Luận văn nghiên cứu tổng hợp canxi gluconat bằng quá trình oxy hóa chọn lọc glucozơ sử dụng xúc tác Pt và Ag MCM-41

• Trường học: Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Tổng hợp Canxi Gluconat bằng Oxy hóa Chọn lọc Glucozơ: Sử dụng Xúc tác Pt và Ag MCM-41
• Loại tài liệu: luận văn

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về cacbohydrat
• 1.2. D - glucozơ và sản phẩm oxi hóa D-glucozơ
• 1.3. Ứng dụng của canxi gluconat
• 1.4. Chuyển hóa D-glucozơ
• 1.4.1. Quá trình khử hóa
• 1.4.2. Quá trình đehyđrat hóa
• 1.4.3. Quá trình oxi hóa
• 1.4.3.1. Các phương pháp cổ điển oxi hóa glucozơ
• 1.4.3.2. Phản ứng oxi hoá glucozơ với xúc tác enzyme

I. Giới thiệu về Canxi Gluconat

Canxi gluconat, một hợp chất quan trọng trong lĩnh vực dược phẩm, được biết đến với công thức hóa học Ca(C6H11O7)2·H2O. Hợp chất này tồn tại dưới dạng bột hoặc hạt nhỏ màu trắng, không mùi, dễ tan trong nước nóng và được sử dụng rộng rãi như một loại thuốc bổ sung canxi. Canxi gluconat chứa khoảng 9% canxi, giúp cơ thể dễ dàng hấp thụ. Sản lượng tiêu thụ hàng năm của canxi gluconat trên toàn cầu đạt khoảng 4000-6000 tấn, chủ yếu được sản xuất từ các quá trình sinh học như Aspergillus niger và Penicillium chrysogenum. Việc bổ sung canxi là rất cần thiết để phòng ngừa và điều trị các bệnh liên quan đến thiếu canxi, như còi xương ở trẻ em và nhuyễn xương ở người lớn. Nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng canxi gluconat có khả năng sinh ra kháng thể đối với bệnh ung thư ruột kết và trực tràng, mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng hợp chất này trong y học.

II. Quá trình Oxy hóa Chọn lọc Glucozơ

Quá trình oxy hóa chọn lọc glucozơ là một trong những phương pháp quan trọng để sản xuất axit gluconic và các muối gluconat. Phương pháp này có thể được thực hiện bằng nhiều cách, bao gồm sử dụng xúc tác enzym và xúc tác kim loại. Xúc tác enzym, như glucozơ oxidaza, cho phép quá trình diễn ra với độ chọn lọc cao hơn, tạo ra sản phẩm chính là axit gluconic mà không tạo ra nhiều sản phẩm phụ không mong muốn. Ngược lại, các phương pháp oxy hóa cổ điển thường sử dụng các chất oxy hóa mạnh như KMnO4 hoặc HNO3, dẫn đến hiệu suất thấp và khó khăn trong việc tách sản phẩm. Việc sử dụng xúc tác kim loại quý như Pt và Ag trong quá trình oxy hóa glucozơ đã được nghiên cứu và cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất và độ chọn lọc của phản ứng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ xúc tác Pt/C có thể tạo ra axit gluconic với hiệu suất cao, trong khi xúc tác Ag cũng được sử dụng để sản xuất các sản phẩm hữu ích khác.

III. Ứng dụng của Canxi Gluconat trong Y Dược

Canxi gluconat có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y dược, đặc biệt là trong việc điều trị các bệnh liên quan đến thiếu canxi. Hợp chất này được sử dụng như một loại thuốc bổ sung canxi, giúp phòng ngừa và điều trị các triệu chứng như co giật, chậm lớn và biến dạng xương. Ngoài ra, canxi gluconat còn được sử dụng trong điều trị hạ canxi huyết, đặc biệt là trong các trường hợp cần tăng nhanh nồng độ ion canxi trong máu. Hơn nữa, nghiên cứu gần đây cho thấy canxi gluconat có khả năng sinh ra kháng thể đối với bệnh ung thư ruột kết, mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng hợp chất này trong điều trị ung thư. Việc sử dụng canxi gluconat tiêm cũng được khuyến cáo trong các trường hợp ngộ độc etylen glycol, giúp giải độc hiệu quả. Tóm lại, canxi gluconat không chỉ là một hợp chất bổ sung dinh dưỡng mà còn có tiềm năng lớn trong việc điều trị nhiều bệnh lý nghiêm trọng.

IV. Tầm quan trọng của Nghiên cứu Oxy hóa Chọn lọc Glucozơ

Nghiên cứu về quá trình oxy hóa chọn lọc glucozơ không chỉ có ý nghĩa trong việc phát triển các sản phẩm hóa học có giá trị mà còn góp phần vào việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu hóa học xanh. Việc chuyển hóa glucozơ thành axit gluconic và các muối gluconat thông qua các phương pháp oxy hóa chọn lọc giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn nguyên liệu hóa thạch không tái sinh. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ xúc tác, việc sử dụng các hệ xúc tác dị thể như Pt và Ag MCM-41 có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ chọn lọc của quá trình oxy hóa. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường, tạo ra các sản phẩm an toàn và thân thiện với sức khỏe con người. Do đó, nghiên cứu này có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực hóa học và dược phẩm, đồng thời thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh khủng hoảng nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng nghiêm trọng, việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu hóa học xanh, thân thiện với môi trường trở thành ưu tiên hàng đầu của ngành công nghiệp hóa học hiện đại. Cacbohydrat, đặc biệt là D-glucozơ, được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng do trữ lượng lớn, giá thành thấp và khả năng tái tạo. Theo ước tính, quá trình quang hợp tự nhiên hàng năm chuyển hơn 200 tỷ tấn cacbon thành cacbohydrat, trong đó glucozơ chiếm phần lớn và có mặt phổ biến trong các loại tinh bột như sắn, ngô, gạo và nhiều loại quả. Tại Việt Nam, nghiên cứu chuyển hóa glucozơ thành các sản phẩm có giá trị ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm và hóa học còn khá mới mẻ, nhưng đang nhận được sự quan tâm đặc biệt.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu tổng hợp muối canxi gluconat thông qua quá trình oxy hóa chọn lọc glucozơ sử dụng xúc tác Pt và Ag trên vật liệu mao quản trung bình MCM-41. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều kiện phản ứng, đặc tính xúc tác và hiệu suất chuyển hóa trong môi trường pH kiềm (pH=9) với nhiệt độ 80°C, sử dụng oxy không khí làm tác nhân oxy hóa. Việc phát triển quy trình này không chỉ góp phần thay thế các phương pháp oxy hóa truyền thống sử dụng chất oxy hóa mạnh gây ô nhiễm mà còn nâng cao hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm, đồng thời tạo ra sản phẩm có giá trị cao trong lĩnh vực dược phẩm và thực phẩm chức năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về xúc tác dị thể và cấu trúc vật liệu mao quản trung bình MCM-41.

1. Lý thuyết xúc tác dị thể: Xúc tác dị thể là các chất xúc tác tồn tại ở pha khác với pha phản ứng, giúp tăng tính chọn lọc và hiệu suất phản ứng. Kim loại quý như Pt và Ag được sử dụng làm xúc tác nhờ khả năng oxy hóa chọn lọc nhóm andehit trong phân tử glucozơ, đồng thời giảm thiểu sản phẩm phụ không mong muốn. Kích thước hạt nano của kim loại quý phân tán trên chất nền có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính xúc tác.

2. Vật liệu mao quản trung bình MCM-41: MCM-41 là vật liệu có cấu trúc mao quản lục giác đồng đều với kích thước mao quản khoảng 4-5 nm, diện tích bề mặt lớn, thích hợp làm chất mang cho các hạt kim loại nano. Việc thay thế đồng hình Si trong khung cấu trúc bằng các nguyên tử kim loại khác tạo ra các xúc tác đa chức năng, vừa có tính oxi hóa vừa có tính axit rắn, phù hợp cho các phản ứng oxy hóa êm dịu.

Các khái niệm chính bao gồm: oxy hóa chọn lọc, xúc tác nano, mao quản trung bình, muối gluconat, và quá trình oxy hóa glucozơ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các phản ứng tổng hợp trong phòng thí nghiệm với cỡ mẫu gồm các xúc tác Pt/MCM-41 và Ag/MCM-41 với hàm lượng kim loại từ 0,5% đến 2,5%. Phương pháp chọn mẫu là tẩm kim loại quý lên chất nền MCM-41 bằng dung dịch tiền chất H2PtCl6 và AgNO3, sử dụng NaBH4 làm chất khử.

Phân tích vật liệu xúc tác được thực hiện bằng các kỹ thuật hiện đại: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và khoảng cách mao quản, hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát kích thước và phân bố hạt kim loại nano, hấp phụ-giải hấp nitơ (BET) để đo diện tích bề mặt và thể tích mao quản, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) và phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) để xác định hàm lượng kim loại.

Phản ứng oxy hóa glucozơ được tiến hành trong bình cầu 3 cổ với dung dịch glucozơ 1,6 M, điều chỉnh pH bằng Ca(OH)2 đến 9, sử dụng oxy không khí làm tác nhân oxy hóa với tốc độ dòng khí 20 ml/phút, nhiệt độ 80°C. Sản phẩm muối canxi gluconat được phân tích bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phổ khối lượng (MS), phổ hồng ngoại (IR) và xác định hàm lượng canxi bằng AAS.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng vật liệu xúc tác: Phổ XRD cho thấy vật liệu MCM-41 có cấu trúc mao quản lục giác đồng đều với khoảng cách d100 = 41,15 Å và hằng số tế bào a0 = 4,75 nm. Sau khi phân tán Pt và Ag, cấu trúc mao quản vẫn được bảo toàn, tuy nhiên khoảng cách d100 giảm nhẹ ở mẫu Ag/MCM-41 (37,03 Å), chứng tỏ kim loại nano đã xâm nhập vào mao quản. Kết quả TEM cho thấy hạt Pt có kích thước nhỏ hơn 4-5 nm phân bố chủ yếu bên trong mao quản ở hàm lượng thấp (0,5%), trong khi hàm lượng cao hơn (2,5%) xuất hiện các cụm lớn đến 20 nm ở bề mặt ngoài. Mẫu Ag/MCM-41 cũng cho thấy sự phân tán nano bạc bên trong mao quản.

2. Diện tích bề mặt và thể tích mao quản: Diện tích bề mặt BET của MCM-41 là 422,77 m²/g, giảm xuống còn 265 m²/g và 281,16 m²/g khi phân tán Pt và Ag tương ứng, do sự chiếm chỗ của các hạt kim loại trong mao quản. Thể tích mao quản rỗng cũng giảm từ 0,72 cm³/g xuống khoảng 0,35-0,40 cm³/g, khẳng định sự phân tán thành công của các hạt nano.

3. Hiệu suất oxy hóa glucozơ: Ở điều kiện pH=9, nhiệt độ 80°C, tốc độ dòng khí 20 ml/phút, xúc tác Pt/MCM-41(0.5) đạt độ chuyển hóa glucozơ 100% với độ chọn lọc axit gluconic cũng đạt 100%. Việc điều chỉnh pH bằng dung dịch Ca(OH)2 bão hòa tiêu tốn khoảng 64,5 ml để duy trì pH ổn định trong suốt quá trình phản ứng.

4. Sản phẩm muối canxi gluconat: Sau phản ứng, muối canxi gluconat kết tinh thu được có màu trắng, hàm lượng canxi đo bằng AAS đạt 82 mg/g, phù hợp với tiêu chuẩn Dược điển Mỹ USP 30. Phân tích phổ NMR, MS và IR xác nhận cấu trúc và sự hình thành muối canxi gluconat.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng xúc tác nano Pt và Ag trên vật liệu MCM-41 là hiệu quả trong quá trình oxy hóa chọn lọc glucozơ thành axit gluconic và muối canxi gluconat. Sự phân tán đồng đều các hạt kim loại nano bên trong mao quản giúp tăng diện tích tiếp xúc và hoạt tính xúc tác, đồng thời giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn. So với các phương pháp oxy hóa truyền thống sử dụng chất oxy hóa mạnh như KMnO4 hay HNO3, quá trình này thân thiện môi trường hơn và có độ chọn lọc cao hơn.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm của xúc tác Pt/MCM-41 đạt mức cao tương đương hoặc vượt trội, đồng thời vật liệu MCM-41 với cấu trúc mao quản lục giác giúp ổn định kích thước hạt kim loại nano, kéo dài tuổi thọ xúc tác. Việc điều chỉnh pH bằng Ca(OH)2 vừa duy trì môi trường phản ứng tối ưu vừa tạo muối canxi gluconat trực tiếp trong dung dịch, giúp đơn giản hóa quy trình tách sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện sự bảo toàn cấu trúc mao quản, ảnh TEM minh họa kích thước và phân bố hạt kim loại, đồ thị hấp phụ-giải hấp nitơ BET cho thấy sự thay đổi diện tích bề mặt, cùng bảng số liệu hiệu suất phản ứng và hàm lượng canxi trong sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa hàm lượng kim loại quý: Khuyến nghị sử dụng hàm lượng Pt khoảng 0,5% để đảm bảo sự phân tán đồng đều trong mao quản, tránh hình thành các cụm lớn làm giảm hiệu suất xúc tác. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm tối ưu trong vòng 6-12 tháng, do các phòng thí nghiệm chuyên sâu thực hiện.

2. Điều chỉnh pH bằng huyền phù Ca(OH)2: Sử dụng huyền phù Ca(OH)2 có nồng độ cao để điều chỉnh pH dễ dàng hơn, giảm thể tích dung dịch pha loãng, tăng hiệu quả kết tinh muối canxi gluconat. Chủ thể thực hiện là các nhà công nghệ hóa học trong phòng thí nghiệm pilot.

3. Phát triển quy trình tái sử dụng xúc tác: Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xúc tác Pt/MCM-41 và Ag/MCM-41 nhằm giảm chi phí sản xuất, kéo dài tuổi thọ xúc tác, giảm thiểu ô nhiễm kim loại quý ra môi trường. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm.

4. Mở rộng ứng dụng sản phẩm: Khuyến khích nghiên cứu ứng dụng muối canxi gluconat trong lĩnh vực dược phẩm, thực phẩm chức năng và công nghiệp hóa chất, đặc biệt trong điều trị thiếu canxi và sản xuất phụ gia an toàn. Các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp dược phẩm nên phối hợp triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Hóa học và Công nghệ Hóa học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về xúc tác dị thể, vật liệu mao quản và quá trình oxy hóa glucozơ, hỗ trợ phát triển nghiên cứu và giảng dạy.

2. Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và thực phẩm chức năng: Thông tin về quy trình tổng hợp muối canxi gluconat giúp cải tiến công nghệ sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

3. Chuyên gia phát triển vật liệu xúc tác nano: Các kết quả về phân tán kim loại quý trên MCM-41 và ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác là tài liệu tham khảo quý giá cho việc thiết kế xúc tác mới.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ: Cung cấp cơ sở khoa học để định hướng đầu tư phát triển công nghệ xanh, thân thiện môi trường trong ngành công nghiệp hóa học và dược phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Quá trình oxy hóa glucozơ trên xúc tác Pt/MCM-41 có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Phương pháp này có độ chọn lọc cao (đạt 100% axit gluconic), thân thiện môi trường, không sử dụng chất oxy hóa mạnh gây ô nhiễm, đồng thời xúc tác có thể tái sử dụng, giảm chi phí sản xuất.

2. Tại sao sử dụng vật liệu MCM-41 làm chất mang cho xúc tác?
   MCM-41 có cấu trúc mao quản lục giác đồng đều, diện tích bề mặt lớn giúp phân tán đồng đều các hạt kim loại nano, tăng hoạt tính xúc tác và ổn định kích thước hạt, kéo dài tuổi thọ xúc tác.

3. Làm thế nào để duy trì pH ổn định trong quá trình oxy hóa?
   Sử dụng dung dịch hoặc huyền phù Ca(OH)2 để điều chỉnh pH đến 9, vừa duy trì môi trường kiềm tối ưu cho phản ứng, vừa tạo muối canxi gluconat trực tiếp trong dung dịch.

4. Kích thước hạt kim loại nano ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất xúc tác?
   Kích thước hạt nhỏ hơn kích thước mao quản (4-5 nm) giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, nâng cao hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc sản phẩm. Hạt lớn hoặc cụm sẽ làm giảm hiệu quả xúc tác.

5. Muối canxi gluconat thu được có ứng dụng gì trong thực tế?
   Muối canxi gluconat được sử dụng rộng rãi trong dược phẩm để bổ sung canxi, điều trị thiếu canxi, trong thực phẩm chức năng và làm phụ gia an toàn cho thực phẩm và đồ uống.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác Pt/MCM-41 và Ag/MCM-41 với hạt kim loại nano phân tán đồng đều trong mao quản trung bình MCM-41.
• Quá trình oxy hóa glucozơ trên xúc tác Pt/MCM-41 đạt hiệu suất chuyển hóa 100% và độ chọn lọc axit gluconic 100% ở pH=9, 80°C, tốc độ dòng khí 20 ml/phút.
• Muối canxi gluconat thu được có hàm lượng canxi phù hợp tiêu chuẩn dược điển, xác nhận bằng các phương pháp phổ hiện đại.
• Việc điều chỉnh pH bằng Ca(OH)2 vừa duy trì môi trường phản ứng tối ưu vừa tạo muối canxi gluconat trực tiếp, đơn giản hóa quy trình sản xuất.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp tục tối ưu hóa hàm lượng kim loại, phát triển quy trình tái sử dụng xúc tác và mở rộng ứng dụng sản phẩm trong công nghiệp dược phẩm.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng quy trình này để phát triển sản phẩm xanh, thân thiện môi trường, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao hiệu quả xúc tác và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.