Đồ Án nhập môn kỹ thuật hóa học Đề tài tổng quan và quy trình công nghệ sản xuất methyl salicylate Ở quy mô công nghiệp

Ngoài ra, methyl salicylate còn có tính chất chống viêm và giảm đau, nên nó cũng được sử dụng trong một số ứng dụng y tế như trong các sản phẩm giảm đau cục bộ.. Tính chất tan của methyl

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

ĐỒ ÁN NHẬP MÔN

KỸ THUẬT HÓA HỌC

Đề tài: : Tổng quan và quy trình công nghệ sản xuất methyl salicylate ở quy

mô công nghiệp

Nhóm 3 Hoàng Trung Kiên

Mục lục

- Tổng Quan về Methyl Salicylate:

+) Methyl salicylate có công thức hóa học C8H8O3 và là este của axit salicylic và metanol Đặc điểm quan trọng của nó là mùi hương đặc trưng và tính năng chống vi khuẩn, chống viêm, làm dịu da, khiến cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau

- Quy Trình Sản Xuất Methyl Salicylate:

+) Quy trình sản xuất methyl salicylate đòi hỏi một chuỗi các bước phức tạp trong phản ứng hóa học Bắt đầu từ nguyên liệu đầu vào như acid salicylic và metanol, quá trình ester hóa sẽ diễn ra để tạo ra methyl salicylate Quá trình này không chỉ đòi hỏi

sự hiểu biết sâu sắc về hóa học hữu cơ mà còn đòi hỏi kiểm soát kỹ thuật chặt chẽ để đảm bảo chất lượng cao và hiệu suất sản xuất

Vì vậy, Chúng ta sẽ đi sâu vào các bước chi tiết của quy trình sản xuất, đồng thời xem xét cả các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm cuối cùng Thông qua nỗ lực nghiên cứu và phân tích chi tiết, đồ án này hy vọng mang lại cái nhìn toàn diện về methyl salicylate, từ tính chất đến quy trình sản xuất, đồng thời làm nổi bật vai trò quan trọng của hợp chất này trong ngành công nghiệp hiện đại

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ METHYL SALICYLATE

Methyl salicylate là một hợp chất hóa học có công thức phân tử C8H8O3 Nó cũng được biết đến với tên gọi khác như oil of wintergreen hoặc wintergreen oil Dưới dạng

tự nhiên, methyl salicylate thường được tìm thấy trong lá cây wintergreen (Gaultheria procumbens) và một số loài cây khác

I.1 Đặc điểm chung

I.1.1 Nguồn gốc của Methyl Salicylate

Methyl salicylate được sản xuất bởi nhiều loài thực vật khác nhau đặc biệt là các cây sống được ở mùa đông Methyl salicylate lần đầu tiên được phân lập từ loài cây

Gaultheria procumbens (Hình 1.1), là một loại cây nhỏ có nguồn gốc tại khu vực ĐôngBắc Bắc Mỹ,thường sinh sống ở khu vực rừng ẩm Đây là một loài cây thuộc họ Thạchnam, là một cây thân thảo có lá màu xanh lục nhỏ, cây thường mọc rải rác trên mặt đất

Lá của nó có mùi hương đặc trưng và có thể giữ màu xanh quanh năm Cây này có chứa methyl salicylate, tạo nên mùi hương đặc trưng của nó

Hình 1.1: Cây Gaultheria procumbens

Người đầu tiên phát hiện và phân lập là nhà hóa học người Pháp Auguste André Thomas Cahours (Hình 1.2) vào năm 1843 Ông được biết đến là một nhà hóa học

nổi tiếng với nhiều công trình trong lĩnh vực hóa học hữu cơ Cahours đã thành công trong việc chiết xuất một chất lỏng có mùi hương đặc trưng từ lá cây

gaultheria procumbens và xác định nó là este của axit salicylic Nó cũng có vị cay mạnh mẽ và có thể tạo ra cảm giác mát khi tiếp xúc với da Ông đặt tên cho chất này

là "methyl salicylate" Từ đó, methyl salicylate đã trở thành một thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng, bao gồm công nghiệp mỹ phẩm, chăm sóc da, các sản phẩm dược phẩm như kem xoa bóp và kem đánh răng Nó cũng có thể được sử dụngtrong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống để tạo mùi hương và vị đặc trưng Ngoài ra, methyl salicylate còn có tính chất chống viêm và giảm đau, nên nó cũng được sử dụng trong một số ứng dụng y tế như trong các sản phẩm giảm đau cục bộ

Hình 1.2: Auguste André Thomas Cahours (19/04/1813 – 16/05/1891)

I.1.2 Công thức cấu tạo

Methyl salicylate là một este được tạo thành từ việc nhóm metyl (CH ) thay thế một ₃) thay thế một nguyên tử hydro (H) trong nhóm hydroxyl (-OH) của axit salicylic Cụ thể, công thức cấu tạo của methyl salicylate là CH -OC(=O)-C H -OH Trong đó, CH là nhóm ₃) thay thế một ₆H₄-OH Trong đó, CH₃ là nhóm ₄-OH Trong đó, CH₃ là nhóm ₃) thay thế một metyl, OC(=O) là nhóm este, C H là nhân benzene (còn được biết đến là salicylic ₆H₄-OH Trong đó, CH₃ là nhóm ₄-OH Trong đó, CH₃ là nhóm acid), và -OH là nhóm hydroxyl Công thức cấu tạo của methyl salicylate được biểu diễn dưới một số dạng sau (Hình 1.3 – 1.5) Tất cả những gốc chức trên đều góp phần tạo nên các tính chất đặc trưng của methyl salixylate Trong đó, nhóm ester ( -COO- )

có thể tạo mùi hương đặc trưng cho methyl salicylate, góp phần vào mùi của cây báchhợp hoặc cây lạc; cấu trúc nhân benzene ( C6H4 )có thể tạo tính chất phân cực cho

phân tử; nhóm hydroxyl ( -OH- ) có thể tác động như một nhóm phenol, có khả năng tham gia vào các phản ứng acid-base và có ảnh hưởng đến tính chất acid-base của phân tử; nhóm metyl ( CH3 ) tham gia vào cấu trúc ester và có thể tác động đến độ phân cực của phân tử.

Hình 1.3:

Hình 1.4:

Natural wintergreen flavor (Hương liệu tự nhiên cây bách hợp)

Tên trong ngành Tự nhiên: dược học: Betula oil (một trong những tên thường được sử dụng)

I.2 Tính chất vật lý

I.2.1 Tính tan

Methyl salicylate là một chất lỏng trong suốt có khả năng hoà tan trong nước ở mức độnhất định, nhưng tính tan của nó không cao, nó có thể hoà tan được ở mức độ nhất định do sự tạo ra của nhóm ester và nhóm hydroxyl trong cấu trúc phân tử Ngoài ra, methyl salicylate còn có thể hòa tan tốt trong một số dung môi khác như ethanol, acetone, dầu Mineral ( dầu khoáng ), dầu dừa

Tính chất tan của methyl salicylate là một trong những yếu tố quan trọng khi sử dụng

nó trong các ứng dụng mỹ phẩm, dược phẩm và thực phẩm Tùy thuộc vào mục đích

sử dụng và các yếu tố khác, methyl salicylate có thể được hòa tan trong nhiều dung

môi hữu cơ khác nhau để tạo ra các sản phẩm có tính chất mong muốn Sự hòa tan có thể tạo ra một số tính chất như độ trong suốt và khả năng hòa tan trong các hệ dung môi khác nhau, điều này ảnh hưởng đến cách sản phẩm được chế biến và sử dụng.

I.2.2 Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của methyl salicylate có thể biến động tùy thuộc vào điều kiện cụ thể và chất lượng của chất liệu Dưới đây là các giá trị ước lượng cho nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của methyl salicylate:

Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ nóng chảy của methyl salicylate thường nằm trong khoảng 20 đến 22 độ C (68 đến 72 độ F) Đây là nhiệt độ mà chất từ dạng rắn chuyển sang dạng lỏng

Nhiệt độ sôi: Nhiệt độ sôi của methyl salicylate thường nằm trong khoảng 220 đến 224

độ C (428 đến 435 độ F) Đây là nhiệt độ mà chất từ dạng lỏng chuyển sang dạng hơi khi áp suất bằng 1 atm (101.3 kPa)

Lưu ý rằng các giá trị này chỉ mang tính chất ước lượng và có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của môi trường và chất lượng của chất liệu

Tính chất phản ứng Acid-Base: Nhóm hydroxyl (-OH) trong cấu trúc của methyl salicylate có thể tham gia vào các phản ứng acid-base Nhóm hydroxyl này tạo cho methyl salicylate tính chất acid nhẹ và có thể tham gia vào các phản ứng hóa học tương ứng

Tham gia phản ứng thế và oxi hóa: Cấu trúc nhân benzene của methyl salicylate có thểtham gia vào các phản ứng thế và oxi hóa Các tính chất này làm cho methyl salicylate thích hợp cho nhiều ứng dụng, từ mỹ phẩm đến dược phẩm

Tính Chất Dược Học: Methyl salicylate có tính chất chống viêm và giảm đau khi được

áp dụng lên da Nó thường được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân như kem xoa bóp và dầu xoa bóp

I.4 Ứng dụng

Methyl salicylate có nhiều ứng dụng khác nhau do tính chất hóa học và mùi hương đặctrưng của nó Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của methyl salicylate:

Trong nước hoa và mĩ phẩm:

Methyl salicylate thường được sử dụng làm thành phần mùi hương trong nước hoa, xà phòng, kem dưỡng da và các sản phẩm chăm sóc cá nhân khác

Trong Dược Phẩm:

Sản phẩm chăm sóc sức khỏe và dược phẩm thường chứa methyl salicylate vì tính chấtgiảm đau và chống viêm của nó Các sản phẩm như kem xoa bóp và dầu xoa bóp thường sử dụng methyl salicylate để giúp giảm cảm giác đau và viêm nhiễm cơ bắp

Trong Sản Xuất Thực Phẩm:

Methyl salicylate có thể được sử dụng như một phụ gia thực phẩm để tạo mùi hương

và hương vị trong một số sản phẩm thực phẩm nhất định

Trong Công Nghiệp Hóa Dược:

Methyl salicylate được sử dụng làm chất nguyên liệu trong một số quá trình tổng hợp hóa dược, đặc biệt là trong việc sản xuất một số dạng thuốc

Trong Công Nghiệp Hóa Chất:

Các sản phẩm hóa chất có thể sử dụng methyl salicylate làm chất tạo mùi hoặc chất gia

vị trong quá trình sản xuất

Trong Sản Xuất Sơn và Mực In:

Methyl salicylate có thể được sử dụng như một dung môi trong sản xuất sơn và mực in

Trong Nông Nghiệp:

Methyl salicylate cũng có thể được sử dụng trong nông nghiệp, ví dụ như trong việc kiểm soát một số loại sâu bệnh cây trồng

Trong Các Sản Phẩm Chăm Sóc Tóc và Dầu Xoa Bóp:

Methyl salicylate thường được thêm vào các sản phẩm chăm sóc tóc và dầu xoa bóp đểtạo mùi hương và tác động làm dịu cơ bắp

Lưu ý rằng trong một số ứng dụng, cần phải tuân thủ các hướng dẫn sử dụng và liều lượng được đề xuất để tránh các tác động phụ không mong muốn, đặc biệt là do tính chất cay và mạnh mẽ của methyl salicylate

I.5 Tình hình sản xuất và tình hình tiêu thụ trong và ngoài nước

Quy mô thị trường Methyl Salicylate dự kiến sẽ tăng trưởng doanh thu và thị trường theo cấp số nhân với tốc độ CAGR đáng chú ý trong giai đoạn dự báo từ 2023–2030

Sự tăng trưởng của thị trường có thể là vì nhu cầu tổng hợp hóa học Methyl Salicylate

ngày càng tăng do Dược phẩm, Thực phẩm & đồ uống, Mỹ phẩm, Dầu xoa bóp, Các ứng dụng khác trên toàn cầu

I.5.1 Phân loại thị trường methyl salicylate

Thị trường methyl salictlate có thể được phân loại dựa vào 3 cách

Dựa vào độ tinh khiết của thành phẩm:

 Methyl Salicylate có độ tinh khiết thấp

 Methyl Salicylate có độ tinh khiết cao

I.5.2 Một số thị trường sản xuất và tiêu thụ methyl salicylate lớn

 Khu vực Bắc Mĩ: Mĩ, Canada, Mexico

 Khu vực Châu Âu: Đức, Anh, Pháp,

 Khu vực Châu Á – Thái Bình Dương: Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ,

 Phần còn lại của thế giới: Châu Mĩ Latinh, Trung Đông và Châu Phi

I.5.3 Một số công ty lớn trong thị trường sản xuất và tiêu thụ metylsalicylate

 Zhenjiang Gaopeng Pharmaceutical (Trung Quốc)

 Zhenjiang Maoyuan (Trung Quốc)

 Jiangsu Puyuan Chemical (Trung Quốc)

 Shandong Longxin Chemical (Trung Quốc)

 Nanjing Huajian Chemical (Trung Quốc)

CHƯƠNG II: Phương pháp, công nghệ sản xuất methyl salicylate

I.1 Chiết xuất methyl salicylate trong phòng thí nghiệm

+) Cách 1: chiết xuất methyl salicylate từ lá cây Gaultheria procumbens

Nhiều phương pháp chiết xuất methyl salicylate từ lá cây Gaultheria procumbens đã được sử dụng trong thực tế và có thể được tóm tắt như sau:

Chuẩn bị Nguyên Liệu:

Sử dụng lá cây Gaultheria procumbens (wintergreen) tươi và sạch

Lựa Chọn Dung Môi:

Chọn dung môi hữu cơ, như ethanol hoặc methanol, phù hợp để chiết xuất methyl salicylate

Chiết Xuất:

Đặt lá cây wintergreen vào bình chiết (ví dụ, bình Soxhlet)

Sử dụng dung môi hữu cơ để chiết xuất các hợp chất từ lá cây Quá trình chiết xuất này có thể được lặp lại nhiều lần để tăng hiệu suất chiết xuất

Lọc và Loại Bỏ Dung Môi:

Lọc dung môi chiết xuất để loại bỏ các chất còn lại từ lá cây

Sử dụng máy trích chất để loại bỏ dung môi từ chiết xuất, để lại methyl salicylate

Kiểm Tra Nồng Độ và Thu Thập:

Kiểm tra nồng độ của methyl salicylate trong chiết xuất để đảm bảo chất lượng và đáp ứng các tiêu chuẩn cần thiết

Thu thập sản phẩm chiết xuất cho ứng dụng hoặc nghiên cứu tiếp theo

Lưu ý: cách chiết xuất có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện và phương pháp cụ thể

của người thực hiện, và phương pháp trên chỉ là một tóm tắt tổng quan

Ưu điểm:

 Chiết xuất từ cây Gaultheria procumbens có nguồn gốc tự nhiên, giúp tạo ra các sản phẩm có xu hướng hữu cơ và an toàn hơn so với các thành phần tổng hợp

 Tinh chất methyl salicylate có mùi hương đặc trưng tự nhiên, giúp nâng cao trải nghiệm và tăng cường mùi hương của các sản phẩm

Nhược điểm

 Độ Cay và Kích Ứng Da: Methyl salicylate có độ cay mạnh mẽ và có thể kích ứng da, đặc biệt là nếu sử dụng ở nồng độ cao Điều này có thể gây ra cảm giác khó chịu và kích ứng da đối với một số người

 Nguyên Liệu Có Thể Hiếm: Nguyên liệu từ cây Gaultheria procumbens có thể hiếm hoặc đắt đỏ, làm tăng chi phí sản xuất so với các nguyên liệu có sẵn lẻ

 Nguồn Cung Không ổn Định: Nguồn cung của chiết xuất từ cây Gaultheria procumbens có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như thời tiết, môi trường và điều kiện thổ nhưỡng, làm cho nguồn cung trở nên không ổn định

 Nguy Cơ Dị Ứng: Một số người có thể phản ứng dị ứng với methyl salicylate, đặc biệt là nếu sử dụng ở liều lượng lớn hoặc nếu họ có tiền sử dị ứng với salicylate

 Giới Hạn Sử Dụng Trong Sản Phẩm Nhất Định: Do độ cay mạnh và mùi hươngđặc trưng, chiết xuất methyl salicylate có thể có giới hạn sử dụng trong một số sản phẩm mỹ phẩm và thực phẩm

+) Cách 2: Tổng hợp methyl salicylate bằng phản ứng este hóa giữa salicylic acid và

methanol nhờ xúc tác sunfuric acid đậm đặc ở nhiệt độ cao

HìnhCách tiến hành

Quy trình tổng hợp methyl salycilate gồm 2 giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Tiến hành phản ứng

Bước 1 Lần lượt cho vào bình cầu 100ml (khô, sạch) 3,5g salicylic acid, 26mLmethanol, ImL sulfuric acid đậm đặc và vài viên đá bọt

Bước 2 Lắp hệ thống đun hoàn lưu (Hình ) và đun hỗn hợp trên trong 2 giờ sau đólàm nguội hệ thống

Hình : Đun hoàn lưuGiai đoạn 2: Tính chế sản phẩm

Bước 3 Lắp hệ thống chưng cất đơn giản (Hình ) và tiến hành chưng cất hỗn hợp vừa thu được đến khoảng 67°C

Hình : Hệ thống chưng cất đơn giản

Bước 4 Pha loãng hỗn hợp phản ứng với 40ml ethyl acetate Lắc nhẹ bình cho đến khi ester đã hòa tan hoàn toàn, sau đó chuyến dung dịch sang phễu chiết 100ml

Bước 5 Rửa bằng 20ml nước cất

Bước 6 Tiếp tục rửa chất lòng với 30ml dung dịch sodium carbonate 20% Xả khí, đợichất lỏng phân lớp rồi bỏ lớp dưới (Hình )

Hình : Phễu chiết

Ưu điểm:

 Quy Trình Tổng Hợp Hiệu Quả: Phản ứng este hóa giữa salicylic acid và

methanol dưới sự xúc tác của sulfuric acid đậm đặc ở nhiệt độ cao là một quy trình tổng hợp hiệu quả và phổ biến

 Nguyên Liệu Dễ Tiếp Cận: Salicylic acid và methanol là nguyên liệu dễ tiếp cận và có sẵn rộng rãi trên thị trường, giúp giảm chi phí sản xuất

 Tính Chất Este Tốt: Phản ứng este hóa tạo ra methyl salicylate, một este của salicylic acid, có tính chất hóa học và vật lý tốt, thích hợp cho nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau

 Quá Trình Nhanh Chóng:Dưới điều kiện nhiệt độ cao và sự xúc tác của sulfuric acid đậm đặc, quá trình este hóa có thể diễn ra nhanh chóng, giảm thời gian sản xuất

 Chi Phí Năng Lượng: Sự nhiệt độ cao yêu cầu để thực hiện quá trình có thể làmtăng chi phí năng lượng, đặc biệt là nếu không có biện pháp kiểm soát hiệu suất nhiệt độ.

 Yêu Cầu Về Thiết Bị Chịu Đựng Acid: Vì acid sulfuric đậm đặc được sử dụng, thiết bị cần phải chịu được tác động của chất axit mạnh, làm tăng chi phí thiết bị

và bảo dưỡng

2.1.2.Điều chế methyl salicylate trong công nghiệp

Quá trình sản xuất methyl salicylate trong công nghiệp

 Hòa tan Axit Salicylic trong Methanol: Axit salicylic được hòa tan trong

methanol để tạo ra một dung dịch Axit salicylic có độ tan trong methanol là 62.48 g/100 g ở 21 °C

 Thêm Axit Sulfuric và đun nóng: Axit sulfuric đặc được thêm vào dung dịch

và sau đó dung dịch được đun nóng Quá trình đun nóng này thường diễn ra ở nhiệt độ khoảng 90-100 độ Celsius và có thể kéo dài khoảng 3 giờ

 Làm mát và tách dầu: Sau khi đun nóng, dung dịch được làm mát xuống dưới

30 độ Celsius Methyl salicylate, dưới dạng dầu, sau đó được tách ra khỏi dungdịch Phương pháp tách có thể bao gồm chiết, lắng đọng hoặc chưng cất, tùy thuộc vào thiết kế cụ thể của nhà máy

 Rửa dung dịch bằng Natri Carbonat: Dung dịch còn lại sau khi tách dầu

được rửa bằng dung dịch natri cacbonat để điều chỉnh pH đến mức mong muốn

vì natri cacbonat có khả năng tác dụng với nhiều axit để giải phóng khí CO2, giúp làm tăng độ pH của dung dịch

 Rửa lại dung dịch bằng nước: Dung dịch sau cùng được rửa lại bằng nước để

loại bỏ các tạp chất còn lại

 Chưng cất và thu Methyl Salicylate: Cuối cùng, dung dịch được chưng cất

để thu hồi methyl salicylate Quá trình chưng cất có thể sử dụng bình cô quay hoặc các thiết bị chưng cất khác để thu hồi methyl salicylate ở dạng tinh khiết

 Năng suất của quá trình này là hơn 80% và hàm lượng methyl salicylate trong sản phẩm công nghiệp thường là 99,5%

 Tinh chế và kiểm tra chất lượng:

- Sản phẩm cuối cùng được tinh chế để loại bỏ tạp chất và chất phụ trợ