Tổng hợp para menthane 3,8 diol (PMD) từ tinh dầu bạch đàn chanh (Eucalyptus citriodora)
MỤC LỤC
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Tổng hợp PMD từ citronellal tinh khiết
Điều này cũng được xác nhận qua nghiên cứu của nhóm tác giả Clark khi tác giả sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfate để giúp giữ phần thân ưa dầu bên trong và phần thân ưa nước hướng ra pha nước, tỷ lệ đồng phân cis- PMD tăng lên rất nhiều [115]. Từ những phân tích trên, nhận thấy sản phẩm trung gian của hai cặp đồng phân cis-PMD (ca + cb) và trans-PMD (ta + tb) có khả năng tiếp xúc với phân tử nước nhiều hơn so với hai cặp đồng phân cis/trans-PMD còn lại do trong cấu trúc có nhóm isopropyl nằm khác phía với nhóm methyl. Trong đó, dạng đồng phân cis-PMD (ca + cb) sẽ có hàm lượng cao nhất do cấu hình của sản phẩm trung gian của cặp đồng phân này có các nhóm isopropyl và hydroxyl nằm cùng phía với nhau và khác phía với nhóm methyl nên khả năng phản ứng với nước để hình thành PMD là lớn nhất.
Cũng theo nghiên cứu của nhóm tác giả Yoshifumi Yuasa [116], hai đồng phân isopulegol là (+)-neoisopulegol và (+)- isopulegol được tổng hợp từ (+)-citronellal, nghiên cứu này được thực hiện trong điều kiện tương tự trên (±)-citronellal, bộ hai peak hiện diện có thể là hỗn hợp các đồng phân (±)-neoisopulegol và (±)-isopulegol theo thứ tự lần lượt là P3 và P5 (Hình 3.7). Trong nghiên cứu của nhóm tác giả Yoshifumi Yuasa đã chỉ ra các đồng phân PMD-acetal được tổng hợp từ (+)-citronellal bằng cách phân lập và xác định cấu trúc, tác giả nhận định PMD- acetal hiện diện trên sắc ký đồ với hai đồng phân PMD-acetal (1) và (3) (Hình 3.8), trong đó đồng phân (3) có thời gian lưu nhỏ hơn đồng phân (1) [116]. Trong đó, P1 được xác định là DMF, là chất nội chuẩn được đưa vào mẫu đo để phục vụ cho việc phân tích định lượng nồng độ hợp chất, còn peak P2 không thấy được đề xuất cụ thể hợp chất gì trên kết quả dò tìm khối khổ thư viện NIST và trong các nghiên cứu khác cũng không được đề cập, có thể xem đây là peak tạp trong quá trình phân tích.
Citronellal khi thực hiện phản ứng Prins trong môi trường nước với xúc tác acid, sản phẩm thu được sẽ bao gồm PMD, các sản phẩm phụ (isopulegol, PMD-acetal) và citronellal chưa phản ứng hết (Hình 3.9) [111]. Ảnh hưởng của nồng độ sulfuric acid đến hiệu suất và độ chuyển hóa Kết quả phân tích đã cho thấy, nồng độ của sulfuric acid có tác động lớn đến hiệu quả của phản ứng dù cho khoảng khảo sát rất nhỏ (từ 0,1% đến 1%). Lý giải cho hiện tượng này, nồng độ của acid khi tăng dần thì ngoài việc tăng tốc độ của phản ứng tạo PMD thì tốc độ tạo các sản phẩm phụ như isopulegol, PMD-acetal cũng tăng theo do quá trình dehydrate hóa PMD xảy ra mạnh mẽ hơn như đã đề cập ở Mục 1.4.1.
Tổng hợp PMD từ tinh dầu Bạch đàn chanh 1. Phân tích thành phần tinh dầu
Vì vậy, với quy trình tổng hợp hiệu quả đã thực hiện này có thể nghiên cứu tiếp về phản ứng làm giàu PMD ở nguyên liệu tinh dầu Bạch đàn chanh. Sự khác biệt này có thể là do giống cây Bạch đàn, điều kiện trồng trọt, thời điểm thu hoạch và phương pháp chiết xuất khác nhau ở mỗi nghiên cứu gây ra. Các thí nghiệm tổng hợp PMD từ tinh dầu Bạch đàn chanh được thực hiện ở các điều kiện thích hợp đã xác định từ kết quả tổng hợp tốt nhất trên nguyên liệu citronellal tinh khiết (Mục 3.1.3).
Điều này được lý giải là do trong tinh dầu Bạch đàn chanh không chỉ có citronellal mà còn có nhiều thành phần không phân cực khác không tham phản ứng như Limonene, 𝛼-Pinene, 3-Carene (Bảng 3.2). Đồng thời, hàm lượng citronellal có trong tinh dầu thấp hơn đáng kể so với nguyên liệu citronellal tinh khiết dẫn đến việc giảm sự chênh lệch độ phân cực nhờ vào sự hình thành PMD cũng giảm đi đáng kể. Và theo như cơ chế đã bàn luận ở Mục 1.4.1, trong quá trình tổng hợp PMD có sự hình thành cạnh tranh sản phẩm phụ PMD-acetal, với PMD được hình thành từ quá trình cộng nước diễn ra chủ yếu tại bề mặt tiếp xúc giữa hai pha, còn PMD-acetal.
Do vậy, khi diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha bị giảm đã khiến cho tốc độ hình thành PMD bị giảm theo, dẫn đến PMD-acetal được hình thành nhiều hơn làm hiệu suất giảm. Kết quả phân tích về thành phần hóa học của tinh dầu Bạch đàn chanh trước và sau tổng hợp (Bảng 3.4) cho thấy, phản ứng không sinh ra chất mới khác nào ngoài PMD-acetal. Lý giải cho việc hàm lượng PMD trong nghiên cứu này thấp hơn là do nguồn nguyên liệu tinh dầu Bạch đàn chanh sử dụng có hàm lượng citronellal thấp hơn (63,1%) so với nghiên cứu của nhóm tác giả Jeremy Drapeau là 74%.
Thử nghiệm kích ứng da
Sau đó, tại thời điểm 24 và 48 giờ, da không còn hiện tượng ban đỏ, có màu sắc trở lại bình thường như ban đầu. Tuy nhiên sự tạo vảy và ban đỏ đó chỉ xảy trên 1 trong số 3 con thỏ làm thí nghiệm. Đồng thời các hiện tượng như phù nề hay nổi mẩn đều không xuất hiện.
Kết quả dựa theo đánh giá ở Bảng 2.4 đã cho thấy PMD tổng hợp từ tinh dầu Bạch đàn chanh (dầu citriodiol) không gây kích ứng lên da. Từ kết quả này tương tự với kết quả của mẫu dầu PMD 50%, vì vậy có thể luận dầu citriodiol không gây kích ứng và an toàn để sử dụng trên da. Tuy nhiên, vì đây là sản phẩm sử dụng trực tiếp lên da nên có thể đi vào đường tiêu hóa thông qua tiếp xúc trực tiếp ở miệng hoặc thông qua việc bốc đồ ăn thức uống, đặc biệt là với trẻ nhỏ.
Do đó, việc kiểm tra độc tính cấp đường uống là hết sức cần thiết.
Thử nghiệm độc tính cấp đường uống
Chuột này vẫn sống và ăn uống, sinh hoạt bình thường trong 7 ngày theo dừi. Đối với chuột cái, chuột có các dấu hiệu bất thường như cứng 2 chi sau sau 5 phút uống mẫu, co giật nhẹ, không di chuyển được sau 6 phút uống mẫu, thở mạnh, nằm im, co giật từng cơn sau 11 phút và tất cả chuột đều tử vong sau 1 giờ 20 phút uống mẫu. Tuy nhiên, sau khi được uống mẫu, chuột vẫn có các dấu hiệu bất thường như di chuyển rất chậm đồng thời lắc lư toàn bộ cơ thể, sau đó trở nên bất động và thở mạnh.
Những con chuột còn sống vẫn tiếp tục không có bất kì dấu hiệu bất thường nào trong ăn uống và sinh hoạt trong 7 ngày theo dừi. Kết quả giai đoạn sơ khởi cho thấy mẫu dầu PMD cú độc tớnh cấp đường uống tương đối cao và cần được thực hiện thêm các thí nghiệm để xác định thông số LD50, LD100, và LD0. Từ các kết quả khảo sát ở giai đoạn sơ khởi, tiến hành thực hiện giai đoạn xác định để ước tính liều LD50.
Thí nghiệm được thử nghiệm với 4 liều khác nhau, trong đó liều 16,38 mL/kg được thực hiện với số chuột gấp đôi. Do đó, dầu Citrodiol hoàn toàn có thể được sử dụng làm hoạt chất cho các sản phẩm xua đuổi muỗi một cách an toàn.
Nâng cao quy mô phản ứng tổng hợp PMD từ tinh dầu
Kết quả phân tích cho thấy, cả độ chuyển hóa và hiệu suất thu được khi tổng hợp PMD từ 200 g tinh dầu đều được cải thiện đáng kể so với kết quả tổng hợp từ 20 g tinh dầu. Điều này được giải thích là do phản ứng tổng hợp PMD từ 200 g tinh dầu được diễn ra trên hệ thiết bị phản ứng có cánh khuấy (được trình bày ở Mục 2.3.2). Điều này đã góp phần làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha dẫn đến tăng hiệu quả tổng hợp.
Ngoài ra, khi chuyển sang sử dụng hệ thiết bị này, quá trình truyền nhiệt được ổn định hơn do phản ứng được gia nhiệt bởi dòng nước nóng đi trong lớp vỏ áo thiết bị được cung cấp bởi bể điều nhiệt đã tạo sự truyền nhiệt ổn định hơn so với phản ứng được gia nhiệt bởi bể nước giữ nhiệt thông thường. Điều này được thể hiện khi các thí nghiệm tổng hợp cho hiệu suất và độ chuyển hoá ổn định (sai số nhỏ hơn 1%, Phụ lục 3). Đồng thời, sự truyền nhiệt ổn định này đã góp phần hạn chế được sự hình thành các sản phẩm phụ.
Điều này được minh chứng qua kết quả phân tích về thành phần hóa học của sản phẩm được mô tả trong Bảng 3.8. Các kết quả trên đã cho thấy việc tăng năng suất của phản ứng từ 20 lên 200 g không những không ảnh hưởng đến phản ứng mà còn làm tăng đáng kể hiệu quả tổng hợp PMD. Điều này cũng cho thấy tiềm năng trong việc tiếp tục nghiên cứu để đưa quy trình tổng hợp PMD lên quy mô pilot và hơn nữa là quy mô công nghiệp.