Nghiên cứu tổng hợp axit ơgenoxy axetic axit ứng dụng làm chất kích thích sinh trưởng thân thiện môi trường

Đinh Văn Kha

In recent times, many substances with natural origin have been studied and used as substitutions for traditional stimulants (such as a-NAA, indole…), in which synthesized eugenoxy acetic acid from eugenol (extracted from ocimum gratissimum essential oil) has attracted much attention because of environmentally friendly characteristics. This paper presents the results of eugenoxy acetic acid synthesis by condensation method of eugenol with monochloroacetic acid in alkaline medium. The mole ratio of eugenol to monochloroacetic acid is 1:1.2, temperature in the range of 100 to 105oC for from 180 to 195 minutes with high synthesis efficiency (~91%).

1. MỞ ĐẦU

Ơgenoxy axetic axit (EAA) là chất kích thích sinh trưởng đang được quan tâm đặc biệt vì có những đặc tính ưu việt khi sử dụng cũng như khi điều chế [1]. Nhiều công trình nghiên cứu mới đây [2], [3] đã công bố ơgenoxy axetic axit có tác dụng kích thích sự nảy mầm hạt lúa, ngô, đỗ xanh, khoai tây, kích thích sự phát triển rễ và chồi non một số cây trồng như cà chua, dưa chuột, dưa hấu, lúa, ngô và đỗ xanh. Hơn nữa axit ơgenoxy axetic tổng hợp có nguồn gốc từ ơgenol được chiết xuất từ tinh dầu hương nhu nên không gây độc hại đến môi trường và sức khỏe con người. Đây cũng là xu hướng nghiên cứu chung của thế giới về chất KTST cho cây trồng.

Ơgenoxy axetic axit được tổng hợp từ tinh dầu hương nhu theo hai bước: tách và tinh chế thu ơgenol từ tinh dầu cây hương nhu; sau đó tổng hợp ơgenoxyaxetic axit từ ơgenol.

Ơgenol là thành phần chính trong tinh dầu hương nhu, chiếm từ 40-80% trong tinh dầu hương nhu thương mại. Có thể chiết tách ơgenol từ tinh dầu hương nhu theo phương pháp ơgenolat hóa bằng tác nhân kiềm. Ơgenol thu được có độ tinh khiết cao, trên 97%.

Ơgenoxy axetic axit được tổng hợp từ ơgenol và axit monocloaxetic trong môi trường môi trường kiềm [4]. Đây là phương pháp có hiệu suất cao, thực hiện đơn giản, ít công đoạn, thời gian phản ứng nhanh từ các hóa chất sẵn có trên thị trường. Các phản ứng diễn ra như sau:

2. THỰC NGHIỆM

Ơgenol sử dụng cho quá trình tổng hợp này được chiết tách từ tinh dầu hương nhu (chứa hàm lượng ơgenol: 78%) theo phương pháp ơgenolat hóa bằng dung dịch kiềm NaOH 5%. Sau đó axit hóa bằng dung dịch HCl 10% hoàn nguyên ơgenol thô. Ơgenol thô được rửa bằng dung dịch NaHCO3 5% và nước cho đến khi sạch hết axit, và làm khô bằng natrisunfat khan hoặc silicagen khan để thu ơgenol hàm lượng cao.

2.1. Tổng hợp ơgenoxy axetic axit từ ơgenol

Quá trình tổng hợp ơgenoxyaxetic axit tiến hành như sau:

    • Cho một lượng axit monocloaxetic vào bình cầu 3 cổ dung tích 250 ml có lắp sinh hàn hồi lưu, mấy khuấy từ gia nhiệt và nhiệt kế;
    • Khuấy và rót từ từ một lượng tương đương dung dịch NaOH 20% và bình phản ứng;
    • Tiếp tục khuấy và rót ơgenol vào sau đó rót bổ sung thêm dung dịch NaOH 20% vào hỗn hợp phản ứng;
    • Đun nóng bình phản ứng kết hợp với khấy sao cho nhiệt độ trong bình phản ứng tăng lên chậm. Sau 50 phút nhiệt độ của phản ứng đạt 80oC và nâng nhiệt độ lên dần từ 80oC đến 115oC. Duy trì nhiệt độ của phản ứng đến khi phản ứng kết thúc hoàn toàn;
    • Để nguội dung dịch rồi rót ra cố thủy tinh dung tích 500 ml, pha loãng dung dịch phản ứng bằng nước;
    • Axit hóa bằng HCl loãng bằng cách nhỏ từ từ đến khi giấy quỳ đổi màu đỏ (pH=1-2) và kết tủa sản phẩm tạo thành;
    • Lọc kết tủa, rửa nhiều lần bằng nước cất sao cho nước rửa có pH=5-6, thu được ơgenoxy axetic axit thô.

2.2. Tinh chế ogenoxy axetic axit

Ơgenoxy axetic axit sau khi thu hồi được tinh chế như sau:

  • Cho toàn bộ sảm phẩm thô vào cốc, cho thêm nước vào. Sau đó cho vào cốc lượng NaHCO3 sao cho kết tủa đó tan hết;
  • Cho axit HCl loãng vào cốc khuấy đều đến khi không còn bọt khí thoát ra (pH=6,5). Tách lớp dầu chưa phản ứng hết để riêng;
  • Lớp nước còn lại được axit hóa bằng HCl loãng (pH=3), kết tủa màu trắng xuất hiện;
  • Lọc rửa kết tủa nhiều lần bằng nước cất sau đó sấy khô ở nhiệt độ 50oC-60oC, kết tinh lại sản phẩm trong toluen, thu được ơgenoxy axetic axit ở dạng tinh thể.

2.3. Các phương pháp đánh giá chất lượng sản phẩm

Ơgenoxy axetic axit tổng hợp được xác định hàm lượng, cấu trúc như sau:

– Ghi phổ hồng ngoại trên máy FTS 600 Biorad của Mỹ tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam;

– Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ghi trên máy Bruker Avance-500 của Mỹ tại phòng phân tích cấu trúc – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam;

– Ghi phổ khối lượng và sắc ký lỏng trên máy sắc ký khối phổ LC-MS-Trap-SL của phòng phân tích cấu trúc – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tổng hợp ơgenoxy axetic axit từ ơgenol

3.1.1. Khảo sát tỷ lệ chất phản ứng

Tỷ lệ mol phản ứng giữa ơgenol và axit monocloaxetic được khảo sát từ 1:0,9 đến 1:1,5. So sánh hiệu suất sản phẩm thu được, sau đó tìm ra lượng ơgenol và axit monocloaxetic thích hợp cho phản ứng đạt hiệu suất cao.

Bảng 1. Kết quả khảo sát tỷ lệ mol giữa ơgenol và axit monocloaxetic

STT

Ơgenol (mol)

Monocloaxetic (mol)

Hiệu suất (%)

1

0,1

0,09

78,0

2

0,1

0,10

86,0

3

0,1

0,11

89,0

4

0,1

0,12

90,0

5

0,1

0,13

90,0

6

0,1

0,14

89,8

7

0,1

0,15

90,0

Kết quả khảo sát tỷ lệ chất phản ứng thu được cho thấy với tỷ lệ mol giữa ơgenol và axit monocloaxetic là 1:1,2 thì hiệu suất sản phẩm ơgenoxy axetic thu được là cao nhất, đạt 90%. Với tỷ lệ mol giữa ơgenol và axit monocloaxetic là 1:1, hiệu suất tổng hợp thu được không cao 85%. Còn với tỷ lệ giữa ơgenol và axit monocloaxetic lớn hơn 1:1,2, hiệu suất sản phẩm không cao hơn 90%. Lựa chọn tỷ lệ mol giữa ơgenol và axit monocloaxetic là 1:1,2.

3.1.2. Khảo sát thời gian phản ứng

Khảo sát thời gian phản ứng nhằm xác định được thời gian cần thiết nhất cho phản ứng tổng hợp ơgenoxy axetic thu được hiệu quả cao nhất. Khảo sát thời gian phản ứng được thực hiện từ 100 phút đến 300 phút với tỷ lệ mol giữa ơgenol và axit monocloaxetic là 1:1,2.

Bảng 2. Kết quả khảo sát thời gian phản ứng tổng hợp ơgenoxyaxetic

TT

Thời gian phản ứng (phút)

Hiệu suất (%)

1

100

63,0

2

120

70,0

3

135

76,6

4

150

85,1

5

165

88,3

6

180

90,5

7

195

90,5

8

210

90,4

9

240

90,5

10

270

90,4

11

300

90,3

Qua bảng 2  ta thấy, kết quả khảo sát thời gian phản ứng thu được với thời gian là 180 phút đến 195 phút thì phản ứng kết thúc, hiệu suất sản phẩm thu được cao nhất là 90,5%. Với thời gian ngắn hơn 180 phút và dài hơn 195 phút thì hiệu suất sản phẩm thấp hơn 90,5%. Lựa chọn thời gian tổng hợp ơgenoxy axetic axit là 180-195 phút.

3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

Khảo sát nhiệt độ phản ứng được tiến hành bằng cách thực hiện phản ứng giữa ơgenol và axit monocloaxetic với các điều kiện sau: tỷ lệ mol giữa ơgenol và axit monocloaxetic là 1:1,2 trong thời gian 180 phút; nhiệt độ cho quá trình phản ứng được tiến hành từ 80 đến 115oC. Kết quả khảo sát thể hiện ở bảng 3.

Bảng 3. Kết quả khảo sát ảnh hưởngcủa thời gian phản ứng

TT

Nhiệt độ (oC)

Hiệu suất (%)

1

80

70,0

2

85

81,0

3

90

85,5

4

95

89,0

5

100

91,0

6

105

90,8

7

110

90,0

8

115

89,7

Qua kết quả khảo sát thấy rằng tại nhiệt độ 100oC thì hiệu suất thu được là cao nhất (91,0%). Khi nhiệt độ thấp hơn 100oC, thì hiệu suất tổng hợp đạt dưới 90%. Tăng nhiệt độ cao hơn 105oC thì hiệu suất tổng hợp lại giảm đi, tại 110oC hiệu suất giảm còn 90% còn tại 115oC thì hiệu suất là 89,7%. Lựa chọn nhiệt độ phản ứng là 100-105oC.

3.2. Phân tích xác định cấu trúc sản phẩm ơgenoxy axetic axit

Trong phổ hồng ngoại của ơgenoxy axetic axit có tín hiệu của các nhóm liên kết đặc trưng trong phân tử ơgenoxyaxetic axit: Tín hiệu của liên kết -C=O trong nhóm -COOH của axit với số sóng νC=O= 1749,2 cm-1; tín hiệu đặc trưng của liên kết ete -C-O-C- với số sóng νC-O-C = 1231,08 cm-1; 1154,09 cm-1. Các tín hiệu này đều không có trong phổ của ơgenol [5]. Trong phổ của ơgenoxy axetic còn có các tín hiệu đặc trưng cho liên kết thơm trong vòng benzen của phân tử ơgenoxy axetic với số sóng νC=C = 1589,33 cm-1, 1512,35 cm-1, 1429,45 cm-1. Hình 4 là phổ IR của ơgenoxy axetic axit tổng hợp được.

Phổ IR của ơgenoxyaxetic axit tổng hợp

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H của ơgenoxy axetic axit cho 14 tín hiệu của 14 nguyên tử hidro trong phân tử; phổ NMR cacbon 13C cho tín hiệu của số nguyên tử cacbon bằng 12. Độ chuyển dịch hóa học và tương tác spin giữa các nguyên tử hydro thể hiện chính xác vị trí của các nguyên tử hidro trong phân tử và khẳng định đúng cấu tạo của ơgenoxy axetic axit.

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H và 13C của ơgenoxyaxetic axit

Sắc ký lỏng khối phổ LC-MS cho tín hiệu của ion (M – 2H)+ với số khối m/z = 220 tương ứng với khối lượng phân tử của ơgenoxy axetic axit là 222. Như vậy tất cả các kết quả phân tích đã khẳng định chính xác cấu tạo của ơgenoxy axetic axit tổng hợp được. Cấu tạo của phân tử ơgenoxyaxetic axit tổng hợp đã được xác định như ở hình 6. Phân tích LC-MS cho thấy hàm lượng ơgenoxy axetic axit thu được sau khi tinh chế là 98,7%.

Cấu tạo của phân tử ơgenoxyaxetic axit

3.3. Quy trình tổng hợp ơgenoxy axetic axit từ ơgenol

Quy trình công nghệ tổng hợp ơgenoxy axetic axit từ ơgenol và monocloaxetic được thể hiện ở hình 7.

Quy trình tổng hợp ơgenoxy axetic axit

Sản phẩm ơgenoxy axetic axit thu được ở dạng tinh thể hình kim, không màu có nhiệt độ nóng chảy = 99oC-100oC. Hiệu suất quá trình tổng hợp đạt trên 91%. Hàm lượng ơgenoxy axetic axit thu được sau tinh chế >98%.

KẾT LUẬN

Ơgenoxy axetic axit là chất kích thích sinh trưởng mới, thân thiện với môi trường. Qua quá trình nghiên cứu, tác giả đã khảo sát và lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp ơgenoxy axetic axit theo phương pháp ngưng tụ ơgenol với axit monocloaxetic trong môi trường kiềm NaOH 20%:

–        tỷ lệ mol phản ứng giữa ơgenol và axit monocloaxetic là 1:1,2;

–        nhiệt độ 100-105oC;

–        thời gian 180-195 phút;

–        hiệu suất quá trình tổng hợp đạt 91%.

Sản phẩm tổng hợp được phân tích xác định cấu trúc, khẳng định cấu tạo là ơgenoxy axetic axit. Độ tinh khiết của ơgenoxy axetic axit sản phẩm cao (98,7%).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. Donglas Hartley, 1987, The Agrochemical Handbook2ed, The Royal Society of Chemistry, London;
  2. Nguyễn Văn Tòng, Nguyễn Như Khanh, Nguyễn Tiến Công, Nguyễn Hữu Đĩnh1995, Tác dụng điều hoà sinh trưởng thực vật của axit eugenoxyaxetic; Thông báo khoa học ĐHSP HN, tr. 22-26;
  3. Preparation of a Derivative of Eugenol2009Synthesis of chemistry; “eugenol ebook’’Experiment G.A Natural Product; Part II, p.1-4;
  4. Nguyen Huu Dinh, Trinh Thi Huan, Duong Ngoc Toan, Peter Mangwala Kimpende, Luc Van Meervelt, 2010, Isolation, structure, and properties of quinone-aci tautomer of a phenol-nitro compound related to eugenoxyacetic acid, Journal of Molecular Structure 980 (2010) 137-142;
  5. Hội đồng dược điển Việt Nam, Dược điển Việt Nam 4, 2010, Nhà xuất bản Y học – Bộ Y tế.