CHƯƠNG 1. Tông quan về œ-pinene 1. Tỉnh dầu thông Trong những năm gan đây, nền kinh tế Việt Nam đang có sự phát triển ở lĩnh vực tinh dau, hương liệu và mỹ phẩm có nguồn gốc từ thiên nhiên. Nguyên do của việc tập trung vào các sản phẩm từ thiên nhiên là để hạn chế những tác hại không mong muốn khi sử dụng các sản phẩm có nguồn gốc từ các hợp chất được tông hợp trong công nghiệp.
Việt Nam la một trong những nước năm trong khu vực nhiệt đới gió mùa nên điện tích rừng cây thông, cây hương liệu rất phong phú và đa da dạng với hơn 300 loài cây tinh dau và trên 50 loại cây được tròng trên 120. Do đó, việc sản xuất các sản phẩm có giá trị cao từ các nguồn nguyên liệu sinh học đang được quan tâm rộng rãi. Một trong những nguyên liệu sinh học với giá thành thấp đó là turpentine được chiết xuất từ các loài cây như bạch dan, cây thông [1], [2]. Họ thông (Pinaceace) là một họ lớn, moc tự nhiên va được trồng phô biến ở nhiều nơi trên thé giới dé sản xuất các sản phẩm như gỗ, nhựa, tinh dau.
Tuy nhiên, chỉ có một phần nhỏ các loài cây thông là nguồn thu tinh dau hiệu quả như P.kesiya Royale ex Gordon, P pinaster. Các loài thông khác nhau khi được trồng ở các khu vực địa lý khác nhau sẽ cho các sản phẩm sau sản xuất có hàm lượng và chất lượng khác nhau. Tinh dầu thông (turpentine) là một hỗn hợp nhiều hợp chất khác nhau có thê kê đến như sesqulterpenoid và monoterpenoid được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và y được học. Loại hợp chất và hàm lượng của từng loại phụ thuộc vào vị trí địa lí nơi mà cây thông được trồng.
Chăng hạn, theo nghiên cứu của Gscheidmeier va Fleig [3], thành phần chính của tinh dau thông là ơ-pinene (92 - 97%), B-pinene (1 - 3%). Mặt khác, tinh dau thông ở An Độ có hàm lượng œ-pinene và B-pinene lần lượt là 20 — 40% và 5 — 20% [4]. Trong turpentine chứa các hợp chất như pinene, bicylic terpene. Những hợp chất nay có thé được xem là đồng phân quang học hoặc đối phân.
tN Ở Việt Nam, cây thông được trồng ở các khu vực có khí hậu mát mẻ như tinh Lâm Đông. Hoa Bình, Lai Châu. Một số loải thông phé biến được trồng ở như cây thông lá kim ba lá, cây thông đỏ, cây thông đất, cây thông 5 lá, cây thông 2 lá dep. Trong cây thông, hợp chất hữu cơ được tìm thấy là turpentine.
Hợp chất này là hỗn hợp của nhiều monoterpene, trong đó ơ-pinene và B—pinene chiếm phan lớn, với ham lượng lần lượt là 50 — 60% và 25 — 35%. Với hàm lượng œ-pinene tương đối cao, tỉnh đầu thông được lựa chọn đẻ nghiên cứu về phản ứng đồng phân hoá œ-pInene thành camphene. Tinh dầu thông được sử dụng làm chất diệt nắm, kháng vi khuan cũng như làm nước hoa và các loại gia vị khác nhau. Ngoài ra, do tỉnh đầu thông hàm lượng œ-pinene tương đổi cao nên chúng được nghiên cứu và sử dụng dé chưng cất œ—pinene.
œ-pinene có thé được chung cat dé dàng từ turpentine và cho các lợi ich về kinh tế thông qua các sản phẩm như nước hoa, hương vị hoặc tham gia các qua trình biến đổi thành các hợp chất trung gian hoặc sản phẩm có tiềm năng trong các lĩnh vực như y tế, mỹ phẩm, nước hoa, gia vj, công nghệ sinh học. nhờ vào nối đôi C-C. Bên cạnh đó, œ-pinene là một hợp chất có độ phản ứng hoá học cao nên nó có thê tham gia vào một số quá trình như hydro hoá. xà phòng hoá, oxi hoa, đông phan hoá [5].
œ-pinene Pinene có hai đồng phân là ơ—pinene va S—pinene. Ca hai hợp chất này đều có đông phân quang học được biết đến là (+)-œ—pinene (được tìm thấy phé biến ở cây thông có nguồn gốc từ châu Âu), (-)-œ-pinene (được tìm thấy phổ biến ở cây thông có nguồn góc từ châu Mỹ), (+)-B-pinene và (—)-B—pinene. Các đồng phân nay tương tác khác nhau với ánh sáng phân cực và ảnh của chúng không chong lên nhau [6]. Ngoài ra, các hợp chất này có hoạt tính sinh học cũng như mức độ độc hại khác nhau.
` ‘ f- ˆ * Hình 1 the hiện các công thức cau tạo của œ—pInene, (=pInene và các đôi phan của chúng.1 Công thức cấu tạo của ơ-pinene, 3-pinene và các đối phân [6] (+)-c-pinene (—}-ơ-pinene i (—)-B-pinene œ-pinene ((1RS,5RS)-2,6,6-trimethylbicyclo[3.1]hept-2-ene) là hợp chất hydrocarbon vòng chứa hai nhóm isoprene cho công thức phan tử là CjoH 16. a—pinene là một chất long không mau; không tan trong nước nhưng tan trong các loại dau va ethanol, các dung môi hữu cơ; nhiệt độ soi của œ-pinene là 155°C; có mùi đặc trưng. œ—pInene có những hoạt tính sinh học da dạng, nên chúng được ứng dụng rộng rãi, có thê kế đến một số ứng dụng như thuốc diệt nắm, hương vị, nước hoa. Theo nghiên cứu [7], œ-pinene có hoạt tính sinh hoạt phá huỷ lớp màng tế bào của các vi khuân nên được dùng làm thuốc kháng khuẩn.
Ngoài lĩnh vực dược phẩm, a—pinene còn được ứng dụng trong lĩnh vực tổng hợp các polymer và cho chất lượng tốt hon một số loại polymer thông thường. Trong các phản ứng hoá học có sự tham gia của œ—pinene, phan ứng đồng phân hoá œ-pinene được chú ý vì quá trình này giúp tạo thành camphene, là một hợp chất hữu cơ quan trọng trong y học va các quá trình tông hợp hữu cơ khác. Điều chế và ứng dụng Camphene (CiwHis), còn được biết đến với tên gọi 2,2-dimethyl-3- methylenebicyclo- [2.1]heptane, được tìm thấy với hàm lượng nhỏ trong tinh dau thông, và là hợp chất trong họ terpenes. Camphene là một hợp chất hữu cơ để bay hơi, xuất hiện dưới dạng tinh thé không màu, được tông hợp từ phan ứng đồng phân hoá œ—pinene và đặc trưng bởi mùi tương đối nòng.
Đến năm 1950, camphene được tông hợp từ pinene bang phương pháp hai giai đoạn. Dau tiên, hợp chất bornyl chloride được tông hợp bằng cách acid hoá pinene bằng hydrochloric acid, sau đó một loại muối kim loại có gốc acid là acetic acid được sử dung dé biến đôi bornyl chloride thành camphene. Ngoài ra, Findik và Giindiiz [8] sử dụng clinoptilolite làm chat xúc tác cho quá trình đông phân hoá œ=pinene và thu được hàm lượng camphene là 43%. Ngày nay, camphene được ứng dung rộng rãi trong các ngảnh công nghiệp vì những ưu điểm sau [9]: (i) nó là chất rắn ở nhiệt độ phòng: (ii) áp suất hoá hơi của camphene ở thẻ rắn và thẻ long (nó có thẻ thăng hoa ở nhiệt độ phòng) cho giá trị dưới | atm; (iii) và có khả năng hoa tan một số vật liệu polymer.
Bên cạnh đó, camphene đóng vai trò là hợp chất trung gian trong các phản ứng tông hợp hữu cơ. Chăng hạn, camphene được sử dụng trong các phản ứng như tông hợp toxaphene (thuốc trừ sâu) thông qua phản ứng chloride hoá, tổng hợp camphor (nước hoa) hoặc tac dụng với guaiacol tạo thành cyclohexanol (có tác dụng thay thể tỉnh dầu gỗ đàn hương) [10], [11]. Camphene phan ứng với acetic acid tạo thành isobornyl acetate, là một hợp chat trung gian trong quá trình tông hợp camphor [12]. Ngoài ra, camphene được ứng dụng trong tông hợp terpenecyclohexanols, là một hợp chất thay thé cho tinh đầu gỗ đàn hương và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nước hoa.
Các nghiên cứu ở lĩnh vực sinh học đã chỉ ra rằng camphene thể hiện hoạt tính sinh học va được ứng dụng trong thuốc kháng sinh, thuốc kháng nam, thuốc chống oxi hoá, thuốc chong viêm và thuốc chông bệnh béo phì. Trong một số báo cáo khác, camphene là một chat chong các bệnh ung thư như ung thư cô tử cung ở người (HeLa) va khối u ác tính B16. Camphene được điều chế thông qua phản ứng đồng phân hoá a—pinene với xúc tác acid. Trong phan ứng đồng phân hoá a—pinene, a—pinene sẽ được proton hoá dé tạo thành isobornyl cation va từ đó hình thành camphene và nhiêu san phẩm khác.
Do đó, việc tong hợp camphene từ a—pinene có độ chọn lọc cao luôn là van đề được chú ý rộng rãi. Hiện nay, việc điều chế camphene từ œ-pinene ưu tiên sử dụng chất xúc tác vì độ chuyên hoá œ-pinene và độ chọn lọc camphene đạt hiệu quả cao gồm chất xúc tác gồm xúc tác đồng thé và xúc tác di thé. Với việc nhiều sản phẩm khác nhau được hình thành sau quá trình phản ứng, độ chọn lọc camphene tương đối thấp. Đề thu được sản phẩm có độ chọn lọc cao thì các yêu tô như cơ chế phan ứng, nhiệt độ, thời gian, hàm lượng chất tham gia và đặc biệt là các chất xúc tác acid được sử dụng.
Theo công trình nghiên củu [13], chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong phản ứng đồng phân hoá a—pinene, vì thé việc lựa chọn chất xúc tác vô cùng cân thiết. Xúc tác đồng thể và dị thể e Xúc tác đồng thé Hiện nay, các phản ứng đồng phân hoá œ-pinene sử dụng xúc tác đồng thể và dj thê cho thay tính hiệu quả đặc trưng của phương pháp này. [14] Yue Liu và các cộng sự đã tông hợp acid ILs [HOsS-(CH2)s-NEGJCI-ZnCl và khảo sát hoạt tinh với sự thay đổi về nồng độ molan của ZnCl2. Kết quả của khảo sát cho thấy độ chuyên hoá ơ-pinene đạt từ 96 — 98% và độ chọn lọc camphene đạt từ khoảng 42 — 64%.
Bên cạnh đó, xúc tác đồng thẻ này có thé dé dang thu hôi và sau bốn lần tái sử dụng, các tâm acid hau như thay đôi không đáng kẻ. Acid phosphotungstic (HPW) [15] cho thấy mức độ hiệu quả trong phản ứng đông phân hoa ơ-pinene khi thời gian phản ứng là ba giờ nhưng độ chuyền hoá đạt gần 99% với độ chọn lọc camphene đạt gần 40%, 6 1. Xúc tác dị thể Ngoài việc sử dụng xúc tác đồng thé, nhiều công trình nghiên cứu cũng sử dụng xúc tác di thê dé gia tăng độ chuyền hoá a—pinene cũng như độ chọn lọc sản pham chính là camphene. Sự kết hợp giữa tâm acid Lewis, Bronsted với các điều kiện về thé tích lỗ xóp, điện tích bề mặt riêng đã gia tăng đáng ké hiệu suất của phan ứng đồng phân hoá.
Cu thé, Julian E. Sanchez-Velandia và các cộng sự [16] sử dung zeolite USY bién tinh với acid và sắt, sau đó tiễn hanh khảo sát hoạt tính xúc tác của hai vật liệu đã được biến đôi. Kết quả được thê hiện ở bảng 1.1 Tóm tắt các kết quả của vật liệu xúc tác USY sau biến tính và sau quá trình đồng phân hoá œ-pinene [16] Độ chuyển hoá | Độ chọn lọc Xúc tác Sper (m?