Mức độ thay thế DS được định nghĩa là số lượng nhóm hydroxyl được thay thế trung bình trên một đơn vị glucopyranose của vòng CD và có thể được tính theo công thức (2)
Với : MRM-β-CD và Mβ-CD là khối lượng phân tử của RM-β- CD và β-CD, g/mol
MOCH3 và MOH là khối lượng các nhóm OCH3 và OH, g/mol
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tổng hợp RM-β-CD
Sản phẩm sau phản ứng và nguyên liệu ban đầu được phân tích 1H NMR định lượng ở cùng điều kiện. Kết quả cho thấy trên phổ 1H NMR của sản phẩm không xuất hiện các pic đặc trưng cho nguyên liệu β-CD. Vì vậy, có thể kết luận rằng trong sản phẩm không còn β-CD.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu sản phẩm được thể hiện trong Bảng 1.
Bảng 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu RM-β-CD
(Điều kiện phản ứng: 24 giờ; mDMC:mβCD: mK2CO3 = 2,43:1:0,1)
Có thể thấy hiệu suất thu sản phẩm tăng theo chiều tăng của nhiệt độ. Trong khoảng nhiệt độ khảo sát, phản ứng xảy ra với hiệu suất thu sản phẩm cao hơn cả tại 850C. Đây là nhiệt độ hồi lưu của hỗn hợp phản ứng. Do vậy, nhiệt độ phản ứng thích hợp được lựa chọn là 850C.
Bảng 2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất thu suất thu RM-β-CD
(Điều kiện phản ứng: mDMC:mβCD: mK2CO3 = 2,43:1:0,1; nhiệt độ 850C)
Sự phụ thuộc hiệu suất vào thời gian phản ứng được trình bày trong Bảng 2. Có thể thấy hiệu suất phản ứng tăng nhanh từ 0 đến 24 giờ, sau đó tăng chậm dần khi kéo dài thời gian phản ứng lên 48 giờ, tiếp tục tăng thêm 12 giờ phản ứng, hiệu suất thu sản phẩm chỉ tăng thêm 0,34% và hầu như không thay đổi khi tăng thời gian phản ứng lên 80 giờ. Vì vậy, thời gian thích hợp được lựa chọn là 48 giờ.
Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng mDMC:mβ-CD đến phản ứng được khảo sát trong khoảng 0,8÷6,47. Kết quả được thống kê trong Bảng 3.
Bảng 3. Ảnh hưởng của tỷ lệ tác chất đến hiệu suất thu suất thu RM-β-CD
(Điều kiện phản ứng: 850C; 48 giờ; mK2CO3:mβCD=0,1)
Ta thấy khi tăng tỷ lệ khối lượng mDMC:mβCD từ 0,8 lên 2,43, hiệu suất thu RM-β-CD tăng nhanh. Điều này có thể giải thích là do phản ứng giữa β-CD với DMC là phản ứng transeste hóa, xảy ra giữa nhóm OH của β-CD với este (DMC) để tạo ra một rượu mới và một este mới. Loại phản ứng này là phản ứng thuận nghịch, được xúc tác bởi kiềm hoặc axit. Việc sử dụng lượng dư chất phản ứng DMC trong môi trường kiềm dư sẽ thúc đẩy phản ứng dịch chuyển sang chiều tạo sản phẩm. Tốc độ tăng hiệu suất thu sản phẩm chậm hơn khi tiếp tục tăng tỷ lệ mDMC:mβCD lên 4,86 và hầu như không thay đổi khi tăng tỷ lệ này lên trên 4,86. Vì vậy, tỷ lệ mol mDMC:mβCD thích hợp được lựa chọn là 4,86.
Ảnh hưởng của lượng xúc tác K2CO3 đến phản ứng được khảo sát và thống kê trong bảng 4. Tỷ lệ khối lượng giữa xúc tác và β-CD mK2CO3:mβCD thay đổi trong khoảng 0,01÷0,1.
Bảng 4. Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến hiệu suất thu RM-β-CD
(Điều kiện phản ứng: 850C; 48 giờ; mDMC:mβCD=4,86 :1)
Bảng 4 cho thấy hiệu suất thu sản phẩm tăng khi tỷ lệ mK2CO3:mβCD tăng từ 0,01 lên 0,1. Tiếp tục tăng tỷ lệ này lên trên 0,1 thì hiệu suất thu sản phẩm hầu như không thay đổi. Do đó, tỷ lệ mK2CO3:mβCD thích hợp được lựa chọn là 0,1.
Từ các kết quả khảo sát có thể đưa ra bộ thông số công nghệ thích hợp cho quá trình methyl hóa sử dụng tác nhân DMC là : Nhiệt độ 850C, thời gian 48 giờ, tỷ lệ về khối lượng các chất: mDMC:mβ-CD: mK2CO3 = 4,86:1:0,1. Ở điều kiện này, hiệu suất phản ứng đạt 75,79%.
3.2. Xác định đặc tính của dẫn xuất RM-β-CD
Phổ IR của RM-β-CD (Hình 1) có các đám phổ rộng, nổi bật ở 3426,89 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết O-H. Đám phổ ở 2932,23 cm-1 và 2837,74 cm-1 đặc trưng cho các dao động của liên kết C-H trong nhóm -CH, -CH2, -CH3. Đám phổ ở khoảng 1332,57-1047,16 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết C-O của ether và alcohol (C-O-C, C-O-H). So sánh với phổ IR của β-CD (Hình 2) có thể thấy rằng đã có sự thay đổi về số lượng nhóm OH trong mẫu sản phẩm so với nguyên liệu ban đầu (độ rộng của pic OH hẹp hơn).
Hình 1. Phổ IR của RM-β-CD
Kết quả phân tích phổ NMR: 1H NMR: δ, ppm: 5,244- 5,036 (H-1); 3,964-3,598 (H-2,3,4,5,6); 3,538-3,365 (H-OCH3). 13C NMR: δ, ppm: 101,71-100,12 (C-1); 82,71-81,69 (C-2, C-4); 73,38-69,80 (C-3, C-5); 60,38-58,09 (C-6, H3C).
Kết quả phân tích phổ MS của sản phẩm RM-β-CD cho pic cơ bản với m/z=1337,5, trong khi nguyên liệu β-CD có pic cơ bản m/z=1169,3. DS thu được là 1,71.
Kết quả phân tích tính chất nhiệt (hình 3) cho thấy quá trình phân hủy RM- β-CD xảy ra qua 3 giai đoạn: giai đoạn 1 ở 86,430C, kèm theo sự mất 3,63% khối lượng mẫu, giai đoạn 2 ở 356,100C kèm theo sự mất 77,43% khối lượng và giai đoạn 2 ở 528,620C kèm theo sự mất 18,24% khối lượng. Trong khi đó, nguyên liệu β-CD cũng xảy ra 3 giai đoạn phân hủy nhiệt với giai đoạn mất khối chủ yếu xảy ra ở 332,040C (kèm theo sự mất 61,92% khối lượng mẫu). Như vậy, RM-β-CD có độ bền nhiệt cao hơn so với nguyên liệu β-CD.
Giản đồ XRD (Hình 4) cho thấy RM- β-CD tồn tại ở dạng vô định hình.
Ảnh SEM (hình 5) cho thấy hình dạng của RM-β- CD là không xác định. Các hạt RM-β-CD có lỗ trống với kích thước tương đối lớn, lỗ trống này đóng vai trò trong khả năng tạo phức của RM-β-CD.
Các kết quả phân tích cấu trúc và tính chất của sản phẩm RM-β-CD thu được phù hợp với các tài liệu đã công bố về vật liệu này [4, 6, 7, 10]. Thử nghiệm hòa tan trong nước cho thấy RM-β-CD rất dễ tan trong nước. 100 g nước có thể hòa tan trên 10 g RM-β-CD. Với kích thước lỗ trống lớn và khả năng hòa tan tốt trong nước mở ra hướng ứng dụng mới và quan trọng của RM-β-CD trong dược phẩm và mỹ phẩm.
KẾT LUẬN
Đã tổng hợp thành công RM-β-CD từ β-CD ở điều kiện 850C, tỷ lệ mDMC : mβCD : mK2CO3 = 4,86 :1 : 0,1, thời gian phản ứng 48 giờ cho hiệu suất thu RM-β-CD cao nhất là 75,79%. Sản phẩm RM-β-CD có mật độ thay thế khoảng 1,71, tồn tại ở dạng vô định hình, có độ bền nhiệt cao, kích thước lỗ trống lớn và khả năng hòa tan tốt hơn so với nguyên liệu ban đầu.
RM-β-CD là sản phẩm phù hợp với ứng dụng làm chất tạo phức nhằm cải thiện tính hòa tan trong nước của hoạt chất trong dược phẩm và mỹ phẩm. Kết quả thử nghiệm khả năng tạo phức của RM-β-CD sẽ được trình bày trong các công bố tiếp theo.
Lời cảm ơn
Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn Đề án phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực công nghiệp chế biến đến năm 2020, Bộ Công Thương đã cấp kinh phí thực hiện đề tài, thông qua Hợp đồng số HĐ-ĐT.03.19/CNSHCB.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Thorsteinn Loftsson, PekkaJarho, Már Másson & Tomi Järvinen (2005).Cyclodextrins in drug delivery. Expert Opin. Drug Deliv.2, 335-351
2. Bina Gidwani and Amber Vyas (2015). A Comprehensive Review on Cyclodextrin- BasedCarriers for Delivery of Chemotherapeutic Cytotoxic Anticancer Drugs. Biomed Res Int.; 2015:198268
3. Abdul Rauf Khan, Peter Forgo, Keith J. Stine, and Valerian T. D’Souza (1998). Methods for Selective Modifications of Cyclodextrins. Chem. Rev. 1998, 98, 1977−1996
4. Peter R. Ashton, Sue E. Boyd, Giuseppe Gattuso, Edward Y. Hartwell, Rainer Koniger, Neil Spencer, and J. Fraser Stoddart (1995). A Novel Approach to the Synthesis of Some Chemically-Modified Cyclodextrins. J. Org. Chem. 1995, 60, 3898-3903.
5. Yanli Cui, Caixia Wang, Jianwei Mao, and Yongping Yu (2010). A facile and practical approach to randomly methylated β-cyclodextrin. Chem Technol Biotechnol; 85: 248–251
6. J. Szejtli, A. Liptak, I. Jodal, P. Fugedi, P. Nanasi and A. Neszmelyi (1980). Synthesis and ''GNMR Spectroscopy of Methylated beta-Cyclodextrins. Starch/Starke 32, Nr. 5, S. 165-169
7. Peter Bako, Laszlo Fenicheland Laszlo Toke (1994). Methylation of Cyclodextrins by Phase-Transfer Catalysis. Journal of lnclusion Phenomena and Molecular Recognitionin Chemistry18:307-314
8. Xavier Parissaux (2017). Novel methylated cyclodextrins and methods for the production thereof. WO2017064436A1
9. Wimmer (1993). Process for the preparation of methylated cyclodextrin derivatives, and their use as solubilizers. US patent 5,710,268
10. Yongjiang Gan, Yimin Zhang, Chuanhao Xiao, Chunyan Zhou, Yucang Zhao (2011). A novel preparation of methyl-b-cyclodextrin from dimethyl carbonate and β– cyclodextrin. Carbohydrate Research 346 389–392.
Phạm Thị Nam Bình, Vũ Thị Hà
Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ lọc hóa dầu
Theo Bản tin KHCN ngành Công Thương số 6 năm 2020
Đăng nhập
