Nghiên cứu thăm dò tổng hợp MENTHYL LACTATE từ menthol và lactic acid

TÓM TẮT Mục đích của đề tài là tiến hành nghiên cứu tổng hợp Menthyl Lactate, một tác nhân làm mát, từ menthol và lactic acid bằng phản ứng ester hổa vđi xúc tác acid.. Thông qua việc kh

TÓM TẮT

Mục đích của đề tài là tiến hành nghiên cứu tổng hợp Menthyl Lactate, một tác nhân làm mát,

từ menthol và lactic acid bằng phản ứng ester hổa vđi xúc tác acid Thông qua việc khảo sát các yếu tổ’ ảnh hưởng đến phản ứng, ta tìm được điều kiện tổng hợp tốt nhất và hiệu suất menthyl lactate đạt được là 48% Từ đó bưđc đầu ứng dụng sản phẩm tổng hợp vào lăn khử mùi và dầu gội, tiến hành khảo sát đánh giá khả năng làm mát của sản phẩm trên người tiêu dùng Kết quả cho thấy sản phẩm

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU TÁC NHÂN LÀM MÁT MENTHYL LACTATE 4

1.1 Cấu tạo của Menthyl Lactate [18][19][25] 4

1.2 Tính chất vật lí của Menthyl Lactate [3] [18] [19] [24] [25] 4

1.3 Hoạt tính sinh học của Menthyl Lactate [3][15][16][17][18][26] 4

1.4 ứng dụng khác của Menthyl Lactate 5

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 6

2.1 Một số công bố tổng hợp Menthyl lactate trong và ngoài nước [2][7][22] [23][25]6 2.1.1 Ngoài nước 6

2.1.2 Trong nước 7

2.2 Định hướng tổng hợp 8

CHƯƠNG 3 - KET QUA KHẢO SÁT CÁC YÊU Tố ẢNH HƯỞNGĐEN QUÁ TRÌNH ESTER HÓA 9

3.1 Đánh giá nguyên liệu menthol [1] 9

3.2 Thăm dò lựa chọn xúc tác 10

3.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ester hóa 12

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol sulfuric acid/ menthol lên quá trình ester hóa 12 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol lactic acid/ menthol lên quá trình ester hóa 13 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình ester hóa 14

3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol heptane/ menthol lên quá trình ester hóa 15 3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên quá trình ester hóa 16

3.3.6 Kết luận 7 .7 17

CHƯƠNG4- ĐANHGIÁTÍNHCHATSẢNPHAM DẠNG HỗN HỘP (M+ML+MLL) 20 4.1 Kết quả đánh giá: 20

4.2 ứng dụng Frescolat hong một số sản phẩm mỹ phẩm 21

4.2.1 ứng dụng trên sản phẩm lăn khử mùi (Roll-on Deodorant) 21

4.2.2 ứng dụng trên sản phẩm dầu gội (Hair & Body Shampoo) 22

4.2.3 Kết quả đánh giá sản phẩm Haừ & Body shampoo SM, SF, sz 24

CHƯƠNG 5 - BÀN LUẬN 25

5.1 Nhận xét chung quá trình tổng hợp Menthyl Lactate 25 5.1.1 Phân tích phản ứng ester hóa tổng hợp Menthyl Lactate 25

5.1.2 Phản ứng thủy phân có kiểm soát [25] 28 5.2 Nhận xét kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ester hóa

29

5.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 29

5.2.4 Ảnh hưởng của dung môi 29

5.2.5 Ánh hưởng của thời gian phản ứng 29

5.3 Đánh giá hiệu quả gây mát của Frescolat trên sản phẩm mỹ phẩm 30

Kếtluậa 78 Tài liệu tham khảo

Phu lue

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền văn minh xã hội, đời sống con người đã có những bước tiến nhảy vọt Nhu cầu của con người không còn dừng lại ở ăn và mặc mà còn phải chăm sóc cơ thể Các sản phẩm chăm sóc cá nhân ra đời chính là để thỏa mãn nhu cầu cấp thiết này Không chỉ dừng lại ở mức độ tạm dùng được, các sản phẩm này ngày càng được cải thiện

về mẫu mã và tính chất để đáp ứng những đòi hỏi khắt khe của người tiêu dùng

Theo khuynh hướng hiện nay, các sản phẩm chăm sóc cá nhân thường được phối thêm các chất tạo cảm giác tươi mát, thoải mái để mang lại sự thư giãn cho con người sau những giờ làm việc vất vả Một trong những tác nhân tạo cảm giác mát mẻ được biết đến rất sớm là menthol

vì khả năng làm mát nhanh chóng của nó cũng như nguồn thiên nhiên cung cấp dồi dào là bạc

hà Tuy nhiên, menthol được khuyến cáo không nên sử dụng ở liều lượng cao vì có thể gây kích ứng Khả năng bay hơi cao làm menthol chỉ tạo được cảm giác mát trong thời gian ngắn Để khắc phục những nhược điểm này, nhiều dẫn xuất của menthol đã được nghiên cứu, trong đó

đặc biệt là menthyl lactate đã được quan tâm ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực

Menthyl lactate vừa không gây kích ứng, vừa kéo dài được cảm giác tươi mát và không

có mùi khó chịu như các dẫn xuất khác của menthol Nó được ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm

Trong điều kiện cho phép, tôi tập trung nghiên cứu tổng hợp menthyl lactate và khảo sát

các thông số ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

GIỚI THIỆU MỤC ĐÍCH ĐE TÀI VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU:

• Mục đích đề tài

Nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất ester của menthol là Menthyl Lactate nhằm khắc phục các nhược điểm của menthol khi ứng dụng vào các sản phẩm có khả năng làm mát

• Các nhiệm vụ trong quá trình nghiên cứu:

Các tài liệu tham khảo cho thấy có nhiều phương pháp tổng hợp Menthyl Lactate khác nhau, trong đó tôi chọn phương pháp tổng hợp Menthyl Lactate từ nguyên liệu ban đầu là menthol và lactic acid với sự hỗ trợ của chất xúc tác, kết hợp kiểm soát các điều kiện để hạn chế tối đa việc tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn Từ đó ta có các nhiệm vụ sau:

❖ Thăm dò

+ Thăm dò lựa chọn xúc tác tối ưư từ các xúc tác H2SO4, H3PO4

♦> Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quả trình ester hóa menthyl ỉactate

+ Khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol xúc tác /tác chất

+ Khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa các tác chất

+ Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ

+ Khảo sát sự ảnh hưởng của lượng dung môi heptane

+ Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng

♦> Đánh giá chất lượng sản phẩm tổng hợp

❖ Thăm dò phối chế sản phẩm ứng dụng

Thông thường, một sản phẩm mỹ phẩm sau khi phối chế phải tiến hành đánh giá sản phẩm theo quan điểm người tiêu dùng (vừa cảm quan vừa định lượng trên toàn bộ tính chất sản phẩm), nhưng ở đây ta chỉ lưu ý đánh giá khả năng gây mát của sản phẩm nên chúng tôi chọn nền sản phẩm theo công thức đề nghị của Haarmann & Reimer (H & R), một công ty mỹ phẩm của Đức và tiến hành đánh giá chủ yếu xoay quanh tính gây mát của sản phẩm Trong đó, quy cách đánh giá hoàn toàn dựa theo H&R Do điều kiện không cho phép nên trong phần đánh giá khả năng gây mát này, thay vì đánh giá theo phân vùng đối tượng sử dụng (toàn cầu, châu Á, châu Mỹ, châu Phi và châu Âu) thì chúng tôi đánh giá theo các tầng lớp xã hội trong nước bao gồm sĩ, nông, công, thương

• Sơ đồ các bưđc nghiên cứu

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU TÁC NHÂN

+ Khối lượng phân tử : 228,33

1.2 Tính chất vật lí của Menthyl Lactate [3] [18] [19] [24] [25]

1.3 Hoạt tính sính học của Menthyl Lactate [3][15][16] [17] [18] [26]

Khả năng làm mát trong những sản phẩm mỹ phẩm là công cụ cạnh tranh quan trọng

Do đổ, những nhà sản xuất đang cố gắng nâng cao tính làm mát cho người tiêu dùng mà vẫn đảm bảo an toàn và mang lại cảm giác thoải mái khỉ sử dụng

Khả năng làm mát phụ thuộc vào vị trí của những cơ quan hấp thu nhiệt cố trong da Những vùng trên cơ thể tập trung nhiều cơ quan hấp thu nhiệt là: mặt, da đầu, trán, bên dưới cánh tay, nắch, phần đùi bên trong, bẹn Những vùng cố ít cơ quan hấp thu nhiệt hơn bao gồm cánh tay và bàn tay Cường độ hấp thu của cơ quan hấp thu nhiệt sẽ khác nhau giữa những vùng khác trên cơ thể và khác nhau giữa các cơ thể

❖ ưu điểm của Menthyl lactate:

+ Mùi nhẹ

+ Khả năng làm mát kéo dàỉ +

Không gây kích ứng

❖ Nhược điểm của Menthyl lactate:

Menthyl Lactate không tạo ra hiệu ứng mát lạnh ban đầu mạnh như menthol nên bị hạn chế ở một số lĩnh vực, đặc biệt là các sản phẩm chăm sóc tóc và răng miệng là những sản phẩm đòi hỏi tạo cảm giác mát lạnh nhanh chóng

Để cải thiện vấn đề này, một số nhà sản xuất thêm menthyl lactate và một tác nhân làm mát khác vào trong cùng một công thức Tác nhân thứ hai này phải có khả năng làm mát mạnh, nhanh chóng mới khắc phục được nhược điểm của menthyl lactate Nhiều nghiên cứu đã cho thấy, nếu phối trộn menthol và menthyl lactate trong mỹ phẩm với thành phần khối lượng của menthol là 0.01- 2% và thành phần khối lượng của menthyl lactate là 0.1 - 10%, tỷ lệ khối lượng menthol và menthyl lactate nằm trong khoảng 1/1 đến 1/10, thì những hạn chế của menthol và menthyl lactate đều được khắc phục và không hề gây kích ứng Hợp chất vừa tạo được cảm giác mát lạnh ban đầu vừa duy trì được cảm giác mát lạnh đó lâu dài

1.4 ứng dụng khác của Menthyl Lactate

Menthyl lactate là một hợp chất có tính dược lý dùng cho các sản phẩm chăm sóc nha khoa hay trị những chứng bệnh như suy hô hấp, cảm thông thường, viêm phổi, viêm xoang Nó còn được xem là một tác nhân có hoạt tính giảm đau Những nghiên cứu gần đây cho thấy, menthyl lactate khi được kết hợp với các thuốc NSAIDs (cấu tạo không chứa gốc steroid), sẽ giúp cho chúng thẩm thấu nhanh vào da, và góp phần làm giảm đau, chống viêm, chống sưng rất tốt

Menthyl lactate được ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm do có khả năng làm giảm vị đắng Chúng có thể được phối trộn vào chewing gum, mứt kẹo, thức uống có và không có cồn, những sản phẩm có một chút vị đắng

Menthyl lactate được ứng dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực hóa mỹ phẩm Chúng là thành phần làm mát quan trọng có trong các sản phẩm chăm sóc da và tóc bao gồm dầu gội, sữa tắm, sữa rửa mặt, kem cạo râu, chất khử mùi, sản phẩm chống nắng Đây lá ứng dụng có nhiều tiềm năng phát triển ở Việt Nam

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1 Ngoải nưđc

❖ Cách đây hơn 1 thê' kỉ, Alexander McKenzie (1869 - 1951), tổng hợp Menthyl lactate dựa

trên sự khửpyruvat menthyl

Phương pháp này sử dụng acid pyruvic và cho phản ứng với một alcohol hoạt động để tạo ra một ester hoạt động Ester này sẽ bị khử để thu được menthyl lactate:

Menthyl lactate

Phương pháp này sử dụng tác chất không đối xứng phức tạp, phản ứng chậm và thường

sử dụng để điều chế các hóa chất thông thường như lactic acid bằng cách thủy phân ester chứ không dùng để tổng hợp ester

❖ 1905, McKenzie et.al (J Chem Soc 87 (1905) 1016), tổng hợp Menthyl lactate bằng

phương pháp “hydrogen chloride

Cách đơn giản nhất tạo ra Menthyl Lactate là ester hóa trực tiếp lactic acid và menthol McKenzie mô tả việc tạo ra 1-menthyl-dl-lactate bằng phản ứng ester giữa 1- menthol và dl-lactic với phương pháp “hydrogen chloride” Quá trình ester hóa xảy ra khi sục khí HC1 vào một dung dịch ether gồm có 1-menthol và một lượng dư dl-lactic acid, sau đó rửa pha ether bằng dung dịch sodium carbonat và nước rồi làm khan, cô đặc và chưng cất McKenzie quan sát những thay đổi khi những menthyl hay bornyl (-C10H17) ester hoạt động bị thủy phân bởi KOH/ rượu ở nhiệt độ cao để tạo thành muối cacboxylic tương ứng Điều kiện sử dụng không hiệu quả

để tối thiểu sự thủy phân của menthyl lactate mà chủ yếu lại tạo ra menthol và lactic acid từ sự thủy phân này Phương pháp này tạo ra menthyl

lactate không tinh khiết, hiệu suất không cao Nếu càng thủy phân để giảm sản phẩm phụ thì lượng menthyl lactate càng ít

❖ 1979, L Horner et.al (Liebigs Ann Chem.(1979)1232), tổng hợp Menthyl lactate bằng phản

ứng ester hóa dưới sự hiện diện của chloroform và và nhựa trao đổi ion

Quá trình ester hóa trực tiếp L(+)-lactic acid và 1-menthol được thực hiện với sự có mặt của chloroform và nhựa trao đổi ion có tính acid Sau khi tá ch rửa chloroform bằng cách cho qua cột alumina loại bỏ dung môi, phần còn lại đem chưng cất phân đoạn, hiệu suất Menthyl lactate thu được là 39% So với các phương pháp trước đây, hiệu suất đã được cải thiện, tuy vẫn chưa cao lắm

❖ 1998, Walter Kuhn et.al (U.s Pat No 5783 725), tổng hợp Menthyl lactate bằng phản ứng ester hóa của L(+)-lactic acid và l-menthol trên xúc tác acid

Những acid được đề nghị làm xúc tác cho phản ứng ester hóa là sulfuric acid, phosphoric acid, methanesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, đất sét acid (là loại đất sét có khả năng tạo

ra H+ khi hòa tan trong nước) và nhựa trao đổi ion Kết quả là Menthyl lactate sau chung cất đạt

độ tinh khiết 97- 98%

❖ 04-2007, Erman, Mark, B and Snow, Joe, w., tổng hợp Menthyl Lactate bằng phản ứng ester

hóa kết hợp với quá trình thủy phân có kiểm soát

Phản ứng giữa lactic acid và menthol không chỉ tạo thành menthyl lactate (ML) mà còn tạo ra một lượng đáng kể những ester lactoyl bậc cao hơn, bao gồm menthyl lactoyl lactate (MLL) và menthyl lactoyl lactoyl lactate (MLLL) Trước đây, người ta không biết rằng những

ester lactoyl bậc cao này có thể chiếm ít nhất 25% trong hỗn hợp sản phẩm ester hóa trực tiếp,

và sự chưng cất phân đoạn như các phương pháp trên làm tiêu hao một lượng đáng kể Nghiên cứu tập trung khảo sát những điều kiện thủy phân để chuyển đổi hiệu quả những ester lactoyl bậc cao thành ML và tối thiểu sự thủy phân ML thành menthol Các điều kiện này bao gồm thứ

tự thêm tác chất, tốc độ thêm, pH, nhiệt độ, tỉ lệ base Chúng có thể biến đổi trong khoảng

rộng, như nhiệt độ từ 5-70° c, pH dưới 14 và nhiều thông số chưa được công bố rõ trong báo

cáo Phương pháp này tạo ra hiệu suất ML (tính theo lượng menthol ban đầu) có thể đạt được

91%

2.1.2 Trong nưđc

Trong nước, hầu hết các sản phẩm chăm sóc cá nhân vẫn còn dùng menthol như tác nhân làm mát, các dẫn xuất của menthol gần như vẫn chưa được nghiên cứu và ứng dụng Vào tháng 1 năm 2008, sinh viên Nguyễn Thị Bích Đào (trưởng đại học Tôn Đức Thắng) có tiến hành nghiên cứu tổng hợp menthyl lactate từ menthol và lactic acid trên xúc tác acid với hiệu suất menthyl lactate thu được là 34.52%

2.2 Định hưđng tông hợp

Sơ đồ 2.1 Quy trình tổng hợp menthyl ỉactate

Từ các phương pháp tổng hợp đã nêu, tôi lựa chọn cách tổng hợp menthyl lactate từ menthol và lactic acid trên xức tác acid Ban đầu, ta sẽ thăm dò lựa chọn xức tác H2SO4 hay H3PO4

hiệu quả hơn Sau đó, ta tiến hành khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp bao gồm:

♦♦♦ 71 lệ moi xúc tấcỉ tác chất

❖ 77 lệ tác chất lactic acỉđ/menthol

❖ Ảnh hưởng cửa nhiệt độ phản ứng

❖ Ảnh hưởng của đung môi heptane

❖ Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

Sau khỉ đã xác định được hướng tổng hợp, ta sẽ tìm hiểu một sấ tính chất của các tác chất chính tham gỉa phản ứng ester hóa là Menthol và Lactic add, qua đổ càng khẳng định được những ưu điểm của Menthyl Lactate

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ KHẢO SẮT CẮC YẾU

TỐ ẢNH HƯỞNG ĐEN QUÁ

TRÌNH ESTER HÓA

3.1 Đánh giá nguyên liệu menthol [1]

Bảng 6.1 Bảng đánh giá nguyên liệu menthol (theo TCVN-6028,1995)

xét Cảm quan

❖ Vị

Nóng kèm theo cảm giác lạnh

Nóng kèm theo cảm giác lạnh

Hòa tan O.Olg chế phẩm

trong lml H2SO4 đậm đặc

+ lml dung dịch vanilin Dung dịch xuất hiện màu Dung dịch xuất hiện Đạt

1% (trong H2SO4 đậm đặc) vàng màu vàng

+ lml nước Màu chuyển sang đỏ tía Màu chuyển sang đỏ tía Đạt

Định lương

GC-MS (%)

2 Thăm dò lựa chọn xúc tác

Điều kiện khảo sát đối với sulfuric acid: Menthol 5.00 (g)

FL/M (TỈ lệ Lactic acid/ Menthol) 1.65 (mol/mol)

Điều kiện khảo sát đối với phosphoric acid:

■ T% ML (H3PO4) = -55436(F X / M ) 2

+2798.3(F X / M ) +1.5977 Cực trị (0.025; 36.9109)

■ T% ML (H 2 S04 ) = -365504(F X / M ) 2

+8767.5(F X / M ) +1.4568

=> Cực trị (0.012; 51.1206)

Đồ thị 6.1 Ảnh hưởng của H 2 SO 4 và H 3 PO 4 lên thành phần sản phẩm

Đồ thị 6.2 Ảnh hưởng của H 2 SO 4 và H 3 PO 4 lên hiệu suất sản phẩm

♦♦♦ Từ đồ thị ta có các phương trình hồi quy sau:

3.3 Khảo sát các yếu tổ' ảnh hưởng đến quá trình ester hốa

3.3.1 Kháo sát ánh hưđng của tỉ lẽ mol sulfuric acid/ menthol lẽn quá trình ester

3.3.2 Kháo sát ánh hưđng của tỉ lệ mol lactic acid/ menthol lên quá trình ester hóa

❖ Điều kiện khảo sát

-^ Điểm cực tộ: (1.667; 40.1267)

■ H%ml+mll= -211 ,34(Fl/m)2 +711.31(FL/M) - 555.02 R2 = 0.9493

■=> Điểm cực trị: (1.683; 43.4965)

+ Hiệu suất ML cao nhất tại F L / M =1.667 và khi đó thành phần ML và hiệu suất tổng tạo

ML và MLL cũng gần đạt đến cực trị Ta lựa chọn F L / M =1.667 làm giá trị thích hợp

để cố định khảo sát các thông số sau

❖ Điều kiện khảo sát