CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. CÁC HỢP CHẤT CYCLODEXTRIN 1. Lịch sử Giai đoạn khám phá ra CDs: Từ năm 1891-1936 Vào năm 1891, bài báo đầu tiên đưa ra thông tin về một hợp chất tinh thể chưa xác định rõ, Villiers, một tác giả người Pháp, đã cho rằng, hợp chất được tạo thành trong quá trình lên men tinh bột, là một vài chuỗi xenluloza ngắn, gọi là “cellulosine” [23]. Khoảng 15 năm sau đó, nhà vi sinh vật người Úc, Franz Schardinger [15], khi nghiên cứu những vi sinh vật làm hỏng thức ăn, đã phân lập được một loài vi khuẩn Bacillus macerans có khả năng tạo ra hai hợp chất tinh thể khác nhau khi đưa vi khuẩn này vào môi trường có chứa tinh bột.
Bởi những đặc tính tương tự nhau, ông gọi tên chúng lần lượt là α –CD và β– CD. Tất nhiên, cấu trúc hóa học của chúng vẫn còn chưa được biết đến. Vào năm 1930, Freudenberg và các cộng sự đã cho rằng hai hợp chất này có cấu trúc vòng. Như vậy 45 năm này có thể coi là “giai đoạn khám phá” trong lịch sử phát triển của CDs.
Giai đoạn thăm dò (cũng là thời kỳ phát hiện ra γ-CD ): Từ năm 1936–1970 Vào đầu thời kỳ thứ hai, năm 1930, Freudenberg và cộng sự đã nghiên cứu về CDs và công bố kết luận rằng hợp chất tinh thể Schardinger-dextrins được tạo nên từ những đơn vị maltoza, chỉ chứa liên kết α-1,4-glucozit [40]. Năm 1936 cấu trúc vòng của những hợp chất dextrin đó được công nhận, cho tới 1948–1950, người ta phát hiện ra γ-CD và cấu trúc của nó cũng được làm sáng tỏ. Vào đầu những năm 1950, một nhóm nhà khoa học dẫn đầu là French và Cramer đã nghiên cứu kỹ quá trình sản xuất các CDs bằng enzym và đưa ra được các đặc tính vật lý và hóa học của chúng. Đặc Luận văn tốt nghiệp 5 Lê Phương Thanh biệt, nhóm của Cramer đã chỉ ra được đặc điểm rất quan trọng là tính năng tạo phức của CDs.
Các giai đoạn phát triển của CD dựa trên sản lượng công bố từ năm 1891 [23] Giai đoạn ứng dụng: Từ năm 1970 đến nay Sau khi D.French công bố không CDs không có độc tính, số lượng của CDs được sử dụng tại thời kỳ này mới tăng lên đáng kể. Tổ chức quốc tế đầu tiên về CDs được thành lập năm 1981 [23]. Từ năm 1984 đến nay, hội nghị này được họp hai năm một lần. Vào năm 1999, γ-CD được tổ chức US Food và Drug công nhận là thực phẩm an toàn [32].
Theo CD News, tổng lượng CDs trong năm 2003 lên đến 10000 tấn/ năm [28] Việc ứng dụng của CDs ngày càng tăng trên một số lĩnh vực cơ bản. Có những nghiên cứu triển vọng mở ra nhiều hướng đi mới cho CDs trong tương lai [23] 1.Cấu tạo và cấu trúc của CDs 1. Cấu tạo và cấu trúc của γ-CD γ-CD còn được gọi với các tên khác nhau như Cyclooctaamiloza, gamma- Schardinger dextrin hydrate; CD hydrate hay Cyclooctaamiloza hydrate…có công thức hóa học C 48H80O40.[52] Luận văn tốt nghiệp 6 Lê Phương Thanh Hình 2. Công thức cấu tạo phân tử của γ-CD Nhìn tổng quát, γ-CD là một phân tử có cấu trúc vòng, có dáng như hình nón cụt, chiều cao 0,79nm, đường kính ngoài 1,69nm, đường kính trong 0,79-0,95nm, bên trong khoang ngậm từ 7-13 phân tử nước.
Thể tích lỗ hang là 0,473 nm 3 [55]. Cấu trúc của phân tử γ-CD Luận văn tốt nghiệp 7 Lê Phương Thanh Đi sâu vào cấu trúc, phân tử γ-CD chứa 8 đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4 glucozit [46]. Trong vòng γ-CD, các gốc glucoza được sắp xếp sao cho các nhóm hydroxyl bậc 2 (C2 và C3) nằm về 1 phía của vòng, còn các nhóm hydroxyl bậc 1 (C6) nắm ở phía bên kia. Kết quả tạo ra phân tử có dạng hình nón cụt với phía chứa C6 hẹp hơn do khả năng quay tự do của C6.
Cấu trúc này được giữ chặt bởi các liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl bậc 2 của các gốc glucoza kề nhau. Các nhóm hydroxyl bậc 1 và bậc 2 hướng ra bên ngoài mạch vòng, trong khi đó mặt trong là các nguyên tử hydro không cực ( C3 và C5 ) và các nguyên tử oxy cầu nối. Nhờ có cấu trúc phân tử như vậy nên γ-CD có bề mặt bên ngoài là tương tác háo nước trong khi không gian bên trong lại kỵ nước. Cấu trúc này vừa cho phép γ-CD hòa tan tốt trong nước, đồng thời γ-CD lại tạo phức bao bền vững với các phân tử kỵ nước (các chất hữu cơ, muối halogen,…) 1.
Alpha và beta- Cyclodextrin Ở quá trình tổng hợp ra γ-CD bằng phương pháp enzym, trong sản phẩm ngoài γ- CD còn có hai CDs quan trọng khác là α-CD, công thức phân tử C36H60O30 và β-CD có công thức C 42H70O35 chứa tương ứng 6, 7 đơn vị glucoza trong phân tử. Cấu trúc của hai phân tử này giống với cấu trúc vòng, hình nón cụt của γ-CD, chỉ khác kích thước, đường kính, thể tích lỗ hang nhỏ hơn do có ít hơn γ-CD một và hai đơn vị phân tử đường glucoza. Ngoài ra chúng khác nhau ở lực căng vòng và liên kết giữa các nhóm hydroxyl ở C2 và C3, điều này dẫn đến sự khác nhau về tính tan của ba phân tử CD. Luận văn tốt nghiệp 8 Lê Phương Thanh Hình 4.
Cấu trúc của α-CD và β-CD 1. Tính chất lý hóa của CDs 1. Tính chất vật lý ● Khả năng tan trong nước[55], [56] Tính tan là một đặc tính rất quan trọng của CDs, căn cứ vào khả năng hòa tan có thể phân biệt và tách γ-CD ra khỏi hỗn hợp ba loại CDs. Trong phân tử γ-CD, các nhóm hydroxyl đều hướng ra bên ngoài, do đó γ-CD có khả năng tan trong nước.
Các CDs khác nhau có khả năng tan trong nước khác nhau. Trong số 3 CDs, thì γ-CD có độ hòa tan tốt nhất sau đó đến α-CD và cuối cùng là β- CD. Đó là do chúng có lực căng vòng khác nhau cũng như hướng quay và độ liên kết của cầu hydro giữa các nhóm hydroxyl trên nguyên tử C2 và C3 của hai phân tử glucoza kề nhau khác nhau: Ở γ – CD lực căng vòng lớn nhất, liên kết giữa các nhóm hydroxyl C2 và C3 khá yếu, chúng trở nên tự do với các phân tử nước vì vậy γ-CD tan tốt nhất trong cả 3 loại CDs. Luận văn tốt nghiệp 9 Lê Phương Thanh Ở α – CD lực căng vòng tương đối lớn, các nhóm hydroxyl ở C2 và C3 tương tác với nhau yếu hơn, do đó chúng có thể tương tác tốt với các phân tử nước.
Chính vì thế mà nó hòa tan tốt hơn so với β-CD. Ở β – CD các nhóm hydroxyl ở C2 và C3 của các phân tử glucoza kề nhau quay theo hướng làm cho tương tác giữa chúng rất chặt chẽ nên chúng tương tác kém với các phân tử nước ở dung môi bên ngoài. Vì vậy độ hòa tan của β-CD tương đối thấp. Ngoài ra tính tan của CDs cũng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Khi nhiệt độ tăng độ tan của CDs cũng tăng: Ở 25oC độ tan của α - , β - , γ - CD tương ứng là 14,2; 1,85; 23,2 g/100ml và ở 50oC thì độ tan tương ứng là 43,5; 5,62; 93,8 g/100ml. Các phân tử khách thể có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ hòa tan của CDs. Một số hợp chất có thể tạo phức không tan với CDs trong khi đó số khác có thể tạo phức tan rất tốt, thậm chí tan tốt hơn khi chưa tạo phức. Hiện tượng này là do các phân tử khách thể tương tác với các CDs làm thay đổi hướng quay của chúng.
Vì vậy có trường hợp phức tạo thành từ một chất khách thể với γ-CD có thể kém tan hơn phức với α - hay β – CD. Khi CDs bị biến đổi (thay thế các nhóm hydroxyl bằng metyl hóa, amin hóa, este hóa, ete hóa,…) độ hòa tan có thể tăng hoặc giảm. Ví dụ khi nhóm hydroxyl ở C2 hoặc C3 của CDs bị biến đổi sẽ phá vỡ cầu nối hydro ở miệng vòng CDs, làm cho các nhóm hydroxyl tương tác tốt với nước nên CDs tan tốt hơn. ● Khả năng tan trong dung môi hữu cơ: CDs không tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ, tuy nhiên chúng tan trong một số dung môi phân cực (ví dụ metanol, etanol, propanol, axeton,…).
Luận văn tốt nghiệp 10 Lê Phương Thanh ● Độ bền nhiệt Các CDs khá bền nhiệt. Ở nhiệt độ từ 240- 245oC, CDs sẽ nóng chảy và sự phân hủy nhiệt bắt đầu xảy ra. Ngoài ra CDs cũng bền với các tác nhân như tia UV hay tia IR. ● Khả năng hút ẩm Hàm ẩm cân bằng của α - , β - , γ - CD trong môi trường có hàm ẩm tương đối 85% tương ứng là 12%; 13,5%; 17% ở 30oC.
CDs vẫn giữ trạng thái bột mịn không bị hóa lỏng ngay cả khi để lâu ở môi trường có độ ẩm tương đối cao. Tính chất hóa học + Độ bền hóa học So với các oligosaccarit mạch thẳng thì các CDs là những phân tử rất bền. Các axit mạnh như axit HCl có thể thủy phân CDs tạo ra các oligosaccarit khác nhau ( từ mạch thẳng do phân tử CDs bị mở vòng cho đến tận glucoza). Tốc độ thủy phân tăng khi nhiệt độ tăng nhưng chậm hơn 3-5 lần so với các oligosaccarit mạch thẳng tương ứng.
Trong môi trường axit yếu như các axit hữu cơ, sự thủy phân hầu như không xảy ra. Cũng như các oligosaccarit và polisaccarit không có tính khử khác, CDs không bị thủy phân bởi bazơ, thậm chí ở nhiệt độ cao và trong dung dịch kiềm đặc (trong dung dịch NaOH 0,35N ở 70oC không thấy có sự thủy phân). Với các tác nhân oxy hóa, CDs có thể bị oxy hóa làm mở vòng glucoza nhưng không tạo ra formaldehyt hay axit focmic (vốn là các chất độc) do CDs không có tính khử. + Khả năng biến đổi hóa học Luận văn tốt nghiệp 11 Lê Phương Thanh Bằng phương pháp hóa học có thể thay thế các nhóm hydroxyl của CDs bằng các nhóm khác (metyl, amin, este, ete,…).
Khi đó đường kính của CDs sẽ không thay đổi nhưng chiều sâu của các lỗ hang giảm xuống. Mục đích của các biến đổi này là nhằm làm thay đổi độ hòa tan, thay đổi khả năng tạo phức (độ bền phức, độ chọn lọc khách thể) hoặc thêm các nhóm có chức năng đặc hiệu dùng xúc tác. + Độ bền đối với enzym amylaza Trong các CDs, γ – CD bị thủy phân dễ dàng hơn bởi α-amylaza. Nói chung các α-amylaza từ nấm mốc thủy phân CDs tốt hơn từ vi khuẩn.
β-amylaza và γ- amylaza không thủy phân CDs nhưng enzym CGTaza có thể thủy phân dễ dàng.