Tổng hợp dung môi sâu ethyleneglycol/2-heptylbenzimidazole ứng dụng làm giàu omega-3 từ methylester của mỡ phụ phẩm cá basa

TÓM TẮT:

Trong nghiên cứu này, tác giả tổng hợp 2-heptylbenzimidazole và tạo hệ dung môi ethyleneglycol/2-heptylbenzimidazole. Sử dụng hệ dung môi này tách và làm giàu omega từ methyleste trong mỡ phụ phẩm của quá trình chế biến cá basa. Sản phẩm sau khi tách, làm giàu được phân tích bằng phương pháp GC/FID, hàm lượng omega-3 tăng từ 1,66% lên 23,64% so với nguyên liệu ban đầu, trong đó hàm lượng hợp chất axit α-linolenic (ALA) là 18:3 tăng 50 lần.

Từ khóa: phụ phẩm cá basa, 2-heptylbenzimidazole, ethyleneglycol, omega-3.

1. Đặt vấn đề

Chất lỏng ion thông thường đã được chứng minh trong 20 năm qua. Tuy nhiên, những hạn chế của nó bao gồm giá thành cao, khả năng phân hủy và tương thích với các thành phần hóa học thấp. Đặc biệt trong kỹ thuật chiết, thường sử dụng một lượng lớn dung môi làm môi trường, chất lỏng ion không đáp ứng được vì giá thành quá cao. Những năm đầu thế kỷ XX, một hệ chất lỏng ion mới dựa trên hỗn hợp muối amoni bậc 4 (2-hydroxyethyl-trimethyl amoni clorua) với một số chất tạo liên kết hydro như amit, glycol hay carboxylic acid (mono-diacid)) - để tạo thành dung môi có khả năng hòa tan nhiều muối và oxide kim loại, giá thành rẻ và dễ dàng tái chế, hoặc phân hủy sinh học mà không gây ô nhiễm. Chất lỏng ion mới này được gọi là DES (dung môi eutectic sâu).

Những thông báo đầu tiên về hệ thống chất lỏng ion này được Abbott và cộng sự đưa ra từ năm 2001 đến nay [1-5]. Các dung môi eutectic sâu sau này được nhiều công trình phát triển thành các hệ hỗn hợp eutectic của acid và base Lewis hoặc Bronsted có thể chứa nhiều loại anion và/hoặc cation. Sự kết hợp một hoặc nhiều hợp chất trong một hỗn hợp như vậy đã tạo ra một hệ thống eutectic có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiều so với một trong các thành phần riêng lẻ. Với sự kết hợp này, khả năng tạo ra nhiều hệ dung môi mới với những đặc tính riêng biệt và siêu việt có tác động lớn đến nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xúc tác, tổng hợp hữu cơ, điện hóa và vật liệu hóa học, tạo màng, hấp phụ. Ngoài ra, còn có một số ứng dụng trong chiết xuất tinh dầu, dầu béo, các hợp chất có hoạt tính sinh học từ các hợp chất tự nhiên trong thực vật [6-8].

Đối với động vật, đặc biệt là các nguồn phế thải dầu cá, mỡ cá có hàm lượng omega-3 và DHA rất cao. Tuy nhiên, chưa có nhiều công trình dạng này nghiên cứu, mà chủ yếu là làm giàu omega-3, DHA trong dầu cá bằng phương pháp kết tủa trực tiếp urea với acid béo ethylester của dầu cá [9-10]. Với mục đích tách, làm giàu omega-3, nghiên cứu đã tạo ra một hệ dung môi sâu mới, với sự tham gia của hệ ethylene glycol/2-heptylbenzimidazole.    

2. Thực nghiệm

2.1. Hóa chất và nguyên liệu

o-Phenylenediamine, octanoic acid của Trung Quốc được sử dụng trực tiếp không qua xử lý. Riêng silica gel và AlCl₃ của hãng Merck trước khi sử dụng được sấy khô trong bình cô quay trong môi trường khí nitơ ở 100^oC để loại ẩm. Nguyên liệu là cá basa, được thu mua từ nhà máy chế biến thủy sản xuất khẩu.

2.2. Tổng hợp 2-pentylbenzimidazole: 

2-heptylbezimidazole được tổng hợp theo sơ đồ sau [11].

Cho các chất tham gia phản ứng vào thiết bị phản ứng theo tỷ lệ mol o-phenyldiamine với lần lượt các acid theo tỷ lệ 1:1. Lượng xúc tác đưa vào là 10% khối lượng các chất tham gia phản ứng. Thêm 10ml dioxan để làm dung môi. Thiết bị phản ứng được đậy kín bởi các ốc vít bằng inox. Cho dòng khí argon vào để đuổi không khí ra khỏi bình phản ứng, đóng van xả để áp suất trong bình đạt 6-8 atm. Sau đó, đóng van thông khí với bình argon, đặt bình phản ứng vào hệ thống gia nhiệt và khuấy từ. Nhiệt độ được tăng dần đến 180^oC, vận tốc của máy khuấy từ 600 vòng/phút. Các chế độ trên được giữ nguyên cho tất cả các thí nghiệm. Sau 10 giờ, bình phản ứng được để nguội tự nhiên.

Trước khi lấy sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng, tiến hành phân tích sơ bộ sản phẩm bằng phương pháp sắc ký bản mỏng (TLC). Sắc ký bản mỏng sử dụng bản mỏng silicagel 60F254 của Merck và ngâm trong dung dịch cloroform:ethyl acetate với tỷ lệ 20:80. Vết soi được soi dưới đèn cực tím UV. Sản phẩm được lấy ra khỏi thiết bị phản ứng và lọc qua cột silicagel có đường kính 30mm, chiều dài 100mm, với các dung môi cloroform, ethyl acetate, methanol. Chất xúc tác và tác dụng ban đầu còn lại được hấp phụ bởi silica gel, tách ra khỏi dung dịch sản phẩm. Sau khi cô đặc dung dịch sản phẩm bằng Rotadex dưới áp suất thấp, sản phẩm được tách ra khỏi dung dịch. Làm sạch bằng phương pháp đa kết tinh, sấy khô và phân tích. Hòa tan sản phẩm trong dung môi cloroform và tiến hành sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS), phân tích FTIR và NMR để xác định và định danh sản phẩm.

2.3. Thiết lập hệ thống dung môi sâu

Ethyleneglycol/2-heptylbenzimidazole (EG/Benz-C7). Cho 100 gam ethyleneglycol vào cốc thủy tinh 200 ml đặt trên bếp từ có thiết bị khuấy với tốc độ 500 phút. Lần lượt cho 2-heptylbenzimidazole với khối lượng ban đầu bằng 1 - 2% khối lượng ethyleneglycol, khuấy đều 10 phút ở nhiệt độ phòng và dừng kiểm tra dung dịch, nếu dung dịch trong thì tiếp tục thêm ethyleneglycol. Thao tác như trên cho đến khi dung dịch có dư tinh thể 2-heptylbenzimidazole, không tan thì dừng lại và xác định lượng 2-heptyl-benzimidazole có thể hòa tan trong 100 gam ethyleneglycol. Dung dịch được đậy kín và để qua đêm để xác định hiện tượng kết tinh lại hay không. Nếu dung dịch vẫn trong suốt, chọn khối lượng 2-heptylbenzimidazole làm chuẩn và tiến hành phân tích vật lý dung dịch.

2.4. Phương pháp phân tích

Các acid béo thu được bằng phương pháp làm giàu được phân tích bằng phương pháp GC-FID (GC-Agilent 6890N, FID detector ngọn lửa, Cột HP-INOWAX 30m x 0,25mm x 0,25 mm. Phạm vi nhiệt độ 159 - 245^oC; Khí mang sử dụng là khí nitơ). Xác định FTIR trên EQUINOX 55 (Bruker), tần số từ 400 đến 4000 cm^-1, tiêu bản KBr; công nghệ NMR của Brucker AC 500; Xác định TGA-DSC bằng thiết bị LABSYS evo SETARAM; Độ nhớt được xác định bằng DV III Ultra (Brookfield); Nồng độ nước được xác định bằng vết SCHOTT Instruments Titro Line KF và xác định độ pH bằng pH /ORP và EC/TDS HI5521-02 (Hanna). Độ dẫn điện của dung dịch được xác định bằng máy cầm tay HANNA HI 98 303.

2.5. Tách làm giàu và xác định omega-3,6,9

300 ml dung môi sâu EG/Benz-C7 được cho vào bình cầu thủy tinh 500 ml có sinh hàn ngược, đặt trên máy khuấy từ (120 vòng/phút) có gia nhiệt. Bình phản ứng được khuấy liên tục, gia nhiệt ở 45^oC và 20g methylester trong 1 giờ. Hỗn hợp đồng nhất thu được được để nguội và sau đó làm lạnh ở 4^oC trong 8 giờ. Hỗn hợp thu được tách thành 2 lớp: Lớp trên là chất lỏng; Lớp dưới cùng là chất rắn tinh thể. Phần tinh thể được rửa bằng methanol lạnh. Methanol đã rửa sạch được bổ sung vào phần chất lỏng ở trên, sau đó được làm bay hơi methanol trong thiết bị cô quay chân không, làm khô bằng Na₂SO₄ và phân tích thành phần hóa học.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Tổng hợp 2-heptylbenzimidazole

Hợp chất 2-heptylbenzimidazole dạng tinh thể màu trắng trong suốt, giản đồ TGA và DSC của 2-heptylbenzimidazole sau khi làm sạch cho thấy, trên giản đồ DSC tại vùng nhiệt 150 có xuất hiện peak mà trên giản đồ TGA không có sự giảm khối lượng, vì vậy nhiệt độ nóng chảy của 2-heptylbenzimidazole là 150^oC.

Hình 1: Giản đồ TGA và DSC của 2-pentylbenzimidazole

Phương pháp GC-MS thể hiện kết quả MS 216, 201, 187, 173, 160, 159, 146, 145, 133, 132, 131, 118, 92. 77, 63, 41. Đối chiếu với phổ dữ liệu NIST 10 peak lớn: 132, 145, 131, 187, 146, 216, 159, 133, 77, 63, 41. FTIR υ_max (KBr) cm^-1: 3386 (N-H), 2954, 2927 (C-H), 2740, 1541 (C=N), 1449, 1423, 1273 (C-N), 1028, 751. 

Hình 2: Phổ 1H-NMR của 2-heptylbenzimidazole

Hình 3. Phổ 13C-NMR của 2-heptylbenzimidazole

¹H-NMR (CDCl3, 500 MHz, δ ppm) cho mũi cộng hưởng của proton δ_H 12,86 (1H, brs, N-H) và các mũi cộng hưởng của tín hiệu proton của hydrocarbon thơm δ_H 7,63 (2H, dd, J₁ = 3,0 Hz, J₂ = 3,0 Hz, H-4, 7); 7,27 (2H, dd, J₁ = 3,0 Hz, J₂ = 3,0 Hz, H- 5, 6). Đồng thời phổ ¹H-NMR cho các mũi cộng hưởng với sự hiện diện 6 nhóm methylene δ_H 3,08 (2H, t, J = 7,5 Hz, H-1’); 1,95 (2H, m, H-2’); 1,4 (2H, m, H-3’); 1,23 (6H, m, H-4’,5’,6’) và 1 nhóm methyl δ_H 0,85 (3H, t, J = 7,0 Hz, H-7’). ¹³C-NMR (CDCl₃, 125 MHz, δ ppm) xuất hiện các tín hiệu cho thấy sự hiện diện của 7C dây alkyl béo δ_C = 31,6 (C-1’), 29,3 (C-2’), 29,2 (C-3’), 28,9( C-4’), 28,5 (C-5’), 22,5 (C-6’), 13,9 (C-7’); các carbon của vòng hydrocarbon thơm δ_C = 138,4 (C-3a,7a), 122,0 (C-5, 6), 114,5 (C-4, 7). Bên cạnh đó, còn có tín hiệu của C mang nối đôi δ_C = 156,0 (C-2) [12].

3.2. Hệ dung dịch ethylene glycol/2-pentylbenzimidazole

2-Heptylbenzimidazole là chất rắn có điểm nóng chảy 167^oC, pH = 6,32, tỷ trọng 1,16 (g/ml), độ nhớt 2,07 (cP), độ dẫn điện 1,92 (mS), không kết lại sau 24h.

3.3. Tách và làm giàu omega 3,6,9 bằng ethylene glycol/2-heptylbenzimidazole

Sau khi kết tinh, phần lỏng tách ra được rửa nhiều lần và acid hóa thu được sản phẩm cho kết quả sau.

Bảng 1. Sản phẩm tách và làm giàu Omega 3,6,9

Để xác định sự ảnh hưởng của dung môi, sau khi khuấy trộn và thu được dung dịch đồng nhất, chúng tôi đã lấy mẫu để phân tích thành phần hóa học của dung dịch trước khi thực hiện quá trình làm lạnh để tạo tủa. Kết quả cho thấy hợp chất có sự thay đổi đáng kể là α-Linolenic acid (ALA) từ 0,46% trong methylester lên đến trên 21,52%, hàm lượng omega-3,6,9 trong dung dịch tách ra đạt 87%. Acid béo bão hòa và acid béo chưa bão hòa giảm 2,06 gam, omega-6 giảm 1,4 gam, omega-9 giảm 0,9 gam, tổng giảm 4,36 gam. Trong khi đó, omega-3 tăng 4,68 gam.

4. Kết luận

Đã tổng hợp hợp chất 2-heptylbenzimidazole và xác định được tính chất và cấu trúc của hợp chất bằng phương pháp phân tích hóa lý: FTIR, TGA, GC/MS, NMR. Tạo hệ dung môi sâu dạng ethylene glycol/2-heptylbenzimidazole và ứng dụng vào quá trình tách làm giàu omega-3 từ methylester của acid béo trong mỡ phụ phẩm của quá trình chế biến cá basa. Sản phẩm sau khi tách cho thấy hàm lượng omga-3 tăng đáng kể từ 1,66% nguyên liệu lên đến 23,64%. Trong đó, hàm lượng hợp chất α-linolenic acid (ALA) 18:3 (n-3) tăng gấp 50 lần.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. A.P. Abbott, J.C. Barron, K.S. Ryder, et al. (2011). The effect of additives on zinc electrodeposition from deep eutectic solvents. Electrochim. Acta, 56(14), 5272-5279.
2. A.P. Abbott, G. Frish, K.S. Ryder, et al. (2012). The electrodeposition of silver composites using deep eutectic solvents, J. Phys. Chem. Chem. Phys, 14, 2443-2449.
3. C. Andrew, E.E. Etim1, O.A. Ushie, et al. (2017). Deep Eutectic Solvents: An Overview of its pplication as a “Green” Extractant, International Journal of Advanced Research in Chemical Science, 4(6), 23-30.
4. Y. Dai, G.J. Witkamp, Y.H. Choi, et al. (2013). Ionic liquids and deep eutectic solvents in natrural products research mixtures of solids as extraction solvents, Journal of Natrural Products, 76(11), 2162-2173.
5. Alexandre Paiva, et al. (2014). Natural Deep Eutectic Solvents - Solvents for the 21st Century, ACS Sustainable Chem. Eng., 2(5), 9-11.
6. S.X. Liu, P.K. (2005). Quality comparison of rice bran oil extracted with a-limonene and hexane, Mamidipally, American Association of Cereal Chemists, 82, 209-215.
7. C.D. Tanzi, M.A. Vian, C. Ginies, et al. (2012). Terpenes as green solvents for extraction of oil from microalgae, Molecules, 17, 8196-8205.
8. M. Virot, V. Tomaoa, C. Ginies, et al. (2008). Green procedure with a green solvent for fats and oils determination microwave-integrated Soxhlet using limonene followed by microwave Clevenger distillation, Journal Chromatogr A., 2008, 1196-1197.
9. Lê Thị Thanh Xuân (2021). Tổng hợp dung môi sâu trên cơ sở choline chloride và methylurea, Tạp chí Phân tích lý-hóa và sinh học, 26(1), 1-6.
10. Thanh Xuan Le Thi, Hoai Lam Tran, Thanh Son Cu, and Son Lam Ho (2018).  Separation and Enrichment of Omega 3, 6, and 9 Fatty Acids from the By-Products of Vietnamese Basa Fish Processing using Deep Eutectic Solvent, Journal of Chemistry, 2018, 1-10.

11. A. Kumar, R.A. Maurya, D. Saxena, (2010). Diversity-oriented synthesis of benzimidazole, benzoxazole, benzothiazole and quinazolin-4(3H)-one libraries via potassium persulfate-CuSO4-mediated oxidative coupling reactions of aldehydes in aqueous micelles, Mol. Divers, 14, 331-341.
12. S. Park, J. Jung, E. (2014). Visible-Light-Promoted Synthesis of Benzimidazoles, J. Org. Chem, 2014, 4148-4154.

SYNTHESIZING ETHYLENE GLYCOL/2-HEPTYL

BENZIMIDAZOLE SOLVENT TO ENRICH OMEGA-3

FROM METHYLESTER OF BASA FISH’S FAT

• LE THI THANH XUAN

Faculty of Natural Sciences Education, Dong Thap University  

ABSTRACT:

This study synthesizes 2-heptylbenzimidazole and makes an ethylene glycol/2-heptyl benzimidazole solvent system. Then, this solvent system is used to separate and enrich      omega from methylester of basa fish’s fat. After the separation process, the obtained product is      analyzed by the GC/FID method. The omega-3 content increases from 1.66% to 23.64%, compared to the input material. In which, the content of a-linolenic acid (ALA) compounds 18:3 (n-3) increases by 50 times.     

Keywords: Basa fish by-product, 2-heptylbenzimidazole, ethyleneglycol, omega-3.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 13 tháng 5 năm 2023]