Khóa luận: Cải tiến quy trình bán tổng hợp Tetrahydrocurcumin - Phạm Anh Vũ

Tài liệu phân tích chi tiết quy trình bán tổng hợp Tetrahydrocurcumin. Nghiên cứu cải tiến và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng để nâng cao hiệu suất.

• Tác giả: Phạm Anh Vũ
• Người hướng dẫn: Ts. Đào Nguyệt Sương Huyền
• Trường học: Trường Đại Học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Dược
• Đề tài: Nghiên Cứu Cải Tiến Quy Trình Bán Tổng Hợp Tetrahydrocurcumin
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và tính chất của Tetrahydrocurcumin

Tetrahydrocurcumin (THC) là một hợp chất hóa học được tạo ra từ quá trình khử hóa curcumin, thành phần chính có trong cúc vàng. THC sở hữu các đặc tính lý hóa và sinh học vượt trội so với curcumin nguyên chất. Hợp chất này có khả năng hòa tan tốt hơn trong các dung môi hữu cơ, độ ổn định cao hơn và tác dụng sinh học mạnh mẽ hơn. Các tính chất này làm cho THC trở thành nguyên liệu quý giá trong ngành dược phẩm và thực phẩm chức năng, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong điều trị các bệnh liên quan đến viêm và stress oxy hóa.

1.1. Tính chất lý hóa của Tetrahydrocurcumin

THC có công thức phân tử C21H24O6 với khối lượng phân tử khoảng 372 g/mol. Hợp chất này biểu hiện tính chất lipo-hydro lưỡng tính tốt, cho phép nó hòa tan hiệu quả trong nhiều loại dung môi. Độ ổn định nhiệt của THC cao hơn curcumin, đặc biệt ở pH trung tính. Cấu trúc phân tử với các nhóm methylene đã được khử hoàn toàn giúp giảm khả năng phân hủy ánh sáng.

1.2. Ứng dụng của Tetrahydrocurcumin trong dược phẩm

THC được ứng dụng rộng rãi trong ngành dược phẩm nhờ các tác dụng sinh học đa dạng: chống oxy hóa, chống viêm, bảo vệ gan và hỗ trợ miễn dịch. Sản phẩm này được dùng trong các sản phẩm chức năng và bổ sung dinh dưỡng. Ngoài ra, THC còn được nghiên cứu cho các ứng dụng trong cosmetology và nuôi trồng thủy sản nhờ tác dụng chống oxy hóa mạnh mẽ.

II. Các phương pháp bán tổng hợp Tetrahydrocurcumin

Bán tổng hợp THC từ curcumin là phương pháp kinh tế hiệu quả hơn so với tổng hợp toàn phần từ các chất hữu cơ nhỏ. Có ba phương pháp chính được áp dụng: khử hóa trực tiếp curcumin sử dụng khí hydrogen và xúc tác kim loại, khử hóa không sử dụng hydrogen với các tác nhân khác như formate, và khử gián tiếp thông qua dihydrocurcumin (DCUR). Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, nhưng phương pháp sử dụng amoni format với xúc tác Pd/C được xem là tối ưu nhất do chi phí thấp, an toàn cao và hiệu suất tốt.

2.1. Khử hóa curcumin trực tiếp sử dụng hydrogen

Phương pháp này sử dụng khí hydrogen (H2) làm tác nhân khử với xúc tác Pd/C hoặc Ni Raney. Quá trình diễn ra ở áp suất cao (20-60 bar) và nhiệt độ 80-120°C. Ưu điểm: hiệu suất cao (>90%), thời gian phản ứng ngắn. Nhược điểm: chi phí cao, cần thiết bị áp suất đắt tiền, nguy hiểm trong quá trình vận hành.

2.2. Khử hóa curcumin bằng amoni format và xúc tác Pd C

Phương pháp này sử dụng amoni format (NH4HCO2) như tác nhân khử với xúc tác Pd/C 10% ở áp suất thường. Ưu điểm nổi bật: an toàn, không cần thiết bị áp suất, chi phí rẻ, hiệu suất đạt 70-85%. Phương pháp này là lựa chọn tối ưu cho quy trình công nghiệp nhỏ vừa.

III. Cải tiến quy trình bán tổng hợp THC quy mô 10g

Nghiên cứu tập trung vào cải tiến quy trình khử hóa curcumin từ quy mô 1g lên 10g/mẻ bằng amoni format và xúc tác Pd/C 10%. Quá trình khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như dung môi, nồng độ amoni format, nhiệt độ, tỉ lệ chất/dung môi, tốc độ nhỏ giọt và lượng xúc tác. Kết quả cho thấy điều kiện tối ưu: dung môi IPA, nhiệt độ 50-60°C, tỉ lệ curcumin/dung môi 1:4, xúc tác Pd/C 2% đạt hiệu suất 82-85%. Quy trình được nâng cấp thành công với độ tinh khiết sản phẩm >98% bằng sắc ký HPLC.

3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

Các yếu tố khảo sát bao gồm: (1) dung môi phản ứng (MeOH, EtOH, IPA, Acetone), (2) nồng độ amoni format (1-3M), (3) nhiệt độ (30-70°C), (4) tỉ lệ curcumin/dung môi (1:2 đến 1:6). Kết quả cho thấy IPA là dung môi tối ưu nhất, nhiệt độ 50-60°C và amoni format 2M đạt hiệu suất cao nhất.

3.2. Tái sử dụng xúc tác Pd C 10

Xúc tác Pd/C 10% có thể tái sử dụng nhiều lần mà không giảm hoạt tính đáng kể. Sau 3-5 chu kỳ sử dụng, hiệu suất vẫn duy trì ở mức 80%+. Phương pháp lọc và rửa xúc tác bằng IPA giúp loại bỏ các tạp chất và kéo dài tuổi thọ xúc tác, giảm chi phí sản xuất.

IV. Kết quả phân tích và ứng dụng thực tiễn

Sản phẩm THC được phân tích và xác định cấu trúc bằng các phương pháp hiện đại: HPLC, IR, NMR, MS. Kết quả chứng minh độ tinh khiết sản phẩm >98%, không có tạp chất curcumin hay dihydrocurcumin còn lại. Năng suất quy trình đạt 82-85% từ nguyên liệu curcumin ban đầu. Sản phẩm THC được tạo ra có tính chất sinh học ưu việt: hoạt tính chống oxy hóa cao, ổn định trong điều kiện lưu trữ. Quy trình cải tiến này giảm chi phí 40-50% so với phương pháp sử dụng hydrogen gas, phù hợp với sản xuất công nghiệp quy mô vừa.

4.1. Kết quả phân tích HPLC và cấu trúc hóa học

Phân tích HPLC xác nhận độ tinh khiết THC 98.5%. Cấu trúc hóa học được xác định qua NMR 1H và 13C: số nguyên tử hydro trên các nhóm methylene, sự vắng mặt các proton olefinic. Phổ IR cho thấy nhóm phenol -OH, nhóm carbonyl -C=O còn lại. Phổ MS xác nhận khối lượng phân tử M+ = 372.

4.2. Ứng dụng công nghiệp và triển vọng tương lai

Quy trình cải tiến bán tổng hợp THC có thể mở rộng quy mô lên 100g-1kg/mẻ với hiệu suất và chi phí tương tự. Sản phẩm này ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm chức năng, mỹ phẩm. Triển vọng: phát triển các dạng bào chế THC như capsule, tablet, nano-formulation để tăng bioavailability và tác dụng sinh học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về THC Từ lâu, trong dân gian Nghệ vàng (Curcuma longa L.), thuộc họ Gừng (Zingiberaceae) đã được sử dụng làm gia vị hoặc thuốc trong Y học cổ truyền Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam…[13]. Phần lớn các dược tính chữa bệnh của các loài Curcuma đến từ các polyphenol gọi là curcuminoid, trong đó curcumin là thành phần chính và quan trọng nhất [14]. Curcumin - một polyphenol α, β-diketon dien không no - lần đầu tiên được mô tả đặc tính hóa học vào năm 1910 [14].

Nhiều nghiên cứu in vitro và in vivo đã chứng minh curcumin mang lại đa tác dụng đối với sức khỏe như: kháng ung thư, bảo vệ tim mạch, hỗ trợ lành vết thương, chống viêm và điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh, bệnh ngoài da [15]. Tuy nhiên, chất này có một số hạn chế như: màu sắc nổi bật, không tan trong nước ở điều kiện pH trung tính và acid, nhạy cảm với ánh sáng, đồng thời có sinh khả dụng thấp do khả năng hấp thu kém, chuyển hóa nhanh và bị đào thải nhanh khỏi hệ tuần hoàn trong cơ thể [16]. Do đó ứng dụng của curcumin vẫn còn hạn chế. THC là một trong những sản phẩm chuyển hóa chính của curcumin, lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1978 [17].

Chất này không chứa nhóm α,β-dien không bão hòa, dẫn đến một số tính chất ưu việt hơn so với curcumin như: không màu, độ hòa tan tốt hơn, độ ổn định cao hơn trong điều kiện sinh lý và sinh khả dụng tốt hơn, v. THC cũng cho thấy nhiều tác dụng sinh học có lợi như: khả năng chống oxy hóa [1, 2], loại bỏ gốc tự do [3], làm sáng da [4], bảo vệ và tái tạo da [5], kháng viêm [6], kháng khuẩn [7],…Với các tính chất và tác dụng đó, THC đã được ứng dụng rộng rãi trong mỹ phẩm, thực phẩm và phụ gia [8]. Cấu trúc của curcumin và THC 2 1. Tính chất lý hóa của THC 1.

Tính chất vật lý của THC Hình 1. Cấu trúc của THC Công thức phân tử: C21H24O6. Danh pháp: 1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-3,5-heptanedion. Khối lượng phân tử: 372,4 dalton.

Điểm nóng chảy: 95-97°C [18]. Cảm quan: bột màu trắng ngà. Tính tan: tan trong alcol, ethyl acetat, DCM, DMSO, THF; ít tan trong nước (5600 ng/mL) [15]. Độ phân cực: kém phân cực hơn curcumin [8].

Một số đặc tính hóa học của THC a. Hiện tượng hỗ biến Phân tích cấu trúc phân tử và vị trí nguyên tử hydro cho thấy phần heptan-3,5- dion trong THC tồn tại ở cả hai dạng keto và enol. Nguyên tử hydro trong nhóm -OH không cố định ở một vị trí mà có thể di chuyển giữa hai vị trí gần nhau, đồng thời tạo thành mạng lưới liên kết hydro nội phân tử bền [19]. Dạng hỗ biến keto-enol của THC Tuy nhiên, do cấu trúc của THC không có hệ dien liên hợp nên không thể hình thành các cấu trúc cộng hưởng dạng ion lưỡng cực tương tự như curcumin.

Kết quả là, cân bằng dịch chuyển về dạng enol ở THC thấp hơn so với curcumin. Do đó, tỷ lệ dạng enol của THC ít hơn curcumin [8]. Điều này có thể quan sát thấy dựa trên tỉ lệ diện tích pic của dạng enol và keto khi phân tích 2 chất này bằng HPLC [20, 21]. Ngoài ra, một 3 số yếu tố như pH, độ phân cực của dung môi, nhiệt độ cũng đã được báo cáo là ảnh hưởng đến tỉ lệ dạng keto-enol trong quá trình tautome hóa [21].

Dạng hỗ biến keto-enol của curcumin Hình 1. Các cấu trúc cộng hưởng khác của curcumin b. Độ ổn định THC cho thấy độ ổn định vượt trội so với curcumin trong dung dịch đệm có pH sinh lý và pH kiềm. Trong một nghiên cứu, Pan và cộng sự đã sử dụng HPLC pha đảo để phân tích độ ổn định của THC ở 37°C trong dung dịch đệm phosphat có pH khác nhau (từ pH 3.

Kết quả cho thấy, THC không bị phân hủy sau khi ủ trong các dung dịch đệm citrat phosphat, phosphat, carbonat phosphat trong 8h, bất kể pH nào. Ngược lại, hơn 90% curcumin bị phân hủy trong dung dịch đệm phosphat 0. THC cũng cho thấy độ bền tốt hơn dưới tác động của ánh sáng so với curcumin. Trong môi trường không phân cực hoặc dưới tác động của ánh sáng, cả THC và curcumin đều tạo thành gốc oxy thông qua quá trình cho nguyên tử hydro của nhóm phenol.

Tuy nhiên, gốc oxy hình thành trong curcumin chuyển hóa thành các gốc carbon bền hơn, sau đó hấp thụ oxy dẫn đến quá trình tự oxy hóa. Trái lại, gốc oxy tạo bởi THC không chuyển thành gốc carbon do thiếu hệ liên hợp [8]. Gốc tự do hình thành bởi curcumin 4 Hình 1. Gốc tự do hình thành bởi THC c.

Khả năng tạo phức với ion kim loại THC có khả năng tạo phức chelat với các ion kim loại nhờ sự hiện diện của nhóm α, β-diketon trong cấu trúc phân tử. Hiện tượng hỗ biến enol-keto cho phép THC hình thành hai hoặc nhiều vị trí phối trí riêng biệt, tạo điều kiện liên kết với kim loại. Tuy nhiên, khả năng tạo phức của THC yếu hơn so với curcumin do thiếu hệ thống liên hợp dien hỗ trợ, vốn đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường mật độ electron và ổn định phức chất. Sự khác biệt này làm giảm khả năng cho electron của THC, dẫn đến các phức kim loại tạo thành kém bền hơn so với curcumin [8].

Cấu trúc của phức hợp kim loại/THC: 1/2. Các phức hợp của THC và kim loại cho thấy nhiều tiềm năng ứng dụng. THC có thể tạo phức với cadmi và làm giảm các tác dụng bất lợi của kim loại hóa trị 2 này [23]. Phức hợp giữa THC và iridi cũng đã cho thấy có nhiều tiềm năng trong việc điều trị ung thư [24].

Một hướng tiếp cận mới để tạo phức hợp THC-kim loại là sử dụng curcumin làm nền tảng gắn kết với THC thông qua nguyên tử kẽm trung tâm. Phức hợp này kết hợp khả năng chống oxy hóa của THC với tác dụng kháng viêm của curcumin, đồng thời bổ sung kẽm cho cơ thể. Sản phẩm thương mại hóa dưới tên TurmiZn-OS có khả năng thẩm thấu vào tế bào và thực hiện các chức năng tương tự curcumin lẫn THC. Đặc biệt, kẽm trong phức hợp này vẫn giữ nguyên vai trò sinh học vốn có trong cơ thể [25].

Cấu trúc của phức hợp THC-kim loại-curcumin. Kim loại có thể là kẽm, đồng, sắt,… 1. Tác dụng sinh học và ứng dụng của THC 1. Tác dụng sinh học của THC THC đã được chứng minh là có các tác dụng chống oxy hóa, chống viêm, kháng vi-rút, kháng khuẩn, chống ung thư, chống tiểu đường, bảo vệ tim mạch và bảo vệ thần kinh.

Bên cạnh đó, THC còn được chứng minh là an toàn trong các nghiên cứu tiền lâm sàng. Ở liều lên đến 400 mg/kg mỗi ngày trên chuột, THC không gây ra bất kỳ độc tính nào và do đó có thể được coi là không có tác dụng phụ đáng kể [26]. Ngoài ra, hoạt chất này cũng được chứng minh an toàn khi sử dụng bôi ngoài da [27]. Hoạt tính chống oxy hóa Các gốc tự do trên bề mặt da, sinh ra khi tiếp xúc với tia cực tím, hóa chất hoặc các yếu tố stress môi trường khác, xúc tác quá trình lão hóa da.

Việc loại bỏ gốc tự do trong tế bào da có thể ức chế hiệu quả lão hóa da. THC vừa ức chế sự hình thành gốc tự do (ngắt mạch phản ứng dây chuyền của gốc tự do và ngăn chặn tổn thương da), vừa trực tiếp dọn dẹp một số gốc tự do như nitro radical, superoxide anion radical và hydroxyl radical, từ đó bảo vệ da khỏi tác hại của gốc tự do [3]. THC đã được chứng minh là một chất chống oxy hóa mạnh hơn so với curcumin, curcuminoid và vitamin E. Trong một nghiên cứu, Somparn et al.

đã sử dụng gốc tự do 2,2-diphenyl-1-pyridylhydrazyl (DPPH) để đánh giá hoạt tính chống oxy hóa của curcumin và các dẫn xuất. Khả năng loại bỏ gốc tự do giảm dần theo thứ tự: THC > HHC = OHC > trolox > curcumin. Các dẫn xuất hydro hóa của curcumin thể hiện hoạt tính loại bỏ DPPH cao hơn so với curcumin và trolox (dẫn xuất tan trong nước của vitamin E) [1]. Ngoài ra, nồng độ ức chế tối đa một nửa (IC50) của THC trong việc loại bỏ gốc tự do thấp hơn lần lượt 2,3; 2,7 và 5,8 lần so với curcuminoid, curcumin và vitamin E [2].

Ở cùng nồng độ (3 mM), THC, HHC, OHC và Curcumin thể hiện khả năng ức chế sự hình thành dien liên hợp trong mô hình peroxid hóa acid linoleic gây ra bởi AAPH mạnh hơn khoảng 2 đến 6 lần so với trolox. Trong số các hợp chất được thử nghiệm, 6 THC thể hiện hoạt tính chống oxy hóa cao nhất, với hiệu quả xếp hạng như sau: THC > curcumin ≈ OHC ≥ HHC > Trolox [1]. Khả năng của THC làm tăng hoạt động của các enzyme chống oxy hóa ở chuột được điều trị bằng STZ ngụ ý rằng THC kích hoạt lại hệ thống phòng thủ chống oxy hóa, từ đó tăng cường khả năng chống đái tháo đường thông qua việc loại bỏ các gốc oxy mạnh mẽ hơn [28]. Tác dụng ức chế của curcumin và THC đối với quá trình peroxy hóa lipid trên màng hồng cầu gây bởi tert-butylhydroperoxid đã được nghiên cứu gần đây.

Kết quả đã chứng minh rằng THC cho thấy hiểu quả tốt hơn curcumin. Các tác giả kết luận rằng, THC có khả năng dọn các gốc tự do như tert-bytoxyl và peroxyl một cách triệt để [29]. Hoạt tính chống tạo melanin và làm trắng da Bên cạnh chức năng chống oxy hóa, THC còn có thể hoạt động như một tác nhân chống tạo melanin hiệu quả, ức chế quá trình sản xuất melanin trong da. Melanin là một sắc tố polymer được tổng hợp trong các melanosome bởi tế bào melanocyte, mang lại nhiều lợi ích như chống tia UV, bắt giữ gốc tự do và điều hòa miễn dịch.

Tuy nhiên, sự sản xuất quá mức melanin dẫn đến tình trạng tăng sắc tố, biểu hiện thành các rối loạn da như nám, tàn nhang và tăng sắc tố sau viêm [4]. Ku và cộng sự đã khám phá cơ chế ức chế sản sinh melanin của THC trên dòng tế bào ung thư hắc tố B16F10. Các phát hiện chỉ ra rằng THC làm giảm đáng kể quá trình sản xuất melanin do α-MSH kích hoạt, thông qua cơ chế điều hòa giảm biểu hiện của yếu tố phiên mã MITF và ức chế hoạt động enzyme tyrosinase [30]. Trivedi và cộng sự cũng chứng minh rằng THC có thể làm giảm melanin sinh ra bởi α-MSH ngay cả ở nồng độ thấp (0.

Đặc biệt, THC được chứng minh có hiệu quả ức chế tyrosinase cao hơn curcumin hơn 1000 lần.