Phản ứng Hiệu suất (%) DS PU1 79,82 5,65 PU2 80,27 5,63 PU3 79,29 5,67 Trung bình 79,79 5,65 Dự báo 79,63 5,65
So sánh giữa kết quả bề mặt đáp ứng dự báo và phản ứng thực nghiệm ở điều kiện tối ƣu, kết quả khác nhau khơng có ý nghĩa thống kê (P > 0,05). Phần mềm dự báo điều kiện và kết quả phản ứng đúng với thực nghiệm.
3.1.5. Tổng hợp HPβCD có các DS khác nhau
Tiến hành phản ứng tổng hợp ở điều kiện tối ƣu với sự thay đổi tỷ lệ mol βCD : 1,2- propylen oxid:
Các yếu tố cố định: βCD 5 mmol, H2O 100 ml, NaOH 0,0375 mol, 1,2-propylen oxid thay đổi từ 30 - 55 mmol với = 5 mmol.
Bảng 3.10. Sản phẩm của phản ứng tổng hợp HPβCD với tỷ lệ mol βCD : 1,2-propylen
oxid khác nhau
1,2-propylen oxid (mmol) 30 35 40 45 50 55
Phản ứng PL1 PL2 PL3 PL4 PL5 PL6
Hiệu suất (%) 69,37 76,83 79,82 80,01 81,38 85,14
DS 4,35 5,13 5,58 6,09 6,27 6,83
(PL: ký hiệu của phản ứng giữa βCD và 1,2-propylen oxid với các tỷ lệ mol khác nhau)
Biểu đồ 3.4. Sự phụ thuộc của hiệu suất và DS vào tỷ lệ mol 1,2-propylen oxid tham gia
phản ứng tổng hợp HPβCD.
Hiệu suất và DS của HPβCD tổng hợp tăng theo sự gia tăng tỷ lệ 1,2-propylen oxid tham gia phản ứng.
3.1.6. Nâng sản phẩm của phản ứng tổng hợp HPβCD lên cỡ lô kg
Thiết kế bình phản ứng: bình gồm 2 phần: phần dƣới là hình nón cụt úp ngƣợc với đáy
nhỏ ở dƣới đảm bảo dung dịch phản ứng khuấy lên trên ln có xu hƣớng trở về đáy. Phần trên là một nửa mặt cầu đƣợc hàn kín với phần dƣới. Phía ngồi trên mặt cầu đƣợc hàn một phễu để chứa nƣớc đá làm lạnh. Cánh khuấy kiểu cánh quạt đặt lệch tâm gần sát dƣới đáy để khi khuấy hồi lƣu kéo phần khơng khí phía trên bề mặt xuống, hạn chế đến mức thấp nhất 1,2-propylen oxid bay hơi khỏi dung dịch phản ứng. Phía trên bình phản ứng gồm 1 ống để cho 1,2-propylen oxid vào phản ứng, 1 ống gắn sinh hàn làm lạnh. Ở giữa có nắp đậy gắn trục khuấy và gắn vào bình phản ứng với vịng đệm đƣợc xiết chặt. Toàn bộ thiết bị đƣợc chế bằng inox không gỉ. (phụ lục 1, hình PL.1.1a).
Cơng thức cỡ lơ kg: βCD 1135 g, 1,2-propylen oxid 565,5 ml, NaOH 150 g, H2O 10.000 ml
Bảng 3.11. Hiệu suất và DS của phản ứng tổng hợp HPβCD cỡ lô kg
Phản ứng Sản phẩm (kg) Hiệu suất (%) DS
PK1 1,30 87,68 5,97
PK2 1,28 86,55 5,85
PK3 1,27 86,15 5,91
Trung bình 1,28 86,79 5,91
So sánh giữa kết quả bề mặt đáp ứng dự báo và phản ứng thực nghiệm cỡ lô kg ở điều kiện tối ƣu, kết quả khác nhau khơng có ý nghĩa, (P > 0,05). Phần mềm dự báo điều kiện tối ƣu hồn tồn có thể ứng dụng vào phản ứng tổng hợp cỡ lô kg.
3.1.7. Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở của HPβCD tổng hợp: phụ lục 15 Kết quả kiểm nghiệm HPβCD tổng hợp:
Độ tinh khiết: (phụ lục 4, hình PL.4.10)
( )
∑
Bảng 3.12. Kết quả kiểm nghiệm của HPβCD tổng hợp (phụ lục 29)
Chỉ tiêu Mức chất lƣợng Kết quả
Tính chất Bột trắng hoặc gần nhƣ trắng, dễ tan trong nƣớc và methanol.
Đạt Ðịnh tính Chế phẩm phải có phổ IR, NMR,
MS đặc trƣng của HPβCD.
Đúng Ðộ trong và màu sắc Dung dịch chế phẩm phải trong và
không màu.
Đạt
Nhiệt độ nóng chảy 255 - 265 oC Đạt
pH Từ 6 đến 7 Đạt
Góc quay cực riêng Từ + 120 đến + 140 Đạt
Giảm khối lƣợng do làm khô Không quá 5% Đạt
Kim loại nặng Không quá 20 ppm. Đạt
Cắn sau khi nung Không quá 0,1 % Đạt
Ðộ tinh khiết ≥ 96,5% tính theo chế phẩm nguyên trạng
Đạt
Ðộ thế (DS) Từ 4 đến 7 Đạt
Ðộc tính bất thƣờng Tiêu chuẩn DĐVN IV Khơng phát hiện độc tính
3.1.8. Theo dõi độ ổn định của HPβCD tổng hợp Bảng 3.13. Độ ổn định của HPβCD tổng hợp (n = 3) Chỉ tiêu Số tháng 0 3 6 9 12 24 Tính chất Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Độ trong và màu sắc Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt pH Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Độ tinh khiết (%) Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt
Sản phẩm HPβCD tổng hợp ổn định trong quá trình bảo quản.
3.1.9. Qui trình tổng hợp 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (phụ lục 22) Nội dung quy trình:
Bảng 3.14. Cơng thức (cho một lô) tổng hợp HPβCD
Nguyên liệu Tiêu chuẩn Đơn vị tính Số lƣợng
Beta cyclodextrin TCNSX gam 1135
1,2-propylen oxid TCNSX ml 565,50 NaOH TCNSX gam 150 Nƣớc cất TCNSX ml 10.000 HCl 1 M TCNSX ml 2.000 Aceton TCNSX ml 20.000 Ethanol 99,5% TCNSX ml 2.000
Sơ đồ quy trình tổng hợp 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin:(phụ lục 22, mục 3) Các bƣớc tiến hành nhƣ sau:
Bước 1. Tổng hợp 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin
Cân các chất tham gia phản ứng theo cơng thức. Hịa tan NaOH trong nƣớc, cho tiếp βCD vào hịa tan (đun nóng nếu cần), điều chỉnh đến nhiệt độ phản ứng. Khuấy hồi lƣu trong 2
giờ, thêm từng lƣợng nhỏ 1,2-propylen oxid trong khoảng 90 phút đến hết, khuấy tiếp theo thời gian đã định. Kết thúc phản ứng.
Bước 2. Tinh chế sản phẩm: dùng HCl 1 M để trung hòa dung dịch phản ứng đến pH
trung tính, cơ loại nƣớc ở 80 oC dƣới áp suất giảm đến thể chất sánh nhƣ siro. Thêm ethanol tuyệt đốivừa đủ để hòa tan, khuấy trong 30 phút, lọc loại NaCl, thêm aceton vào khuấy trong 30 phút ở nhiệt độ 0 - 5 oC, lọc thu hồi aceton. Cất phân đoạn thu hồi aceton để dùng tiếp các lần sau. Cắn hòa trong lƣợng tối thiểu ethanol tuyệt đốivà thêm aceton lặp lại nhiều lần đến khi cắn tạo bột tơi. Sấy khô ở 80 oC dƣới áp suất giảm đến độ ẩm qui định. Kiểm nghiệm sản phẩm.
Bước 3. Đóng gói và dán nhãn: Đóng gói trong túi polyethylen hàn kín, dán nhãn đúng
qui định, bảo quản ở nhiệt độ phòng.
3.2. TỔNG HỢP 2-HYDROXYBUTYL-β-CYCLODEXTRIN (HBβCD) 3.2.1. Qui trình tổng hợp 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin 3.2.1. Qui trình tổng hợp 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin
Cơ chế phản ứng tổng hợp HBβCD đƣợc thể hiện trong sơ đồ 3.2.
Sơ đồ 3.2. Cơ chế phản ứng tổng hợp 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin. (*) phản ứng có thể
Hình 3.2. Sắc ký đồ của HBβCD tổng hợp (2) so với βCD (1)
Sắc ký đồ của βCD là 1 vết tròn với Rf = 0,27, HBβCD tổng hợp có Rf = 0,77 và khơng cịn vết của βCD.
Thăm dò ảnh hƣởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất và DS của phản ứng:
Bảng 3.15. Ảnh hƣởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất và DS của phản ứng tổng hợp
HBβCD (n = 3)
Nồng độ NaOH 1,5% 2% 3%
Hiệu suất (%) 75,35 ± 0,03 65,72 ± 0,01 60,42 ± 0,05 DS 5,23 ± 0,012 4,85 ± 0,015 4,51 ± 0,009
Từ kết quả bảng 3.15, lấy nồng độ NaOH 1,5% để làm môi trƣờng cho các phản ứng tiếp theo.
3.2.2. Xác định cấu trúc của HBβCD tổng hợp
Phổ IR: cực đại hấp thụ của HBβCD tổng hợp ở số sóng đặc trƣng của các nhóm chức:
O-H ở 3386,8 cm-1, C-H ở 2933,5 cm-1, C-O ở 1029,9 cm-1 (phụ lục 5, hình PL.5.1) Phổ NMR: (D2O, δppm), (phụ lục 5, hình PL.5.2 - PL.5.7) 1H-NMR (500 MHz, T = 299 K): 5,108 (H1), 3,628 (H2), 4,051 (H3), 3,547 (H4), 3,891 (H5), 3,953 (H6), 3,879 (H1'1,2), 3,671 (H2'1,2), 1,554 (H3'1), 1,480 (H3'2), 0,980 (H4'1,2). 13C-NMR (125 MHz, T = 299 K): 101,82 (C1), 73,17 (C2), 74,74 (C3), 81,10 (C4), 72,70 (C5), 60,33 (C6), 76,54 (C1'1,2a), 75,71 (C1'1,2b), 72,24 (C2'), 25,82 (C3'1), 25,53 (C3'2), 9,18 (C4'1), 9,32 (C4'2).
Từ kết quả phân tích phổ 1
H và 13C-NMR có thể kết luận sản phẩm HBβCD đã đƣợc tổng hợp có cấu trúc đúng nhƣ dự kiến.
Phổ MS: HBβCD tổng hợp có các đồng phân có khối lƣợng phân tử tƣơng ứng với 9 DS
khác nhau phân bố liên tục từ 1 đến 9, (phụ lục 5, hình PL.5.8).
3.2.3. Xác định các yếu tố của phản ứng ảnh hƣởng đến hiệu suất và DS của sản phẩm
Vận tốc khuấy
Bảng 3.16. Ảnh hƣởng của vận tốc khuấy đến hiệu suất và DS của phản ứng tổng hợp
HBβCD
Vận tốc (vòng/phút) 400 600 800 1000 1200 Hiệu suất (%) 74,56 74,74 76,23 76,92 76,82
DS 4,59 4,76 4,87 4,90 4,64
Biểu đồ 3.5. Ảnh hƣởng của vận tốc khuấy đến hiệu suất và DS của phản ứng tổng hợp
HBβCD.
Dựa vào kết quả phân tích trong bảng 3.16 và biểu đồ 3.5 có thể thấy khi thay đổi vận tốc khuấy sẽ dẫn đến hiệu suất và DS bị thay đổi, hiệu suất và DS đạt giá trị cao khi vận tốc khuấy trong khoảng 600 - 1000 vịng/phút. Vì vậy, trong nghiên cứu quy trình tổng hợp khoảng vận tốc khuấy đƣợc khảo sát là 600 - 1000 vòng/phút.
Nhiệt độ của phản ứng
Bảng 3.17. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất và DS của phản ứng tổng hợp HBβCD
Nhiệt độ ( oC ) 20 25 30 35 40 45 Hiệu suất (%) 75,35 75,60 76,23 77,12 77,85 77,59
DS 4,47 4,46 5,25 5,23 5,46 5,64
Biểu đồ 3.6. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất và DS của phản ứng tổng hợp
HBβCD.
Dựa vào kết quả phân tích trong bảng 3.17 và biểu đồ 3.6 có thể thấy khi thay đổi nhiệt độ sẽ làm thay đổi hiệu suất và DS, hiệu suất đạt giá trị cao khi nhiệt độ trong khoảng 20 - 40 oC trong khi DS tăng theo sự gia tăng của nhiệt độ. Kết hợp cả 2 yếu tố, trong nghiên cứu quy trình tổng hợp khoảng nhiệt độ đƣợc khảo sát là 20 - 40 o
C.
Thời gian phản ứng
Bảng 3.18. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất và DS của phản ứng tổng hợp HBβCD
Thời gian (giờ) 14 16 18 20 24 28
Hiệu suất (%) 74,50 75,63 76,14 76,43 77,55 77,52
Biểu đồ 3.7. Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất và DS của phản ứng tổng hợp
HBβCD.
Dựa vào kết quả phân tích trong bảng 3.18 và biểu đồ 3.7 có thể thấy khi thay đổi thời gian phản ứng sẽ làm thay đổi hiệu suất và DS, hiệu suất và DS đạt giá trị cao khi thời gian trong khoảng 16 - 24 giờ. Vì vậy, trong nghiên cứu quy trình tổng hợp khoảng thời gian đƣợc khảo sát là 16 - 24 giờ.
3.2.4. Tối ƣu hóa các yếu tố của qui trình tổng hợp ảnh hƣởng đến hiệu suất và DS của sản phẩm.
Bảng 3.19. Mã hóa các yếu tố biến thiên khảo sát của phản ứng tổng hợp HBβCD
Yếu tố biến thiên khảo sát Mã hóa Mức dƣới (-1) Mức giữa (0) Mức trên (+1) Vận tốc (v) x1 600 800 1000 Nhiệt độ (t0 ) x2 20 30 40 Thời gian (t) x3 16 20 24
Bảng 3.20. Bố trí thí nghiệm Box-Behnken mức cơ bản kiểu bề mặt đáp ứng và kết quả
hiệu suất và DS của qui trình tổng hợp HBβCD STT Bố trí thí nghiệm Vận tốc (x1) Nhiệt độ (x2) Thời gian (x3) Hiệu suất (%) (y1) DS (y2) 1 +0- 800 40 16 78,341 5,797 2 +0+ 600 40 20 76,998 5,442 3 ++0 1000 30 16 78,768 5,368 4 000 1000 30 24 76,754 5,470 5 0+- 1000 40 20 77,052 5,257 6 -+0 800 30 20 76,266 5,307 7 000 800 30 20 77,608 4,870 8 0++ 800 40 24 77,974 5,227 9 0-+ 800 20 24 76,205 5,010 10 0-- 800 20 16 75,595 4,379 11 -0+ 600 30 24 77,120 5,255 12 --0 600 20 20 74,802 4,593 13 +-0 1000 20 20 74,375 4,237 14 000 800 30 20 78,646 5,447 15 -0- 600 30 16 76,083 5,281
Kết quả từ phần mềm JMP 4.0 với mơ hình Box-Behnken: (phụ lục 5, hình PL.5.9 và
bảng PL.5.1 – bảng PL.5.4)
Tƣơng quan giữa các yếu tố khảo sát đến hiệu suất với R2 = 0,84 và đến DS với R2 = 0,90
Ảnh hƣởng của các yếu tố khảo sát đến y1 (hiệu suất): x1, x2 với tƣơng quan thuận, x3 với tƣơng quan nghịch.
Ảnh hƣởng của các yếu tố khảo sát đến y1 theo thứ tự giảm dần:
Phƣơng trình bề mặt đáp ứng theo y1:
Ảnh hƣởng của các yếu tố khảo sát đến y2 (DS): x1 với tƣơng quan nghịch, x2 và x3 với tƣơng quan thuận.
Ảnh hƣởng của các yếu tố khảo sát đến y2 theo thứ tự giảm dần:
Phƣơng trình bề mặt đáp ứng theo y2:
Kết quả tối ƣu cho từ phần mềm JMP 4.0:
Vận tốc khuấy 817,00 vòng/phút, nhiệt độ 35,60 oC, thời gian 21,70 giờ Hiệu suất 77,85%, DS 5,33
Tiến hành 3 phản ứng tổng hợp thực nghiệm ở điều kiện tối ƣu:
Bảng 3.21. Hiệu suất và DS của 3 phản ứng tổng hợp HBβCD ở điều kiện tối ƣu
Phản ứng Hiệu suất (%) DS BU1 77,55 5,34 BU2 78,34 5,30 BU3 77,79 5,41 Trung bình 77,89 5,35 Dự báo 77,85 5,33
So sánh giữa kết quả bề mặt đáp ứng dự báo và phản ứng thực nghiệm ở điều kiện tối ƣu, kết quả khác nhau khơng có ý nghĩa thống kê (P > 0,05). Phần mềm dự báo điều kiện và kết quả phản ứng đúng với thực nghiệm.
3.2.5. Tổng hợp HBβCD có các DS khác nhau
Tiến hành phản ứng ở điều kiện tối ƣu với sự thay đổi tỷ lệ βCD : 1,2-butylen oxid
Các yếu tố cố định: βCD 5 mmol, H2O 100 ml, NaOH 0,0375 mol, 1,2-butylen oxid thay đổi từ 30 - 60 mmol với = 5 mmol.
Bảng 3.22. Sản phẩm HBβCD với tỷ lệ mol βCD : 1,2-butylen oxid khác nhau
1,2-butylen oxid (mmol) 30 35 40 45 50 55 60
Phản ứng BL1 BL2 BL3 BL4 BL5 BL6 BL7
Hiệu suất (%) 74,68 77,58 78,52 78,68 78,77 78,87 79,10
DS 3,92 4,75 5,27 5,44 5,85 6,36 6,61
(BL: ký hiệu của phản ứng giữa βCD và 1,2-butylen oxid với các tỷ lệ mol khác nhau)
Biểu đồ 3.8. Sự phụ thuộc của hiệu suất và DS vào tỷ lệ mol 1,2-butylen oxid tham gia
phản ứng tổng hợp HBβCD.
3.2.6. Nâng sản phẩm của phản ứng tổng hợp HBβCD lên cỡ lô kg
Dụng cụ phản ứng: dùng dụng cụ của phản ứng tổng hợp HPβCD cỡ lô kg.
Thành phần các chất tham gia phản ứng: βCD 1135 g, 1,2-butylen oxid 702 ml, NaOH 150 g, H2O 10.000 ml
Bảng 3.23. Hiệu suất và DS của phản ứng tổng hợp HBβCD cỡ lô kg
Phản ứng Sản phẩm (kg) Hiệu suất (%) DS
BK1 1,22 79,62 5,54
BK2 1,21 79,31 5,53
BK3 1,21 79,20 5,46
Trung bình 1,21 79,38 5,51
So sánh giữa kết quả bề mặt đáp ứng dự báo và phản ứng thực nghiệm cỡ lô kg ở điều kiện tối ƣu, kết quả khác nhau khơng có ý nghĩa thống kê, (P > 0,05). Phần mềm dự báo điều kiện tối ƣu hồn tồn có thể ứng dụng vào phản ứng tổng hợp cỡ lô kg.
3.2.7. Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở của HBβCD tổng hợp: phụ lục 16 Kết quả kiểm nghiệm HBβCD tổng hợp:
Độ tinh khiết: (phụ lục 5, hình PL.5.10)
( )
∑
( )
Bảng 3.24. Kết quả kiểm nghiệm của HBβCD tổng hợp (phụ lục 29)
Chỉ tiêu Mức chất lƣợng Kết quả
Tính chất Bột trắng hoặc trắng ngà, dễ tan trong nƣớc và methanol.
Đạt Ðịnh tính Chế phẩm phải có phổ IR,
NMR, MS đặc trƣng của HBβCD.
Đúng
Ðộ trong và màu sắc Dung dịch chế phẩm phải trong và không màu.
Đạt
Nhiệt độ nóng chảy 265 - 275 oC Đạt
pH Từ 6 đến 7 Đạt
Góc quay cực riêng Từ + 120 đến + 140 Đạt
Giảm khối lƣợng do làm khô Không quá 10% Đạt
Kim loại nặng Không quá 20 ppm. Đạt
Cắn sau khi nung Không quá 0,1% Đạt
Ðộ tinh khiết ≥ 96,5% tính theo chế phẩm nguyên trạng
Đạt
Ðộ thế (DS) Từ 4 đến 7 Đạt
Ðộc tính bất thƣờng Tiêu chuẩn DĐVN IV Khơng phát hiện độc tính
3.2.8. Theo dõi độ ổn định của HBβCD tổng hợp Bảng 3.25. Độ ổn định của HBβCD tổng hợp (n = 3) Chỉ tiêu Số tháng 0 3 6 9 12 24 Tính chất Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Độ trong và màu sắc Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt pH Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Độ tinh khiết (%) Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt
Sản phẩm HBβCD tổng hợp ổn định trong quá trình bảo quản.
3.2.9. Qui trình tổng hợp 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin (phụ lục 23) Nội dung quy trình:
Bảng 3.26. Cơng thức (cho một lô) tổng hợp HBβCD
Nguyên liệu Tiêu chuẩn Đơn vị tính Số lƣợng
Beta cyclodextrin TCNSX gam 1135
1,2-butylen oxid TCNSX ml 702 NaOH TCNSX gam 150 Nƣớc cất TCNSX ml 10.000 HCl 1 M TCNSX ml 2000 Aceton TCNSX ml 20.000 Ethanol 99,5% TCNSX ml 2.000
Sơ đồ quy trình tổng hợp 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin: (phụ lục 23, mục 3) Các bƣớc tiến hành nhƣ sau:
Bước 1. Tổng hợp 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin: cân các chất tham gia phản ứng theo
cơng thức. Hịa tan NaOH trong nƣớc, cho tiếp βCD vào hịa tan (đun nóng nếu cần), điều chỉnh đến nhiệt độ phản ứng. Khuấy hồi lƣu trong 2 giờ, thêm từng lƣợng nhỏ 1,2-butylen oxid trong khoảng 90 phút đến hết, khuấy tiếp theo thời gian đã định. Kết thúc phản ứng.
Bước 2. Tinh chế sản phẩm: dùng HCl 1 M để trung hòa dung dịch phản ứng đến pH