Nghiên cứu cân bằng Điện ly và khả năng chống oxy hóa của cyanidin 3 o Β glucoside theo cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen bằng phương pháp hóa tính toán

Cơ sở chung của các phương pháp gần đúng này là dựa các hàm sóng dự đoán ban đầu, ? Phương pháp hàm sóng hoặc hàm mật độ electron dự đoán ban đầu, ??2, Phương pháp phiếm hàm mật độ, sau

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Đà Nẵng – Năm 2024

NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG ĐIỆN LY VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CYANIDIN-3-O-β-GLUCOSIDE THEO CƠ CHẾ CHUYỂN NGUYÊN

TỬ HYDROGEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TÍNH TOÁN

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý

Mã số: 8440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS MAI VĂN BẢY

Đà Nẵng – Năm 2024

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU iii

DANH MỤC CÁC TỪ 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 1

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Các hợp chất Anthocyanin và hoạt động sinh hóa 3

1.1.1 Các hợp chất Anthocyanin 3

1.1.2 Hoạt động sinh hóa 4

1.2 Cyanidin-3-O-β-Glucoside 4

1.3 Cơ chế phân tử của hoạt động chống oxy hóa 6

1.3.1 Cân bằng oxy hóa khử trong cơ thể 6

1.3.2 Chất chống oxy hóa 6

1.3.3 Cơ chế chống oxy hóa 7

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN 9

2.1 Phương pháp hóa học lượng tử tính toán 9

2.1.1 Cơ sở phương pháp tính toán hóa học lượng tử 9

2.1.2 Bộ hàm cơ sở (basis set) 10

2.1.3 Mô hình dung môi 10

2.2 Mô hình tính toán sử dụng trong nghiên cứu 12

2.2.1 Tối ưu hóa hình học (geometry optimization) 12

2.2.2 Tính toán trạng thái chuyển tiếp và xây dựng bề mặt thế năng phản ứng 16

2.3 Phương pháp tính các thông số nhiệt động học và mức lý thuyết 21

3.2.2 Nghiên cứu động học 34

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

PHỤ LỤC 42

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG ĐIỆN LY VÀ KHẢ NĂNG

CHỐNG OXY HÓA CỦA CYANIDIN-3-O-β-GLUCOSIDE

THEO CƠ CHẾ CHUYỂN NGUYÊN TỬ HYDROGEN BẰNG

PHƯƠNG PHÁP HÓA TÍNH TOÁN Ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Họ tên học viên: TĂNG THỊ THÚY VI

Người hướng dẫn khoa học: TS MAI VĂN BẢY

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng

pH > 9, chúng hầu như không còn phân bố đáng kể Ở vùng pH cao (từ 9 đến 13), dạng chiếm ưu thế là anion C‒O9O4’2‒, với phần trăm dao động từ 79.9% đến 70.7%

Hằng số tốc độ của các phản ứng nằm trong khoảng từ 4.68×101 M-1s-1 đến 4.32×104 M-1s-1 Dạng C có khả năng phản ứng FHT thấp nhất với hằng số tốc độ là 4.68×101 M-1s-1 Dạng B phản ứng cao hơn khoảng hai lần so với dạng C Trong khi dạng AH+ phản ứng cao hơn dạng C khoảng 20 lần Các dạng hình thành do quá trình deproton hóa của C, có tốc độ phản ứng cao hơn nhiều so với AH+, B và C Hằng số tốc

độ lớn nhất là 4.32×104M-1s-1, được quan sát thấy ở phản ứng C‒O9O3'O73‒ + HOO•

Phản ứng theo cơ chế FHT của AH+ và các dẫn xuất của nó với HOO• cho thấy

𝑘𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 có xu hướng thấp ở khoảng pH từ 1 đến 6 Sau đó, giá trị 𝑘𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 tăng nhanh trong khoảng pH từ 6 đến 9, ổn định trong khoảng pH từ 9 đến 12 và tiếp tục tăng mạnh ở các

pH lớn hơn 12 Kết quả tính toán cho thấy các phản ứng AH + HOO, C‒O9 + HOO và C‒O9O4’O5 + HOO đóng góp chính vào tốc độ tổng của phản ứng ở các khoảng pH khác nhau: từ 1 đến 6, từ 6 đến 12 và pH lớn hơn 12, tương ứng Tại pH sinh lý (pH = 7.4), phản ứng C‒O9 + HOO đóng góp nhiều nhất vào phản ứng tổng thể với tỷ lệ là 66.11% (𝑘𝑓 = 8.66 × 102 so với 𝑘𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1.31 × 103 M-1s-1)

Qua tính toán cho thấy, cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen đóng vai trò quan trọng trong quá trình bắt gốc tự do HOO• của C3G Tùy theo khoảng pH mà các dạng phân bố theo tỉ lệ phần trăm nhất định

Trong khoảng pH từ 3 đến 7, dạng carbinol pseudo-base (B) và dạng chalcone (C) chiếm tỷ lệ cao nhất, với phần trăm của B và C dao động tương ứng từ 57.6% đến 52.7% và từ 40.8% đến 37.3% Các dạng base quinoidal Aa, Ab, Ad và Ac gần như không đáng kể Tại pH sinh lý 7.4 phần trăm phân bố của AH+, B, C, Aa, Ab, Ac, Ad lần lượt là 4.3%, 0.04%, 0.09%, 0.00%, 0.01%, 44.9% và 31.8%

TS Mai Văn Bảy Tăng Thị Thúy Vi

INFORMATION OM RESEARCH RESULTS PROJECT TITLE: STUDY ON ELECTROLYTE BALANCE AND ANTIOXIDANT CAPACITY OF CYANIDIN-3-O-β-GLUCOSIDE ACCORDING TO THE MECHANISM OF HYDROGEN ATOMIC TRANSFER BY

COMPUTATIONAL CHEMICAL METHODS

Major: Theoretical Chemistry and Physical Chemistry

Full name of Master student: TANG THI THUY VI

Supervisors: Dr MAI VAN BAY

Training institution: University of Science and Education – The University of Danang Abstract:

28 electrolyte equilibria of C3G and its electrolyte products were investigated The results show that, in strong acidic environment (pH < 1), flavylium cation form (AH+) accounts for the highest proportion At pH = 1, the percentage of AH+ form is 58.4%, B form is 24.3%, C form is 17.2%

In the pH range from 3 to 7, form B (57.6% to 52.7%) and form C (40.8% to 37.3%), occupy the highest proportion As pH increases, forms B and C begin to be deprotonated and at pH > 9, they are almost no longer significantly distributed In the high pH region (from 9 to 13), the dominant form is the anion C‒O9O4’2‒, with the percentage ranging from 79.9% to 70.7%

The rate constants of the reactions range from 4.68×101 M-1s-1 to 4.32×104

M-1s-1 Form C has the lowest FHT reactivity with a rate constant of 4.68×101 M-1s-1 Form B is about two times more reactive than form C While form AH+ is about 20 times more reactive than form C The species formed by deprotonation of C, have a much higher reaction rate than AH+, B and C The largest rate constant is 4.32×104

M-1s-1, observed in the reaction reaction C‒O9O3'O73‒ + HOO•

The FHT reaction of AH+ and its derivatives with HOO• shows that 𝑘𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 tends

to be low in the pH range from 1 to 6 After that, the 𝑘𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 value increases rapidly in the pH range from 6 to 9, stabilizing in the pH range from 9 to 12 and continues to increase sharply at pHs greater than 12 Calculation results show that the reactions AH + HOO, C‒O9 + HOO and C‒O9O4'O5 + HOO contribute mainly to the rate The totality of the reaction at different pH ranges: from 1 to 6, from 6 to 12 and pH greater than 12, respectively At physiological pH (pH = 7.4), the C‒O9 + HOO reaction contributes the most to the overall reaction with a ratio of 66.11% (𝑘𝑓 = 8.66 × 102 compare to 𝑘𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1.31 × 103 M-1s-1k)

Calculations show that the hydrogen atom transfer mechanism plays an important role in the process of capturing the free radical HOO• of C3G Depending on the pH range, the forms are distributed in certain percentages

In the pH range from 3 to 7, the carbinol pseudo-base (B) and chalcone (C) forms have the highest proportions, with the percentages of B and C ranging from 57.6% to 52.7% and from 40.8% to 52.7%, respectively 37.3% The quinoidal base forms Aa,

Ab, Ad and Ac are almost negligible At physiological pH 7.4 percent of distribution of

Dr Mai Van Bay Tang Thi Thuy Vi

DANH MỤC CÁC TỪ 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

ETE Electron Transfer Enthalpy

PDE Proton Dissociation Enthalpy

lượng Gibbs (∆𝐺𝑎𝑞0 , kcal/mol) của phản giữa các dạng với HOO •

3.4 Giá trị ∆G≠ (kcal/mol), k (M1s1) của phản ứng giữa các

dạng HOO•

35

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.2 Anthocyanin là sắc tố phổ biến nhất trong thực vật 4

2.1 Minh họa cách xây dựng chung của khoang dung môi 11

2.3 Bề mặt năng lượng PES của phân tử có nhiều hình học ổn định 13

2.6 Hình học tối ưu hóa và tần số dao động của phân tử phenol 16

2.8 Đường cong năng lượng của phản ứng hóa học thường gặp 17

2.10 Quy trình tối ưu hóa hình học của trạng thái chuyển tiếp (TS) 18

2.12 Hình học tối ưu hóa và tần số dao động của TS 21

2.13 Sơ đồ tính enthalpy và năng lượng Gibbs của hợp chất trong

dung dịch

21

3.1 Cấu trúc của cyanidin-3-O-beta-glucoside (AH+) 25

3.2 The electrolyte equilibrium of cyanidin-3-O-beta-glucoside

(AH+)

25

3.3 Hình học tối ưu hóa của C3G và các sản phẩm điện li 26

3.4 Cấu trúc mavidin-3-O-beta-glucoside (a) tương đồng với cấu

trúc của C3G (b)

29

3.5 Phân bố phần mol theo pH (các dạng 1% không được hiển thị 30

3.6 Hình học tối ưu hóa của các TS theo cơ chế phản ứng FHT giữa

các dạng và gốc tự do HOO•

34

3.7 Bề mặt năng lượng Gibbs của phản ứng giữa các dạng HOO• 35

3.8 Sự phụ thuộc của hằng số tốc độ hiệu dụng tổng vào pH 37

có khả năng chống oxy hóa, viêm nhiễm, điều hòa miễn dịch, kháng khuẩn, v.v Các hợp chất hoạt tính sinh học thuộc các nhóm terpen, flavonoid, alkaloid, coumarin, stilben, v.v., cùng với mô tả về một số cơ chế hoạt động của chúng, là vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu [2][3]

Anthocyanin là chất chuyển hóa thứ cấp thực vật từ họ flavonoid [4] Nó là các hợp chất tự nhiên tạo ra màu sắc cho trái cây, rau và thực vật được tìm thấy tự nhiên trong một số loại thực phẩm [5] Chúng có lẽ là nhóm sắc tố thực vật quan trọng nhất bên cạnh chất diệp lục Ngoài việc mang lại màu sắc cho cây trồng, anthocyanin còn có một loạt lợi ích tăng cường sức khỏe, vì chúng có thể bảo vệ chống lại nhiều chất oxy hóa thông qua một số cơ chế khác nhau Các loại trái cây nhiều màu sắc có màu đỏ đến xanh là nguồn cung cấp chính anthocyanin trong chế độ ăn uống [6][4] Mối quan tâm đến việc sử dụng anthocyanin làm chất thay thế tự nhiên có giá trị cho chất tạo màu thực phẩm tổng hợp đã tăng lên trong những năm gần đây Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy anthocyanin có hoạt tính bắt gốc tự do, ngăn chặn quá trình oxy hóa lipoprotein mật độ thấp và tạo ra các tác dụng có lợi đối với các bệnh tim mạch, béo phì, viêm nhiễm, chống vi rút và chống ung thư [7]

Trong số các anthocyanin phổ biến nhất, Cyanidin-3-O-β-Glucoside (C3G) có hoạt tính chống oxy hóa cao nhất và mang lại tác dụng bảo vệ đầy hứa hẹn chống lại tác hại do stress oxy hóa gây ra Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng anthocyanin cho thấy tác dụng tiềm năng chống ung thư đối với sức khỏe con người vì có thể điều chỉnh cân bằng chất oxy hóa và chất chống oxy hóa, đặc biệt là trong các tế bào ung thư nên anthocyanin thường được sử dụng làm dược phẩm dinh dưỡng cho phòng ngừa và quản lý ung thư

Tuy nhiên các dạng tồn tại của Cyanidin-3-O-β-Glucoside trong môi trường sinh

lý và cơ chế chống oxy hóa của Cyanidin-3-O-β-Glucoside chưa được làm sáng tỏ và thực tế, nghiên cứu thực nghiệm rất khó để xác định dạng tồn tại cũng như cơ chế

chống oxy hóa của các hợp chất Chính vì vậy nên chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu cân bằng điện ly và khả năng chống oxy hóa của Cyanidin-3-O-β-glucoside theo cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen bằng phương pháp hóa tính toán”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định các dạng tồn tại của C3G trong môi trường nước thông qua nghiên cứu các cân bằng điện ly của C3G trong môi trường nước

Khả năng phản ứng của C3G và các sản phẩm điện ly của nó với gốc tự do HOO•theo cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen

3 Đối tượng nghiên cứu

Hợp chất Cyanidin-3-O-beta-glucoside (C3G)

4 Phương pháp nghiên cứu

Tổng quan lý thuyết về các phương pháp hóa học tính toán, các công bố uy tín liên quan đến hệ nghiên cứu, từ đó xác định cách tiếp cận và các bước cần triển khai để thực hiện tính toán

Sử dụng các phần mềm Gaussian 16, Gaussview 06 và các phần mềm hóa học khác để mô hình hóa và thực hiện các tính toán nhiệt động và động hóa học

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu về cân bằng điện ly của C3G trong môi trường nước sẽ giúp xác định phân bố của các dạng tồn tại của C3G dựa trên pH, cung cấp cơ sở khoa học

cho việc hiểu các hoạt động sinh hóa của C3G

Kết quả của nghiên cứu về khả năng phản ứng của C3G với gốc tự do HOO• theo

cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen đóng vai trò quan trọng trong việc làm sáng tỏ cơ

chế chống oxy hóa của C3G

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của nghiên cứu cung cấp thông tin khoa học về phân bố của các dạng tồn tại của C3G và khả năng phản ứng của C3G với HOO• theo cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen Thông tin này có thể hỗ trợ việc ứng dụng và phát triển các dược phẩm từ C3G trong lĩnh vực y học và điều trị bệnh

6 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc của luận văn gồm các phần chính sau:

• Mở đầu: Giới thiệu sơ lược về đối tượng nghiên cứu

• Phần nội dung: Nội dung chính của luận văn gồm có 3 chương cụ thể như sau:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu và phần mềm tính toán

Chương 3 Kết quả và thảo luận

Kết luận và Kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

anthocyanin cao [8] Trong số các sắc tố anthocyanin, cyanidin-3-glucoside là anthocyanin chính được tìm thấy trong hầu hết các loại thực vật Các sắc tố anthocyanin

có màu theo truyền thống được sử dụng làm chất tạo màu thực phẩm tự nhiên Màu sắc

và sự ổn định của các sắc tố này bị ảnh hưởng bởi độ pH, ánh sáng, nhiệt độ và cấu trúc Cấu trúc phân tử của một số anthocyanion được trình bày trên Hình 1.1 [5]

Hình 1.1 Cấu trúc của một số anthocyanin

Anthocyanin là flavonoid tồn tại trong nhiều loại trái cây và rau quả Anthocyanin được biết đến rộng rãi là dược phẩm dinh dưỡng và là một nhóm các sắc tố không bào hòa tan, có màu đỏ, tím hoặc xanh lam dựa trên độ pH của môi trường Hơn 600 anthocyanin được biết là có trong thực phẩm tự nhiên Mức tiêu thụ anthocyanin của con người là một trong những loại flavonoid cao nhất

Gần đây, anthocyanin đã thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu vì tác dụng phòng ngừa và khả năng điều trị tiềm tàng của chúng đối với sức khỏe con người Việc tiêu thụ thường xuyên anthocyanin và thực phẩm giàu anthocyanin đã được công nhận là mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe như bảo vệ tim mạch, bảo vệ thần kinh, cải thiện thị lực, đặc tính chống đái tháo đường và chống béo phì, hạ mỡ máu, chống xơ vữa động mạch, giúp hạ huyết áp, bảo vệ gan, tác dụng chống viêm, ngăn ngừa ung thư

và chống oxy hóa

Anthocyanin ngày càng được sử dụng rộng rãi làm chất tạo màu cho ngành công nghiệp thực phẩm và có thể dùng làm chất thay thế cho việc sử dụng chất tạo màu tổng hợp Việc thay thế thuốc nhuộm màu đỏ hoặc xanh bằng nguồn anthocyanin có khả năng làm tăng đáng kể mức tiêu thụ anthocyanin

Hình 1.2 Anthocyanin là sắc tố phổ biến nhất trong thực vật

1.1.2 Hoạt động sinh hóa

Do đặc tính chống oxy hóa và chống viêm mạnh, anthocyanin có trong các sản phẩm tự nhiên mang lại hy vọng lớn như một liệu pháp thay thế cho các rối loạn mãn tính, chẳng hạn như bệnh tim mạch, bệnh gan nhiễm mỡ, bệnh viêm ruột và rối loạn chuyển hóa glucose-lipid Duy trì tính toàn vẹn của ruột đóng một vai trò quan trọng trong các chức năng tăng cường sức khỏe của anthocyanin, vì đường ruột không chỉ là nơi chính để tiêu hóa và hấp thụ thức ăn mà còn là hàng rào bảo vệ đầu tiên chống lại mầm bệnh và kích thích bên ngoài [9]

Người ta thường tin rằng sự thoái biến của anthocyanin trong đường tiêu hóa làm giảm khả dụng sinh học của chúng Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây dựa trên microbiome và metabonomics đã gợi ý rằng sự tương tác giữa các hợp chất hoạt tính sinh học tự nhiên và hệ vi sinh vật đường ruột có thể làm tăng lợi ích sức khỏe Một mặt, anthocyanin có thể điều chỉnh thành phần hệ vi sinh vật đường ruột thông qua tác dụng kìm khuẩn hoặc dưới dạng chất dinh dưỡng để thúc đẩy sự phát triển của các vi khuẩn

cụ thể Mặt khác, hệ vi sinh vật đường ruột có thể phá vỡ anthocyanin để tạo thành nhiều chất chuyển hóa, được hấp thụ vào hệ tuần hoàn để gây ra tác động tích cực hoặc tiêu cực [9]

Do đó, hiểu được sự tương tác giữa anthocyanin và vi sinh vật, cũng như tác động của các chất chuyển hóa có nguồn gốc từ anthocyanin đối với các con đường truyền tín hiệu của tế bào, là cần thiết cho việc sử dụng hợp lý anthocyanin [9]

1.2 Cyanidin-3-O-β-Glucoside

Trong số các anthocyanin phổ biến nhất, cyanidin-3-O-β-glucoside (C3G) có hoạt tính chống oxy hóa cao nhất và mang lại tác dụng bảo vệ đầy hứa hẹn chống lại tác hại do stress oxy hóa gây ra, như được thể hiện khi sử dụng các mô hình in vivo Nó có xương sống carbon C6–C3–C6, trong đó hai vòng thơm được nối với một vòng thơm dị vòng C3G là một hợp chất chống oxy hóa mạnh hơn sáu phân tử khác cùng loại C3G

Hình 1.3 Cấu trúc của Cyanidin-3-glucoside

Cyanidin-3-glucoside (C3G) có tác dụng chống oxy hóa, trị đái tháo đường, chống viêm và bảo vệ tế bào chống lại các rối loạn do stress oxy hóa gây ra C3G và các chất chuyển hóa của nó có khả năng hấp thụ và khả dụng sinh học cao hơn, đồng thời

sự tương tác với hệ vi sinh vật đường ruột có thể nâng cao lợi ích sức khỏe của chúng[9] Nhiều nghiên cứu in vitro khác nhau đã cho thấy tiềm năng giảm thiểu các loại oxy phản ứng (ROS) của C3G Tuy nhiên, trong các mô hình in vivo, C3G phát huy các đặc tính bảo vệ tế bào của nó bằng cách điều chỉnh con đường yếu tố 2 liên quan đến hồng cầu 2 (Nrf2)/yếu tố phản ứng chống oxy hóa (ARE)[11][12][13][14]

Trong môi trường nước, C3G có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào pH, bao gồm dạng aglycone và dạng glycosylated Sự cân bằng giữa các dạng này

có thể ảnh hưởng đến tính chất vận chuyển và sự tương tác của C3G trong cơ thể

Hình 1.4 Cân bằng điện ly của C3G trong môi trường nước

Các sản phẩm điện ly của C3G cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động sinh học của nó Ví dụ, các sản phẩm ion hóa của C3G có thể tương tác với các phân tử khác trong môi trường nước, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ và tác động của nó trên cơ thể Ngoài ra, các sản phẩm điện ly có thể thay đổi tính chất oxy hóa hoặc khả năng chống oxy hóa của C3G, ảnh hưởng đến khả năng bảo vệ tế bào chống lại sự tổn thương oxy hóa

Do đó, việc hiểu cân bằng điện ly của C3G và ảnh hưởng của các sản phẩm điện

ly đến hoạt động sinh học của nó là quan trọng để tối ưu hóa ứng dụng của C3G trong lĩnh vực y học và sức khỏe

1.3 Cơ chế phân tử của hoạt động chống oxy hóa

1.3.1 Cân bằng oxy hóa khử trong cơ thể

Chất có tác dụng chống oxy hóa sẽ bảo vệ các tế bào khỏe mạnh khỏi những tổn thương mà các gốc tự do gây ra, hay còn được gọi là mất cân bằng oxy hóa [15]

Những hoạt động sau có thể là nguyên nhân dẫn đến quá trình mất cân bằng oxy hóa như:

 Hút thuốc

 Ô nhiễm môi trường, bức xạ

 Tiếp xúc với hóa chất trong thời gian dài

Những chất có tác dụng chống oxy hóa là các phân tử trung hòa các gốc tự do trong cơ thể chúng ta Gốc tự do là những hợp chất có thể gây hại nếu chúng tồn tại trong cơ thể ở mức độ cao Gốc tự do có liên quan đến nhiều bệnh tật, bao gồm bệnh tiểu đường, bệnh tim và ung thư Trên thực tế cơ thể chúng ta có một số cơ chế để chống lại quá trình oxy hóa bằng cách sản xuất chất chống oxy hóa, hoặc tạo ra chất chống oxy hóa nội sinh, hoặc được cung cấp từ bên ngoài thông qua thực phẩm (chất chống oxy hóa ngoại sinh) Vai trò của chất chống oxy hóa là trung hòa sự dư thừa của các gốc tự

do, để bảo vệ các tế bào chống lại các tác động độc hại của chúng và góp phần ngăn ngừa bệnh tật

1.3.2 Chất chống oxy hóa

Chất chống oxy hóa là những hoạt chất có tác dụng bảo vệ hoặc làm chậm tổn thương tế bào gây ra bởi các gốc tự do nên nó rất cần thiết cho sự tồn tại của mọi sinh vật Cơ thể có khả năng tự tạo ra một số 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 thông qua chế độ ăn

 Vitamin C: đây là loại hòa tan trong nước, đồng thời là chất dinh dưỡng thiết yếu trong chế độ ăn uống [17]

 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 [17]

 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 [18]

1.3.3 Cơ chế chống oxy hóa

Đặc điểm chính của hợp chất chống oxy hóa là ngăn ngừa hoặc ngăn chặn phản ứng oxy hóa khử dây chuyền gây ra bởi các gốc tự do, bằng cách ổn định gốc tự do được tạo ra, từ đó giúp giảm tổn thương oxy hóa trong cơ thể Các phân tử chống oxy hóa có thể chuyển nguyên tử hydrogen hoặc electron sang gốc tự do để hình thành nên gốc tự

do mới kém hoạt động hơn từ đó ngăn ngừa hoặc ngăn chặn các phản ứng oxy hóa dây chuyền gây ra bởi các gố tự do

Cơ chế chuyển hydrogen (Formal Hydrogen Transfer: FHT)

Trong cơ chế FHT, nguyên tử hydrogen sẽ được chuyển trực tiếp từ chất chống oxy hóa (AH) sang gốc tự do (R)

AH + R• → A• + RH FHT được xem là cơ chế chính trong hoạt động chống oxy hóa của các hợp chất, đặc biệt là trong môi trường không phân cực như lipid Khả năng phản ứng FHT của một phân tử được đánh giá qua năng lượng phân li liên kết AH (Bond Dissociation Energy: BDE) BDE càng nhỏ thì khả năng tham gia phản ứng FHT của phân tử càng lớn [19][20]

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

Trong cơ chế chuyển SETPT, bước đầu tiên là phân tử (AH) chuyển electron sang gốc tự do (R), bước này xảy ra chậm và được đặc trưng bằng năng lượng ion hóa (Ionization Energy: IE) của phân tử IE càng thấp thì khả năng tham gia phản ứng SETPT của phân tử càng cao Bước tiếp theo là quá trình chuyển proton [21]

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

Cơ chế SET-PT thường không thuận lợi với các phân tử ở dạng trung hòa Hơn nữa, do sự xuất hiện của các ion trong quá trình phản ứng, làm cho cơ chế này không thuận lợi trong môi trường ít hoặc không phân cực [19]

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

Cơ chế SPLET bắt đầu bằng quá trình phân ly proron của A−H, sau đó là quá trình chuyển electron từ anion A− sang gốc tự do Bước này là chậm nhất và được đặc trưng bằng năng lượng ion hóa của anion Cuối cùng là quá trình kết hợp của anion R−với proton

A−H → A− + H+

A− + R● → A● + R−

R− + H+ → R−H

Cơ chế SPLET hầu như không xảy ra trong môi trường ít hoặc không phân cực,

do bước phân li proton không thuận lợi trong các môi trường này Tuy nhiên, cơ chế này đóng góp lớn vào hoạt động chống oxy hóa của các hợp chất có khả năng phân li proton đáng kể trong môi trường phân cực như nước[19]

Ở trạng thái dừng, mọi thông tin về cấu trúc của phân tử được mô tả bởi hàm sóng 𝜓, là nghiệm của phương trình Schrodinger

𝐻̂𝜓 = 𝐸𝜓 (2.2) Trong đó, Ĥ là toán tử Hamilton, 𝐸 là năng lượng của hệ Từ nghiệm năng lượng (𝐸) và hàm sóng 𝜓 thu được, qua các xử lý thống kê sẽ cho biết mọi thông tin về tính chất hóa học cũng như thông tin nhiệt động học và động hóa học của các hệ nghiên cứu Tuy nhiên, phương trình Schrödinger cho các hệ có nhiều hơn một electron là không thể giải chính xác Do đó, rất nhiều phương pháp gần đúng đã được phát triển để giải phương trình Schrödinger Cơ sở chung của các phương pháp gần đúng này là dựa các hàm sóng

dự đoán ban đầu, 𝜓 (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 vào hàm sóng, sử dụng lý thuyết Hartree – Fock dưới dạng đơn giản Nhiều đại lượng tính toán trong quá trình giải phương trình Schrödinger được bỏ qua hoặc thay thế bằng các giá trị thực nghiệm, ví dụ như các tích phân Coulomb, tích phân trao đổi Do đó phương pháp bán kinh nghiệm không yêu cầu máy tính mạnh, có thời gian tính toán rất nhanh, nhưng kết quả 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, Huckel mở rộng, CNDO, INDO, MINDO, Do độ chính xác hạn chế, nên ngày nay hầu như các phương pháp bán kinh nghiệm không được sử dụng [18]

Phương pháp tính toán từ đầu (ab initio methods)

Đây là các phương pháp gần đúng dựa trên hàm sóng, 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 cách tiếp cận đơn giản nhất thuộc loại này Tuy nhiên độ chính xác của phương pháp HF là hạn chế vì bỏ qua tương quan electron (electron correlation), xem các electron chuyển động 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 như:

 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 có độ chính xác cao, đặc biệt như phương pháp CCSD(T) cho độ chính xác có thể cạnh tranh với thực nghiệm nhưng có yêu cầu rất cao về khả năng tính toán của máy tính và thời gian tính toán lâu, không phù hợp với các phân tử lớn [18]

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

Phương pháp DFT không dựa trên việc sử dụng hàm sóng như trong phương pháp Hartree-Fock Thay vào đó, DFT dựa trên mật độ electron để mô tả các tính chất của hệ Phương pháp này có khả năng áp dụng cho các hệ phân tử lớn với chi phí tính toán thấp hơn so với phương pháp Hartree-Fock DFT đang được ứng 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 [18]

2.1.2 Bộ hàm cơ sở (basis set)

Bộ hàm cơ sở là một biểu diễn toán học của hàm sóng trong một hệ, được áp dụng để tính toán hoặc mô hình hóa gần đúng Bộ hàm cơ sở (𝜓𝑖) được tạo thành bằng cách kết hợp tuyến tính của một tập hợp các hàm cơ sở (𝜙𝑘)

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, các 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 Các mô hình dung môi có thể chia thành hai lớp: mô hình dung môi không tường minh và mô hình dung môi tường minh

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,…[24]

Hình 2.1 Minh họa cách xây dựng chung của khoang dung môi

Cách xây dựng khoang dung môi chứa chất tan được minh họa trên Hình 2.1 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

𝐻̂𝑡ổ𝑛𝑔 = 𝐻̂𝑐ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛+ 𝑉̂𝑠𝑜𝑙𝑣𝑎𝑡 (2.8)

Trong đó, 𝐻̂𝑡ổ𝑛𝑔 là toán tử Hamilton tổng của hệ, 𝐻̂𝑐ℎấ𝑡 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) [25]

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) [24]

2.2 Mô hình tính toán sử dụng trong nghiên cứu

2.2.1 Tối ưu hóa hình học (geometry optimization)

Cơ sở lý thuyết

Tối ưu hóa hình học là một phương pháp dự đoán sự sắp xếp ba chiều ổn định của các nguyên tử trong phân tử bằng thuật toán cực tiểu hóa năng lượng của phân tử

theo tọa độ hạt nhân của các nguyên tử Hình 2.2 biểu diễn bề mặt năng lượng (potential

energy surface: PES) của cation trihydrogen Hình học ổn định của nó ở trạng thái cơ bản tương ứng với năng lượng cực tiểu trên PES Ở mức cực tiểu này, ba nguyên tử hydro nằm ở các đỉnh của một tam giác đều có độ dài cạnh là độ dài liên kết tối ưu là d

Hình 2.2 Bề mặt thế năng của cation trihydrogen

Đối với các phân tử lớn, bề mặt PES của nó có thể có nhiều cực tiểu năng lượng ứng với các cấu dạng ổn định khác nhau Hình 2.3 trình bày PES của một phân tử có 3 cực tiểu năng lượng ứng với 3 cấu dạng ổn định Thông thường việc tối ưu hóa phải đảm bảo xác định được dạng hình học bền nhất tương ứng với điểm (1) có năng lượng thấp nhất trên PES Đây là một vấn đề phức tạp đối với các phân tử lớn có nhiều cấu dạng ổn định

Hình 2.3 Bề mặt năng lượng PES của phân tử có nhiều hình học ổn định

Năng lượng của phân tử tương ứng với một hình học cụ thể được xác định dựa vào việc giải phương trình Schrodinger ở trạng thái dừng

𝐻̂𝜓(𝑅) = 𝐸𝜓(𝑅) (2.9) Nhiều phương pháp giải gần đúng phương trình Schrodinger đã được xây dựng, như Hartree Fock, phương pháp biến phân, phương pháp tương quan điện tử dựa trên hàm sóng và lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT

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 [26]:

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

Quy trình tối ưu hóa hình học phân tử

Quy trình tối ưu hóa hình học phân tử sử dụng phần mềm Gaussian được trình bày trên Hình 2.4 bao gồm các bước:

Hình 2.4 Quy trình tối ưu hóa hình học phân tử

Bước 1: Hình học phân tử ban đầu

Bước đầu tiên của quá trình tối ưu hóa hình học phân tử bằng các phần mềm tính toán lượng tử (Phần mềm Gaussian 16 được sử dụng trong quy trình này) là cung cấp hình học phân tử 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 Ví dụ trên Hình 2.5 Trình bày tọa độ oxyz và hình ảnh 3D của phân tử phenol Hình học phân tử có thể được xây dựng bằng các phần mềm như Gaussview và Avogadro, bằng cách vẽ hình học 3D của phân

Hình 2.5 Tọa độ oxyz và hình học 3D của phân tử phenol

Đối với các phân tử có nhiều cấu dạng khác nhau, cấu trúc sử dụng tối ưu hóa thường phải là cấu dạng có năng lượng thấp nhất Việc xác định cấu dạng có năng lượng thấp nhất đối với các phân tử lớn là phức tạp, phụ thuộc chủ quan vào trực giác hóa học của người thiết lập, ngoài ra có thể sử dụng các phần mềm quét cấu dạng như Spartan Trong trường hợp cần thiết, cần phải tối ưu hóa hình học nhiều cấu dạng khác nhau ở mức lý thuyết thấp, sau đó so sánh năng lượng giữa của cấu dạng để chọn ra cấu dạng

có năng lượng thấp nhất

Bước 2: Thực hiện tối ưu hóa hình học

Tối ưu hóa hình học phân tử là quá trình cực tiểu hóa năng lượng của phân tử bằng cách thay đổi tọa độ hạt nhân của các nguyên tử Bao gồm các thủ tục sau:

- Khai báo điện tích của phân tử: nếu phân tử trung hòa, điện tích được đặt bằng không)

- Khai báo độ bội spin (multi-spin): được tính theo công thức 2S + 1, trong đó S

là tổng spin của các electron Độ bội spin cần phải được khai báo trước khi thực hiện tính toán và được xác định thủ công Hầu hết các phân tử có số chẵn electron sẽ có độ

bộ spin bằng 1 (singlet)

- Phương pháp tính: quá trình tối ưu hóa thực hiện thông qua tính toán năng lượng phân tử, bằng cách giải phương trình Schrodinger Do đó cần cung cấp phương pháp sử dụng để giải phương trình Schrodinger, ví dụ như các phương pháp Hartree Fock, phương pháp DFT,…

- Bộ cơ sở (Basis set): các hàm sóng electron được mô tả thông qua các hàm toán học gọi là Bộ cơ sở Các bộ cơ sở thường được sử dụng như 6-31G(d), 6-311++G(d,p), def2-TZVP,…

- Thuật toán: thường được mặc định trong các phần mềm tính toán lượng tử, nhưng có thể thay đổi

Bước 3: Khắc phục lỗi trong quá trình tối ưu hóa hình học

Quá trình tối ưu hóa hình học có thể không thành công, các lỗi có thể phát sinh

từ các nguyên nhân:

- Hình học dự đoán ban đầu chưa tốt: nếu hình học ban đầu khác biệt quá nhiều với hình học tối ưu hóa, quá trình tối ưu hóa có thể không hội tụ sau một số bước hữu hạn Để sửa lỗi này, cần cung cấp lại hình học dự đoán ban đầu tốt hơn

- Bề mặt năng lượng xung quanh điểm cực tiểu năng lượng (ứng với hình học tối

ưu hóa) rất phẳng: cần phải điều chỉnh thuật toán bằng cách tăng độ mịn của lưới tích phân (ví dụ khai báo int=superfine), giảm kích thước bước nhảy khi tính gradient năng lượng (ví dụ khai báo maxstep=5), dùng thuật toán hội tụ bậc 2 (scf=qc),…

- Tài nguyên tính toán không được đảm bảo: Các lỗi có thể xảy ra do thiếu dung lượng lưu trữ (ổ cứng) hoặc bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), và trong trường hợp này, cần phải nâng cấp hệ thống

Bước 4: Kiểm tra hình học tối ưu hóa

Sau khi phần mềm thông báo quá trình tối ưu hóa kết thúc, không có lỗi nào phát sinh, thì cấu trúc phân tử vẫn cần được kiểm tra một số thông số thông tin sau:

- Tần số dao động: cấu trúc tối ưu hóa ứng với cực tiểu về năng lượng trên bề mặt thế năng, do đó phải đảm bảo giá trị của tất cả các tần số dao động (ứng với đạo hàm bậc 2 của năng lượng) của phân tử là không âm Hình 2.6 Trình bày hình học 3D sau khi thực hiện tối ưu hóa và các tần số dao động của phân tử phenol Nếu phân tử sau tối ưu hóa phát sinh tần số âm, quá trình tối ưu hóa cần được thực hiện lại với hình học phân tử dự đoán ban đầu được điều chỉnh lại

- Cấu trúc phù hợp về mặt hóa học: cấu trúc phân tử thu được sau khi tối ưu hóa

có không tương ứng với cấu trúc phân tử mong muốn Điều này có thể phát sinh do quá trình chuyển vị, đồng phân hóa phát sinh trong quá tối ưu hóa Quá trình tính toán cần được thực hiện lại bằng cách thay đổi hình học phân tử dự đoán ban đầu

Hình 2.6 Hình học tối ưu hóa và tần số dao động của phân tử phenol

2.2.2 Tính toán trạng thái chuyển tiếp và xây dựng bề mặt thế năng phản ứng

Bề mặt thế năng của phản ứng hóa học

bề mặt thế năng của phản ứng Để đơn giản, PES của phản ứng thường được biểu diễn trên không gian 2D, với trục tung là năng lượng và trực hoành là tọa độ chung của phản ứng (R) Tập hợp các điểm E(R) tạo thành đường cong năng lượng phản ứng (Hình 2.7)

Hình 2.7 Minh họa đường cong năng lượng của phản ứng

Trong hầu hết các phản ứng khi đi từ chất phản ứng đến sản phẩm, năng lượng của hệ sẽ đi qua một giá trị cực đại Tại đây hình thành một trạng thái liên kết giữa các chất phản ứng 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 2.8 Đường cong năng lượng của phản ứng hóa học thường gặp

Hình 2.8 trình bày đường cong năng lượng thường gặp của một phản ứng Khi các phân tử chất phản ứng tiến lại gần nhau và hình thành nên phức hợp phản ứng có năng lượng thấp hơn Phức hợp này tiếp tục biến đổi để hình thành TS, sau đó TS chuyển đổi thành phức hợp sau phản ứng và cuối cùng phức hợp này phân li để tạo ra các sản phẩm

Trạng thái chuyển tiếp của phản ứng hóa học

Trạng thái chuyển tiếp của là một cấu trúc được hình thành bởi các chất phản ứng, có năng lượng cực đại trên PES, nó không ổn định để có thể được xem là một hợp chất hóa học thực sự Ví dụ trạng thái chuyển tiếp của phản ứng giữa OH- và CH3CH2Br được minh họa trên Hình 2.9 Trong trạng thái chuyển tiếp [CH3CH2BrOH]# các liên kết C-OH và C-Br có độ dài lớn hơn nhiều so với bình thường [14]

Hình 2.9 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 2.10 bao gồm các bước:

Hình 2.10 Quy trình tối ưu hóa hình học của trạng thái chuyển tiếp (TS)

nên TS

Hình 2.11 Tọa độ oxyz và hình học 3D dự đoán của TS

Bước 2: Thực hiện tối ưu hóa hình học TS

Tối ưu hóa hình học TS là quá trình cực đại hóa năng lượng của TS bằng cách thay đổi tọa độ hạt nhân của các nguyên tử Bao gồm các thủ tục sau:

- Khai báo điện tích của TS: nếu TS trung hòa, điện tích được đặt bằng không

- Khai báo độ bội spin (multi-spin): được tính theo công thức 2S + 1, trong đó S

là tổng spin của các electron Độ bội spin cần phải được khai báo trước khi thực hiện tính toán và được xác định thủ công Hầu hết các TS có số chẵn electron sẽ có độ bộ spin bằng 1 (singlet) Trong trường hợp này TS có số lẻ electron, độ bội spin bằng 2 (doublet)

- Phương pháp tính: quá trình tối ưu hóa thực hiện thông qua tính toán năng lượng

TS, bằng cách giải phương trình Schrodinger Do đó cần cung cấp phương pháp sử dụng

để giải phương trình Schrodinger, ví dụ như các phương pháp Hartree Fock, phương pháp DFT,…

- Bộ cơ sở (Basis set): các hàm sóng electron được mô tả thông qua các hàm toán học gọi là Bộ cơ sở Các bộ cơ sở thường được sử dụng như 6-31G(d), 6-311++G(d,p), def2-TZVP,…

- Thuật toán: thường được mặc định trong các phần mềm tính toán lượng tử, nhưng có thể thay đổi

Bước 3: Khắc phục lỗi trong quá trình tối ưu hóa hình học TS

Quá trình tối ưu hóa hình học có thể không thành công, các lỗi có thể phát sinh

từ các nguyên nhân:

- Hình học dự đoán ban đầu chưa tốt: nếu hình học ban đầu khác biệt quá nhiều với hình học tối ưu hóa, quá trình tối ưu hóa có thể không hội tụ sau một số bước hữu hạn Để sửa lỗi này, cần cung cấp lại hình học dự đoán ban đầu tốt hơn

- Bề mặt năng lượng xung quanh điểm cực đại năng lượng (ứng với hình học tối

ưu của TS) rất phẳng: cần phải điều chỉnh thuật toán bằng cách tăng độ mịn của lưới tích phân (ví dụ khai báo int=superfine), giảm kích thước bước nhảy khi tính gradient năng lượng (ví dụ khai báo maxstep=5), dùng thuật toán hội tụ bậc 2 (scf=qc),…

- Tài nguyên tính toán không được đảm bảo: Các lỗi có thể xảy ra do thiếu dung lượng lưu trữ (ổ cứng) hoặc bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), và trong trường hợp này, cần phải nâng cấp hệ thống

Bước 4: Tính toán IRC

Sau khi phần mềm thông báo quá trình tối ưu hóa kết thúc, không có lỗi nào phát sinh, thì cấu trúc TS cần được kiểm tra tần số dao động và tính toán đường phản ứng (IRC)

- Tần số dao động: cấu trúc tối ưu hóa ứng với cực đại về năng lượng trên bề mặt thế năng, do đó phải đảm bảo có một giá trị âm duy nhất của tần số dao động (ứng với đạo hàm bậc 2 của năng lượng và là dao động của liên kết bị chuyển đổi thành sản phẩm) Hình 2.12 Trình bày hình học 3D sau khi thực hiện tối ưu hóa và các tần số dao động của TS Nếu phân tử sau tối ưu hóa không có duy nhất một tần số âm hoặc dao động có tần số âm không phù hợp với liên kết bị chuyển đổi thành sản phẩm thì quá trình tối ưu hóa cần được thực hiện lại

- Tính toán IRC: tính toán này nhằm đảm bảo TS phải liên kết với đúng các chất tham gia phản ứng và sản phẩm Nếu không đáp ứng, quá trình tối ưu hóa cần được thực hiện lại

Hình 2.12 Hình học tối ưu hóa và tần số dao động của TS

2.3 Phương pháp tính các thông số nhiệt động học và mức lý thuyết

Thông thường, các thông số nhiệt động học của các hợp chất trong dung dịch có thể được tính toán trực tiếp bằng kết hợp phương pháp tính toán lượng tử với một mô hình dung môi Trong nghiên cứu này, một cách tiếp cận khác dựa vào sơ đồ tổng quát được trình bày trên Hình 2.13, được cho là có độ chính xác cao hơn và phổ biến để tính các thông số nhiệt động học như hằng số phân li acid và hằng số bền của phức

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng cách tiếp cận thứ hai Hình học bền và tần số dao động điều hòa của các phân tử được tính toán trong dung dịch tại mức lý thuyết M06-2X/6-311G(d,p) [27] kết hợp với mô hình dung môi PCM Electronic Energy (EE) được tính toán trong pha khí tại mức lý thuyết M062X/6-311++G(2df,dp)

Hình 2.13 Sơ đồ tính enthalpy và năng lượng Gibbs của hợp chất trong dung dịch

Thermal Correction to Enthalpy (TCH) và thermal Correction to Free Energy (TCG) được tính toán dựa vào tần số dao động của phân tử trong dung dịch và đã bao gồm hiệu chỉnh năng lượng điểm không Tuy nhiên, do phân tử Cyanidin-3-O-beta-glucoside chứa nhiều liên kết linh hoạt dẫn đến phát sinh nhiều tần số thấp gây ra sai số khi tính TCH và TCG Do đó chúng tôi sử dụng mô hình Quasi-rigid-rotor harmonic oscillator (QRRHO) được đề xuất lần đầu bởi Truhlar và Cramer để xử lý thích hợp các

đóng góp của tần số thấp Phương pháp này nâng tất cả các tần số thấp hơn 100 cm‒1đến 100 cm‒1 [28]

Năng lượng solvat hóa (∆𝐸𝑠𝑜𝑙𝑣𝑜 ) và năng lượng Gibbs solvat hóa (∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣𝑜 ) được tính toán theo mô hình đã được tham số hóa tại M05-2X/6-31G(d)/SMD Đây là mô hình được đề xuất bởi Truhlar và cộng sự, và được sử phổ biến để tính toán năng lượng solvat hóa của chất tan Riêng giá trị ∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣𝑜 của ion H+ được sử dụng từ thực nghiệm là

−265.90 kcal ∙ mol−1 Cuối cùng, dựa vào tính chất của hàm trạng thái, enthalpy,

𝐻𝑜(𝑎𝑞), và năng lượng Gibbs, 𝐺𝑜(𝑎𝑞), của chất tan trong dung dịch được tính toán theo các phương trình (1) và (2)

𝐻𝑜(𝑎𝑞) = 𝐻𝑜(𝑔𝑎𝑠) + ∆𝐸𝑠𝑜𝑙𝑣𝑜 (1)

𝐺𝑜(𝑎𝑞) = 𝐺𝑜(𝑔𝑎𝑠) + ∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣𝑜 + ∆𝐺𝑠𝑜𝑙𝑣𝑡→𝑎𝑞𝑜 (2) Trong đó, 𝐻𝑜(𝑔𝑎𝑠) là enthalpy trong pha khí được tính theo Phương trình (3)

số tốc độ (k) được xác định bởi Phương trình (6) [29][30][31][32][33][34][35]

𝑘 = 𝜎𝜅𝑘𝐵𝑇

−∆𝐺#/𝑅𝑇 (6) Trong đó, 𝜎 là hệ số đối xứng của phản ứng, 𝜅 là hệ số hiệu chỉnh đường hầm lượng tử được tính toán bằng cách sử dụng rào cản Eckart[36], 𝑘𝐵 là hằng số Boltzmann,

ℎ là hằng số Planck và ∆𝐺# là năng lượng Gibbs hoạt hóa của phản ứng Tất cả trạng thái chuyển tiếp được xác nhận dựa vào sự tồn tại một tần số ảo duy nhất Tính toán tọa

độ nội tại (IRC) được thực hiện để xác nhận mỗi trạng thái chuyển tiếp đều phù hợp với các chất tham gia phản ứng và sản phẩm

Tất cả tính toán được thực hiện tại 298.15 K ở điều chuẩn trong pha khí là 1 atm

và trong dung dịch là 1M

2.4 Phần mềm tính toán

2.4.1 Phần mềm Gaussian 16

Gaussian là một trong những phần mềm hiệu quả phổ biến để tính toán hóa lượng

tử trong lĩnh vực hóa tính toán và hóa phân tử [37] Phần mềm này có hầu hết các phương pháp tính từ bán thực nghiệm đến ab-initio và lý thuyết phiếm hàm mật độ Phần mềm luôn được cập nhật, nghiên cứu và phát triển bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới, đặc biệt trong đó có Pople J A là người đã đoạt giải Nobel hóa học vào năm 1998 với những đóng góp to lớn về việc nghiên cứu phương pháp tính toán trong hóa học lượng tử Trên

cơ sở những định luật cơ bản của cơ học lượng tử, Gaussian tính toán năng lượng, cấu trúc phân tử và tần số dao động của hệ thống phân tử, cùng với rất nhiều những tính chất

và được bổ sung thêm nhiều tính năng mới so với phiên bản trước, như cải thiện và mở rộng tính năng của phương pháp solvat hóa theo mô hình phân cực liên tục PCM, cho phép xác định được nhiều thuộc tính phân tử trong dung môi, khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, tăng cường khả năng dò tìm trạng thái chuyển tiếp

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 [38]:

- 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

2.4.2 Phần mềm GaussView 06

GaussView là một phần mềm phân tích và trực quan hóa được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực hóa học tính toán và mô phỏng cơ học lượng tử GaussView là giao diện

đồ họa được thiết kế để giúp cho người dùng xây dựng các cấu trúc ban đầu (tệp input)

để gửi tới Gaussian và kiểm tra cấu trúc kết quả (tệp output) mà Gaussian tạo ra Nó chủ yếu được thiết kế để tương tác với phần mềm Gaussian, một công cụ tiêu chuẩn trong tính toán cơ học lượng tử Một số tính năng và ứng dụng quan trọng của Gaussview [38]:

- Giao diện đồ họa: GaussView cung cấp một giao diện đồ họa thân thiện, giúp người dùng thực hiện các tính toán và trực quan hóa dữ liệu một cách dễ dàng Bạn có thể tạo, chỉnh sửa và xem cấu trúc phân tử bằng cách kéo và thả, thực hiện tính toán, và hiển thị kết quả một cách trực quan

- 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

số khác

GaussView không chỉ được tích hợp với mô đun tính toán của Gaussian, mà còn

là bộ xử lý để hỗ trợ việc sử dụng Gaussian GaussView cung cấp các lợi ích chính cho người dùng Gaussian:

- Đầu tiên, thông qua cơ sở trực quan tiên tiến của nó, GaussView cho phép phác thảo nhanh chóng các phân tử rất lớn, sau đó xoay, dịch và phóng to các phân tử này thông qua các thao tác chuột đơn giản Nó cũng có thể nhập các định dạng tệp phân tử

có đuôi PDB

- Thứ hai, GaussView giúp thiết lập dễ dàng nhiều loại tính toán của Gaussian

Nó làm cho việc chuẩn bị đầu vào (tệp input) cho cả loại công việc thông thường và phương pháp nâng cao như ONIOM, tối ưu hóa cấu trúc chuyển tiếp, tính toán điều kiện biên định kỳ và nhiều tính năng khác

- Có thể sử dụng GaussView để khởi chạy các công việc nếu Gaussian được cài đặt trên cùng một máy tính Sau đó cài đặt mặc định và đặt tên là các mẫu tính toán để tăng tốc độ các quá trình cài đặt công việc Cuối cùng, GaussView cho phép kiểm tra kết quả tính toán Gaussian bằng nhiều kỹ thuật đồ họa

Hình 3.1 Cấu trúc của cyanidin-3-O-beta-glucoside (AH+)

Các cân bằng điện ly của C3G được đề xuất dựa vào nghiên cứu thực nghiệm

trước đó về cân bằng điện ly của các anthocyanin và được chỉ ra trên Hình 3.2

Hình 3.2 The electrolyte equilibrium of cyanidin-3-O-beta-glucoside (AH+)

Tương tự như các anthocyanin khác, C3G có thể deproton hóa tại các vị trí OH phenol

là C5, C7, C3’ và C4’ tạo ra các sản phẩm tương ứng là Aa, Ab, Ac và Ad Ngoài ra C3G có thể bị thủy phân để tạo thành B, và sau đó chuyển hóa thành C Các sản phẩm điên ly của C3G, có chứa các nhóm OH phenol, do đó cân bằng phân ly proton của các sản phẩm này cũng được khảo sát

Để thuận lợi trong việc trình bày, các chỉ số theo sau ký hiệu chữ cái chỉ vị trí của nhóm ‒OH bị deproton hóa Ví dụ, anion C−O9‒ có điện tích 1‒ được tạo thành do quá trình deproton hóa của chất C tại nhóm ‒OH gắn trên carbon số 9; còn anion C−O9O52‒ có điện tích 2‒, được tạo thành do sự deproton hóa của anion C−O9‒ tại nhóm ‒OH gắn trên carbon số 5

Hình học tối ưu hóa của các chất trong Hình 3.2 được trình bày trên Hình 3.3 Tọa độ oxyz ứng với hình học tối ưu của tất cả các chất được liệt kê trong phần Phụ lục

Hình 3.3 Hình học tối ưu hóa của C3G và các sản phẩm điện li

Nghiên cứu đã khảo sát 28 cân bằng điện ly của C3G và các sản phẩm điện ly của nó (Bảng 3.1) Mối liên hệ giữa biến thiên năng lượng Gibbs phản ứng (∆𝐺𝑎𝑞0 ) và hằng số cân bằng (𝐾𝑒𝑞) được trình bày bên dưới

Cân bằng: AH + (aq) + H 2 O(aq) ⇌ B(aq) + H + (𝒂𝒒)

∆𝐺𝑎𝑞0 = −𝑅𝑇 ln [𝐻+][𝐵]

[𝐴𝐻+][𝐻2𝑂] (3.1) Hằng số cân bằng được định nghĩa theo IUPAC:

log 𝐾𝑒𝑞 = − ∆𝐺𝑎𝑞

0

𝑅𝑇 ln(10)+ log[𝐻2𝑂] (3.4)

∆𝐺𝑎𝑞 = −𝑅𝑇 ln

[𝐵] (3.7) Hằng số cân bằng được định nghĩa theo IUPAC:

𝐾𝑒𝑞 =[𝐶]

[𝐵] (3.8)

Do đó,

∆𝐺𝑎𝑞0 = −𝑅𝑇 ln 𝐾𝑒𝑞 (3.9) Phương trình có thể được viết lại,

log 𝐾𝑒𝑞 = ∆𝐺𝑎𝑞

0

𝑅𝑇 ln(10) (3.10) Cuối cùng,

𝐾𝑎 =[𝐴−][𝐻+]

[𝐴𝐻] (3.14)

Do đó,

∆𝐺𝑎𝑞0 = −𝑅𝑇 ln 𝐾𝑎 (3.15) Phương trình có thể được viết lại,

log 𝐾𝑎 = ∆𝐺𝑎𝑞

0

𝑅𝑇 ln(10) (3.16) Cuối cùng,