Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việc khai thác và nghiên cứu các hợp chất tự nhiên từ thực vật làm thuốc là một hướng đi quan trọng trong hóa học hữu cơ và hóa dược tại Việt Nam. Chi Olax thuộc họ Olacaceae phân bố chủ yếu ở các vùng nhiệt đới, bao gồm nhiều loài đã được chứng minh có chứa các nhóm hoạt chất sinh học giá trị như saponin, flavonoid, acid hữu cơ, hợp chất phenolic và terpenoid với tiềm năng kháng viêm, chống oxy hóa, hỗ trợ điều trị đái tháo đường. Trong đó, loài Olax imbricata Roxb. (thường gọi là cây Dương đầu, cát lồi, mao trật) phân bố phổ biến tại các dải đồi cát ven biển miền Trung Việt Nam. Theo kinh nghiệm dân gian, rễ của loài cây này được dùng nhằm mục đích thanh nhiệt, giải độc, cải thiện các rối loạn tiêu hóa và đường huyết. Một số nghiên cứu sơ bộ trước đây chỉ ra dịch chiết rễ cây có khả năng ức chế enzyme $\alpha$-glucosidase, kháng viêm và chống oxy hóa. Tuy nhiên, các dẫn liệu về thành phần hóa học phân lập chi tiết từ rễ cây Dương đầu, đặc biệt là các phân đoạn kém phân cực, vẫn còn hạn chế.

Từ thực tiễn đó, khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học (chuyên ngành Hóa hữu cơ) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh của nhóm tác giả Phạm Thành Lợi và Lê Hồ Chơn Duyên, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Võ Thị Ngà và TS. Nguyễn Linh Nhâm, đã thực hiện đề tài: "Khảo sát thành phần hóa học phân đoạn Et96.1-4 của cao methanol điều chế từ rễ cây Dương đầu, Olax imbricata".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể như sau:

  1. Khảo sát thành phần hóa học phân đoạn Et96.1-4 của cao methanol điều chế từ rễ cây Dương đầu (Olax imbricata).
  2. Xác định cấu trúc hóa học các hợp chất tinh khiết phân lập được từ phân đoạn Et96.1-4 bằng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là phân đoạn Et96.1-4 thu được từ quá trình phân tách phân đoạn EtOH96 của cao chiết methanol từ rễ cây Dương đầu (Olax imbricata Roxb.). Mẫu thực vật gồm 50 kg rễ tươi được thu hái tại Khu công nghiệp Hòa Hiệp Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên vào tháng 8 năm 2020. Thời gian thực hiện khóa luận diễn ra từ ngày 14/02/2025 đến ngày 15/07/2025.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng hóa học các hợp chất thiên nhiên (Natural Products Chemistry), tập trung vào các lớp chất thứ cấp đặc trưng của thực vật chi Olax (họ Olacaceae, bộ Santalales) như triterpenoid saponin khung oleanane, flavonoid glycoside, phenolic glycoside và đặc biệt là các acid béo acetylenic mạch dài không bão hòa.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai kết hợp giữa kỹ thuật chiết tách, sắc ký hiện đại và các phương pháp phổ cấu trúc:

  • Kỹ thuật xử lý mẫu và chiết tách ban đầu: Chiết ngâm hồi lưu bột rễ khô với dung môi ethanol (EtOH) ở nhiệt độ phòng; phân bố lỏng - lỏng bằng dung môi $n$-hexane và methanol (MeOH) để thu nhận các cao thành phần có độ phân cực khác nhau.
  • Kỹ thuật sắc ký:
    • Sắc ký cột hấp phụ Diaion HP-20 phân đoạn cao MeOH bằng hệ dung môi EtOH:$\text{H}_2\text{O}$ với tỷ lệ giảm dần cực tính (từ 20:80 đến 100:0) và rửa giải cuối bằng acetone.
    • Sắc ký lớp mỏng (SKLM) pha đảo và pha thuận để kiểm tra độ phân tách của các phân đoạn, sử dụng các hệ dung môi giải ly như chloroform 100% hoặc $n$-hexane:chloroform (6:4, v/v); phát hiện vết chất dưới đèn tử ngoại ở bước sóng UV 254 nm, UV 365 nm và hiện màu bằng thuốc thử sulfuric acid - vanillin kèm gia nhiệt.
    • Sắc ký lỏng hiệu năng cao phân tích (HPLC/UV-PDA) nhằm khảo sát sắc ký đồ, thời gian lưu và độ tinh khiết của các pic hợp chất.
    • Sắc ký lỏng hiệu năng cao điều chế (Prep-HPLC) sử dụng hệ pha động đẳng dòng acetonitrile:nước ($\text{ACN}:\text{H}_2\text{O}$, 75:25, v/v) để phân lập các hợp chất mục tiêu ở trạng thái tinh khiết.
  • Phương pháp phân tích phổ nghiệm và xác định cấu trúc:
    • Khối phổ ion hóa phun điện tử độ phân giải cao (HRESIMS) và sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC-MS) để xác định khối lượng phân tử chính xác và suy đoán công thức phân tử.
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều (1D-NMR: $^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR) và hai chiều (2D-NMR: COSY, HSQC, HMBC, NOESY) nhằm xác định vị trí liên kết, cấu hình hình học và tương tác giữa các nguyên tử trong phân tử.
    • Dữ liệu phổ được xử lý và phân tích bằng phần mềm chuyên dụng MestReNova.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm số liệu thực nghiệm gốc thu được từ hệ thống thiết bị phân tích và 51 tài liệu tham khảo khoa học chuyên ngành trong nước và quốc tế.


Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các đặc điểm thực vật học của loài Olax imbricata Roxb. thuộc chi Olax, họ Olacaceae. Đây là loài cây bụi thấp hoặc dây leo hóa gỗ sống lâu năm, sinh trưởng mạnh trên các vùng đất cát, đất đồi khô cằn ven biển miền Trung như Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận. Rễ cây là bộ phận thường được thu hái làm dược liệu dân gian.

Chương này tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu hóa học trên thế giới và tại Việt Nam về các nhóm hoạt chất chính trong chi Olax:

Nhóm hợp chất Các chất tiêu biểu đã được công bố từ chi Olax Loài và bộ phận khảo sát
Saponin triterpenoid Olaxoside (1); các dẫn xuất oleanolic acid glycoside gắn chuỗi đường rhamnose, glucose, glucuronic acid (2–10); spergulacin (12) O. glabriflora, O. psittacorum, O. obtusifolia, O. imbricata (lá, vỏ, rễ)
Flavonoid glycoside Olamannoside A–E (13–15, 29, 30); các dẫn xuất kaempferol và quercetin gắn đường arabinose, rhamnose, xylose, glucose (16–28, 31–34); rutin (35) O. mannii, O. nana (lá, thân)
Acid béo và acid hữu cơ Santalbic acid (36), exocarpic acid (37), octadec-9,11-diynoic acid (38), (E)-henicos-7-en-9-ynoic acid (39), 2,3-dihydroxypropyl (E)-henicos-7-en-9-ynoate (40), 6,7,8,9-tetrahydroxyhexadeca-4,10-diynoic acid (41) O. dissitiflora (vỏ cây), O. imbricata (rễ)
Phenolic glycoside Các dẫn xuất phenolic acyl glucoside (42, 43), diarylheptanoid/octanoid (44, 45), leonuriside A (46) O. imbricata (rễ)
Terpenoid và steroid Olaximbriside A–D (47–50), rhoiptelenol (51), glutinol (52), oleanolic acid (53), $\beta$-sitosterol (54), phytol (55) O. imbricata, O. mannii, O. obtusifolia, O. psittacorum

Về hoạt tính sinh học, các dẫn xuất chiết xuất từ rễ Olax imbricata đã bước đầu ghi nhận khả năng ức chế mạnh enzyme $\alpha$-glucosidase liên quan đến chuyển hóa đường, chống oxy hóa và ức chế các tác nhân gây viêm. Nhóm tác giả khẳng định việc nghiên cứu sâu hơn về các phân đoạn kém phân cực của cao rễ cây Dương đầu là cần thiết nhằm phát hiện thêm các hợp chất tự nhiên mới hoặc hiếm gặp.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết toàn bộ quy trình thực nghiệm được triển khai trong phòng thí nghiệm:

  1. Quy trình chiết xuất và phân đoạn sơ bộ:
    • 50 kg rễ cây tươi sau khi rửa sạch, phơi khô và nghiền nhỏ thu được 7 kg bột thô.
    • Bột thô được chiết hồi lưu với ethanol ở nhiệt độ phòng, cô đuổi dung môi dưới áp suất giảm thu được 1,5 kg cao EtOH tổng.
    • Hòa tan cao EtOH lần lượt với $n$-hexane và methanol, thu hồi dung môi để tạo thành 600,0 g cao $n$-hexane và 759 g cao MeOH.
    • Cao MeOH được đưa lên cột sắc ký Diaion HP-20, rửa giải bằng hệ dung môi EtOH:$\text{H}_2\text{O}$ với tỷ lệ phân cực giảm dần, thu được 6 phân đoạn chính; trong đó phân đoạn EtOH96 (khối lượng 45,47 g) được lựa chọn khảo sát tiếp.
    • Phân đoạn EtOH96 qua các bước sắc ký cột silica gel liên tiếp (thực hiện bởi nhóm nghiên cứu khóa trước) để tạo ra các phân đoạn nhỏ hơn, từ đó thu nhận phân đoạn Et96.1-4 (bao gồm các tiểu phân đoạn Et96.1, Et96.2, Et96.3, Et96.4).
  2. Quy trình phân lập hợp chất:
    • Đánh giá sơ bộ các phân đoạn bằng SKLM trên bản mỏng silica gel, khảo sát hệ dung môi giải ly tối ưu.
    • Phân tích mẫu bằng hệ thống HPLC đầu dò mảng diode quang học (HPLC/UV-PDA).
    • Tinh chế phân đoạn Et96.1-4 bằng hệ thống Prep-HPLC với pha động $\text{ACN}:\text{H}_2\text{O}$ (75:25, v/v) để thu các hợp chất sạch ký hiệu OI1, OI2, OI3 và OI4.
  3. Thiết bị và hóa chất: Sử dụng các dung môi tinh khiết phân tích và quang phổ (MeOH, EtOH, ACN, chloroform, ethyl acetate), hệ thống cô quay chân không, buồng soi UV, máy đo khối phổ HRESIMS và thiết bị đo phổ NMR đa chiều.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được từ quá trình sắc ký và giải đoán cấu trúc hóa học:

  • Kết quả SKLM và HPLC: Bản mỏng SKLM giải ly bằng hệ chloroform 100% và $n$-hexane:chloroform (6:4) cho thấy các phân đoạn chứa các dải vết phân tách rõ rệt khi nướng với thuốc thử sulfuric acid - vanillin. Sắc ký đồ HPLC/UV-PDA ghi nhận các pic mũi nhọn, tách rời tốt trên hệ dung môi $\text{ACN}:\text{H}_2\text{O}$ (75:25).
  • Kết quả phân lập: Prep-HPLC đã cô lập thành công bốn hợp chất tinh khiết:
    • Hợp chất OI1: khối lượng 2,3 mg (dạng vết).
    • Hợp chất OI2: khối lượng 2,7 mg (dạng vết).
    • Hợp chất OI3: khối lượng 201,8 mg, phân tích sắc ký HPLC cho thấy độ tinh sạch đạt tới 99,08%.
    • Hợp chất OI4: khối lượng 116,4 mg.
  • Xác định cấu trúc hợp chất OI3:
    • Phổ HRESIMS, $^1\text{H}$-NMR và $^{13}\text{C}$-NMR kết hợp các phổ hai chiều COSY, HSQC và HMBC xác định OI3 là một acid béo acetylenic mạch dài không bão hòa có công thức cấu tạo là (E)-nonadec-7-en-9-ynoic acid.
    • Các tín hiệu phổ proton cho thấy sự hiện diện của một nối đôi liên hợp với một nối ba; hằng số ghép spin ($J$) xác nhận cấu hình hình học dạng (E) của nối đôi tại vị trí C-7/C-8. Phổ COSY và HMBC làm rõ tương tác giữa các proton olefine H-7, H-8 và nhóm methylene lân cận H-6.
    • So sánh đối chiếu dữ liệu phổ NMR của OI3 với hợp chất đối chứng đã công bố trong tài liệu khoa học là (E)-henicos-7-en-9-ynoic acid (39) cho thấy sự tương đồng cao về độ dịch chuyển hóa học của khung sườn olefin-acetylenic.
  • Xác định cấu trúc hợp chất OI4, OI1 và OI2:
    • Đối chiếu toàn bộ thông số phổ NMR giữa OI3 và OI4 cho thấy các tín hiệu hoàn toàn trùng khớp; do đó OI3 và OI4 thực chất là cùng một chất: (E)-nonadec-7-en-9-ynoic acid.
    • Đối với OI1 và OI2: Phổ khối lượng phân giải cao HRESIMS gợi ý công thức phân tử dạng $\text{C}{22}\text{H}{38}\text{O}_2$. Tuy nhiên, do lượng mẫu thu hồi quá thấp (2,3 mg và 2,7 mg), phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1\text{H}$-NMR có cường độ tín hiệu yếu, nhiều nhiễu nền và không đủ điều kiện thực hiện các phép đo phổ hai chiều (2D-NMR) để giải đoán hoàn chỉnh khung cấu trúc.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả định lượng cụ thể trong quá trình phân tách và định danh hóa học từ cao rễ cây Dương đầu:

Ký hiệu hợp chất Khối lượng thu được Độ tinh khiết (HPLC) Dữ liệu phổ nghiệm thực hiện Cấu trúc hóa học xác định
OI1 2,3 mg Pic đơn trên HPLC HRESIMS, $^1\text{H}$-NMR Suy đoán công thức $\text{C}{22}\text{H}{38}\text{O}_2$ (chưa giải cấu trúc đầy đủ do thiếu mẫu)
OI2 2,7 mg Pic đơn trên HPLC HRESIMS, $^1\text{H}$-NMR Suy đoán công thức $\text{C}{22}\text{H}{38}\text{O}_2$ (chưa giải cấu trúc đầy đủ do thiếu mẫu)
OI3 201,8 mg 99,08% HRESIMS, 1D-NMR, 2D-NMR (COSY, HSQC, HMBC) (E)-nonadec-7-en-9-ynoic acid
OI4 116,4 mg Pic đơn trên HPLC $^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR Đồng nhất với OI3 ((E)-nonadec-7-en-9-ynoic acid)

Đóng góp khoa học và thực tiễn tự nêu của đề tài:

  • Tính mới khoa học: Đây là lần đầu tiên hợp chất acid béo acetylenic (E)-nonadec-7-en-9-ynoic acid được phân lập và xác định cấu trúc đầy đủ từ loài Dương đầu (Olax imbricata), đóng góp dữ liệu cấu trúc mới vào kho tàng hóa học thực vật của chi Olax.
  • Đóng góp phương pháp: Xây dựng thành công quy trình phân tách hiệu quả cho nhóm hợp chất béo kém phân cực từ cao chiết rễ thực vật bằng kỹ thuật Prep-HPLC với hệ dung môi $\text{ACN}:\text{H}_2\text{O}$ (75:25), đạt độ tinh sạch cao (>99%), làm cơ sở tham khảo cho các nghiên cứu cô lập acid béo acetylenic tự nhiên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận và biên bản đánh giá của hội đồng chỉ ra các hạn chế thực tế:

  • Hạn chế về lượng mẫu tinh chế: Số lượng hợp chất cô lập đủ khối lượng để đo phổ NMR hai chiều chưa đạt kỳ vọng. Hai hợp chất OI1 và OI2 chỉ thu được lượng rất nhỏ (lần lượt 2,3 mg và 2,7 mg), dẫn đến tín hiệu phổ $^1\text{H}$-NMR yếu, không đủ điều kiện kỹ thuật để chạy phổ 2D-NMR nhằm xác định vị trí các liên kết không no và nhóm chức.
  • Khó khăn trong chọn dung môi: Việc xử lý và phân tách các hợp chất kém phân cực trong cao phân đoạn gặp nhiều giới hạn về độ tan và tính chọn lọc của hệ pha động.
  • Thiếu sót về mô tả kỹ thuật ban đầu: Báo cáo thuyết minh ban đầu chưa nêu chi tiết model máy HPLC, máy sắc ký điều chế và thông số cột tách trong Chương 2 (đã được bổ sung theo yêu cầu chỉnh sửa của giảng viên phản biện).

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Nâng quy mô nạp mẫu của phân đoạn Et96.1-4 để phân lập OI1 và OI2 với khối lượng lớn hơn, cho phép đo phổ 2D-NMR giải đoán hoàn chỉnh cấu trúc.
  • Tiến hành thử nghiệm đánh giá hoạt tính sinh học (kháng viêm, chống oxy hóa, ức chế enzyme $\alpha$-glucosidase) đối với hợp chất sạch (E)-nonadec-7-en-9-ynoic acid đã phân lập được.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu chuyên khảo thực nghiệm hữu ích dành cho:

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa dược, Dược học và Hóa học các hợp chất thiên nhiên.
  • Nội dung giá trị:
    • Bảng tổng hợp tổng quan toàn diện về các lớp chất (saponin, flavonoid, acid béo, phenolic, terpenoid) đã được ghi nhận trong chi Olax.
    • Quy trình chiết phân đoạn liên tục từ dược liệu thô bằng Diaion HP-20 và điều kiện tinh chế acid béo acetylenic trên hệ Prep-HPLC pha đảo.
    • Bộ dữ liệu phổ thực nghiệm chi tiết (HRESIMS, $^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR, COSY, HSQC, HMBC) kèm phương pháp phân tích tương tác ghép spin của hệ nối đôi - nối ba liên hợp trên phần mềm MestReNova.

Câu hỏi thường gặp

1. Mẫu rễ cây Dương đầu (Olax imbricata) dùng trong nghiên cứu được thu thập ở đâu và xử lý ban đầu ra sao?
Mẫu rễ cây được thu hái tại Khu công nghiệp Hòa Hiệp Nam, huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên vào tháng 8 năm 2020 với khối lượng tươi ban đầu là 50 kg. Sau khi làm sạch, phơi khô và nghiền nhỏ, mẫu thu được 7 kg bột khô thô và được chiết hồi lưu bằng ethanol ở nhiệt độ phòng để tạo 1,5 kg cao EtOH tổng.

2. Phân đoạn Et96.1-4 được tạo ra từ quy trình sắc ký trung gian nào?
Cao EtOH thô được phân bố vào $n$-hexane và MeOH để thu 759 g cao MeOH. Cao MeOH sau đó được sắc ký cột Diaion HP-20 rửa giải bằng hệ dung môi EtOH:$\text{H}_2\text{O}$ thu được phân đoạn EtOH96 (45,47 g). Phân đoạn này tiếp tục trải qua các cột sắc ký silica gel liên tiếp để phân tách thành các phân đoạn nhỏ hơn, trong đó các phân đoạn Et96.1 đến Et96.4 được gộp thành Et96.1-4 phục vụ đề tài.

3. Hợp chất tinh khiết nào đã được xác định cấu trúc hoàn chỉnh trong khóa luận và độ sạch đạt bao nhiêu?
Hợp chất OI3 đã được xác định cấu trúc hoàn chỉnh là (E)-nonadec-7-en-9-ynoic acid với khối lượng thu được là 201,8 mg và độ tinh sạch đo bằng HPLC phân tích đạt 99,08%. Ngoài ra, hợp chất OI4 (116,4 mg) được xác định là cùng cấu trúc với OI3.

4. Tại sao các hợp chất OI1 và OI2 chưa thể xác định được công thức cấu tạo hoàn chỉnh?
Hợp chất OI1 và OI2 phân lập được với khối lượng rất ít (OI1 thu được 2,3 mg; OI2 thu được 2,7 mg). Do lượng mẫu quá nhỏ, phổ $^1\text{H}$-NMR ghi nhận tín hiệu yếu, không rõ ràng và không đủ điều kiện kỹ thuật để đo các phổ cộng hưởng từ hạt nhân hai chiều (2D-NMR), chỉ mới suy đoán được công thức phân tử $\text{C}{22}\text{H}{38}\text{O}_2$ dựa trên khối phổ phân giải cao HRESIMS.

5. Điều kiện sắc ký lỏng hiệu năng cao điều chế (Prep-HPLC) được áp dụng để tách các hợp chất trong đề tài là gì?
Nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống sắc ký lỏng điều chế với hệ dung môi pha động đẳng dòng gồm acetonitrile và nước theo tỷ lệ $\text{ACN}:\text{H}_2\text{O}$ (75:25, v/v) kết hợp đầu dò UV-PDA, cho phép tách chọn lọc các pic hợp chất kém phân cực.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Phạm Thành Lợi và Lê Hồ Chơn Duyên đã hoàn thành đầy đủ mục tiêu khảo sát thành phần hóa học phân đoạn Et96.1-4 từ cao chiết methanol của rễ cây Dương đầu (Olax imbricata Roxb.). Bằng việc kết hợp sắc ký lớp mỏng, HPLC phân tích và HPLC điều chế trên hệ pha động $\text{ACN}:\text{H}_2\text{O}$ (75:25), nhóm tác giả đã cô lập thành công bốn hợp chất, trong đó xác định chính xác cấu trúc của (E)-nonadec-7-en-9-ynoic acid với độ tinh khiết 99,08% thông qua phân tích dữ liệu phổ HRESIMS và NMR đa chiều. Đây là công bố đầu tiên về sự hiện diện của hợp chất acid béo acetylenic này trong rễ cây Dương đầu, cung cấp dẫn liệu thực nghiệm tin cậy cho các nghiên cứu tiếp theo về hóa học hợp chất tự nhiên và định hướng ứng dụng dược liệu.