Khóa luận Dược sĩ: Nghiên cứu tổng hợp Propyl Gallat và đánh giá chất lượng

Khóa luận trình bày quy trình tổng hợp và tinh chế propyl gallat. Báo cáo chi tiết các phương pháp và kết quả đánh giá đặc trưng chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Lê Minh Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Hải
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp Propyl Gallat và đánh giá một số đặc trưng chất lượng
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Propyl Gallat và Tầm quan trọng

Propyl gallat là một chất phụ gia quan trọng trong công nghiệp dược phẩm và thực phẩm, được sử dụng rộng rãi nhờ những tính chất đặc biệt của nó. Đây là một chất chống oxy hóa mạnh mẽ có công thức phân tử C₁₀H₁₂O₅, giúp bảo vệ các sản phẩm khỏi sự oxy hóa và giảm chất lượng. Propyl gallat không chỉ có khả năng kháng khuẩn mà còn thể hiện hoạt tính chống viêm và ngăn ngừa ung thư đáng kể. Việc tổng hợp propyl gallat theo quy trình chuẩn là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu về đánh giá chất lượng propyl gallat giúp kiểm soát độ tinh khiết, xác định cấu trúc hóa học và các tính chất vật lý-hóa học quan trọng. Hiểu rõ về quy trình tổng hợp và phương pháp kiểm định là nền tảng để phát triển các sản phẩm dược phẩm có chất lượng cao.

1.1. Cấu trúc hóa học và tính chất cơ bản

Propyl gallat có cấu trúc phân tử bao gồm một nhóm gallat và một xích propyl. Cấu trúc này cho phép phân tử có khả năng chống oxy hóa vượt trội thông qua khả năng cho điện tử của các nhóm hydroxyl. Tính chất hóa học của propyl gallat bao gồm khả năng thủy phân dưới điều kiện axit hoặc bazơ, và tạo phức với kim loại. Những đặc điểm này ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và hiệu quả của chất này trong ứng dụng thực tế.

1.2. Ứng dụng trong dược phẩm và thực phẩm

Propyl gallat được ứng dụng rộng rãi như một chất phụ gia bảo quản trong các sản phẩm dược phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm. Chất này có tác dụng hiệp đồng với thuốc chống nấm và các tác nhân điều trị ung thư, nâng cao hiệu quả trị liệu. Nhờ hoạt tính kháng khuẩn và chống viêm, propyl gallat góp phần bảo vệ các sản phẩm khỏi tác hại của vi khuẩn và kéo dài thời hạn sử dụng.

II. Các phương pháp tổng hợp Propyl Gallat

Việc tổng hợp propyl gallat có thể thực hiện thông qua nhiều con đường khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng. Các phương pháp ester hóa là những kỹ thuật phổ biến nhất được sử dụng trong quy trình sản xuất. Phương pháp Fischer sử dụng xúc tác axit sulfuric hoặc các xúc tác dị thể khác để thúc đẩy phản ứng giữa acid gallic và propanol. Phương pháp Steglich sử dụng carbodiimida, giúp tăng hiệu suất phản ứng và giảm tạp chất. Phương pháp sử dụng xúc tác thionyl clorid và phương pháp với acid perclorid cũng được khảo sát để tối ưu hóa quy trình. Lựa chọn con đường tổng hợp phù hợp phụ thuộc vào các yếu tố như chi phí, hiệu suất, độ an toàn và khả năng kiểm soát quá trình.

2.1. Phương pháp ester hóa Fischer với xúc tác axit

Phương pháp ester hóa Fischer là một kỹ thuật kinh điển trong tổng hợp propyl gallat, sử dụng acid sulfuric hoặc kali bisulfat làm xúc tác. Phản ứng này giữa acid gallic và propanol diễn ra ở nhiệt độ cao, thường trong môi trường methanol hoặc DCM. Quy trình yêu cầu kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và thời gian để đạt hiệu suất tối ưu. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm tỷ lệ mol, loại dung môi và nồng độ xúc tác.

2.2. Phương pháp sử dụng nhựa trao đổi ion

Nhựa Dowex là một xúc tác dị thể hiện đại được sử dụng để tổng hợp propyl gallat với nhiều lợi thế. Phương pháp này cho phép tái sử dụng xúc tác, giảm chi phí sản xuất và tác động môi trường. Quy trình với nhựa trao đổi ion thường có hiệu suất cao và độ tinh khiết tốt. Sản phẩm thu được có ít tạp chất và dễ tinh chế hơn so với các phương pháp truyền thống.

III. Quy trình tinh chế và kiểm định chất lượng

Sau khi tổng hợp propyl gallat, sản phẩm thô cần trải qua quy trình tinh chế để đạt độ tinh khiết yêu cầu. Tinh chế sản phẩm thường sử dụng kết tinh từ các dung môi hữu cơ như ethanol hoặc methanol. Đánh giá chất lượng propyl gallat bao gồm nhiều phương pháp phân tích hiện đại. Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) xác định độ tinh khiết và hàm lượng chất chính. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ khối phân giải cao (HRMS) xác định cấu trúc hóa học chính xác. Phổ hồng ngoại (IR) và quét nhiệt lượng vi sai (DSC) đánh giá các tính chất vật lý. Phổ nhiễu xạ tia X cung cấp thông tin về tính chất kết tinh của sản phẩm.

3.1. Nâng cấp quy mô sản xuất

Nâng cấp quy mô từ thí nghiệm (1-5 g) lên sản xuất thực (20-100 g hoặc hơn) là bước quan trọng trong phát triển quy trình. Quy trình tổng hợp propyl gallat ở quy mô lớn yêu cầu kiểm soát nhiều biến số như tỷ lệ khuấy, tốc độ thêm nguyên liệu và quản lý nhiệt. Các yếu tố ảnh hưởng cần được tối ưu để duy trì hiệu suất và chất lượng sản phẩm ổn định.

3.2. Phương pháp kiểm định tiêu chuẩn

Đánh giá chất lượng propyl gallat theo Dược điển châu Âu bao gồm kiểm tra độ tinh khiết, hàm lượng chính và tạp chất liên quan. Phương pháp HPLC là tiêu chuẩn chính để xác định hàm lượng và kiểm định độ tinh khiết. Các phương pháp xác định cấu trúc như NMR, HRMS, IR đảm bảo sản phẩm là propyl gallat thuần chính xác.

IV. Kết quả nghiên cứu và những phát hiện chính

Nghiên cứu về tổng hợp propyl gallat và đánh giá chất lượng đã đạt được những kết quả đáng kể. Quy trình tổng hợp propyl gallat sử dụng nhựa Dowex cho hiệu suất cao nhất (trên 80%) và sản phẩm có độ tinh khiết tốt. Cơ chế phản ứng của ester hóa Fischer được làm rõ thông qua các phân tích phổ NMR chi tiết. Các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, thời gian phản ứng và tỷ lệ mol nguyên liệu được xác định chính xác. Phương pháp tinh chế bằng kết tinh từ ethanol 96% giúp đạt độ tinh khiết >99% theo HPLC. Tính chất vật lý-hóa học của sản phẩm được xác minh qua các phương pháp hiện đại như DSC, HRMS, IR và nhiễu xạ tia X. Những phát hiện này cung cấp nền tảng khoa học cho ứng dụng propyl gallat trong dược phẩm và thực phẩm.

4.1. Hiệu suất phản ứng và tối ưu hóa quy trình

Hiệu suất phản ứng khi tổng hợp propyl gallat đạt được 75-85% với xúc tác axit sulfuric và 80-90% với nhựa Dowex. Tối ưu hóa điều kiện như tăng nhiệt độ đến 70°C, kéo dài thời gian phản ứng 4-6 giờ và sử dụng tỷ lệ mol acid gallic:propanol = 1:3 cho kết quả tốt nhất. Quy trình tinh chế bằng kết tinh lạnh làm tăng độ tinh khiết từ 85% lên >99%.

4.2. Đặc trưng tính chất sản phẩm cuối cùng

Propyl gallat thu được có dạng tinh thể trắng, điểm nóng chảy 118-121°C, phù hợp với tiêu chuẩn Dược điển châu Âu. Phổ NMR xác nhận cấu trúc chính xác với 3 nhóm OH trên vòng benzene và chuỗi propyl. Phổ IR cho thấy các dải đặc trưng của nhóm ester và hydroxyl. HPLC xác định độ tinh khiết >99% với chỉ số độc lập tương đối dung kháng (tR) = 12-13 phút.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề, có 3 phương pháp chính để tổng hợp propyl gallat từ acid gallic và n-propanol. Đầu tiên là phương pháp ester hóa Steglich với hỗn hợp xúc tác DIC và DMAP, trong đó DIC là chất hoạt hóa tạo cation acylium và DMAP là chất xúc tác [55]. Phương pháp thứ hai là sử dụng thionyl clorid, chuyển acid gallic thành galloyl clorid rồi nhanh chóng phản ứng với n-propanol tạo propyl gallat [38-40]. Thứ ba là phương pháp ester hóa Fischer.

Đây là phương pháp được sử dụng nhiều nhất hiện nay với nhiều loại từ xúc tác đồng thể (acid sulfuric, acid p-toluensulfuric và acid 9 sulfamic, acid perclorid và acid sulfamic,. Phương pháp ester hóa Steglich Hình 1. Phản ứng tổng hợp propyl gallat sử dụng hỗn hợp xúc tác DIC và DMAP Quy trình tổng hợp propyl gallat của Arsianti và cộng sự (2018) gồm 2 bước chính. Ban đầu, 230 mg (1,47 mmol) acid gallic (I) được hòa tan trong THF ở 0 oC, sau đó bổ sung thêm 2,94 mmol n-propanol (II) và 0,34 mL (2,205 mmol) DIC.

Hỗn hợp này sẽ được khuấy ở 0 oC trong 1 giờ. Tại bước thứ hai, thêm 18 mg (0,147 mmol) DMAP vào hỗn hợp và khuấy liên tục ở 0 oC trong 6 giờ. Sau đó, phản ứng được đưa về nhiệt độ phòng và khuấy liên tục đến khi trên sắc ký đồ SKLM không nhận thấy dấu vết của acid gallic. Khi phản ứng kết thúc, dịch phản ứng sẽ được pha loãng với ether.

Lọc, cô đặc và được tinh chế bằng sắc ký cột. Phương pháp cho hiệu suất tổng hợp III là 66% [55]. Phương pháp tổng hợp được thực hiện ở nhiệt độ thấp, do đó hạn chế hiện tượng oxy hóa nguyên liệu (I) và sản phẩm (III) ở nhiệt độ cao, giúp sản phẩm có độ tinh khiết cao. Hai hóa chất DIC và DMAP dễ tìm kiếm và được sử dụng phổ biến trong nhiều phản ứng hóa học.

Nhưng bên cạnh đó, phương pháp này vẫn còn tồn tại một số nhược điểm. Thứ nhất, sản phẩm ure được tạo ra từ DIC trong quá trình phản ứng rất khó loại bỏ, đặc biệt khi tiến hành nâng quy mô. Thứ hai, quá trình tinh chế phức tạp do phải dùng sắc ký cột silicagel để loại bỏ tạp chất nên gây khó khăn khi tiến hành ở quy mô lớn. Phương pháp sử dụng xúc tác thionyl clorid Hình 1.

Phản ứng tổng hợp propyl gallat sử dụng xúc tác thionyl clorid Cai Weibing và cộng sự (2019) đã sử dụng thionyl clorid làm tác nhân trong phản ứng ester tạo propyl gallat (III). Tiến hành như sau: Trong bình phản ứng, thêm 400 g n-propanol (II), 85 g acid gallic (I). Thêm từ từ 83,3 g thionyl clorid và duy trì nhiệt độ trong khoảng 35 – 40 oC. Sau khi thionyl clorid được thêm hoàn toàn vào hỗn hợp phản ứng, tăng nhiệt phản ứng lên 65 oC trong 1 giờ.

Cô đặc sản phẩm thô, tiến hành kết tinh trong 400 g nước ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ, lọc và sấy khô, thu được 97 g propyl gallat (III). Hiệu suất phản ứng là 91,6% [38]. Cũng sử dụng tác nhân cloro hóa mạnh là thionyl clorid, Sherin cùng các cộng sự (2018) tiến hành tổng hợp III trong điều kiện phản ứng và quá trình tinh chế khác: Thionyl clorid được thêm vào từ từ và luôn duy trì nhiệt độ ở 0 oC. Sau đó, duy trì khí N2, phản ứng được thực hiện ở 70 oC trong 5 - 6 giờ.

Cô thu hồi dung môi. Tinh chế: pha loãng dịch cô đặc trong ethyl acetat, rửa với NaHCO3 (3x20mL), nước muối bão hòa (2x20mL), cuối cùng rửa lại bằng nước. Làm khan bằng Na2SO4 khan, duy trì khí N2. Tiếp theo, sản phẩm thô được tinh chế qua cột, dung môi rửa giải là petroleum ether: EtOAc (1:1).

Hiệu suất sau tinh chế là 73% [39]. Phương pháp sử dụng thionyl clorid cho hiệu suất cao, thời gian thực hiện phản ứng nhanh, nhiệt độ phản ứng thấp nên hạn chế sinh tạp oxy hóa. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu điều kiện khan một cách nghiêm ngặt, tức là acid gallic khan, thionyl clorid mới cất và loại nước hoàn toàn bằng thiết bị bẫy nước và sử dụng các dung môi khan. Trong nghiên cứu của Sherin và cộng sự đã bổ sung vào điều kiện phản ứng khí trơ N2 để hạn chế tác nhân oxy hóa khi tiến hành tạo ester.

Mặc dù, quá trình tinh chế bằng sắc ký cột để thu propyl gallat cho sản phẩm tinh khiết tối ưu nhưng tốn thời gian và dung môi rửa giải. 11 Khắc phục hạn chế trong phương pháp tinh chế của Sherin và cộng sự, Ma cùng cộng sự (2019) tiến hành cô đặc pha hữu cơ EtOAc sau khi làm khan và kết tinh sản phẩm thô trong ethanol tuyệt đối, thu được tinh thể propyl gallat màu trắng [40]. Kết tinh là phương pháp đơn giản và sử dụng phổ biến để thu III tinh khiết [37,40-41]. Phương pháp ester hóa Fischer – sử dụng xúc tác đồng thể 1.

Phương pháp sử dụng acid sulfuric Hình 1. Phản ứng tổng hợp propyl gallat sử dụng xúc tác acid sulfuric Năm 2001, Sas cùng các cộng sự đã tiến hành tổng hợp propyl gallat (III) từ 50 g acid gallic (I) và 79,8 g n-propanol (II), với xúc tác là 1 mL acid sulfuric. Hỗn hợp này được khuấy và duy trì ở 130 oC trong 8 giờ. Cất loại n-propanol dư, dịch cô đặc được pha loãng và khuấy trong dicloromethan để tạo tủa, lọc, rửa tủa với nước.

Acid sulfuric được coi là xúc tác phổ biến khi thực hiện phản ứng ester hóa. Tuy nhiên, acid sulfuric tỏa nhiệt mạnh khi gặp nước, do đó, khó kiểm soát nhiệt độ của phản ứng khi thực hiện với lượng lớn xúc tác ở quy mô công nghiệp. Phương pháp sử dụng hỗn hợp xúc tác acid perclorid và acid sulfamic hoặc acid p-toluensufonic và acid sulfamic Hình 1. Phản ứng tổng hợp propyl gallat sử dụng hỗn hợp xúc tác (p-TsOH + H2NSO3H) hoặc (HClO4 + H2NSO3H) Gu Hanhua cùng các cộng sự (2019) tiến hành đánh giá hiệu quả tổng hợp propyl gallat khi sử dụng hai hỗn hợp xúc tác: acid pecloric – acid sulfamic và acid p- toluenulfonic – acid sulfamic.

Một cổ của bình được dẫn với bộ phận tách nước. Hỗn hợp phản ứng được đun hồi lưu ở 80 – 90 oC trong 12 – 14 giờ. Khi lượng nước trong bình tách nước khoảng 7,2 mL, hạ nhiệt độ xuống 50 – 60 oC, thêm 0,97 g acid sulfamic, đun tiếp hỗn hợp trong 1 giờ, sau đó cô đặc sản dưới áp suất giảm, thu được dịch cô đặc. Tiến hành kết tinh trong nước, lọc, rửa tủa đến trung tính, thu được tủa thô.

Loại tạp màu bằng than hoạt, lọc, thu dịch lọc. Kết tinh lại bằng nước, lọc và sấy khô, thu được 34,6 g propyl gallat tinh chế. Hiệu suất khoảng 81,6% và độ tinh khiết là 99,9% [41]. Tiến hành tương tự với hỗn hợp acid p-toluenulfonic – acid sulfamic, sau tinh chế thu được 32,2 g propyl gallat, hiệu suất khoảng 75,95%, độ tinh khiết là 99,7% [41].

Sự cải tiến trong phương pháp này là acid pecloric – acid sulfamic hoặc acid p- toluenulfonic – acid sulfamic được sử dụng làm xúc tác trong từng giai đoạn, để lượng acid gallic và n-propanol tham gia là vừa đủ và không còn dư acid gallic. Mặc dù, phương pháp này cho hiệu suất tốt và độ tinh khiết cao nhưng yêu cầu thiết bị phức tạp, cần thực hiện nhiều bước trong thời gian dài ở nhiệt độ cao, gây tiêu tốn năng lượng và nguy cơ làm giảm hiệu suất do sinh tạp màu. Phương pháp ester hóa Fischer – sử dụng xúc tác dị thể Hình 1. Phản ứng tổng hợp propyl gallat sử dụng xúc tác nhựa acid sulfonic biến tính Năm 2016, Shen cùng các cộng sự đã tiến hành tổng hợp propyl gallat (III) từ 100 g acid gallic (I) và 200 g n-propanol (II), với 20 g nhựa acid sulfonic biến tính đã được brom hóa.

Hỗn hợp này được đun hồi lưu ở 100 oC trong 5 giờ. Sau phản ứng, tiến hành lọc loại nhựa, thu được dịch lọc. Cô dịch lọc loại n-propanol dư. Sau đó, kết tinh propyl gallat trong nước khử ion, loại nước và sấy khô thu sản phẩm.

Hiệu suất là 98%, độ tinh khiết là 99,9% [37]. 13 Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng nhựa acid sulfonic biến tính đã được brom hóa có tính háo nước mạnh, nhằm hút nước ra khỏi khối phản ứng, thúc đẩy phản ứng xảy ra theo chiều thuận, làm tăng hiệu suất phản ứng. Đồng thời, nhựa acid sulfonic háo nước có thể tái sử dụng, khắc phục tính ăn mòn của acid sulfonic đặc, đảm bảo an toàn lao động, tăng chất lượng sản phẩm và đơn giản hóa quá trình tinh chế. Nhận thấy đây là xu hướng mới trong phản ứng ester hóa do phương pháp cải tiến, tiết kiệm năng lượng hơn và thân thiện với môi trường hơn so với việc sử dụng các xúc tác hữu cơ [46,59].

Tuy nhiên, tác nhân đắt tiền và hiện không có sẵn tại phòng nghiên cứu của chúng tôi. n-propanol không chỉ là chất tham gia phản ứng mà còn là dung môi hòa tan acid gallic, do đó, cần khảo sát cẩn thận tỷ lệ mol giữa II và I, để đảm bảo acid tan hoàn toàn và không cản trở quá trình tiếp xúc giữa acid gallic và nhựa acid sulfonic háo nước [37]. Lựa chọn con đường tổng hợp Dựa vào những dữ liệu chúng tôi đã tổng kết ở mục 1.2, có rất nhiều phương pháp đã được sử dụng để tổng hợp propyl gallat. Các phương pháp này được phân loại dựa vào bản chất của chất xúc tác sử dụng và mỗi phương pháp đều có những ưu – nhược điểm riêng.

Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành tổng hợp propyl gallat dựa vào phương pháp của Sas và cộng sự (2001) và của Shen và cộng sự (2016). Đối với phương pháp của Sas (2001) sử dụng xúc tác acid sulfuric, chúng tôi tiến hành thực nghiệm để xây dựng cơ sở đánh giá và giúp khẳng định những lợi ích mà kali bisulfat và nhựa trao đổi ion Dowex dạng H+ đem lại. Đây không chỉ là những xúc tác xanh, rẻ tiền, dễ kiếm mà còn đem lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế, hiệu suất phản ứng, điều kiện tổng hợp và tinh chế đơn giản khi không phải sử dụng các dung môi hữu cơ (DCM, benzen,. Sau đó, đối với từng xúc tác, chúng tôi tiếp tục khảo sát các yếu tố nhằm tối ưu hóa hiệu suất tổng hợp propyl gallat, bao gồm: 1.

Ảnh hưởng của khí N2. Nhiệt độ phản ứng. Thời gian phản ứng. Tỷ lệ mol giữa n-propanol : acid gallic.

Lượng xúc tác sử dụng. Số lần tái sử dụng của xúc tác. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.