Methyl salicylate (MeSA) là ester của acid salicylic và methanol. Trong tự nhiên, chất này được một số loài thực vật như lộc đề, bạch dương tiết ra để tự bảo vệ chống lại côn trùng gây hại. Trong y học, MeSA có công dụng giảm đau, chống viêm và thường được bào chế thành dầu xoa bóp. Chất này còn được ứng dụng làm mĩ phẩm, thuốc trừ sâu sinh học. Quá trình chiết xuất MeSA từ tự nhiên tốn nhiều thời gian, hiệu suất thấp (khoảng 6,88%), giá thành cao. MeSA sử dụng trong thương mại đa phần có nguồn gốc tổng hợp, thu được thông qua phản ứng ester hóa hai nguyên liệu là acid salicylic và methanol. Phương pháp này có nhược điểm là xảy ra theo cân bằng thuận nghịch, phản ứng không hoàn toàn. Do đó, trong nghiên cứu này, phương pháp đáp ứng bề mặt đã được sử dụng để tối ưu hóa quy trình tổng hợp MeSA nhằm nâng cao hiệu quả, giảm chi phí, thúc đẩy mở rộng quy mô sản xuất tại Việt Nam. Nghiên cứu cũng góp phần đảm bảo nguồn cung cấp nguyên liệu hóa dược trong nước.

Trong phản ứng ester hóa acid salicylic và methanol để tạo methyl salicylat, acid sunfuric có vai trò là tác nhân, xúc tác phản ứng đến trạng thái cân bằng nhanh hơn. Do đó, tỉ lệ tác chất và xúc tác sẽ ảnh hưởng đáng kể đến năng suất tổng hợp MeSA. Ngoài ra, hai yếu tố nhiệt độ và thời gian phản ứng cũng ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả tổng hợp. Đối với nhiệt độ tiến hành, phản ứng ở dãy nhiệt độ 90 – 100 độ C. Qua thực tế khảo sát điều kiện phản ứng, bắt đầu từ 90oC, nếu nhiệt độ tăng lên thêm 10 độ C hoặc 20 độ C thì năng suất không tăng thêm, ngược lại phản ứng còn xuất hiện tạp và giảm năng suất tổng hợp. Nếu nhiệt độ khảo sát từ 60oC đến 70oC, năng suất giảm do kéo dài thời gian phản ứng và dễ xuất hiện tạp chất hơn so với mức nhiệt độ cao. Do đó, hai mức cực tiểu và cực đại của nhiệt độ được chọn trong nghiên cứu là 75 độ C đến 90 độ C.

Thực hiện phản ứng ở thời gian từ 5 – 6 giờ. Khảo sát khoảng thời gian thực hiện phản ứng, sau ba giờ đạt nhiệt độ thiết kế, sản phẩm được tạo thành. Tuy nhiên, sản phẩm vẫn còn vết nguyên liệu. Sau khoảng thời gian 6 giờ, vết nguyên liệu gần như hết. Tiếp tục khảo sát cùng điều kiện ở thời gian phản ứng kéo dài đến 10,5 giờ thì tổng hợp cho năng suất giảm, xuất hiện thêm tạp chất khó loại bỏ bằng các phương pháp tinh chế. Do đó, thời gian phản ứng được lựa chọn trong nghiên cứu là từ 6 đến 9 giờ. Đây là khoảng thời gian lí tưởng để các chất ban đầu phản ứng hết và hạn chế xuất hiện tạp chất.

Nồng độ xúc tác H2SO4 đậm đặc cũng đóng vai trò quan trọng đến năng suất tổng hợp trong các phản ứng ester hóa. Ở nồng độ thấp, phản ứng tốn nhiều thời gian để đạt được trạng thái cân bằng và cho hiệu suất rất thấp. Ở nồng độ cao, từ 40% trở lên, chất xúc tác bão hòa tác dụng nồng độ xúc tác tăng không làm tăng tỉ lệ hút nước trong phản ứng mà còn làm tốn chi phí. Do đó, nồng độ xúc tác tối ưu nhất được chọn từ 10% đến 30%.

Nếu tỉ lệ tác chất ban đầu giữa methanol và acid salicylic thấp thì lượng dung môi không đủ để hòa tan hết sản phẩm, giảm năng suất tổng hợp MeSA. Nếu tỉ lệ này cao, thí nghiệm phải diễn ra trong thời gian dài để đảm bảo phản ứng hoàn toàn, tốn thời gian và chi phí. Tuy nhiên, năng suất cũng không được cải thiện tốt hơn. Qua khảo sát, tỉ lệ methanol : acid salicylic phù hợp để tối ưu hóa là từ 10:1 đến 15:1.

Từ những kết quả nghiên cứu và khảo sát sơ bộ trên, thiết kế phức hợp trung tâm (CCD) trong phương pháp đáp ứng bề mặt (RSP) được lựa chọn nhằm tối ưu hóa các điều kiện của quá trình phản ứng gồm: thời gian phản ứng (X1), nhiệt độ phản ứng (X2), nồng độ xúc tác (X3), tỉ lệ tác chất acid salicylic và methanol (X4). Phương pháp này thể hiện rõ các ảnh hưởng liên quan đến từng biến cụ thể ở nhiều mức độ và được trình bày qua mô hình đáp ứng, khắc phục được khuyết điểm của khảo sát Two-level factorial hay fractional factorial designs.

Kết quả phổ hấp thu hồng ngoại của MeSA (a) và khối phổ của MeSA (b)

Qua khảo sát quá trình tổng hợp MeSA, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất gồm: nhiệt độ, thời gian, nồng độ xúc tác và tỉ lệ tác chất. Thiết kế thí nghiệm trên phần mềm Minitab 19 và tiến hành thực nghiệm theo ma trận do phần mềm vạch ra để khảo sát đồng thời ảnh hưởng của các yếu tố trên. Xác định được điều kiện tối ưu là thời gian 6 giờ, nhiệt độ 82,12oC, nồng độ xúc tác 10%, tỉ lệ tác chất 10% với hiệu suất 89,07%. Các phổ IR, MS, 1H-NMR, 13C-NMR đã chứng minh được cấu trúc sản phẩm tổng hợp là MeSA. Sản phẩm được đánh giá chất lượng đạt tiêu chuẩn của Dược điển Việt Nam V. Đây là thông tin cần thiết, góp phần bổ sung dữ liệu cho những nghiên cứu trước đó cũng như khảo sát được điều kiện tối ưu để nâng cao hiệu suất tổng hợp MeSA.