CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. Nghiên cứu quá trình oxi hoá glucozơ
3.2.1. Phản ứng oxi hoá glucozơ trên các xúc tác, tác nhân khác nhau và
phương pháp phân tích sản phẩm
Trong phân tử glucozơ có một nhóm anđehit, một nhóm ancol bậc 1 và 4 nhóm ancol bậc 2 nên có nhiều trung tâm phản ứng, vì thế sự oxi hoá glucozơ là một phản ứng phức tạp và khó kiểm soát. Tuỳ thuộc vào các điều kiện xúc tác, môi trường phản ứng, pH, nhiệt độ, … mà phản ứng có thể xảy ra theo nhiều chiều hướng khác nhau, tại các vị trí khác nhau. Sự oxi hoá tại nhóm anđehit - CH cho sản phẩm axit gluconic, tại nhóm ancol bậc 1 cho sản phẩm axit glucononic hoặc phản ứng tạo các xeton trên các nhóm ancol bậc 2. Với các xúc tác oxi hoá mạnh, nhiệt độ cao có thể xảy ra sự decacboxyl hoá tạo các sản phẩm ngắn mạch hơn. Điều kiện phản ứng, pH môi trường, pH tự sinh cũng có thể làm phản ứng diễn ra theo chiều hướng đồng phân hoá tạo fructozơ hay ngưng tụ tạo sản phẩm dime, … Thậm chí sự oxi hoá glucozơ còn xảy ra đồng thời theo nhiều chiều hướng, tại nhiều vị trí cho hỗn hợp sản phẩm rất phức tạp [21, 47]. Vì thế, việc nghiên cứu tìm ra các điều kiện phản ứng, xúc tác thích hợp nhằm định hướng chọn lọc sản phẩm mong muốn là cần thiết. Mặt khác, việc nghiên cứu tìm ra các phương pháp phân tích nhằm đáp ứng nhu cầu xác định chính xác các sản phẩm của quá trình này cũng rất quan trọng.
Với mục đích làm sáng tỏ vai trò của bản chất vật liệu xúc tác và các tác nhân đối với sự định hướng tính chất sản phẩm, phản ứng oxi hoá glucozơ được
98
thực hiện trên một số tác nhân và chất xúc tác có tính chất khác nhau. Sản phẩm của quá trình oxi hoá glucozơ hầu hết là các chất có phân tử lượng lớn, trong phân tử có chứa nhóm axit và nhiều nhóm ancol nên dễ dàng tạo các liên kết cầu hiđro, hơn nữa, các hợp chất này thường có độ nhớt cao nên rất khó bay hơi. Vì thế, để phân tích các sản phẩm này phải dùng phương pháp sắc ký lỏng HPLC. Trong nghiên cứu này sử dụng các thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao với các đetectơ khác nhau (UV, RI và MS) để phân tích sản phẩm.
hương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với đetectơ tử ngoại UVD thường được sử dụng để phân tích các hợp chất hữu cơ, các phức chất, đặc biệt hiệu quả với các hợp chất có chứa sự liên hợp trong phân tử. Nhằm có những kết quả thăm dò ban đầu về phản ứng cũng như điều kiện xác định, m u sản phẩm phản ứng ở nhiệt độ 800C trên xúc tác 1%Pt/SBA-15 được phân tích trên HPLC-UVD với cột tách C18. Trên sắc ký đồ xuất hiện 3 tín hiệu pic ở các thời gian lưu lần lượt là 1,105; 1,287 và 1,864 phút (phụ lục về các sắc đồ) chứng tỏ đã có sự chuyển hoá glucozơ, nhưng tín hiệu UVD của 3 pic này hầu như trùng nhau và không thể phân biệt được sản phẩm và chất đầu.
Nguyên nhân là do detectơ tử ngoại UVD nhận biết sản phẩm theo sự chênh lệch mức năng luợng khi các electron trong nhóm chức bị kích thích chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích, nhảy từ các obital liên kết lên các obital phản liên kết có mức năng lượng cao hơn. Trong trường hợp này, phân tử glucozơ và các sản phẩm oxi hoá (chẳng hạn như axit gluconic) đều không có sự liên hợp trong phân tử, lại chỉ khác nhau nhóm C andehit và C axit, mức năng lượng chênh lệch không giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích ở hai phân tử này khác nhau không đáng kể. Vì thế, khi sử dụng detectơ UV để phân tích, tín hiệu của glucozơ và axit gluconic thường bị chồng chập và khó tách rời.
99
Như vậy, detectơ tử ngoại không thích hợp cho việc phân tích các hợp chất đường và sản phẩm chuyển hoá từ đường.
Đetectơ đo chỉ số khúc xạ RID dựa trên nguyên tắc xác định sự chênh lệch chiết suất của chất phân tích so với nước. Nhóm hợp chất cacbohiđrat nói chung thường có phân tử lượng lớn, chứa nhiều nhóm H trong phân tử d n đến khả năng tạo liên kết cầu hidro giữa các phân tử, vì thế dung dịch cacbohiđrat nói chung hay glucozơ nói riêng thường có độ nhớt cao, chiết suất chênh lệch so với nước là rất lớn, do đó, phương pháp sắc ký lỏng với đetectơ chiết suất rất thích hợp cho sự phân tích các hợp chất đường và các sản phẩm chuyển hoá từ đường. Hình 3.27 là sắc ký đồ H LC-RID, cột tách đa lỗ (polypore) với pha tĩnh kém phân cực CA, của m u sản phẩm phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác 1%Pt/SBA-15 (b), thực hiện phản ứng ở 800C, pH và chất chuẩn glucozơ (a).
Hình 3.27 : Sắc ký đồ HPLC-RID của sản phẩm phản ứng oxi hoá glucozơ: a) Glucozơ chuẩn, b) sử dụng xúc tác Pt/SBA-15
(a)
100
Trên sắc ký đồ H LC-RID xuất hiện 4 tín hiệu pic lớn và một số pic dạng vết. Các pic được phân tách tốt, rõ ràng, không chồng chập chứng tỏ điều kiện tách và cột tách sử dụng là thích hợp. Bằng việc phân tích chuẩn đường glucozơ trong cùng điều kiện, HPLC-RID đã xác nhận được tín hiệu của glucozơ phản ứng chưa hết là pic thứ 6 trên sắc đồ. Để có thể nhận biết chính xác các pic chất còn lại, nếu tiếp tục sử dụng HPLC-RID với các chất chuẩn khác nhau thì sẽ phải cần một số lượng chất chuẩn lớn để dò và số lần phân tích cũng rất nhiều. Vì thế, phương pháp LC-MS được sử dụng nhằm cung cấp thêm những thông tin về cấu trúc từ phổ MS của các hợp chất trong thành phần sản phẩm, từ đó, giúp cho việc định tính các chất hiệu quả hơn.
Từ kết quả nghiên cứu trên HPLC-UVD và HPLC-RID thấy rằng để phân tích sản phẩm oxi hoá glucozơ, sử dụng cột tách kém phân cực như C18, CA là thích hợp. Bởi vậy, khi phân tích bằng LC-MS cũng sử dụng cột tách C18 để có thứ tự các tín hiệu pic trên sắc ký đồ của các chất trong hỗn hợp sản phẩm là tương đương.
Hình 3.28: Sắc đồ LC-MS của mẫu sản phẩm sử dụng xúc tác PM3
Hình 3.28 là sắc đồ sản phẩm phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác M3 (Pt/MCM-41) ở 800C. Kết quả đặc trưng vật liệu này (phần 3.1.2) đã xác nhận
101
một phần t tồn tại ở ngoài mao quản dưới dạng các cụm cluster kích thước lớn 5-8nm. hản ứng được thực hiện trong điều kiện pH tự sinh do axit gluconic tạo ra trong quá trình. Trên sắc đồ xuất hiện 6 tín hiệu píc tương ứng với 6 chất trong hỗn hợp sản phẩm. Pic thứ nhất với thời gian lưu là 1,729 phút cho phổ MS có ion phân tử M+ là 1 6 trùng với phân tử khối của hợp chất axit gluconic (C6H12O7 có M = 1 6) và cho các ion mảnh có số khối tương ứng là 1 6, 174, 161, 133, 103, 73, 43, ... Từ các giá trị số khối của các phân mảnh này, thiết lập sơ đồ phân mảnh như sau (Hình 3.29)
Hình 3.29 : Sơ đồ phân mảnh của chất có tín hiệu píc thứ nhất trên sắc đồ
Sự phân mảnh hoàn toàn phù hợp với công thức của axit gluconic . Như vậy có thể nhận định đây chính là sản phẩm chính axit gluconic sinh ra trong quá trình oxi hoá glucozơ.
+C C C C C C C O OH HO H H OH H OH H OH H OH H C C C C C C O HO H H OH H OH H OH H OH H + - OH 179 161 - H2O C C C C C C O HO H H OH H OH H H H O + C C C C C HO H H OH H OH H H H O + - CO 133 C C C C H OH H OH H H H O + 103 - C2H2O2 - CHOH - CHOH - CHOH 73 43 C C C H OH H H H O + C C H H H O + M+ = 196
102
Tín hiệu tiếp theo sau axit gluconic trên sắc đồ (thời gian lưu 1,915 phút) có phổ khối lượng với các phân mảnh: 178 (M+), 160, 147, 117, 103, 86, 61, … (phụ lục ). Giá trị M+ trùng với khối lượng phân tử của gluconolacton. Sơ đồ phân mảnh của sản phẩm này được thiết lập dựa trên số khối của các phân mảnh nhận được trên phổ đồ.
Hình 3.30 : Sơ đồ phân mảnh của sản phẩm Glucono-lacton
Sự phù hợp của các giá trị số khối trên phổ đồ khối lượng với các phân mảnh của gluconolacton đã xác nhận sự hình thành sản phẩm này khi thực hiện oxi hoá glucozơ.
Tín hiệu tiếp theo (thời gian lưu 3,633 phút) được xác định là glucozơ chưa phản ứng hết bằng sự so sánh thời gian lưu với glucozơ chuẩn trong cùng điều kiện phân tích. HO OH HO - CO2 160 117 147 103 61 86 O OH HO HO OH O O OH HO HO O - H2O - CH2OH 178 + + + O OH HO HO O CH2 + + OH C HO HO O CH2=CH - O O - CH2 - CH2 - OH HO - CH2 - CH - C O+
103
Ngoài ra, trên sắc đồ còn xuất hiện 2 cụm tín hiệu ở khoảng thời gian lưu dài hơn rất nhiều so với các cấu tử khác. Dựa theo tính chất cột tách không phân cực và thứ tự rửa giải, có thể cho rằng, hợp chất này là sản phẩm quá trình dime, trime hoá tạo ra phân tử cồng kềnh là đisaccarit hay trisaccarit. Vì sự tương thích về độ phân cực với pha tĩnh của cột tách nên sản phẩm này bị rửa giải ra chậm hơn nhiều so với các sản phẩm phân cực khác. hổ đồ MS (hình 3.31 ) của píc có thời gian lưu 20,112 cho giá trị số khối của ion phân tử [M-Na]+ là 365, tức là M+=342, giá trị này đúng với phân tử khối của hợp chất đisaccarit hình thành do sự ngưng tụ xảy ra đối với hai nhóm H của hai phân tử đường glucozơ (M=180) loại đi một phân tử nước. Mặt khác, trên phổ đồ còn xuất hiện mảnh ion phân tử có giá trị 180 với cường độ lớn (100%), đây chính là tín hiệu khối lượng của phân tử monosaccarit (glucozơ ) bị phân huỷ từ hợp chất đisaccarit. Kết quả phổ khối lượng này đã minh chứng rằng có sự hình thành sản phẩm ngưng tụ đisaccarit từ hai phân tử đường trong môi trường axit tự sinh.
Hình 3.31: Phổ đồ khối lượng của hợp chất đisaccarit
Hai pic cuối cùng trên sắc đồ (thời gian lưu 22,602 và 22,838 phút) cho phổ khối lượng có giá trị ion phân tử M+ rất lớn (> 700). Khả năng đây chính là
104
các sản phẩm polisaccarit do sự đime hoá nhiều lần do axit của các phân tử glucozơ (hình 3.32 )
Hình 3.32: Phổ khối lượng của hợp chất oligosaccarit
Như vậy, cũng với hệ xúc tác chứa t, trong điều kiện không điều chỉnh pH, axit gluconic sinh ra sẽ xúc tiến cho quá trình ngưng tụ của các phân tử glucozơ tạo sản phẩm đisaccarit, polysaccarit. Kết quả này cho thấy rằng điều kiện pH phản ứng có ảnh hưởng đến sự định hướng sản phẩm. các kết quả nghiên cứu kỹ hơn về ảnh hưởng của pH sẽ được đưa ra trong phần 3.2.2.3.
Nhằm làm phong phú thêm điều kiện phân tích cũng như tính chất sản phẩm, phản ứng oxi hoá glucozơ được thực hiện với tác nhận oxi hoá mạnh axit HNO3, m u sản phẩm được phân tích bằng LC-MS. Bên cạch các sản phẩm axit gluconic, gluconolacton, …, phổ MS cũng đã xác nhận một số sản phẩm khác như sản phẩm oxi hoá sâu, axit glucaric (M+ = 210), sản phẩm của quá trình decacboxyl hoá, hidroxi malonic HOOC-CHOH-COOH (M+ = 120)....
Như vậy, bằng phương pháp LC-MS đã định tính được các thành phần sản phẩm chính của quá trình oxi hoá glucozơ. Sau khi đã biết được chính xác các sản phẩm, phương pháp H LC-RID được sử dụng để định lượng các sản phẩm này
105
trên cơ sở lập đường chuẩn với các chất chuẩn phù hợp. Sự kết hợp hai phương pháp LC-MS và HPLC-RID đã giúp cho việc định tính và định lượng một cách hiệu quả và chính xác các sản phẩm. Từ đó, sẽ cho những thông tin chính xác cho phép theo dõi phản ứng và xác định được thành phần sản phẩm của quá trình này.
Bảng 3.8 đưa ra kết quả so sánh tính chất sản phẩm của quá trình oxi hoá glucozơ trên một số xúc tác và tác nhân phản ứng khác nhau.
Bảng 3.8: Thành phần sản phẩm của
phản ứng oxi hóa glucozơ trên các tác nhân và xúc tác khác nhau
Xúc tác (hoặc tác nhân) Độ chuyển hoá glucozơ (%) Thành phần sản phẩm chuyển hóa (%) Axit gluconic Lacton Đisaccarit Sp khác HNO3 87,67 15.80 15,69 12,60 57,01 V2O5/MCM-41 (800C) 90,01 29,1 10.7 1,01 34.2 Pt/MCM-41 (800C) 78,54 87,81 10,15 0 1,04 Au/MCM-41(DP) (500C) 79.64 100 0 0 0
Các sản phẩm khác như: axit glucaric và các sản phẩm cắt mạch: axit oxalic, axit glixeric, axit ribonic, axit tartaric…
Từ các kết quả thu được nhận thấy rằng các tác nhân và xúc tác sử dụng đều có hiệu quả oxi hoá glucozơ. Độ chuyển hoá glucozơ là đều cao song tính chất sản phẩm trên các hệ xúc tác lại có sự khác nhau rõ rệt. Khi tiến hành phản ứng với tác nhân oxi hoá mạnh HN 3 , độ chuyển hóa glucozơ cao (87,67%). Khả năng oxi hoá mạnh kèm theo tính axit mạnh của HNO3 d n đến sự oxi hoá
106
xảy ra ở nhiều vị trí, theo nhiều chiều hướng nên tính chất sản phẩm rất phức tạp (57% sản phẩm phụ).
Bên cạnh sản phẩm của sự oxi hoá tại C6 tạo axit gluconic, phản ứng còn xảy ra trên các nhóm H bậc 1, bậc 2 tạo các sản phẩm axit glucaric và các xeto- axit, thậm chí xảy ra các quá trình decacboxyl hoá hình thành các sản phẩm ngắn mạch hơn (axit tactric, axit hidroximalonic, ...) [58]. Mặt khác, tính axit mạnh của HNO3 còn xúc tiến cho quá trình ngưng tụ hoá giữa các phân tử glucozơ cho sản phẩm đisaccarit, polisaccarit. Sự có mặt của glucono-lacton trong thành phần sản phẩm là do quá trình vòng hoá axit gluconic trong môi trường axit, pH thấp [58]. Với các hệ xúc tác dị thể nano phân tán trong vật liệu mao quản trung bình MCM-41, do mao quản của các hệ xúc tác thích hợp với kích thước của phân tử các chất phản ứng nên cũng đều đạt sự chuyển hoá cao. Mao quản của MCM-41 chứa các cấu tử hoạt động kích thước nano tương thích với kích thước phân tử chất phản ứng và sản phẩm, làm tăng hiệu quả tiếp xúc giữa chất xúc tác, tác nhân và glucozơ nên thuận lợi cho quá trình phản ứng. Xúc tác dị thể nano V2O5/MCM-41 cho độ chọn lọc của sản phẩm tốt hơn so với khi oxi hóa bằng HNO3, tuy nhiên v n còn ở mức thấp và v n còn nhiều sản phẩm phụ (34%).
Như vậy, với tiêu chí chọn lọc sản phẩm axit gluconic, tác nhân oxi hoá HNO3 và hệ xúc tác dị thể nano V2O5/MCM-41 không dùng được cho qui trình phản ứng này.
Trong khi đó, kết quả nghiên cứu phản ứng oxi hoá glucozơ trên các hệ xúc tác MCM-41 phân tán t, Au kích thước nano đã cho thấy một hiệu quả vượt trội đối với phản ứng này. Ở 800C, sử dụng hệ t/MCM-41 cho sự chuyển hoá glucozơ đạt 78,54%, sản phẩm chính gluconic đạt 87,81%. Thành phần sản phẩm phụ chủ yếu là gluconolacton (Hình 3.33) . Kết quả này chứng tỏ sự thích hợp cao của xúc tác nano t trong phản ứng oxi hóa chọn lọc glucozơ.
107
Hình 3.33. Sắc đồ HPLC của mẫu sản phẩm sử dụng xúc tác Pt/MCM-41(PM1)
Xúc tác dị thể nano trên cơ sở Au kim loại cũng cho hiệu quả oxi hoá chọn lọc cao. Sự chuyển hoá glucozơ là cao và tính chọn với sản phẩm gluconic axit cũng đáng kể. hản ứng sử dụng xúc tác Au/D 2 cho độ chọn lọc axit gluconic gần như là tuyệt đối (100%). Quan sát trên sắc ký đồ H LC-RID của sản phẩm phản ứng oxi hoá glucozơ sử dụng xúc tác này (hình 3.34 ) chỉ xuất hiện 2pic đặc trưng cho glucozơ chưa chuyển hoá và sản phẩm duy nhất của quá trình chuyển hoá là axit gluconic, với thời gian lưu kéo dài đến 45 phút không xuất hiện thêm pic sản phẩm nào khác
Hình 3.34: Sắc ký đồHPLC-RID sản phẩm phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác AM1/DP
108
Một ưu điểm nữa của vật liệu nano Au là phản ứng sử dụng xúc tác này