Tách và tinh chế đồng phân quang học bằng phương pháp kết tinh chọn lọc enantioselective crystalli-Zation - trường hợp áp dụng cho hệ amino axít - Lê Minh Tâm

TÁCH VÀ TINH CHẾ ĐỒNG PHÂN QUANG HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT TINH CHỌN LỌC ENANTIOSELECTIVE CRYSTALLI-ZATION - TRƯỜNG HỢP ÁP DỤNG CHO HỆ AMINO AXÍT Lê Minh Tâm(1), Dương Phước Đạt(1), Ngô Thị Quỳnh Như(1), Nguyễn Xuân Thơm(1), Heike Lorenz(2), Andreas Seidel-Morgenstern(1) (1) Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, (2) Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems (Germany) Ngày nhận bài 15/06/2018; Ngày gửi phản biện 27/06/2018; Chấp nhận đăng 10/07/2018 Email:leminh.tam@gmx.de Tóm tắt Bài báo này trình bày một hướng tiếp cận mới trong vấn đề tách các đồng phân quang học sử dụng phương pháp kết tinh chọn lọc enantio-selective crystallization. Hệ D,L-arginine được chọn làm đối tượng nghiên cứu. Xuất phát từ hỗn hợp racemate đã được làm giàu sơ bộ, mầm tinh thể của đồng phân mục tiêu L-arginine sẽ được cho vào hệ để tiến hành kết tinh chọn lọc chỉ một đồng phân mong muốn. Kết quả thực nghiệm cho thấy quá trình sinh mầm thứ cấp và phát triển tinh thể của đồng phân mục tiêu được kéo dài đến thời gian cắt (cutting time) nhằm đảm bảo quá trình sinh mầm của racemate không xảy ra để duy trì độ tinh khiết của sản phẩm cuối. Từ khóa: đồng phân quang học, hỗn hợp racemate, kết tinh chọn lọc, amino axít arginine Abstract ENANTIO-SEPARATION AND PURIFICATION VIA THE ENANTIOSELECTIVE CRYSTALLIZATION METHOD, A CASE STUDY OF AN AMINO ACID SYSTEM This article presents a new method for enantio-separation using enantio-selective crystallization. Starting point at a slightly enriched racemic solution, L-arginine seeds are introduced to perform selective crystallization (i.e. preferential crystallization). Experiment results provide evidence that the secondary nucleation and crystal growth are occurred for only the target enantiomer while the counter enantiomer is still remained in the mother solution until the defined cutting time. This technique allows obtaining high optical-purity of the final products. 1. GỚI THIỆU Các báo cáo trên thế giới hiện nay cho thấy xu hướng sử dụng chỉ một dạng đồng phân quang học đơn (single enantiomer) thay cho dạng hỗn hợp racemate của chúng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, chất màu, chất mùi, nông nghiệp... và đặc biệt là trong dược phẩm1. Nguyên nhân chủ yếu được lý giải là vì thường chỉ có một đồng phân được chứng minh là có hoạt tính như mong đợi trong khi đồng phân còn lại thường gây ra các tác dụng phụ, thậm chí chúng còn có thể là độc tố trong nhiều trường hợp, ví dụ như thalidomide, penicillamine Do vậy việc tinh chế các đồng phân quang học đơn đã và đang thu hút sự quan tâm rất lớn từ cả giới khoa học và công nghiệp. Các phương pháp tinh chế đồng phân quang học thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm có thể kể đến như trích ly, màng, sắc ký Tuy nhiên các phương pháp này thường không mang lại hiệu quả khi ứng dụng trên qui mô công nghiệp do giá thành cao. Vượt qua các phương pháp khác, kết tinh được xem là kỹ thuật đem lại hiệu quả cao nhất do có thể áp dụng dễ dàng cho các thiết bị từ vài chục mL đến vài trăm m3, quá trình có năng suất lớn do hệ có thể làm việc ở vùng nồng độ rất cao (quá bão hòa), người ta có thể dễ dàng điều khiển độ quá bão hòa hoặc quá lạnh bằng cách khống chế quá trình bốc hơi hoặc làm lạnh Tuy nhiên kết tinh chọn lọc enantio-selective crystallization có những điểm khác biệt rất lớn so với phương pháp kết tinh thông thường. Do quan hệ đối xứng gương của cặp đồng phân quang học nên chúng có tất cả các tính chất hóa học và lý học giống hệt nhau như nhiệt độ sôi, nhiệt độ kết tinh, khối lượng phân tử, khả năng phản ứng của các nhóm chức Do vậy nhiệm vụ trọng tâm của kỹ thuật kết tinh chọn lọc trên thực tế chính là việc khống chế và điều khiển thành công quá trình sinh mầm và phát triển tinh thể cho chỉ một đồng phân mục tiêu trong khi đồng phân còn lại phải được giữ lại trong dung dịch nước cái. Công nghệ này sẽ được nghiên cứu thông qua ví dụ áp dụng là hệ đồng phân D - và L – Arginine2. Hình 1: Sự giống nhau về các tính chất hóa học và vật lý của hai đồng phân quang học khiến việc tách chúng ra khỏi nhau bằng kết tinh là một thách thức lớn về mặt phương pháp luận. Arginine được chọn làm đối tượng nghiên cứu. Arginine có một carbon bất đối trong công thức phân tử như mô tả trên hình 2. Hình 2: Arginine có một carbon bất đối trong công thức phân tử 2. KỸ THUẬT KẾT TINH CHỌN LỌC Hình 3 mô tả nguyên lý của kỹ thuật kết tinh chọn lọc áp dụng cho hệ racemate thực. Giản đồ pha bậc ba cho phép xác định cấu tử nào sẽ kết tinh trong từng vùng tương ứng. Preferential crystallization sẽ được tiến hành trong vùng ba pha, trong vùng giả bền bên dưới đường bão hòa. Hình 3: Giản đồ pha bậc ba và quỹ đạo của quá trình kết tinh chọn lọc Miền giả bền (metastable zone width - MSZW) trên hình 3 đóng một vai trò rất quan trọng đối với kỹ thuật kết tinh chọn lọc. Xem xét dung dịch ban đầu được biểu diễn ở A, hệ này được giả định đã được làm giàu một phần đối với đồng phân quang học mục tiêu. Việc tạo mầm chọn lọc là yếu tố then chốt trong kỹ thuật này. Các tinh thể mầm của đồng phân quang học mục tiêu được thêm vào dung dịch A để kết tinh duy nhất đồng phân quang học này. Nếu đồng phân đối vẫn còn trong nước cái, quá trình kết tinh sẽ chỉ tạo ra đồng phân quang học mục tiêu ở dạng sản phẩm rắn. Trong giai đoạn này, nước cái di chuyển theo hướng A → B. Sự kết tinh của racemate không xảy ra nếu các mầm tinh thể có tác dụng chọn lọc tốt và độ quá bão hoà cần phải được khống chế sao cho sự tạo mầm của racemate không xảy ra. Rõ ràng, nồng độ của đồng phân quang học mục tiêu trong dung dịch giảm dần suốt quá trình kết tinh của nó (A → B). Ngược lại, nồng độ của đồng phân đối trong dung dịch sẽ tăng lên, đến một thời điểm nào đó, sự tạo mầm thứ cấp của racemate (giả định tại điểm B) sẽ xảy ra và làm thay đổi quỹ đạo của quá trình kết hướng đến điểm E thay vì trường hợp lý tưởng tại C. Nói cách khác B là điểm bắt đầu của quá trình tạo nên tạp chất chứa đồng phân đối dưới dạng racemate. Do vậy, các tinh thể của đồng phân quang học đơn nên được phân lập trước khi quá trình sinh mầm của racemate xảy ra để đảm bảo sự tinh khiết của sản phẩm cuối. 3. MÔ TẢ THỰC NGHIỆM Arginine trong nghiên cứu này được sử dụng của Sigma Aldrich 98%. Xuất phát điểm với 150 g dung dịch bão hòa ở 30oC có nồng dộ ban đầu 24.82% và thành phần hai đồng phân e.e. 43.55%. Dung dịch này được làm lạnh đến 5oC để thực hiện quá trình kết tinh đẳng nhiệt. 18 mg mầm tinh thể L-argine được cho vào thiết bị trên để thực hiện quá trình kết tinh. Hệ thiết bị được thiết kế cho phép theo dõi trực tuyến sự biến đổi của pha lỏng và pha rắn và được bố trí như hình 4. Pha lỏng được bơm (có tách pha) liên tục sang polarimeter để xác định biến đổi tỉ lệ hai đồng phân, sau đó được bơm qua densitometer để xác định nồng độ tổng trước khi bơm hồi lưu về thiết bị kết tinh tạo nên một chu trình kín. Toàn bộ đường di chuyển của pha lỏng được gia nhiệt để bù mất nhiệt. Hình 4: Thiết lập mô hình thí nghiệm với các thiết bị đo trực tuyến 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sự biến đổi nồng độ và thành phần của pha lỏng được quan sát bởi các phương pháp trực tuyến online đã hoàn toàn trùng khớp với kết quả đo HPLC như hình 5. Quá trình sinh mầm và phát triển tinh thể của đồng phân quang học mục tiêu được kéo dài từ A đến B trong khoảng thời gian 1200 phút. Quá trình này làm nồng độ tổng và thành phần e.e giảm liên tục. Tại B quá trình sinh mầm thứ cấp của racemate bắt đầu xảy ra. Đồng phân đối bắt đầu tách ra khỏi pha lỏng để đi vào pha rắn, do đó thành phần e.e biến đổi theo chiều hướng hoàn toàn ngược lại so với giai đoạn đầu, e.e tăng. Rõ ràng quá trình kết tinh của racemate cũng làm giảm nồng độ tổng như phần quan sát được trên đoạn từ B đến C. Trong đó e.e (enantiomeric excess) được định nghĩa: e.e = ½(L-)/(L+D) ½.100% Biến đổi thành phần pha lỏng trên hình 5 cũng có thể được biểu diễn trên giản đồ pha bậc ba ở hình 6. Hình 5: Kết quả đo sự biến đổi nồng độ tổng và thành phần hai đồng phân quang học trong suốt quá trình kết tinh Hình 6: Quỹ đạo quá trình kết tinh chọn lọc trên giản đồ pha bậc ba, đường đẳng nhiệt ở 5oC Như vậy để đảm bảo đồng phân đối không bị lẫn vào sản phẩm ta cần xác định thời gian cắt (cutting time) phù hợp sao cho quá tình kết tinh racemate chưa xảy ra. Như vậy, trên hình 5, ta xác định thời gian cắt tại 500 phút. Tách pha rắn-lỏng, phân tích, ta có kết quả được trình bày ở bảng 1. Bảng 1: Kết quả tách đồng phân L-arginine bằng phương pháp kết tinh chọn lọc Điều kiện đầu Kết quả m_dd, g 150 Hiệu suất, % 32.46 wt, % 24.82 Độ tinh khiết, % 98.25 e.e, % 43.55 XRD sản phẩm L-arginine.2H2O m_seed, mg 18 Thời gian cắt, phút 500 5. KẾT LUẬN Thực nghiệm chứng minh phương pháp kết tinh chọn lọc preferential crystallization cho phép tách và tinh chế đồng phân quang học với hiệu quả rất cao. Độ tinh khiết của sản phẩm cuối có thể đạt đến 99%. Hiệu suất có thể được nâng cao nếu tiến hành tối ưu hóa quá trình. L-arginine thu được có kích thước rất đồng đều và khá bé (chủ yếu thuộc phân đoạn 10-20 um). Một số kỹ thuật có thể được áp dụng để nâng cao hơn nữa hiệu quả của quá trình như tiến hành kết tinh đa nhiệt, thay đổi phương pháp thêm mầm, tối ưu cutting time để tăng hiệu suất quá trình nhưng vẫn đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm. TÀI LIỆU THAM KHẢO H. Caner, E. Groner, L. Levy, I. Agranat (2004). Trends in the development of chiral drugs. DDT, 9, (3), 105–110. Tam Le-Minh (2014). Designing crystallization based-enantiomeric separation for chiral compound-forming systems in consideration of polymorphism and solvate formation. Dr. Hut. J. Jacques, A. Collet, S. H. Wilen (1994). Enantiomers, Racemates and Resolutions. Krieger Pub. Co. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ kỹ thuật của Viện Max Planck for Dynamics of Complex Technical Systems, Germany.