Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 4 mercaptoimidazole bằng phương pháp tính toán hóa học

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  MÔI TRƯỜNGĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GỐC TỰ DO

VÀ HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HÓA CỦA 4-MERCAPTOIMIDAZOLE BẰNG PHƯƠNG

PHÁP TÍNH TOÁN HÓA HỌC

Sinh viên thực hiện : Đỗ Thị Ngọc Hằng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  MÔI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GỐC TỰ

DO VÀ HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HÓA

CỦA 4-MERCAPTOIMIDAZOLE BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HÓA HỌC

Sinh viên thực hiện : Đỗ Thị Ngọc Hằng

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của

4-mercaptoimidazole bằng phương pháp tính toán hóa học.

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng

Mã SV: 1911507110103 Lớp: 19VL1

Các dẫn xuất 4-mercaptoimidazole (4MC) thể hiện hoạt tính bắt gốc tự do

mạnh mẽ, tuy nhiên các cơ chế và động học về hoạt tính bắt gốc tự do như gốc HO vàHOO• vẫn chưa được nghiên cứu một cách cụ thể Chính vì vậy trong nghiên cứu này

các đặc tính bắt gốc tự do của 4MC được nghiên cứu bằng cách sử dụng tính toán DFT 4MC thể hiện hoạt tính bắt gốc hydroxyl tốt trong môi trường lipid (giá trị hằng

số tốc độ tổng lần lượt là 9,69109 và 9,60109 M1 s1).Đồng thời, 4MC còn thể hiện

hoạt tính bắt gốc cực tốt ở một số gốc như CH3O•, CCl3O•, HOO•, CH3OO•, CCl3OO•,

NO2, O2, SO4, DPPH và ABTS với kSET  109 M1 s1 Trong môi trường nước ở độ

pH sinh lý, khả năng bắt gốc tự do HOO• của 4MC nhanh hơn so với các chất chống

oxy hóa điển hình như Trolox, axit ascorbic và trans-resvertrol Đặc biệt, ở trạng thái

anion A thực hiện quá trình chuyển electron cho gốc tự do A với giá trị hằng số tốc

độ là 5,62109 M1 s1 Một chu kỳ tuần hoàn này bao gồm việc bắt gốc tự do O2 vàHOO được xảy ra từ đó đảm bảo khả năng kháng oxy hóa của hợp chất 4MC Qua

đánh giá ảnh hưởng của nhóm thế đến BDE và IE của 4MC cho thấy, dẫn xuất5NHMe24MC có BDE thấp nhất, trong khi đó 5NHMe24MC có giá trị IE thấp

nhất

Giảng viên hướng dẫn: TS Võ Văn Quân

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng Mã SV: 1911507110103

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của mercaptoimidazole bằng phương pháp tính toán hóa học.

4-2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- 4 Mercaptoimidazoles derived from the naturally occurring antioxidant iols 2 Computational and experimental approach of the radical scavenging

ovoth Antioxidant actions of ovothiolovoth derived 4ovoth mercaptoimidazoles: glutathioneperoxidase activity and protection against peroxynitrite-induced damage

3 Nội dung chính của đồ án:

- Tối ưu hóa cấu trúc của 4-mercaptoimidazole

- Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do của 4-mercaptoimidazole thông qua tínhtoán nhiệt động và động học.

- Đánh giá khả năng kháng oxy hóa của 4-mercaptoimidazole.

- Khảo sát sự ảnh hưởng của nhóm thế đến một số đại lượng nhiệt động của 4-mercaptoimidazole

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp và hoàn thành, lời đầu tiên, tôi xingửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn thầy TS Võ Văn Quân Thầy là ngườiluôn theo sát con đường học tập nghiên cứu tôi từ trước đến giờ, thầy luôn tận tìnhhướng dẫn, động viên tôi mỗi khi gặp khó khăn trong lúc thực hiện đề tài Ngoài rathầy luôn góp ý cho bản thân tôi để bản thân hoàn thiện về các kỹ năng trong lúc họctập

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Khoa Công nghệ Hóa học –Môi trường đặc biệt là bộ môn hóa học đã cho tôi có thêm nguồn tri thức trong suốthành trình học tập của mình Chính những kiến thức là nền tảng cho quá trình nghiêncứu và học tập của tôi, không những vậy từ những kiến thức này sẽ giúp tôi rất nhiềutrong cuộc sống của bản thân tôi sau này đặc biệt trong công việc

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người anh chị đã luôn bêncạnh chia sẻ, động viên và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian học tập

ii

Dưới đây là đồ án tốt nghiệp của tôi, tôi xin cam đoan những số liệu và kết quả

là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ trong luận án nào Những sự giúp đỡhướng dẫn trong đồ án đã được cảm ơn và các trích dẫn trong đề tài đã được đính kèmtài liệu tham khảo

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

Nhận xét của người hướng dẫn

Nhận xét của người phản biện

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

LỜI NÓI ĐẦU ii

CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ vii

DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Một số khái niệm 3

1.1.1 Năng lượng phân ly liên kết (BDE: Bond disociation enthalpy) 3

1.1.2 Ái lực proton (PA: Proton Affinity) 3

1.1.3 Ái lực electron (IE: Ionization Energy) 3

1.2 Chất kháng oxy hóa và vai trò của chúng trong cơ thể 3

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP 8

2.1 Hệ chất nghiên cứu 8

2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 8

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 8

2.2 Phương pháp nghiên cứu 8

2.2.1 Tối ưu hóa cấu trúc 8

2.2.2 Phương pháp tính toán nhiệt động 11

2.2.3 Phương pháp tính toán động học 11

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 14

3.1 Đánh giá BDE, PA và IE của 4MC 14

iv

3.3 Hoạt tính bắt gốc tự do HO • của 4MC 15

3.3.1 Hoạt tính bắt gốc tự do HO• của 4MC trong môi pha khí 15

3.3.2 Hoạt tính bắt gốc tự do HO• của 4MC trong môi trường cơ thể 18

3.4 Hoạt tính bắt gốc tự do HOO • của 4MC 19

3.4.1 Hoạt tính bắt gốc tự do HOO• của 4MC trong pha khí 19

3.4.2 Hoạt tính bắt gốc tự do HOO• của 4MC trong môi trường cơ thể 21

3.5 Đánh giá hoạt tính bắt gốc tự do của 4MC đối với các gốc theo cơ chế SET 22 3.6 Năng lượng phân ly liên kết (BDE) của các dẫn xuất 4MC 24

3.7 Năng lượng ion hóa (IE) của các dẫn xuất 4MC 29

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

PHỤ LỤC 39

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các thông số nhiệt (BDEs, PAs và IEs) của 4MC trong pha khí 15

Bảng 3.2 Go (kcal/mol) tính được của các phản ứng 4MC + HO• theo các cơ chếFHT, RAF, SET trong pha khí 16Bảng 3.3 Giá trị năng lượng tự do Gibbs hoạt hóa (∆G≠, kcal/mol), hiệu số hiệu chỉnh(), kEck (M1 s1) và tỷ lệ (,%) đối với phản ứng HO) đối với phản ứng HO• + 4MC trong pha khí 16

Bảng 3.4 Giá trị năng lượng tự do Gibbs hoạt hóa (∆G≠, kcal/mol), hiệu số hiệu chỉnh(), hệ số λ (kcal/mol), hằng số tốc độ (kapp, kf, và koverall M1 s1), phần trăm  (%) đối với phản ứng HO) đốivới phản ứng HO• + 4MC trong dung môi nước và pentyl ethanoate 19

Bảng 3.5 Go (kcal/mol) tính được của các phản ứng 4MC + HOO• theo các cơ chếFHT, RAF và SET trong pha khí 20Bảng 3.6 Giá trị năng lượng tự do Gibbs hoạt hóa (∆G≠, kcal/mol), hiệu số hiệu chỉnh(), kEck (M–1s–1) và tỷ lệ (,%) đối với phản ứng HO) đối với phản ứng HOO• + 4MC trong pha khí 20

Bảng 3.7 Giá trị năng lượng tự do Gibbs hoạt hóa (∆G≠, kcal/mol), hiệu số hiệu chỉnh(), hệ số λ (kcal/mol), hằng số tốc độ (kapp, kf, and koverall M1 s1), phần trăm  (%) đối với phản ứng HO) đốivới phản ứng HOO• + 4MC trong dung môi nước và pentyl ethanoate 22

Bảng 3.8 Giá trị năng lượng tự do Gibbs hoạt hóa (∆G≠, kcal/mol), hệ số λ (kcal/mol),hằng số tốc độ (kD, kapp, kf, và kSET M1 s1) giữa 4MC và các gốc 23 Bảng 3.9 Giá trị BDE (S H) và BDE (SH) trong trong pha khí của các dẫn xuất 4MC chứa một nhóm thế với hợp chất 4MC 27 Bảng 3.10 Giá trị IE và IE trong pha khí của các dẫn xuất 4MC chứa một nhóm thế với hợp chất 4MC 30

vi

Hình 2.1 Cửa sổ làm việc của GaussView 9

Hình 2.2 Gaussian Calculate Setup 10

Hình 2.3 Cửa sổ Notepad 10

YHình 3.1 Cấu trúc 4MC trước khi được tối ưu hóa 14

Hình 3.2 Cấu trúc 4MC sau khi được tối ưu hóa 14

Hình 3.3 Chu kỳ tuần hoàn của quá trình bắt gốc hydroperoxyl và superoxide của 4MC theo cơ chế SET trong dung dịch nước 24

Hình 3.4 Các dẫn xuất 4MC ở vị trí thứ 1 25

Hình 3.5 Các dẫn xuất 4MC ở vị trí 2 25

Hình 3.6 Các dẫn xuất 4MC vị trí 5 26

Hình 3.7 Giá trị BDE của các dẫn xuất 4MC so với 4MC 28

Hình 3.8 Giá trị IE của các dẫn xuất 4MC so với 4MC 31

DANH SÁCH KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

4MC 4-mercaptoimidazole 4-mercaptoimidazole

BDE Bond disociation enthalpy Năng lượng phân ly liên kếtFHT Formal hydrogen tranfer Chuyển nguyên tử hydro

IE Ionization energy Năng lượng ion hóa

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Những năm gần đây, các nghiên cứu về hoạt tính kháng oxy hóa là một trongnhững chủ đề thu hút rất nhiều nhà khoa học Các hợp chất chống oxy hóa được cácnhà nghiên cứu bởi vì những ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Hợp chất 4MC được biết có hoạt tính kháng oxy hóa cao trong tự nhiên và

được tìm thấy trên động vật không xương sống thông qua nghiên cứu thực nghiệm.Các nghiên cứu cho thấy rằng hợp chất này có hiệu quả trong việc loại bỏ một số gốcnhư: muối Fremy's, gốc Banfield's, gốc tyrosyl,1 superoxide và linoleate peroxyl.2 Bêncạnh đó thì hợp chất còn thể hiện hoạt tính bắt gốc tự do cao hơn hợp chất glutathione

Không những vậy 4MC thể hiện hoạt tính bắt gốc tự do mạnh mẽ thông qua các dẫn xuất 4MC Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây đã chưa đưa ra các báo cáo cụ thể

về cơ chế và động học của hoạt tính bắt gốc tự do như HO• và HOO• Chính vì vậy, đề

tài mang tên “Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của

4-mercaptoimidazole bằng phương pháp tính toán hóa học” được thực hiện nhằm

đánh giá khả năng bắt gốc tự do của 4MC với HO•, HOO•,CH3O•, CCl3O•, CH3OO•,CCl3OO•, NO2, SO4, DPPH và ABTS trong môi trường phân cực và môi trườngkhông phân cực thông qua phương pháp tính toán nhiệt động và động học từ đó đánh

giá khả năng chống oxy hóa của 4MC

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục đích của đề tài là đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa của hợp chất mercaptoimidazole và dẫn xuất của nó bằng phương pháp tính toán hóa học Từ đóđịnh hướng trong việc thiết kế phân tử cũng như tổng hợp các chất có khả năng khángoxy hóa cao vào trong thực tiễn

4-3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của mercaptoimidazole

4-3.2 Phạm vi nghiên cứu

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 4-mercaptoimidazole bằng

phương pháp tính toán hóa học.

Thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc các hợp chất nghiên cứu Tính toán và đánh giánhiệt động và động học với gốc tự do tiêu biểu Từ đó đánh giá khả năng kháng oxyhóa của hợp chất trong môi trường mô phỏng cơ thể

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tổng quan lý thuyết về các phương pháp hóa tính toán, tổng quan các bài báokhoa học và các nguồn tài liệu khác có liên quan đến hệ nghiên cứu

Sử dụng phần mềm Gaussian, Gaussview và các phần mềm bổ trợ hóa học

Sử dụng phần mềm chemdraw vẽ một số hình ảnh cho đề tài

5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN

Đồ án gồm 3 chương chính:

Mở đầu

Chương 1  Tổng quan tài liệu

Chương 2  Nội dung và phương pháp

Chương 3  Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo và phụ lục

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng Người hướng dẫn: TS Võ Văn Quân 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1.1 Năng lượng phân ly liên kết (BDE: Bond disociation enthalpy)

Năng lượng phân li liên kết (BDE) là năng lượng cần thiết để phá vỡ một liênkết hóa học tạo thành các gốc tự do Năng lượng phân li liên kết càng lớn thì liên kếtcàng khó bị phá vỡ Như vậy năng lượng phân ly liên kết thường được sử dụng nhưmột thước đo độ bền của một liên kết hóa học và để so sánh các liên kết khácnhau Lưu ý rằng sự thay đổi enthalpy phụ thuộc vào nhiệt độ Đơn vị điển hình củanăng lượng phân ly liên kết là kJ/mol hoặc kcal/mol Năng lượng phân ly liên kết cóthể được đo bằng thực nghiệm bằng phương pháp đo phổ, nhiệt lượng và điện hóa

1.1.2 Ái lực proton (PA: Proton Affinity)

Ái lực proton (PA) là năng lượng tối thiểu cần thiết để tách một proton ra khỏiphân tử Ái lực proton càng lớn thì càng khó tách proton ra khỏi phân tử

1.1.3 Ái lực electron (IE: Ionization Energy)

Năng lượng ion hóa (IE) là năng lượng tối thiểu cần để tách một electron rakhỏi phân tử ở trạng thái cơ bản Năng lượng ion hóa càng lớn thì electron càng khó bịtách ra khỏi phân tử

1.2 Chất kháng oxy hóa và vai trò của chúng trong cơ thể

1.2.1 Gốc tự do là gì?

Gốc tự do (free radical) là bất cứ phần tử hóa học nào có một điện tử (electron)duy nhất hay một số lẻ điện tử Các gốc tự do thường có độ bền thấp, dễ tạo ra phảnứng để chiếm đoạt điện tử từ các phân tử khác và sau đó liên tiếp tạo ra chuỗi gốc tự

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 4-mercaptoimidazole bằng

phương pháp tính toán hóa học.

do mới, gây rối loạn hoạt động bình thường của tế bào Với một người sống đến 70tuổi có khoảng 17 tấn gốc tự do được tạo ra như vậy3

1.2.2 Ảnh hưởng của gốc tự do

Theo các nhà khoa học, gốc tự do hủy hoại tế bào theo diễn tiến sau đây: trướchết gốc tự do oxy hóa màng tế bào gây trở ngại việc thải chất bã và hấp thụ chất dinhdưỡng; sau đó gốc tự do tấn công các ty lạp thể, phá vỡ nguồn cung cấp năng lượng.Cuối cùng, bằng cách oxy hóa, gốc tự do làm suy yếu kích thích tố, các enzyme khiến

cơ thể không tăng trưởng được Bác sĩ Denham Harman thuộc Đại học Berkeley,California, cho rằng gốc tự do gây tổn thương tế bào và là một trong nhiều nguyênnhân gây sự hóa già, lão suy, Alzheimer, tăng huyết áp vô căn, đái tháo đường, bệnh

xơ vữa động mạch, ung thư.4

Hình 1.1 Sự hình thành các gốc tự do

Có nhiều loại gốc tự do nguy hiểm như: superoxide (O2), ozone,hydroxylperoxide (HOO), peroxide lipid, hydroxyl radical (HO) gây ra nhiều tổnthương tế bào Gốc tự do còn là sản phẩm của sự căng thẳng kéo dài, mệt mỏi, ô nhiễmmôi trường, thuốc lá, tia phóng xạ, thực phẩm có chất màu tổng hợp, hóa chất côngnghiệp, nước có nhiều chlorine 5

1.2.3 Chất kháng oxy hóa và vai trò của chúng trong cơ thể

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng Người hướng dẫn: TS Võ Văn Quân 4

Con người có thể tạo ra hệ thống kháng oxy hóa, chống lại sự hình thành hoặclàm giảm các hoạt tính các gốc tự do Đó là hệ thống kháng oxy hóa do chính cơ thểcon người tạo ra và hệ thống kháng oxy hóa từ nguồn thức ăn đưa vào cơ thể Hệthống kháng oxy hóa do chính con người tạo ra bao gồm các enzyme như superoxidedismutase, glutathione peroxidase, catalase, các peroxide kim loại, acid dihydolypoic ngăn cản sự hình thành các gốc tự do, làm sạch gốc tự do Tuy nhiên khả năng khángoxy hóa của cơ thể không ngăn chặn hết được các gốc tự do nên một số gốc tự do vẫntiếp tục gây nguy hại cho tế bào Ngoài ra do ảnh hưởng của các tác nhân như tia tửngoại, khói thuốc, ô nhiễm không khí, chế độ dinh dưỡng nhiều acid không nocao làm giảm khả năng kháng oxy hóa của cơ thể Vì thế, cơ thể người cần bổ sungcác chất kháng oxy hóa từ bên ngoài thông qua chế độ dinh dưỡng hàng ngày.6

Với đặc điểm an toàn cao, có giá trị dinh dưỡng và trị liệu nên việc sử dụng cáchợp chất kháng oxy hóa có nguồn gốc tự nhiên đang được chú ý đặc biệt Thuật ngữ

“kháng oxy hóa” được dùng để chỉ các chất có khả năng cắt đứt mạch phản ứng dâychuyền gốc tự do trong quá trình

oxy hóa lipid Như vậy, những

chất có hoạt tính kháng oxy hóa

(antioxidant) là những chất có

khả năng ngăn chặn hoặc làm

chậm lại quá trình tổn hại tế bào

do quá trình oxy hóa tạo ra Các

chất làm tổn hại tế bào chủ yếu là

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 4-mercaptoimidazole bằng

phương pháp tính toán hóa học.

Hợp chất 4-mercaptoimidazole (4MC) và các dẫn xuất của nó được biết đến là các hợp chất tự nhiên Zoete V đã nghiên cứu qua đó đã cho thấy 4MC có nguồn gốc

từ ovothiols Ở nghiên cứu này đã cho thấy hợp chất phản ứng chậm vớihydroperoxide với hằng số tốc độ 0,13  0,89 M1s1 và quá trình dập tắt gốc hydroxylxảy ra ở tốc độ khuếch tán được kiểm soát đối với các chất hoạt động mạnh nhất Ởmột nghiên cứu khác, khi các phân tử đối mặt bị oxy hóa thì trong hệ sinh học sẽ sửdụng khả năng chống oxy hóa của enzyme và phi-enzyme.7-8

Trong nghiên cứu của B.M Shapiro và P.B Hopkins cho thấy một loạiheterothiols mới đó là hợp chất 1-methyl-4-mercaptohistidines (ovothiols) Hợp chấtnày đã được nhà nghiên cứu phát hiện với số lượng lớn ở các động vật không xươngsống.9

Việc đánh giá các hoạt tính kháng oxy hóa của hợp chất trên đã được một sốnhà nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm Đã có nghiên cứu thực hiện bằngcách hấp thụ hydrogen peroxide và sau đó tái tạo bởi glutathione.10-13 Điều này chothấy chúng đảm nhận vị trí của enzymatic glutathione peroxidase (GSH Px) Khả năngthể hiện hoạt tính bắt gốc cũng đã được trình bày cụ thể như: chúng có hiệu quả trongviệc loại bỏ muối Fremy's, gốc Banfield's, gốc tyrosyl,1 superoxide và linoleateperoxyl.2 Khả năng bắt gốc tự do của chúng được đánh giá là cao hơn đáng kể so vớiglutathione trong phần lớn các nghiên cứu Chính vì vậy chúng cùng với ascorbate làmột trong các chất chống oxy hóa có hiệu quả có nguồn gốc từ tự nhiên

Bên cạnh đó, một số mối liên hệ giữa đặc tính acid  base, oxy hóa khử và các

hoạt tính khác oxy hóa Ở pH sinh lý, 4MC chiếm ưu thế dưới dạng các hợp chất

zwitterionic, thể hiện các chức năng thiolate cực kỳ phản ứng.14 4MC thể hiện thông

qua quá trình chuyển các gốc tự do thành gốc thiyl, có khả năng khắc phục các tínhchất có hại do vitamin E gây ra.2 Hoạt tính bắt gốc tự do của hợp chất 4MC thể hiện mạnh mẽ thông qua các dẫn xuất 4MC.15-16

Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây đã chưa đưa ra các báo cáo cụ thể về cơchế và động học của hoạt tính bắt gốc tự do như các gốc HO• và HOO• vẫn chưa đượcnghiên cứu rõ ràng Chính vì vậy, ở đề tài này đã tiến hành nghiên cứu hoạt tính bắt

gốc tự do của 4MC với gốc HO• và HOO• cũng như các gốc khác CH3O•, CCl3O•,

CH3OO•, CCl3OO•, NO2, SO4, DPPH và ABTS, trong môi trường phân cực và môi

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng Người hướng dẫn: TS Võ Văn Quân 6

trường không phân cực Đề tài đã sử dụng phương pháp tính toán nhiệt động và động

học đó đánh giá khả năng chống oxy hóa có hiệu quả của 4MC trong môi trường môi

trường cơ thể và cấu trúc moracin đối với gốc HO• và HOO•

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 4-mercaptoimidazole bằng

phương pháp tính toán hóa học.

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.1 Hệ chất nghiên cứu

2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu

2.1.1.1 Mục tiêu chung

- Đánh giá khả năng kháng oxy hóa của hợp chất 4MC bằng phương pháp tính

toán hóa học; qua đó định hướng trong việc thiết kế phân tử; tổng hợp hóa học và ứngdụng hợp chất có tính oxy hóa cao vào thực tiễn

2.1.1.2 Mục tiêu cụ thể

- Đánh giá khả năng kháng oxy hóa của hợp chất 4MC thiên nhiên trong môi

trường cơ thể thông qua tính toán nhiệt động và động học

- So sánh hợp chất 4MC với chất chống oxy hóa điển hình Trolox.

- Đánh giá khả năng chống oxy hóa của hợp chất 4MC với các dẫn xuất của nó.

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

- Tối ưu hóa cấu trúc của 4MC.

- Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do của 4MC thông qua tính toán nhiệt động

và động học.

- Đánh giá khả năng kháng oxy hóa của 4MC.

- Khảo sát sự ảnh hưởng của nhóm thế đến khả năng bắt gốc tự do của

4MC.

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Tối ưu hóa cấu trúc

Để thực hiện nghiên cứu tính toán đề tài, đầu tiên cần tối ưu hóa cấu trúc Quátrình này giúp nghiên cứu các hiện tượng bằng các tính toán trên máy tính thay choviệc khảo sát thực nghiệm

Các cấu trúc phân tử được thiết kế trên phần mềm GaussView và thực hiện quátrình tính toán hóa học để tối ưu hóa cấu trúc bằng phần mềm Gaussian Phương phápGround State PM6 là phương pháp cơ bản nhất trong việc thực hiện tính toán tối ưu

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng Người hướng dẫn: TS Võ Văn Quân 8

hóa để thu thập dữ liệu của các thông số liên quan trên máy tính Phương pháp này chokết quả tương đối chính xác và có thể thực hiện trên các hệ máy tính có cấu hình thấpnhư laptop.

Tuy nhiên, để kết quả chính xác hơn, các phương pháp tính toán ở mức chínhxác (DFT, CCSDT) nên được sử dụng Chính vì vậy, phương pháp M06-2X với mức6-311G ++ (d,p) đã được sử dụng trong nghiên cứu này

Quá trình tối ưu hóa được thực hiện như sau: đầu tiên là mở file thiết cấu trúc

4MC bằng GaussView, chuột phải chọn File CalculateCtrl+G sẽ xuất hiện bảng như Hình 2.2  Job type chọn Opt+Freq  Method chọn Custom, Basis Set: 6-311G

++ (d,p) và charge/mult 0 1 Submit Sau đó sẽ được tính toán bằng Gaussian tùy vàocấu hình máy tính mà thời gian để hoàn thành một file là khác nhau Sau khi chạy

thành công thu được file thứ 2 với đuôi Log, tiến hành mở file 2 bằng Notepad (Hình 2.3) để lấy giá trị thermal correction to enthalpy (TCE) và HF Tiếp tục tính toán các

thông số BDE, PA, IE

Hình 2.1 Cửa sổ làm việc của GaussView

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 4-mercaptoimidazole bằng

phương pháp tính toán hóa học.

Hình 2.2 Gaussian Calculate Setup

Hình 2.3 Cửa sổ Notepad

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng Người hướng dẫn: TS Võ Văn Quân 10

2.2.2 Phương pháp tính toán nhiệt động

Để xác định hoạt tính kháng oxy hóa của các hợp chất nghiên cứu cần tính toáncác đại lượng nhiệt động theo 3 cơ chế phổ biến Việc tính toán nhiệt động nhằm giảithích quá trình dập tắt gốc tự do của các chất kháng oxy hóa RH Dưới đây là các cơchế được sử dụng trong đề tài:

+ Cơ chế chuyển nguyên tử Hydro – HAT

+ Cơ chế chuyển electron chuyển proton – SETPT

+ Cơ chế mất proton chuyển electron – SPLET

Để tính toán nhiệt động cần tiến hành tính toán các thông số nhiệt động (BDE, IE

và PA) của chất kháng oxy hóa được tính dựa vào giá trị enthalpy phản ứng ở 298,15

K và 1 atm, các công thức tính được biểu diễn như sau:

- Năng lượng phân ly liên kết (BDE): là thông số nhiệt động chính để đánh giákhả năng chống oxy hóa của các hợp chất thông qua cơ chế FHT:

Trong đó H là enthalpy tổng của các chất nghiên cứu tại 298,15 K và 1atm,

thông thường được tính toán theo biểu thức sau đây:

H = E0 + ZPE + Htrans + Hrot + Hvib + RT

Trong đó Htrans, Hrot và Hvib lần lượt là sự đóng góp của năng lượng do sự tịnhtiến, quay và dao động của phân tử vào giá trị enthalpy E0 là năng lượng tổng tínhtoán tại 0 K và ZPE là năng lượng dao động điểm không (zero-point vibrationalenergy) Giá trị enthalpy của nguyên tử hydro trong pha khí được lấy giá trị chính xác

là -0.5 Hatree ở 0 K và hiệu chỉnh nhiệt ở nhiệt độ xác định được cộng thêm vào mộtgiá trị là 2.5RT

Bề mặt thế năng (PES) cũng được xem xét và xây dựng dựa trên trạng tháichuyển tiếp, hợp chất trung gian, sản phẩm của các phản ứng giữa gốc tự do ROO● và

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 4-mercaptoimidazole bằng

phương pháp tính toán hóa học.

các hợp chất nghiên cứu Các tính toán động học cho các phản ứng cũng sẽ được thựchiện

2.2.3 Phương pháp tính toán động học

Trong nghiên cứu này các tính toán động học được thực hiện bằng cách sử dụngtính toán dựa trên cơ học lượng tử cho quá trình bắt gốc tự do tổng hợp (QM-ORSA)kết hợp với phương pháp SMD trong môi trường nước và pentyl ethanoate.17-23

Động học của phản ứng bắt gốc tự do được tính toán dựa trên thuyết trạng tháichuyển tiếp (TST) ở 298,15 K, 1M theo phương trình (2.4)24-29

k =σκ k B T

−(Δ G ≠

Trong đó : hằng số đối xứng của phản ứng.30-31

: hằng số hiệu chỉnh theo Eckart.32

kB: hằng số Boltzmann.

h: hằng số Planck.

∆G≠: năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Lý thuyết Marcus được dùng để tính năng lượng hoạt hóa cho các phản ứngtheo cơ chế chuyển 1 electron (SET) theo công thức (2.5) và (2.6)

kapp cho hệ phản ứng 2 phân tử của các phản ứng có hằng số tốc độ gần bằng hằng số

khuếch tán (kD) theo các phương trình (2.7) và (2.8)

DA + DB), DA và DB được tính theo công thức Stokes–Einstein (2.9)

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng Người hướng dẫn: TS Võ Văn Quân 12

ở đây là M06-2X/6-311++G(d,p) ở mức độ lý thuyết.34-36

Ảnh hưởng của dung môi được đánh giá bằng cách sử dụng các mô hình tínhtoán tích hợp trong phần mềm Gaussian tại cùng mức lý thuyết tương ứng như đã tínhtrong pha khí Kết quả tính toán sẽ được so sánh với các chất chống oxy hóa điển hình

để làm rõ hơn khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính chống oxy hóa của hợp chất nghiêncứu

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 4-mercaptoimidazole bằng

phương pháp tính toán hóa học.

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Đánh giá BDE, PA và IE của 4MC

Hoạt tính kháng oxy hóa có thể xảy ra theo bốn cơ chế chính, bao gồm chuyểnnguyên tử hydro (FHT),20,37-38 mất proton chuyển electron (SPLET), cơ chế chuyểnelectron chuyển proton (SETPT)39-40 và quá trình cộng gốc vào nối đôi (RAF).19,41-43

Ba cơ chế này được đặc trưng bởi các thông số nhiệt động như năng lượng phân ly liênkết (BDE), ái lực proton (PA) và năng lượng ion hóa (IE) Để tiến hành tính toán cácgiá trị, đầu tiên tiến hành tối ưu cấu trúc của hợp chất đó Dưới đây là cấu trúc của

4MC trước và sau khi được tối ưu hóa.

Hình 3.1 Cấu trúc 4MC trước khi được tối ưu hóa

Hình 3.2 Cấu trúc 4MC sau khi được tối ưu hóa

Sau khi tối ưu hóa xong, tiến hành thiết lập để chạy và tính toán giá trị BDE,

PA và IE Do đó, các giá trị BDE, PA và IE trong pha khí của 4MC được tính toán và kết quả được thể hiện qua Bảng 3.1.

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng Người hướng dẫn: TS Võ Văn Quân 14

Bảng 3.1 Các thông số nhiệt (BDEs, PAs và IEs) của 4MC trong pha khí

Thông qua Bảng 3.1 giá trị BDE thấp nhất được dự đoán cho vị trí S-H với giá

trị BDE= 75,9 kcal/mol Giá trị này thấp hơn so với các chất chống oxy hóa tự nhiênnhư resveratrol (83,9 kcal/mol) và axit vanillic (85,2 kcal/mol)

3.2 Sự phân ly acid – base

Trong môi trường sinh lý khi hợp chất chịu sự tác động thì hoạt tính bắt gốc

HO• và HOO• của 4MC được thiết lập thông qua mô hình trong môi trường nước

(nước ở pH=7,40) và các trong môi trường lipid (pentyl ethanoate).18,37 Thông qua đó,

sự cân bằng lượng acid – base tại các trạng thái của 4MC trong dung dịch nước được tính toán theo tài liệu và kết quả được trình bày qua Hình 3.3.36,44

Hình 3.3 Sự cân bằng phân ly acid của 4MC trong môi trường nước pH=7,40 3.3 Hoạt tính bắt gốc tự do HO • của 4MC

3.3.1.1 Đánh giá nhiệt động

Để xác nhận các cơ chế ưu tiên cho quá trình bắt gốc tự do HO• của 4MC, năng lượng Gibb của phản ứng 4MC + HO• theo các cơ chế bao gồm FHT (chuyển nguyên

tử hyddro), chuyển electron đơn (SET, bước quyết định của cơ chế SETPT) và quá

trình cộng gốc vào nối đôi (RAF) đã được tính toán và trình bày qua Bảng 3.2.

Thông qua kết quả tính toán cho thấy hoạt tính bắt gốc HO• của 4MC xảy ra

theo cơ chế FHT tại vị trí N1H, SH và RAF tại vị trí (C2’(C4’)(C5’)H) các phảnứng khác là không xảy ra vì giá trị Go > 0 (Go = 34,2159,0 kcal/mol) Giá trị Go

của các phản ứng theo cơ chế SET cao hơn nhiều so với các phản ứng theo cơ chếFHT Kết quả này phù hợp với các thông số nhiệt động được tính toán Do đó, dữ liệu

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do và hoạt tính kháng oxy hóa của 4-mercaptoimidazole bằng

phương pháp tính toán hóa học.

được tính toán gợi ý khả năng bắt gốc tự do HO• của 4MC diễn ra hầu hết ở cơ chế

FHT và RAF

Bảng 3.2 Go (kcal/mol) tính được của các phản ứng 4MC + HO• theo các cơ chế

FHT, RAF, SET trong pha khí

Nghiên cứu động học về hoạt tính bắt gốc HO• trong pha khí của 4MC được đo

cho tất cả vị trí có ( Go < 0) bằng cách sử dụng giao thức (QM-ORSA).18 Thông qua

kết quả tính toán nhiệt động cho thấy rằng khả năng bắt gốc tự do hydroxyl của 4MC

có thể được sử dụng thông qua cơ chế RAF tại vị trí (C2’(C4’)(C5’)H) cũng như cơchế chuyển nguyên tử hydro (FHT) tại vị trí (N1’(S’)H) Do đó, động học của phản

ứng 4MC + HO• trong pha khí được nghiên cứu theo các cơ chế thông qua phương

pháp (QM-ORSA), các dữ liệu được trình bày thông qua Bảng 3.3.

Bảng 3.3 Giá trị năng lượng tự do Gibbs hoạt hóa (∆G≠, kcal/mol), hiệu số hiệu chỉnh(), kEck (M1 s1) và tỷ lệ (,%) đối với phản ứng HO) đối với phản ứng HO• + 4MC trong pha khí

Thông qua Bảng 3.3 cho thấy hoạt tính bắt gốc tự do của 4MC với gốc tự do

HO• được xác định thông qua cơ chế cộng electron (RAF) tại vị trí C5 ((kECk =1,391012 M1s1,  = 83,5%) đối với phản ứng HO) và chuyển nguyên tử H tại liên kết SH (kECk = 2,651011

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Ngọc Hằng Người hướng dẫn: TS Võ Văn Quân 16