Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Điều chế t-CINNAMYL alcohol từ tinh dầu quế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TẤN TÀI

ĐIỀU CHẾ t-CINNAMYL ALCOHOL

TỪ TINH DẦU QUẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023

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 Đỗ Tường Hạ

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Phan Thị Hoàng Anh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 25 tháng 07 năm 2023

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

1 PGS.TS Mai Huỳnh Cang Chủ tịch hội đồng

3 TS Phan Thị Hoàng Anh Ủy viên phản biện 2

5 TS Phan Nguyễn Quỳnh Anh Thư ký hội đồng

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Tấn Tài MSHV: 2170751

I.TÊN ĐỀ TÀI

Tên tiếng việt: Điều chế t-cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế Tên tiếng anh: Producing of t-cinnamyl alcohol from cassia oil

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Khảo sát điều kiện phản ứng: thời gian, tốc độ khuấy, tỷ lệ mol, hóa chất công nghiệp NaBH4 thay thế hóa chất trong phòng thí nghiệm, nguyên liệu t-

cinnamaldehyde, tinh dầu quế thay thế

2 Tối ưu hóa điều kiện phản ứng bằng phương pháp bề mặt đáp ứng RSM và thực hiện khảo sát điều kiện tối ưu từ phương pháp RSM vào quy mô lớn

3 Khảo sát quá trình kết tinh và cô lập t-cinnamyl alcohol

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lê Xuân Tiến

Tp.HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2023

TS Lê Xuân Tiến PGS.TS Lê Thị Hồng Nhan TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp là một trong những cột mốc đáng nhớ nhất trong con đường học vấn, cũng như thể hiện những nổ lực để đạt được tấm bằng Thạc Sĩ Trong quá trình xây dựng đề cương luận văn thạc sĩ, em đã nhận được nhiều sự hỗ trợ từ các Thầy, các Cô, các bạn bè, đồng nghiệp

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS Lê Xuân Tiến đã tạo cơ hội cho em tham gia nhóm nghiên cứu, thầy đã hướng dẫn tận tình, tâm huyết và tạo điều kiện hỗ trợ để em hoàn thành luận văn Qua đó, em đã học hỏi được nhiều kinh nghiệm, kiến thức quý báu trong lĩnh vực hương liệu, hóa hữu cơ

Bên cạnh đó, em xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp Công ty TNHH Oxeyns đã tạo điều kiện, giúp đỡ, quan tâm và động viên em trong suốt thời gian làm khóa luận Em xin bày tỏ lòng biết ơn với gia đình vì đã luôn ủng hộ em cả về mặt vật chất và tinh thần Cha mẹ, anh chị là nguồn động lực to lớn, thúc đẩy em cố gắng và hoàn thiện hơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2023

Nguyễn Tấn Tài

80% hàm lượng trong tinh dầu quế, là nguồn nguyên liệu trung gian bán tổng hợp để tạo

ra các sản phẩm có giá trị tốt hơn như benzaldehyde và cinnamyl alcohol Trong đó,

t-cinnamyl alcohol rất có giá trị trong hương liệu do mùi thơm đặc trưng và khả năng định hương Ngoài ra, đây còn là chất trung gian trong một số quy trình tổng hợp hóa dược, thí dụ như sự tổng hợp cinnamyl acetate, kháng sinh chloromycetin Nghiên cứu tiến

hành tổng hợp t-cinnamyl alcohol từ t-cinnamaldehyde thông qua tác nhân khử NaBH4 bằng phương pháp đáp ứng bề mặt RSM với các điều kiện tối ưu được xác định là: thời

gian phản ứng 35 phút, tốc độ khuấy 200 rpm, tỷ lệ mol t-CA/NaBH4 = 2,6 và hóa chất công nghiệp NaBH4 thay thế hóa chất tinh khiết Sau đó, nghiên cứu tiến hành thay đổi

nguyên liệu t-cinnamaldehyde bằng nguyên liệu tinh dầu quế thực hiện phản ứng trên điều kiện tối ưu đã khảo sát Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất tổng hợp t-cinnamyl alcohol và độ chuyển hóa t-cinnamaldehyde đạt trên 96% khi sử dụng nguyên liệu tinh dầu quế hoặc t-cinnamaldehyde Ngoài ra, nghiên cứu đã kết tinh và cô lập t-cinnamyl alcohol với độ tinh khiết và hiệu suất kết tinh cao Độ tinh khiết t-cinnamyl alcohol đạt 98,23 ± 0,06% đối với nguyên liệu được sản xuất bằng t-cinnamaldehyde và 94,17 ±

0,03% đối với nguyên liệu được sản xuất bằng tinh dầu quế Kết quả nghiên cứu cho

thấy có thể thay thế nguyên liệu t-cinnamaldehyde bằng tinh dầu quế để tiến hành tổng hợp t-cinnamyl alcohol Nghiên cứu cần tiến hành khảo sát lại các điều kiện tái kết tinh để cải thiện độ tinh khiết của tinh thể t-cinnamyl alcohol lên 98% từ tinh dầu quế

ABSTRACT

Vietnam is the world's third-largest producer and exporter of cassia products Cassia oil

is widely used in aromatherapy, food technology Products as benzaldehyde,

t-cinnamaldehyde, coumarin, cinnamyl acetate are produced from the distillation of cassia

oil bring high economic value t-Cinnamaldehyde accounts for more than 80% of the

content in cassia oil, which is a source of semi-synthetic to produce better value products

such as benzaldehyde and t-cinnamyl alcohol t-Cinnamyl alcohol is very valuable in

flavoring due to its characteristic aroma and ability to be good odour life In addition, it is also an intermediate in a number of pharmaceutical synthetic processes, such as the

synthesis of cinnamyl acetate, chloromycetin The study conducted to synthesize cinnamyl alcohol from t-cinnamaldehyde through the reducing agent NaBH4 by surface response method RSM with the optimal conditions determined as: reaction time 35 min,

t-stirring speed 200 rpm, a mole ratio of t-CA/NaBH4 2,6 of 1 and NaBH4 industrial chemicals used to replace laboratory chemical After that, the study conducted to change

the t-cinnamaldehyde raw material by cassia oil to with the investigated optimal conditions The results showed that the synthesis efficiency of t-cinnamyl alcohol and the conversion of t-cinnamaldehyde were over 96% In addition, the study crystallized and isolated t-cinnamyl alcohol with high purity and recovery efficiency Purity t-cinnamyl alcohol of reached 98,23 ± 0,06% from the t-cinnamaldehyde raw material

and 94,17 ± 0,03% from the cassia oil raw material The results show that it is possible

to replace t-cinnamaldehyde by cassia oil to synthesize t-cinnamyl alcohol The research needs to reinvestigate the recrystallization conditions to improve the purity of t-

cinnamyl alcohol crystals to be greater than 98% from the cassia oil

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Tấn Tài, học viên cao học ngành Kỹ thuật Hóa học, khóa 2021 đợt 2, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Tôi xin cam đoan công trình luận văn này do chính tôi thực hiện, số liệu là kết quả nghiên cứu thực sự của tôi dưới dự hướng dẫn khoa học của TS Lê Xuân Tiến

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp của mình

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2023

Nguyễn Tấn Tài

1.1.2 Tính chất vật lý của tinh dầu quế 2

1.1.3 Thành phần hóa học của tinh dầu quế 2

1.1.4 Hoạt tính sinh học 4

1.1.5 Quy trình sản xuất tinh dầu quế 5

1.2 Tổng quan về t-cinnamaldehyde (t-CA) 9

1.2.1 Tính chất vật lý 9

1.2.2 Hoạt tính sinh học 10

1.2.3 Quy trình sản xuất t-cinnamaldehyde (t-CA) 11

1.3 Tổng quan về t-cinnamyl alcohol (t-CAOH) 14

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài 20

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Hóa chất, thiết bị 21

2.1.1 Hóa chất 21

2.1.2 Thiết bị sử dụng 21

2.2 Phương pháp và nội dung nghiên cứu 22

2.2.1 Phương pháp đáp ứng bề mặt RSM 22

2.2.2 Phương pháp phân tích GC – FID 24

2.2.3 Phương pháp phân tích GC – MS 28

2.2.4 Phương pháp xác định cấu trúc sản phẩm 29

2.3 Quy trình hydro hóa t-cinnamaldehyde thành t-cinnamyl alcohol 31

2.4 Quy trình kết tinh t-cinnamyl alcohol thô và tái kết tinh t-cinnamyl alcohol 33

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36

3.1 Khảo sát hiệu suất phản ứng t-cinnamyl alcohol bằng phương pháp RSM 36

3.1.1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình hydro hóa t-CA thành t-CAOH 36

3.1.2 Kết quả khảo sát quá trình hydro hóa t-CA từ phương pháp RSM 38

3.2 Khảo sát phản ứng hydro hóa của tinh dầu quế 46

3.3 Thí nghiệm quy mô lớn 48

3.4 Kết tinh t-cinnamyl alcohol 49

3.4.1 Quá trình kết tinh t-cinnamyl alcohol thô từ nguyên liệu tinh dầu quế và nguyên liệu t-cinnamaldehyde 50

3.4.2 Quá trình tái kết tinh t-cinnamyl alcohol từ nguyên liệu tinh dầu quế và nguyên liệu t-cinnamaldehyde 51

3.5 Tính toán chi phí nguyên vật liệu cho phản ứng 54

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

Hình 1.5 Vỏ quế và tinh dầu quế 8

Hình 1.6 Quy trình sản xuất tinh dầu quế bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước 9

Hình 1.7 Công thức cấu tạo t-cinnamaldehyde 10

Hình 1.8 Quy trình sản xuất t-cinnamaldehyde 12

Hình 1.9 Hệ thống chưng cất phân đoạn áp suất kém t-cinnamaldehyde 13

Hình 1.10 Các hóa chất sản xuất trong công nghiệp có thể được tổng hợp từ cinnamyl alcohol 15

t-Hình 1.11 Công thức cấu tạo t-cinnamyl alcohol 15

Hình 1.12 Sơ đồ phản ứng hydro hóa t-cinnamaldehyde 16

Hình 1.13 Sơ đồ tổng hợp t-CAOH thông qua con đường xúc tác sinh học 18

Hình 2.1 Các bước cho phương pháp phản ứng bề mặt 23

Hình 2.2 Mô hình Box–Behnken 23

Hình 2.3 Mô hình hệ thống sắc ký khí ghép đầu dò ion hóa ngọn lửa GC – FID 25

Hình 2.4 Thiết bị phân tích sắc ký khí GC Agilent 5890 26

Hình 2.5 Đường chuẩn t-cinnamaldehyde 27

Hình 2.6 Đường chuẩn t-cinnamyl alcohol 28

Hình 2.7 Mô hình hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ GC – MS 29

Hình 2.8 Mô hình hệ thống thiết bị NMR 30

Hình 2.9 Thiết bị xác định cấu trúc NMR Bruker Avance 500 31

Hình 2.10 Sơ đồ phản ứng tổng hợp t-cinnamyl alcohol từ t-cinnamaldehyde 31

Hình 2.11 Hệ thống phản ứng hydro hóa t-CA thành t-CAOH 33

Hình 2.12 Quy trình kết tinh t-cinnamyl alcohol 34

Hình 3.1 Ảnh hưởng của các thông số khảo sát đến quá trình hydro hóa t-CA 37

Hình 3.2 Hiệu suất tổng hợp t-cinnamyl alcohol của 20 thí nghiệm 40

Hình 3.3 Hiệu suất tổng hợp t-cinnamyl alcohol từ thực nghiệm và mô hình 43

Hình 3.4 Mô hình bề mặt đáp ứng hiệu suất tổng hợp t-CAOH theo các yếu tố 44

Hình 3.5 Các điều kiện tối ưu hóa 45

Hình 3.6 Sơ đồ hydro hóa t-CA thành t-CAOH bằng nguyên liệu tinh dầu quế 47

Hình 3.7 Tổng hợp t-cinnamyl alcohol bằng hóa chất tinh khiết, hóa chất công nghiệp 47

Hình 3.8 Sơ đồ phản ứng hydro hóa t-cinnamaldehyde thành t-cinnamyl alcohol ở quy mô lớn 48

Hình 3.9 Khảo sát độ chuyển hóa, hiệu suất ở quy mô lớn 49

Hình 3.10 Nguyên liệu cinnamyl alcohol thô từ được sản xuất từ tinh dầu quế và cinnamaldehyde 50

t-Hình 3.11 Hiệu suất kết tinh, độ tinh khiết và hiệu suất thu hồi từ quá trình kết tinh thô t-cinnamyl alcohol 51

Hình 3.12 Tinh thể cinnamyl alcohol từ nguyên liệu tinh dầu quế và cinnamaldehyde sau khi tái kết tinh 52

t-Hình 3.13 Hiệu suất kết tinh, độ tinh khiết và hiệu suất thu hồi từ quá trình tái kết tinh t-cinnamyl alcohol 52

Hình 3.14 Cấu trúc hợp chất T01 53

Hình 3.15 Chi phí nguyên vật liệu để sản xuất 1 kg t-cinnamyl alcohol 56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần tinh dầu quế 3

Bảng 1.2 Nghiên cứu về quá trình hydro hóa t-cinnamaldehyde thành t-cinnamyl alcohol trên thế giới 19

Bảng 2.1 Một số loại hóa chất sử dụng trong quá trình thực hiện 21

Bảng 2.2 Các thiết bị chính dùng cho nghiên cứu 22

Bảng 3.1 Các thông số cho quá trình hydro hóa t-cinnamaldehyde 38

Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm và kết quả hiệu suất quá trình hydro hóa 38

Bảng 3.3 Kết quả phân tích ANOVA cho mô hình bậc 2 của hiệu suất tổng hợp cinnamyl alcohol 41

t-Bảng 3.4 Hệ số của phương trình hồi quy hiệu suất tổng hợp t-cinnamyl alcohol 42

Bảng 3.5 Hệ số tương quan của mô hình 42

Bảng 3.6 Kiểm tra độ lặp lại mô hình 46

Bảng 3.7 Bảng so sánh dữ liệu phổ NMR của T01 với t-cinnamyl alcohol 54

Bảng 3.8 Chi phí nguyên liệu từ t-cinnamaldehyde sử dụng hóa chất tinh khiết 54

Bảng 3.9 Chi phí nguyên liệu từ t-cinnamaldehyde sử dụng hóa chất công nghiệp 55

Bảng 3.10 Chi phí nguyên liệu từ tinh dầu quế sử dụng hóa chất công nghiệp 55

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tinh dầu quế

1.1.1 Đặc tính thực vật

Quế Trung Quốc (Cinnamomum cassia Blume) còn gọi là quế nhục, quế đơn, quế bì

thường được trồng chủ yếu ở miền Nam Trung Quốc, các khu vực miền núi phía Tây Bắc Việt Nam [1] Vùng sản xuất quế đạt 16000 ha tập trung ở các tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, Quảng Ninh, Yên Bái [2] Cây có kích thước trung bình thường cao 12 – 17 m, lá mọc so le, dài và cứng, phiến lá dài 12 – 15 cm, rộng 2,5 – 6 cm, mặt trên bóng và nhẵn, mặt dưới lúc dầu có lông, có 3 gân: hai gân phụ nổi rất rõ ở mặt dưới, cuống to, mặt trên có rãnh và dài 1,5 – 2 cm [1] Cụm hoa dạng chùy, mọc ở kẽ lá gần đầu cành, dài 7 – 15 cm Hoa nhỏ có lông mịn, màu trắng hoặc vàng nhạt Bao hoa gồm 6 thùy gần bằng nhau, màu trắng, mặt ngoài có lông mịn Quả hạch hình trái xoan hay hình trứng, dài 1 – 1,5 cm, được bao bọc bởi đài, khi chín có màu đen hoặc tía đậm Hạt hình trứng, dài 1 cm, màu nâu đậm và có những sọc nhạt Tinh dầu quế chủ yếu được chưng cất lôi cuốn hơi nước từ lá và cành quế bởi các hộ sản xuất ở các tỉnh Yên Bái và Lào Cai [3]

Vỏ cây và tinh dầu quế được sử dụng rộng rãi làm gia vị và nguyên liệu thơm trong ngành thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm Trong y học ở nước ta và Trung Quốc, quế có vị cay, ngọt, tính đại nhiệt, có tác dụng bổ mệnh môn tướng hỏa, trị cố lãnh trầm hàn Quế được coi là một vị thuốc bổ, có nhiều công dụng như chữa ho hen, bồi bổ phụ nữ sau sinh, quế được dùng làm thuốc cấp cứu bệnh do hàn, hôn mê, mạch chậm nhỏ, đau bụng, chữa chứng tiêu hóa kém, tả lỵ, tiểu tiện khó khăn, đau lưng, mỏi gối, chân tay co quắp, ho hen, bế kinh, ung thư, rắn cắn, … [1]

1.1.2 Tính chất vật lý của tinh dầu quế

Tinh dầu quế là chất lỏng màu vàng nhạt đến màu đỏ nâu, có mùi đặc trưng của quế, nặng hơn nước, có tỷ trọng từ 1,045 – 1,070 ở 20 oC, khúc xạ từ 1,6000 – 1,6140 ở 20 oC, hàm lượng t-cinnamaldehyde > 70% Tinh dầu quế tan tốt trong dung môi hữu cơ

như cồn, hoặc chlorofom và không tan trong nước

1.1.3 Thành phần hóa học của tinh dầu quế

Tinh dầu quế là hỗn hợp số lượng lớn các hợp chất hóa học dễ bay hơi Theo TCVN

6029:2008, tinh dầu quế có 14 thành phần chính, trong đó thành phần chủ yếu là

trans-cinnamaldehyde (70 – 88%), eugenol (0 – 0,5%), coumarin (1,5 – 4%), metoxycinnamaldehyde (3 – 15%), 2-metoxycinamyl acetate (0 – 2%), benzaldehyde (0,5 – 2%), acetophenol (0 – 0,1%), salicylaldehyde (0,2 – 1%); phenethyl alcohol (0 –

2-0,5%), cinamyl acetate (0 – 6%), trans-cinamyl alcohol (0 – 1%), styrene (0 – 0,15%), phenylacetaldehyde (0 – 0,7%), cis-cinnamaldehyde (0 – 0,7%) [4]

Năm 2013, Nguyễn Thị Huỳnh Như đã phân tích được 17 hợp chất trong tinh dầu vỏ

quế, hợp chất chính là trans-cinnamaldehyde (77,9%), benzaldehyde (0,4%); linalool (0,1%); benzenepropanal (0,5%); isosativene (0,5%); α-cubebene (5%); germacrene D (0,2%); isoledene (0,2%); α-amorphene (1,8%); δ-cadinene (2,3%); cinnamyl acetate (0,4%); ionene (0,6%); α-calacorene (0,1%); coumarin (3,4%); 2-methoxy-cinnamaldehyde (3,8%); α-cadinol (0,9%); δ-cadinol (0,6%) [5]

Tinh dầu từ vỏ quế có 10 hợp chất được xác định chiếm 100% tổng lượng tinh dầu

Thành phần chính của tinh dầu là trans-cinnamaldehyde (77,34%) và

cis-9-octadecenamide (7,88%) Các cấu tử khác nhỏ hơn là cinnamyl acetate (3,71%), methoxy-cinnamaldehyde (3,50%), 2-methoxy-cinnamaldehyde (2,54%), bicyclo-elemene (1,57%), hexadecanamide (1,33%), tetradecanamide (0,94%), 1,2-

4-benzenedicarboxylic acid (0,68%) và trans-cinnamyl alcohol (0,51%) Tinh dầu từ lá quế với 20 hợp chất được xác định chiếm 96,96% tổng hàm lượng tinh dầu trans-cinnamaldehyde (53,45%) và cis-9-octadecenamide (19,47%) [5]

Năm 2016, kết quả nghiên cứu của Bích và cộng sự, hàm lượng tinh dầu cành lá quế, vỏ quế thu được bằng chưng cất hơi nước tương ứng là 0,69 ± 0,02% và 2,87 ± 0,04% tinh dầu Qua phân tích GC – MS, thành phần tinh dầu quế được thu từ phương pháp chưng

cất lôi cuốn hơi nước đã được phân tích [6] Kết quả được thể hiện ở Bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần tinh dầu quế [6]

Hàm lượng tinh dầu trong cây quế là rất khác nhau tùy thuộc vào bộ phận thu hái và độ

tuổi của cây và phương pháp chưng cất t-Cinnamaldehyde là hợp chất chính có trong

tinh dầu vỏ và lá quế Nhưng giá thành tinh dầu được sản xuất từ lá quế có giá thành thấp hơn nhiều so vơi tinh dầu vỏ quế Điều này được đặt ra nhu cầu nghiên cứu nhằm khai thác các tiềm năng từ tinh dầu lá quế

1.1.4 Hoạt tính sinh học

Tinh dầu quế đã được sử dụng trong các phương thuốc qua nhiều thế kỷ và tác dụng tốt đối với việc điều trị kháng khuẩn, kháng nấm, diệt côn trùng, chống oxy hóa [6]

1.1.4.1 Các nghiên cứu về hoạt tính sinh học trong nước

Theo Vũ Thu Trang (2015), 10 µl tinh dầu quế có khả năng kháng khuẩn Staphylococcus

aureus (có mật độ khuẩn lạc là 108 CFU/mL) với đường kính kháng khuẩn (48 ± 2 mm)

[7]

Một nghiên cứu khác của Linh (2017) cho thấy tinh dầu quế có hiệu quả kháng nấm tốt

với nồng độ ức chế tối thiểu là 5 μl/mL ở nấm mốc (Aspergillus niger) và nấm men (Saccharomyces cerevisiae) Hiệu quả kháng nấm của tinh dầu quế tốt hơn hẳn so với

tinh dầu sả chanh, tinh dầu húng quế, tinh dầu bạc hà [8]

Nghiên cứu của Bích (2017), tinh dầu quế không có hoạt tính kháng P.aeruginosa và F

oxysporum mà có hoạt tính kháng S aureus với MIC = 100 μg/mL, A niger với MIC =

200 μg/mL trong khi E coli, B subtilis, S cerevisiae, C albicans là MIC = 400 μg/mL

Trong số các vi sinh vật kiểm định, tinh dầu quế có hoạt tính kháng khuẩn cao nhất đối

với S aureus với MIC 100 µg/mL Tinh dầu quế có hoạt tính gây độc tế bào với nồng

độ thử nghiệm ban đầu (40 μg/mL) Ở các nồng độ thử nghiệm tiếp theo, tinh dầu quế biểu hiện hoạt tính gây độc tế bào với 2 dòng tế bào ung thư gan và ung thư biểu mô

liên kết (Hep-G2 và RD) với giá trị IC50 lần lượt là 29,25 và 6,01 μg/mL, trong khi tinh dầu quế được chưng cất có tác động mạnh lên enzyme biểu hiện hoạt tính gây độc tế bào đối với 3 dòng tế bào ung thư (Hep-G2, LU-1 và RD) với giá trị IC50 lần lượt là 12,89; 25,95 và 2,34 μg/mL Đặc biệt, tinh dầu quế sau khi được chưng cất phân đoạn có có hoạt tính khá mạnh trên dòng ung thư biểu mô phổi với giá trị IC50 = 2,34 μg/mL Tinh dầu quế có biểu hiện hoạt tính ức chế đại thực bào sản sinh NO ở các khoảng nồng độ từ 6,25 đến 100 μg/mL (P < 0,05 với LPS đối chứng âm) Tinh dầu quế chưa thể hiện khả năng trung hòa gốc tự do của DPPH ở nồng độ nghiên cứu [6]

1.1.4.2 Các nghiên cứu về hoạt tính sinh học ngoài nước

Theo nghiên cứu của Seenivasan Prabuseenivasan và cộng sự (2006), tinh dầu quế có

hiệu quả kháng khuẩn các chủng vi khuẩn Gram (+) và Gram (-) bao gồm P aeruginosa,

P Vulgaris, B subtilis, S aureus, E coli và K pneumoniae Trong đó, tinh dầu quế cho

thấy tác dụng ức chế đáng kể đối với P aeruginosa (đường kính kháng khuẩn 33,3 mm),

B subtilis (đường kính kháng khuẩn 29,9 mm), P Vulgaris (đường kính kháng khuẩn

29,4 mm), K pneumoniae (đường kính kháng khuẩn 27,5 mm) và S aureus (đường kính

kháng khuẩn 20,8 mm) [9]

Một nghiên cứu của Chou và cộng sự (2013), trong các tế bào khối u ác tính B16 ở chuột

được kích thích bằng hormone kích thích tế bào hắc tố (α-MSH), tinh dầu quế và

t-cinnamaldehyde không chỉ làm giảm hàm lượng melanin và hoạt động tyrosinase của tế bào mà còn biểu hiện tyrosinase được điều chỉnh xuống mà không gây độc tế bào Hơn

nữa, tinh dầu quế và t-cinnamaldehyde làm giảm nồng độ chất phản ứng với acid

thiobarbituric (TBARS) và đã khôi phục hoạt động glutathione (GSH) và catalase trong

các tế bào B16 được kích thích bằng α-MSH Kết quả chứng minh rằng tinh dầu quế và thành phần chính t-cinnamaldehyde có tác dụng mạnh các hoạt động chống tyrosinase

và chống melanogen được kết hợp với các đặc tính chống oxy hóa Do đó, tinh dầu quế được sử dụng như là một chất chống oxy hóa có tiềm năng [10]

Các ứng dụng chữa bệnh của quế là khá rộng lớn và tiềm năng mang lại nhiều lợi ích hơn Hoạt tính sinh học của tinh dầu quế cần được nghiên cứu nhiều hơn trong các thử nghiệm lâm sàng trên quy mô lớn sẽ mang lại kết quả tốt hơn cái nhìn sâu sắc

1.1.5 Quy trình sản xuất tinh dầu quế

Hiện nay có rất nhiều phương pháp chiết xuất tinh dầu quế như chiết xuất bằng dung

chiết xuất bằng dung môi có ưu điểm vì tiến hành ở nhiệt độ phòng, nên thành phần hóa học của tinh dầu ít bị thay đổi Phương pháp này sử dụng một lượng lớn dung môi hữu cơ dễ cháy nổ nên là mối đe dọa lớn đến an toàn sản xuất Tinh dầu quế thu được thường lẫn dung môi làm cho sản phẩm mất đi tính tự nhiên Phương pháp dựa trên hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán và hòa tan của tinh dầu có trong các mô cây đối với các dung môi hữu cơ Trong phòng thí nghiệm, khi muốn tiến hành phương pháp chiết suất bằng dung môi có thể sử dụng phương pháp khuấy từ ở nhiệt độ phòng hoặc đun – khuấy từ (kèm ống hoàn lưu) hoặc phương pháp chiết soxhlet [12]

Hình 1.2 Hệ thống chiết soxhlet

Phương pháp chiết xuất bằng CO2 siêu tới hạn có nhiều ưu điểm và là phương pháp để tách các sản phẩm tự nhiên vì CO2 khi ở áp suất thường sẽ bốc hơi nhanh chóng và để lại tinh dầu tinh chất Phương pháp này chưa phổ biến vì giá thành cao và lượng nguyên liệu sử dụng còn hạn chế do thực hiện trong hệ thống nhỏ nên không thể tiến hành trong sản xuất quy mô công nghiệp, dẫn đến giá thành sản xuất cao [12]

Chưng cất lôi cuốn tinh dầu bằng hơi nước được dựa vào nguyên lý quá trình chưng cất một hỗn hợp không tan lẫn vào nhau là nước và tinh dầu Khi hỗn hợp này được gia nhiệt, hai chất đều bay hơi Nếu áp suất của hơi nước cộng với áp suất của tinh dầu bằng áp suất của môi trường, thì hỗn hợp sôi và tinh dầu được lấy ra cùng với hơi nước

Phương pháp này có ưu điểm về mặt năng lượng do nhiệt độ sôi của hỗn hợp thấp hơn nhiệt độ sôi của nước 100 oC, trong khi nhiệt độ sôi của tinh dầu > 100 oC ở áp suất khí quyển Chưng cất lôi cuối hơi nước không đòi hỏi nhiều thiết bị phức tạp, mà lại có khả năng tách gần như triệt để tinh dầu có trong nguyên liệu Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép tách các cấu từ trong tinh dầu thành những phần riêng biệt có độ tinh khiết cao hơn dựa vào sự khác biệt về tinh chất bay hơi [3] Đây là phương pháp sản xuất tinh dầu được sử dụng rộng rãi nhất trong quá trình sản xuất tinh dầu quế Trong công nghiệp, dựa trên thực hành hệ thống chưng cất hơi nước được chia làm 3 loại: chưng cất bằng nước, chưng cất bằng nước và hơi nước, chưng cất bằng hơi nước Cả ba phương pháp này đều có lý thuyết giống nhau nhưng khác về cách thực hiện Trong phòng thí nghiệm, khi muốn tiến hành phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước có thể dùng dụng cụ clevenger, clevenger kết hợp lò vi sóng [12]

Hình 1.3 Hệ thống chưng cất tinh dầu bằng phương pháp lôi cuốn hơi nước trong

công nghiệp

Hình 1.4 Dụng cụ cleveger chưng cất tinh dầu bằng phương pháp lôi cuốn hơi nước

trong phòng thí nghiệm

Hình 1.5 Vỏ quế và tinh dầu quế

Hình 1.6 Quy trình sản xuất tinh dầu quế bằng phương pháp

chưng cất lôi cuốn hơi nước [11]

1.2 Tổng quan về t-cinnamaldehyde (t-CA)

1.2.1 Tính chất vật lý

t-Cinnamaldehyde (t-CA) là một chất lỏng màu vàng với mùi ấm, ngọt, cay và vị cay

nồng, có tỷ trọng từ 1,045 – 1,052 ở 20 oC, khúc xạ từ 1,6000 – 1,6140 ở 20 oC, không tan trong nước, glycerin, ether dầu hỏa; tan tốt trong cồn; dễ bị oxi hóa trong không khí

chuyển hóa thành acid cinnamic và dễ bị biến đổi màu t-Cinnamaldehyde là một thành phần hương liệu được sử dụng trong nhiều hợp chất thơm t-Cinnamaldehyde được sử

dụng trong nước hoa, mỹ phẩm, dầu gội đầu, xà phòng vệ sinh chất tẩy rửa gia dụng

t-Cinnamaldehyde được sử dụng trên toàn thế giới khoảng 100 – 1000 tấn mỗi năm [13]

1.2.2 Hoạt tính sinh học

t-Cinnamaldehyde được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) và

Hiệp hội các nhà sản xuất Hương liệu và Chiết xuất (FEMA) Công nhận là An toàn (GRAS) và đã được Hội đồng Châu Âu cấp trạng thái A (nghĩa là có thể được sử dụng

trong thực phẩm) [14] Trên cơ sở này, t-cinnamaldehyde có thể được xem như một thực

phẩm an toàn và phụ gia hương vị, với hương vị và mùi dễ chịu, và đã tìm thấy nhiều ứng dụng thực phẩm thương mại [15]

t-Cinnamaldehyde đã được sử dụng trong nông nghiệp như một loại thuốc diệt nấm [16] t-Cinnamaldehyde cũng được đưa vào tạo màng kháng khuẩn giúp làm bất hoạt mầm

bệnh gây bệnh từ thực phẩm [17] Màng kháng khuẩn cũng đã được chứng minh là làm giảm sự hiện diện của các sinh vật gây hư hỏng không gây bệnh ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm [14]

Theo nghiên cứu của Lee và cộng sự (2004), t-cinnamaldehyde được xem như là tác nhân chống khối u và chống ung thư tiềm năng t-Cinnamaldehyde hoạt động chống lại

một số dòng tế bào ung thư, bao gồm phổi A549, buồng trứng SKOV-3 và dòng tế bào

hệ thống thần kinh trung ương XF-498 Ngoài ra, t-cinnamaldehyde được báo cáo là có

khả năng ức chế đáng kể NNK (4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone), là 1

chất gây ra ung thư phổi được thử nghiệm in vivo ở chuột đực rasH2 [14]

t-Cinnamaldehyde còn thể hiện hoạt tính tương đương với các tác nhân chống ung thư như cisplatin đối với cổ tử cung biểu mô HeLa, khối u ác tính SK-MEL-2 và các tế bào khối u ruột kết HCT-15 [18]

Hình 1.7 Công thức cấu tạo t-cinnamaldehyde

1.2.3 Quy trình sản xuất t-cinnamaldehyde (t-CA)

Năm 1830, các nhà hóa học đã báo cáo việc tổng hợp t-cinnamaldehyde thông qua quá

trình ngưng tụ aldol của benzaldehyde và acetaldehyde Nhưng cách kinh tế nhất để sản

xuất t-cinnamaldehyde vẫn là quá trình chưng cất phân đoạn áp suất thấp tinh dầu quế

Thiết bị chưng cất phân đoạn chủ yếu bao gồm thiết bị bay hơi, bồn chưng, tháp chưng cất, thiết bị trao đổi nhiệt, bình hứng, máy bơm chân không, máy bơm nguyên liệu Trong quá trình chưng cất, tinh dầu quế được đưa vào bồn chưng thông qua máy bơm chân không Tinh dầu quế được làm nóng bằng hệ thống gia nhiệt Để có đủ nhiệt độ

làm bay hơi t-cinnamaldehyde trong tinh dầu quế, nhiệt độ dầu nóng được gia nhiệt cao

hơn từ 30 oC - 50 oC so với nhiệt nhiệt của tinh dầu quế trong bồn chưng, áp suất được giữ không đổi ở -0,1 MPa trong suốt quá trình chưng cất Lượng hơi được tách chiết trong cột, sau đó lượng hơi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt để ngưng tụ lại Sản phẩm thu được từ bình hứng sẽ đem phân tích hàm lượng bằng sắc ký khí [19]

Ở giai đoạn đầu, nhiệt độ của tinh dầu quế trong bồn chưng là ở 110 oC, nhiệt độ ở đỉnh tháp chưng ở 50 oC với tỷ lệ hồi lưu là 0 : 1

Ở giai đoạn thứ hai, khi có chất lỏng chảy ra được thu được ở bồn hứng, nhiệt độ tinh dầu quế lúc này trong bồn chưng là ở 140 oC, nhiệt độ ở đỉnh tháp chưng ở 110 oC với tỷ lệ hồi lưu là 10 : 1 Sản phẩm trong bồn hứng được kiểm tra hàm lượng bằng các phương pháp phân tích sắc ký khí Khi hàm lượng, độ tinh khiết đạt 98 – 99%, t-

cinnamaldehyde sẽ được thu riêng ở bình hứng và tiến hành thu sản phẩm

Ở giai đoạn thứ ba, nhiệt độ của tinh dầu quế trong bồn chưng là ở 160 oC, nhiệt độ ở đỉnh tháp chưng ở 140 oC với tỷ lệ hồi lưu là 0 : 1 Lúc này độ tinh khiết t-

cinnamaldehyde giảm do nhiều tạp chất được sinh ra Cân đối sản phẩm thu được để dừng hệ thống [19]

Hình 1.8 Quy trình sản xuất t-cinnamaldehyde [19]

TINH DẦU QUẾ

Hình 1.9 Hệ thống chưng cất phân đoạn áp suất kém t-cinnamaldehyde [19]

1.3 Tổng quan về t-cinnamyl alcohol (t-CAOH)

t-Cinnamyl alcohol (t-CAOH) là một chất rắn có màu vàng nhẹ đến trắng, có nhiệt độ

nóng chảy thấp (tnc = 30 – 33 oC), có tỷ trọng từ 1,044 ở 20 oC, khúc xạ từ 1,5819 ở 20 oC, không tan trong nước và ether dầu hỏa , tan tốt trong ethanol t-Cinnamyl alcohol là

thành phần hương liệu được tìm thấy trong nước hoa, được sử dụng trong mỹ phẩm, dầu gội, xà phòng và tiêu thụ trên toàn thế giới khoảng 100 – 1000 tấn mỗi năm [20]

t-Cinnamyl alcohol tự nhiên chỉ chiếm tối đa 1% trong tinh dầu quế nên không thể chưng

cất phân đoạn, t-cinnamyl alcohol tự nhiên được tạo ra bởi quá trình kiềm hóa của

cinnamyl acetate có trong tinh dầu nhựa bồ đề và sau đó được chưng cất phân đoạn lại Sản phẩm này được ưa thích trong nước hoa do chứa các tạp chất vi lượng của tinh dầu tạo mùi dễ chịu

t-Cinnamyl alcohol cũng được tổng hợp thông qua con đường xúc tác sinh học từ chất có nguồn gốc sinh học, L-phenylalanine (1) sử dụng kết hợp phenylalanine amoniac

lyase (PAL), men khử axit cacboxylic (CAR) và rượu dehydrogenase (AHD) [29]

Ngoài ra, t-cinnamyl alcohol còn là chất trung gian trong một số quy trình tổng hợp

cinnamyl acetate (chất tạo mùi thơm), cinnamyl methacrylate (một monome có thể được trùng hợp bởi cả gốc tự do và quang hóa để tạo ra một sản phẩm liên kết chéo) Amin

hóa t-cinnamyl alcohol để tạo một số hợp chất amin khác nhau như flunarizine và naftifine (được sử dụng để điều trị nhiễm nấm) t-Cinnamyl alcohol được dùng làm

nguyên liệu ban đầu cho quá trình tổng hợp nhiều bước của thuốc dapoxetine và một

loại thuốc điều trị ung thư được sử dụng rộng rãi là Taxol (Hình 1.10) [21–22]

Hiện nay, các phương pháp để tổng hợp t-cinnamyl alcohol đều dựa trên phản ứng hoàn nguyên t-cinnamaldehyde Có 3 phương pháp thường dùng [12]:

+ Hoàn nguyên Merrwein-Ponndorf, hiệu suất khoảng 85%, sử dụng alcol isopropyl, xúc tác isopropoxid nhôm tương ứng

+ Hydro hóa xúc tác chọn lọc chỉ hoàn nguyên nhóm định chức carbonyl, sử dụng xúc tác Os-C, hiệu suất khoảng 95%

+ Cinnamyl alcohol thu được với hiệu suất cao nhất khi hoàn nguyên

t-cinnamaldehyde bằng borohidrir kim loại kiềm

Hình 1.10 Các hóa chất sản xuất trong công nghiệp có thể được tổng hợp từ

t-cinnamyl alcohol [22]

Hình 1.11 Công thức cấu tạo t-cinnamyl alcohol

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Ngày nay, ngành tinh dầu đã và đang thu hút không ít các nhà nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước đặc biệt là sử dụng sản phẩm từ tinh dầu được dùng làm nguyên

liệu để bán tổng hợp tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế cao hơn Trong đó, t-cinnamyl

alcohol được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hương liệu, nước hoa, mỹ phẩm,… Hyđro hóa chọn lọc 𝛼, β-aldehyde không no thành tương ứng 𝛼, β-rượu không no được

thu hút mạnh mẽ do các mối quan tâm khoa học và kinh tế t-Cinnamaldehyde thường

được sử dụng làm chất phản ứng mô hình cho quá trình hydro hóa chọn lọc và được nghiên cứu chuyên sâu trong những thập kỷ qua Hơn nữa, do hiệu ứng liên hợp ảnh hưởng của liên kết C=O và C=C, quá trình hydro hóa chọn lọc của liên kết C=O tạo ra

t-cinnamyl alcohol Các hydro hóa chọn lọc t-cinnamaldehyde thành t-cinnamyl alcohol

vẫn là một vấn đề thách thức [23,24]

Hình 1.12 Sơ đồ phản ứng hydro hóa t-cinnamaldehyde [23]

Hình 1.9 minh họa sơ đồ phản ứng cho quá trình hydro hóa t-cinnamaldehyde, trong

đó hydro hóa t-cinnamaldehyde tạo ra t-cinnamyl alcohol và hydrocinnamaldehyde Quá trình hydro hóa tiếp theo tạo thành sản phẩm là hydrocinnamyl alcohol [23] t-Cinnamyl alcohol có giá trị cao hơn so với những các sản phẩm khác vì t-cinnamyl alcohol là sản

phẩm trung gian được sử dụng để tổng hợp nhiều loại sản phẩm có giá trị trong hương liệu, nước hoa và mỹ phẩm

Tại Trung Quốc, năm 2002 Li và cộng sự đã sử dụng xúc tác hợp kim vô định hình B, ở dạng hạt siêu mịn, được điều chế bằng phản ứng khử hóa học của CoCl2 với bohidrur trong dung dịch nước Chất xúc tác vô định hình Co-B được điều chế thể hiện

Co-hoạt động và tính chọn lọc cao để tổng hợp t-cinnamyl alcohol từ t-cinnamaldehyde với

hiệu suất tối ưu 87,6% phản ứng trong 2 giờ [25]

Nghiên cứu của Behzad Zeynizadeh (2005) đã tổng hợp thành công t-cinnamyl alcohol từ t-cinnamaldehyde với chất khử NaBH4 bằng phương pháp siêu âm Phản ứng khử được thực hiện trong dung môi THF tại nhiệt độ phòng với thời gian 18 phút đạt hiệu suất 96% [51]

Nhóm nghiên cứu của Fan (2006) và cộng sự đã sử dụng nano LiH làm chất khử cho

phản ứng tổng hợp t-cinnamyl alcohol từ t-cinnamaldehyde trong dung môi THF với độ

chuyển hóa 99.4% và độ chọn lọc 99.8% trong thời gian 60 phút [52]

Một nghiên cứu khác của Li (2007) sử dụng xúc tác Pt-Co được hỗ trợ trên các ống nano

carbon (CNT) đã được điều chế bằng cách ngâm tẩm ướt và hydro hóa chọn lọc của cinnamaldehyde thành t-cinnamyl alcohol qua các chất xúc tác đã được nghiên cứu trong

t-ethanol ở các điều kiện phản ứng khác nhau Kết quả cho thấy xúc tác Pt-Co/CNT có

hoạt tính cao nhất với độ chuyển hóa t-cinnamaldehyde 92,4% và độ chọn lọc đạt 93,6%

[26]

Nhóm nghiên cứu của Ye (2008) đã sử dụng tác nhân khử NaBH4 trong môi trường

kiềm (pH = 12 – 14) với dung môi ethanol để điều chế cinnamyl alcohol từ

t-cinnamaldehyde ở nhiệt độ 12 – 30 oC Bằng phương pháp chưng cất áp suất kém để thu

được t-cinnamyl alcohol thành phẩm và thu hồi dung môi Phương pháp này có quy trình

đơn giản, chi phí sản xuất thấp, không gây ô nhiễm, chất lượng ổn định, hiệu suất đạt 90% và độ tinh khiết đạt 98% [45]

Nghiên cứu khác của Guo và đồng sự (2012) đã sử dụng xúc tác oxit sắt trên các hạt nano Pt được tạo hình sẵn bằng cách sử dụng phương pháp khử polyol mới với phương

pháp gia nhiệt vi sóng (TMH) Quá trình hydro hóa t-cinnamaldehyde thành t-cinnamyl

alcohol thu được với độ chọn lọc 89,1% [27]

Theo nghiên cứu của Pan và cộng sự (2017) tiến hành quá trình hydro hóa chọn lọc cinnamaldehyde thành t-cinnamyl alcohol được tiến hành bằng một loạt của các chất

t-xúc tác Pt pha tạp FeOx được hỗ trợ trên hỗn hợp 15% khối lượng Al2O3-SBA-15 (15AS) Với tỷ lệ mol Fe/Pt tối ưu là 0,25 thì kết quả thu được chất xúc tác PtFe0,25/15AS

đạt độ chọn lọc 76,9% đối với t-cinnamyl alcohol [28]

Kết quả nghiên cứu của Evaldas Klumbys và cộng sự (2017) đã nghiên cứu tổng hợp

t-cinnamyl alcohol với hiệu suất tổng hợp đạt 53% thông qua con đường xúc tác sinh học

từ chất có nguồn gốc sinh học, L-phenylalanine (1) sử dụng kết hợp phenylalanine

amoniac lyase (PAL), men khử axit cacboxylic (CAR) và rượu dehydrogenase (AHD) [29]

Hình 1.13 Sơ đồ tổng hợp t-CAOH thông qua con đường xúc tác sinh học

Một nghiên cứu khác của Cao (2019) đã tổng hợp một loạt các hạt nano PtFe lưỡng kim hỗ trợ ống nano carbon (CNT) và được sử dụng làm chất xúc tác cho quá trình hydro

hóa t-cinnamaldehyde trong nước tinh khiết Kết quả thu được với độ chọn lọc cao

>97%, có tính ổn định, đã đạt được với chất xúc tác Pt3Fe/CNT trong điều kiện phản ứng nhẹ [30]

Theo nghiên cứu của Gao và cộng sự (2019) đã tiên hành điều chế chất xúc tác BN có hỗ trợ kim loại Pt được điều chế bằng phương pháp ngâm tẩm sử dụng Pt(NH3)4(NO3)2làm tiền chất kim loại và được thử nghiệm trong quá trình hydro hóa chọn lọc pha lỏng

của t-cinnamaldehyde Người ta thấy rằng chất xúc tác Pt/BN thể hiện hiệu suất cao đối

với quá trình hydro hóa chọn lọc C=O ở nhiệt độ phòng với độ chọn lọc trên 85% đối

với t-cinnamyl alcohol và độ chuyển hóa t-cinnamaldehyde trên 95% Nghiên cứu cho

thấ nước là dung môi phù hợp và sự hiện diện của nước trong dung môi là rất quan trọng

đến hoạt động của xúc tác Pt/BN để đạt được hiệu suất cao của quá trình hydro hóa

t-cinnamaldehyde [31]

Kết quả nghiên cứu của Wang và cộng sự (2019) đã sử dụng HPZSM-5 với cấu trúc xốp thu được qua quá trình khử silic một phần của ZSM-5 thương mại đã được chứng minh là một chất xúc tác phù hợp được kết hợp với các hạt nano Pt, được dùng cho quá trình

hydro hóa chọn lọc pha lỏng t-cinnamaldehyde Trong các điều kiện được tối ưu hóa, chất xúc tác PtFe/HPZSM-5 đã chuyển hóa 97,9% t-cinnamaldehyde với độ chọn lọc 87,6% thành t-cinnamyl alcohol [32]

Một nghiên cứu khác của Tan và cộng sự (2021) đã sử dụng nano Au có phủ cysteine được hỗ trợ bởi ZnAl-hydrotalcite làm chất xúc tác sơ bộ cho quá trình hydro hóa chọn

lọc hóa học của t-cinnamaldehyde thành t-cinnamyl alcohol Chất xúc tác cho thấy độ

chọn lọc cao ổn định (~ 95%) trong thời gian phản ứng kéo dài và chuyển hóa hoàn toàn

t-cinnamaldehyde [33]

Bảng 1.2 Nghiên cứu về quá trình hydro hóa t-cinnamaldehyde thành

t-cinnamyl alcohol trên thế giới

Xúc tác T (oC)

PH2 (bar)

Thời gian phản

ứng (giờ)

Dung môi

Tốc độ khuấy (rpm)

%Độ chuyển

hóa

%Độ chọn lọc

%Hiệu suất

Isopropanol

+ H2O 1200 77,4 76,0 58,8 Pt3Fe/CNT

Pt/BN [31] 25 4 2 Isopropanol

+ H2O 1732 95,8 85,2 81,6 Pt/CoAl-HT

PtFe/

HPZSM-5 90 20 1 Isopropanol 1000 97,9 87,6 85,8

Al‐300 [33] 130 15 5 Isopropanol 30 98,3 95,4 93,8

Bảng 1.2 mô tả các điều kiện phản ứng quá trình hydro hóa t-cinnamaldehyde thành

cinnamyl alcohol Hiệu suất tổng hợp cinnamyl alcohol và độ chuyển hóa

t-cinnamaldehyde của các bài nghiên cứu có giá trị thấp, nghiên cứu chỉ tập trung chủ yếu

vào điều chế xúc tác và chỉ dừng ở giai đoạn tổng hợp ra t-cinnamaldehyde ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa có nghiên cứu cụ thể ở quy mô lớn và tinh chế, cô lập t-cinnamyl alcohol Quá trình hydro hóa t-cinnamaldehyde thành t-cinnamyl alcohol bằng sử dụng

các xúc tác nano kim loại Pt, Ru, Au, Co, Cu… với độ chọn lọc và hoạt tính xúc tác không cao, chi phí điều chế xúc tác tương đối cao, phản ứng được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao [45]

Tại Việt Nam các công trình nghiên cứu về bán tổng hợp t-cinnamyl alcohol chưa có

nhiều thông tin

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

Trong nghiên cứu này, tác nhân khử NaBH4 sẽ được sử dụng để tổng hợp t-cinnamyl

alcohol NaBH4 là chất rắn kết tinh màu trắng, có thể cân trong điều kiện khí quyển và được sử dụng trong dung dịch nước hoặc alcol cho ra sản phẩm với hiệu suất cao, an toàn và êm dịu hơn các tác nhân khử khác Các điều kiện ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp và độ chuyển hóa như dung môi, nhiệt độ, áp suất, tốc độ khuấy, lượng xúc tác và tác nhân khử sử dụng Các phương pháp truyền thống được áp dụng để tối ưu hóa của

quá trình hydro hóa t-cinnamaldehyde không cung cấp thông tin tốt về sự tương tác của

các biến, làm gia tăng số lượng thí nghiệm dẫn đến gia tăng thời gian và chi phí sản xuất

[34] Do đó, nghiên cứu tiến hành thực hiện quá trình hydro hóa t-cinnamaldehyde dựa trên điều kiện tối ưu của phương pháp bề mặt đáp ứng RSM Sau khi tổng hợp t-

cinnamyl alcohol với hiệu suất cao, nghiên cứu tiến hành áp dụng các điều kiện tối ưu trên nguyên liệu tinh dầu quế, nhằm mục đích làm giảm giá thành sản xuất Sau đó, đề

tài tiếp tục khảo sát quá trình kết tinh, tái kết tinh t-cinnamyl alcohol nhằm thu được sản

phẩm có hiệu suất thu hồi và độ tinh khiết cao hơn Toàn bộ quy trình trong nghiên cứu

này được thực hiện trên hai nguyên liệu t-cinnamaldehyde và tinh dầu quế

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất, thiết bị

2.1.1 Hóa chất

Tinh dầu quế, t-cinnamaldehyde 98% là nguyên liệu có sẵn tại công ty TNHH Oxeyns

Tất cả hóa chất cần thiết cho quy trình tổng hợp được nhập thương mại (như liệt kê trong

Bảng 2.1) và được sử dụng như đã nhận mà không cần thực hiện bất kỳ quá trình tinh

chế nào Bên cạnh đó, t-cinnamaldehyde và t-cinnamyl alcohol 98% (Shanghai Macklin

Biochemical Technology CO., LTD) là chất chuẩn cho phép đo sắc ký

Bảng 2.1 Một số loại hóa chất sử dụng trong quá trình thực hiện

2.1.2 Thiết bị sử dụng

Thiết bị dùng trong đề tài nghiên cứu được trình bày ở Bảng 2.2

Bảng 2.2 Các thiết bị chính dùng cho nghiên cứu

2.2 Phương pháp và nội dung nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp đáp ứng bề mặt RSM

Phương pháp bề mặt đáp ứng RSM (Response Surface Methodology) được phát triển bởi George Box và cộng sự vào những năm 1950, là một phương pháp thống kê được sử dụng để thiết lập một tập hợp các thí nghiệm trong nhiều quá trình hóa học và vật lý RSM bao gồm các kỹ thuật toán học và thống kê dựa trên sự phù hợp của một phương trình đa thức với dữ liệu thực nghiệm thu được [35]

Phương pháp RSM được sử dụng để tìm ra mối liên hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và hàm mục tiêu, xác định sự ảnh hưởng của từng yếu tố cũng như ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố lên hàm mục tiêu Trước khi áp dụng phương pháp RSM, nghiên cứu tiến hành thăm dò thử nghiệm trong phạm vi thí nghiệm đang được nghiên cứu Tuy nhiên, đôi khi các yếu tố cũng có thể được thông qua từ kinh nghiệm thực tế và sau đó được

thực hiện bằng các thí nghiệm được thiết kế thăm dò [34] Hình 2.1 thể hiện các bước

thực hiện để xây dựng RSM

Technologies Mỹ 2 GC – MS (Agilent G1530A), đầu dò MS 5973N Agilent

Technologies Mỹ

Biospin Thụy Sĩ

Hình 2.1 Các bước cho phương pháp phản ứng bề mặt [36]

Mô hình Box–Behnken là mô hình thử nghiệm cho phương pháp RSM được trình bày

như Hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình Box–Behnken [34]

Thiết kế theo mô hình Box–Behnken được sử dụng trong trường hợp có trên hai yếu tố khảo sát Các yếu tố được đặt tại một trong ba giá trị khoảng cách đều nhau và được mã hóa là −1, 0, +1 Theo mô hình Box−Behnken, khảo sát k yếu tố với no thí nghiệm tại tâm và số thí nghiệm theo phương án này được trình bày như phương trình (2.1)

Đối với khảo sát ba yếu tố theo mô hình Box−Behnken, phương trình hồi quy có dạng như phương trình (2.2)

Y = βo+ ∑ βiXin

+ ∑ βiiXi2n

+ ∑ ∑ βijXiXjn

, j > 1 (2.2)

trong đó: Y là hàm mục tiêu; Xi, Xj là các biến mã hóa tương ứng của các yếu tố khảo sát; β0 là hằng số mô hình; βi là các hệ số bậc một; βii là các hệ số bậc hai; βij là các hệ số tương tác [37]

Phân tích ANOVA cho phương trình bậc hai: Dữ liệu thử nghiệm được đánh giá để phù

hợp với mô hình phân tích thống kê Hệ số tương quan (R2), hệ số R hiệu chỉnh R2) và độ chính xác thích hợp được sử dụng để kiểm tra các phần tử mô hình Mô hình được xem là có ý nghĩa về mặt thống kê khi: (1) giá trị p < 0,05; (2) sự không tương tích mô hình (lack of fit p-value) F > 0,05; (3) giá trị R2 > 0,9 và (4) độ chính xác thích hợp

t-cinnamyl alcohol

2.2.2 Phương pháp phân tích GC – FID

Nghiên cứu điều kiện phản ứng: khảo sát lần lượt các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa bằng phân tích sắc ký khí GC – FID nhằm xác định hiệu suất phản ứng của các mẫu trong bình phản ứng GC – FID là một phương pháp phân tích kết hợp các tính năng của sắc ký khí GC và đầu dò ion hóa ngọn lửa FID để phát hiện hợp chất hiện diện ở nồng

độ rất nhỏ của tất cả các hợp chất hữu cơ Đầu dò FID này rất thông dụng cho máy sắc ký vì hầu hết các hợp chất cần phân tích đều là hợp chất hữu cơ có thể đốt cháy được Khi một hợp chất hữu cơ đi ra khỏi cột sắc ký được dẫn vào bộ phận đầu dò, xuyên qua ngọn lửa và bị ngọn lửa đốt cháy Ngọn lửa hydrogen tinh khiết có chứa các gốc tự do H•, O•, •OH nhưng không có chứa các ion Khi hợp chất hữu cơ hiện diện trong ngọn lửa, sự ion hóa sẽ xảy ra và số lượng sẽ tương ứng với số nguyên tử carbon và như thế cũng tương ứng với số phân tử [40]

Hình 2.3 Mô hình hệ thống sắc ký khí ghép đầu dò ion hóa ngọn lửa GC – FID [41]

Việc định lượng các cấu tử sản phẩm được thực hiện trên máy GC Agilent 5890 tại công ty TNHH Oxeyns Máy sắc ký GC được trang bị cột mao quản nhồi silica HP-5 30,0 m x 0,25 mm x 0,25 μm và đầu dò ion hóa ngọn lửa (flame ionization detector, FID) Khí mang được sử dụng là khí nitrogen Nhiệt độ lò được cài đặt chương trình với nhiệt độ đầu là 60 oC giữ 5 phút, tăng 10 oC/phút đến 180 oC giữ 10 phút và tăng 20 oC/phút đến 240 oC Mẫu tiêm vào được hóa hơi ở 250 oC và không chia dòng Mẫu sản phẩm dùng để phân tích được chiết với dung môi ethyl acetate Nhiệt độ injector: 280 oC, nhiệt độ detector: 280 oC

Hình 2.4 Thiết bị phân tích sắc ký khí GC Agilent 5890

Phương pháp đánh giá: Quy trình tổng hợp sẽ được đánh giá tính hiệu quả thông qua

hiệu suất t-cinnamyl alcohol và độ chuyển hóa t-cinnamaldehyde Cả hai đại lượng này được tính toán dựa trên nồng độ t-cinnamaldehyde (CC) và t-cinnamyl alcohol (CCAOH) có trong các mẫu sản phẩm và nguyên liệu Nồng độ được xác định theo phương pháp GC – FID kết hợp với phương pháp nội chuẩn thông qua việc lập đường chuẩn sử dụng

t-cinnamaldehyde, t-cinnamyl alcohol chuẩn và chất nội chuẩn benzyl alcohol (BnOH)

Mẫu đo được pha theo tỷ lệ: 20 μL sản phẩm + 2520 μL dung dịch BnOH (nồng độ BnOH 5000 ppm) với dung môi là ethyl acetate + 15460 μL ethyl acetate

Độ chuyển hóa t-cinnamaldehyde (t-CA) của mỗi thí nghiệm được tính như sau:

X (%) = (1 −mCs

mCđ) × 100% Trong đó:

mCs - khối lượng t-CA thu được (g): mCs = (ms/𝜌𝑠) × Cs × (18/20) × 10-3 (2.4)

mCđ - khối lượng t-CA ban đầu (g): mCđ = (mđ/𝜌đ) × Cđ × (18/20) × 10-3 (2.5)

mđ, ms - khối lượng nguyên liệu, sản phẩm (g);

𝜌đ, 𝜌𝑠 - khối lượng riêng của nguyên liệu, sản phẩm (g/mL);

(2.3)

Cđ, Cs - nồng độ t-cinnamaldehyde trong nguyên liệu, sản phẩm (ppm): nội suy từ

đường chuẩn t-cinnamaldehyde (Hình 2.5) theo tỷ lệ diện tích peak St-cinnamaldehyde/SBnOH

Hình 2.5 Đường chuẩn t-cinnamaldehyde

Hiệu suất t-cinnamyl alcohol của mỗi thí nghiệm được tính như sau:

H (%) = mtt

Trong đó:

mtt - khối lượng t-CAOH thực tế (g): mtt = (ms/𝜌𝑠) × CCAOH × (18/20) × 10-3 (2.7)

mlt - khối lượng t-CAOH tính theo lý thuyết (g): mlt = (mCđ/MC) × MCAOH (2.8)

Mt-CAOH = 134,17 g/mol; MC = 132,16 g/mol;

Ct-CAOH - nồng độ t-CAOH trong sản phẩm (ppm): nội suy từ đường chuẩn t-CAOH

(Hình 2.6) theo tỷ lệ diện tích peak St-CAOH /SBnOH