từ citronellal với xúc tác H2SO4 ở nồng độ 5%, ở nhiệt độ phòng, trong vòng 27 giờ Sản phẩm tổng hợp được chiết bằng ether và cho làm khan bằng Na2SO4, sau đó tiến hành chưng cất phân đoạn để thu PMD tinh khiết [6]

Cũng theo phương pháp trên, Bryan David Lett và các cộng sự đã tiến hành tổng hợp ở quy mô lớn với 4 kg (26 mol) citronellal phản ứng với 20 kg dung dịch H2SO4 5% trong ít nhất 5 giờ Hỗn hợp sau phản ứng được chiết bằng toluene, sau đó rửa bằng nước và dung dịch NaHCO3 2% Cuối cùng, tiến hành chưng cất phân đoạn ở áp suất 4 mmHg để thu hồi PMD [103]

Một nghiên cứu khác được thực hiện bởi nhóm tác giả Rainer Schoftner nhằm đánh giá tác động của các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp và các tạp chất liên quan trong quy trình tổng hợp PMD Ở nghiên cứu này đã cho thấy khi tiến hành phản ứng với xúc tác citric acid, ở nhiệt độ 60 °C, lượng nguyên liệu còn dư sau hơn 3 giờ phản ứng, nhưng khi tiến hành ở nhiệt độ 72 °C và 90 °C thì sau hơn 3 giờ phản ứng diễn ra gần như hoàn toàn Lượng PMD thu được nhiều nhất ở 90 °C, tuy nhiên lượng tạp PMD-acetal thu được cũng là nhiều nhất (gần 6%) Các loại xúc tác ascorbic acid, citric acid, tartaric acid giúp tổng hợp ra PMD nhiều hơn và lượng tạp ít hơn so với maleic acid,

oxalic acid, adipic acid và salicylic acid Tỉ lệ giữa hai đồng phân cis/trans của PMD

cao hơn khi dùng adipic acid và citric acid [114]

Việc sử dụng chất nhũ hóa để hỗ trợ cho phản ứng tổng hợp hai pha PMD đã được nhóm Clark và các cộng sự nghiên cứu thực hiện thí nghiệm trong vòng 4 ngày Với chất nhũ hóa sodium dodecyl sulfate (SDS), nhóm nghiên cứu đã tiến hành tổng hợp PMD bằng cách sử dụng hệ đệm acetat hoặc hệ đệm phosphat hoặc sulfuric acid để chuyển hóa citronellal Sử dụng citronellal hòa tan trong nước với lượng nhỏ, kết quả thí nghiệm

cho thấy tỉ lệ cis tăng khi hệ phản ứng có SDS (từ 66,67% lên 83%) [115]

Năm 2000, nhóm nghiên cứu của Yoshifumi Yuasa đã tổng hợp thành công PMD từ citronellal với hiệu suất trên 90% Nghiên cứu cho thấy ở nồng độ 0,25% H2SO4 trong dung dịch loãng, đạt hiệu suất tổng hợp cao hơn nhiều so với khi thực hiện ở nồng độ 5% trong các nghiên cứu trước đó Quy trình phản ứng được thực hiện với 636 g (16,3 mmol) dung dịch H2SO4 0,25% (theo khối lượng) trong bình cầu đáy tròn có thể tích 3 L, ở nhiệt độ 55 °C và được khuấy đều Thêm từ từ từng giọt 500 g (3,2 mol) (+)-

citronellal trong hơn 1 giờ Giữ hỗn hợp phản ứng ổn định ở 55 °C trong 10 giờ Kết quả là độ chuyển hóa citronellal và độ chọn lọc của PMD đạt 99% và 92,3% tương ứng (tỷ lệ ca/cb/ta/tb = 61,2/1,2/35,0/2,6) Dẫn xuất PMD-acetal thu được có nồng độ 2,1% Thêm 8 g (50 mmol) dung dịch NaOH 25% (theo khối lượng) vào hỗn hợp phản ứng,

tiếp theo là thêm 1200 mL n-heptane Rửa lớp dung dịch hữu cơ bằng 500 mL nước và

thu hồi lại lớp dung dịch hữu cơ này Làm lạnh lớp dung dịch hữu cơ đến -50 °C và khuấy ở nhiệt độ này trong vòng 20 giờ Lọc tinh thể PMD không màu (dùng ly tâm) Đun sôi PMD kết tinh thu được 447 g PMD (hiệu suất đạt 80%) (điểm sôi của hỗn hợp tinh thể khoảng 100 – 130 °C/0,8 Torr) Hỗn hợp sản phẩm được đem đi kết tinh lại ở nhiệt độ 30 °C Kết quả là hỗn hợp đồng phân quang học PMD có độ tinh khiết 99,5% (tỷ lệ ca/cb/ta/tb = 64,7/0,2/34,0/1,1) Ngoài ra, còn có các tạp chất khác bao gồm: 0,1% citronellal, 0,25% neoisopulegol và isopulegol, 0,15% tạp PMD-acetal Khoảng 25 g PMD sẽ được đem đi xử lý bằng sắc ký cột (300 g silica gel, rửa giải bằng dung dịch

ethyl acetat/n-hexan với tỷ lệ 1/5) để thu được 5,2 g cis-PMD và 3,5 g trans-PMD [116]

Để có thể cải thiện quy trình tổng hợp, Cheng Haiyang và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về xúc tác của phản ứng, hướng tới mục tiêu tổng hợp xanh hơn, điều này đã dẫn đến phương pháp áp dụng CO2 và H2O để làm môi trường xúc tác acid, có lợi để thay thế cho H2SO4 độc hại và không cần phải tốn nhiều công đoạn loại bỏ acid sau khi tổng hợp Hỗn hợp sản phẩm dạng dầu sau phản ứng sẽ được chiết bằng n-hexan và cho làm khan với Na2SO4 khan Sản phẩm sau đó sẽ được đem đi phân tích GC Kết quả là độ chuyển hóa và độ chọn lọc hình thành PMD thấp hơn so với các loại acid khác, đồng thời còn phải điều chỉnh áp suất cao và nhiệt độ cao Ngoài ra, nghiên cứu còn chỉ ra

rằng đồng phân S-(-)-citronellal dễ dàng chuyển đổi thành PMD hơn so với hỗn hợp

racemic và tác giả cũng nhận định rằng với 1 mmol citronellal thì độ chuyển hóa sẽ được gia tăng đáng kể khi thể tích nước tăng từ 2 lên 15 mL và khi tiếp tục tăng thì độ chuyển hóa tác chất sẽ thay đổi không đáng kể Lượng PMD thu được cao nhất khi lượng nước được thêm vào ở mức 10 mL [117]

Ở Việt Nam, nhóm tác giả Nguyễn Thị Kim Thu và Mạc Đình Hùng cũng nghiên cứu về quy trình tổng hợp PMD vào năm 2017 Trong nghiên cứu này, nhóm đã sử dụng xúc tác acid H2SO4 ở nồng độ từ 0,01 - 5% , với nhiệt độ dao động từ 50 – 60 °C (đối với

để tránh hình thành sản phẩm phụ do sự có mặt của acid đã dẫn đến phản ứng mất nước của PMD để tạo thành isopulegol hay tạo sản phẩm đóng vòng acetal) trong vòng 16 giờ Kết quả cuối cùng thu được sản phẩm PMD với độ chuyển hóa citronellal cao nhất là 91,5% với nồng độ acid sử dụng tối ưu là 0,1% [118]

Ngoài xúc tác là các loại acid thông thường như sulfuric acid, citric acid, …, còn có nhiều xúc tác khác đã được nghiên cứu để đóng vòng citronellal hình thành PMD Pavel Kocˇovsky và các cộng sự đã sử dụng Mo(CO)5(OTf)2 làm chất xúc tác và citronellal

làm nguyên liệu để tổng hợp chọn lọc cho ra cis-PMD Sau 24 giờ phản ứng, PMD thu được với hiệu suất là 73%, trong đó, đồng phân cis-PMD chiếm 80% [119] Năm 2020,

nhóm nghiên cứu của Irwan Kurnia đã sử dụng chất xúc tác dị thể carbon acid dẫn xuất từ lignin kiềm để đóng vòng (±)-citronellal nhằm tạo ra PMD ở nhiệt độ 50 °C trong 24 giờ Kết quả là độ chuyển hóa tác chất đạt 97%, độ chọn lọc đối với PMD là 89% và hiệu suất tổng hợp đạt 86% [111] Nhìn chung, những phản ứng sử dụng xúc tác dị thể đòi hỏi phải chuẩn bị chất xúc tác ban đầu, nhiều trong số đó là khá đắt tiền, độc hại và khó có thể mở rộng lên quy mô công nghiệp

➢ Nhận xét chung: PMD có thể được tổng hợp với hiệu suất cao từ citronellal với

xúc tác acid Trong các loại xúc tác đã được nghiên cứu, dung dịch sulfuric acid loãng được xem là loại xúc tác thông dụng và đem lại hiệu quả tốt Ngoài chất xúc tác, các yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp khác cũng đã đucợ khảo sát như tỉ lệ hai pha nước/dầu, nồng độ acid, nhiệt độ và thời gian phản ứng Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu khảo sát đồng thời các yếu tố đó nhằm thu được bộ điều kiện phù hợp để tổng hợp PMD

1.4.3 Tổng hợp PMD từ tinh dầu Bạch đàn chanh

Tinh dầu Bạch đàn chanh sau khi được tinh chế tăng nồng độ PMD, được sử dụng trong các sản phẩm xua đuổi côn trùng, được biết đến ở Hoa Kỳ như tinh dầu Bạch đàn chanh (OLE) hoặc với các tên thương mại như Citrosynthol, Citrepel và Citriodiol [120] Nhóm nghiên cứu Drapeau Jeremy đã tổng hợp PMD từ tinh dầu Bạch đàn chanh (với nồng độ (+)-citronellal 74%) được chiết xuất từ lá cây theo phương pháp chưng cất lôi

cuốn hơi nước Hỗn hợp đồng phân cis/trans-PMD được tạo ra thông qua phản ứng đóng

vòng của (+)-citronellal có trong tinh dầu với xúc tác citric acid trong môi trường nước

Nhóm tác giả đề xuất việc sử dụng xúc tác citric acid để tổng hợp PMD, nhằm mục đích cho ra một quy trình xanh hơn so với việc sử dụng acid vô cơ Các thông số khác nhau của phản ứng đã được nhóm tác giả nghiên cứu (nồng độ acid, thời gian phản ứng và lượng nước sử dụng) để đạt được độ chuyển hóa của (+)-citronellal và độ chọn lọc PMD tốt nhất trong khoảng thời gian diễn ra phản ứng nhất định Kết quả thu được quy trình tổng hợp tốt nhất với các thông số như sau: Cho 5,25 g dung dịch citric acid 7% (theo khối lượng) và 3,7 g (24 mmol) tinh dầu Bạch đàn chanh vào bình cầu đáy tròn có thể tích 50 mL, đun nóng đến 50 °C và khuấy đều (450 vòng/phút) Hệ hai pha duy trì khoảng 15 giờ, sau đó, lắng gạn thu lấy lớp dầu có chứa PMD, monoterpen, sesquiterpen, PMD-acetal ra khỏi pha nước trong vài giờ và đem làm khan với Na2SO4 khan Kết quả độ chuyển hóa của (+)-citronellal đạt 82,1%; độ chọn lọc của PMD là 79,6% và tỷ lệ

(+)-cis/(-)-trans là 65/35 [109]

Một quy trình tổng hợp khác được nhóm của tác giả Peng Xuedong tiến hành từ 8 kg tinh dầu Bạch đàn chanh với nồng độ citronellal khoảng 75 - 85% trong 50 L nước, xúc

tác sử dụng là p-toluensulfonic acid, polyethylenglycol 6000, ether vòng, muối amoni

bậc bốn 0,1 - 3% và cho loại bỏ O2 hòa tan bằng cách sục khí N2 vào Sản phẩm

cis-PMD được tinh chế bằng cách đem đi chưng cất phân đoạn áp suất thấp, thu được độ tinh khiết của sản phẩm lớn hơn 99% với hiệu suất PMD rắn là 36% [121] Tuy nhiên, quy trình này được coi là không thân thiện với môi trường, và đặc biệt, khi sử dụng chất xúc tác tributylamine có thể gây ra độc tính cấp tính [81]

➢ Nhận xét chung: Tinh dầu Bạch đàn chanh với thành phần chính là citronellal

là nguồn nguyên liệu thích hợp để tổng hợp PMD một cách hiệu quả Tuy nhiên, số lượng các nghiên cứu còn ít Trong đó, hệ thống phản ứng phức tạp, chất xúc tác có độc tính cao và quy mô tổng hợp còn ở mức nhỏ, khả năng ứng dụng vào thực tế thấp Ngoài ra, mức độ an toàn của sản phẩm sau khi tổng hợp vẫn chưa

được kiếm tra 1.5 Mục tiêu nghiên cứu

Khả năng xua đuổi muỗi của PMD và hiệu quả của quá trình tổng hợp PMD từ tinh dầu Bạch đàn chanh đã được chứng minh Tuy nhiên, các báo cáo đã được công bố vẫn còn một vài nhược điểm gây khó khan trong việc nâng cao quy mô tổng hợp từ đó ứng dụng vào thực tiễn Chính vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu này là tổng hợp PMD từ tinh dầu

Bạch đàn chanh một cách hiệu quả Trong đó, hai nhiệm vụ chính là nâng cao quy mô của quá trình tổng hợp và kiểm tra mức độ an toàn của sản phẩm

Với mục tiên trên, nghiên cứu bao gồm các giai đoạn sau:

• Giai đoạn 1: Tổng hợp PMD từ citronellal tinh khiết và khảo sát sự ảnh hưởng của

các yếu tố như tỷ lệ hai pha (pha nước/pha dầu - W/O), nồng độ sulfuric acid, nhiệt độ và thời gian phản ứng đến độ chuyển hóa citronellal và hiệu suất PMD theo phương pháp luân phiên từng biến

• Giai đoạn 2: Tổng hợp PMD từ tinh dầu Bạch đàn chanh ở các điều kiện thích hợp

đã xác định từ giai đoạn 1 và so sánh kết quả tổng hợp của hai giai đoạn theo độ chuyển hóa citronellal, hiệu suất PMD và thành phần hóa học

• Giai đoạn 3: Thử nghiệm kích ứng da và độc tính cấp đường uống

• Giai đoạn 4: Thay đổi hệ thống thiết bị nhằm tổng hợp PMD ở năng suất cao hơn