ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THẢO TRÂN KHẢO SÁT TINH DẦU MỘT SỐ GIỐNG CÂY THUỘC HỌ RUTACEAE MIỀN NAM VIỆT NAM. CÔ LẬP LIMONEN VÀ TỔNG HỢP MỘT SỐ DẪN XUẤT THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP MỚI Chuyên ngành: HÓA HỮU CƠ Mã số chuyên ngành: 62.44.27.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2012 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Hóa Hữu cơ, Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh và Khoa Khoa học Đời sống, Đại học Roskilde, Đan Mạch Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. LÊ NGỌC THẠCH Phản biện 1: GS.TSKH. NGUYỄN CÔNG HÀO Phản biện 2: PGS.TS. ĐẶNG VĂN TỊNH Phản biện 3: TS. LƯU THỊ XUÂN THI Phản biện độc lập 1: PGS.TS. PHAN THANH SƠN NAM Phản biện độc lập 2: PGS.TS. TRƯƠNG THẾ KỶ Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN vào lúc giờ ngày tháng 07 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp. Hồ Chí Minh - Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự nhiên MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHƯƠNG 2. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 2.2.1. Khảo sát tinh dầu 2.2.1.1. Tuyến tinh dầu 2.2.1.2. Hàm lượng tinh dầu 2.2.1.3. Tính chất vật lý và hóa học của tinh dầu 2.2.1.4. Thành phần hóa học của tinh dầu 2.2.1.5. Hoạt tính sinh học của tinh dầu 2.2.2. Cô lập limonen 2.2.3. Bán tổng hợp các dẫn xuất limonen 2.2.3.1. Carvenon 2.2.3.2. Carvon 2.2.3.3. p-Cimen 2.2.3.4. α-Terpineol CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Tính cấp thiết của đề tài: - Giống cây Citrus – họ Rutaceae: nguồn thực vật phong phú đặc biệt là ở miền Nam Việt Nam; được xem là giống cây chủ lực đã và đang phát triển rất mạnh ở các vùng đồng bằng sông Cửu Long. Tính đến nay, khối lượng công trình nghiên cứu trên thế giới đã đạt đến con số khổng lồ so với Việt Nam. Các công trình nghiên cứu tinh dầu mang tính chất rờ i rạc, ngẫu nhiên, đặc biệt là chưa có công trình về tinh dầu lá. - Giống cây Murraya – họ Rutaceae: trong đó loài càri và nguyệt quới được xem là giống cây phổ biến ở Việt Nam. Tuy nhiên rất ít công trình công bố về tinh dầu giống cây này ở Việt Nam. - Limonen: một hợp chất có giá trị kinh tế cao, được xem là sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất nước ép trái Citrus, đang bị bỏ quên và lãng phí ở Việt Nam. - Dẫn xuất limonen: có giá trị kinh tế cao, đặc biệt là các hợp chất sử dụng trong ngành mỹ phẩm. - Tình trạng ô nhiễm môi trường do các chất thải công nghiệp và hóa học đang ở mức báo động toàn cầu. - Vấn đề “xanh hóa” phòng thí nghiệm là một trong những mục tiêu các nhà hóa học đang hướng đến để góp phần bảo vệ môi trường. Cụ thể các phản ứng không dung môi; sử d ụng xúc tác xanh – dễ tái sử dụng – phổ biến; ứng dụng các phương pháp kích hoạt bằng vi sóng, siêu âm để tiết kiệm thời gian – năng lượng đang được đánh giá cao. Mục tiêu nghiên cứu: - Hệ thống hóa thông tin về tinh dầu một số giống cây họ Rutaceae (Citrus, Citrofortunella, Murraya) trồng phổ biến ở miền Nam Việt Nam. 2 - Cô lập limonen, thành phần chính của tinh dầu vỏ trái Citrus để làm rõ hơn tầm quan trọng của nguồn cung cấp limonen từ tự nhiên này. - Bán tổng hợp các dẫn xuất có giá trị của limonen với phương pháp xanh hơn (phản ứng không dung môi, sử dụng xúc tác xanh – motmorillonite, áp dụng vi sóng – siêu âm vào quá trình kích hoạt phản ứng, …) đáp ứng yêu cầu giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng, thời gian cho ngành tổ ng hợp hữu cơ. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Lần đầu tiên, tinh dầu vỏ trái và lá thuộc giống Citrus, Citrofortunella, và tinh dầu lá Murraya thuộc họ Rutaceae trồng và mọc tại miền nam Việt Nam được khảo sát một cách hệ thống hóa với đầy đủ thông tin về hàm lượng, chỉ số vật lý – hóa học, thành phần hóa học và hoạt tính sinh học trên một số chủng vi sinh vật gây bệnh thông thường ở người. Ngoài ra, công trình nghiên cứu còn có sự phối hợp vớ i Công ty TNHH SXTM Hưng Hợp để tận dụng nguồn nguyên liệu vỏ trái tắc và các sản phẩm phụ khác sau khi ép lấy nước trái để nghiên cứu nhằm làm rõ giá trị, xử lý và tận dụng của nguồn phế thải này. Limonen được cô lập từ tinh dầu vỏ trái giống Citrus và Citrofortunella với thông tin về hiệu suất cô lập và tính chất vật lý. Bán tổng hợp các dẫn xuất của limonen: - Carvenon: Lần đầu tiên từ oxid 1,2-limonen sử dụng xúc tác xanh – sạch như montmorillonite được điều chế từ đất sét Lâm Đồng - Việt Nam trong điều kiện không dung môi với hiệu suất cao qua phản ứng đồng phân hóa, đặc biệt dưới sự hỗ trợ của vi sóng thời gian phản ứng được rút ngắn đáng kể. - Carvon: Từ qui trình cổ điển của Wallach, chúng tôi đã tiến hành xanh hóa bằng cách sử dụng vi sóng, siêu âm và các xúc tác thân 3 thiện môi trường nhưng hiệu suất cao và thời gian phản ứng được rút ngắn. - p-Cimen: Lần đầu tiên được bán tổng hợp từ limonen trong điều kiện không dung môi với xúc tác rắn montmorillonite Việt Nam với hiệu suất tương đối cao, đặc biệt dưới sự hỗ trợ của vi sóng thời gian phản ứng được rút ngắn. - α-Terpineol: Sản phẩm hidrat hóa của limonen. Bằng cách áp dụng chiếu xạ siêu âm (CXSA), chúng tôi đã xanh hóa qui trình của Yoshifumi với kết quả thời gian phản ứng được rút ngắn đáng kể nhưng hiệu suất thu được vẫn tương đối cao. BỐ CỤC LUẬN ÁN Luận án bao gồm 120 trang với 4 chương với 54 hình, 50 bảng, 5 đồ thị, 1 sơ đồ, 180 tài liệu tham khảo và 69 phụ lục. Trong đó, tổng quan 29 trang, kết quả và bàn luận 63 trang, thực nghiệm 24 trang. Ngoài ra còn có phần đặt vấn đề 2 trang, kết luận – kiến nghị 4 trang. NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Với tổng cộng 13 hình và 7 bảng cùng với tài liệu tham khảo được cập nhật mới (sách, tạp chí, báo cáo, …) , chúng tôi giới thiệu sơ lược về: - Giống Citrus, Citrofortunella, Murraya - họ Rutaceae trồng phổ biến tại miền nam Việt Nam: thực vật học, ứng dụng; các công trình nghiên cứu tinh đã công bố của các tác giả trước. - Limonen: cơ cấu, ứng dụng, sản xu ất. - Các dẫn xuất: phương pháp bán tổng hợp từ limonen. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố. CHƯƠNG 2. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 2.1. Phương pháp nghiên cứu Ly trích tinh dầu: Phương pháp tiến hành, cách tính hàm lượng, phương pháp phân tích và nhận danh hợp chất. 4 Cô lập limonen: phương pháp ly trích, xác định hiệu suất, độ tinh khiết và các chỉ số hóa lý. Bán tổng hợp các dẫn xuất limonen như carvenon, carvon, p-cimen, α- terpineol. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng phản ứng (thời gian, nhiệt độ, tỉ lệ chất nền:xúc tác:dung môi (nếu có), tác nhân phản ứng, phương pháp kích hoạt phản ứng). Vỏ trái và lá (Citrus, Citrofortunella) Lá (Murraya) Tinh dầu Tinh dầu giàu limonen O Al 2 O 3 H 2 O 2 /AcOEt d-Limonen Montmorillonite VN - DKT -CXSA - CXVS Oxid cis/trans-1,2-limonen O - DKT -CXSA Cl N O Nitrosoclorur d-limonen p-Cimen Montmorillonite VN - DKT -CXSA -CXVS Carvenon O l-Carvon N OH -DMF -DMF/Acol -Alcol -DNTT - DKT -CXSA -CXVS -DNTT - DKT -CXSA -CXVS l-Carvoxim F 3 CCOOH, n-hexan CXSA OH OCOCF 3 NaOH, MeOH -Terpineol Trifluoroacetat limonen CXSA HOOC-COOH 5 2.2. Kết quả và bàn luận 2.2.1. Khảo sát tinh dầu Bảng 2.1.: Liệt kê các loài thuộc giống Citrus, Citrofortunella và Murraya được sử dụng cho nghiên cứu: tên thông dụng (vùng trồng), tên khoa học, độ ẩm và cách viết tắt trong luận án. 2.2.1.1. Tuyến tinh dầu Cơ quan chứa tuyến tinh dầu ở vỏ trái, lá các loài khảo sát thuộc giống Citrus, Citrofortunella và Murraya giống nhau và đều có dạng túi tiết (Hình 2.1-2.8). Kết quả này phù hợp vớ i tất cả các kết quả giải phẫu học của các tác giả khác (Hình 2.5). 2.2.1.2. Hàm lượng tinh dầu Tinh dầu được ly trích bằng phương pháp chưng cất hơi nước theo các cách: đun nóng truyền thống (ĐNTT), chiếu xạ vi sóng có nước (CXVS-CN) và chiếu xạ vi sóng không nước (CXVS-KN). Bảng 2.2 và Bảng 2.3 Trình bày kết quả khảo sát thể tích nước và, thời gian chưng cất theo các phương pháp ĐNTT, CXVS-CN, CXVS- KN để đạt hàm lượng tinh dầ u cao nhất. Vỏ trái Citrus và Citrofortunella (Đồ thị 2.1): Hàm lượng tinh dầu: - Bưởi Da Xanh, bưởi Năm Roi, bưởi Tân triều đạt tối đa lần lượt là 1.53%, 0.73%, 1.09%. - Cam mật, cam sành đạt tối đa lần lượt là 3.12%, 3.73%. - Chanh ta đạt tối đa 3.14%. - Quýt đường, quýt tiều đạt tối đa lần lượt là 5.27%, 5.67%. - Tắc đạt tối đa 1.50%. Khi áp dụng vi sóng vào quá trình chưng cấ t hơi nước đa số làm giảm hoặc tăng không đáng kể hàm lượng tinh dầu so với việc sử dụng ĐNTT. Điều này có thể lý giải do vi sóng chỉ hấp thu tốt các hợp chất phân cực trong khi đó đa số tinh dầu vỏ trái Citrus có thành phần hóa học chủ yếu là các hợp chất hidrocarbon, đặc biệt là limonen (Bảng 1.2) nên không được hỗ trợ tốt bởi quá trình làm nóng bởi vi sóng. 6 Riêng trường hợp chanh ta và quýt tiều, phương pháp chưng cất hơi nước áp dụng CXVS cho hàm lượng tinh dầu cao hơn phương pháp ĐNTT. Điều này có thể do thành phần hóa học của tinh dầu vỏ trái chanh ta, quýt tiều có thành phần hợp chất oxigen cao hơn. Tuy nhiên, với phương pháp chưng cất hơi nước, do dung môi dùng để ly trích là nước, một hợp chất rất phân cực, do đó dưới sự hỗ trợ của vi sóng, các phân tử nước h ấp thu vi sóng rất tốt và chuyển động sinh ra nhiệt từ nội bên trong các phân tử nước từ trong hỗn hợp lẫn nước bên trong các tế bào thực vật. Chính điều này làm cho thời gian sinh ra nhiệt và hiện tượng vỡ tế bào để nước thoát ra ngoài nguyên liệu rất nhanh dẫn đến thời gian chưng cất qua sự CXVS rất ngắn (CXVS-CN: 20-130 phút, CXVS-KN: 11-25 phút) so với phương pháp ĐNTT (3-10 giờ). Từ đây, cũng cho thấy rằng do thờ i gian làm nóng nguyên liệu quá nhanh nên với các nguyên liệu cho tinh dầu giàu limonen này, việc áp dụng phương pháp chưng cất CXVS-KN không hiệu quả. Bởi lẽ với lượng nước sẵn có trong nguyên liệu quá ít, dẫn đến quá trình sôi và bốc hơi nước diễn ra rất nhanh và ngắn, do đó không đủ thời gian để lôi kéo hết các hợp chất kém phân cực trước khi nguyên liệu bị cháy khét. So sánh với các nghiên cứu khác trong và ngoài nước cho thấy kết quả khảo sát hàm lượng tinh dầu vỏ trái Citrus, Citrofortunella tương tự như các kết quả đã công bố trước đây (Bảng 1.2). Lá Citrus và Citrofortunella: Hàm lượng tinh dầu lá: - Bưởi đạt cao nhất là 0.05%-0.37%. - Cam mật, cam sành đạt tối đa lần lượt là 0.16%, 0.19%. - Chanh ta đạt tối đa là 1.02%. - Quýt đường, quýt tiều đạt tối đa lần lượt là 0.38%, 0.35%. - Tắc đạt tối đa là 0.61%. So sánh với các kế t quả đã công bố trước kia (Bảng 1.2) trên thế giới cho thấy tinh dầu lá giống cây Citrus, Citrofortunella trồng tại Châu 7 Âu cũng như tại Việt Nam cũng đều cho hàm lượng gần tương đương nhau. So với phương pháp ĐNTT, hàm lượng tinh dầu lá chưng cất dưới sự hỗ trợ của vi sóng nhất là CXVS-KN đa số tăng lên và giảm trong một số trường hợp. Điều này có thể lý giải thành phần hóa học của tinh dầu lá chứa nhiều hợp chất phân cực nên được hấp thụ tố t bởi tia vi sóng. Chính vì thế các cấu tử trong tinh dầu dễ dàng được làm nóng lên cùng với nước và được lôi kéo ra khỏi nguyên liệu. Tuy sự chênh lệch về hàm lượng không đáng kể nhưng về thời gian chưng cất cho thấy sự giảm một cách đáng kể (ĐNTT: 4-8 giờ, CXVS-CN: 35-100 phút, CXVS-KN: 20-50 phút). Như vậy, có thể nói việc áp dụng vi sóng vào việc chưng cất tinh dầu lá Citrus và Citrofortunella đã phần nào giúp tăng hiệu quả ly trích cùng với việc giảm được chi phí năng lượng và thời gian một cách đáng kể. Lá Murraya: Kết quả khảo sát sự chưng cất tinh dầu lá Murraya (Bảng 2.2, Bảng 2.3, Đồ thị 2.3) cho thấy hàm lượng tinh dầu: - Càri: đạt cao nhất 0.83% trong khoảng thời gian chưng cất 8 giờ. - Nguyệt quới: đạt cao nhất 0.24% trong khoảng thời gian chưng cất 5 giờ. Các kết quả khảo sát chưng c ất tinh dầu thu được so sánh với các kết quả công bố về tinh dầu hai loài càri, nguyệt quới trồng tại các vùng trên thế giới (Bảng 1.2) cho thấy hai loài này trồng tại Việt Nam cũng cho hàm lượng tinh dầu tương tự. Tinh dầu lá càri chứa chủ yếu các hợp chất hidrocarbon rất kém phân cực nên hàm lượng tinh dầu chưng cất bởi sự CXVS giảm một hơn ½ so với sự ĐNTT. Như vậy có thể nói, mặc dù thời gian chưng cất ngắn nhưng việc áp dụng vi sóng vào quá trình chưng cất tinh dầu lá càri không thích hợp. Trong trường hợp tinh dầu lá nguyệt quới, khi áp dụng vi sóng vào việc chưng cất cho thấy hàm lượng tinh dầu tăng lên so với phương pháp ĐNTT nhưng không đáng kể. Do vậy, có thể dự đoán thành phần hóa học của [...]... phần hóa học là hợp chất hidrocarbon nên hoạt tính sinh học của tinh dầu lá Murraya thể hiện rất yếu trên các chủng vi sinh vật đã khảo sát Kết quả khảo sát cung cấp cho ngành nghiên cứu tinh dầu có thêm những thông tin về tinh dầu lá cây giống Murraya trồng tại miền nam Việt Nam Trong quá trình bán tổng hợp các dẫn xuất của limonen, một số dẫn xuất đã được tổng hợp với qui trình xanh hơn và hiệu suất... màu vàng sậm hơn tinh dầu vỏ trái Mùi tinh dầu lá khác hẳn tinh dầu vỏ trái, đặc biệt là tinh dầu lá chanh có mùi giống với mùi tinh dầu sả Murraya: Tinh dầu lá càri trong suốt, màu vàng sậm, mùi nồng đặc trưng của lá càri Tinh dầu lá nguyệt quới trong suốt, màu vàng sậm, có mùi hắc Bảng 2.4: Kết quả đo chỉ số vật lý của tinh dầu ly trích theo các phương pháp chưng cất hơi nước: Đa số tinh dầu khảo sát. .. - Kết hợp với các công ty sản xuất nước ép thực hiện qui trình khép kín thu các sản phẩm phụ nhưng có giá trị cao như tinh dầu, limonen để tận dụng triệt để hơn nguồn phế liệu - Khảo sát ly trích tinh dầu hoa Giống Murraya: Khảo sát ly trích tinh dầu lá, hoa, trái tại nhiều vùng khác nhau, theo mùa khác nhau và theo các phương pháp ly trích khác nhau Bán tổng hợp thêm nhiều dẫn xuất limonen khác có... hay các hợp chất dễ bị acid hóa như alcol, aldehid Các chỉ số ester hóa và savon hóa ghi nhận được cho thấy các tinh dầu vỏ trái bưởi Da Xanh, cam mật, cam sành, quýt đường chứa rất ít các hợp chất ester Tinh dầu lá có các chỉ số acid, savon hóa và ester hóa cao hơn tinh dầu vỏ trái Tinh dầu lá giống Murraya có chỉ số acid, savon hóa và ester hóa rất thấp chứng tỏ tinh dầu lá Murraya chứa rất ít các hợp. .. xuất của công ty Hưng Hợp nói riêng cũng như các công ty sản xuất nước ép trái cây tại Việt Nam nói chung Các kết quả thực nghiệm một lần nữa khẳng định giống cây có múi tại miền Nam Việt Nam hoàn toàn có thể được xem nguồn cung cấp tinh dầu cũng như limonen tự nhiên Từ đây, đòi hỏi Việt Nam cần xem xét lại việc sử dụng nguồn sinh khối từ thực vật này một cách khoa học hơn Tuy cùng họ với giống Citrus... dụng vi sóng vào quá trình chưng cất tinh dầu không mang lại kết quả tốt hơn, điều này cũng phù hợp với kết quả khảo sát hàm lượng tinh dầu Đối với tinh dầu lá nguyệt quới thành phần hóa học đặc biệt là cấu phần chính khác với tinh dầu các nước trên thế giới 10 Bảng 2.6: Thành phần hóa học tinh dầu vỏ trái giống Citrus và Citrofortunella ly trích theo phương pháp ĐNTT LRI Tên hợp chất (các hợp chất chính)... hợp với tinh dầu chứa chủ yếu hợp chất hidrocarbon và hợp chất monoterpen Hầu hết tinh dầu khảo sát có chỉ số khúc xạ từ 1.40-1.49, phù hợp với vùng chỉ số khúc xạ của tinh dầu (1.45-1.59) Góc quay cực của tinh dầu vỏ trái và lá Citrus, Citrofortunella là hữu triền, điều này phù hợp với đặc trưng của tinh dầu vỏ trái Citrus là giàu d -limonen Tinh dầu lá Citrus hầu hết có góc quay cực là hữu triền Tinh. .. cũng như acid Tinh dầu chưng cất dưới sự hỗ trợ của vi sóng có chỉ số cao hơn tinh dầu chưng cất bởi phương pháp ĐNTT Kết quả đo này có thể được lý giải do phương pháp chưng cất dưới sự hỗ trợ của vi sóng cho tinh dầu có thành phần hợp chất oxigen cao hơn so với phương pháp ĐNTT 2.2.1.4 Thành phần hóa học của tinh dầu Thành phần hóa học tinh dầu khảo sát được phân tích bởi GC/FID – GC/MS kết hợp RTL Cấu... hóa học phong phú hơn nhiều và hợp chất oxigen cũng tương đối cao hơn tinh dầu vỏ trái, chính vì vậy, khả năng kháng vi sinh vật cao hơn (Bảng 2.12, Bảng 2.13) Với thành phần hóa học chứa oxigen trong trường hợp ly trích dưới sự CXVS cao hơn phương pháp ĐNTT nên khả năng kháng vi sinh vật của các tinh dầu này cũng tốt hơn 2.2.2 Cô lập limonen: được cô lập từ tinh dầu vỏ trái Citrus theo phương pháp. .. trồng tại Việt Nam không khác gì so với trên thế giới Thành phần hóa học tinh dầu lá Citrus và Citrofortunella ly trích bởi phương pháp chưng cất ĐNTT (Bảng 2.8) có thành phần hóa học chủ yếu là các hợp chất hidrocarbon, trừ trường hợp tinh dầu lá chanh ta có thành phần hợp chất hidrocarbon và oxigen tương đương nhau Tuy nhiên, số 9 lượng hợp chất trong tinh dầu phong phú hơn vỏ trái và các cấu phần . ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THẢO TRÂN KHẢO SÁT TINH DẦU MỘT SỐ GIỐNG CÂY THUỘC HỌ RUTACEAE MIỀN NAM VIỆT NAM. CÔ. Khảo sát tinh dầu 2.2.1.1. Tuyến tinh dầu 2.2.1.2. Hàm lượng tinh dầu 2.2.1.3. Tính chất vật lý và hóa học của tinh dầu 2.2.1.4. Thành phần hóa học của tinh dầu 2.2.1.5. Hoạt tính sinh học. LUẬN ÁN Lần đầu tiên, tinh dầu vỏ trái và lá thuộc giống Citrus, Citrofortunella, và tinh dầu lá Murraya thuộc họ Rutaceae trồng và mọc tại miền nam Việt Nam được khảo sát một cách hệ thống hóa