BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN HÓA CHẤT VIỆT NAM VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM MAI THANH NGA NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC OXI HÓA CỦA POLYPHENOL CHIẾT XUẤT TỪ CHÈ XANH ĐẾN POLYANILIN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHỐNG ĂN MÒN Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 62.44.01.14 1 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI – 2013 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài Do có tính chất kháng oxi hóa mạnh, polyphenol tự nhiên tách từ chè xanh được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm… Đã có nhiều công trình nghiên cứu về thành phần hóa học và tác dụng chống oxi hóa của hợp chất polyphenol chiết xuất từ chè xanh. Các kết quả nghiên cứu cho thấy polyphenol có khả năng chống lại quá trình oxi hóa [32], thể hiện tác dụng kìm hãm đối với sự phát triển của khối u và làm chậm giai đoạn phát sinh ung thư ở các mô động vật gây u thực nghiệm [77]. Hơn nữa polyphenol còn có khả năng chống lại quá trình oxi hóa của lipit lớn hơn so với các chất chống oxi hóa khác như vitamin C và vitamin E [32]. Các polyphenol trong chè là chất quét gốc tự do hiệu quả vượt trội hơn so với các polyphenol chiết xuất từ các loại cây khác như nho, đay [72]. Có thể nói polyphenol chè xanh có rất nhiều tác dụng sinh học quý giá. Ngoài ra hợp chất này còn được sử dụng như một chất ức chế ăn mòn thép CT3 trong axit có hiệu quả [28], [114]. Bên cạnh đó màng polyanilin (PANi) có thể thụ động hóa kim loại, tự vá lại vết xước màng sơn bảo vệ và là lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn thông minh 2 [28], [35]. Với hoạt tính của polyphenol chè xanh, sự tương tác với PANi có thể tạo ra vật liệu có tính chất mới, bảo vệ tốt hơn. Đây là nội dung nghiên cứu kết hợp đặc điểm của hai chất khác nhau nhằm hướng tới một ứng dụng có hiệu quả hơn. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu quá trình tương tác oxi hóa của polyphenol chiết xuất từ chè xanh đến polyanilin và khả năng ứng dụng chống ăn mòn”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là khảo sát quá trình tương tác oxi hóa của các hợp chất polyphenol và cafein phân lập được từ phụ phẩm chè xanh, với điện cực nền polyanilin trong quá trình tổng hơp bằng phương pháp phân cực điện hóa và khả năng chống ăn mòn của polyphenol chè xanh. 3. Nhiệm vụ của luận án - Chiết, tinh chế các catechin, cafein từ polyphenol chè xanh Thái Nguyên và chế tạo màng polyme dẫn polyanilin. - Nghiên cứu tương tác oxi hóa của một số chất phân lập được từ polyphenol chè xanh với polyme dẫn điện polyanilin. 4. Những đóng góp cơ bản của luận án - Công bố công nghệ mới phân tách catechin chè xanh với hiệu suất cao và thời gian ngắn bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp điều chế bán công nghiệp sử dụng cột sắc ký phối hợp Diaion HP20 và Sephadex LH20. - Đã sử dụng phương pháp vi phân nâng cao độ nhạy trong quá trình xử lý số liệu thực nghiệm xác định chính xác các thông động học trên phổ phân cực tuần hoàn, góp phần đánh giá chính xác hơn bản chất của quá trình tương tác của các chất với polyanilin ngay ở gia đoạn khơi mào polyme hóa. - Khảo sát và đánh giá được cơ chế và tác động của gallocatechingallat đến quá trình tổng hợp màng polyanilin trên điện cực thép không gỉ. Xác định được động học của các quá trình khơi mào, phát triển mạch và tắt mạch của polyme hóa anilin, xác định được một số tính chất của lớp phủ polyanilin có và không có tương tác gallocatechingallat. 3 - Đánh giá được cơ chế và động học tương tác của galocatechin và catechin đến quá trình oxi hóa khử polyanilin. - Đánh giá được mức độ tương tác của cafein, đến quá trình oxi hóa khử polyanilin và bước đầu đề xuất cơ chế tương tác giữa cafein và màng polyanilin. - Xác định được khả năng ứng dụng nâng cao thời gian bảo vệ chống ăn mòn của tương tác giữa các chất gallocatechingallat, gallocatechin, cafein với polyanilin, màng phủ polyanilin có tác động của gallocatechingallat, gallocatechin và cafein đều có thời gian bảo vệ lâu hơn so với màng polyanilin thuần không có tác động của các hợp chất trên. 5. Bố cục của luận án Luận án gồm: 127 trang. Phần mở đầu 3 trang; kết luận và kiến nghị 2 trang. Nội dung chính của luận án: Chương 1.Tổng quan 32 trang; chương 2. Thực Nghiệm 16 trang; chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận 59 trang; Danh mục các công trình nghiên cứu của tác giả liên quan đến luận án: 2 trang: Tài liệu tham khảo 13 trang. Có 5 bảng, 78 hình. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Cây chè có tên khoa học là Camellia sinensis (L.) O.Kuntze. Thuộc ngành Hạt kín Angiospermatophyta, lớp Ngọc lan (hai lá mầm) Magnoliopsida, phân lớp Sổ Dilleniidae, bộ chè Theales, họ chè Theaceae, chi chè Camellia (Thea). Luận án đã tham khảo và tổng kết 117 tài liệu về các vấn đề chủ yếu sau: - Những nghiên cứu về nhóm hợp chất polyphenol trong chè. - Tổng hợp các kết quả nghiên cứu trong nước và quốc tế về polyphenol chè xanh tập chung ở các lĩnh vực phân tích thành phần hóa học, phân lập và nghiên cứu khả năng ứng dụng. - Nghiên cứu tổng hợp polyanilin theo phương pháp hóa học và phương pháp điện hóa, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và cơ chế tổng polyme hóa điện hóa anilin. 4 - Tìm hiểu một số ứng dụng của polyme dẫn trong cuộc sống. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Đối tượng nghiên cứu Anilin và polyanilin. Các polyphenol được chiết tách từ nguyên liệu lá chè già thu hái tại xã Phúc Xuân, Tỉnh Thái Nguyên. 2.2. Hóa chất và thiết bị Hóa chất dùng trong quá trình làm thí nghiệm là hóa chất tính khiết PA. 2.3. Phương pháp nghiên cứu 2.3.1. Phương pháp chiết tách polyphenol và cafein từ lá chè 5 1. ext. H 2 O, t 0 = 60 0 C, Thêm NaOH (pH=9,5-10) 2. lọc 2, Ext. EtOAc Nguyên liệu Dịch chiết 1, Axit hóa bằng H 2 SO 4 (pH= 3) Bã Dịch MeOH Dịch nước (Cafein, polymeic:tannin ) 1. Làm khan 2. Cô cạn dung môi Cặn EtOAc MeOH Polyphenol tổng Dịch EtOAc n- Hexan Sắc kí cột Nghiên cứu tương tác với PANi Cafein EC EGC EGCG Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu catechin và cafein từ chè xanh 2.3.2. Phương pháp chiết polyphenol tổng số từ lá chè Phương pháp: Loại chlorophyl trước, chiết polyphenol sau. 2.3.3. Phương pháp phân tích, phân lập các hợp chất từ polyphenol tổng Sắc kí lớp mỏng (SKLM). Sắc kí lỏng hiệu năng cao áp kết nối khối phổ. Sắc kí lỏng cao áp điều chế. 2.3.4. Phương pháp khảo sát cấu trúc hóa học các chất. Khảo sát bằng một số tính chất vật lý đặc trưng: màu sắc, hệ số R f , điểm nóng chảy. Một số phổ như IR, 1 H - NMR, 13 C - NMR 2.3.5. Phương pháp điện hoá trong nghiên cứu tổng hợp PANi và tương tác polyphenol/PANi CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tương tác PANi – polyphenol chè xanh 3.1.1. Phân lập polyphenol chè xanh 3.1.1.1. Phân tích định tính các catechin Các catechin được phân tích định tính và bán định lượng bằng sắc kí lỏng hiệu năng cao kết nối trực tuyến khối phổ (HPLC-MS). Kết quả sắc ký đồ cho thấy trong chè có mặt ít nhất 12 hợp chất. 6 3.1.1.2. Phân tách các catechin từ polyphenol tổng số Từ 25g polyphenol tổng số tiến hành sắc kí trên hệ thống tổ hợp cột sắc kí Diaion HP20/Sephadex LH20 thu được các phân đoạn và kiểm tra bằng sắc kí lớp mỏng silicagel có so sánh với chất chuẩn, hệ dung môi triển khai Clorofoc/metanol/axit citric 0,5% theo tỷ lệ 3: 2: 0,2 (v/v). Sản phẩm được kiểm tra bằng phổ NMR. Hình 3.2. Sắc đồ UV phân tách các catechin trên cột tách Diaion HP20/Sephadex LH20 * Phân lâp cafein ( Phân đoạn I). Thu được từ 76,5→101,1 phút. Có Rf 0,95. Kết tinh lại trong etanol 90 o thu được 2g. Tinh thể hình kim, màu trắng, ESI/MS: m/z=194 (M + ); Công thức phân tử: C 8 H 10 N 4 O 2 (Hình 3.4), t 0 nc : 238 o C. Trên phổ 1 H-NMR (500 MHz; DMSO-d 6 ; δ (ppm): 7,79 s (1 H; H-2); 3,86s (3 H; H-10); 3,19s (3 H; H-12); 3,39 s (3 H; H-14). 13 C-NMR (125 MHz; DMSO-d 6 ; δ (ppm): 142,73 d (C-2); 106,56 s (C-4); 154,50 s (C-5); 151,01 s (C-7); 148,07 s (C- 7 9); 33,05 q (C-10); 27,04 q (C-12); 29,30 q (C-14). * Phân lập catechin ( phân đoạn III) Thu được từ 127→138 phút, có Rf~0,56. Kết tinh lại trong etanol thu được 1,98g, là tinh thể hình kim, màu trắng, ESI/MS: m/z = 290 (M + ), Công thức phân tử C 15 H 14 O 6 (Hình 3.5), t 0 nc : 242 o C. 1 H-NMR (500 MHz; DMSO-d 6 ; δ (ppm): 4,74 brs (H-2); 4,01 mbr (H-3); 2,49 m (overlap DMSO-d 6 ; H-4a); 2,68 dd (4,5 Hz; 16 Hz; H-4b); 5,89 d (2,5 Hz; H-6); 5,72 d (2,5 Hz; H-8); 6,89 d (1 Hz; H-2’); 6,66 mbr (H-5’); 6,65 t (3 Hz; H-6’). 13 C-NMR (125 MHz; DMSO-d 6 ; δ (ppm): 78,07 d (C-2); 64,95 d (C-3); 28,19 t (C-4); 156,52 s (C-5); 95,13 d (C-6); 156,24 s (C-7); 95,13 d (C-8); 155,77 s (C-9); 98,53 s (C-10); 130,63 s (C-1’); 114,90 d (C-2’); 144,44 s (C-3’); 144,51 s (C-4’); 114,78 d (C-5’); 117,97 d (C-6’). * Phân lậpepi gallocatechin ( phân đoạn V) Thu được từ 145,3→166,4 phút, có Rf~0,4, sau khi tinh chế thu được 2,2g EGC, có dạng tinh thể hình kim màu vàng nhạt; ESI/MS: m/z = 466 [M + H] + , Công thức phân tử C 15 H 14 O 7 (Hình 3.6), t 0 nc : 276 o C. 1 H-NMR (500 MHz; DMSO-d 6 ; δ (ppm):4,66 brs (H-2); 3,99 d (2 Hz; H-3); 2,47 dd (7 Hz; 16,5 Hz; H- 4a); 2,67 dd (5 Hz; 16,5 Hz; H-4b); 9,11 brs (5-OH); 5,88 d (2 Hz; H-6); 8,92 brs (5-OH;); 5,72 d (2 Hz; H-8); 6,38 brs (2 H; H-2’& H-6’); 8,69 brs (2 H; 3’-OH; 5’-OH ); 7,92 brs (4’-OH). 13 C-NMR (125 MHz; DMSO-d 6 ; δ (ppm):78,38 d (C-2); 65,27 d (C-3); 28,04 t (C-4); 156,44 s (C-5); 95,41 d (C-6); 156,77 d (C-7); 94,44 d (C-8); 155,99 s (C-9); 98,95 s (C-10); 130,06 s (C-1’); 106,36 d (2C; C- 2’& C-6’); 145,61 s (2 C; C-3’; C-5’); 132,39 s (C-4’). * Phân lập epigallocatechingallat ( phân đoạn VI và VII) Thu được từ 166,4→181,1 phút và 181,1→279,1 phút, kết tinh trong axit citric 0,05% thu được 13,7g, tinh thể hình kim màu vàng có ánh kim, ESI/MS: m/z = 458 (M + ), Công thức phân tử C 22 H 18 O 11 (Hình 3.7); t 0 nc : 216 o C. 1 H-NMR (500 MHz; DMSO-d 6 ; δ (ppm): 4,95 brs (H-2); 5,37 brs (H-3); 2,66 d (17,5 Hz; H-4a); 2,93 dd (5Hz; 17,5 Hz; H-4b); 9,27 brs (5-OH); 5,93 d (2 Hz; H-6); 9,03 brs (7-OH); 5,83 d (2,5 Hz; H-8); 6,41 brs (2 H; 8 H-2’& H-6’); 8,68 brs (3’-OH & 5’-OH); 7,98 brs (H-4’); 6,81 brs (H-2’’& H-6’’); 9,16 brs (3’’-OH & 5’’-OH); 8,86 brs (H-4’’). 13 C-NMR (125 MHz; DMSO-d 6 ; δ (ppm):76,54 d (C-2); 68,06 d (C-3); 25,78 t (C-4); 156,52 s (C-5); 95,59 d (C-6); 156,57 s (C-7); 94,39 d (C-8); 155,66 s (C-9); 97,45 s (C-10); 128,69 s (C-1’); 105,56 d (C-2’& C-6’); 145,67 s (C-3’& C-5’); 132,41 s (C-4’); 165,26 s (-COO-); 119,37 s (C-1’’); 108,74 d (C-2’’& C-6’’); 145,43 s (C-3’’& C-5’’); 138,59 s (C-4’’). Hình 3.4. Công thức cấu tạo của cafein Hình 3.5. Công thức cấu tạo của catechin 9 Hình 3.6. Công thức cấu tạo của epigallocatechin Hình 3.7. Công thức cấu tạo của epigallocatechingallat Phương pháp sắc ký lỏng cao áp đã chứng tỏ hiệu quả phân tách tốt, EGCG với sản phẩm thu được có độ sạch cao > 95%, thời gian phân tách ngắn, hiệu suất tách cao (94,5%), hệ dung môi etanol/nước là dung môi thông dụng, không độc hại trong công nghiệp thực phẩm. 3.1.2. Xác định các thông số hóa lý của quá trình polyme hóa PANi 3.1.2.1. Sự xuất hiện pic oxi hóa PANi Trên đường CV từ chu kì c1 đến c10 (hình 3.9) khó xác định chính xác thời điểm bắt đầu polyme hóa ANi. Ở chu kì c5 đã xuất hiện pic oxi hóa PANi. Số gia D max chứng tỏ tốc độ tăng J cao nhất tại điện thế E tương ứng. Trong thực tế thí nghiệm, cho đến chu kì thứ 10 pic oxi hóa PANi mới đạt được dạng hoàn chỉnh là có đỉnh pic xác định, tại đó D=∆J/∆E = 0 (hình 3.12(b)). Phân tích chi tiết biến thiên của số gia D của chu kì c10 cho thấy số gia D<0 chứng tỏ tốc độ oxi hóa giảm dần, đỉnh D min âm là điểm có mức giảm, tốc độ oxi hóa cao nhất. Lượng PANi hoạt hóa bị oxi hóa hết tại điểm D=0 thứ 2. -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 c c10 c5 c5 c10 J, mA/cm 2 E, V/SEC 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 100 200 Dc5 Dc4 Dc3 Dc6 Dc7 ∆ J/ ∆ E, µ A/Vcm 2 E, V/SEC Hình 3.9. Đường CV từ c5 – c10 tổng hợp PANi Hình 3.11. Đường D= ∆ J/ ∆ E (phóng to) vùng pic anôt. 10 [...]... chuyn tip t trng thỏi kh sang tri thỏi oxi húa xy ra n nh, vi im bt u oxi húa P1 l -1,5mV (hỡnh 3.13) Vi 10EC>cafein (hỡnh 3.75) 3.4 nh hng ng dng Polyanilin (PANi) l mt trong s cỏc polyme dn in c tp trung nghiờn cu nhiu nht v cú ng dng thc t trong nhiu lnh vc c bit PANi ó c s dng to ra lp ph bo v cho kim loi v hp kim [37], [39], c bit PANi cú dn in cao v kh nng t oxi húa... EC, cafein n quỏ trỡnh oxi húa kh ca PANi cho thy cỏc cht u cú tỏc ng lm chm quỏ trỡnh oxi húa Trong ú EGCG cú tỏc ng lm chm quỏ trỡnh oxi hoỏ nht 1.4 Trong dung dch axit sunfuric c 0,5M, 0,1M c ba cht EGCG, EGC v cafein u cú tỏc dng tng thi gian bo v ca mng PANi, vi Eop luụn luụn ln hn 50mV Cafein bo v chng n mũn tt nht v kộm nht l EGCG C ch ca tỏc ng chng n mũn ca cỏc cht polyphenol v cafein u l... khụng dn in, do ú lm chm quỏ trỡnh n mũn hũa tan anụt ca kim loi 2 Kin ngh T kh nng ng dng cao ca cỏc hp cht polyphenol v cafein chố xanh trong nhiu lnh vc nh c ch n mũn, trong tng tỏc vi PANi cho thy cn cú nhng nghiờn cu sõu hn vi nh hng ng dng c th, nhm khai thỏc th mnh 36 ca polyphenol chố xanh Vit Nam mt cỏch cú hiu qu hn GFJGBGHF'KFJGJF JKGFFJK JKGFJHFG 24,1,2,23,22,3,4,21,20,5,6,19,18,7,8,17,16,9,10,15,14,11,12,13... cafein / PANi Nng cafein c kho sỏt l 0; 0,2; 0,5; 1 v 2g/l 3.2.1 Ph CV cựng nng cafein vi mt s chu k chun húa Vi nng cafein tng cao dũng oxi húa PANi vựng 0,2-0,3V gim mnh, pic oxi húa chuyn v v phớa dng Tỏc ng ca nng cafein khỏ rừ (hỡnh 3.66) Rừ rng l quỏ trỡnh oxi húa anụt xy ra mnh hn v b cafein tỏc ng lm chuyn dch vựng in th phn ng anụt v phớa dng Vựng kh catụt khỏ n nh khụng b chuyn v, mc dự... trỡnh phõn cc Nguyờn nhõn cú th do cafein ó hp ph lờn nhúm chc hot húa =N- ca mch polyme v sau ú l hin tng pha tp lm gim hot tớnh oxi húa kh ca mng Tuy nhiờn cafein khụng lm thay i tớnh cht oxi húa-kh ca mng PANi, m ch lm gim dũng phn ng v lm dch chuyn in th vựng phn ng oxi húa kh 2 j (mA/cm ) 30 4 2 0 cafein g/l 0 0,2 0,5 1,0 2,0 -2 -4 -0.2 0.0 0.2 0.4 E (V/SCE) 0.6 0.8 Hỡnh 3.66 Tỏc ng ca cafein... EGC n quỏ trỡnh tng hp PANi Tỏc ng ca EGC lm chm ng hc ca phn ng oxi húa kh trong quỏ trỡnh chuyn húa t khụng dn sang dn in v ngc li, bng cỏch xỏc nh tc oxi húa v pa = Jpa/c ( hỡnh 3.51) v tc kh vpc= Jpc/c (hỡnh 3.52) 10 0 2 1 5 3 -5 2 1 -10 3 5 0 0 -15 0 20 40 60 80 Số chu kì, n 100 0 20 40 60 80 Số chu kì, n 100 25 Hỡnh 3.51 Tc oxi húa PANi theo chu kỡ phõn cc v nng EGC Hỡnh 3.52 Tc kh PANi... c tớnh t xỳc tỏc ca quỏ trỡnh polyme húa in húa Tuy nhiờn s polime húa ca hp cht polyphenol tr xanh l cú th xy ra v trong thc t ó c quan tõm nghiờn cu vi nh hng cho cỏc ng dng trong ngnh y KT LUN T kt qu nghiờn cu trờn õy, cú th rỳt ra mt s kt lun sau: 1 Kt lun 35 1.1 Trin khai thnh cụng vic phõn tỏch cỏc catechin chố xanh (EGCG, EGC, EC) v cafein bng phng phỏp sc kớ lng cao ỏp s dng h thng ct tỏch . một ứng dụng có hiệu quả hơn. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài Nghiên cứu quá trình tương tác oxi hóa của polyphenol chiết xuất từ chè xanh đến polyanilin và khả năng ứng dụng chống ăn mòn . 2 DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN HÓA CHẤT VIỆT NAM VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM MAI THANH NGA NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC OXI HÓA CỦA POLYPHENOL CHIẾT XUẤT TỪ CHÈ XANH ĐẾN POLYANILIN VÀ KHẢ NĂNG. galocatechin và catechin đến quá trình oxi hóa khử polyanilin. - Đánh giá được mức độ tương tác của cafein, đến quá trình oxi hóa khử polyanilin và bước đầu đề xuất cơ chế tương tác giữa cafein và màng polyanilin.