Luận án tiến sĩ: Tách chiết hóa học bằng chưng cất và HPLC chiral

Kỹ thuật tách chiết là công cụ không thể thiếu trong phân tích hóa học. Chúng cho phép tách riêng các thành phần từ hỗn hợp phức tạp. Chưng cất phân đoạn tách các chất lỏng dựa trên điểm sôi. Sắc ký lỏng hiệu năng cao phân tách dựa trên tương tác với pha tĩnh. Các phương pháp này áp dụng rộng rãi trong công nghiệp dược phẩm, hóa chất và thực phẩm.

Phân tách đối quang có ý nghĩa quan trọng trong dược học. Các enantiomer thường có hoạt tính sinh học khác nhau. Một đối quang phân có thể là dược chất hiệu quả. Đối quang phân kia có thể gây độc hoặc không hoạt động. HPLC chiral giúp kiểm soát chất lượng và độ tinh khiết. Kỹ thuật này đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Nghiên cứu hướng đến hai mục tiêu chính. Thứ nhất là phát triển phương pháp chưng cất hiệu quả cho axit béo bay hơi. Thứ hai là thiết kế pha tĩnh chiral mới cho HPLC. Các pha tĩnh chiral cần có độ ổn định cao và khả năng phân tách tốt. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp giúp giảm chi phí sản xuất. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả phân tích hóa học.

Chưng cất phân đoạn dựa trên sự khác biệt về điểm sôi. Trong dung dịch loãng, các axit béo tạo hỗn hợp đẳng phí với nước. Hỗn hợp đẳng phí có điểm sôi cố định khác với các thành phần riêng lẻ. Axit butyric có áp suất hơi cao hơn trong dung dịch loãng. Do đó, axit này bay hơi trước dù điểm sôi nguyên chất cao nhất. Chưng cất chân không có thể áp dụng để giảm nhiệt độ sôi.

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân carbon-13 (13C NMR) là công cụ phân tích chính xác. Phương pháp này xác định nồng độ từng axit trong hỗn hợp. Thời gian trễ giữa các lần quét ảnh hưởng đến độ chính xác. Thời gian trễ ngắn (1 giây) cho kết quả nhanh nhưng ít chính xác. Thời gian trễ dài (30 giây) đảm bảo độ chính xác cao hơn. Chất thuận từ disodium (diethylenetriaminepentaacetato)iron(III) giúp rút ngắn thời gian phân tích.

Phương pháp chưng cất này phù hợp cho sản xuất quy mô lớn. Tách axit béo từ dung dịch lên men hoặc chất thải sinh học. Quy trình đơn giản và không cần thiết bị phức tạp. Chưng cất hơi nước có thể kết hợp để tăng hiệu quả. Chi phí vận hành thấp so với các phương pháp khác. Sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, đáp ứng yêu cầu công nghiệp.

P-CAP là polymer chiral dựa trên khung cyclohexane. Cấu trúc trans-1,2-cyclohexanediyl tạo tâm bất đối xứng. Nhóm acrylamide cung cấp vị trí liên kết với chất mang. Polymer có độ ổn định nhiệt và hóa học cao. Cấu trúc ba chiều tạo môi trường chiral cho phân tách. Hai đối quang phân (R,R) và (S,S) cho thứ tự rửa giải ngược nhau.

Cột P-CAP phân tách đa dạng hợp chất chiral. Hiệu suất cột phụ thuộc vào thành phần pha động. Chất phụ gia như acid hoặc base cải thiện độ phân giải. Tốc độ dòng ảnh hưởng đến thời gian lưu và độ phân tách. Tải mẫu cao vẫn duy trì độ phân giải tốt. Điều này quan trọng cho ứng dụng quy mô bán chế. Cột có tuổi thọ cao và tái tạo tốt.

Liên kết hydro là tương tác chủ đạo trong nhận diện chiral. Nhóm amide của polymer tạo liên kết hydro với chất phân tích. Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực ổn định phức chất tạm thời. Lực đẩy không gian phân biệt hai enantiomer. Kích thước và hình dạng phân tử ảnh hưởng đến độ chọn lọc. Sự khác biệt năng lượng tự do Gibbs quyết định thứ tự rửa giải.

β-cyclodextrin có cấu trúc vòng với khoang ưa nước. Gắn nhóm dinitrophenyl tăng khả năng tương tác π-π. Nhóm 2,6-dinitro-4-trifluoromethylphenyl đặc biệt hiệu quả. Quy trình tổng hợp được tối ưu hóa cho hiệu suất cao. Kiểm soát mức độ thế quyết định tính chất phân tách. Sản phẩm được đặc trưng bằng NMR và phổ khối.

Pha tĩnh CD dinitrophenyl phân tách nhiều loại enantiomer. Hợp chất thơm, dược phẩm và thuốc trừ sâu được tách hiệu quả. Tương tác π-π giữa nhóm dinitro và vòng thơm của chất phân tích. Liên kết hydro và tương tác kỵ nước cũng đóng vai trò. Độ chọn lọc cao hơn so với CD không dẫn xuất. Một số hợp chất chỉ phân tách được trên pha tĩnh này.

Pha tĩnh chiral CD dinitrophenyl rất ổn định trong điều kiện khắc nghiệt. Chịu được pH từ 2 đến 8 mà không bị phân hủy. Hoạt động tốt với pha động pha đảo (nước/methanol). Cũng hiệu quả trong pha thường (hexane/isopropanol). Pha cực hữu cơ (methanol/acetonitrile) cũng áp dụng được. Tính đa năng này giảm nhu cầu nhiều loại cột khác nhau.

Nhiệt độ phản ứng quyết định tốc độ và độ chọn lọc. Nhiệt độ quá cao gây phân hủy cyclodextrin. Nhiệt độ quá thấp làm phản ứng chậm. Tỷ lệ mol giữa CD và chất thế ảnh hưởng đến mức độ thế. Dung môi phản ứng cần hòa tan tốt cả hai chất phản ứng. Chất xúc tác base tăng tốc độ phản ứng.

Silica cần được hoạt hóa trước khi liên kết. Nhóm chức silanol trên bề mặt phản ứng với chất liên kết. Spacer arm kết nối giữa silica và CD dẫn xuất. Độ dài spacer ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của chất phân tích. Mật độ phủ tối ưu khoảng 0,5-1,0 µmol/m². Quá cao gây cản trở không gian, quá thấp giảm hiệu suất.

Phổ hồng ngoại (IR) xác nhận sự hiện diện của nhóm chức. Phân tích nguyên tố đo hàm lượng carbon và nitrogen. Diện tích bề mặt BET đánh giá cấu trúc lỗ xốp. Phổ NMR rắn cung cấp thông tin cấu trúc chi tiết. Thử nghiệm phân tách chuẩn đánh giá hiệu suất cột. Tái lập kết quả giữa các mẻ sản xuất rất quan trọng.

Liên kết hydro là tương tác định hướng mạnh. Nhóm carbonyl, hydroxyl và amino tham gia tạo liên kết. Độ mạnh liên kết hydro phụ thuộc vào khoảng cách và góc liên kết. Trong P-CAP, nhóm amide là vị trí chính tạo liên kết hydro. Với CD, nhóm hydroxyl thứ cấp và sơ cấp đều tham gia. Số lượng và vị trí liên kết hydro quyết định độ chọn lọc chiral.

Tương tác π-π quan trọng cho hợp chất thơm chiral. Nhóm dinitrophenyl là hệ π thiếu electron mạnh. Vòng thơm của chất phân tích thường giàu electron. Lực hút giữa hai hệ π này tạo độ chọn lọc. Khoảng cách và góc xếp chồng ảnh hưởng đến cường độ tương tác. Enantiomer khác nhau có góc tiếp cận khác nhau với pha tĩnh.

Cấu trúc ba chiều của pha tĩnh tạo môi trường chiral. Khoang cyclodextrin có kích thước và hình dạng xác định. Chỉ enantiomer phù hợp mới lọt vào khoang tối ưu. Lực đẩy không gian ngăn cản sự tiếp cận của enantiomer khác. Sự khác biệt năng lượng tự do dẫn đến phân tách. Mô hình hóa phân tử giúp dự đoán khả năng phân tách.