Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do của một số hợp chất hữu cơ từ cây ma ranh (cleistanthus sumatranus) bằng phương pháp hóa học tính toán

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ------ LÊ THỊ XUÂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GỐC TỰ DO CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ TỪ CÂY MA RANH CLEISTANTHUS SUMATRANUS BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

- -

LÊ THỊ XUÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GỐC TỰ DO CỦA MỘT SỐ

HỢP CHẤT HỮU CƠ TỪ CÂY MA RANH (CLEISTANTHUS

SUMATRANUS) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC TÍNH TOÁN

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2024

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

- -

LÊ THỊ XUÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GỐC TỰ DO CỦA MỘT SỐ

HỢP CHẤT HỮU CƠ TỪ CÂY MA RANH (CLEISTANTHUS

SUMATRANUS) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC TÍNH TOÁN

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Mã số: 8440114

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS MAI VĂN BẢY

Đà Nẵng – Năm 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS Mai Văn Bảy, Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tác giả luận văn

LÊ THỊ XUÂN

Tôi xin cảm ơn quý Thầy/Cô giáo bộ môn trong Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng đã dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường và hoàn thành luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, những Thầy/Cô đồng nghiệp và bạn

bè đã tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Đà Nẵng, tháng 2 năm 2024

Tác giả

LÊ THỊ XUÂN

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Cấu trúc luận văn 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Vai trò của các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học 5

1.2 Cân bằng oxy hóa khử và chất chống oxy hóa 6

1.2.1 Cân bằng oxy hóa khử trong cơ thể 6

1.2.2 Chất chống oxy hóa 6

1.2.3 Cơ chế chống oxy hóa 7

1.3 Tổng quan về cây Cleistanthus sumatranus 8

1.3.1 Đặc điểm sinh học và sinh thái 8

1.3.2 Hoạt tính sinh học của Cleistanthus sumatranus 9

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10

1.4.1 Ngoài nước 10

1.4.2 Trong nước 11

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN 12

2.1 Phương pháp hóa học lượng tử tính toán 12

2.1.1 Cơ sở phương pháp tính toán hóa học lượng tử 12

2.1.2 Bộ hàm cơ sở (basis set) 14

2.1.3 Mô hình dung môi 16

2.2 Hóa học tính toán ứng dụng trong nghiên cứu các hợp chất chống oxy hóa 18

2.2.1 Tối ưu hóa hình học (geometry optimization) 18

2.2.2 Xác định trạng thái chuyển tiếp và xây dựng bề mặt thế năng phản ứng 20

2.2.3 Các cơ chế và thông số nhiệt động học xác định hoạt tính chống oxy hóa 23

2.2.4 Tính toán các thông số động học phản ứng 25

2.3 Phần mềm tính toán 25

2.4 Mức lý thuyết sử dụng 26

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Khảo sát khả năng phản ứng FHT trong môi trường không dung môi 27

3.1.1 Khảo sát nhiệt động học 27

3.1.2 Khảo sát động học 31

3.2 Nghiên cứu khả năng phản ứng FHT trong môi trường sinh lý 34

3.2.1 Nghiên cứu khả năng phản ứng FHT trong môi trường lipid 34

3.2.2 Nghiên cứu khả năng phản ứng FHT trong môi trường nước 37

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHỤ LỤC 47

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu Chữ viết tắt đầy đủ/

tiếng Anh

Ý nghĩa tương ứng (nếu có) BDE Bond Dissociation Enthalpy Năng lượng phân li liên kết

DFT Density Function Theory Lý thuyết phiếm hàm mật độ

FHT Formal Hydrogen Transfer: Chuyển hydrogen

SETPT Single Electron Transfer - Proton

Transfer

Chuyển electron chuyển proton

SPLET Sequential Proton Loss Electron

Transfer

Chuyển proton – chuyển electron

ROS Reactive Oxygen Species Tác nhân phản ứng chứa oxy

IRC Intrinsic Reaction Coordinate Tọa độ phản ứng nội

TCE Thermal Correction Energy Năng lượng hiệu chỉnh nhiệt

TCH Thermal Correction to Enthalpy

TCG Thermal Correction to Free Energy

PES Potential Energy Surface Bề mặt thế năng

GLD Glycozolidol

TS Transition State Trạng thái chuyển tiếp

DANH MỤC CÁC BẢNG

3.3 Giá trị của BDE và Go (theo kcal/mol) của phản ứng the SL

+ HOO• theo cơ chế FHT

29

3.4 Giá trị ∆G≠ (kcal/mol), hệ số chui hầm (), hằng số tốc độ k

(M−1 s−1) của phản ứng giữa SL và gốc tự do HOO•.

33

3.5 Giá trị ∆G0, ∆G≠ (kcal/mol), hệ số chui hầm (), hằng số tốc

độ k (M−1 s−1) của phản ứng giữa SL và gốc tự do HOO• trong

môi trường lipid

36

3.6 Giá trị ∆G0, ∆G≠ (kcal/mol), hệ số chui hầm (), hằng số tốc

độ k (M−1 s−1) của phản ứng giữa SL và gốc tự do HOO• trong

môi trường nước

39

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.2 Các hợp chất được phân lập từ Cleistanthus sumatranus 10

2.1 Cấu trúc bộ hàm cơ sở 6-31G cho nguyên tử N 15

2.2 Minh họa cách xây dựng chung của khoang dung môi 16

2.4 Minh họa đường cong năng lượng của phản ứng 20

2.5 Đường cong năng lượng của phản ứng hóa học thường gặp 21

2.7 Quy trình tối ưu hóa hình học của trạng thái chuyển tiếp (TS) 22

3.1 Công thức cấu tạo và đánh số vị trí nguyên tử của các SL 27

3.3 Hình học tối ưu hóa của các TS theo cơ chế FHT 32

3.5 Bề mặt năng lượng Gibbs của các phản ứng trong môi trường

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hợp chất thiên nhiên có vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu nói riêng và nhân loại nói chung Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng một số loại cây để làm thuốc chữa bệnh, phục vụ nhu cầu của con người Đi cùng với sự phát triển của nhân loại, khoa học công nghệ ngày càng phát triển cho phép chúng ta nghiên cứu được nhiều hợp chất hơn Hiện nay, con người có xu hướng trở về với thiên nhiên, sử dụng các chế phẩm có nguồn gốc từ tự nhiên để nâng cao sức khỏe, chống oxy hóa, chống lão hóa, tăng cường hệ miễn dịch, hỗ trợ điều trị bệnh tật mà ít chịu tác động có hại nên dù có nhiều khía cạnh nghiên cứu khác nhau nhưng hợp chất thiên nhiên vẫn luôn là vấn đề được quan tâm và đón nhận, đặc biệt là nghiên cứu về các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học

Các gốc tự do và các chất oxy hóa khác đã trở nên quan trọng trong lĩnh vực sinh học do vai trò trung tâm của chúng trong các điều kiện sinh lý khác nhau cũng như ý nghĩa của chúng trong nhiều loại bệnh Các gốc tự do, cả các loại oxy phản ứng (ROS)

và các loại nitơ phản ứng (RNS), có nguồn gốc từ cả hai nguồn nội sinh (ty thể, peroxisome, mạng lưới nội chất, tế bào thực bào, v.v.) và các nguồn ngoại sinh (ô nhiễm, rượu, khói thuốc lá, kim loại nặng, kim loại chuyển tiếp, dung môi công nghiệp, thuốc trừ sâu, một số loại thuốc như halothane, paracetamol và phóng xạ) Các gốc tự do có thể ảnh hưởng xấu đến các loại phân tử sinh học quan trọng khác nhau như axit nucleic, lipid và protein, do đó làm thay đổi trạng thái oxy hóa khử bình thường dẫn đến tăng căng thẳng oxy hóa Các gốc tự do gây ra stress oxy hóa đã được báo cáo là có liên quan đến một số bệnh như đái tháo đường, rối loạn thoái hóa thần kinh (bệnh Parkinson-PD, bệnh Alzheimer-AD và Đa xơ cứng-MS), bệnh tim mạch (xơ vữa động mạch và tăng huyết áp), các bệnh về đường hô hấp (hen suyễn), phát triển đục thủy tinh thể, viêm khớp dạng thấp và trong các bệnh ung thư khác nhau (ung thư đại trực tràng, tuyến tiền liệt, vú, phổi, bàng quang) [1]

Với đội ngũ nghiên cứu ngày càng lớn và công nghệ nghiên cứu ngày càng hiện đại tiếp tục hoàn thiện các phương pháp phân tích hợp chất, đẩy mạnh nghiên cứu các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học và chống oxy hóa Việc tìm ra các chất có tính sinh học và chống oxy hóa là bước đầu cho việc tổng hợp nên một hợp chất có tính ưu việt hơn, đem lại giá trị cao đối với nhu cầu của con người Để đạt được mục tiêu đó thì việc

hiểu cơ chế phân tử của hoạt động chống oxy hóa cũng như mối liên hệ giữa cấu trúc và hoạt tính là một yêu cầu thiết yếu Hóa học tính toán đã và đang trở thành công cụ đắc lực cho phép hiểu được hành vi ở mức độ vi mô của các hoạt động sinh học của các phân tử,

từ đó cho phép sàng lọc các hợp chất cũng như phát triển các hợp chất mới có hoạt tính chống oxy hóa cao hơn

Từ các lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do của một

số hợp chất hữu cơ từ cây ma ranh (Cleistanthus sumatranus) bằng phương pháp

hóa học tính toán”

2 Mục tiêu nghiên cứu

(1) Nghiên cứu khả năng bắt gốc tự do HOO• của một số hợp chất hữu cơ từ cây

ma ranh (Cleistanthus sumatranus) theo cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen trong môi

trường nước và môi trường lipid

(2) Đánh giá khả năng chống oxy hóa của các hợp chất nghiên cứu theo cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen

3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu 10 hợp chất hữu cơ đã được phân lập từ cây ma ranh (Cleistanthus sumatranus)

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

Thu thập, tổng hợp các tài liệu, tư liệu, sách báo trong và ngoài nước có liên quan

đến các vấn đề: Cây ma ranh (Cleistanthus sumatranus), các phương pháp hóa tính toán

Xử lý các thông tin về lý thuyết có thể sử dụng được để đưa ra các vấn đề cần thực hiện trong quá trình thực hiện tính toán

4.2 Phương pháp hóa tính toán

Sử dụng các phần mềm gaussian 16, gaussview 06 và các phần mềm hóa học khác để thực hiện tính toán

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả của nghiên cứu về khả năng bắt gốc tự do HOO• của một số hợp chất

hữu cơ từ cây ma ranh (Cleistanthus sumatranus) theo cơ chế chuyển nguyên tử

hydrogen trong môi trường nước và môi trường lipid cung cấp thông tin quan trọng về

cơ chế chống oxy hóa của các hợp chất này trong môi trường sinh lý

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của nghiên cứu cung cấp thông tin khoa học về khả năng bắt gốc tự do

của phản ứng của các hợp chất từ cây Cleistanthus sumatranus theo cơ chế chuyển

nguyên tử hydrogen Thông tin này có thể hỗ trợ việc ứng dụng và phát triển các dược

phẩm từ các hợp chất này trong lĩnh vực y học và điều trị bệnh

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận - kiến nghị, tài liệu tham khảo, phụ lục, luận văn gồm 4 bảng, 16 hình và 3 chương như sau:

Chương 1 – Tổng quan

Chương 2 – Phương pháp nghiên cứu và phần mềm tính toán

Chương 3 – Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Vai trò của các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học

Các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học đã cung cấp cho con người nhiều loại thuốc quý giá có tác dụng phòng và điều trị nhiều bệnh tật nguy hiểm như các chất kháng sinh điều trị các bệnh nhiễm khuẩn nguy hiểm, các corticosteroid chống viêm, chống dị ứng, các hormon steroid sinh dục chống lão hoá, tăng sinh lực, kéo dài tuổi thọ, các thuốc điều trị ung thư như vincaleucoblastin, vincaleucocristin từ lá dừa cạn, taxol từ thông đỏ, camptothecin từ cây camptotheca acuminate Các hợp chất thiên nhiên

có hoạt tính sinh học không những được sử dụng rộng rãi trong y học mà còn được dùng phổ biến trong chăn nuôi, trồng trọt, thú y và mỹ phẩm [2]

Đặc biệt trong 20 năm trở lại đây, các hợp chất thiên nhiên còn được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong sản xuất các thực phẩm chức năng (functional food), bổ sung dinh dưỡng (dietary supplements) hay thực phẩm thuốc (neutraceuticals) là các sản phẩm nâng cao sinh lực, nâng cao sức khoẻ cho con người, chống oxy hoá, chống lão hóa, tăng cường miễn dịch, phòng và hỗ trợ điều trị bệnh tật, nâng cao tuổi thọ như các carotenoid, các flavonoid, các vitamin, các acid amin, các enzyme Cũng cần chú ý rằng, trong khoa học đã khám phá và sử dụng được nhiều hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học quý giá từ cây cỏ, động vật và vi sinh vật, nhưng thế giới sinh vật rất phong phú và đa dạng và còn nhiều loài sinh vật chưa được nghiên cứu khai thác, đặc biệt là các sinh vật biển, nhất là các sinh vật ở biển sâu [3]

Các hợp chất thiên nhiên được phân loại theo cấu tạo hoá học thành các nhóm chính:

1.2 Cân bằng oxy hóa khử và chất chống oxy hóa

1.2.1 Cân bằng oxy hóa khử trong cơ thể

Cân bằng oxy hóa trong cơ thể là một quá trình quan trọng, duy trì sự cân bằng giữa quá trình tạo ra và loại bỏ các gốc tự do và các dạng oxy hóa của các phân tử Cân bằng này đóng vai trò quan trọng trong duy trì sức khỏe và chức năng của các tế bào và

mô trong cơ thể [4]

Cơ thể của chúng ta tự tạo ra các gốc tự do thông qua các quá trình tự nhiên như quá trình trao đổi chất, hấp thụ oxy từ không khí, và các quá trình sinh hóa Các gốc tự

do này có thể gây ra tổn thương tế bào và gây ra stress oxy hóa, gây hại cho cơ thể nếu không được kiểm soát

Để duy trì cân bằng oxy hóa, cơ thể sử dụng một hệ thống phòng ngự chống lại stress oxy hóa, bao gồm các chất chống oxy hóa như vitamin C, vitamin E, glutathione

và enzyme chống oxi hóa như superoxide dismutase (SOD), catalase và glutathione peroxidase Những chất này giúp loại bỏ các gốc tự do và ngăn chặn sự tổn thương oxy hóa trong cơ thể

Nếu cân bằng oxy hóa bị phá vỡ, khi các gốc tự do vượt quá khả năng của hệ thống chống oxy hóa, có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe như viêm nhiễm, tiền động kinh, bệnh tim mạch và ung thư Do đó, duy trì cân bằng oxy hóa là một phần quan trọng của việc duy trì sức khỏe và phòng tránh các bệnh lý [5]

1.2.2 Chất chống oxy hóa

Chất chống oxy hóa rất cần thiết cho sự tồn tại của mọi sinh vật Cơ thể tự tạo ra chất chống oxy hóa như glutathione (chống oxy hóa tế bào) Thực vật, động vật, cũng như tất cả các dạng sinh vật sống khác, đều có khả năng tự chống lại các gốc tự do và tác hại của quá trình oxy hóa Do đó, trong chúng đều chứa chất chống oxy hóa Bổ sung đầy đủ chất chống oxy hóa là điều rất quan trọng [6]

Chất chống lại oxy hóa có hai loại, loại tan trong nước và loại tan trong chất béo Loại chất hòa tan trong nước thực hiện các hoạt động của chúng trong chất lỏng bên trong và bên ngoài tế bào, trong khi loại hòa tan trong chất béo hoạt động chủ yếu trong màng tế bào

Các chất có tác dụng chống oxy hóa quan trọng trong chế độ ăn uống bao gồm:

• Vitamin C: đây là loại hòa tan trong nước, đồng thời là chất dinh dưỡng thiết yếu trong chế độ ăn uống

• Vitamin E: khác với vitamin C, vitamin E hòa tan trong chất béo này đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ màng tế bào chống lại tác hại của quá trình oxy hóa

• Flavonoid, flavon, catechin, polyphenol và phytoestrogen là tất cả các loại chất chống oxy hóa và dinh dưỡng thực vật, và chúng đều được tìm thấy trong thực phẩm có nguồn gốc thực vật

1.2.3 Cơ chế chống oxy hóa

Quá trình chống oxy hóa có thể hoạt động theo một trong hai cách: ngắt mạch phản ứng hoặc ngăn chặn nó Đối với phản ứng ngắt mạch, gốc tự do cho hoặc nhận một điện tử và bản thân hình thành một gốc tự do mới, tác dụng tương tự trên phân tử khác

và tiếp tục cho đến khi gốc tự do hình thành được ổn định bằng chất chống oxy hóa.Ví

dụ kinh điển về phản ứng oxy hóa dây chuyền là quá trình peroxy hóa lipid Đối với cơ chế ngăn chặn chuỗi phản ứng, các enzyme có hoạt tính chống oxy hóa như superoxide dismutase, catalase và glutathione peroxidase có thể ngăn chặn quá trình oxy hóa bằng cách quét gốc tự do hoặc bằng cách ổn định các phức kim loại chuyển tiếp như đồng và sắt vốn là nguyên nhân gián tiếp tạo ra gốc hydroxyl HO● có hoạt tính cao thông qua

các phản ứng Fenton [7]

Cơ chế chuyển hydrogen (Formal Hydrogen Transfer: FHT)

Cơ chế FHT đề cập đến phản ứng chuyển nguyên tử hydro giữa hai phân tử Thường gặp nhất là phản ứng FHT giữa một phân tử (A−H) với gốc tự do (R●)

A−H + R● → A● + R−H Kết quả của phản ứng là nguyên tử hydrogen được chuyển từ phân tử A−H sang gốc tự do R● FHT được xem là cơ chế chính trong hoạt động chống oxy hóa của các hợp chất, đặc biệt trong môi trường không phân cực Khả năng chống oxy hóa này liên quan đến sự đổng định của gốc A● được tạo thành sau phản ứng so với gốc R●

Khả năng phản ứng FHT của một phân tử được đặc trưng bằng năng lượng phân li của liên kết A−H Năng lượng phân li liên kết (Bond Dissociation Energy: BDE) càng nhỏ thì khả năng tham gia phản ứng FHT của A−H càng lớn [8]

Cơ chế chuyển electron – chuyển proton (Single Electron Transfer – Proton

Transfer: SET-PT)

Cơ chế này bao gồm hai giai đoạn liên tiếp Trong giai đoạn đầu tiên, một electron

từ R-H được chuyển sang gốc tự do Sau đó, trong giai đoạn thứ hai, một proton được chuyển giao

A−H + R● → A−H●+ + R−A−H●+ + R− → A● + R−H

Tốc độ của cơ chế SET-PT phụ thuộc vào giai đoạn phản ứng khởi đầu, được xác định bởi khả năng chuyển electron của phân tử A−H, thể hiện qua năng lượng ion hóa

(Ionization Energy: IE) của A−H [8]

Cơ chế chuyển proton – chuyển electron (Sequential Proton Loss – Electron

Transfer: SPLET)

Cơ chế SPLET bao gồm hai giai đoạn chính: chuyển proton và mất electron Ban đầu, phân tử ( A−H) sẽ phân ly proton , sau đó là quá trình chuyển electron từ anion A−sang gốc tự do R● Hai đại lượng nhiệt động học đặc trưng cho cơ chế này là ái lực

proton (Proton Affinity: PA) và năng lượng chuyển electron (Electron Transfer Enthalpy: ETE)

A−H → A− + H+

A− + R● → A● + R−

R− + H+→ R−H

Cơ chế SPLET gần như không diễn ra trong môi trường không hoặc ít phân cực,

vì bước phân li proton không thuận lợi trong các môi trường này [8]

1.3 Tổng quan về cây Cleistanthus sumatranus

1.3.1 Đặc điểm sinh học và sinh thái

Cleistanthus sumatranus là một loài cây thuộc chi Cleistanthus, họ Phyllanthaceae Ở Việt Nam cây Cleistanthus sumatranus còn có tên gọi là cây ma ranh

hay cây song de, phân bố ở các vùng núi từ Lạng Sơn đến Kiên Giang

Cây ma ranh là loài cây thân gỗ nhỏ, cao đến 10 m, lá đơn mọc cách, phiến lá mềm rũ xuống dạng thon nhỏ, đầu ngọn có màu xanh lục bóng, cây ra lá non quanh năm, cụm hoa đơn tính có 5 cánh, quả nang Cây chịu bóng râm, dễ trồng, mọc khỏe, nhân

giống chủ yếu bằng hạt [9]

Hình 1.1 Cây Cleistanthus sumatranus

1.3.2 Hoạt tính sinh học của Cleistanthus sumatranus

Các nghiên cứu trước đã phát hiện rằng cây Cleistanthus sumatranus chứa nhiều

hợp chất phenolic, alkaloid, glucoside, furofuran oid và dibenzyl butane lignan Trong

số này, hai diphyllin glycoside, cleistanthin A và B, được biết đến với tiềm năng chống ung thư và đã thu hút sự quan tâm sâu rộng từ cộng đồng dược lý và hóa dược [10]

Gần đây, nghiên cứu của Yue và đồng nghiệp đã tiến hành phân lập thành công

10 hợp chất phenolic mới từ cây Cleistanthus sumatranus (Hình 1.1.) [11] Các cấu trúc

của các hợp chất này đã được xác nhận thông qua phân tích dữ liệu quang phổ, dữ liệu tinh thể học tia X và phổ ECD Theo kết quả thử nghiệm ức chế miễn dịch, các hợp chất 1-3, 6, 7 và 9 đã được chứng minh có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào T được kích thích bởi ConA với giá trị IC50 từ 10.1 đến 56.2 µM và sự phát triển của tế bào B được kích thích bởi LPS với giá trị IC50 nằm trong khoảng từ 2.7 đến 32.8 µM Sự tăng sinh của tế bào lympho B bị ức chế ở mức vừa phải bởi hợp chất 3 và 9, với giá trị IC50 lần lượt là 2.7 và 3.9 µM Các hợp chất này có thể có các đặc tính chống oxy hóa mạnh như các hợp chất phenolic khác, tuy nhiên, đặc tính chống oxy hóa của chúng vẫn cần được nghiên cứu thêm

Hình 1.2 Các hợp chất được phân lập từ Cleistanthus sumatranus

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Ngoài nước

Chất chống oxy được nghiên cứu và ứng dụng vào trong thực tiễn cuộc sống, có vai trò nhất định đối với con người, vì vậy có rất nhiều bài nghiên cứu về hoạt tính chống oxy hóa trong hợp chất thiên nhiên Một số nghiên cứu về các chất chống oxy hóa trong thực vật:

Nghiên cứu của Podkowa, Adrian về đánh giá các hợp chất hữu cơ và nguyên tố sinh học có hoạt tính chống oxy hóa trong nấm dược liệu[12]

Nghiên cứu của Ballus, Cristiano Augusto về khả năng chống oxy hóa của các hợp chất phenol có trong dầu oliu nguyên chất theo cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen[13]

Nghiên cứu của Khairullina, Veronika về đánh giá hiệu quả của chất chống oxy hóa trong việc chấm dứt quá trình oxy hóa chuỗi gốc của các hợp chất hữu cơ bằng QSAR[14]

1.4.2 Trong nước

Việt Nam có gần 10.000 loài thực vật bậc cao, 800 loài rêu, 600 loài nấm và hơn 2.000 loài tảo; về động vật có 224 loài thú, 828 loài chim, 258 loài bò sát và 5.500 loài côn trùng, Những năm gần đây việc nghiên cứu các hợp chất có hoạt tính sinh học từ nguồn thiên nhiên được đẩy mạnh, tuy nhiên với sự phong phú, đa dạng về nguồn tài nguyên như ở Việt Nam thì việc nghiên cứu thực nghiệm không thể nghiên cứu một cách triệt để Các nghiên cứu lý thuyết, hóa tính toán đã góp phần vào trong việc sàng lọc các phản ứng không đem lại hiệu quả và ứng dụng cao, phục vụ cho việc nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu của Lê Ngọc Anh về chất chống oxy hóa trong dược thảo Ginko biloba (bạch quả)[15]

Nguyễn Thị Yến Phượng nghiên cứu chiết xuất hoạt chất chống oxy hóa từ củ tỏi (Allium sativum L.) theo cách tiếp cận công nghệ xanh[16]

Nghiên cứu của Võ Quốc Trạng về tính chất chống oxy hóa của Polyaniline bằng phương pháp hóa tính toán[17]

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN 2.1 Phương pháp hóa học lượng tử tính toán

2.1.1 Cơ sở phương pháp tính toán hóa học lượng tử

Hóa học tính toán (Computational chemistry) là một chuyên ngành của hóa học

lý thuyết với mục đích chính là tạo ra các mô hình toán học xấp xỉ và các chương trình máy tính để dự đoán các tính chất của các phân tử (như hình học, năng lượng, cấu trúc

điện tử) và ứng dụng các chương trình tính toán này cho các bài toán cụ thể Hóa học

tính toán được đề cập ở đây là hóa học lượng tử tính toán Cơ sở chính của nó là áp dụng

phương trình Schrödinger cho các hệ hóa học [18]

Mọi thông tin về hệ lượng tử được mô tả bởi hàm sóng 𝜓(𝑟, 𝑡) là nghiệm của phương trình Schrödinger

𝑖ℏ 𝜕

𝜕𝑡 𝜓(𝑟, 𝑡) = 𝐻 ̂𝜓(𝑟, 𝑡) (2.1) Trong đó, H ̂ là toán tử Hamilton; r là ký hiệu chung của tọa độ không gian và t là tọa độ thời gian Đối với các hệ hóa học, ở trạng thái cơ bản, tính chất của các nguyên tử và phân tử không thay đổi theo thời gian Khi đó phương trình Schrödinger có thể được chuyển thành dạng độc lập với thời gian (phương trình Schrödinger ở trạng thái dừng)

𝐻 ̂𝜓(𝑟) = 𝐸𝜓(𝑟) (2.2) Nghiệm năng lượng (E) và hàm sóng ψ(r) thu được từ tính toán cung cấp thông tin

về tính chất hóa học, cũng như thông tin về nhiệt động học và động học của các hệ nghiên cứu Tuy nhiên, việc giải chính xác phương trình Schrödinger cho các hệ có nhiều hơn một electron là không thực hiện được Do đó, đã có nhiều phương pháp gần đúng được phát triển để giải phương trình Schrödinger cho các hệ nhiều electron

Cơ sở chung của các phương pháp gần đúng này là dựa vào các hàm sóng dự đoán ban đầu, 𝜓(𝑟) (Phương pháp hàm sóng) hoặc hàm mật độ electron dự đoán ban đầu, 𝜓(𝑟)2, (Phương pháp phiếm hàm mật độ), sau đó giải phương trình Schrodinger kết hợp với thuật toán cực tiểu hóa giá trị năng lượng E để thu được nghiệm hàm sóng hoặc hàm mật độ electron gần đúng của phân tử

Phương pháp bán thực nghiệm (semiempirical methods)

Đây là phương pháp xấp xỉ dựa trên hàm sóng, sử dụng lý thuyết Hartree – Fock dưới dạng đơn giản Trong phương pháp này, nhiều đại lượng tính toán trong quá trình

giải phương trình Schrödinger được bỏ qua hoặc thay thế bằng các giá trị thực nghiệm, như các tích phân Coulomb và trao đổi Do đó, phương pháp này không đòi hỏi máy tính mạnh, có thời gian tính toán rất nhanh Tuy nhiên, kết quả thu được có độ chính xác hạn chế và có thể rất sai lệch nếu các phân tử được tính toán không tương tự với các phân tử trong cơ sở dữ liệu được sử dụng để tham số hóa

Các phương pháp bán thực nghiệm thường được sử dụng như CNO, INDO, NDDO, ZINDO, AM1, PM3, RM1 và PM6 Tuy nhiên, do độ chính xác hạn chế, hầu hết các phương pháp bán kinh nghiệm hiện nay đã ít được sử dụng [19]

Phương pháp tính toán từ đầu (ab initio methods)

Đây là những phương pháp gần đúng dựa trên hàm sóng, trong đó việc giải phương trình Schrödinger không sử dụng các tham số từ thực nghiệm mà hoàn toàn dựa trên lý thuyết Phương pháp Hartree – Fock (HF) là một phương pháp đơn giản nhất trong số này Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp HF bị hạn chế do bỏ qua tương quan electron (electron correlation), xem xét electron di chuyển độc lập với nhau Các phương pháp hàm sóng có xét đến tương quan electron (các phương pháp hậu Hartree – Fock)

có độ chính xác cao hơn nhiều so với phương pháp HF Một số phương pháp hậu Hartree – Fock phổ biến bao gồm:

• Phương pháp nhiễu loạn Møller–Plesset, như MP2, MP3 và MP4

• Phương pháp tương tác cấu hình (configuration interaction, CI) như CIS, CID, CISD, CISDT, CISDTQ,…

• Phương pháp cụm ghép nối (coupled cluster: CC) như CCD, CCSD, CCSD(T), CCSDT, CCSDTQ,…

• Phương pháp đa cấu hình như CASSCF, CASPT2, NEVPT2, MRPT2,… Các phương pháp hàm sóng hậu Hartree – Fock, đặc biệt như phương pháp CCSD(T), có độ chính xác cao và có thể cạnh tranh với dữ liệu thực nghiệm Tuy nhiên, để sử dụng các phương pháp này yêu cầu máy tính có khả năng tính toán cao

và thời gian tính toán lâu, không phù hợp cho việc nghiên cứu các phân tử lớn [19]

Phương pháp phiếm hàm mật độ (density functional theory, DFT)

Phương pháp DFT (Density Functional Theory - Lý thuyết phiếm hàm mật độ) không sử dụng hàm sóng như trong phương pháp Hartree-Fock, DFT dựa trên hàm mật

độ electron để mô tả các tính chất của hệ Phương pháp này có thể áp dụng cho các hệ

phân tử lớn với chi phí tính toán thấp hơn so với phương pháp Hartree-Fock DFT đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hóa học, vật lý và sinh học để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các hợp chất và vật liệu [19]

2.1.2 Bộ hàm cơ sở (basis set)

Bộ hàm cơ sở là một biểu diễn toán học về hàm sóng của một hệ, được dùng để tính toán hoặc mô hình hóa gần đúng Bộ hàm cơ sở (𝜓𝑖) được xây dựng dựa trên tổ hợp tuyến tính của tập hợp các hàm cơ sở (𝜙𝑘)

Bộ cơ sở tối thiểu (minimum basis set)

Các hàm GTO đơn không thích hợp để mô tả các đặc điểm của hàm sóng tại vùng

xa hạt nhân và tại các node của orbital Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách xây dựng các hàm cơ sở bằng tổ hợp của các hàm GTO đơn như sau:

tử (𝜙𝑘) được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính ba hàm GTO Trong trường hợp H và He bộ hàm STO-3G mô tả chúng có tất cả là 3 hàm GTO Đối với N (1s2 2s2 2p3) mỗi orbital nguyên tử 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz được mô tả bằng 3 hàm GTO, nên bộ hàm STO-3G mô

tả nguyên tử N sẽ có tất cả 3 × 5 = 15 hàm GTO

Bộ hàm cơ sở phân tách hóa trị (split – valence basis set)

Các bộ hàm cơ sở lớn được tạo ra bằng cách phân tách các orbital phân tử thành orbital lõi và orbital hóa trị Việc phân tách này dựa trên cơ sở là tính chất hóa học của

các nguyên tử chủ yếu là do các electron hóa trị chi phối, nên các orbital hóa trị cần được mô tả chi tiết hơn Nếu orbital hóa trị được mô tả bằng hai hàm cơ sở thì gọi là

“double zeta” (DZ), bằng ba hàm cơ sở thì gọi là “triple zeta” (TZ) và bằng bốn hàm cơ

sở thì gọi là “quadruple zeta” (QZ) Ví dụ bộ hàm cơ sở 6-31G cho nguyên tử N (Hình 2.1), orbital bên trong (lõi) 1s được mô tả bằng một hàm cơ sở tổ hợp từ sáu hàm GTO

và mỗi orbital hóa trị 2s, 2px, 2py và 2pz được mô tả bằng hai hàm cơ sở Hàm cơ sở đầu tiên được tổ hợp từ ba hàm GTO và hàm cơ sở thứ hai chỉ chứa một hàm GTO Nhóm các bộ hàm cơ sở phân tách hóa trị theo cách tiếp cận này gọi là bộ hàm cơ sở Pople như 3-21G, 6-31G, 6-311G

Hình 2.1 Cấu trúc bộ hàm cơ sở 6-31G cho nguyên tử N

Hàm cơ sở phân cực trên bộ hàm cơ sở

Khi tham gia liên kết hóa học hình dạng orbital nguyên tử (như orbital s có hình cầu, orbital p có hình quả tạ đôi) sẽ bị thay đổi do sự phân bố lại điện tích khi các nguyên

tử tương tác với nhau Quá trình này gọi là sự phân cực orbital Do đó các hàm orbital nguyên tử cần phải được hiệu chỉnh để bao gồm sự phân cực này, bằng cách thêm các hàm hiệu chỉnh vào bộ cơ sở Những hàm như vậy được gọi là hàm cơ sở phân cực (polarization basis function) Thông thường các hàm cơ sở loại p được thêm vào các bộ

cơ sở với các orbital hóa trị s (nguyên tử H), các hàm d được thêm vào bộ cơ sở có orbital hóa trị p và các hàm f được thêm vào bộ cơ sở có orbital hóa trị d Ví dụ bộ hàm

cơ sở 6-31G(d,p), đã bao gồm các hàm phân cực p trên nguyên tử H và các hàm phân cực d trên các nguyên tử có orbital hóa trị p Việc sử dụng các hàm phân cực trên bộ cơ

sở là rất quan trọng để mô tả hiện tượng phân cực orbital nguyên tử trong phân tử

Hàm cơ sở khuếch tán trên bộ hàm cơ sở

Đối với các hệ có tương tác yếu, đặc biệt là các anion, electron có thể phân bố rất

xa hạt nhân và có mật độ rất nhỏ Khi đó bộ cơ sở thông thường sẽ không mô tả tốt sự khuếch tán điện tích này Bộ cơ sở cần được bổ sung các hàm mô tả xác suất phân bố electron ở vùng không gian xa hạt nhân Các hàm này được gọi là hàm cơ sở khuếch tán

(diffuse basis function) Để ký hiệu bổ sung các hàm cơ sở khuếch tán trên tất cả các nguyên tử không phải nguyên tử H, dấu “+” được thêm vào ký hiệu bộ cơ sở loại Pople Nếu hàm khuếch tán loại s cũng được thêm vào bộ cơ sở của các nguyên tử hydro, thì

sẽ được thêm hai dấu + Ví dụ các bộ hàm cơ sở đã bao gồm khuếch tán như 6-31+G(d), 6-31++G(d), 6-311++G(d,p)

Bộ hàm cơ sở nhất quán tương quan (correlation–consistent basis set)

Các bộ hàm cơ sở này được thiết kế cho các phương pháp hàm sóng có xét đến tương quan electron Nổi tiếng nhất trong loại này là bộ hàm cơ sở của Dunning, bao gồm các bộ cơ sở như:

• cc-pVDZ: vỏ hóa trị phân tách hai (double zeta)

• cc-pVTZ: vỏ hóa trị phân tách ba (triple zeta)

• cc-pVQz: vỏ hóa trị phân tách bốn (quadruple zeta)

• aug-cc-pVDZ

• aug-cc-pVTZ

Trong đó cc-p và aug ký hiệu tương ứng cho phần phân cực nhất quán tương quan và phần khuếch tán

2.1.3 Mô hình dung môi

Các tính chất lý hóa của phân tử có thể thay đổi nhiều khi chuyển từ trạng thái cô lập sang dung dịch Trong hóa học tính toán, mô hình dung môi cho phép mô phỏng gần đúng sự ảnh hưởng của dung môi lên các tính chất vật lý và hóa học của các phân tử Trong các mô hình dung môi phổ biến, các phân tử dung môi không được xem xét dưới dạng các phân tử riêng biệt mà xem dung môi là môi trường liên tục phân cực và đồng nhất Một số thông số của dung môi được sử dụng để mô hình hóa như hằng số điện môi, độ nhớt, bán kính phân tử dung môi,…[21]

Hình 2.2 Minh họa cách xây dựng chung của khoang dung môi

Cách xây dựng khoang dung môi chứa chất tan được minh họa trên Hình 2.2 Trong

đó VdW là bề mặt van der Waals được xây dựng từ bán kính van der Waals của nguyên

tử (trừ nguyên tử H) SES là bề mặt ngăn cách dung môi của chất tan, bề mặt được tạo

ra khi lăn đầu dò (probe) hình cầu trên bề mặt VdW SAS là bề mặt tiếp xúc dung môi

Sự tương tác giữa trường tĩnh điện trên phân tử chất tan và trên bề mặt của khoang dung môi làm sắp xếp lại sự phân bố điện tích trên phân tử và trên bề mặt khoang dung môi Sau đó trường tĩnh điện tương tác này được điều chỉnh lặp lại theo hướng trường tĩnh điện của chất tan tự hợp với trường tĩnh điện dung môi

Hầu hết trong các mô hình dung môi, năng lượng tự do solvat hóa của phân tử được tính dưới dạng tổng của ba số hạng:

𝐺𝑠𝑜𝑙 = 𝐺𝑐𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦 + 𝐺𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐 + 𝐺𝑉𝑎𝑛 𝑑𝑒𝑟 𝑊𝑎𝑎𝑙𝑠 (2.7) Các thành phần này đại diện cho năng lượng tạo khoang dung môi (cavity), năng lượng tương tác tĩnh điện (electrostatic) và năng lượng tương tác van der Waals Trong hóa học lượng tử, tác động của dung môi không tường minh lên phân tử chất tan được xem xét như một nhiễu loạn lên toán tử Hamilton năng lượng

𝐻 ̂𝑡ổ𝑛𝑔 = 𝐻 ̂𝑐ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛 + 𝑉̂𝑠𝑜𝑙𝑣𝑎𝑡 (2.8)

Trong đó, 𝐻 ̂𝑡ổ𝑛𝑔 là toán tử Hamilton tổng của hệ, 𝐻 ̂𝑐ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛 là toán tử Hamilton của chất tan ở dạng không tương tác với dung môi và 𝑉̂𝑠𝑜𝑙𝑣𝑎𝑡 là toán tử Hamilton nhiễu loạn do tương tác giữa chất tan và dung môi Các mô hình dung môi không tường minh thường được sử dụng như: mô hình liên tục phân cực (PCM hay Polarizable continuum model),

mô hình solvat hóa dựa trên mật độ chất tan (SMD hay Solvation model based on solute electron density)

Mô hình PCM được xây dựng bởi Tomasi và đồng nghiệp, là một trong những

mô hình dung môi liên tục được sử dụng rộng rãi nhất Có hai biến thể được sử dụng phổ biến là DPCM trong đó dung môi được xem là môi trường có điện môi liên tục và

có thể phân cực và CPCM trong đó dung môi là môi trường liên tục phân cực giống như chất dẫn điện tương tự như mô hình COSMO (conductor-like screening model) [22]

Mô hình SMD được phát triển bởi Truhlar và cộng sự, dựa trên sự tương tác của

mật độ electron trên chất tan với trường dung môi liên tục SMD có thể được coi là một cải tiến so với PCM, vì sử dụng mật độ electron đầy đủ thay vì chỉ điện tích như PCM

Mô hình SMD đã được tham số hóa với tập huấn luyện gồm 2821 dữ liệu về năng lượng

tự do solvat hóa bao gồm 112 giá trị năng lượng tự do solvat hóa của các ion trong nước,

220 giá trị năng lượng tự do solvat hóa của 116 ion trong acetonitrile, methanol và dimethyl sulfoxide, 2346 giá trị năng lượng tự do solvat hóa của 318 chất tan trung hòa trong 91 dung môi, và 143 giá trị năng lượng tự do phân bố của 93 chất tan trung hòa giữa nước và 15 dung môi hữu cơ SMD là mô hình dung môi tốt nhất hiện nay để tính năng lượng tự do solvat hóa với sai số trung bình 0,6 – 1,0 kcal.mol–1 ở mức lý thuyết

đã được tham số hóa tại M052X/6-31G(d) [21]

2.2 Hóa học tính toán ứng dụng trong nghiên cứu các hợp chất chống oxy hóa 2.2.1 Tối ưu hóa hình học (geometry optimization)

Tối ưu hóa hình học là một phần quan trọng trong hóa học lượng tử tính toán, được sử dụng để xác định hình học ổn định của phân tử Cơ sở lý thuyết của tối ưu hóa hình học là lý thuyết cấu trúc điện tử, trong đó các phân tử và hợp chất được mô tả bằng hàm sóng của các electron và năng lượng của chúng [23]

Trong quá trình tối ưu hóa hình học, mục tiêu chính là tìm ra cấu trúc của hệ ứng với năng lượng thấp nhất Điều này thường được thực hiện bằng cách điều chỉnh các tham số hình học của hệ, như độ dài liên kết, góc liên kết, và các tham số hình học khác,

để tối ưu hóa năng lượng của hệ dựa trên lý thuyết

Các phương pháp tối ưu hóa hình học trong hóa học lượng tử tính toán dựa trên việc giải phương trình Schrödinger, trong đó sử dụng các phương pháp số và thuật toán tối ưu hóa để tìm ra cấu trúc ứng với năng lượng cực tiểu của hệ Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp gradient, phương pháp tìm kiếm cực trị, và phương pháp dựa trên ma trận Hessian

Quy trình tối ưu hóa hình học phân tử sử dụng phần mềm Gaussian được trình bày trên Hình 2.3 bao gồm các bước:

Hình 2.3 Quy trình tối ưu hóa hình học phân tử

Quá trình tính toán bắt đầu với một hình học phân tử dự đoán ban đầu Sau đó quá trình được lặp lại với các tọa độ hạt nhân (R) thay đổi để cực tiểu hóa năng lượng Quá trình tối ưu hóa kết thúc khi năng lượng hội tụ về điểm cực tiểu Trong phần mềm Gaussian, bốn tiêu chuẩn hội tụ phải đạt được để quá trình tối ưu hóa hoàn thành là: [24]

1 Maximum Force: lực cực đại tác động lên một nguyên tử bất kỳ phải thấp hơn ngưỡng 0.000364

2 RMS force: căn bậc 2 của trung bình bình phương lực tác động lên các nguyên

tử phải thấp hơn ngưỡng 0.000089

3 Maximum displacement: độ dịch chuyển tối đa tọa độ của một nguyên tử bất

kỳ trong hai lần lặp cuối phải thấp hơn ngưỡng 0.000880

4 RMS displacement: căn bậc 2 của trung bình bình phương của độ dịch chuyển tọa độ của một nguyên tử bất kỳ trong hai lần lặp cuối phải thấp hơn ngưỡng 0.000289

2.2.2 Xác định trạng thái chuyển tiếp và xây dựng bề mặt thế năng phản ứng

Bề mặt thế năng của phản ứng hóa học

Thuyết trạng thái chuyển tiếp của Eyring định nghĩa phản ứng hóa học như một quá trình liên tục của sự biến đổi cấu trúc của hệ từ các chất đầu đến sản phẩm cuối cùng Sự biến đổi liên tục của cấu trúc dẫn đến thay đổi liên tục của năng lượng trong

hệ từ mức năng lượng ban đầu của các chất phản ứng đến mức năng lượng cuối cùng của các sản phẩm Năng lượng của hệ có thể được coi là một hàm của các tọa độ nguyên

tử có trong hệ [23]

𝐸 = 𝐸(𝑟1, 𝑟2, … , 𝑟𝑛) (2.10) Với 𝑟1, 𝑟2 và 𝑟𝑛 là tọa độ của các nguyên tử thứ 1, 2 và n

Năng lượng E được biểu diễn như một siêu bề mặt trong không gian có n chiều, được gọi là bề mặt thế năng của phản ứng Thông thường, để thuận tiện, Bề mặt thế năng của phản ứng thường được minh họa trên không gian hai chiều, với trục tung đại diện cho năng lượng và trục hoành đại diện cho tọa độ chung của phản ứng (R) Tập hợp các điểm E(R) tạo thành đường cong năng lượng phản ứng

Hình 2.4 Minh họa đường cong năng lượng của phản ứng

Trong hầu hết các phản ứng, khi di chuyển từ chất phản ứng đến sản phẩm, năng lượng của hệ thường đi qua một điểm cực đại Tại điểm này, hình thành một trạng thái liên kết giữa các chất phản ứng được gọi là trạng thái chuyển tiếp (Transition state: TS)

Độ cao của năng lượng của TS so với năng lượng của các chất đầu chính là năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Hình 2.5 Đường cong năng lượng của phản ứng hóa học thường gặp

Trạng thái chuyển tiếp của phản ứng hóa học

Trạng thái chuyển tiếp là một cấu trúc được hình thành bởi các chất phản ứng, có năng lượng cực đại trên Bề mặt Thế năng (PES) Nó không ổn định đến mức có thể được coi là một hợp chất hóa học thực sự Một ví dụ về trạng thái chuyển tiếp là trong phản ứng giữa OH- và CH3CH2Br, được minh họa trong Hình 2.6 Trong trạng thái chuyển tiếp [CH3CH2BrOH]#, các liên kết C-OH và C-Br có độ dài lớn hơn đáng kể so với trạng thái bình thường [23]

Hình 2.6 Cơ chế phản ứng giữa OH- và CH3CH2Br

Tối ưu hóa trạng thái chuyển tiếp

Quy trình tối ưu hóa trạng thái chuyển tiếp sử dụng phần mềm Gaussian được

trình bày trên Hình 2.7 bao gồm các bước:

Hình 2.7 Quy trình tối ưu hóa hình học của trạng thái chuyển tiếp (TS)

Bước đầu tiên của quá trình tối ưu hóa hình học của TS bằng các phần mềm tính toán lượng tử (Phần mềm Gaussian 16 được sử dụng trong quy trình này) là cung cấp hình học TS dự đoán ban đầu Hình học phân tử được thiết lập thông qua tập hợp tọa độ hạt nhân của tất cả các nguyên tử trong phân tử, có thể được xây dựng bằng các phần mềm như Gaussview và Avogadro, bằng cách vẽ hình học 3D của TS và sau đó chuyển

đổi thành tọa độ oxyz của các hạt nhân nguyên tử cấu thành nên TS

Xây dựng PES của phản ứng

Trong hầu hết các phản ứng, bề mặt thế năng của phản ứng là một bề mặt trong không gian nhiều chiều Để trực quan hóa, thông thường PES được biểu diễn trong không gian 2D Hình 2.11 trình bày cấu trúc PES của một phản ứng điển hình Để xây dựng PES cần phải xác định các điểm năng lượng ứng với:

Hình 2.8 Cấu trúc của một PES điển hình

(1) Tổng năng lượng của các chất phản ứng ở trạng thái độc lập

(2) Năng lượng của Phức hợp trước phản ứng

(3) Năng lượng của trạng thái chuyển tiếp

(4) Năng lượng của Phức hợp sau phản ứng

(5) Tổng năng lượng của các chất sản phẩm ở trạng thái độc lập

Năng lượng của các phân tử, các phức và trạng thái chuyển tiếp thu được từ quá trình tối ưu hóa cấu trúc các chất trên bằng các phương pháp hóa học lượng tử tính toán Quy trình này được đề xuất để xây dựng bề mặt thế năng phản ứng của các hợp chất phenolic với các gốc tự do, minh họa qua phản ứng của phenol với gốc tự do HOO•

2.2.3 Các cơ chế và thông số nhiệt động học xác định hoạt tính chống oxy hóa

Cơ chế chuyển hydrogen (Formal Hydrogen Transfer: FHT)

Cơ chế FHT đối với phản ứng giữa một phenolic (ArOH) với gốc tự do RO•(thường được khảo sát qua gốc tự do HOO•) là phản ứng lưỡng phân tử:

ArOH + HOO• → ArO• + HOOH

Về mặt nhiệt động học, khả năng phản ứng FHT của một chất thường được đánh giá qua năng lượng phân li liên kết (BDE) của liên kết tham gia vào và quá trình chuyển hydrogen, và được tính theo Phương trình (2.11)

BDE = H(ArO•) + H(H•) − H(ArOH) (2.11)

ở đây H(ArO•), H(H•) và H(ArOH) lần lượt là enthalpy của ArO•, H•và ArOH BDE của một liên kết càng nhỏ thì liên kết đó có nhiều khả năng phản ứng với gốc tự do theo

cơ chế FHT

Ngoài ra, để đảm bảo phản ứng theo cơ chế FHT là xảy ra tự phát, năng lượng Gibbs của phản ứng cần được khảo sát và tính theo Phương trình (2.12)

∆G = G(ArO•) + G(H•) − G(ArOH) (2.12)

ở đây G(ArO•), G(H•) và G(ArOH) lần lượt là năng lượng Gibbs của ArO•, H•và ArOH

∆G của phản ứng càng âm thì khả năng xảy ra tự phát của phản ứng càng lớn [25]

Cơ chế chuyển electron – chuyển proton (Single Electron Transfer – Proton Transfer: SET-PT)

Cơ chế SET-PT đối với phản ứng giữa một phenolic (ArOH) với gốc tự do RO• là phản ứng xảy ra qua hai bước liên tiếp là chuyển electron (Electron Transfer: ET) và

chuyển proton (Proton Transfer: PT)

ArOH + HOO• → ArOH•+ + HOOH−ArOH•− + HOOH+ → ArO• + HOOH Bước chuyển electron được xem là giai đoạn chậm, quyết định tốc độ chung của phản ứng Do đó, năng lượng ion hóa của phân tử (IE) được sử dụng để đánh giá khả năng phản ứng của nó với gốc tự do theo cơ chế SET-PT, và được tính theo Phương trình (2.13)

IE = E(ArOH•+) + E(e−) − E(ArOH) (2.13)

ở đây E(ArOH•+), E(e−) và E(ArOH) lần lượt là năng lượng của ArOH•+, electron và ArOH Giá trị IE của một phân tử càng nhỏ thì khả năng phản ứng của nó với gốc tự do theo cơ chế SET-PT càng mạnh [25]

Cơ chế chuyển proton – chuyển electron (Sequential Proton Loss – Electron Transfer: SPLET)

Cơ chế SPLET đối với phản ứng giữa một phenolic (ArOH) với gốc tự do RO• là phản ứng xảy ra qua ba bước liên tiếp là mất proton (Proton Loss: PL) và chuyển electron

(Electron Transfer: ET) và nhận proton

ArOH → ArO− + H+ArO− + HOO• → ArO• + HOO− HOO− + H+ → HOOH Bước chuyển electron được xem là giai đoạn chậm, quyết định tốc độ chung của phản ứng Cơ chế SPLET càng thuận lợi khi khả năng phân li proton của ArOH càng lớn Do đó, ái lực proton (PA) của phân tử thường được sử dụng để đánh giá khả năng

của phân tử phản ứng với gốc tự do theo cơ chế SPLET Giá trị PA được tính theo Phương trình (2.14)

2.3 Phần mềm tính toán

Phần mềm Gaussian 16

Gaussian là một phần mềm phổ biến trong lĩnh vực hóa tính toán và hóa phân tử Phần mềm được sử dụng rộng rãi để thực hiện các tính toán hóa học liên quan đến cấu trúc và tính chất của các phân tử, bao gồm cả tính toán cơ học lượng tử và tính toán phân cực hóa học Một số tính năng và ứng dụng quan trọng của Gaussian [27]:

- Tính toán cơ học lượng tử: giúp dự đoán cấu trúc, năng lượng và tính chất của các phân tử, bao gồm cả tính toán về cấu trúc electron và phổ

- Tính toán tính chất phân tử: có khả năng tính toán một loạt tính chất phân tử như năng lượng liên kết, góc liên kết, độ dài liên kết, và năng lượng ion hóa Điều này giúp hiểu rõ hơn về tính chất hóa học của phân tử

- Tính toán phân cực hóa học: cung cấp khả năng tính toán tính chất phân cực, cũng như dự đoán tính chất điện từ, tính chất quang học và độ phân cực của phân tử Điều này hữu ích trong nghiên cứu và thiết kế các hợp chất hóa học

- Tích hợp với nhiều phương pháp tính toán: hỗ trợ nhiều phương pháp tính toán

cơ học lượng tử, bao gồm DFT (Density Functional Theory), HF (Hartree-Fock), MP2 (Møller-Plesset second-order perturbation theory), và nhiều phương pháp nâng cao khác

- Liên kết với Gaussian: GaussView được tích hợp chặt chẽ với Gaussian, cho phép người dùng tạo, chỉnh sửa và chạy các tính toán cơ học lượng tử mà không cần nhập lệnh dòng lệnh Kết quả của tính toán từ Gaussian có thể được trực quan hóa ngay lập tức trong GaussView

- Phân tích kết quả: GaussView cung cấp các công cụ phân tích mạnh mẽ để hiểu kết quả của tính toán, bao gồm biểu đồ năng lượng, phổ, mật độ electron và nhiều thông

Tất cả các tính toán trong môi trường nước và môi trường giả lập lipid sử dụng cùng mô hình dung môi SMD Đây được xem là một trong các mô hình tốt nhất ở thời điểm hiện tại để mô phỏng sự ảnh hưởng của dung môi lên các phân tử [31][32]

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát khả năng phản ứng FHT trong môi trường không dung môi

Việc mô phỏng tính toán lượng tử trong môi trường dung môi đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn và tốn nhiều thời gian, đặc biệt đối với các phân tử lớn Do đó, mô phỏng trong điều kiện không dung môi được sử dụng trước để khảo sát các vị trí phản ứng FHT tiềm năng Các kết quả tính trong điều kiện không dung môi sẽ được sử dụng để cung cấp thông tin và khoanh vùng các mô phỏng cần thực hiện trong môi trường dung môi

3.1.1 Khảo sát nhiệt động học

Công thức cấu tạo và đánh số vị trí các nguyên tử của 10 hợp chất từ Cleistanthus sumatranus (SL: 1 – 10) được trình bày trên Hình 3.1

Hình 3.1 Công thức cấu tạo và đánh số vị trí nguyên tử của các SL

Tính toán mô phỏng để tìm hình học bền của các SL đã được thực hiện và trình bày trên Hình 3.2 Tọa độ oxyz tương ứng với hình học tối ưu của tất cả các chất được liệt kê trong phần Phụ lục Tất cả các tần số dao động điều hòa của các cấu trúc tối ưu hóa đã được kiểm tra là không có giá trị âm, để đảm bảo các cấu trúc này là ổn định (năng lượng cực tiểu trên bề mặt thế năng phân tử)

Hình 3.2 Hình học tối ưu hóa của các SL

Phản ứng giữ các SL (XH) và gốc tự do HOO• xảy ra theo cơ chế lưỡng phân tử

và được biểu diễn như sau:

XH + HOO• → X•+ HOOH (3.1) Đối với các hợp chất thơm, vị trí liên kết X−H ưu tiên tham gia phản ứng FHT là các liên kết dẫn đến hình thành gốc X• ổn định nhờ hiệu ứng liên hợp giữa electron độc với nhân thơm Đối với các SL, đây là các liên kết O−H của nhóm OH gắn trên nhân thơm và liên kết C−H của C liên kết trực tiếp với nhân thơm

Cơ chế FHT liên quan đến quá trình chuyển nguyên tử hydrogen của liên kết X−H sang gốc tự do HOO• Do đó, liên kết X−H có năng lượng liên kết (BDE) càng thấp thì khả năng tham gia phản ứng FHT càng cao

Giá trị BDE của các liên kết X−H được tính dựa theo các phương trình 3.2 và 3.3, và được trình bày trong Bảng 3.1

X − H → X•+ H• (3.2) BDE = Ho(H•) + Ho(X•) − Ho(X − H) (3.3)

Bảng 3.1 Giá trị của BDE và Go (theo kcal/mol) của phản ứng the SL + HOO• theo