Axit gluconic và các muối gluconat, sản phẩm của quá trình oxi hoá glucozơ, có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp, chúng được dùng như là tác nhân vòng càng (chelating agent) cho các chất tẩy rửa tan trong nước hay phụ gia trong đồ hộp và thực phẩm, đặc biệt là các ứng dụng trong dược phẩm [40]. Tuy nhiên, quá trình oxi hóa D-Glucozơ là rất phức tạp vì nó sinh ra nhiều sản phẩm khác nhau. Vì vậy, nghiên cứu phản ứng trên các hệ xúc tác mới, chọn lọc, an toàn là một yêu cầu cấp thiết.
Luận án đã nghiên cứu và chế tạo vật liệu mao quản trung bình MCM-41, SBA-15 để phân tán kim loại t, Au. MCM-41 được tổng hợp từ TE S với chất tạo cấu trúc CTAB. Nhằm tạo chất nền có tính axit và có khả năng trao đổi ion Au, một trong những phương pháp tạo Au nano là Al thay thế đồng hình Si, sử dụng hai nguồn tiền chất Al là natrialuminat và isopropoxit nhôm để chế tạo vật liệu Al-MCM-41. SBA-15 được tổng hợp từ TE S và template 123. t và Au được mang trên vật liệu mao quản trung bình từ tiền chất H2 tCl6 và HAuCl4 với các lượng mang khác nhau. Xúc tác t/MCM-41, Pt/SBA-15, Au/MCM-41, Au/SBA-15 được chế tạo bằng phương pháp phân huỷ - kết tủa, sử dụng chất khử là NaBH4; Au-Al-MCM-41 được chế tạo bằng phương pháp trao đổi ion.
Việc sử dụng kết hợp các phương pháp vật lý và hoá lý đã xác nhận các đặc trưng mao quản trung bình khả năng phân tán t và Au kích thuớc nano trong mao quản của vật liệu. Kết quả nghiên cứu cho thấy các yếu tố nồng độ tiền chất, điều kiện khử hoá, nhiệt độ xử lý đều ảnh hưởng đến kích thước nano, vị trí phân tán và trạng thái hoạt động xúc tác của t, Au.
142
Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của các m u MCM-41, Al-MCM-41, SBA-15 đều xuất hiện các đỉnh sắc nhọn đặc trưng cho mao quản có độ trật tự cao ở vùng góc hẹp 2θ ~ 0, (SBA-15) và 2,2 (MCM-41). Hình ảnh TEM cho thấy rõ đặc trưng mao quản lục lăng của các vật liệu.
Đối với vật liệu MCM-41 chứa silic phân tán Au bằng phương pháp phân huỷ-kết tủa, các kết quả nhận được từ hình ảnh TEM cho thấy các hạt Au chế tạo có kích thước rất nhỏ. Nồng độ tiền chất có ảnh hưởng quyết định đến kích thước các hạt Au hình thành. Ở nồng độ tiền chất nhỏ (khoảng 0,01M), lượng mang 1%, hầu hết hạt kim loại Au tạo thành có kích thước nhỏ (1-2 nm) định vị trên thành mao quản mà quan sát thấy là các đám s m màu trên ảnh TEM. Ở các nồng độ tiền chất cao hơn (khoảng 0,1M) khi sử dụng để chế tạo các m u có lượng mang 2 %, 3%, bên cạnh các đám s m màu do Au hình thành trong mao quản thì sự thuỷ phân nhanh tiền chất d n đến sự hình thành lượng lớn các cụm cluster Au kích thước lớn (3-6nm) quan sát thấy ở ngoài mao quản. Sự hình thành các hạt Au với kích thước nhỏ bên trong mao quản được cho là kết quả của hiệu ứng cản trở không gian mao quản chất nền. Kết quả nghiên cứu với t thu được cũng tương tự, nồng độ khoảng 0,1M (m u M3), quan sát thấy các hạt t khoảng 4- 8nm trên ảnh TEM.
Với vật liệu SBA-15, mao quản rộng làm cho sự phân tán kim loại t, Au dễ dàng hơn. Ở nồng độ tiền chất khoảng 0,01M, với hàm lượng kim loại 1%, toàn bộ các hạt t, Au được hình thành trong mao quản, không quan sát thấy các hạt kích thước lớn ngoài mao quản.
Kết quả đo hấp phụ và giải hấp N2 cho thấy sau khi phân tán, vật liệu mao quản trung bình có sự giảm diện tích bề mặt và kích thước mao quản. Sự hình thành của các hạt kim loại có trọng lượng phân tử lớn ( t,1 5 và Au,1 7) hơn nhiều so với Si (28) làm cho diện tích bề mặt giảm khoảng 40%. Cùng với giá trị
143
tổng thể tích rỗng giảm đã chứng tỏ có sự hình thành của Au và t trong mao quản.
Đối với các m u mang Au, t ở hàm lượng 1%, không quan sát thấy các hạt kim loại ngoài mao quản, kết quả phân tích phổ tán xạ điện tử EDX đã chứng minh có kim loại Au và t, thành phần tương ứng với kết quả xác định bằng AAS. Kết quả này một lần nữa chứng tỏ đã phân tán được kim loại Au và t trong mao quản của vật liệu mao quản trung bình.
Đối với chất nền mao quản Al-MCM-41, việc phân tán Au bằng phương pháp trao đổi cũng đã tạo ra các hạt Au nano kích thước nhỏ bên trong và bên ngoài mao quản vật liệu. tuy nhiên, số lượng hạt Au là ít hơn so với Au/MCM-41. Điều này được giải thích bởi sự khó khăn trong quá trình trao đổi, mặt khác do hàm lượng nhôm trong vật liệu thấp d n đến hàm lượng ion vàng trao đổi thấp.
Nghiên cứu phản ứng oxi hoá glucozơ
hản ứng oxi hoá glucozơ được thực hiện ở pha lỏng, tính chất sản phẩm phụ thuộc chặt chẽ vào bản chất, kích thước nano của xúc tác và các điều kiện thực nghiệm: nhiệt độ phản ứng, pH và tốc độ dòng không khí, vì thế các m u nghiên cứu về ảnh hưởng của các điều kiện thực nghiệm được phân tích bằng sắc ký lỏng với sự phối hợp của đetectơ đặc hiệu RID và đetectơ khối phổ MS.
Đối với phản ứng oxi hoá glucozơ với định hướng chọn lọc cho sản phẩm axit gluconic, các xúc tác trên cơ sở kim loại t, Au nano có hiệu quả khá tốt, đặc biệt là với xúc tác Au. Nhận định này được đưa ra khi so sánh tính chất xúc tác và tính chất sản phẩm của phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác Au, t với xúc tác V2O5 và tác nhân oxi hoá HN 3. Sự hạn chế các sản phẩm phụ: sản phẩm ngưng tụ (đime, trime, oligome), sản phẩm chuyển hoá sâu (axit glucaric), sản phẩm decacboxyl hoá (hidroxi malonic), lacton, … trên xúc tác t (1,04%) và Au (~0%) so với V2O5 (37%) và HN 3 (56%) cho thấy hoạt tính tốt của xúc tác t,
144
Au trong quá trình này. Tuy nhiên, khả năng xúc tác của t và Au nano còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
Kích thước hạt Au kim loại: Các phương pháp đặc trưng xúc tác đã chứng minh kích thước khác nhau của kim loại t, Au trên chất nền phụ thuộc vào nồng độ tiền chất, phương pháp điều chế và bản chất chất nền. Xúc tác 1% t/D và 1% Au/D có sự tồn tại của các hạt t, Au kim loại kích thước nhỏ (<2 nm) phân tán bên trong mao quản, do vậy, xúc tác thể hiện hoạt tính tốt nhất về độ chuyển hoá và độ chọn lọc (80.04 % chuyển hoá và 2,4 % chọn lọc gluconic axit trên xúc tác t; 7 .64 % chuyển hoá và 100% chọn lọc trên xúc tác Au). Đối với các m u xúc tác co hàm lượng kimloại cao là 2%, 3%, nồng độ tiền chất cao d n đến sự hình thành một phần các hạt t, Au kích thước lớn, số tâm xúc tác giảm nên hoạt tính xúc tác giảm [42,78, 2], độ chuyển hoá đạt thấp hơn, 77% ở hàm lượng kim loại 2% và khoảng 57% ở hàm lượng kim loại 3% . Với m u Au-EX, lượng Au trong vật liệu thấp, do vậy, hoạt tính xúc tác của vật liệu là rất thấp (38% chuyển hoá).
Theo tính toán kích thước phân tử glucozơ và các sản phẩm chuyển hoá bằng Hyper Chem 7, phần mềm Q-SAR khi so sánh với kích thước mao quản của MCM-41 và SBA-15 thấy rằng cả hai vật liệu nền này đều có khả năng tiếp cận với phân tử glucozơ và hình thành sản phẩm. Tuy nhiên, SBA-15 với mao quản lớn hơn cho sự hình thành lượng lớn các sản phẩm ngưng tụ đi-, tri-, oligo- saccarit so với MCM-41. Như vậy, ngoài vai trò quyết định kích thước nano của kim loại xúc tác Au, t, kích thước mao quản của vật liệu nền còn ảnh hưởng đến phản ứng phụ của quá trình oxi hoá glucozơ.
Bên cạnh yếu tố xúc tác, các điều kiện thực hiện phản ứng cũng có ảnh hưởng quyết định đến tính chất sản phẩm của quá trình oxi hoá glucozơ.
Nhiệt độ: Trên xúc tác 1% Au/MCM-41, ở các điều kiện nhiệt độ 500C, pH ~9, tốc độ dòng không khí 20ml/phút cho độ chuyển hoá glucozơ 7 ,64%, độ chọn
145
lọc axit gluconic 100%. Xúc tác 1% t/MCM-41 hoạt động kém hơn Au, đạt 7 ,8% chuyển hoá glucozơ, 2% chọn lọc axit gluconic ở nhiệt độ 800C và bắt đầu hình thành sản phẩm oxi hoá cắt mạch ở nhiệt độ cao hơn, 00C.
pH: Là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến tính chất sản phẩm của phản ứng oxi hoá glucozơ. Điều kiện pH tự sinh do gluconic axit xúc tiến cho các quá trình hình thành sản phẩm ngưng tụ đime, oligome và gluconolacton. Ở pH cao (10, 11) xảy ra quá trình epime hoá tạo fructozơ (16% fructozơ ở pH 11). Khoảng pH thích hợp cho phản ứng diễn ra và đạt độ chọn lọc axit gluconic cao là rất hẹp (khoảng 9 – ,5), ở pH này, trên xúc tác Au cho độ chọn lọc 100% axit gluconic. Như vậy, trong quá trình thực hiện phản ứng, axit sinh ra sẽ làm pH giảm liên tục, vì thế cần theo dõi chặt chẽ bằng thiết bị đo pH và bổ sung kiềm liên tục để giữ ổn định pH thuận lợi cho phản ứng xảy ra. Sự điều chỉnh pH bằng Na H, K H còn có ưu điểm vừa giúp chuyển dịch cân bằng đẩy nhanh tốc độ phản ứng, vừa tránh được các phản ứng phụ (ngưng tụ, epime hoá), vừa chế tạo trực tiếp các muối Natri -, Kali gluconat sử dụng trong dược phẩm và thực phẩm chức năng.
Tốc độ dòng không khí: Quá trình oxi hoá glucozơ sử dụng tác nhân oxi hoá là oxi không khí, vì thế, sự cung cấp oxi có ảnh hưởng quyết định đến tốc độ phản ứng. Theo các tài liệu nghiên cứu, tốc độ cung cấp oxi ở khoảng 20-30ml/phút. Trong luận án đã nghiên cứu quá trình oxi hoá glucozơ ở tốc độ dòng không khí là 20ml/phút, cùng với sự khống chế các điều kiện nhiệt độ, pH, cho kết quả rất tốt, phản ứng diễn ra trong khoảng 2 giờ. Ở tốc độ dòng cao hơn (100ml/phút), tốc độ tăng nhanh trong 30 phút đầu (đạt 45% chuyển hoá) nhưng sau đó, tốc độ tăng chậm dần và đến 0phút thì độ chuyển hoá hầu như không tăng (52%). Nguyên nhân ở đây là do sự cung cấp oxi lớn d n đến sự hấp thụ quá mức các phân tử oxi lên các tâm xúc tác, làm biến đổi trạng thái kim loại và gây mất hoạt tính xúc tác. Hiện tượng này gọi là sự “ngộ độc oxi” [ 47, 62]. Như vậy, tốc độ cung cấp oxi cho phản ứng ở lưu lượng thấp 20ml/phút là thích hợp cho phản ứng
146
và tránh sự mất hoạt tính của xúc tác. Kết quả nghiên cứu này cũng phù hợp với cơ chế phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác Au [14,141], cho rằng giai đoạn quyết định phản ứng chính là giai đoạn phức (II) kết hợp chậm với oxi để tạo thành phức (III) (cơ chế -hình 3.4 ), chứng tỏ rằng tốc độ cung cấp oxi có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng.
Như vậy, môi trường kiềm yếu (pH ~ ) giúp cho việc bền hoá anion hemiaxetal và tốc độ cung cấp oxi không chỉ ảnh hưởng đến tính bền của xúc tác mà còn ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng tạo sản phẩm gluconat. Bên cạnh yếu tố xúc tác, sự chọn lọc sản phẩm của quá trình oxi hoá glucozơ còn phụ thuộc chặt chẽ vào hai yếu tố này.
Các kết quả IR, 1H-NMR, 13C-NMR, MS và AAS đánh giá muối natri và kali gluconat cho thấy sự thành công của phương pháp tổng hợp các muối này trực tiếp từ quá trình oxi hoá glucozơ sử dụng xúc tác dị thể. Việc tách thu sản phẩm rất dễ dàng. Bên cạnh đó, việc sử dụng quá trình oxi hoá xúc tác dị thể cũng như sử dụng tác nhân tạo muối là các dung dịch kiềm cũng chính là tác nhân chỉnh pH đã giảm số giai đoạn trong quy trình chế tạo muối xuống chỉ còn một giai đoạn. Điều này chứng tỏ quy trình oxi hoá xúc tác dị thể nano vàng có hiệu quả về mặt công nghệ và kinh tế hơn nhiều so với phương pháp oxi hoá sinh học dùng xúc tác enzym. Hơn nữa, đây còn là một quá trình hoá học xanh (green chemistry), hầu như không tạo các sản phẩm gây ảnh hưởng xấu đến môi trường. Đó là những ưu điểm vượt trội của phương pháp này so với phương pháp lên men truyền thống. Hiệu suất tạo muối tương đối lớn và sản phẩm muối thu được có độ tinh khiết cao, đạt tiêu chuẩn dược điển Mỹ US 30. Kết quả nghiên cứu này đã mở ra khả năng ứng dụng của phương pháp oxi hoá xúc tác dị thể trong công nghệ sản xuất lượng lớn các muối gluconat, đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng lớn các muối này trong công nghiệp hoá dược và thực phẩm.
147
KẾT LUẬN
1. Đã nghiên cứu tổng hợp được các vật liệu MCM-41 và SBA-15 bằng phương pháp thuỷ nhiệt. Đặc trưng mao quản trung bình và diện tích bề mặt lớn đã được xác nhận bằng các phương pháp XRD, TEM, hấp phụ và giải hấp N2.
2. Đã phân tán t, Au trên các vật liệu nền MCM-41, SBA-15 bằng phương pháp phân huỷ-kết tủa sử dụng chất khử NaBH4 . Tìm được các điều kiện chế hoá để đưa platin, vàng về trạng thái kim loại, kích thước nano thích hợp cho sự oxi hoá. Các kết quả đặc trưng XRD, TEM, hấp phụ và giải hấp N2, AAS và EDX đã xác nhận Au, Pt đạt kích thước nano phân tán ổn định trong mao quản của MCM-
41 và SBA-15.
3. Sản phẩm phản ứng được phân tích bằng phương pháp sắc ký lỏng với sự phối kết hợp các đetectơ đặc hiệu RID và MS. Đã nghiên cứu lựa chọn được các điều
kiện phân tích thích hợp: cột tách, chương trình nhiệt độ, tỉ lệ và tốc độ dung
môi pha động, … cho phép xác định chính xác axit gluconic và các sản phẩm khác.
4. Các hệ xúc tác chế tạo được đánh giá tính chất qua quá trình oxi hoá glucozơ. Xúc tác dị thể nano Au, t/vật liệu mao quản trung bình đều có hiệu quả cho quá trình này.Đã nghiên cứu và giải thích ảnh hưởng của các điều kiện thực nghiệm: kích thước hạt, nhiệt độ, thời gian, pH, lưu lượng dòng khí đến tính chất sản phẩm phản ứng. Xúc tác nano Au hoạt động ở nhiệt độ 500C, thấp hơn Pt (800C). Trên xúc tác nano 1% Au/MCM-41, tìm được các điều kiện cho độ
chọn lọc axit gluconic gần 100% .
5. Trong điều kiện pH tự sinh, sản phẩm ngưng tụ đisaccarit hình thành trên cả hai hệ vật liệu nền MCM-41 và SBA-15 phân tán kim loại. Vật liệu nền MCM- 41 hạn chế các sản phẩm ngưng tụ so với SBA-15. Như vậy, ngoài vai trò quyết
148
định kích thước nano của kim loại xúc tác Au, Pt, kích thước mao quản của
vật liệu nền còn ảnh hưởng đến phản ứng phụ.
6. Đã xây dựng được phương pháp xác định nhanh sản phẩm axit gluconic
bằng chuẩn độ pH, điều chỉnh bằng dung dịch Na H trong điều kiện chọn lọc
axit gluconic. Các kết quả này sẽ là cơ sở cho việc xây dựng phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác, theo dõi tiến trình phản ứng và xác định sản phẩm trong điều kiện công nghiệp sản xuất các muối gluconat.
7. Đã chế tạo trực tiếp các muối Natri -, Kali gluconat bằng chính tác nhân điều chỉnh pH là Na H, K H, vừa giúp chuyển dịch cân bằng đẩy nhanh tốc độ
phản ứng, vừa tránh được các phản ứng phụ (ngưng tụ, epime hoá). Natri -,
Kali gluconat được đánh giá bằng IR, 1H-NMR, 13C-NMR, MS và AAS. Nhiệt độ nóng chảy và hàm lượng kim loại phù hợp với dược điển Mỹ US 30. Quá trình này có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế và công nghệ.
8. Muối natri gluconat được chuyển qua etyl este rồi hidrazit và ngưng tụ với các hợp chất cacbonyl để tạo thành một dãy 12 hợp chất hidrazon của axit gluconic.
Các hợp chất này đều có hoạt tính kháng khuẩn và chống nấm. Đây cũng là
một trong những khả năng ứng dụng đáng quan tâm ngoài dược phẩm và thực phẩm chức năng của muối natri gluconat .