dại cương về hóa học hợp chất tự nhiên

Trong cây, các hợp chất hữu cơ tồn tại ở dạng hòa tan trong nước, dầu béo hoặc tinh dầu.Các chất hòa tan trong nước dịch tế bào là các hydrat carbon phân tử bé monosaccharid, oligosacch

ĐẠI CƯƠNG

Định nghĩa

Là những hợp chất hoá học do tự nhiên cung cấp.

Nguồn cung cấp: thực vật hoặc động vật.

Phân loại

Dựa vào chức năng sinh học:

Chất trao đổi bậc 1 (chất biến dưỡng nhất cấp: primary metabolite)

Chất trao đổi bậc 2 (chất biến dưỡng thứ cấp: secondary metabolite)

Chất trao đổi bậc 1 là các chất tham gia vào quá trình sinh

trưởng của cây như hydrat carbon, lipid và acid amin.

Chất trao đổi bậc 2 là các chất mà vai trò chủ yếu của chúng không phải là để nuôi sống và phát triển của cây cỏ

Vai trò của chúng còn nhiều vấn đề chưa hiểu biết hết, chúng

có thể chỉ hiện diện trong một loài đặc trưng hoặc một nhóm sinh vật, chúng có thể đóng vai trò là chất gây chán ăn cho một số loài động vật như chất dẫn dụ côn trùng; như tác nhân kháng sinh hoặc có khi không có vai trò rõ rệt nào cả…

Trong lĩnh vực nghiên cứu, nhất là y học và nông nghiệp; các chất trao đổi bậc 2 chính là đối tượng nghiên cứu quan trọng do các tác dụng sinh lý và dược lý của chúng như tác dụng kháng sinh, diệt nấm, tác dụng ức chế hoặc độc đối với

tế bào; tác dụng kích thích hoặc ức chế sinh trưởng và các tác dụng dược lý, sinh lý khác.

Dựa vào phân loại hoá học:

Hợp chất tự nhiên được sắp xếp theo các nhóm chức cơ bản:

Hydratcarbon Lipid và acid béo Acid amin

Baz amin (alkaloid) Saponin

Terpenoid Glycosid …

Trong cây, các hợp chất hữu cơ tồn tại ở dạng hòa tan trong nước, dầu béo hoặc tinh dầu.

Các chất hòa tan trong nước (dịch tế bào) là các hydrat carbon phân

tử bé (monosaccharid, oligosaccharid), một số polysaccharid (pectin, gôm), các glycosid (saponin, flavonoid, iridoid…) muối alcaloid của các acid hữu cơ, acid amin Các hợp chất phenol hòa tan dưới dạng glycosid (flavonoid, tanin) hoặc dạng phức hợp khác.

Các chất tan trong dầu béo và tinh dầu là các hydrocarbon, monoperpen, sterol, carotenoid …

Dầu và tinh dầu được khu trú trong những bộ phận riêng biệt của cây như ở hạt, vỏ, thân (tinh dầu)

Các nguyên tử mang điện tích âm có thể là: O, N, S, F, Cl… Như vậy các nhóm như: -OH, -CO, -NO2, -NH2, -COOH, -SO2, và

các Halogen đều là những nhóm phân cực Các phân tử càng có

nhiều nhóm phân cực thì tính phân cực càng mạnh, nhưng nếu mạch carbon càng dài thì độ phân cực sẽ giảm.

Thí dụ: các glycosid là những chất phân cực mạnh do phần đường của chúng có nhiều nhóm phân cực (-OH), mạch đường càng dài thì độ phân cực càng cao

Nếu glycosid bị thủy phân cắt mất phần đường, chỉ còn lại phần aglycon thì tính phân cực của aglycon sẽ giảm hẳn.

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến vấn đề chiết xuất là các enzym

có trong cây Trong quá trình chế biến, nếu không khống chế hoạt động của các enzym thì các glycosid có thể bị thủy phân một phần hoặc toàn phần làm thay đổi tính phân cực, do đó thay đổi độ hòa tan của các hợp chất đối với dung môi.

QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN

Phân lập

Xác định cấu trúc  Cấu tạo hóa học

Chuyển hoá, tổng hợp

II XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC HOÁ HỌC

Dùng các phương pháp phổ nghiệm để xác định cấu trúc:

Phổ hồng ngoại: IR Phổ tử ngoại: UV Phổ khối lượng: MS Phổ cộng hưởng từ hạt nhân: NMR X-Ray

Không một loại phổ nào có thể cung cấp đầy đủ thông tin cần thiết

về cấu trúc cuả một chất

Xác định hằng số vật lý: chất đã biết, chất mới

III CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

Phương pháp chiết xuất bao gồm cả việc chọn dung môi, dụng

cụ chiết và kỹ thuật chiết

Một phương pháp chiết xuất thích hợp có thể được hoạch định một khi đã biết rõ thành phần hoá học cuả nguyên liệu mỗi loại hợp chất có độ hoà tan khác nhau trong từng loại dung môi Vì vậy không thể có một phương pháp chiết xuất chung áp dụng cho tất cả các hợp chất

Sự chiết xuất gồm hai quá trình:

Quá trình hoà tan.

Quá trình thẩm thấu

Các phương pháp chiết xuất:

Phương pháp ngấm kiệt (Percolation)Phương pháp ngâm dầm (Marceration)Phương pháp dùng Soxhlet

Phương pháp đun hoàn lưu

Phương pháp lôi cuốn hơi nước

Trích ngấm kiệt

(Vận tốc dung môi chảy vào bình đựng

bột cây bằng vận tốc chảy ra)

Trích lỏng – lỏng

(Hai loại dung môi không hoà tan vào nhau)

Hệ thống chưng cất hơi nước tinh dầu dưới sự hỗ trợ cuả vi sóng

trong phòng thí nghiệm

Sự tẩm trích sử dụng

lò vi sóng gia dụng cải tiến Sự tẩm trích dùng hệ thống Soxhlet – vi sóng

Sơ đồ chưng cất hơi nước tinh dầu dưới sự hỗ trợ cuả vi sóng trong điều kiện sản xuất thử nghiệm (pilot)

Những điều cần lưu ý khi chiết xuất:

Khi chiết xuất các hợp chất thiên nhiên, người ta thường trích luôn các tạp chất hay hiện diện trong cây như chất béo, chất màu những tạp chất này sẽ làm cản trở quá trình cô lập tinh chế các hoạt chất muốn khảo sát.

Chất béo (lipid):

Thường được loại bằng dung môi không phân cực nhưng chúng cũng có thể được chiết xuất bằng những dung môi phân cực.

Các loại hợp chất này có thể được nhận thấy khi sắc ký lớp mỏng và hiện màu bằng hơi iod sẽ cho những vết màu nâu.

Muốn loại bỏ chất béo và sáp, có thể thực hiện theo những cách sau:

Bột cây trước tiên phải được ly trích bằng ether dầu hỏa cho thật kiệt, sau đó phơi khô bột cây rồi mới trích tiếp bằng dung môi khác.

Dùng sắc ký cột nhanh (flash – chromatography): dung môi giải ly là ether dầu hỏa hoặc hexan

Chất màu (pigment): rất khó bị loại Ở nhiệt độ phòng, có

thể dùng than hoạt tính, acetat chì hoặc kết tủa trong tủ lạnh.

Các chất polyphenol – tanin: thực vật thường chưá tanin

với hàm lượng cao muốn loại bỏ tanin ra khỏi dịch chiết nước, người ta thường cho dung dịch ly trích đi qua cột hấp phụ có chứa Polyamid, Sephadex LH-20…

Các chất dẻo như phtalat dialkyl, tri n-butyl acetyl citrat,

tributylphosphat…thường là các tạp chất lẫn trong dung môi hoặc phụ gia chất dẻo trong các thùng chứa làm bằng chất dẻo…

Trong chloroform và methanol thường có chứa phtalat

di-2-ethyl hexyl mà trước đây nhiều người lầm tưởng là

hợp chất tự nhiên cô lập từ cây cỏ.

Ngoài ra, khi chiết xuất cần lưu ý đến các chất bôi trơn

như silicon chân không ở thiết bị cô quay chân không, các chất artefact là chất chỉ được thành lập trong quá

trình chiết xuất, thường là những dẫn xuất của các hợp chất tự nhiên Muốn hạn chế những trường hợp này cần phải sử dụng các điều kiện chiết xuất, cô lập êm diu, tại mỗi giai đoạn của quá trình chiết xuất đều có thể tạo ra những artefact này.

IV XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU

Việc lựa chọn, thu hái, xác định nguyên liệu mẫu cây cần nghiên cứu là những giai đoạn đầu tiên cần phải tiến hành trong quá trình khảo sát hóa thực vật.

Khi thu hái mẫu cây, cần kết hợp với nhà thực vật học để xác định tên khoa học (vì cây thường được gọi bằng tên địa phương rất dễ gây nhầm lẫn)

Phải ghi rõ cây thu hái ở vùng nào, thời gian thu hái,

độ tuổi của cây

Phải ghi rõ người hái hoặc cơ quan giám định cây, và cây hiện được lưu mẫu ở đâu

Khi thu hái nguyên liệu phải chú ý loại bỏ các cây sâu bệnh

Đối với các bộ phận vỏ, thân, rễ chú ý xem xét kỹ,

tránh thu hái cây có mang những sinh vật ký sinh

Nhiều trường hợp đã có kết luận sai về thành phần

hóa học vì cây có mang những loại nấm ký sinh

IV XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU

II XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU

Thông thường, mẫu cây sau khi thu hái về được rữa sạch, để ráo nước, làm khô tự nhiên trong mát có quạt hoặc nơi thoáng gió

Cây có thể được phơi khô ở nhiệt độ phòng hoặc sấy ở nhiệt độ thấp hơn 60oC

Không được phơi dưới ánh nắng mặt trời vì tia tử ngoại

có thể kích thích phản ứng hóa học, tạo nên những chất giả gọi là artefact, không phải là những hợp chất

có thực trong cây

II XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU

Một vài trường hợp đặc biệt, người ta khảo sát trên cây tươi Trong trường hợp này, cây cần được nhanh chóng cắt nhỏ và ngâm ngay trong dung môi ly trích

để tránh quá trình lên men hay phản ứng hóa học

Muốn diệt những enzym có sẵn trong cây, có thể thực hiện bằng nhiều cách:

Nhúng mẫu cây vào methanol hoặc ethanol ngay sau khi thu hái

Đối với tinh dầu, cần phải tiến hành ly trích ngay trên mẫu cây tươi để tránh thất thoát do tinh dầu bay hơi

II XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU

Mẫu cây cần được xay nhỏ để dung môi có thể thấm vào màng tế bào của cây và ly trích những chất biến dưỡng thứ cấp

Nếu các chất biến dưỡng thứ cấp trong cây cần ly trích

có tính dễ bay hơi hay kém bền nhiệt, có thể bỏ qua giai đoạn xay nghiền, vì quá trình tán nghiền nhuyễn

sẽ phát sinh ra nhiệt, làm hao hụt sản phẩm

Đôi khi người ta dùng kỹ thuật ngâm đông lạnh mẫu cây (mẫu khô hay mẫu tươi) trong nitơ lỏng, rồi nghiền giã cây trong một cái cối hoặc trong một cái bao bằng polyetylen dày

V DUNG MÔI

Dung môi dùng để chiết xuất các hợp chất thiên nhiên rất đa dạng và thay đổi theo đaặc tính của các hợp chất biến dưỡng muốn ly trích ra

Cơ sở để chọn dung môi là tính phân cực của hợp chất trong cây và dung môi

V DUNG MÔI

Dung môi phân cực và không phân cực:

• Quá trình hình thành một dung dịch là tùy thuộc vào đặc tính của chất tan và dung môi Để hình thành một dung dịch, trước hết phải có sự phá vỡ các dây nối liên kết trong hợp chất tan và trong dung môi, để hình thành dây nối liên kết mới giữa chất tan và dung môi Thí dụ ether ethylic và nước

• Hằng số điện môi của nước ở 20oC là 80,4 trong khi ether ethylic là 4,34

• Nguyên tử hydro của phân tử nước có khả năng liên kết với một nguyên tử mang điện tích âm của một hợp chất khác, hình thành dây nối liên kết hydro trong dung dịch nước, trong khi ether ethylic không có sự liên kết này Dây nối hydro hình thành ảnh hưởng lớn đến tính hòa tan của hợp chất đối với dung môi.

• Nước vừa có tác dụng như một acid, vừa là một baz, còn ether là một baz rất yếu không hoạt động như một acid

Do những đặc điểm trên, nước được xem như một dung môi phân cực mạnh, còn ether ethylic là một dung môi không phân cực

V DUNG MÔI

Dung môi

Nhiệt độ sôi ( o C)

Hằng số điện môi

ε ở 25 o C

Chỉ số phân cực

Độ nhớt (mN.S.m -

2 )

Độ tan trong nước (%w/w)

Bảng 1: Các dung môi thường dùng được sắp xếp tăng dần

tương đối theo chỉ số phân cực.

Dung môi

Nhiệt độ sôi ( o C)

Hằng số điện môi

ε ở 25 o C

Chỉ số phân cực

Độ nhớt (mN.S.m -

2 )

Độ tan trong nước (%w/w)

Các chất điện ly như muối vô cơ đều tan trong dung môi phân cực.

Chất phân cực: các hợp chất hữu cơ nói chung

không ion hóa nhưng nếu chúng có chứa các nhóm hoặc nguyên tử mang điện tích âm có thể hình thành dây nối hydro với nước thì chúng sẽ tan được trong nước

Những nhóm có khả năng tạo dây nối hydro như : -OH, CO, NO, NH2 và các Halogen gọi là nhóm phân cực

V DUNG MÔI

Chất tan trong nước và dung môi phân cực

Chất tan trong nước và dung môi phân cực

Càng có nhiều nhóm phân cực thì phân tử ấy càng dễ hoà tan trong nước

Nhưng nếu mạch hydrocacbon của phân tử càng dài thì độ hòa tan càng giảm

Thực nghiệm cho thấy, 1 nhóm phân cực trong phân tử có khả năng hình thành liên kết hydro với phân tử nước sẽ làm cho phân tử ấy tan được trong nước nếu mạch carbon của phân tử không có quá 5 nguyên tử carbon hoặc không quá 6 nếu phân tử có thêm mạch nhánh

Nhưng nếu phân tử có nhiều nhóm phân cực (2 nhóm trở lên) thì tỉ lệ này giảm xuống: 1 nhóm phân cực ứng với 3 hoặc 4 carbon trong mạch thì phân tử ấy tan được trong nước

Các hợp chất hữu cơ không chứa nhóm phân cực gọi là các chất không phân cực

Thông thường các chất không phân cực đều tan trong ether ethylic và dung môi không phân cực, không tan trong nước và các dung môi phân cực khác

Hầu hết các chất hữu cơ tan trong nước đều không tan trong ether ethylic

Nếu một chất vừa tan trong nước, vừa tan trong ether thì chất đó phải là chất không ion hóa, có số carbon không quá 5, có 1 nhóm phân cực tạo dây nối hydro nhưng không phải là nhóm phân cực mạnh

Chất tan trong ether ethylic và dung môi không phân cực