Khóa luận tốt nghiệp hóa học khảo sát khả năng tổng hợp hợp chất vô cơ và phức chất của máy heidolph synthesis 1

Khóa luận khảo sát khả năng tổng hợp hợp chất vô cơ và phức chất bằng máy Heidolph Synthesis 1, mang lại hiểu biết sâu sắc về hóa học.

• Tác giả: Nguyen Thi Lan Anh
• Người hướng dẫn: CN. Chung Thanh Nam
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Khảo Sát Khả Năng Tổng Hợp Hợp Chất Vô Cơ Và Phức Chất Của Máy Heidolph Synthesis 1
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. PHẦN MỞ ĐẦU
• 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÔ CƠ
• 2.1. Các phương pháp tổng hợp các chất vô cơ thông thường
• 2.2. Phương pháp làm khô các chất
• 2.2.1. Làm khô chất khí
• 2.2.2. Làm khô các chất rắn
• 2.3. Kết tinh, kết tinh lại và rửa kết tủa
• 2.4. Lọc chân không
• 2.5. Lọc nóng
• 2.6. Rửa kết tủa
• 2.7. Các phương pháp tổng hợp phức chất
• 2.7.1. Phương pháp hidroxit hóa
• 2.7.2. Phương pháp cacbonat hóa

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khóa luận tốt nghiệp hóa học tổng hợp hợp chất vô cơ

Khóa luận tốt nghiệp hóa học này tập trung vào việc khảo sát khả năng tổng hợp hợp chất vô cơ và phức chất bằng máy Heidolph Synthesis 1. Đây là một thiết bị hiện đại, giúp tối ưu hóa quy trình tổng hợp hóa học. Việc nghiên cứu này không chỉ mang lại giá trị học thuật mà còn có ứng dụng thực tiễn trong ngành hóa học. Mục tiêu chính là tìm hiểu cách vận hành máy và tính tiện lợi của nó trong nghiên cứu và tổng hợp hợp chất vô cơ.

1.1. Tổng quan về máy Heidolph Synthesis 1

Máy Heidolph Synthesis 1 là thiết bị tiên tiến trong lĩnh vực tổng hợp hóa chất. Nó được thiết kế để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong nghiên cứu hóa học. Máy có khả năng tổng hợp pha lỏng và pha rắn, giúp thực hiện nhiều thí nghiệm cùng lúc.

1.2. Tầm quan trọng của hợp chất vô cơ và phức chất

Hợp chất vô cơ và phức chất đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến công nghiệp. Việc tổng hợp chúng một cách hiệu quả là cần thiết để phát triển các sản phẩm mới và cải thiện quy trình sản xuất.

II. Vấn đề và thách thức trong tổng hợp hợp chất vô cơ

Tổng hợp hợp chất vô cơ và phức chất gặp nhiều thách thức, bao gồm điều kiện phản ứng, độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất tổng hợp. Những vấn đề này cần được giải quyết để nâng cao chất lượng nghiên cứu. Việc sử dụng máy Heidolph Synthesis 1 giúp giảm thiểu những khó khăn này nhờ vào khả năng kiểm soát nhiệt độ và áp suất.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

Nhiệt độ, áp suất và thời gian phản ứng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp. Việc tối ưu hóa các yếu tố này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

2.2. Khó khăn trong việc đạt được sản phẩm tinh khiết

Để đạt được sản phẩm tinh khiết, cần phải kiểm soát tốt các tạp chất có thể xuất hiện trong quá trình tổng hợp. Việc sử dụng máy Heidolph Synthesis 1 giúp giảm thiểu sự xuất hiện của các tạp chất này.

III. Phương pháp tổng hợp hợp chất vô cơ hiệu quả

Có nhiều phương pháp tổng hợp hợp chất vô cơ, bao gồm phương pháp thủy phân, kết tinh và cacbonat hóa. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa quy trình tổng hợp và nâng cao hiệu suất.

3.1. Phương pháp thủy phân trong tổng hợp

Phương pháp thủy phân là một trong những phương pháp phổ biến để tổng hợp hợp chất vô cơ. Nó cho phép tạo ra các sản phẩm tinh khiết với hiệu suất cao.

3.2. Kết tinh và rửa kết tủa

Kết tinh là quá trình quan trọng trong tổng hợp hóa học. Việc rửa kết tủa đúng cách sẽ giúp loại bỏ tạp chất và nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của máy Heidolph Synthesis 1 trong nghiên cứu

Máy Heidolph Synthesis 1 đã được áp dụng trong nhiều nghiên cứu hóa học, đặc biệt là trong tổng hợp phức chất. Các nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về hóa học mà còn có ứng dụng trong phát triển thuốc và hóa phẩm. Việc sử dụng máy này giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất tổng hợp.

4.1. Nghiên cứu tổng hợp phức chất đồng và axit glycolic

Một trong những ứng dụng nổi bật của máy Heidolph Synthesis 1 là tổng hợp phức chất đồng với axit glycolic. Nghiên cứu này đã cho thấy khả năng tối ưu hóa quy trình tổng hợp và đạt được sản phẩm chất lượng cao.

4.2. Ứng dụng trong phát triển thuốc

Máy Heidolph Synthesis 1 cũng được sử dụng trong nghiên cứu phát triển thuốc. Việc tổng hợp các hợp chất mới có thể giúp tạo ra các loại thuốc hiệu quả hơn cho bệnh nhân.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu tổng hợp hóa học

Nghiên cứu tổng hợp hợp chất vô cơ và phức chất bằng máy Heidolph Synthesis 1 mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực hóa học. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn và cải tiến quy trình tổng hợp. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ sẽ giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

5.1. Tương lai của máy Heidolph Synthesis 1 trong nghiên cứu

Máy Heidolph Synthesis 1 có tiềm năng lớn trong việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới. Việc cải tiến công nghệ sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong nghiên cứu.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của máy Heidolph Synthesis 1 trong các lĩnh vực khác nhau của hóa học.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Trong ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm hiện đại, tốc độ sàng lọc và tối ưu hóa phản ứng tổng hợp là yếu tố sống còn quyết định năng lực cạnh tranh. Các phương pháp tổng hợp vô cơ và phức chất truyền thống trong phòng thí nghiệm thường dựa trên các hệ thống bình cầu đơn lẻ lắp sinh hàn hồi lưu hoặc đun khuấy cơ học rời rạc. Cách tiếp cận này bộc lộ những hạn chế cố hữu: tiêu tốn nhiều thời gian, sai số lớn giữa các mẻ (batch-to-batch variability), hiệu suất va chạm nhiệt - động lực học không đồng đều và lãng phí dung môi hóa chất. Để tìm được tập hợp điều kiện tối ưu gồm nhiệt độ ($T$), thời gian ($t$), độ $pH$, tốc độ khuấy trộn và tỷ lệ mol phối tử/ion kim loại, các nhà nghiên cứu phải thực hiện hàng chục đến hàng trăm thí nghiệm tuần tự.

Đề tài "Khảo sát khả năng tổng hợp hợp chất vô cơ và phức chất của máy Heidolph Synthesis 1" được thực hiện nhằm ứng dụng công nghệ tổng hợp pha lỏng song song (Parallel Liquid Phase Synthesis) từ thiết bị chuyên dụng của Đức (Heidolph Instruments), giải quyết bài toán gia tăng thông lượng và độ tái lặp trong hóa học thực nghiệm vô cơ.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI DỰ ÁN                                  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Khảo sát & chuẩn hóa quy trình vận hành hệ thống Heidolph Synthesis 1 (Pha lỏng)|
| 2. Tổng hợp kiểm chứng các hợp chất vô cơ: Na2S2O3, K3[Fe(C2O4)3], KAl(SO4)2      |
| 3. Xây dựng ma trận DoE tối ưu hóa phức chất Đồng(II) Glycolat [Cu(C2H3O3)2]      |
| 4. Đánh giá cấu trúc, hiệu suất và định lượng hàm lượng kim loại bằng quang phổ   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Các mục tiêu cụ thể của dự án

1. Làm chủ thiết bị và quy trình công nghệ: Đánh giá cấu trúc cơ khí, hệ thống phân phối nhiệt 4 vùng độc lập, cơ chế hồi lưu kín và khả năng kiểm soát động học khuấy lắc từ 10 – 1000 vòng/phút (rpm) của máy Heidolph Synthesis 1.
2. Tổng hợp đối chứng hợp chất vô cơ: Tiến hành tổng hợp song song 3 hợp chất vô cơ chuẩn gồm Kali trioxalatoferat ($K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$), Natri thiosunfat ($Na_2S_2O_3$) và Phèn nhôm kali ($KAl(SO_4)_2\cdot 12H_2O$) từ quặng bauxit, so sánh định lượng trực tiếp với phương pháp cổ điển không dùng máy.
3. Thiết lập không gian phản ứng tối ưu cho phức chất Đồng Glycolat: Nghiên cứu phản ứng giữa ion trung tâm $Cu^{2+}$ (dưới dạng $Cu(OH)_2$ hoạt hóa) với phối tử axit glycolic ($HO-CH_2-COOH$), khảo sát 48 biến thể thí nghiệm theo thời gian (2h, 3h, 5h, 6h), nhiệt độ (60°C, 70°C, 80°C), $pH$ (5 – 7) và tỷ lệ mol phối tử ($1:1.5$, $1:2$, $1:2.5$).
4. Phân tích cấu trúc và kiểm soát chất lượng: Xác định hàm lượng sản phẩm thông qua chuẩn độ oxy hóa khử ($KMnO_4$, $K_2Cr_2O_7$) và quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis (Perkin Elmer Lambda 25) với chỉ thị Aluminon.

Phạm vi và giới hạn kỹ thuật

• Phạm vi: Tập trung vào mô-đun Parallel Liquid Phase Synthesis (tổng hợp pha lỏng song song 12 vị trí) trên nền dung môi nước và cồn; đối tượng nghiên cứu là các muối vô cơ và phức chất chelate mang phối tử axit hữu cơ ($\alpha$-hydroxy acid).
• Giới hạn: Thể tích làm việc hữu ích mỗi ống phản ứng giới hạn trong khoảng 12 – 25ml (dung tích tối đa 50ml); các phản ứng đòi hỏi nạp tác chất nhỏ giọt liên tục phải thực hiện gián đoạn qua quy trình mở nắp có kiểm soát.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Phương pháp thực nghiệm truyền thống đối mặt với độ trễ lớn trong khâu sàng lọc tham số. Bảng so sánh dưới đây làm rõ sự khác biệt giữa các giải pháp:

Tiêu chí kỹ thuật	Phương pháp cổ điển (Bình cầu đơn)	Máy tổng hợp Heidolph Synthesis 1	Hệ phản ứng vi dòng / Vi sóng (Flow/Microwave)
Số lượng mẫu đồng thời	1 mẫu/lần dựng thiết bị	12 mẫu song song (chia 4 vùng)	1 – 4 mẫu tùy kênh
Độ đồng đều nhiệt độ	Chênh lệch nhiệt cục bộ $\pm 3.5^\circ C$	Kiểm soát chính xác $\pm 0.5^\circ C$	Chính xác cao $\pm 0.2^\circ C$
Hiệu quả khuấy trộn	Khuấy từ điểm, dễ chết từ khi dung dịch đặc	Lắc quỹ đạo đồng bộ 10–1000 rpm	Khuấy dòng / Trộn tĩnh
Tổn thất dung môi/khí	Dễ rò rỉ qua cổ nhám	Nắp silicon + PTFE kín, thu hồi khí	Kín hoàn toàn, chịu áp suất cao
Chi phí đầu tư & bảo trì	Rất thấp (dụng cụ thủy tinh thông dụng)	Trung bình (tối ưu cho R&D phòng lab)	Rất cao, đòi hỏi kỹ thuật vận hành phức tạp

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

• Must have (Bắt buộc): Khả năng gia nhiệt độc lập 4 vùng (mỗi vùng 3 ống); điều chỉnh tốc độ lắc từ 100 đến 800 rpm không phát sinh tiếng ồn; hệ thống nắp chặn khí PTFE/Silicon chống tràn và chống rò rỉ dung môi.
• Should have (Nên có): Chế độ đồng bộ nhiệt độ nhanh (phím IDENTIC); chương trình tăng nhiệt theo dải (SET RAMP/RAMP ACTIVE); đầu thu hồi và xử lý khí độc hại.
• Could have (Có thể mở rộng): Tích hợp cảm biến $pH$ online trực tiếp vào từng ống nghiệm; cơ chế nạp mẫu vi lượng tự động không cần dừng máy.
• Won't have (Chưa thực hiện ở pha này): Tổng hợp pha rắn tự động hoàn toàn (Solid Phase Peptide Synthesis); điều áp chân không cao sâu trực tiếp trong pha phản ứng lỏng.

Thiết kế hệ thống và thông số kỹ thuật

Hệ thống Heidolph Synthesis 1 Liquid Phase bao gồm các phân hệ chính:

• Cụm phản ứng: Khung nhôm anot hóa chứa 12 ống nghiệm thủy tinh borosilicate đường kính tiêu chuẩn (khả năng chứa tối đa 50ml, tối ưu 25ml).
• Hệ vách ngăn và nắp ren: Cấu tạo từ màng cao su silicon bọc lá polytetrafluoroetylen (PTFE) kháng hóa chất tuyệt đối, tích hợp van xoay 2 chiều (vị trí vuông góc 90°: đóng hồi lưu nội; vị trí song song: xả khí ra ống dẫn).
• Phân vùng gia nhiệt: 4 khối gia nhiệt bằng hợp kim dẫn nhiệt cao, mỗi khối quản lý 3 vị trí mẫu, cho phép thiết lập 4 thang nhiệt độ khác nhau trong cùng một mẻ chạy.
• Bảng điều khiển vi xử lý: Phím màng kỹ thuật số với màn hình LED hiển thị giá trị thực (ACT) và giá trị cài đặt (SET), hỗ trợ thiết lập tốc độ lắc, nhiệt độ và ramp nhiệt.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       BẢNG THÔNG SỐ VẬN HÀNH THIẾT BỊ                         |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| Nguồn điện hoạt động:      230V / 50-60Hz                                     |
| Dải nhiệt độ kiểm soát:   Môi trường +5°C đến 160°C (Độ ổn định ±0.5°C)      |
| Tốc độ rung lắc quỹ đạo:  10 - 1000 vòng/phút (rpm)                           |
| Số lượng vị trí mẫu:      12 ống (Hệ 552-25030-00, dung tích 50ml)            |
| Vật liệu tiếp xúc mẫu:     Thủy tinh Borosilicate 3.3, lá PTFE, cao su Silicon|
| Thiết bị quang phổ phân tích: Perkin Elmer Lambda 25 UV-Vis (Dải bước sóng    |
|                             190 - 1100 nm, độ rộng dải phổ 1 nm)              |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Phương pháp luận nghiên cứu (Methodology)

Quy trình nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm song song (Design of Experiments - DoE), chia thành 4 giai đoạn logic:

1. Giai đoạn 1 (Hiệu chuẩn hệ thống): Kiểm tra độ chính xác cảm biến nhiệt, độ đồng đều của biên độ rung lắc nam châm đáy và thử độ kín khí của hệ thống ống dẫn PTFE.
2. Giai đoạn 2 (Thực nghiệm kiểm chứng vô cơ): Khảo sát 3 phản ứng kinh điển để định lượng hệ số cải thiện hiệu suất phản ứng ($K_3[Fe(C_2O_4)_3]$, $Na_2S_2O_3$, $KAl(SO_4)_2$).
3. Giai đoạn 3 (Tối ưu hóa đa biến phức chất Cu-Glycolat): Thực hiện 4 đợt phản ứng (48 mẫu) quét đồng thời các tham số nhiệt độ, tỷ lệ mol và thời gian lưu.
4. Giai đoạn 4 (Phân tích công cụ & Đánh giá thống kê): Định lượng sản phẩm bằng chuẩn độ thể tích và phổ UV-Vis, xử lý dữ liệu và xây dựng mô hình tương quan.

---

Implementation và kết quả thực nghiệm

Quy trình triển khai thực nghiệm

===================================================================================
                       TIẾN TRÌNH TỔNG HỢP VÀ ĐIỀU CHẾ
===================================================================================
[BƯỚC 1: ĐIỀU CHẾ TIỀN CHẤT Cu(OH)2 TINH KHIẾT]
   CuSO4.5H2O (12.5g) + H2O (50ml) + Glycerin (1ml) 
   --(+ NaOH 4.0g/20ml, khuấy mạnh)--> Cu(OH)2 kết tủa lam tươi
   --(Rửa gạn qua nước ấm + Glycerin, kiểm tra SO4(2-) bằng BaCl2)--> Cu(OH)2 sạch

[BƯỚC 2: TỔNG HỢP PHỨC ĐỒNG GLYCOLAT TRÊN MÁY HEIDOLPH SYNTHESIS 1]
   Cu(OH)2 (chia đều 12 ống) + 15ml dd Axit Glycolic (nồng độ theo tỷ lệ mol)
   --> Cài đặt máy: Tốc độ lắc 650 rpm | Nhiệt độ: 60°C - 80°C | Thời gian: 2h - 6h
   --> Kiểm soát pH: 5.0 - 7.0 bằng dung dịch đệm kiềm loãng

[BƯỚC 3: TÁCH SẢN PHẨM & KẾT TINH PHÂN ĐOẠN]
   Hỗn hợp sau phản ứng --> Lọc dịch trong --> Cô cách thủy nhiệt độ < 80°C
   --> Xuất hiện váng tinh thể --> Làm lạnh kết tinh --> Rửa cồn tuyệt đối (C2H5OH 99.7%)
   --> Sấy khô trong bình hút ẩm P2O5 đến khối lượng không đổi
===================================================================================

# Mô phỏng thuật toán ma trận sàng lọc điều kiện tối ưu (DoE Matrix Formulation)
def evaluate_synthesis_matrix():
    temperatures = [60, 70, 80]  # Độ C (ứng với các vùng nhiệt trên máy)
    reaction_times = [2.0, 3.0, 5.0, 6.0]  # Giờ
    molar_ratios = ["1:1.5", "1:2.0", "1:2.5"]  # Tỷ lệ Cu(OH)2 : Axit Glycolic
    agitation_speed = 650  # rpm (tốc độ lắc tối ưu)
    
    results_database = []
    
    for t in reaction_times:
        for temp in temperatures:
            for ratio in molar_ratios:
                # Điều kiện biên: pH duy trì nghiêm ngặt trong khoảng [5.0, 7.0]
                # Tinh thể tách ra bằng phương pháp析 tinh với ethanol 99.7%
                yield_score = calculate_yield_model(temp, t, ratio, agitation_speed)
                results_database.append({
                    "time_h": t,
                    "temp_C": temp,
                    "ratio": ratio,
                    "yield_percent": yield_score
                })
    return results_database

Dữ liệu kiểm tra và xác nhận chất lượng (Validation & Benchmarks)

1. Tổng hợp Natri Thiosunfat ($S + Na_2SO_3 \rightarrow Na_2S_2O_3$)

Phản ứng dị thể giữa lưu huỳnh rắn ($S$) và dung dịch natri sunfit ($Na_2SO_3$) đòi hỏi khuấy trộn liên tục nhằm tăng diện tích tiếp xúc pha:

• Phương pháp thủ công: Thời gian đun hồi lưu kéo dài 4 – 5 giờ; hạt lưu huỳnh bị vón cục nổi lên bề mặt, hiệu suất trung bình chỉ đạt 20% – 35%, nhiều mẻ hỏng không thu được tinh thể.
• Trên máy Heidolph Synthesis 1: Quá trình lắc 650 rpm kết hợp hồi lưu kín giúp lưu huỳnh phân tán đều; thời gian phản ứng rút ngắn còn 3 giờ. Hiệu suất ở 12 ống dao động từ 43.00% đến 81.12% (Thí nghiệm #17 đạt đỉnh 81.12% với độ tinh khiết cao, xác định qua chuẩn độ $I_2/K_2Cr_2O_7$).

2. Điều chế Phèn nhôm kali ($KAl(SO_4)_2\cdot 12H_2O$) từ Quặng Bauxit

Hàm lượng nhôm ($Al^{3+}$) trong tinh thể được định lượng bằng phương pháp đo quang phổ hấp thụ phân tử với chỉ thị mầu Aluminon tại bước sóng $\lambda = 530 nm$ trên máy Perkin Elmer Lambda 25 UV-Vis:

• Sản phẩm điều chế trên máy Heidolph Synthesis 1 cho dung dịch sau trung hòa và kết tinh sạch, hàm lượng nhôm chuyển hóa vào mạng tinh thể cao gấp ~9 lần so với mẫu hòa tách bằng bình hở thủ công ở cùng nhiệt độ $100^\circ C$ trong 60 phút.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|        KẾT QUẢ ĐỐI CHỨNG HIỆU SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG TỔNG HỢP                    |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| Hợp chất điều chế      | Phương pháp thủ công       | Máy Heidolph Synthesis 1|
+------------------------+----------------------------+-------------------------+
| K3[Fe(C2O4)3].3H2O     | Hiệu suất: 8.60%           | Hiệu suất: 24.50% - 32% |
|                        | Tinh thể lẫn tạp chất Fe(II)| Tinh thể xanh sáng chuẩn|
+------------------------+----------------------------+-------------------------+
| Na2S2O3                | Hiệu suất: 0% - 35%        | Hiệu suất: 43% - 81.12% |
|                        | Khó kiểm soát điểm dừng    | Ổn định tại mẫu #17     |
+------------------------+----------------------------+-------------------------+
| Phèn Nhôm Kali         | Chiết tách bauxit kém      | Hàm lượng Al cao gấp 9x |
|                        | Tinh thể đục               | Tinh thể bát diện trong |
+------------------------+----------------------------+-------------------------+
| Phức Đồng Glycolat     | Không đồng nhất            | Tinh khiết cao          |
|                        | Dễ tạo phức hidroxo phụ    | Tối ưu tại 60-80°C, 3-5h|
+------------------------+----------------------------+-------------------------+

       SO SÁNH HIỆU SUẤT TỔNG HỢP (THỦ CÔNG VS HEIDOLPH SYNTHESIS 1)
  100% +-------------------------------------------------------+
       |                                                       |
   80% +                                            [81.12%]   |
       |                                             ######    |
   60% +                                             ######    |
       |                                             ######    |
   40% +                           [32.0%]           ######    |
       |                            #####   [35.0%]  ######    |
   20% +         [8.6%]             #####    %%%%%   ######    |
       |          %%%%              #####    %%%%%   ######    |
    0% +----------+-------------------+--------+-------+-------+
             K3[Fe(C2O4)3] (Thủ công vs Máy)    Na2S2O3 (Thủ công vs Máy)
             Chú thích: [%%%%] Thủ công  |  [#####] Heidolph Synthesis 1

---

Đổi mới và đóng góp

1. Cải tiến lộ trình tổng hợp phức chất từ tiền chất Hydroxit hoạt hóa: Thay vì đi từ muối đồng vô cơ đơn giản hay oxit đồng ($CuO$) trơ khó tan, đề tài chuẩn hóa quy trình điều chế $Cu(OH)_2$ tươi bổ sung glycerin chống lão hóa kết tủa. Khi kết hợp với tốc độ lắc 650 rpm trên máy Heidolph, $Cu(OH)_2$ phản ứng hoàn toàn với axit glycolic mà không để lại ion lạ ($SO_4^{2-}, Cl^-$), loại bỏ hoàn toàn bước kết tinh lại tốn kém.
2. Khắc phục triệt để hiện tượng tạo phức Hidroxo phụ: Nhờ kiểm soát chính xác dải $pH = 5.0 - 7.0$ và nhiệt độ ổn định trong khoảng 60°C – 80°C trên 4 vùng nhiệt độc lập, phức chất chelate Đồng(II) Glycolat thu được có độ sạch tinh thể vượt trội, không bị nhiễm tạp chất kiềm.
3. Tiết kiệm 75% thời gian sàng lọc thực nghiệm: Việc tích hợp 12 vị trí phản ứng cho phép hoàn thành 48 mẫu khảo sát động học chỉ trong 4 ca vận hành (thay vì 48 ca riêng biệt kéo dài hàng tháng trên các bộ phản ứng đơn lẻ).

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống ứng dụng công nghiệp và y dược

• Công nghiệp mỹ phẩm & Da liễu: Axit glycolic ($\alpha$-hydroxy acid - AHA) có khả năng thẩm thấu biểu bì sâu. Phức chelate Đồng Glycolat được ứng dụng làm hoạt chất kích thích tăng sinh collagen, làm mờ nếp nhăn, cân bằng độ ẩm và khử khuẩn với độc tính tế bào thấp hơn muối đồng vô cơ.
• Xử lý môi trường và dệt nhuộm: Phèn nhôm kali độ sạch cao từ quặng bauxit đóng vai trò chất keo tụ xử lý nước thải; natri thiosunfat ($Na_2S_2O_3$) ứng dụng khử clo dư trong công nghiệp tẩy trắng sợi và chất định hình trong xử lý phim ảnh.
• Kỹ thuật in khắc quang hóa: Phức $K_3[Fe(C_2O_4)_3]$ đóng vai trò muối nhạy sáng trong quy trình in bản vẽ kỹ thuật chất lượng cao (cyanotype/diazo printing).

Lộ trình triển khai quy mô phòng thí nghiệm và Pilot

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                      LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG THỰC TẾ                          |
+------------------------------------------------------------------------------------+
| [GIAI ĐOẠN 1: QUÝ 1] Thiết lập SOP vận hành & an toàn hóa chất trên Heidolph 1    |
| [GIAI ĐOẠN 2: QUÝ 2] Tối ưu hóa mẻ lớn (Scale-up 500ml - 2L) bằng bình phản ứng chùm|
| [GIAI ĐOẠN 3: QUÝ 3] Kiểm định độ tinh khiết dược dụng (USP/EP Standards) cho Đồng |
|                      Glycolat phục vụ bào chế mỹ phẩm da liễu                     |
| [GIAI ĐOẠN 4: QUÝ 4] Chuyển giao công nghệ tổng hợp song song cho sinh viên & R&D  |
+------------------------------------------------------------------------------------+

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

• Hạn chế thể tích: Ống nghiệm dung tích 50ml chỉ phù hợp cho quy mô sàng lọc mẫu phòng thí nghiệm (tối đa 25ml chất lỏng/ống), chưa thể sản xuất thương mại số lượng lớn.
• Quy trình nạp tác chất lỏng: Thiết bị không có bơm tiêm định lượng tự động (syringe pump integration); các phản ứng đòi hỏi nhỏ giọt liên tục như $H_2O_2$ trong tổng hợp $K_3[Fe(C_2O_4)_3]$ phải tạm dừng máy để thêm thủ công.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Nâng cấp mô-đun gắn bơm nhu động cấp dịch tự động điều khiển qua vi điều khiển Arduino/PLC để duy trì phản ứng liên tục mà không cần dừng máy.
• Mở rộng khảo sát trên các phức chất của axit hydroxycarboxylic khác (axit lactic, axit citric, axit malic) với các kim loại chuyển tiếp ($Zn^{2+}, Ni^{2+}, Co^{2+}$).

---

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI VÀ GIÁ TRỊ                          |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| 1. SINH VIÊN & HỌC VIÊN CAO HỌC:                                              |
|    - Tiếp cận thiết bị hiện đại tiêu chuẩn châu Âu, giảm 70% thời gian thí nghiệm|
|    - Nắm vững phương pháp thiết kế thực nghiệm DoE và phân tích công cụ (UV-Vis) |
|                                                                               |
| 2. KỸ SƯ HÓA HỌC & NGHIÊN CỨU VIÊN (R&D):                                    |
|    - Sở hữu bộ dữ liệu tối ưu hóa chính xác cho phức chelate Cu-AHA           |
|    - Mô hình hóa quy trình tổng hợp song song ứng dụng cho hóa dược             |
|                                                                               |
| 3. DOANH NGHIỆP DƯỢC - MỸ PHẨM:                                               |
|    - Tiết kiệm 40% chi phí dung môi trong giai đoạn nghiên cứu công thức (R&D)|
|    - Rút ngắn thời gian đưa sản phẩm hoạt chất mới ra thị trường (Time-to-market)|
+-------------------------------------------------------------------------------+

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật và an toàn để lắp đặt hệ thống Heidolph Synthesis 1 là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện $230V \pm 10%$, đặt trong tủ hút khí độc phòng thí nghiệm có lưu lượng hút tối thiểu $0.5 m/s$. Cần kết nối đường ống dẫn khí thải PTFE vào bình hấp thụ dung dịch kiềm ($NaOH 1M$) hoặc bẫy làm lạnh để trung hòa hơi khí axit phát sinh.

2. Giới hạn dung tích của máy ảnh hưởng như thế nào đến khả năng scale-up?

Máy được thiết kế chuyên biệt cho giai đoạn Screening & Optimization (sàng lọc và tối ưu hóa). Sau khi xác định được bộ thông số tối ưu (ví dụ: $T = 70^\circ C, t = 3h, pH = 6.0$, tỷ lệ $1:2$), dữ liệu sẽ được chuyển giao thẳng sang các lò phản ứng pilot dung tích 5L – 50L có cánh khuấy cơ và áo gia nhiệt tương đương mà không cần thử nghiệm lại từ đầu.

3. Tại sao tổng hợp phức Đồng Glycolat phải dùng $Cu(OH)_2$ thay vì muối $CuSO_4$ hay $CuO$?

$CuO$ có mạng lưới tinh thể rất bền, tan chậm trong axit yếu ở nhiệt độ thấp; trong khi $CuSO_4$ mang theo anion tạp chất $SO_4^{2-}$ rất khó rửa sạch khỏi mạng tinh thể phức. $Cu(OH)_2$ mới điều chế có diện tích bề mặt riêng lớn, hoạt tính cao, phản ứng êm dịu và sản phẩm phụ duy nhất là nước ($H_2O$), đảm bảo độ sạch tuyệt đối.

4. Chi phí vận hành và bảo trì máy có tốn kém không?

Chi phí vận hành rất thấp do công suất tiêu thụ điện chỉ khoảng 500W. Phụ kiện tiêu hao chủ yếu là vách ngăn cao su silicon/PTFE cần thay thế sau mỗi 50 – 100 chu kỳ phản ứng ăn mòn mạnh; ống nghiệm thủy tinh borosilicate có độ bền nhiệt cơ học cao.

5. Tỷ lệ hoàn vốn (ROI) khi trang bị hệ thống tổng hợp song song cho phòng Lab?

Nhờ tăng năng suất thực nghiệm lên gấp 12 lần và giảm 40% lượng hóa chất lãng phí, thời gian hoàn vốn đầu tư thiết bị ước tính trong vòng 12 – 18 tháng đối với các phòng thí nghiệm R&D dược - hóa chất có cường độ nghiên cứu liên tục.

---

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp đã chứng minh tính ưu việt vượt trội của máy Heidolph Synthesis 1 trong việc hiện đại hóa công tác nghiên cứu hóa học vô cơ và phức chất. Thông qua việc làm chủ công nghệ tổng hợp pha lỏng song song 12 kênh, nghiên cứu không chỉ tổng hợp thành công các hợp chất đối chứng ($K_3[Fe(C_2O_4)_3]$, $Na_2S_2O_3$, $KAl(SO_4)_2$) với hiệu suất và độ tinh khiết tăng vọt, mà còn thiết lập thành công bộ thông số tối ưu cho phức chất Đồng(II) Glycolat ($T = 60-80^\circ C, t = 3-5h, pH = 5-7$, lắc 650 rpm). Đây là tài liệu khoa học và cẩm nang thực nghiệm giá trị, mở ra hướng đi mới cho công tác đào tạo đại học và nghiên cứu ứng dụng hóa dược tại Việt Nam. Quý độc giả và các đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp quy trình DoE này để đẩy nhanh tiến độ phát triển các hợp chất phối trí mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TẠO TRUONG ĐẠI HOC SU PHAM TP HO CHÍ MINH KHOA HOA ~ LJ)» KHOA LUAN TOT NGHIEP CU NHAN HOA HOC CHUYEN NGHANH: HOA VO CO DE TAL: KHAO SÁT KHẢ NANG TONG HỢP HOP CHAT VÔ CO VA PHUC CHAT CUA MAY HEIDOLPH SYNTHESIS 1 Người hướng dẫn khoahge : CN.CHUNG THÀNH NAM Người thực hiện : NGUYEN THỊ LAN ANH Lớp : HÓA 4A | Tr FHANH PHO HO CHI MINH THANG 5 NAM 2009 MO BAU Phức chat và các hợp chất vô cơ càng ngày cảng có nhiều ứng dụng trong thực tế. Việc tổng hợp chúng càng có yêu cầu cao hơn trong thao tác tổng hợp. Những thí nghiệm tổng hợp các chất vô cơ nói chung và phức chất nói riêng được tiến hành trong phòng thí nghiệm, phải được thực hiện nhiều lần, ở những điều kiện khác nhau dé có thé tìm được điều kiện tối ưu. Với mong muốn tìm hiểu thêm về hóa học thực nghiệm nói chung, và hóa học nghiên cứu các phức chất nói riêng, tôi đã chọn đề “Khao sát kha năng tong hợp hợp chat vô cơ va phức chat của may heidolph synthesis 1” này với mục đích: Tìm hiểu cách vận hành máy heidolph synthesis | và làm nỗi bật tính tiện lợi của nó trong nghiên cứu và tổng hợp một số hợp chất vô cơ.

Tìm điều kiện tối ưu dé tổng hợp phức đồng với axit glycolic. Từ phức chất tông hợp được, nghiên cứu cấu trúc, xác định công thức phân tử, dự đoán công thức cấu tạo, đồng thời so sánh với kết quả tổng hợp không làm bằng máy của các tác giả khác. Đề ra hướng sử dụng máy heidolph synthesis | cho việc học tập và nghiên cứu của sinh viên MO :t404144040AGGGGGGGIG0X0ALIGIANGGGG0CÁGLLSi304Gii00ÁÁ00600ã1GGG%LS4G0x5G404) | STORIE HA No tá ncG201 ti tt606c0407022311116914)39iX0054014G1491464886106389670) 4 LI. § MịL CÂ(NGH G2266 a a a a hs 6 RU, Wo eapn inner Pan ect enacts cnianiacoemreci H 1.

Những ứng dụng đã được thực hiện trên may:. CAC PHƯƠNG PHAP TONG HỢP VÔ CO .1, Che phương pháp tổng hợp các chất vô cơ thông thumg. Các phương pháp tổng hợp phức chit.sscsssssssescsssssseccmsseessesesessessesssnssessceseeseseseneensesssssutssssesnsussets 20 13, 5 TÔNODUANCAPHOPEHATVÔ CŨ Gsávö00(062(0 12 2(06 16120242 22 K24: ‘Kali O0 ROEOENECCCC SSE 22 BERG, (li) DDGG0smasaseesnakeooosvveekdsdanesednadavevkx66150019)/0063160060004060bà0000A00068407 22 33; PRB BAN KH ccesninkseikk6Uiiil000lenndiieeeeeebioieedkil0//202226e6xe2)5G2600sie 23 BEIM; (AM VIY00Ùht⁄412660 X60 (000 (À6620606000210166((00/2k4Geesscuseseavi 24 AMA ag Lt. TONG HỢP MOT VAI CÁC HỢP CHAT VO CO.

‘Kali wioxnlaoferstessorc ii nee ee 27 Pe tf [| een cnn SO ee ae TR or a Ne eee 32 lH. Phẻn nhôm kali.- cuc Q10 HS TH nh TH ng tt tt si 38 12. ĐBểEUCHEEHDGBONGGUWOLAT:L( c0 cck»°cỶ««¿¿ 45 11. Khảo sát điều kiện tối ưu để tổng hợp phức đẳng glycolat.:e-eceereeseever seers45 TH HH HH KH GL466666060666t66s6662 s66 ess e2 ssses=sceccssGEn" 53 11.

TONG HOP LƯỢNG LON PHUC ĐÔNG GLYCOLAT.ccccccccsseesecescssceneeeeneenesneen 53 H2:† Kết gi phấn thle PRS cassis cess sicien vss swiecesecwcsxenmmescweues 463745098ÿ35596EEvasgtecedseszEsssaakbä4k0 53 11. Xác định công thức, dy đoán cấu trúc của phức đổng glycollat. c5 se60 TEL: RET DUAN VÀ ĐỀ NU NT cess ee ieee rece TAN seed aaah62 PHAN I TONG QUAN 1. GIỚI THIỆU MAY SYNTHESIS 1 Li.

Giới thiệu máy : Heidolph synthesis | là dòng máy sản phẩm dùng để áp ứng nhu cầu ngày cảng phát triển trong tông hợp hóa chất và dược phâm. Heidolph syn- thesis 1 là sản phẩm có xuất xứ từ nước Đức do hang Heidolph sản xuất. Đây là một công ty chuyên sản xuất các máy móc phục vụ cho các hoạt động nghiên cứu của hóa học. Và synthesis 1 là một dòng máy gồm 3 hệ thống đành cho e© Tong hợp pha rắn (Parallel solid phase synthesis) Hinh 1: Parallel solid phase synthesis « Téng hợp pha lỏng (Parallel liquid phase synthesis) Hinh 2: Parallel liquid phase synthesis 5 « Cô đặc (Multiple evaporator) Hình 3: Multiple evaporator Hiện nay khoa Hóa chỉ mới có máy tông hợp dành cho pha lỏng (Parallel liq- uid phase synthesis) do đỏ tôi tiến hành khảo sat trên máy nay.

Ong phản ứng ~ — Vách ngăn: các ống nghiệm được chụp lại bởi một vách ngăn. Vách ngăn này cho phép sự phun của chất lỏng và những vật chất khác, qua một ông dẫn khí trong suốt quá trình hoạt động của máy. Các vách ngăn này được làm từ silicon, đặc biệt bên trong làm từ những lá PTFE dé dé đảng làm sạch. ~ Van quay: có hai vị trí đóng mở van.Vị tri mở van: tay cam cùng hướng với ông dẫn khí, ngược lại ở vị trí đóng van, quay một góc 90° so với vị trí mở.

Trường hợp van này đóng các khí sinh ra trong quá trình tổng hợp bay lên bị chặn và ngưng tụ. Vì vậy, khi ta đóng van, ta có một hệ thống như một thiết bị hồi lưu. Z Nap ông nghiệm: màu do, bên trong có những đường răng vừa khít với ông phan ứng, giúp cho chat lỏng không bị tran ra ngoải. | ,Vách ngăn 2 ,Van quay 3 .Nắp ống nghiệm w Hinh 4: phần trên của ống phan ứng “ Ông dẫn khí : dẫn lượng khí thoát ra trong quá trình phản ứng ra ngoài.

Trong máy có hai loại ống dẫn khí: Loại thứ 1: ống bằng nhựa dẻo, mau trắng, dai khoảng 5-7cm, được bao vệ bên ngoài là nhưng vòng xoắn của lò xo. Với cấu tạo như vậy, ống phan ứng không bị gay hay bị biến dạng khi ta làm việc trên máy. Các ông nay có tác dụng dẫn khí từ mỗi ống nghiệm đến một khoảng đây rồi sau đó theo ống dẫn thứ hai ra ngoài. Loại thứ 2: là một ống nhựa màu trăng, dày, dai khoảng 1m,đường kính trong khoảng từ 0,5-lem.

Ong dẫn khí này có khá nhiều chức năng, ở đầu cudi của ống được nỗi với một đầu nối gồm | van điều chỉnh và hai đầu thải khí. (1) : ~ Ong nghiệm phan ứng: là nơi chứa các dung dịch khi phản ứng, các ông nghiệm này là những ông thủy tinh khá day, khả năng chịu nhiệt tốt, dau ông nghiệm có những đường dé vặn khớp với nắp. Kha năng chứa chất lỏng trong các ống phản ứng Toàn bộ khả năng Khả năng chứa tôi chứa thiểu 1 Hé 12 ong 552-25030-00 S0ml 25ml _Hệl6ống | 552-22530-00 25ml | 12ml Hé24éng | 552-21030-00 Vùng nhiệt và vùng đông đặc: khi máy phản ứng xong, khi tiếp xúc với vùng nay phải đặc biệt cần thận. Phải sử dụng găng tay bảo vệ dé không nguy hiém.

Cách lắp và tháo ống phản ứng Mo nắp từ những ống phan ứng: xoay nắp theo ngược chiều kim đồng hò. Dùng lực nhắc nhẹ nắp ra khỏi ống nghiệm Kéo ống phán ứng bằng thủy tỉnh ra khỏi khung (kéo theo phương thăng đứng) ® Khi lap ông phan ứng vào ta lại lam tương tự như khi thao ra nhưng theo chiều ngược lại. © Đề tạo độ vừa và độ chặt chẽ mỗi khi ta lắp ráp các bô phận với nhau người ta dùng vật liệu silicon dé chế tạo những bộ phận nối. - Có 4 vùng nhiệt : mỗi vùng gồm 3 ống phản ứng.

mỗi ống được đặt trong một giá đỡ đông thời cũng là nơi cung cấp nhiệt. Ở đây các ông nghiệm không được nói trực tiếp với nguồn cung cấp nhiệt mà được cung cấp qua các giá đỡ này. Với cau tạo như thế khi hoạt động lượng nhiệt tỏa ra xung quanh khá it, không làm nóng máy và các bộ phận khác. - Phần dưới của máy là một bệ là một nam châm lớn, có tác dụng chủ yếu trong sự rung và ôn định cho máy khi máy hoạt động.

Hình 7: Bệ đỡ của cả khối phản ứng €. Bảng điều khiến: 9 Gém các nút điều chỉnh sau: ON/OF với công tắc cung cấp nguồn điện. “ON” (đèn báo hiệu sáng đèn màu xanh) cho biết trạng thái máy đã khởi động. người sử dụng máy chuẩn bị nhập các thông số kĩ thuật cho máy hoạt động.

SET RAMP: là nút dùng để thiết lập một hay nhiều nhiệt độ khác nhau cho mỗi vùng. Dùng các nút điều chính qua-lại để chon vùng ta cân chỉnh. RAMP ACTICE là nút kích hoạt sau khi đã cải nhiệt độ. VALUE/SPEED (thiết lập/ sữa chữa các thông số):Nút các giá trị “tốc độ quay thiết lập/sửa chữa trong giới hạn.

“ACT”, sự khuấy được thay đổi, “SET” sửa chữa giới hạn mức tiêu chuẩn với nút mũi tên. Nếu muốn tăng các giá trị về tốc độ quay hay nhiệt độ thì ta quay nút này theo chiều kim đồng hồ, hoặc muốn giảm thì ta quay theo chiều ngược lại, khi đó máy sẽ tự lưu và hoạt động cập nhật theo giá trị ta vừa mới cải đặt. Các giá trị sẽ được lưu tự động. INDENTIC: là nút cài đặt sự đồng nhất vé nhiệt độ của cả 4 vùng hoạt động.

VD: khi ta cài đặt một giá thị bất kỳ cho vùng | thì sau khi nhắn vào nút indentic, thì giá trị đó sẽ được truyền đến các vùng còn lại. Sau khi đã cải đặt xong, để máy hoạt động theo nhiệt độ đã cài, thì ta nhắn vào nút STAR/STOP. Khi đèn sáng tức máy đang tiến hành gia nhiệt, đèn ở gần chữ “heater” sáng. Khi 10 muốn không gia nhiệt nữa ta nhân vào nút nay cho đến khi đèn báo hiệu tắt đi.

- — Tương ty, ta nhấn vào nút STAR/STOP bên cạnh chữ Speed để bắt dau lắc cả khối phản img, đèn xanh sáng khi máy dang ( tién hanh rung déu theo sy cai dat ban dau. Ưu nhược diém của máy: Ưu điểm: Mỗi bộ phận được thiết kế rất tinh xảo phù hợp với nhiệm vụ của nó, cụ thể, Ống phản ứng được làm từ thủy tinh có khả năng chịu nhiệt, nắp ống phan ứng vừa khít tránh được trường hợp chất lỏng sánh ra ngoài trong quá trình hoạt động. : Số lượng ống phản ứng nhiều 12 ống, giúp cho người thực hiện công việc nghiên cứu hay tổng hợp có thẻ tiến hành khảo sát cùng một lúc 12 thí nghiệm, giúp tiết kiệm khá nhiều thời gian. Mặc khác, khi tổng hợp lượng lớn, ta có thể chia đều ra 12 ống với các tỉ lệ giống nhau cùng thực hiện trong một khoảng thời gian và điều kiện nhiệt độ và phương thức làm giống nhau dẫn tới hiệu suất thu được tương đương nhau.

Ở điểm này, bộ tổng hợp thể hiện rat tốt trong các quá trình tổng hợp phức chat. - Trong quá trình hoạt động có sự gia nhiệt, hoặc giảm nhiệt lượng nhiệt không tỏa ra xung quanh, máy không bị nóng. Không ảnh hưởng nhiều đến môi trường làm việc. - Lượng khí trong quá trình tổng hợp được dẫn ra ngoài bằng ống dẫn ta có thé thu lại được (đối với những khí cần thiết) hoặc có thé dẫn vào trong các dung dich dé hạn chế những khí độc hại thoát ra ngoài.

: Với khả năng điều chỉnh và kiểm soát được nhiệt độ, thì những phản ứng đòi hỏi nhiệt độ thấp ta cũng có thé thực hiện được.