Đề tài Nghiên cứu tổng hợp canxi gluconat bằng quá trình oxy hóa chọn lọc glucozơ sử dụng xúc tác Pt và Ag / MCM-41

MỞ ĐẦU Với mục tiêu tìm kiếm nguồn nguyên liệu hóa học xanh để từng bước thay thế dần các nguồn nguyên liệu hóa thạch không tái sinh, các quá trình chuyển hóa cacbonhydrat thành sản phẩm ứng dụng là vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu và các tổ chức khoa học quan tâm[25]. Glucozơ là một trong số các cacbohydrat phổ biến nhất và hiện đang là đối tượng nghiên cứu cho nhiều quá trình chuyển hóa tạo các sản phẩm có tính ứng dụng đa dạng và tinh vi như trong các ngành Y, Dược, Công nghệ Sinh học. Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về chuyển hoá các hợp chất đường nói chung và glucozơ nói riêng thành các hợp chất có giá trị ứng dụng hầu như còn rất mới mẻ và chưa có nhiều kết quả. Gần đây, việc nghiên cứu chuyển hoá glucozơ thành các sản phẩm phục vụ cho công nghệ hoá học và hoá dược đang được quan tâm đặc biệt. Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam đang thực hiện đề tài sản xuất sorbitol có độ sạch cao phục vụ cho công nghiệp dược phẩm và tá dược từ glucozơ. Một con đường chuyển hoá glucozơ khác rất được quan tâm nghiên cứu đó quá trình oxi hoá chọn lọc tạo thành axit gluconic. Hiện nay, quá trình oxi hoá chọn lọc glucozơ tạo axit gluconic và các sản phẩm muối gluconat chưa có ở Việt Nam. Hàng năm trên thế giới axit gluconic được sản xuất với sản lượng đạt khoảng 100.000 tấn/năm. Trong đó, khoảng 60% sản phẩm thu được chủ yếu bằng các quá trình sinh hoá oxi hóa với tác nhân enzym (quá trình Aspergillus niger, filamenous fungi…)[6,21,44,49]. Xúc tác enzym có ưu điểm là tính đặc hiệu, chọn lọc với axit gluconic cao hơn các quá trình sử dụng xúc tác đồng thể như HNO3, dung dịch nước Br2 có độ chuyển hóa cao song tạo nhiều sản phẩm của sự oxi hoá cắt mạch là các axit hữu cơ ngắn mạch. Quá trình sử dụng enzyme đã được thương mại hóa với trình độ công nghệ cao, enzym phải được cố định trên chất nền hay dùng đó là các polymer, dẫn đến xu hướng biến quá trình đồng thể thành quá trình dị thể để dễ tách loại enzym ra khỏi sản phẩn phản ứng. Vậy nên song song với quá trình enzym, việc sử dụng các hệ xúc tác dị thể đang được quan tâm. Các kim loại quý Pt, Ru, Au, Ag có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác, quang điện tử, vi điện tử và đặc biệt là trong lĩnh vực xúc tác[14,15]. Từ cuối những năm 1960, platin được biết đến như là xúc tác cho quá trình hyđro hóa và quá trình đehyđro hóa [10,22]và đặc biệt là thành phần xúc tác độc tôn trong quá trình refominh để sản xuất BTX (benzene, toluene, xilen) cho hóa hữu cơ. Platin còn thể hiện khả năng oxi hoá chọn lọc ancol thành hợp chất cacbonyl[12]. Các nghiên cứu của Ayumu Onda và các cộng sự cũng đã đưa ra hoạt tính mạnh mẽ của khi sử dụng hệ Pt/C cho phản ứng oxi hoá glucozơ cho sản phẩm chính là axit lactic(45%) và axit gluconic(45%)[8]. Bên cạnh đó xúc tác Ag cũng được quan tâm nhiều cho quá trình epoxi hoá các nối đôi để sản xuất etilen oxit, etilen glycol, PEG. Trong công nghệ dược phẩm PEG được dùng làm vỏ viên nang và cũng là chất dẫn thuốc. Đặc biệt xúc tác Ag đang được dùng cho công nghệ sản xuất focmaldehit từ methanol Sản phẩm của quá trình oxi hóa chọn lọc glucozơ là axit gluconic và các muối gluconat được thừa nhận là các chất bổ sung dinh dưỡng cho thực phẩm chức năng, các chất phụ gia cho thực phẩm và đồ uống an toàn, được sử dụng rộng rãi ở Mỹ và Châu Âu [18, 51]. Canxi gluconat được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực dược phẩm như dùng làm thuốc bổ sung canxi (là loại canxi cơ thể dễ hấp thu nhất) để phòng và chữa các bệnh về thiếu canxi. Canxi gluconat tiêm (hàm lượng 9,47mg) còn được dùng trong điều trị hạ canxi huyết trong các bệnh cần tăng nhanh nồng độ ion canxi huyết như: co giật do hạ canxi huyết ở trẻ sơ sinh, hạ canxi huyết do bù chất điện giải. Canxi gluconat có thể được dùng như một chất bù điện giải, chất chống tăng kali và magiê huyết. Nghiên cứu mới đây cho thấy canxi gluconat là chất sinh ra kháng thể đối với bệnh ung thư ruột kết, trực tràng [33]. Với những định hướng khoa học trên, nội dung của luận văn là “Nghiên cứu tổng hợp canxi gluconat bằng quá trình oxy hóa chọn lọc glucozơ sử dụng xúc tác Pt và Ag / MCM-41”. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về cacbohydrat Quá trình quang hợp trong tự nhiên hằng năm chuyển hơn 200 tỷ tấn cacbon dưới dạng khí cacbondioxit thành cacbonhydrat[25]. Cacbohydrat là thành phần quan trọng của các cơ thể sinh vật. Cacbohydrat chiếm tới 80% khối lượng khô của cây cỏ và khoảng 2% khối lượng khô của cơ thể động vật. Trong thế giới thực vật thì cacbohydrat là những chất hữu cơ tạp chức phổ biến nhất, tồn tại chủ yếu dưới dạng xenlulozơ có trong thành phần mô nâng đỡ để tạo dáng cho cây vững trắc, tồn tại và phát triển, cây cối còn sản xuất ra tinh bột để làm thức ăn dự trữ với một lượng lớn trong các loại hạt, củ, quả… Thực tế, chỉ khoảng 3-4% các sinh chất được con người sử dụng làm thực phẩm và các mục đích khác, còn lại phần lớn nguồn sinh chất này chưa được khai thác một cách triệt để. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về cacbohydrat đã có bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực sinh học và hóa sinh học. Các nghiên cứu đã chỉ ra khả năng chuyển hoá đa dạng từ các hợp chất cacbohydrat thành các sản phẩm hóa chất có tính ứng dụng cao trong đời sống, trên nhiều lĩnh vực như: công nghệ hóa chất, công nghệ sinh học, nông nghiệp, chăn nuôi, dược liệu, hay nhiên liệu mới…Trong thế kỉ 21, đứng trước sự khủng hoảng nguyên liệu hóa thạch mà hai nguồn nguyên liệu phổ biến là dầu mỏ và than ngày càng suy giảm về trữ lượng thì việc tìm ra các nguồn nguyên liệu mới đang thu hút sự quan tâm và đầu tư của nhiều ngành khoa học trên thế giới. Cacbohydrat được xem là nguồn nguyên liệu lý tưởng cho ngành công nghiệp mới với các ưu điểm nổi bật như: trữ lượng lớn, rẻ, thân thiện với môi trường, có khả năng thay thế dần nguồn nguyên liệu hóa thạch đang cạn kiệt. Do vậy, các ngành khoa học nói chung và ngành hóa học nói riêng vừa có tiềm năng to lớn về khám phá nguyên liệu mới, nhưng cũng vừa đứng trước thử thách là tìm kiếm phương pháp nâng cao hiệu suất, độ chọn lọc các quá trình chuyển hoá hữu ích từ các hợp chất cacbohydrat nhằm hoàn thiện khả năng áp dụng nguồn nguyên liệu này trong công nghệ và cuộc sống. 1.2. D - glucozơ và sản phẩm oxi hóa D-glucozơ Một trong những hợp chất cacbohydrat phổ biến và quan trọng là glucozơ. Trong tự nhiên, glucozơ tồn tại rất phong phú trong các loại tinh bột như tinh bột sắn, ngô, gạo… và các loại hoa quả, đặc biệt trong quả nho. Ở Việt Nam trữ lượng tinh bột là rất lớn và là nguồn thức ăn không thể thiếu cho con người và gia súc vì thế việc khai thác nguồn nguyên liệu này cho các ngành công nghiệp chế biến là rất thuận lợi. Hơn nữa, tinh bột cũng là một nguồn nguyên liệu chiến lược cho nhiều ngành công nghệ của Việt Nam trong thời đại mới như sản xuất phụ gia cho dung dịch khoan, phụ gia cho vật liệu xây dựng và đặc biệt là nguyên liệu trong chế biến dược phẩm. Hiện nay, công nghệ sản xuất glucozơ từ tinh bột sắn đã được xây dựng ở Việt Nam bằng cách thủy phân tinh bột trong axit HCl loãng, trong nồi hấp ở áp suất 2 atm. Hình 1: Cấu tạo phân tử D-glucozơ Cấu trúc dạng thẳng của D-glucozơ có chứa 1 nhóm -CHO và 5 nhóm -OH, trong công thức fischer nhóm –OH ở vị trí C5 ở bên phải hình thành các dạng đồng phân của D-glucozơ: Hình 2: Các đồng phân của D- glucozơ Trong dung môi nước tồn tại cân bằng của D-glucozơ dạng thẳng và dạng vòng 6 cạnh với 5 nguyên tử C và 1 nguyên tử O, có 2 đồng phân loại này là α-D-glucozơ và β-D-glucozơ : Hình 3: Cân bằng giữa dạng mạch thẳng và mạch vòng 6 cạnh của D-glucozơ Các đồng phân α-D-glucozơ và β-D-glucozơ tạo thành do sự xắp xếp vị trí không gian của nhóm –OH ở vị trí C1. Độ quay cực riêng của α-D-glucozơ là [α] = +1120, của β-D-glucozơ là [α] = +190, thông thường tỉ lệ hai đồng phân này trong dung môi nước là: 36% α-D-glucozơ và 64% β-D-glucozơ[51]. D-glucozơ không chỉ là nguồn thực phẩm quan trọng mà nó còn là một nguồn chất rất quan trọng trong công nghệ vì sự chuyển hóa nó có thể tạo ra các sản phẩm thứ cấp vô cùng quan trọng có ứng dụng thiết thực trên các lĩnh vực của đời sống như: công nghệ hóa học, thực phẩm, dược phẩm… Axit D-gluconic là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử là C6H12O7, công thức cấu tạo là: Hình 4: Cấu tạo phân tử D-gluconic Axit gluconic là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C6H12O7, công thức cấu tạo HOCH2(CHOH)4COOH, và tên danh pháp IUPAC là (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahyđroxyhexanoic acid. Trong dung dịch nước ở pH gần trung tính, axit cacboxylic này tạo ra các ion gluconat và các muối của axit gluconic gọi chung là các gluconat. Cấu trúc hoá học của axit gluconic bao gồm một chuỗi sáu cacbon với năm nhóm hyđroxi và kết thúc bằng một nhóm chức của axit cacboxylic (-COOH). Trong dung dịch nước, axit gluconic tồn tại trong cân bằng động với este vòng glucono δ-lacton (C6H10O6)[9]. Axit gluconic là axit không bay hơi, không độc, là một axit yếu, sự phân ly của nó trong nước được đặc trưng bằng giá trị pKa = 3,70. Do đó sự phân ly của các gluconat trong nước được dự đoán là hoàn toàn. Glucono δ-lacton thuỷ phân chậm trong dung dịch nước đến khi đạt cân bằng với axit gluconic. Ở nồng độ ban đầu là 10% glucono δ-lacton thì trạng thái cân bằng gluconat/lacton là 80/20. Axit gluconic và các dẫn xuất của nó là các chất có mặt trong tự nhiên. Axit gluconic có mặt tự nhiên trong các loại quả, mật ong, trà kombucha (nấm hồng trà) và rượu vang[13]. Trong một số phụ gia thực phẩm, nó là chất điều chỉnh độ chua, Nó cũng được sử dụng để tẩy một số thiết bị dùng trong thực phẩm và dược phẩm do có khả năng hoà tan các khoáng chất, đặc biệt là trong dung dịch có tính kiềm. Trong cơ thể động vật có vú, cả axit D-gluconic và 1,5-lacton của nó đều là các chất trung gian quan trọng trong quá trình chuyển hóa cacbonhydrat. Glucono δ-lacton, este nội vòng của axit gluconic, được tạo thành bằng cách loại nước axit gluconic. Bảng 1 đưa ra một số thông số vật lý, hoá học quan trọng của axit gluconic và glucono δ-lacton[18]. Bảng 1: Các thông số vật lý, hoá học của axit gluconic và glucono δ-lacton Hợp chất Trạng thái vật lý t0nc t0s Khối lượng riêng (ở 200C) Độ tan trong nước Hệ số phân chia octanol/nước (Log P) pKa Axit gluconic màu trắng 1310C 417.1°C 1.23 g/cm³ 1000 g/l ở 25°C -1.87 ở 25°C 3.70 Glucono δ-lacton màu trắng 1530C 398.5°C 1.68 g/cm3 590 g/l ở 25°C -1.98 ở 25°C 3.70 Trong công nghiệp thì axit gluconic thường được sản xuất công nghiệp qua quá trình oxi hoá glucozơ. Trong quá trình này, sản phẩm tạo thành trực tiếp là axit gluconic hoặc chuyển hoá thành glucono δ-lacton sau đó, thuỷ phân tạo ra axit. Còn glucono δ-lacton được sản xuất bằng quá trình lên men yếm khí để chuyển hoá nguồn cacbonhydrat thành axit gluconic. Sau quá trình lên men, axit gluconic được tách khỏi glucono δ-lacton bằng cách kết tinh. Lượng glucono δ-lacton được sản xuất theo cách này hàng năm trên thế giới là 10000-20000 tấn. Bảng 2: Một số ứng dụng của axit gluconic và glucono δ-lacton và các muối Hợp chất Ứng dụng Axit gluconic Trong lĩnh vực dược phẩm, axit gluconic là tiền chất quan trọng để tổng hợp vitamin C, các dẫn xuất của axit gluconic là thành phần chính của nhiều loại dược phẩm. Trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm: Hạn chế sự đông tụ của sữa bò trong công nghiệp chế biến sữa, chất tẩy rửa trong can chứa bằng nhôm. Glucono δ-lacton Phụ gia trong chế biến bánh nướng, chất làm chua chậm trong chế biến sản phẩm thịt, chất làm đông protein trong sữa đậu nành, sữa chua, phomat, sản xuất bánh mỳ… Natri gluconat Trong lĩnh vực dược phẩm: là chất cân bằng điện giải cho người, thành phần của thuốc cao huyết áp. Trong công nghiệp: là chất tẩy rửa, tác nhân chống gỉ kim loại, chống sự phân huỷ của sắt trong ngành dệt kim, công nghiệp giấy. Sắt gluconat Thành phần của thuốc chữa bệnh thiếu máu, bổ xung sắt cho người. Ngoài ra, đây còn là thành phần của phân bón cho cây cảnh. Kẽm gluconat Là thành phần của thuốc cảm thông thường, chữa các vết thương sâu, và các bệnh liên quan đến thiếu kẽm cho người. Các muối gluconat là sản phẩm chuyển hoá của quá trình oxi hoá glucozơ. Trong các mô, khoảng 20% glucozơ có thể đuợc chuyển hoá theo cách này. Đánh giá tương đối lượng gluconat được tạo ra trong cơ thể con người hàng ngày được thực hiện bằng cách thừa nhận xấp xỉ 10% glucozơ được dùng trong cơ thể là để chuyển hoá theo đường photpho gluconat. Vì vậy một người nhận được 2800 kcal 1 ngày từ một bữa ăn trung bình, có thể oxi hoá khoảng 275g glucozơ. Xấp xỉ 25 đến 30g glucozơ bị oxi hoá theo đường photpho gluconat để tạo thành một lượng tương đuơng gluconat[13]. Do dó lượng gluconat tạo ra hàng ngày từ các nguồn nội sinh là khoảng 450 mg/kg với một người nặng 60 kg. Một phần quan trọng (60-85%) gluconat ở ngoài ruột được bài tiết không đổi trong nước tiểu[51]. Bảng 3 đưa ra một số thông số vật lý, hoá học của các muối gluconat[18]. Bảng 3: Một số thông số vật lý của các muối gluconat Hợp chất Trạng thái vật lý Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ sôi Khối lượng riêng (ở 200C) Độ tan trong nước pKa Natri gluconat Màu trắng 205-209 °C (phân huỷ ở ≥ 210°C) 613.1°C 1.789g/cm³ 590g/l ở 25°C 3.70 Canxi gluconat Màu trắng 120°C 731.1°C 0.3-0.65g/cm³ 35 g/l ở 25°C 3.70 kali gluconat Màu trắng 174-176°C (phân huỷ ở 180°C) 613.1°C 0.8 g/cm3 450-1000 g/l ở 20°C 3.70 C 1.3. Ứng dụng của canxi gluconat Ca O H Hình 5: Cấu tạo phân tử Canxi gluconat Canxi gluconat tồn tại ở dạng monohyđrat Ca(C6H11O7)2.H2O. Tên IUPAC: Calcium di-(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoate monohydrate. Dạng bột hoặc hạt nhỏ màu trắng không mùi, không vị, tan trong nước nóng, không tan trong etanol, axit axetic và các dung môi hữu cơ. Canxi gluconat chứa xấp xỉ 9% canxi trong công thức, nên dễ dàng được các động vật và thực vật hấp thụ. Sản lượng canxi gluconat tiêu thụ hàng năm trên thế giới là: 4000-6000 tấn[33] được sản xuất chủ yếu bằng các quá trình Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, sử dụng tác nhân tạo muối là canxi cacbonat. Canxi là một trong những nguyên tố không thể thiếu được đối với cơ thể, giảm canxi huyết gây ra các triệu chứng: co giật, chậm lớn và chậm phát triển trí não, biến dạng xương, thường gặp nhất là còi xương ở trẻ em và nhuyễn xương ở người lớn. Sự thay đổi xảy ra trong nhuyễn xương bao gồm mềm xương, đau trong xương ống chân và thắt lưng, yếu toàn thân kèm theo đi lại khó khăn và gãy xương tự phát. Vì vậy việc bổ sung canxi được sử dụng như một phần của việc phòng và điều trị bệnh loãng xương ở người thiếu canxi. Uống canxi gluconat tan trong nước có lợi hơn dùng muối canxi tan trong axit đối với người bệnh giảm axit dạ dày hoặc dùng thuốc giảm axit dịch vị. Canxi gluconat tiêm cũng được dùng trong trường hợp hạ canxi huyết do ngộ độc etylen glycol (phụ thuộc vào nồng độ canxi trong máu), hạ canxi huyết và hạ huyết áp do nhiễm độc toàn thân axit hyđrofloric do canxi có thể liên kết với florua tự do và do đó giải độc HF khi tiêm canxi gluconat. Dạng gel canxi gluconat được dùng tại chỗ là biện pháp hàng đầu để điều trị bỏng axit hyđrofloric trên da sau khi đã tưới rửa vết bỏng. Trong trường hợp bỏng vừa đến bỏng nặng ở tay và chân, cần truyền canxi gluconat vào động mạch, đặc biệt ở người bệnh bị đau kéo dài, sau khi đã tưới rửa vết bỏng, bôi gel canxi gluconat tại chỗ. Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy canxi gluconat là chất sinh ra kháng thể đối với bệnh ung thư ruột kết, trực tràng [33]. 1.4. Chuyển hóa D-glucozơ Chuyển hóa glucozơ thành các sản phẩm có ứng dụng trong các lĩnh vực dược phẩm, công nghệ sinh học là các quá trình phức tạp, quá trình chuyển hóa có thể tạo thành nhiều sản phẩm khác nhau nếu các điều kiện về xúc tác, nhiệt độ, môi trường phản ứng thay đổi. Một số hướng chuyển hóa của glucozơ như sau: Hình 6 : Một số hướng chuyển hóa từ glucozơ 1.4.1. Quá trình khử hóa Một trong những sản phẩm của quá trình khử hoá glucozơ bằng hiđro H2/(Pt, Ni, Pd) thu được sorbitol, được ứng dụng rộng rãi trong dược phẩm để sản xuất vitamin C, thuốc ho xiro, là loại đường ít calo dành cho bệnh nhên tiểu đường. Ngoài ra, trong công nghiệp thực phẩm, sorbitol được sử dụng làm đường bọc cho các loại kẹo bọc đường, kẹo cao su, làm phụ gia chống hydrat hoá. Trong lĩnh vực mỹ phẩm, cùng với glyxerin được sử dụng làm chất giữ ẩm. Quá trình này đang được Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam thực hiện đề tài sản xuất sorbitol có độ sạch cao từ glucozơ sử dụng quá trình khử bằng hiđro 1.4.2. Quá trình đehyđrat hóa Quá trình đehyrat hóa chọn lọc glucozơ được thực hiện ở nhiệt độ 200-3000C có hơi nước, trong lò phản ứng dòng liên tục dưới áp suất khí quyển. Sản phẩm chính của quá trình là 1,6 - Anhydro-β-D-glucopyranose (AGP) 40% và 1,6 - Anhydro-β-d-glucofuranose (AGF) 19% [36]. Các sản phẩm này AGP và AGF là các tiền chất trong lĩnh vực dược phẩm. 1.4.3. Quá trình oxi hóa 1.4.3.1. Các phương pháp cổ điển oxi hóa glucozơ Con đường oxi hoá bằng phương pháp cổ điển, sử dụng các chất oxi hoá mạnh, thực hiện quá trình oxi hoá đồng thể như dung dịch đậm đặc Kali permanganat - KMnO4, Kali perclorat - KClO4… Phương pháp oxi hóa thông thường là dùng brom trong một dung dịch đệm với một giá trị pH từ 5-6. Sản phẩm là các axit andonic, thí dụ D-glucozơ cho axit D-gluconic. Ở andozơ, nhóm andehit là vị trí nhạy cảm nhất nên phản ứng thường tạo thành các sản phẩm chuyển hóa ở vị trí này. Với các tác nhân oxi hóa mạnh hơn, thí dụ axit nitric HNO3 đậm đặc, thì ở andozơ không chỉ nhóm andehit mà cả nhóm ancol bậc một cũng bị oxi hóa thành nhóm cacboxyl[24]. Sản phẩm là các axit andaric, thí dụ D-glucozơ cho axit D-glucaric, D-mannozơ cho axit D-mannaric và D-galactozơ cho axit galactaric. Phản ứng hết sức phức tạp do sự cắt mạch phân tử glucozơ thành các phân tử mạch ngắn, làm cho hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm rất thấp. Nhìn chung, phương pháp oxi hoá đồng thể bằng tác nhân oxi hoá mạnh bộc lộ hạn chế to lớn khó khắc phục là không có tính chọn lọc cao, hiệu suất thấp, và rất khó khăn trong quá trình tách loại sản phẩm khi kết thúc phản ứng. 1.4.3.2. Phản ứng oxi hoá glucozơ với xúc tác enzyme Phương pháp thứ hai, sử dụng xúc tác sinh học là các enzym (men). Nhờ tác dụng của các enzym khác nhau, phân tử glucozơ tham gia vào các quá trình phân cắt phức tạp (phản ứng lên men), tạo thành các sản phẩm cuối cùng như etanol, axit butyric, axit lactic, axit xitric.. đồng thời có giải phóng ra sản phẩm khí như H2, CO2. Ngày nay, một số quá trình sản xuất thực tế sử dụng xúc tác vi sinh - enzym mang lại hiệu quả như : Quá trình lên men rượu tạo ra ancol etylic C6H12O6 2C2H5OH + CO2 Quá trình lên men xitric tạo ra axit xitric bởi các loại vi sinh vật như là Aspergilus (Asp.) niger, Asp. clavarus, Penicillium citrinum … Nhưng chủng của Asp. niger cho kết quả cao nhất. C6H12O6+O2HOOC-CH2-CH(OH)(COOH)-CH2-COOH + 2H2O Axit xitric Nhiệt độ thích hợp để tạo ra nhiều axit là từ 31-320C, nhiệt độ thấp hơn thì tạo nhiều axit gluconic còn cao hơn thì tạo axit xitric bị kìm hãm. Quá trình lên men lactic tạo sản phẩm là axit lactic - thành phần của sữa chua. C6H12O6 2CH3-CHOH-COOH Axit lactic Trong lĩnh vực dược phẩm, axit lactic và các sản phẩm dẫn xuất của nó được ứng dụng khá nhiều điển hình là các muối lactat. Các este ở dạng metyl, etyl hay isopropyl lactat được dùng làm chất trung gian để tổng hợp phân tử Chiral là thành phần chủ yếu trong dịch truyền bổ sung chất điện giải Ringer lactic đang được sử dụng rộng rãi hiện nay. Muối canxi lactate được dùng làm thuốc bổ sung canxi và chữa một số bệnh liên quan đến thiếu canxi như co giật, còi xương, chậm lớn. Ứng dụng mới nhất của axit lactic là được dùng để điều chế ra polymer phân hủy sinh học như chỉ khâu vết thương. Đối với glucozơ, ngay từ những năm 1970, một số nghiên cứu đã dùng men glucozơ oxidaza nhằm thúc đẩy quá trình oxi hoá glucozơ tạo axit gluconic [39]. Các men vi sinh sử dụng cho quá trình này rất phong phú, được nghiên cứu rộng rãi trong nghững năm 1960-1970, có vai trò quan trọng trong công nghiệp sản xuất axit gluconic. Quá trình oxi hoá glucozơ tạo axit gluconic bởi nấm sợi ( filamenous fungi) sử dụng chất xúc tác là enzym Glucozơ oxidaza[6,21,44]. Enzym này là một Flavo-protein, lần đầu tiên được Muler tách chiết từ nước trái cây ép sử dụng men Penicillium glaucum. Trong sản xuất axit gluconic, enzym này được đưa vào dung dịch có nồng độ cao glucozơ, môi trường pH trung bình, khoảng 5.5 và điều kiện phản ứng dư oxi. Enzym hoạt động tốt và bền ở nhiệt độ 400C và khoảng pH=4.0-6.0 trong thời gian phản ứng là 2 giờ. Tuy nhiên, khi nhiệt độ phản ứng lên trên 500C, enzym mất hoạt tính xúc tác nhanh chóng[55]. Mặt khác, quá trình sản xuất axit gluconic theo con đường này luôn tạo ra sản phẩm phụ hyđroperoxit H2O2, chính là chất kĩm hãm hoạt tính enzym. Quá trình sản xuất axit gluconic sử dụng enzym glucozơ oxidaza như đã trình bày ở trên có ưu điểm là tăng đáng kể hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm axit gluconic so với các phương pháp oxi hoá cổ điển bởi các tác nhân hoá chất khác. Tuy nhiên, qui trình công nghệ sản xuất này đặt ra một loạt các vấn đề không nhỏ cho các nhà công nghệ hoá học là điều khiển qúa trình phản ứng và tách loại các sản phẩm sau phản ứng. Để điều khiển được quá trình phản ứng phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các điều kiện nhiệt độ, pH và phải sử dụng các chủng enzyme đặc hiệu. Trong khi đó, để tách enzyme khỏi sản phẩm một cách thuận lợi thì enzyme phải được cố định ổn định trên các chất nền thích hợp. 1.4.3.3. Phản ứng oxi hóa glucozơ với xúc tác dị thể Phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác dị thể là quá trình có ý nghĩa trong nghiên cứu cũng như trong công nghệ[32,45]. Mặc dù hiện nay đã có nhiều nghiên cứu nhằm tìm kiếm phương pháp chế tạo các xúc tác có độ chọn lọc cao và bền hoạt tính cho quá trình oxi hóa glucozơ với tác nhân oxi không khí nhưng vẫn chưa thu được nhiều kết quả như mong muốn. Các sản phẩm chuyển hoá này rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất - hoạt tính của xúc tác, điều kiện phản ứng nhiệt độ, môi trường pH của dung dịch phản ứng. Trong đó, chất xúc tác giữ vai trò quyết định đến độ chọn lọc và hiệu suất của quá trình oxi hoá glucozơ. Từ đã lâu, các nhóm kim loại chuyển tiếp và kim loại quý như kim loại họ Pt, Au, Ag… [29,40,41,47,48]thường được lựa chọn làm xúc tác cho các phản ứng oxi hoá hoàn toàn. Vào cuối những năm 1960, người ta sử dụng xúc tác Pt/Rd kim loại cho phản ứng xử lý khí thải và xúc tác Pd cho phản ứng axetoxyl hoá olefin. Xúc tác Ag kim loại cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng từ rất lâu cho các phản ứng oxi hóa etilen thành etilen oxit hay oxi-dehiđro hoá metanol thành formalđehit. Mặc dù hệ xúc tác kim loại quý có những ưu điểm như vậy, song trước đây, công nghệ này cũng gặp phải hạn chế. Việc đưa kim loại quý vào quá trình sản xuất là rất đắt đỏ, do vậy muốn xúc tác được áp dụng rộng rãi vào công nghệ, vấn đề cơ bản đặt ra cần giải quyết là phải giảm thiểu được chi phí sản xuất. Ngày nay, sự ra đời và phát triển của công nghệ nano đã mở ra nhiều hướng đi rất khả thi trong lĩnh vực vật liệu mới nói chung và vật liệu xúc tác nói riêng[16,35,59,60]. Một trong những vật liệu xúc tác đã được nghiên cứu và có khả năng ứng dụng cao là cấu trúc mao quản nano cacbon, silic và cacbon-silic làm pha nền mang các chất có hoạt tính xúc tác cao. Kim loại quý với kích thước nano thể hiện những tính chất oxy hoá mới trong các điều kiện phản ứng êm dịu khi được phân tán trên chất nền silic-cacbon có bề mặt riêng lớn. Trên thế giới, các nghiên cứu về vật liệu xúc tác dị thể cho quá trình oxi hoá glucozơ đã thu được nhiều kết quả. Các hệ xúc tác mang kim loại, đa kim loại kích thước nano trên các chất nền có diện tích bề mặt lớn như Cacbon hoạt tính, Silic oxit vô định hình hiện nay như sử dụng cho quá trình này trong công nghiệp hiện nay như: xúc tác 5%Pd-5%Bi/C (tên thương mại MPB5 cung cấp bởi hãng Sud-Chemie-MT), xúc tác 5%Pt/C (ESCAT10 của Engelhard) [38]và 1% Pt- 4% Pd-5%Bi/C (CEF 196 XRA/W của Desgussa), hay các hệ xúc tác phân tán kim loại nặng trên chất nền như Pb/C, Ru/C, Cu/C, Ag/C…mặc dù đã được ứng dụng trong quy mô thực tế nhưng hiệu quả chưa thực sự như mong muốn. Thể hiện ở sự mất hoạt tính nhanh chóng của chất xúc tác sau các lần tái sử dụng, ngoài ra, xúc tác cho phản ứng mặc dù có độ chuyển hoá tốt nhưng độ chọn lọc tạo gluconic axit không cao và giảm nhanh cho các lần tái sử dụng. Mặt khác, sự có mặt của các kim loại nặng làm chất xúc tiến trong các hệ xúc tác vẫn đang là vấn đề gây nhiều tranh luận. 1.5. Vật liệu mao quản trung bình MCM-41 Thế kỷ 20, các nhà khoa học hãng Mobile-Oil đã phát minh ra vật liệu mao quản trung bình M41-S, sự ra đời của các vật liệu này đã tạo nên bước đột phá mạnh mẽ trong lĩnh vực khoa học vật liệu xúc tác. Vật liệu MCM-41 là đại diện tiêu biểu của họ vật liệu mao quản trung bình, có nhiều ứng dụng trong nhiều quy trình công nghệ hoá học, hoá dầu [5,7,43,49,50]. MCM-41 có hệ mao quản đồng đều kích thước mao quản cỡ 4-5nm, hình lục lăng, một chiều, xắp sếp xít nhau tạo nên cấu trúc tổ ong, diện tích bề mặt lớn nên được áp dụng cho các quá trình chuyển hoá phân tử kích thước lớn thường gặp trong tổng hợp hữu cơ mà các vật liệu cấu trúc mao quản nhỏ như zeolit tỏ ra không phù hợp. Ứng dụng của vật liệu MCM-41 hiện nay: Cho đến nay, nhiều nghiên cứu về vật liệu MCM-41 đã được tiến hành, cung cấp nhiều thông tin quan trọng về phương pháp tổng hợp, cấu trúc và tính chất không gian của hệ mao quản…Đặc biệt, các phương pháp biến tính vật liệu nhằm thu được các hệ xúc tác có tính chất phù hợp cho các phản ứng nhất định là hướng nghiên cứu thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học[46,53]. Một số vật liệu mới tổng hợp phương pháp thay thế đồng hình các nguyên tử Si trong khung cấu trúc bằng nguyên tử Al, Ti, Fe, Ga…tạo thành các hệ xúc tác đa chức năng, vừa có tính chất xúc tác cho quá trình oxi hoá gây nên bới các tâm kim loại, vừa có tính chất xúc tác của axít rắn, phù hợp với các quá trình đòi hỏi độ axít phù hợp. Ví dụ điển hình của các xúc tác loại này là Ti-MCM-41 cho quá trình epoxi hoá nối đôi các hợp chất không no, an ken hay các phân tử hợp chất tự nhiên, ví dụ như hợp chất α-pinen. Trong vật liệu Ti-MCM-41, nguyên tử Ti thay thế đồng hình vào vị trí của Si trên khung cấu trúc, tạo nên vật liệu có tính oxi hoá nhẹ, có tính axít yếu, phù hợp với quá trình oxi hoá êm dịu tạo sản phẩm trung gian là epoxi. Do vậy, đây là xúc tác đã được điều chế và ứng dụng cho các quá trình oxi hoá êm dịu trong thực tế. Bằng nhiều phương pháp điều chế khác nhau như: phân huỷ- kết tủa, phương pháp sol gel, đồng kết tủa, phương pháp trao đổi…các kim loại được mang trên chất nền với các kích thước khác nhau. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, nếu kim loại càng được phân tán đồng đều với kích thước hạt càng nhỏ, thì hoạt tính xúc tác càng cao. Một số xúc tác như Pt/MCM-41, áp dụng có hiệu quả cho quá trình chuyển hoá COx, NOx, mang lại hiệu quả rất khả quan[17,19]. 1.6. Xúc tác thế hệ mới nano platin và nano bạc trên MCM-41 Phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác dị thể là quá trình có ý nghĩa trong nghiên cứu cũng như trong công nghệ. Mặc dù hiện nay đã có nhiều nghiên cứu nhằm tìm kiếm phương pháp chế tạo các xúc tác có độ chọn lọc cao và bền hoạt tính cho quá trình oxi hóa glucozơ với tác nhân oxi không khí, nhưng vẫn chưa thu được nhiều kết quả như mong muốn. Các sản phẩm chuyển hoá này rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất và hoạt tính của xúc tác, điều kiện phản ứng như nhiệt độ, môi trường pH của dung dịch phản ứng. Trong đó, chất xúc tác giữ vai trò quyết định đến độ chọn lọc và hiệu suất của quá trình oxi hoá glucozơ[37]. Xúc tác kim loại quý như Au, Ag, Pt… có thể oxi hóa chọn lọc trên nhóm andehit của phân tử đường với oxi không khí làm tác nhân oxi hóa. Hơn nữa, xúc tác kim loại quý được coi là xúc tác “xanh” [31] vì không tạo ra các chất độc hại với môi trường như khi sử dụng KMnO4 hoặc K2Cr2O7… Một hướng nghiên cứu khác cho phản ứng oxi hóa glucozơ cũng trên xúc tác platin cho sản phẩm là axit lactic, platin được phân tán lên than hoạt tính là xúc tác tốt cho phản ứng oxi hóa glucozơ thu được sản phẩm chính là axit lactic và axit gluconic. Ngày nay, sự ra đời và phát triển của công nghệ nano đã mở ra nhiều hướng đi rất khả thi trong lĩnh vực vật liệu mới nói chung và vật liệu xúc tác nói riêng. Một trong những vật liệu xúc tác đã được nghiên cứu và có khả năng ứng dụng cao là cấu trúc mao quản nano cacbon, silic và cacbon-silic làm pha nền mang các chất có hoạt tính xúc tác cao. Kim loại quý với kích thước nano thể hiện những tính chất oxi hoá mới trong các điều kiện phản ứng êm dịu khi được phân tán trên chất nền có bề mặt riêng lớn. Trên thế giới, các nghiên cứu về vật liệu xúc tác dị thể cho quá trình oxi hoá glucozơ đã thu được nhiều kết quả. Các hệ xúc tác mang kim loại, đa kim loại kích thước nano trên các chất nền có diện tích bề mặt lớn như cacbon hoạt tính, oxit Silic vô định hình, các vật liệu mao quản… đang được sử dụng trong công nghiệp hiện nay. Khi phân tán platin, bạc nano lên các vật liệu nền có diện tích bề mặt lớn không những giúp tiết kiệm xúc tác kim loại quí mà còn làm tăng độ hoạt động của chất xúc tác như tính chọn lọc và độ chuyển hóa cao cùng với việc kéo dài thời gian hoạt động của xúc tác nano[57,58]. Có nhiều phương pháp đưa kim loại lên vật liệu xốp như: phương pháp tẩm, phương pháp kết tủa; phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp trao đổi ion... Trong đề tài này, việc tổng hợp vật liệu Pt/MCM-41, Ag/MCM-41 được thực hiện bằng phương pháp tẩm H2PtCl6 và AgNO3 lên chất nền MCM-41 sử dụng chất khử là NaBH4. Theo các tác giả [3,4] thì phản ứng oxi hóa chọn lọc glucozơ thành axit gluconic phải thực hiện trong môi trường pH=9 và điều chỉnh bằng NaOH hoặc KOH [1], với mục đích thu được sản phẩm là muối canxi gluconat nên trong nghiên cứu này dùng Ca(OH)2 vừa để điều chỉnh pH đồng thời để tạo muối canxi gluconat. Ca(OH)2 là chất rất ít tan trong nước, Ca(OH)2 là chất rất ít tan trong nước, độ tan của Ca(OH)2 trong nước ở 00C là 1,85g/l và ở 1000C là 0,77g/l, khi nhiệt độ tăng thì độ tan của Ca(OH)2 giảm. Chính vì vậy mà quá trình điều chỉnh pH bằng Ca(OH)2 là rất khó khăn nếu Ca(OH)2 bão hòa thì tốc độ phản ứng sẽ nhanh nhưng nồng độ dung dịch Ca(OH)2 bão hòa lại thấp nên điều chỉnh pH sẽ khó và tốn nhiều thể tích làm cho dung dịch loãng sẽ ảnh hưởng đến quá trình kết tinh muối canxi gluconat. Còn nếu dùng huyền phù Ca(OH)2 có nồng độ lớn thì điều chỉnh pH sẽ dễ dàng hơn, tốc độ phản ứng có thể chậm hơn nhưng hiệu quả kết tinh muối sẽ cao hơn. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Tổng hợp vật liệu MCM-41 Hoá chất: Tetraetylorthosilicat (TEOS) (Merk) Chất hoạt động bề mặt Cetyltrimetylamonibromua CTAB (Merk) Etanol (HPLC) Dung dịch NH4OH 25% Quy trình tổng hợp: Hình 7: Quy trình tổng hợp vật liệu mao quản trung bình MCM-41. Chất hoạt động bề mặt cetyltrimetylamonibromua (CTAB) được hoà tan vào nước, khuấy để tạo thành dung dịch trong suốt. Sau đó nhỏ từ từ amoniac để tạo môi trường (pH~10). Cho TEOS vào dung môi etanol, khuấy đều và nhỏ từ từ dung dịch này vào dung dịch chất hoạt động bề mặt ở trên, đồng thời khuấy mạnh trong 2 giờ ở nhiệt độ phòng. Kết quả thu được gel màu trắng đục, sau đó chuyển sản phẩm này vào già hóa trong autoclave ở 800C trong 24 giờ. Lọc rửa sản phẩm thu được bằng Etanol đến môi trường pH~7. Sản phẩm được sấy khô ở 800C trong 5 giờ và sau đó nung ở 5000C trong 4 giờ để loại chất tạo cấu trúc. Sản phẩm thu được là MCM-41 ở dạng bột mịn, xốp, màu trắng. 2.2. Tổng hợp vật liệu Pt/MCM-41 Pt được phân tán lên vật liệu nền bằng phương pháp tẩm sử dụng tiền chất Pt là axit platinic H2PtCl6.6H2O. Cân lượng chính xác ~0,5180g H2PtCl6.6H2O pha vào bình định mức 10ml dung dịch H2PtCl6 0,1M, sau đó hút ra 1ml pha loãng bằng nước cất định mức 1000ml được dung dịch H2PtCl6 10-4M. Lấy 1g chất mang MCM-41 được đưa vào 50ml dung dịch cồn tuyệt đối và khuấy đều tạo thành huyền phù. Lượng cần thiết dung dịch axit H2PtCl6 10-4M được thêm từ từ vào huyền phù trên và khuấy liên tục trong 2 giờ. Dung dịch NaBH4 trong cồn tuyệt đối được nhỏ từ từ vào huyền phù trên để khử platin về trạng thái kim loại. Toàn bộ hỗn hợp được khuấy trộn đều trong 3 giờ và duy trì nhiệt độ ở 80oC. Kết thúc quá trình, chất rắn được lọc rửa, làm khô ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ rồi sấy khô ở 800C trong 5 giờ thu được xúc tác Pt/MCM-41 ở dạng bột mịn, xốp, màu vàng. Platin được tẩm lên MCM-41 với các hàm lượng khoảng 0,5, 1,5 và 2,5%Pt so với khối lượng chất nền. Kí hiệu các mẫu lần lượt là Pt/MCM-41(0.5), Pt/MCM-41(1.5), Pt/MCM-41(2.5). 2.3. Tổng hợp vật liệu Ag/MCM-41 Cân lượng chính xác ~0,1698g AgNO3 pha vào bình định mức 10ml dung dịch AgNO3 0,1M. Hút 1ml dung dịch pha loãng bằng cồn tuyệt đối vào bình định mức 1000ml được dung dịch AgNO3 10-4M. Lấy 1g chất mang MCM-41 được đưa vào 50ml dung dịch cồn tuyệt đối và khuấy đều tạo thành huyền phù. Nhỏ từ từ lượng cần thiết AgNO3 10-4M trong cồn vào huyền phù trên. sau đó nhỏ từ từ dung dịch NaBH4 trong cồn tuyệt đối vào huyền phù trên để khử bạc về trạng thái kim loại. Hỗn hợp trên được khuấy 3 giờ ở 800C, dung dịch có màu vàng. Sau đó lọc rửa lấy chất rắn, làm khô ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, rồi sấy khô ở 800C trong 5 giờ thu được xúc tác Ag/MCM-41 dạng bột mịn, xốp, có màu vàng nhạt. Bạc được tẩm lên MCM-41 với hàm lượng khoảng 0,5% so với khối lượng chất nền. 2.4. Các phương pháp Vật lý – Hóa lý đặc trưng xúc tác 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (Powder X-ray Diffraction - XRD) Nguyên tắc Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian. Mỗi mặt mạng như một lớp phản xạ các tia X khi chúng chiếu vào các mặt này. Chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới thì mạng lưới đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Hình 8: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể. Các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt song song, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau được tính theo công thức: D = 2dsinq Trong đó: D: hiệu quang trình của hai tia phản xạ q: Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ d: Khoảng cách giữa hai mặt song song Khi các tia này giao thoa với nhau sẽ thu được các cực đại nhiễu xạ, lúc đó bước sóng l của tia X phải thoả mãn : D = 2dsinq = nl (1) Đây chính là hệ thức Vulf-Bragg, là phương trình cơ bản dùng để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Từ (1), khi biết các giá trị góc quét l,q ta có thể xác định được d. So sánh giá trị của d với d chuẩn, sẽ xác định được thành phần, cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu (vì mỗi chất có các giá trị d đặc trưng riêng). Vì thế phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu. Đối với vật liệu vi tinh thể, khoảng cách hai lớp cỡ vài chục nguyên tử, nên góc quét 2q thường lớn hơn 50; Đối với vật liệu mao quản trung bình, kích thước mao quản lớn hơn 20 Å thì góc quét 2q ≥ 0.50. Các pic ở vùng 2q thấp được định danh theo chỉ số Mille là (100), (110), (200). Pic (100) đặc trưng cho mao quản trung bình, pic (110) và (200) đặc trưng cho mức độ trật tự của vật liệu. Với hệ có cấu trúc mao quản lục lăng: Hình 9: Minh họa hình chiếu (100) của các mao quản. d100 là khoảng cách của hai lớp mao quản song song. Khoảng cách 2 tâm mao quản hay tế bào mạng là: a0 = Với các vật liệu mao quản trung bình trật tự, có thể dùng phương pháp nhiễu xạ tia X vùng góc hẹp để xác định, do chúng cấu trúc mao quản đồng đều với độ trật tự cao, cho dù thành mao quản là vô định hình. Do có đường kính mao quả rộng nên vùng quét đặc trưng cho cấu trúc MQTB thấp, có giá trị 2q từ 0-100. Đối với các oxit kim loại như Pt giá trị 2q thường từ 300 – 400. Chính vì vậy để đặc trưng hệ vật liệu nghiên cứu, sử dụng phương pháp này để đặc trưng cấu trúc trong vùng giá trị 2q từ 00 – 600, tuy nhiên hàm lượng Pt phải lớn hơn 5% mới có thể phát hiện bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Phương pháp nhiễu xạ tia X cho phép xác định được đặc trưng cho nhóm không gian của vật liệu. Đối với các mạng tinh thể khác nhau thì không phải bất cứ mặt nào cũng thấy sự phản xạ. Đối với dạng lập sáu phương xếp chặt thì phản xạ xuất hiện đối với h+2k=3N với l chẵn, h+2k=3N1 với l lẻ hoặc h+2k=3N1 với l chẵn nhưng với h+ 2k=3N và l lẻ thì phản xạ không xuất hiện. Thông số tế bào mạng a của cấu trúc tinh thế thu được bằng các phương trình phụ thuộc sau theo từng loại nhóm không gian : a=.dhkl Với nhóm không gian lục lăng p6mm của MCM-41 thì: Qhkl = Đối với dạng lục lăng thì a = Thực nghiệm: Phổ XRD đựơc ghi trên máy VNU - SIMENS - 5005, với ống phát tia X bằng đồng với bước sóng Ka = 1,5406 Å, góc quét 2q tương ứng với mỗi chất, tốc độ quét 0,2 0/s tại khoa Hóa học và khoa Vật lý của trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội. 2.4.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) Nguyên tắc: Một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện từ tiêu tụ thành một điểm rất nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu. Khi các điện tử của chùm tia tới va chạm với các nguyên tử ở bề mặt vật rắn thì có nhiều hiệu ứng xảy ra. Từ điểm ở bề mặt mẫu mà chùm điện tử chiếu đến, có nhiều loại hạt, loại tia được phát ra gọi chung là các loại tín hiệu. Mỗi loại tín hiệu phản ánh một đặc điểm của mẫu tại thời điểm được điện tử chiếu đến (số lượng điện tử thứ cấp phát ra phụ thuộc độ lồi lõm ở bề mặt mẫu, số điện tử tán xạ ngược phát ra phụ thuộc nguyên tử số Z, bước sóng tia X phát ra phụ thuộc nguyên tử ở mẫu là nguyên tố nào…). Cho chùm điện tử quét lên mẫu, và quét một cách đồng bộ một tia điện tử trên một màn hình. Thu và khuếch đại một loại tín hiệu nào đó từ mẫu phát ra để làm thay đổi cường độ sáng của tia điện tử quét trên màn hình, ta thu được ảnh. Nếu thu tín hiệu ở mẫu là điện tử thứ cấp ta có kiểu ảnh điện tử thứ cấp, độ sáng tối trên ảnh cho biết độ lồi lõm trên bề mặt mẫu. Với các mẫu dẫn điện, chúng ta có thể thu trực tiếp điện tử thứ cấp của mẫu phát ra, còn với các mẫu không dẫn điện chúng ta phải tạo trên bề mặt mẫu một lớp kim loại (thường là vàng hoặc platin). Trong kính hiển vi điện tử quét có dùng các thấu kính, nhưng chỉ để tập trung chùm điện tử thành điểm nhỏ chiếu lên mẫu chứ không dùng thấu kính để phóng đại. Cho tia điện tử quét trên mẫu với biên độ nhỏ d (cỡ micromet) còn tia điện tử quét trên màn hình với biên độ lớn D (tuỳ theo kích thước màn hình), ảnh có độ phóng đại D/d. ảnh được phóng đại theo phương pháp này thì mẫu không cần phải cắt lát mỏng và phẳng, cho phép quan sát được mẫu kể cả khi bề mặt mấp mô. Độ phóng đại của kính hiển vi điện tử quét thông thường từ vài chục ngàn đến vài trăm ngàn lần, năng suất phân giải phụ thuộc vào đường kính của chùm tia chiếu hội tụ trên mẫu. Với sóng điện tử thông thường (dây sợi đốt hình chữ V), năng suất phân giải là 5 nm đối với ảnh bề mặt bằng cách thu điện tử thứ cấp, do đó cho ta thấy được các chi tiết thô trong công nghệ nano. Thực nghiệm Mẫu được đo bằng máy hiển vi điện tử quét (SEM) Jeol 5410 LV, với độ phóng đại 200 000 lần, tại phòng hiển vi điện tử quét thuộc khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà nội. 2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy - TEM) Nguyên tắc: Phương pháp dựa trên việc sử dụng chùm tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu. Chùm tia được tạo ra từ catot qua hai “tụ quang” điện tử sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện tử truyền qua. Các điện tử truyền qua này được đi qua điện thế gia tốc rồi vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu ánh sáng, tín hiệu được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh. Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn. Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử phát ra tới bộ thu và phụ thuộc vào hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu. Phương pháp TEM được sử dụng trong nghiên cứu các đặc trưng bề mặt, xác định hình dạng mao quản vật liệu. Do vậy, đây là phương pháp có hiệu quả trong các quá trình đặc trưng tính chất vật liệu xúc tác. Thực nghiệm Ảnh TEM của mẫu được chụp ở hiệu điện thế 80,0 KV trên thiết bị Jeol 1010 tại phòng Hiển vi điện tử, Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương, có độ phóng đại ảnh từ 300000 đến 600000 lần. 2.4.4. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ (Adsorption and Desorption). Khi sử dụng chất bị hấp phụ là N2, diện tích bề mặt của chất bị hấp phụ được xác định dựa trên các đường đẳng nhiệt hấp phụ BET (trong khoảng áp suất tương đối P/Po< 0.35 ) thep phương trình sau: Trong đó: : thể tích hấp phụ đơn lớp (cm3) : khối lượng chất hấp phụ (g) Thể tích hấp phụ đơn lớp () được xác định từ phương trình BET (S. Brunauer, P. Emmett và E. Teller) đưa ra. Phương trình BET được ứng dụng trong thực tế dưới dạng: xây dựng đồ thị ta được đường thẳng ở trong khoảng . Từ giá trị góc nghiêng của đường thẳng và toạ độ đường thẳng cắt trục tung, sẽ xác định được và . Tuy nhiên, trong một số trường hợp khó thu thập được một loạt các giá trị V phụ thuộc vào áp suất tương đối hoặc để đơn giản, người ta chỉ lấy 1 giá trị ở gần giới hạn trên của đường thẳng và thừa nhận giá trị hay . Khi đó, độ dốc của đường thẳng biểu diễn sự phụ thuộc của theo phương trình BET trong khoảng thay đổi không đáng kể. Nếu , thì . Trong trường hợp này phương trình BET có dạng: Đây chính là phương trình BET mà cách xác định Vm chỉ cần một điểm. Sự phân bố thể tích mao quản theo kích thước mao quản gọi là sự phân bố kích thước mao quản. Người ta thường sử dụng đường đẳng nhiệt giải hấp hơn là đường đẳng nhiệt hấp phụ để tính toán sự phân bố kích thước mao quản của chất hấp phụ. Đối với cùng một thể tích khí, đường đẳng nhiệt giải hấp ở áp suất thấp tương ứng với trạng thái năng lượng tự do thấp. Do đó đường đẳng nhiệt giải hấp gần với độ bền nhiệt động thực hơn. Do nitơ được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu sự hấp phụ của chất khí nên nó có những tính chất đặc trưng riêng và là chất bị hấp phụ phổ biến nhất để xác định sự phân bố kích thước mao quản. Thực nghiệm Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ–giải hấp N2 được ghi trên máy Micromerictics 3021 ở phòng thí nghiệm nghiên cứu sản phẩm dầu thô và lọc dầu, khoa công nghệ trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Quá trình hấp phụ ở nhiệt độ -1960C (77 K); áp suất 770 mmHg; lưu lượng khí mang 25 ml/phút. Mẫu được xử lí chân không ở 2000C trong 6h trước khi đo. 2.4.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive Spectroscopy – EDS hay EDX) Nguyên tắc: Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS hay EDX) là một kĩ thuật phân tích được sử dụng để phân tích nguyên tố hoặc mô tả hoá học một mẫu. Phổ này là một dạng của quang phổ và dựa trên tương tác của bức xạ điện từ và vật chất, sau đó phân tích các tia X phát ra từ vật chất trong quá trình tương tác với bức xạ điện từ. Khả năng mô tả của phổ này dựa trên nguyên lý cơ bản là mỗi nguyên tố có một cấu trúc nguyên tử hình học duy nhất, do đó cho phép các tia X có thể mô tả được cấu trúc điện tử của một nguyên tố và xác định được nguyên tố đó. Để mô phỏng sự phát xạ tia X của một mẫu vật, một chùm hạt tích điện có năng lượng cao, chẳng hạn như các electron hay các proton, hoặc một chùm tia X, được tập trung vào mẫu nghiên cứu. Bình thường thì một nguyên tử trong mẫu chứa các electron trạng thái thấp (hay không hoạt hoá) ở các mức năng lượng riêng biệt hay trong các lớp vỏ electron bao quanh hạt nhân. Chùm tới này có thể hoạt hoá một electron trong một lớp vỏ bên trong, tách chúng ra khỏi lớp vỏ đồng thời tạo nên một lỗ trống electron ở chỗ electron vừa tách ra. Một electron ở lớp vỏ ngoài, tức là lớp vỏ năng lượng cao hơn, sau đó sẽ làm đầy lỗ trống, và tạo nên sự khác nhau về mặt năng lượng giữa lớp vỏ năng lượng cao hơn và lớp vỏ năng lượng thấp hơn, và phát ra dưới dạng tia X. Tia X vừa giải phóng ra bởi electron sau đó sẽ được phát hiện và phân tích bởi một quang phổ kế tán xạ năng lượng. Những tia X này có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley[27] Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về hàm lượng các nguyên tố này. Thực nghiệm: Phổ EDS được ghi trên máy Varian Vista Ax ở khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội. 2.4.6. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Phương pháp phân tích phổ hấp thu nguyên tử dùng để phân tích lượng nhỏ (lượng vết) các kim loại trong các lọai mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu cơ. Gần 60 nguyên tố hóa học có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy rất cao cỡ ppm với kĩ thuật F-AAS và đặc biệt khi sử dụng phương pháp ion hóa không ngọn lửa (ETA-AAS) độ nhạy có thể lên đến ppb. Một số á kim ở giới hạn nồng độ cỡ ppm đến nồng độ ppb. Nguyên tắc: Trong điều kiện bình thường nguyên tử không thu và cũng không phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ. Lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. Đó là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng nhất của nguyên tử. Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng có những bước sóng (tần số) xác định vào đám hơi nguyên tử đó, thì các nguyên tử đó sẽ hấp thu các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ của nó. Lúc này nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nó và nó chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Đó là tính chất đặc trưng cuả nguyên tử ở trạng thái hơi. Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thu năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử cuả nguyên tố đó. Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thu nguyên tử. Để phân tích định lượng hàm lượng kim loại trong mẫu người ta đo độ hấp thụ nguyên tử sau đó so sánh với đồ thị đường chuẩn trong khoảng tuyến tính sự phụ thuộc độ hấp thụ vào nồng độ: A= K.C. Nếu độ hấp thụ nằm ngoài đường chuẩn thì người ta lại pha loãng để đạt đến nồng độ nằm trong đường chuẩn (nếu nồng độ kim loại lớn) hoặc bằng phương pháp làm giầu (nếu nồng độ kim loại nhỏ) khi đó dựa vào đồ thị đường chuẩn ta có thể xác định được hàm lượng của kim loại trong mẫu. Thực nghiệm: Hàm lượng % của Ca được phân tích bằng kĩ thuật F-AAS với vùng tuyến tính là 0.0 - 1.0 mg/kg tại Khoa Hóa Học, trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG HN. Hàm lượng % của Pt được phân tích bằng kĩ thuật F-AAS trên thiết bị AA6800 (Shimazu-Nhật Bản) tại phòng phân tích chất lượng môi trường – Viện Công Nghệ Môi Trường, Viện Khoa Học và Công Nghệ VN. 2.5. Tổng hợp muối canxi gluconat bằng quá trình oxi hóa glucozơ trên xúc tác Pt/MCM-41 và Ag/MCM-41 2.5.1. Thực hiện phản ứng a. Hoá chất: - D-glucozơ - Xúc tác Pt/MCM-41; Ag/MCM-41 - Ca(OH)2 b. Dụng cụ: - Máy khuấy từ - Sinh hàn - Hệ điều nhiệt - Nhiệt kế - Bình cầu 3 cổ 100ml - Các Pipet với các thể tích khác nhau. - Máy đo pH - Flow Meter 110 AC c. Quy trình thực hiện: Phản ứng được thực hiện ở pha lỏng trong bình cầu 3 cổ dung tích 100ml. Dung dịch glucozơ ban đầu có nồng độ 1,6 M được điều chỉnh đến pH=9 bằng Ca(OH)2. Tác nhân oxi hóa là oxi không khí, tốc độ dòng khí được điều chỉnh bằng thiết bị Flow Meter 110 AC. Ca(OH)2 được dùng để điều chỉnh pH=9 trong thời gian phản ứng đồng thời để tạo muối canxi gluconat. Sơ đồ thiết bị phản ứng được trình bày như hình 10: Hình 10: Sơ đồ hệ thiết bị phản ứng oxi hóa glucozơ 2.5.2. Phân tích sản phẩm canxi gluconat bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): 1H-NMR và 13C-NMR Nguyên tắc: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân là một phương pháp vật lí hiện đại nghiên cứu cấu tạo các hợp chất hữu cơ, phương pháp phổ biến được sử dụng là phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H và 13C. Hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương và luôn luôn tự quay quanh mình nó, khi quay như vậy nó sinh ra momen quán tính gọi là momen spin hạt nhân P và momen từ μ, đồng thời với mỗi hạt nhân nguyên tử còn được đặc trưng bởi số lượng tử spin I và I có các giá trị 0,…tùy theo mỗi loại hạt nhân nguyên tử. Ngoài ra, mỗi loại hạt nhân nguyên tử còn được đặc trưng bởi số lượng tử từ mI. Các hạt nhân nguyên tử 1H và 13C có số lượng tử spin hạt nhân I = và số lượng tử từ mI = và mI = , khi đặt chúng vào trong từ trường của nam châm thì các spin này sẽ quay hướng ngược chiều nhau và chiếm hai mức năng lượng khác nhau có hiệu số là: E = hν = hay ν = Ở đây, E là năng lượng ν là tần số cộng hưởng, B0 là cường độ từ trường của nam châm, γ là hệ số từ thẩm, mỗi hạt nhân có các giá trị khác nhau như γ(1H) ≈ 4 γ(13C). Do hiệu ứng chắn từ khác nhau nên các hạt nhân 1H và 13C trong phân tử có tần số cộng hưởng khác nhau. Đặc trưng cho các hạt nhân 1H, 13C trong phân tử là giá trị độ chuyển dịch hóa học δ, đối với hạt nhân 1H thì: Với σTMS là hằng số chắn của chất chuẩn tetrametylsilan (TMS), σH là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt nhân mẫu đo. νTMS và νH là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt nhân mẫu đo. Hằng số chắn xuất hiện do ảnh hưởng của đám mây electron bao quanh hạt nhân nguyên tử, do đó, tùy theo vị trí của hạt nhân 1H và 13C trong phân tử khác nhau mà mật độ electron bao quanh nó khác nhau dẫn đến chúng có các giá trị hằng số chắn σ khác nhau và do đó độ chuyển dịch hóa học của mỗi hạt nhân khác nhau. Đối với phổ 1H-NMR thì δ có các giá trị từ 1 đến 12 ppm, còn phổ 13C-NMR thì δ có các giá trị từ 0 đến 220ppm. Sự xuất hiện độ bội đỉnh trên phổ là do sự tương tác của các proton ở cạnh nhau. Mỗi proton giống như một nam châm nhỏ, nó sinh ra hai từ trường phụ ngược chiều nhau tác dụng lên proton ở bên cạnh làm phân tách mức năng lượng của từ trường ngoài tác dụng lên proton đó, kết quả là sinh ra tín hiệu bội, sự phân tách mức năng lượng thế nào phụ thuộc vào số proton ở mỗi nhóm. (tương tác spin-spin). Với phổ 1H-NMR, từ giá trị δ, ta có thể biết tương tác giữa hidro với nguyên tử C nào, tức là sẽ xác định được tỷ lệ proton ở mỗi nhóm. Ta sử dụng đường cong tích phân để xác định tỷ lệ proton vì chiều cao của bậc thang tỷ lệ với số proton ở mỗi nhóm. Vì tất cả các hợp chất hữu cơ đều chứa nguyên tử cacbon nên phổ 13C-NMR có ý nghĩa quan trọng và cho nhiều thông tin hơn phổ 1H-NMR, ở các hợp chất hữu cơ không chứa hidro thì không có tín hiệu trong phổ 1H-NMR nhưng nó cho tín hiệu của phổ 13C-NMR. Sản phẩm được phân tích bằng phổ 1H-NMR và 13C-NMR để xác định sự tạo thành của muối canxi gluconat. Thực nghiệm: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR và 13C-NMR được ghi trên thiết bị Bruker avance 500 spectrometer. Chuẩn nội TMS tetrametylsilan, độ chuyển dịch hóa học biểu thị bằng ppm, tần số tính theo Hz. Dung môi: D2O. Tại phòng phổ cộng hưởng từ hạt nhân - Viện Hóa học - Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. 2.5.3. Phân tích sản phẩm canxi gluconat bằng phổ khối lượng (MS) Nguyên tắc Khi cho các phân tử ở trạng thái khí va chạm với một dòng electron có năng lượng cao thì từ các phân tử sẽ bật ra một hay hai electron và nó trở thành các ion có điện tích +1(chiếm tỷ lệ lớn) gọi là ion gốc hay ion phân tử. Nếu các ion phân tử tiếp tục va chạm với dòng electron có năng lượng cao thì chúng sẽ bị phá vỡ thành nhiều mảnh ion, thành các gốc hoặc các phân tử trung hòa khác nhau, được gọi là quá trình phân mảnh. Thực nghiệm Phổ khối lượng được đo trên máy Aglient 1100 series LC/MSD Trap SL ở phòng GC-MS, Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 2.5.4. Phân tích sản phẩm canxi gluconat bằng phổ hồng ngoại(IR) Nguyên tắc Khi chiếu một chùm tia đơn sắc có bước sóng nằm trong vùng hồng ngoại qua mẫu phân tích, một phần năng lượng bị hấp thụ làm giảm cường độ tia tới. Sự hấp thụ này tuân theo định luật Lambert-Beer. A= lgI0/ I =elC (1) Trong đó: A: mật độ quang T=I0/I: độ truyền qua e: hệ số hấp thụ l: chiều dày cuvét C: nồng độ chất nghiên cứu ( mol/l) Phương trình (1) là phương tình cơ bản cho các phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng như phân tử. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang và chiều dài bước sóng kích thích gọi là phổ. Một số phân tử khi dao động có gây ra sự thay đổi mômen lưỡng cực điện,có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại để cho hiệu ứng phổ hồng ngoại hay (phổ dao động).Theo quy tắc này, các phân tử có hai nguyên tử giống nhau không cho hiệu ứng phổ hồng ngoại . Khi tần số dao động của nhóm nguyên tử nào đó trong phân tử ít phụ thuộc vào các thành phần còn lại của phân tử thì tần số dao động đó đựơc gọi là tần số đặc trưng cho nhóm đó. Các tần số đặc trưng cho nhóm (hay còn gọi là tần số nhóm) thường được dùng để phát hiện các nhóm chức trong phân tử. Dựa vào tần số đặc trưng, cường độ pic trong phổ hồng ngoại, người ta có thể phán đoán trực tiếp về sự có mặt của các nhóm chức, các liên kết xác định trong phân tử nghiên cứu, từ đó xác định được cấu trúc của chất nghiên cứu. Thực nghiệm Mẫu được chụp phổ hồng ngoại ghi trên máy FT-IR - GX (Perkin Elmer) tại Khoa Hóa - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội. Mẫu được đo bằng kĩ thuật chụp phản xạ khuyếch tán, bột mẫu phân tích được trộn với chất nền KBr với tỉ lệ 2-5% mẫu/KBr, đo trong vùng 400-4000 cm-1. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc trưng xúc tác bằng các phương pháp Vật lý – Hóa lý hiện đại 3.1.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Phương pháp nhiễu xạ tia X cho phép xác định các thông số cấu trúc mạng d100 và hằng số tế bào a0 (a0=2d100/Ö3). Đây là các thông số quan trọng của vật liệu mao quản trung bình. Đối với các vật liệu mao quản trung bình, pic nhiễu xạ đặc trưng nằm trong vùng góc hẹp từ 2q = 2 – 5. Trên giản đồ nhiễu xạ thấy xuất hiện một pic có cường độ lớn ở 2q = 2.20 ứng với khoảng cách giữa hai mặt phản xạ d100 = 41.152 Å và pic còn lại có cường độ nhỏ xuất hiện ở góc 2q = 3.70, ở vùng góc lớn không thấy xuất hiện pic phản xạ. Điều này chứng tỏ vật liệu MCM-41 thu được có mao quản trung bình trật tự và dạng mao quản lục lăng. Khoảng cách 2 tâm mao quản a0 = = 4,7518 (nm). Hình 11: Nhiễu xạ đồ của vật liệu MCM-41 Sau khi phân tán platin lên MCM-41, có các pic xuất hiện ở vùng góc nhỏ, vùng đặc trưng cho vật liệu mao quản trung bình trật tự (hình 12). Sự xuất hiện d100 ở góc 2θ = 2,2 vẫn bảo toàn tính chất mao quản chứng tỏ có khả năng Pt nano ở bên trong mao quản. Pt tinh thể có pic nhiễu xạ đặc trưng ở vùng 2θ từ 30 – 400, việc đưa một lượng Pt nhỏ nên chưa phát hiện được đặc trưng của Pt trên giản đồ nhiễu xạ Rơnghen. . Hình 12: Phổ XRD của Pt/MCM-41 Đối với mẫu Ag sau khi phân tán trên MCM-41, vẫn có các pic xuất hiện ở vùng góc nhỏ, vùng đặc trưng cho vật liệu mao quản trung bình trật tự (hình 13). Sự xuất hiện d100 ở góc 2 θ = 2,2 vẫn bảo toàn tính chất mao quản và khoảng cách giữa 2 tâm mao quản đã giảm đi khi chụp nhiễu xạ ở cùng điều kiện. Giá trị d100 của Ag/MCM-41 (37,03) đã thấp hơn giá trị d100 của vật liệu MCM-41 (41,15). Điều này chứng tỏ việc phân tán Ag bằng phương pháp tẩm sử dụng chất khử NaBH4 đã tạo được các hạt Ag kích thước nhỏ được phân tán trong mao quản MCM-41. Hình 13: Phổ XRD của Ag/MCM-41(0.5) 3.1.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) được chụp trên máy Jeol 5410 LV, với độ phóng đại 200 000 lần, tại phòng hiển vi điện tử quét thuộc khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà nội. Hình 14: Ảnh SEM của vật liệu Pt/MCM-41(0.5) Trên hình ảnh SEM cho thấy mẫu Pt/MCM-41(0.5) có dạng hình cầu kích thước cỡ 1µm và phân tán tương đối đồng đều 3.1.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Hình ảnh hiển vi điện tử cho các kết quả quan trọng về tính chất bề mặt của vật liệu nền và kích thước hạt kim loại phân tán trên chất nền. Do vậy, đây là phương pháp đặc trưng rất hiệu quả trong quá trình nghiên cứu cấu trúc bề mặt vật liệu xúc tác. Hình 15: Ảnh TEM của vật liệu MCM-41 Trên ảnh chụp TEM của mẫu vật liệu MCM-41 (hình 15 ) ta thấy rõ vật liệu có mao quản lục lăng với kích thước mao quản trung bình và độ trật tự, độ đồng đều cao. Vật liệu MCM-41 có đường kính mao quản khoảng 4-5 nm, bề dày thành mao quản khoảng 1 nm, do đó vật liệu có độ bền cao. Khi phân tán platin lên nền MCM-41 với các nồng độ platin là 0,5%, 1,5% và 2,5%, trên ảnh TEM (hình 16) cho thấy các vùng đậm là do các hạt platin có kích thước nhỏ được phân tán vào bên trong mao quản làm cho thành của mao quản dày hơn, và đậm hơn, điều này chứng tỏ kích thước của các hạt platin tạo thành rất nhỏ (nhỏ hơn 4-5nm) thì mới có thể đi vào bên trong mao quản của MCM-41. (a) (b) (c) Hình 16: Ảnh TEM của mẫu vật liệu Pt/MCM-41(0.5)(a), Pt/MCM-41(1.5) (b) và Pt/MCM-41(2.5)(c) Tuy nhiên sự phân bố của platin phụ thuộc vào hàm lượng của nó. Hình 16(a) là ảnh TEM của mẫu vật liệu Pt/MCM-41(0.5) với lượng platin phân tán lên là 0,5% theo tính toán thì hầu hết lượng platin được phân bố vào bên trong mao quản và platin đều ở trạng thái kích thước nhỏ, không thấy xuất hiện các hạt platin phân tán trên thành mao quản. Với mẫu mang 1,5%Pt (hình 16 (b)) thì platin tồn tại ở các trạng thái kích thước khác nhau, có một phần platin ở bên ngoài mao quản tạo thành cụm cluster có kích thước không đồng đều nhưng đều dưới 10nm, còn một phần platin nằm bên trong mao quản thì có kích thước nhỏ. Khi tiếp tục tăng hàm lượng platin lên 2,5% thì platin phân tán ở phía ngoài mao quan ngày càng nhiều hơn và kích thước lớn hơn có hạt kích thước đến 20 nm (hình 16 (c)). Hình 17: Ảnh TEM của mẫu vật liệu Ag/MCM-41(0.5) Đối với mẫu Ag/MCM-41(0.5) trên ảnh TEM không thấy các hạt Ag phân tán trên bề mặt mao quản và có các vùng đậm chứng tỏ có thể Ag nano đã phân tán vào bên trong mao quản. 3.1.4. Phương pháp hấp phụ - giải hấp Nitơ (BET) Một phương pháp khác thường được sử dụng để phân tích các vật liệu mao quản trung bình là phương pháp hấp phụ - giải hấp phụ nitơ. Qua các đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ ta sẽ có được các thông tin về diện tích bề mặt, tổng thể tích mao quản rỗng, đường kính mao quản trung bình và sự phân bố mao quản của các vật liệu. Trong khoảng áp suất tương đối P/P0 > 1 như sau: . Khi vẽ đồ thị diện tích BET phụ thuộc vào (đồ thị này là đường thẳng) thì từ hệ số góc của đường thẳng ta sẽ có giá trị Vm. Diện tích bề mặt BET lớn là một thông số rất đặc trưng của vật liệu mao quản trung bình. Hình 18, 19, 20 là giản đồ hấp thụ -giải hấp N2 và sự phân bố mao quản của các mẫu MCM-41, Pt/MCM-41(0.5), Ag/MCM-41(0.5). Hình 18: Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ N2 và phân bố mao quản của mẫu MCM-41 Hình 19: Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ N2 và phân bố mao quản của mẫu Pt/MCM-41(0.5) Hình 20: Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ N2 và phân bố mao quản của mẫu Ag/MCM-41(0.5) Các đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ này đặc trưng cho các vật liệu có cấu trúc mao quản trung bình có trật tự cao. Khi so sánh khoảng cách vòng trễ giữa đồ thị trên có thể thấy khoảng cách vòng trễ của hai mẫu vật liệu Pt/MCM-41(0.5) và Ag/MCM-41(0.5) rộng hơn (nói cách khác là quá trình lấp đầy và làm trống mao quản xảy ra trên một khoảng rộng hơn, áp suất tương đối nhỏ hơn) so với khoảng cách vòng trễ của mẫu vật liệu MCM-41. Mặt khác áp suất ngưng tụ và bay hơi mao quản tỉ lệ thuận với đường kính mao quản nên ở đây ta có thể dự đoán đường kính mao quản trung bình của hai mẫu Pt/MCM-41(0.5) và Ag/MCM-41(0.5) sẽ nhỏ hơn của mẫu MCM-41. Thực vậy, từ kết quả của phương pháp hấp phụ - khử hấp phụ nitơ có bảng số liệu sau: Bảng 4: So sánh các thông số từ kết quả của phương pháp hấp phụ-giải hấp phụ nitơ của ba vật liệu MCM-41, Pt/MCM-41(0.5) và Ag/MCM-41(0.5) Mẫu Các thông số Ag/MCM-41(0.5) MCM-41 Pt/MCM-41(0.5) SBET (m2/g) 281,16 422,77 265,00 Vt (cm3/g) 0,35 0,72 0,40 SBET : Diện tích bề mặt của vật liệu Vt : Tổng thể tích rỗng của vật liệu Qua bảng 4 nhận thấy giá trị diện tích bề mặt BET của hai mẫu vật liệu Pt/MCM-41(0.5), Ag/MCM-41(0.5) nhỏ hơn khá nhiều so với diện tích bề mặt BET của MCM-41. Nguyên nhân là do khi platin, bạc xâm nhập vào trong mao quản, làm tăng tỉ trọng của vật liệu ban đầu lên. Mặt khác tổng thể tích mao quản rỗng của hai vật liệu Pt/MCM-41(0.5), Ag/MCM-41(0.5) cũng giảm đi so với của vật liệu MCM-41, chứng tỏ có các hạt nano platin, nano bạc nằm trong mao quản, làm cho thể tích mao quản rỗng giảm xuống. Từ các kết quả hấp phụ giải hấp N2, TEM có thể khẳng định sự phân tán thành công các hạt nano platin và nano bạc vào bên trong mao quản của chất nền MCM-41. 3.1.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive Spectroscopy -EDS hay EDX) Để xác nhận sự tồn tại của các hạt platin, bạc ở bên trong mao quản của vật liệu mao quản trung bình, các mẫu vật liệu Pt/MCM-41(0.5), Ag/MCM-41(0.5) được phân tích bằng phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS). Hình 21: Phổ EDS của mẫu Pt/MCM-41(0.5) Hình 22: Phổ EDS của mẫu Ag/MCM-41(0.5) Kết quả xác định hàm lượng Pt, Ag trong mẫu theo EDS Mẫu % đưa vào % tính theo EDS % Pt %Ag Pt/MCM-41(0.5) 0,5% 0,41 Ag/MCM-41(0.5) 0,5% 0,45 Kết quả định lượng EDS của hai mẫu trên: 0,41% platin về khối lượng với mẫu Pt/MCM-41(0.5) và 0,45% bạc về khối lượng với mẫu Ag/MCM-41(0.5). 3.1.6. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) cho ta biết được hàm lượng của kim loại trong mẫu dựa vào đồ thị đường chuẩn. Bảng 5: Hàm lượng Pt xác định theo phương pháp AAS Mẫu %Pt đưa vào % Pt theo AAS Pt/MCM-41(0.5) 0,5% 0,4 Pt/MCM-41(1.5) 1,5% 1,39 Như vậy hàm lượng platin tính theo phương pháp AAS là 0,4% với mẫu Pt/MCM-41(0.5) và 1,39% với mẫu Pt/MCM-41(1.5). Kết quả trên cho thấy xác định hàm lượng Pt theo hai phương pháp EDS và AAS trong mẫu Pt/MCM-41(0.5) là tương đương nhau. 3.2. Tổng hợp muối canxi gluconat bằng quá trình oxi hóa glucozơ trên xúc tác Pt/MCM-41 3.2.1. Điều kiện phản ứng để tạo muối canxi gluconat[3] Trong phân tử glucozơ chứa một nhóm andehit, một nhóm ancol bậc 1 và nhiều nhóm ancol bậc 2 nên có nhiều trung tâm phản ứng, vì thế sự oxi hoá glucozơ là một phản ứng phức tạp và khó kiểm soát. Tuỳ thuộc vào các điều kiện pH môi trường phản ứng, nhiệt độ.… mà phản ứng có thể xảy ra theo nhiều chiều hướng khác nhau, tại các vị trí khác nhau. Nếu không điều chỉnh pH trong môi trường axit tự sinh có thể xảy ra các phản ứng phụ như đehydrat hóa, đecacboxylic, cắt mạch, ngưng tụ tạo thành dime, trime…. còn trong môi trường kiềm thì lại xảy ra các phản ứng phụ như là phản ứng đồng phân hóa tạo ra fructozơ, phản ứng canizaro... Điều kiện thích hợp cho phản ứng oxi hóa chọn lọc glucozơ thành axit gluconic trên xúc tác 1%Pt/MCM-41 là ở pH=9, nhiệt độ phản ứng 800C, tốc độ dòng không khí là 20 ml/phút[3]. Khi áp dụng điều kiện này trên xúc tác Pt/MCM-41(0.5), sản phẩm được phân tích bằng phương pháp HPLC-RID [2,20,23,26,30,34] kết quả trên hình 23 và bảng 6: Hình 23: HPLC-RID phản ứng oxi hóa glucozơ trên xúc tác Pt/MCM-41(0.5) ở nhiệt độ 800C, pH=9, tốc độ dòng không khí 20 ml/phút Bảng 6: Sản phẩm phản ứng oxi hóa glucozơ trên xúc tác Pt/MCM-41(0.5) ở nhiệt độ 800C, pH=9, tốc độ dòng không khí 20 ml/phút Xúc tác Độ chuyển hoá (%) Sản phẩm chuyển hóa (%) Axit gluconic Các sản phẩm khác Pt/MCM-41(0.5) 76.36 100 0.00 Phản ứng oxi hóa glucozơ trên xúc tác Pt/MCM-41(0.5) sảy ra chọn lọc với axit gluconic (100%) ở điều kiện nhiệt độ 800C, pH=9, tốc độ dòng không khí là 20 ml/phút. Do vậy các điều kiện trên thích hợp cho quá trình tổng hợp muối canxi gluconat, các nghiên cứu tiếp theo sẽ nghiên cứu phản ứng ở điều kiện này. 3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Ca(OH)2 Trong đề tài này nghiên cứu điều chế canxi gluconat từ quá trình oxi hóa glucozơ sử dụng xúc tác Pt/MCM-41 trong quá trình phản ứng phải điều chỉnh pH môi trường phản ứng về 9 [3,4], nên dùng Ca(OH)2 để điều khiển pH đồng thời phản ứng với axit gluconic sinh ra để tạo muối canxi gluconat. Ban đầu dùng dung dịch Ca(OH)2 bão hòa (nồng độ khoảng 0,065M) để điều chế muối canxi gluconat. Hoà tan 6,4 gam glucozơ monohydrat vào trong 20ml nước. Chuyển vào bình phản ứng có chứa xúc tác Pt/MCM-41(0.5). Tốc độ dòng không khí là 20 ml/phút được điều chỉnh bằng Flow-Meter 110, đồng thời ổn định nhiệt độ ở 800C. Điều chỉnh pH đến 9 bằng cách nhỏ từ từ dung dịch Ca(OH)2 bão hòa và thực hiện phản ứng oxi hoá glucozơ. Theo thời gian, axit sinh ra làm pH của dung dịch phản ứng giảm dần, vì vậy trong thời gian phản ứng, liên tục nhỏ từ từ Ca(OH)2 bão hòa để ổn định pH ở 9. Thể tích Ca(OH)2 bão hòa tiêu tốn là 64,5 ml. Lọc lấy dung dịch phản ứng vào cốc 250ml. Thêm 140ml cồn tuyệt đối vào, để yên trong 12 giờ canxi gluconat kết tinh ở đáy cốc. Lọc lấy kết tủa trắng. Để khô trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng. Tiến hành tinh chế lại, sau đó sấy khô sản phẩm ở 700C trong 12 giờ thu được 0,8g bột canxi gluconat màu trắng. Để đánh giá nhanh sản phẩm canxi gluconat, sản phẩm được phân tích bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử (AAS). Từ đó tính hàm lượng canxi gluconat theo hàm lượng canxi rồi đánh giá theo tiêu chuẩn Dược điển Mỹ USP 30. Phân tích hàm lượng canxi theo AAS được kết quả: 82,0 (mg/g). Hàm lượng Ca lý thuyết trong muối C12H22O14Ca.H2O: %Calt = = 89,38 (mg/g) Vậy hàm lượng muối canxi gluconat (P%) thu được: Cách tính hiệu suất phản ứng theo glucozơ: mcanxi gluconat (lt)= Bảng 7: Kết quả điều chế canxi gluconat khi dùng Ca(OH)2 bão hoà  Xúc tác VCa(OH)2bh (ml) mCaG (g) H (%) HLg Ca (AAS) HLg canxi gluconat theo AAS t0nc Pt/MCM-41(0.5) 64,5ml 0,8 11,05 82,0 91,74 121-1230C Khi dùng dung dịch Ca(OH)2 bão hòa để điều chỉnh pH và điều chế muối canxi gluconat thì cần thể tích rất lớn (64,5ml) do vậy mà làm cho hỗn hợp phản ứng bị pha loãng. Dung dịch loãng làm cho khả năng kết tinh của muối canxi gluconat kém. Kết quả xác định nhiệt độ nóng chảy của canxi gluconat thu được t0nc=121-1230C cao hơn nhiệt độ nóng chảy của canxi gluconat (1200C) ở đây có thể giải thích là do bị lẫn axit gluconic (t0nc=1310C) nên nhiệt độ nóng chảy cao hơn và hàm lượng canxi gluconat đạt P%=91,74%. Như vậy dung dịch Ca(OH)2 bão hòa không thích hợp để điều chế canxi gluconat, do vậy tiến hành khảo sát với huyền phù Ca(OH)2. Pha 6g Ca(OH)2 vào 100ml nước cất tạo huyền phù Ca(OH)2 60g/l. Sau đó dùng huyền phù Ca(OH)2 tiến hành phản ứng điều chế muối canxi gluconat tương tự như Ca(OH)2 bão hòa. Kết quả tiêu tốn hết 16,8 ml huyền phù Ca(OH)2 và sau khi tinh chế lại thu được 5,24g muối canxi gluconat. Kết quả phân tích hàm lượng canxi theo AAS được 88,47 (mg/g). Bảng 8: Kết quả điều chế canxi gluconat khi dùng huyền phù Ca(OH)2  Xúc tác VCa(OH)2(hp) (ml) mCaG (g) H (%) HLg Ca (AAS) HLg canxi gluconat theo AAS t0nc Pt/MCM-41(0.5) 16,8 5,24 72,37 85,96 98,98 118-1200C Từ bảng 8 cho thấy khi dùng huyền phù Ca(OH)2 thể tích tiêu tốn (16,8ml) ít hơn rất nhiều khi dùng Ca(OH)2 bão hòa (64,5ml), nên dung dịch ít bị pha loãng, do vậy mà khả năng kết tinh của muối canxi gluconat trong trường hợp này tốt hơn. Khi dùng huyền phù Ca(OH)2 thì kết tinh thu được 5,24g canxi gluconat, hiệu suất tính theo glucozơ là 72,37%. Còn khi dùng Ca(OH)2 bão hòa thì hiệu quả kết tinh kém hơn chỉ thu được 0,8g canxi gluconat, hiệu suất tính theo glucozơ đạt 11,05%. Đối với trường hợp huyền phù Ca(OH)2 thì hàm lượng canxi gluconat đạt 98,98% thỏa mãn tiêu chuẩn Dược điển Mỹ USP 30 (98-102%). Kết quả xác định điểm chảy (t0nc=118-1200C) gần với nhiệt độ nóng chảy của canxi gluconat (t0nc=1200C). Như vậy khảo sát ảnh hưởng của phản ứng khi điều chỉnh pH môi trường bằng Ca(OH)2 bão hòa và huyền phù Ca(OH)2 đồng thời là tác nhân để tạo muối canxi gluconat. Kết quả cho thấy huyền phù Ca(OH)2 thích hợp để tạo muối canxi gluconat và hiệu suất điều chế muối canxi gluconat đạt 72,37% tính theo glucozơ. Hàm lượng canxi gluconat đạt tiêu chuẩn Dược điển Mỹ USP 30. 3.3. Tổng hợp muối canxi gluconat bằng quá trình oxi hóa glucozơ trên xúc tác Ag/MCM-41 Tiến hành phản ứng tương tự với xúc tác Ag/MCM-41(0.5), điều chỉnh dung dịch glucozơ về pH = 9 bằng huyền phù Ca(OH)2. Thực hiện phản ứng với xúc tác Ag/MCM-41(0.5) ở 800C, tốc độ dòng không khí là 20 ml/phút điều chỉnh bằng Flow-metter 110. Trong quá trình phản ứng, thể tích huyền phù Ca(OH)2 được nhỏ giọt từ từ vào bình cầu, đồng thời với việc kiểm tra pH dung dịch bằng máy đo pH để duy trì môi trường kiềm yếu pH = 9. Tiếp tục nhỏ từ từ huyền phù Ca(OH)2 và khuấy đến khi pH không đổi để kết thúc phản ứng thấy hết 14,6ml huyền phù Ca(OH)2. Sau đó lọc nóng lấy dịch lọc vào cốc 250ml. Thêm 120ml cồn tuyệt đối vào dịch lọc, để yên trong 12 giờ, canxi gluconat kết tinh ở đáy cốc. Lọc lấy kết tủa trắng. Làm khô ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ. Tiến hành tinh chế lại, sau đó sấy khô sản phẩm ở 700C trong 12 giờ thu được 4,52g bột canxi gluconat màu trắng. Phân tích hàm lượng canxi trong sản phẩm bằng phương pháp AAS: 90,8 mg/g. Hàm lượng của muối canxi gluconat: Giá trị hàm lượng của canxi gluconat đạt tiêu chuẩn Dược điển Mỹ USP 30 ( 98%-102%). Kết quả xác định điểm chảy t0nc=119-1210C gần với nhiệt độ nóng chảy của canxi gluconat. So sánh hai xúc tác Pt/MCM-41(0.5) và Ag/MCM-41(0.5) trong phản ứng tổng hợp canxi gluconat ở bảng 10: Bảng 10: Tổng hợp canxi gluconat trên xúc tác Ag/MCM-41(0.5)  Xúc tác VCa(OH)2(hp) (ml) mCaG (g) H (%) HLg Ca (AAS) HLg canxi gluconat theo AAS t0nc Ag/MCM-41(0.5) 14,6 4,52 62,43 90,8 101,59 119-1210C Từ các kết quả trên cho thấy hiệu quả điều chế canxi gluconat trên mẫu xúc tác Pt/MCM-41(0.5) là (72,37%) lớn hơn so với xúc tác Ag/MCM-41(0.5) là (62,43%), cho thấy hoạt tính xúc tác của Pt/MCM-41(0.5) lớn hơn xúc tác Ag/MCM-41(0.5) trong phản ứng tổng hợp canxi gluconat. Điều này có thể giải thích dựa trên cơ chế: O H H ( I ) ( I I ) ( I I I ) O 2 c h Ë m H O + H O - G H O - G O H H O - G + O H H O G M e M e G H O H O - O O M e M e 2 O + 0 . 5 O 2 H 2 O 2 + + G O O - - Hình 24: Cơ chế của phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác kim loại quý Giai đoạn chậm chính là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng nên giai đoạn từ chất trung gian (II) kết hợp chậm với oxi để tạo thành (III), do ái lực với oxi của platin tốt hơn so với bạc. Vì vậy mà trong phản ứng oxi hóa glucozơ điều chế canxi gluconat xúc tác Pt/MCM-41(0.5) có hoạt tính cao hơn xúc tác Ag/MCM-41(0.5). 3.4. Phân tích sản phẩm canxi gluconat Mẫu có hàm lượng canxi gluconat tính theo hàm lượng canxi được 98,98% được phân tích bằng các phương pháp 1H-NMR, 13C-NMR, MS, IR. 3.4.1. Phân tích sản phẩm canxi gluconat bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân: 1H-NMR và 13C-NMR Trên phổ 13C-NMR của mẫu phân tích canxi gluconat cho thấy xuất hiện 6 pic với độ dịch chuyển hóa học khác nhau. Hình 25: Phổ 13C-NMR của canxi gluconat Đánh số mạch cacbon của ion gluconat như sau: Độ chuyển dịch hóa học 13C phụ thuộc vào độ âm điện của các nhóm thế ở nguyên tử cacbon do vậy mà độ chuyển dịch hóa học lớn nhất 178,882 ppm là tín hiệu của C1, 4 nguyên tử C từ C2, C3, C4, C5 tương ứng với độ chuyển dịch giảm dần như trong bảng 11. Độ chuyển dịch hóa học thấp nhất là của C6 Bảng 11: Vị trí các nguyên tử C tương ứng với độ chuyển dịch hóa học δ ppm 178,882 74,434 72,500 71,209 70,791 62,620 Vị trí C1 C2 C3 C4 C5 C6 Hình 26 là phổ 1H-NMR của mẫu canxi gluconat: Hình 26: Phổ 1H-NMR của canxi gluconat Bảng 12: Vị trí các nguyên tử H tương ứng với độ chuyển dịch hóa học. δ ppm 4,186 - 4,192 4,050 - 4,062 3,608 - 3,644 3,708 - 3,793 Độ bội d t m m Số H 1 2 1 3 Vị trí H C2-H C3-H C4-H C5-H và C6-H 3.4.2. Phân tích sản phẩm canxi gluconat bằng phương pháp phổ hồng ngoại (IR) Kết quả phân tích muối canxi gluconat bằng phương pháp phổ hồng ngoại thu được trên hình 27: Hình 27: Phổ hồng ngoại của canxi gluconat Trên phổ IR xuất hiện đỉnh 3403 cm-1 đỉnh đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm -OH trong phân tử và đỉnh 1616 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết (C=O) của muối gluconat. nC-C=1087 cm-1, nC-H=2966-1927 cm-1 3.4.3. Phân tích sản phẩm canxi gluconat bằng phương pháp phổ khối lượng (MS) Trên phổ khối lượng của canxi gluconat (hình 28) sử dụng phần mềm chọn lọc ion phân tử cho giá trị M+=195. Giá trị này trùng với khối lượng phân tử của anion gluconat (C6H11O7-). Ở đây muối canxi gluconat bị phân ly trong điều kiện chụp phổ nên trên phổ MS chỉ hiện lên khối lượng của anion gluconat. Hình 28: Phổ khối lượng của canxi gluconat Các kết quả thu được cho thấy sự thành công của phương pháp tổng hợp các muối canxi gluconat trực tiếp từ quá trình oxi hoá glucozơ sử dụng xúc tác Pt/MCM-41 và Ag/MCM-41. 3.5. Thảo luận chung Quá trình oxi hóa glucozơ là một quá trình khó kiểm soát, với các chất oxi hóa khác nhau, phản ứng diễn ra theo những hướng khác nhau và sản phẩm thu được rất phức tạp. Với mong muốn tạo các sản phẩm oxi hóa đầu mạch để tạo ra muối canxi gluconat, là sản phẩm có nhiều giá trị trong công nghệ dược phẩm. Việc phân tán platin, bạc trên vật liệu mao quản trung bình MCM-41 với diện tích bề mặt lớn làm tăng thêm hiệu quả của xúc tác. Sau khi tiến hành tổng hợp vật liệu MCM-41; Pt/MCM-41 và Ag/MCM-41, đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp vật lí hóa lý: Nhiễu xạ tia X ; phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phương pháp hấp phụ giải hấp N2 đã chứng minh được vật liệu MCM-41 có mao quản trật tự với kích thước mao quản trung bình khoảng 4-5nm. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) xác định được hàm lượng platin trong mẫu Pt/MCM-41(0.5) là 0,4% và bạc trong mẫu Ag/MCM-41là 0,45% theo AAS. Trạng thái phân tán của các hạt nano Pt, nano Ag được chứng minh bằng phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phương pháp hấp phụ và giải hấp N2. Khi phân tán nano Pt lên chất nền có kích thước mao quản rộng MCM-41 không những làm tăng hoạt tính của xúc tác hơn nữa còn tránh được hiện tượng co cụm xúc tác. Đối với mẫu Pt/MCM-41(0.5) các hạt nano Pt được phân tán vào bên trong mao quản, khi hàm lượng platin lớn hơn 1,5% thì ngoài các hạt Pt được phân tán bên trong mao quản ra còn có các hạt Pt phân tán bên ngoài mao quản có kích thước lớn và ở hàm lượng platin 2,5% thì platin phân tán ở phía ngoài mao quan ngày càng nhiều hơn và kích thước lớn hơn có cụm cluster kích thước đến 20 nm. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Ca(OH)2 cho thấy nồng độ của Ca(OH)2 có ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình tạo muối canxi gluconat. Khi dùng dung dịch Ca(OH)2 bão hòa thì khả năng kết tinh của muối canxi gluconat rất kém do dung dịch quá loãng. Khi dùng huyền phù Ca(OH)2 thì khả năng kết tinh muối canxi gluconat tốt hơn. Khi dùng huyền phù Ca(OH)2 để điều chỉnh pH và điều chế muối canxi gluconat trên xúc tác Pt/MCM-41(0.5) ở điều kiện nhiệt độ 800C, tốc độ dòng không khí là 20 ml/phút. Thu được muối canxi gluconat có hàm lượng 98,98% đạt tiêu chuẩn Dược điển Mỹ USP 30 và hiệu suất phản ứng tính theo glucozơ là 72,37%. Còn trên xúc tác Ag/MCM-41 hiệu suất đạt 62,43% và hàm lượng canxi gluconat (101,59%) đạt theo tiêu chuẩn Dược điển Mỹ USP 30. Sản phẩm canxi gluconat được chứng minh bằng các phương pháp: phổ hấp thụ nguyên tử AAS, xác định nhiệt độ nóng chảy, phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR, 13C-NMR và phổ khối lượng (MS). Chứng tỏ đã tổng hợp thành công muối canxi gluconat bằng quá trình oxi hóa chọn lọc glucozơ sử dụng các xúc tác Pt/MCM-41 và Ag/MCM-41. KẾT LUẬN Đã tổng hợp thành công vật liệu mao quản trung bình MCM-41; từ nguồn nguyên liệu đầu là tetraetylorthosilicat TEOS, chất hoạt động bề mặt CTAB. Kết quả phương pháp XRD cho các pic đặc trưng cho mao quản trung bình ở góc 2q=2,2; 3,7; 4,4. Hình ảnh TEM cho thấy kích thước mao quản vật liệu khoảng 4-5nm. Phân tán thành công vật liệu Pt/MCM-41 với hàm lượng platin khoảng 0,5%, 1,5%, 2,5% và Ag/MCM-41 hàm lượng bạc khoảng 0,5%. Đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp vật lý – hóa lý hiện đại như XRD, TEM, hấp phụ giải hấp N2 chứng minh được đã phân tán thành công các hạt nano Pt, nano Ag bên trong mao quản trung bình của MCM-41. Hàm lượng chính xác của Pt, Ag được xác định bằng AAS, EDS. Nghiên cứu ảnh hưởng phản ứng khi điều chỉnh pH bằng dung dịch Ca(OH)2 bão hòa và huyền phù Ca(OH)2 60g/l đồng thời chế tạo muối canxi gluconat. Kết quả cho thấy huyền phù Ca(OH)2 thuận lợi cho quá trình chế tạo muối canxi gluconat từ quá trình oxi hóa chọn lọc glucozơ. Đã điều chế muối canxi gluconat trên hai xúc tác Pt/MCM-41(0.5) và Ag/MCM-41(0.5). Hiệu suất điều chế canxi gluconat trên xúc tác Pt/MCM-41(0.5) là 72,37% hiệu quả hơn trên xúc tác Ag/MCM-41(0.5) 62,43%. Sản phẩm canxi gluconat được chứng minh bằng các phương pháp: 1H-NMR, 13C-NMR, IR, MS, xác định điểm chảy và AAS. Hàm lượng muối canxi gluconat điều chế được 98,98% và 101,59% đạt tiêu chuẩn Dược điển Mỹ USP 30. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trần Thị Như Mai, Nguyễn Thị Minh Thư, Bùi Thị Minh Thuỳ, Giang Thị Phương Ly. Tổng hợp natri gluconat và kali gluconat bằng phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác vàng. Tạp chí Hoá học, T. 47; Số 4A, tr. 145-148, 2009. Nguyễn Thị Minh Thư, Giang Thị Phương Ly, Trần Thị Như Mai, Ngô Thị Thuận. Xác định thành phần sản phẩm của quá trình oxi hoá glucozơ bằng phương pháp sắc ký lỏng (HPLC-UVD, HPLC-RID, LC-MS). Tạp chí Hoá học, T.46, số 5A, tr.101-111. 2008. Nguyễn Thị Minh Thư, Nguyễn Khánh Quyên, Trần Thị Như Mai, Ngô Thị Thuận. Tính chất xúc tác của vật liệu Pt/MCM-41 và Pt/SBA-15 trong phản ứng oxi hoá D-glucozơ. Tạp chí Hoá học, T. 47, Số 2A, tr. 54-58, 2009. Tiếng Anh A.Abbadi, H.Van bekkum. (2005), “Effect of pH in the Pt catalyzed oxidation of D-glucose to D-gluconic acid”. Molecular catalysis A: chemical, 97, pp. 111-118. Agnes Szegedi, Zoltan Konya, Dora Mehn (2004), “Spherical mesoporous MCM-41 materials containing transition metal: synthesis and characterization”. Applied catalyst general, 272, pp. 257-266. Amit Sharma, V. Vivekanand, Rajesh P. Singh (2008), “Solid-state fermentation for gluconic acid production from sugarcane molasses by Aspergillus niger ARNU-4 employing tea waste as the novel solid support”, Bioresource Technology, 99 , pp. 3444–3450. Andrei Y. Khodakov, Vladimir L. Zholobenko, Rafeh Bechara, Dominique Durand, (2005), “Impact of aqueous impregnation on the long-range ordering and mesoporous structure of cobalt containing MCM-41 and SBA-15 materials”, Microporous and Mesoporous Materials ,79, pp. 29–39. Ayumu Onda , Takafumi Ochi, Koji Kajiyoshi, Kazumichi Yanagisawa, (2008), “A new chemical process for catalytic conversion of D-glucose into lactic acid and gluconic acid”, Applied Catalysis A: General 343, pp. 49–54. Bahar Bayrak, Oral Lacci, Feray Bakan, Hanifi Sarac, (2006), “Investigation of dissolution kinetics of natural magnesite in gluconic acid solutions”, Chemical Engineering Journal , 117, pp. 109–115. Barbara Panella, Angelo Vargas, Alfons Baiker. (2009) , “Magnetically separable Pt catalyst for asymmetric hydrogenation”, Journal of Catalysis, 261, pp. 88–93. C. Baatz, U. Prube . (2007), “Preparation of gold catalysts for glucose oxidation by incipient wetness”, Jounal of catalysis, 249, pp. 34-40. Csilla Keresszegi, (2005), “On the mechanism of the aerobic oxidation and dehydrogenation of alcohols on Palladium and Platinum”, Doctor thesis, Dipl.Chem.University of Szeged (JATE), Hungary. Cataldi T. R., Margiotta G. Lasi, Di Chio B. (2000), “Determination of sugar compounds in olive pland extracts by anion exchange chromatography with pulsed amperometric detection”. Analytical chemistry ,72, pp.3902-3907. David D. Evanoff Jr., George Chumanov, (2005), “Synthesis and optical properties of silver nanoparticles and arrays”, Minireviews, Phys.Chem , 6, 1221-1231. David T. Thompson, (2004) , “Catalysis by Gold/Platinum Group Metals”, Platinum Metals Rev., 48, pp.169.172. Didier Astruc, (2008), Nanoparticles and catalysis, vol 1, Wiley-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA, Weinheim. Divesh Bhatia, Robert W. McCabe, Michael P. Harold and Vemuri Balakotaiah, (2009), “Experimental and kinetic study of NO oxidation on model Pt catalysts”, Journal of Catalysis, Volume 267, Issue 1, pp. 106-109. Dr. T. Lakhanisky, Institute of Public Health – Division Toxicology. (2004), Gluconic acid and its derivatives. SIDS Initial Assessment Report For SIAM 18, Paris, France. E.M.C. Alayon, J. Singh, M. Nachtegaal, M. Harfouche and J.A. van Bokhoven, (2009), “On highly active partially oxidized platinum in carbon monoxide oxidation over supported platinum catalysts” . Journal of Catalysis, Volume 263, Issue 2, Pages 228-238. Enzo Giannoccaro, Ya-Jane Wang, Pengyin Chen, (2008), “Comparison of two HPLC systems and an enzymatic method for quantification of soybean sugars”. Food Chemistry, 106, pp.324-330. Ester Junko Tomotani, Michele Vitolo, (2007), “Immobilized glucose oxidase as a catalyst to the conversion of glucose into gluconic acid using a membrane reactor”, Enzyme and Microbial Technology, 40 , pp. 1020–1025. Emilia Talas, Jozsef L. Margitfalvi and Orsolya Egyed ,(2009), “Additional data to the origin of rate enhancement in the enantioselective hydrogenation of activated ketones over cinchonidine modified platinum catalyst” . Journal of Catalysis, Volume 266, Issue 2, 10 September , Pages 191-198. Enzo Giannoccaro, Ya-Jane Wang, Pengyin Chen, (2008), “Comparison of two HPLC systems and an enzymatic method for quantification of soybean sugars”. Food Chemistry, 106, pp.324-330. Frias J. Hedley, Price K. R. (1994), “Improved methods of oligosaccharide analysis for genetic studies of legume seeds”. Journal of Liquid Chromatography, 17, pp. 2469-2483. Frieder W.Lichtenthaler, Siegfried Peters. (2004), “Carbohydrates as green raw materials for chemical industry”, C.R. Chimie 7, pp.65-90. Giulio Sesta. (2006), “Determination of sugars in royal jelly by HPLC”. Apidologie ,37 , pp.84-90. H. G. J. Moseley (1993), “The high frequency spectra of the elements”, Phil. Mag, p. 1024. Hong Zhaoa, Jicheng Zhoua, Hean Luoa, Chuyi Zenga, Dehua Lia, and Yuejin Liua, (2006) “Synthesis, characterization of Ag/MCM-41 and the catalytic performance for liquid-phase oxidation of cyclohexane”, Catalysis Letters, Vol. 108, Nos. 1–2, April. Hui Meng, Pei Kang Shen, (2006), “Novel Pt-free catalyst for oxygen electroreduction”, Electrochemistry communication, pp.588-594. Jayaprakasha G. K, Sakariah K., (2002), “Determination of organic acids in leaves and rinds of Garcinia indica by LC”. Journal of Pharmaceutical and Biomedical analysis, 28 (2), pp. 379-384. Jennifer Ann Dahl, (2007), “Synthesis of functional nanomaterials within a green chemistry context”, Doctor of Philosophy. Jia Zhao, Jingjing Yu, Fang Wang and Shengshui Hu. (2006), “Fabrication of gold nanoparticle-dihexadecyl hydrogen phosphate film on a glassy carbon electrode, and its application to glucose sensing”. Microchimica Acta, Vol.156, N0 3-4, pp. 277-282. Jie Bao, Keiji Furumoto, Kimitoshi Fukunaga, Katsumi Nakao, (2000), “A kinetic study on air oxidation by immobilized glucose oxidase for production of Calcium gluconate”, Biochemical Engineering Journal, Japan, pp. 91-102. Joung Ho Ko, Huazi Huang, Gyoung Won Kang, and Won Jo Cheong, (2005), “Simultaneous Quantitative Determination of Monosaccharides Including Fructose in Hydrolysates of Yogurt and Orange Juice Products by Derivatization of Monosaccharides with p-Aminobenzoic Acid Ethyl Ester Followed by HPLC”, Bull. Korean Chem. Soc., Vol. 26, No. 10, pp.1533-1538. Lakshmi S. Nair, Cato T.Laurencin, (2007) “Synthesis nanoparticles : synthesis and therapeutic applications”, Journal of biomedical nanotechnology, Vol.3, pp.301-316. Masahide Sasaki, Kenji Takahashi, Yui Haneda, Hiroe Satoh, Akiyoshi Sasaki, Atsushi Narumi, Toshifumi Satoh, Toyoji Kakuchi and Harumi Kaga, (2008) “Thermochemical transformation of glucose to 1,6-anhydroglucose in high-temperature steam” Carbohydrate Research,Volume 343, Issue 5, 7 April 2008, pp. 848-854. Masato Tominaga, Toshihiro Shimazoe, Makoto Nagashima, Hideaki Kusuda,Atsushi Kubo, Yutaka Kuwahara, Isao Taniguchi, (2006), “Electrocatalytic oxidation of glucose at gold–silver alloy, silver and gold nanoparticles in an alkaline solution”, Journal of Electroanalytical Chemistry, 590, pp. 37–46. Massimiliano Comotti, Cristina Della Pina, Michele Rossi, (2006) “Mono- and bimetallic catalysts for glucose oxidation”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 251, pp. 89–92. Michele Besson, Pierre Gallezot. (2000), “Selective oxidation of alcohols and aldehydes on metal catalysts.”, Catalysis Today, 57, pp.127-141. Miho Hatanaka, Naoki Takahashi, Naoko Takahashi, Toshitaka Tanabea, Yasutaka Nagaia, Akihiko Sudaa and Hirofumi Shinjoha, (2009), “Reversible changes in the Pt oxidation state and nanostructure on a ceria-based supported Pt”, Journal of Catalysis, Volume 266, Issue 2, 10 September 2009, pp. 182-190. Nadine Thielecke , Mehmet Aytemir, Ulf Prusse, (2007), “Selective oxidation of carbohydrates with gold catalysts: Continuous-flow reactor system for glucose oxidation”, Catalysis Today 121 , pp. 115–120. Osamu Sawai, Yoshito Oshimab, (2008) “Deposition of silver nano-particles on ctivated carbon using supercritical water”, Journal of Supercritical Fluids, 47, pp. 240–246. P.V. Adhyapaka, P. Karandikarb, K. Vijayamohananb, A.A. Athawalec, A.J. Chandwadkar, (2004) “Synthesis of silver nanowires inside mesoporous MCM-41 host”, Materials Letters 58, pp.1168– 1171. R. Mukhopadhyay, S. Chatterjee, B.P. Chatterjee, P.C. Banerjee, A.K. Guha, (2005), “Production of gluconic acid from whey by free and immobilized Aspergillus niger”, International Dairy Journal , 15, 299–303. Rafael A. Peinado , Juan C. Mauricio , Juan Moreno (2006), “Aromatic series in sherry wines with gluconic acid subjected to dierent biological aging conditions by Saccharomyces cerevisiae var. capensis”, Food Chemistry, 94, pp. 232–239. Roberto Contreras , Rogelio Cuevas-Garcy, Jorge Ramyrez , Lena Ruiz-Azuara , Ayda Gutierrez-Alejandre , Ivan Puente-Lee , Perla Castillo-Villalon , Cecilia Salcedo-Luna, (2008), “Transformation of thiophene, benzothiophene and dibenzothiophene over Pt/HMFI, Pt/HMOR and Pt/HFAU: Effect of reactant molecular dimensions and zeolite pore diameter over catalyst activity”, Catalysis Today , 130, pp. 320–326. S. Kandoi, A. A. Gokhale, L. C. Grabow, J. A. Dumesic. (2004), “Why Au and Cu are more selective than Pt for preferential oxidation of CO at low temperature”. Catalysis Letter , Vol.93, Marth 2004, pp. 93-101. Serena Biella, Laura Prati, Michele rossi. (2002), “Selective oxidation of D- Glucose on Gold catalyst”. Jounal of catalysis, 206, pp. 242-247. Silvia Crognale, Maurizio Petruccioli, Massimiliano Fenice, Federico Federici, (2008), “Fed-batch gluconic acid production from Penicillium variabile P16 under different feeding strategies”, Enzyme and Microbial Technology 42, pp.445–449. Solymar Edit, (2005), Synthesis and structural studies of MCM-41 and SBA-15 type mesoporous silicates, Ph.D. Theses, University of Szeged, Szeged. Sumitra Ramachandran, Pierre fonrtanille at al. (2002), “Gluconic acid: properties, Application”, Microbial production. A.Review, Food Technol. Biotechnol, 44(2), pp. 185-195. T. J. Hall, J. E. halder, G. J. Hutchings. (2000), “Enantoselective hydrogenation of pyruvate ester in mosoporous environment of Pt-MCM-41”. Topic in catalysis, 11/12, pp. 351-357. Trissa Joseph, K. Vijay Kuman. (2007), “Au-Pt nanoparticles in amine funtionalized MCM-41”, Catalysis communication, pp. 629-634. US patents 7267970, (2007), Production of gluconate salts. Venko Beshkov,(2004), “Method and technology for biochemical production of gluconic acid”, Bulgarian Academy of science new, N09, 13, pp. 2-4. Vorage, Marcus Johannet, W.Kremer, J.Maria, (2003), “Method of preparing calcium gluconat”. Wipo patent WO/2003/031635. Xiu S. Zhao, G. Q. (Max) Lu, and Graeme J. Millar , (1996), “Advances in Mesoporous Molecular Sieve MCM-41”, Ind. Eng. Chem. Res. ,135 ,pp. 2075-2090. Xue-Guo Zhao, Jian-Lin Shi, Bin Hu, Ling-Xia Zhang, Zi-Le Hua, (2004) “In situ formation of silver nanoparticles inside pore channels of ordered mesoporous silica”, Materials Letters, 58, pp.2152– 2156. Y.Onal, S.Schimpf and P.Claus. (2004), “Structure sensitivity and kinetics of D-glucose oxidation to D-gluconic acid over cacbon-supported gold catalysts”. Jounal of catalysis, 223, pp. 122-133. Yi-Ming Yan, Ran Tel-Vered, Omer Yehezkeli, Zoya Cheglakov, Itamar Willner. (2008), “Biocatalytic Growth of Au Nanoparticles Immobilized on Glucose Oxydase Enhances the Ferrocene-Mediated Bioelectrocatalytic oxydation of Glucose”. Advanced Materials, Vol.20, Iss.12, pp. 2365-2370. PHỤ LỤC Phụ lục 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của MCM-41 Phụ lục 2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của Pt/MCM-41 Phụ lục 3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của Ag/MCM-41 Phụ lục 4: Kết quả phân tích hàm lượng Pt theo AAS Phụ lục 5: Kết quả phân tích hàm lượng Ca theo AAS Phụ lục 6: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR của canxi gluconat Phụ lục 7: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR của canxi gluconat Phụ lục 8: Phổ khối lượng của canxi gluconat Phụ lục 9: Phổ hồng ngoại của canxi gluconat Phụ lục 10: Sắc đồ HPLC-RID Phụ lục 11: Kết quả phương pháp hấp phụ - giải hấp nitơ