NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HÓA CỦA CURCUMIN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ (DFT)

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MƠN HĨA HỌC HUỲNH DUY THIỆN NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HĨA CỦA CURCUMIN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ (DFT) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CỬ NHÂN HÓA HỌC Cần Thơ, 2017 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN HĨA HỌC *** HUỲNH DUY THIỆN NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HÓA CỦA CURCUMIN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ (DFT) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH HÓA HỌC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TS PHẠM VŨ NHẬT Cần Thơ, 2017 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MƠN HĨA HỌC -*** Năm học 2016-2017 ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HĨA CỦA CURCUMIN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ (DFT) -Cần Thơ, ngày tháng năm 2017 Huỳnh Duy Thiện Luận văn tốt nghiệp đại học Chuyên ngành: Hóa Học Mã số: KH1369A2 Đã bảo vệ đƣợc duyệt Trƣởng khoa…………………………… Trƣởng chuyên ngành Cán hƣớng dẫn TS Phạm Vũ Nhật TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MƠN HĨA HỌC CƠNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN Cán hƣớng dẫn: TS Phạm Vũ Nhật Đề tài: “Nghiên cứu hoạt tính kháng oxy hóa Curcumin dựa lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT)” Sinh viên thực hiện: Huỳnh Duy Thiện MSSV : B1304106 Lớp: Cử Nhân Hóa Học Khóa: 39 Nội dung nhận xét a Nhận xét hình thức luận văn tốt nghiệp: b Nhận xét nội dung luận văn tốt nghiệp: c Kết luận, đề nghị điểm: Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2017 TS Phạm Vũ Nhật TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MƠN HĨA HỌC CƠNG HỊA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Cán phản biện: Đề tài: “Nghiên cứu hoạt tính kháng oxy hóa Curcumin dựa lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT)” Sinh viên thực hiện: Huỳnh Duy Thiện MSSV: B1304106 Lớp: Cử Nhân Hóa Học Khóa: 39 Nội dung nhận xét a Nhận xét hình thức luận văn tốt nghiệp: b Nhận xét nội dung luận văn tốt nghiệp: c Kết luận, đề nghị điểm: Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2017 LỜI CẢM ƠN Trên thực tế, khơng có thành cơng mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp ngƣời khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập trƣờng đến nay, nhận đƣợc nhiều quan tâm, giúp đỡ q Thầy Cơ, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban giám hiệu Nhà trƣờng, cán giảng viên, nhân viên tạo điều kiện tốt để học tập, nghiên cứu suốt thời gian học tập trƣờng Đại học Cần Thơ Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô thuộc Khoa Khoa học Tự nhiên dung hết tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức kinh nhiệm quý báu cho tôi, hành trang cho tơi suốt chặng đƣờng dài phía trƣớc Và đặc biệt, tơi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Phạm Vũ Nhật tận tình hƣớng dẫn tơi suốt q trình làm luận văn Cảm ơn bạn Nguyễn Thanh Sĩ – cử nhân Hóa K39 hỗ trợ để tơi hồn thành luận văn Tuy cố gắng để tìm tòi, nghiên cứu học hỏi để hoàn thành luận văn nhƣng vốn kiến thức hạn chế nhƣ chƣa có nhiều kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q Thầy Cơ bạn để kiến thức lĩnh vực đƣợc hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2017 Huỳnh Duy Thiện i TĨM TẮT Curcumin hợp chất hóa học có màu vàng, thuộc nhóm phenolic, đƣợc tìm thấy nhiều củ nghệ (Curcuma longa) Curcumin có nhiều ứng dụng đời sống, đặc biệt ngành dƣợc thực phẩm Các nghiên cứu thực nghiệm chứng minh curcumin có nhiều hoạt tính sinh học hữu ích nhƣ kháng oxy hóa, chống ung thƣ, Mặc dù có nhiều nghiên cứu hoạt tính kháng oxy hóa curcumin đƣợc cơng bố song chế kháng oxy hóa nhƣ khả kháng oxy hóa hợp chất chƣa rõ ràng Ngày nay, với tiến khoa học nói chung học lƣợng tử nói riêng, ngƣời giải thích nhiều tƣợng vật lí, sinh học hóa học thơng qua tính tốn mơ máy vi tính nhƣ dự đoán nhiều tƣợng khoa học khác Bằng cách áp dụng lí thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), nghiên cứu thực khảo sát chế kháng oxy hóa curcumin qua xác định chế q trình kháng oxy hóa hợp chất Bên cạnh đó, ảnh hƣởng dung mơi lên hoạt tính kháng oxy hóa curcumin đƣợc khảo sát Các kết thu đƣợc nghiên cứu giải thích cho luận đề sở cho nhiều nghiên cứu sau ii ABSTRACT Curcumin is a yellow phenolic compound which was found in turmeric Curcumin has a wide variety of applications and is widely used in medicine and food Experimental studies have shown that curcumin has a lot of useful biological activities such as antioxidant, anti-cancer, etc Although many studies on the antioxidant activity of curcumin have been reported, the antioxidant mechanism and the antioxidant capacity of this compound is still unclear Today, with the development of science in general or particularly in the quantum mechanics, we have been able to explain and predict many physical, biological and chemical phenomena by computational calculations on computers By applying density functional theory (DFT), this study will investigate the antioxidant mechanisms of curcumin by identifying the main mechanism of its antioxidant activity In addition, the effect of solvent on the antioxidant activity of curcumin will be researched The results obtained in this thesis will explain the above-mentioned and also serve as a basis for many subsequent studies iii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân thực Tất liệu số liệu sử dụng nội dung luận văn đƣợc tham khảo nhiều nguồn tài liệu khác đƣợc ghi nhận từ kết tính tốn mà tơi tiến hành khảo sát suốt q trình nghiên cứu Tơi xin đảm bảo tồn tính trung thực liệu số liệu Huỳnh Duy Thiện iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I TÓM TẮT II ABSTRACT III LỜI CAM ĐOAN IV MỤC LỤC V DANH MỤC BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ VIII DANH MỤC HÌNH ẢNH IX CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Curcumin 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Cấu tạo tính chất 1.1.3 Ứng dụng đời sống 1.2 Lý thuyết gốc tự chất kháng oxy hóa 1.2.1 Gốc tự 1.2.2 Chất kháng oxy hóa 1.3 Cơ sở lý thuyết hóa học lƣợng tử 1.3.1 Thành phần nguyên tử 1.3.2 Phƣơng trình Schrodinger 1.3.3 Sự gần Thomas – Fermi 1.3.4 Lý thuyết phiếm hàm mật độ 11 1.3.5 Bộ hàm sở 15 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Giới thiệu phần mềm Gaussian 17 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 18 2.2.1 Tối ƣu hóa cấu trúc hình học 18 2.2.2 Tính tốn giá trị nhiệt động 18 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20 3.1 Độ bền hai dạng đồng phân Curcumin 20 3.2 Cơ chế chuyển nguyên tử Hydro (HAT) 21 3.3 Cơ chế chuyển electron – chuyển proton (SET-PT) 22 v với ̂ toán tử Kohn – Sham: ̂ ∑ ∫ ( ) ( ) Trong đó, ( ) tƣơng quan – trao đổi, đƣợc xác định cách lấy đạo hàm lƣợng tƣơng quan – trao đổi theo mật độ electron: Việc giải phƣơng trình Kohn – Sham đƣợc thực theo tƣơng tự nhƣ việc giải phƣơng trình Hartree – Fork Do đó, u cầu sức mạnh máy vi tính việc giải phƣơng trình Kohn – Sham giống với yêu cầu việc giải phƣơng trình Hartree – Fork Tƣơng ứng với phƣơng pháp tính RHF (Restricted Hartree – Fork), UHF (Unrestricted Hartree – Fork, ROHF (Restricted Open-shell Hartree – Fork) ta có phƣơng pháp tính RKS (Restricted Kohn – Sham), UKS (Unrestricted Kohn – Sham), ROKS (Restricted Open-shell Hartree – Fork) lí thuyết phiếm hàm mật độ Cũng cần lƣu ý phƣơng pháp UKS, nhiễu spin khơng quan trọng nhƣ phƣơng pháp UHF Năng lƣợng phân tử , ( )- xác lƣợng tƣơng , ( )- mật độ electron ( ) xác Tuy nhiên, quan – trao đổi khơng biết đƣợc hình thức phiếm hàm nên phải dùng phiếm , ( )- gần lƣợng phân tử gần hàm , ( )- có độ tin cậy cao nhƣ Thực tế, với xuất phiếm hàm BP86, BPW91, PBE, B3LYP, PBE0, M06, lời giải lƣợng lí thuyết phiếm hàm mật độ có đủ độ tin cậy để so sánh đƣợc với thông tin thu đƣợc từ thực nghiệm Điều góp phần làm cho lí thuyết phiếm hàm mật độ đƣợc áp dụng phổ biến cho nhiều đối tƣợng nghiên cứu có kích thƣớc khác Phân nửa giải thƣởng Nobel ngành Hóa học năm 1998 đƣợc trao cho Walter Kohn, ngƣời phát triển lí thuyết phiếm hàm mật độ, nói lên vai trò lí thuyết phiếm hàm mật độ ngành Hóa học tính tốn nói riêng ngành Hóa học nói chung 1.3.5 Bộ hàm sở Trong phép tính hóa học lƣợng tử, độ xác kết tính khơng phụ thuộc vào phƣơng pháp tính mà phụ thuộc vào chất lƣợng hàm sở Bộ hàm sở thƣờng đƣợc hiểu tập hợp hàm sở nguyên tử đƣợc sử dụng để triển khai orbital phân tử Về nguyên tắc, hàm sở phải đầy đủ, nghĩa hàm phải bao gồm vô số hàm sở, phép tính tốn hóa học lƣợng tử đạt đến độ xác vốn có phƣơng pháp tính Tuy nhiên, việc sử dụng hàm có vơ 15 số hàm sở không khả thi thực tế yêu cầu thời gian tính lớn Do đó, phép tính hóa học lƣợng tử, hàm bao gồm số lƣợng giới hạn hàm sở Và nhƣ vậy, hàm sở có kích thƣớc lớn, nghĩa có nhiều hàm sở phép tính hóa học lƣợng tử tiệm cận với độ xác phƣơng pháp tính Khi đó, phƣơng pháp tính có độ xác cao nhƣ MP2, CISD, CCSD, CCSD(T), CASCF, CASSCF, CASPT2, MRCI, phải thực với hàm sở có kích thƣớc lớn Trong phƣơng pháp tính có độ xác vừa phải nhƣ HF DFT thực đƣợc với hàm sở có kích thƣớc trung bình Hai loại hàm sở thƣờng đƣợc sử dụng để tạo nên hàm sở hàm Slater (STO hay Slater – Type Orbital): ( ) ( ) hàm Gauss (GTO hay Gauss – Type Orbital): ( ) ( ) Trong đó, thừa số chuẩn hóa, n số lƣợng tử chính, l số lƣợng tử phụ, số mũ orbital Hàm sở kiểu Slater mơ tả tốt hàm sóng kiểu ngun tử H nhƣng việc tính tích phân liên quan đến hàm sở thƣờng tiêu tốn nhiều thời gian Mặt khác, hàm sở Gauss mô tả orbital nguyên tử kiểu H xác hàm Slater nhƣng tích phân hàm Gauss thƣờng dễ tính tích phân hàm Slater Do đó, đa số hàm sở sử dụng hàm sở Gauss Hiện có nhiều hàm sở đƣợc xây dựng cho mục đích tính tốn khác chúng đƣợc thiết lập thành ngân hàng lƣu trữ website http://bse.pnl.gov/bse/portal dƣới nhiều hình thức tƣơng ứng với phần mềm hóa học tính tốn khác Tất hàm sở tải từ website 16 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu phần mềm Gaussian Gaussian gói phần mềm máy tính đƣợc lập trình dành riêng cho hóa học tính tốn đƣợc phát hành vào năm 1970 John Pople nhóm nghiên cứu ông Đại học Carnegie Mellon Tên gọi bắt nguồn từ việc Pople sử dụng orbital kiểu Gauss để tăng tốc độ tính tốn so với việc sử dụng orbital kiểu Slater, qua cải thiện đƣợc hiệu suất máy vi tính với phần cứng hạn chế thực đƣợc phép tính Hartree – Fock Ban đầu, Gaussian đƣợc giới thiệu Chƣơng trình trao đổi Hóa học lƣợng tử, sau đƣợc đăng ký giấy phép Đại học Carnegie Mellon, từ năm 1987 đƣợc phát triển Tập đoàn Gaussian Inc Gaussian nhanh chóng trở thành chƣơng trình tính tốn sử dụng cấu trúc điện tử đƣợc sử dụng phổ biến rộng rãi Giáo sƣ Pople cộng ông thúc đẩy phát triển phiên mở rộng, bao gồm nghiên cứu tiên tiến hóa học lƣợng tử lĩnh vực khác Tính đến thời điểm tại, phần mềm Gaussian phát triển phiên bản: Gaussian 70, Gaussian 76, Gaussian 80, Gaussian 82, Gaussian 86, Gaussian 88, Gaussian 90, Gaussian 92, Gaussian 92/DFT, Gaussian 94, Gaussian 98, Gaussian 03, Gaussian 09 Gaussian 16 Phần mềm Gaussian dự đốn đƣợc nhiều thuộc tính phân tử nhƣ phản ứng hóa học, bao gồm: • Cấu trúc lƣợng phân tử • Cấu trúc lƣợng trạng thái chuyển tiếp • Năng lƣợng liên kết lƣợng phản ứng hóa học • Biểu diễn orbital phân tử • Biểu diễn dao động phân tử • Các thuộc tính phổ Các tính tốn thực pha khí pha dung môi, thực trạng thái trạng thái kích thích Bao hàm gói chƣơng trình Gassian phần mềm GaussView Gaussview cho phép tạo phân tử theo yêu cầu sử dụng phần mềm Gaussian để thực tính tốn phân tử Sau Gaussian xử lí phép tính, kết đƣợc biểu diễn tập tin *.out *.log Các tập tin 17 xuất xem trực tiếp Gaussian phần mềm khác nhƣ Notepad hay ChemCraft Bài nghiên cứu sử dụng gói phần mềm: Gaussian 16, Gaussview 5.0 Chemcraft b186 64bit 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Tối ƣu hóa cấu trúc hình học Cấu trúc hình học lƣợng phân tử curcumin nhƣ cấu tử liên quan đƣợc tối ƣu hóa phiếm hàm lai hóa B3LYP, kết hợp với hàm sở 6-311++G(2d,2p) Sự ảnh hƣởng dung môi khác nhƣ benzene, DMSO nƣớc đƣợc khảo sát mức lý thuyết B3LYP/6311++G(2d,2p) Tần số dao động điều hòa (harmonic vibrational frequencies) đƣợc tính nhằm xác định dạng hình học tối ƣu tƣơng ứng với cực tiểu địa phƣơng (local minima) để hiệu chỉnh giá trị nhiệt động 2.2.2 Tính tốn giá trị nhiệt động Hoạt tính kháng oxy hóa phân tử curcumin đƣợc khảo sát qua ba chế (HAT, SETPT SPLET) cách tính so sánh tham số nhiệt động chế, qua so sánh để xác định chế chiếm ƣu Ngoài ra, để khảo sát ảnh hƣởng mơi trƣờng khả kháng oxy hóa curcumin, tham số số nhiệt động chế đƣợc khảo sát pha khí dung môi (benzene, DMSO nƣớc) Các giá trị nhiệt động trình đƣợc trình bày hình 2.2 Hình 2.2 Các giá trị nhiệt động q trình chế kháng oxy hóa hợp chất phenolic 18 Bảng 2.1 Hệ dung môi khảo sát Dung môi Benzene DMSO Nƣớc Hằng số điện môi (ε) 2,27 46,7 80,1 Các giá trị nhiệt động pha khí hệ dung mơi đƣợc tính theo cơng thức sau: BDE = H(ArO) + H(H ) - H(ArOH) IP = H(ArOH+) + H(e) - H(ArOH) PDE = H(ArO) + H(H+) - H(ArOH+) PA = H(ArO-) + H(H+) - H(ArOH) ETE = H(ArOH+) + H(e) - H(ArOH) Trong đó, lƣợng cấu tử (Phân tử gốc, cation gốc tự do, anion gốc tự do) đƣợc tính cơng thức: H(X) = EX + ZPE + EC với Eopt lƣợng tối ƣu cấu tử, ZPE (zeropoint energy) lƣợng dao động điểm không EC (enthalpy correction) hệ số hiệu chỉnh enthalpy Các giá trị enthalpy nguyên tử hydro H(H•), proton H(H+) electron H(e-) đƣợc tham khảo tài liệu.[4] 19 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Độ bền hai dạng đồng phân Curcumin Curcumin có cấu trúc độc đáo, bao gồm hai dạng đồng phân enol dạng β-diketone Cả hai dạng đƣợc tối ƣu hóa hình học mức B3LYP/6-311++G(2d,2p) Qua kết tính tốn, thấy dạng enol có cấu trúc liên hợp đồng phẳng cấu trúc dạng đồng phân βdiketone không phẳng Trong pha khảo sát, dạng enol ln có lƣợng thấp dạng β-diketone khoảng 17,8 kcal/mol, chứng tỏ dạng enol bền ổn định dạng β-diketonene Kết phù hợp với nhiều nghiên cứu thực nghiệm (20 kcal/mol) trƣớc đây[5] Sự khác nhỏ (~3 kcal/mol) sai số phép tính phƣơng pháp đo Cấu trúc gốc Gốc tự Cation Anion Hình 3.1 Cấu trúc phân tử curcumin dạng enol cấu tử liên quan tối ưu mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) 20 Cấu trúc gốc Gốc tự Cation Anion Hình 3.2 Cấu trúc phân tử curcumin dạng β-diketone cấu tử liên quan tối ưu mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) 3.2 Cơ chế chuyển nguyên tử Hydro (HAT) Trong chế HAT, lƣợng phân giải liên kết O – H đại lƣợng quan trọng để đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa độ bền liên kết O – H định khả tách nguyên tử H hợp chất phenolic Nguyên tử H đƣợc chuyển cho gốc tự nhƣ gốc hydroxyl, alkoxyl peroxyl hydroperoxyl để tạo thành phản ứng Bảng 3.3 liệt kê giá trị BDE hai dạng đồng phân curcumin đƣợc tính mức lý thuyết B3LYP/6311++G(2d,2p) pha khí dung môi Chú ý giá trị BDE đƣợc tính tốn sai khác so với giá trị thực nghiệm Điều ảnh hƣởng phép tính gần với phiếm hàm hàm sở song giá trị sai khác không đáng kể Bảng 3.1 Giá trị BDE theo kcal/mol hai dạng đồng phân curcumin pha tính mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) Khí (ε = 0) Dạng enol Dạng β-diketone 71,33 66,46 BDEO – H (kcal/mol) Benzene DMSO (ε = 2,27) (ε = 46,7) 73,06 75,08 73,54 76,30 Nƣớc (ε = 80,1) 73,55 76,68 Xét phân tử curcumin dạng enol, ta nhận thấy, giá trị BDE thấp pha khí tăng tuyến tính theo độ phân cực dung mơi Theo kết đó, khả phản ứng theo chế HAT giảm dần theo thứ tự: Pha khí > Benzene > DMSO > Nƣớc Tuy nhiên, phân tử curcumin dạng β-diketone lại không cho kết tƣơng tự Kết dạng đồng phân β-diketone cho 21 thấy, số lƣợng BDE thấp pha khí tăng dần theo giá trị số điện môi Điều chứng tỏ rằng, chế HAT đƣợc ƣu tiên pha khí So sánh hai giá trị BDE dạng đồng phân enol dạng đồng phân βdiketone thấy giá trị BDE dạng đồng phân enol cao so với dạng đồng phân phân β-diketone Điều nói lên rằng, khả kháng oxy hóa dạng đồng phân phân β-diketone cao so với dạng enol 3.3 Cơ chế chuyển electron – chuyển proton (SET-PT) Bƣớc chế đƣợc định ion hóa (IP) Trong chế này, electron đƣợc tách từ chất kháng oxy hóa chuyển sang gốc tự sinh gốc tự cation Với giá trị IP thấp hơn, khả tách điện tử cao Theo bảng 3.4, giá trị IP pha khí cao pha dung mơi Các giá trị IP thay đổi tuyến tính theo độ phân cực dung môi, dung môi phân cực (ε lớn) lƣợng ion hóa thấp; đó, q trình tách điện tử dễ dàng hay khả xảy phản ứng theo chế SET-PT dễ dàng Điều giải thích dung mơi phân cực, tách electron diễn dễ dàng lực tƣơng tác tĩnh điện cấu tử dung mơi cấu tử chất tan Ngồi ra, giá trị bảng 3.2 cho thấy, giá trị IP dạng enol thấp dạng β-diketone Bảng 3.2 Giá trị IP theo kcal/mol hai dạng đồng phân curcumin pha tính mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) Khí (ε = 0) Dạng enol Dạng β-diketone 154,63 166,24 IP (kcal/mol) Benzene DMSO (ε = 2.27) (ε = 46.7) 136,77 148,67 97,45 100,61 Nƣớc (ε = 80.1) 70,11 73,70 Bƣớc thứ hai chế SET-PT đƣợc mô tả phân ly proton liên kết O – H Kết tính tốn đƣợc trình bày bảng 3.3 Theo kết lƣợng tách proton hai dạng đồng phân curcumin không giống Ở dạng enol, giá trị PDE thấp pha khí tăng dần theo số điện môi Tuy nhiên dạng β-diketone, giá trị PDE cao pha khí thấp benzene Các giá trị PDE gần nhƣ chịu ảnh hƣởng dung mơi, giá trị biến thiên tƣơng đối nhỏ Tƣơng tự, nghiên cứu cần đƣợc tiến hành sâu để giải thích sai lệch kết PDE dạng βdiketone pha khí 22 Bảng 3.3 Giá trị PDE theo kcal/mol hai dạng đồng phân curcumin pha tính mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) Khí (ε = 0) Dạng enol Dạng β-diketone 232,69 216,21 PDE (kcal/mol) Benzene DMSO (ε = 2,27) (ε = 46,7) 35,40 25,53 4,32 3,91 Nƣớc (ε = 80,1) 3,46 3,00 3.4 Cơ chế proton – chuyển electron (SPLET) Một dạng chế chuyển điện tử khác có giai đoạn khởi phát proton đƣợc gọi chế SPLET Trong bƣớc thứ chế này, phân cắt dị ly nhóm hydroxyl nhóm phenolic tạo thành anion phenolat giải phóng proton Giá trị lƣợng phân ly proton (PA) sở để đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa chất kháng oxy hóa theo chế SPLET Kết tính tốn giá trị PA đƣợc trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4 Giá trị PA theo kcal/mol hai dạng đồng phân curcumin pha tính mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) Khí (ε = 0) Dạng enol Dạng β-diketone 319,20 313,65 PA (kcal/mol) Benzene DMSO (ε = 2,27) (ε = 46,7) 88,00 79,64 29,45 24,84 Nƣớc (ε = 80,1) 29,07 23,96 Từ kết tính tốn bảng 3.4 ta thấy, giá trị PA pha khí phân tử curcumin dạng enol cao dung mơi giảm tuyến tính với số điện môi dung môi So sánh giá trị PA đƣợc tính tốn pha khí pha dung mơi, kết luận dung mơi nƣớc ảnh hƣởng mạnh đến giá trị PA lƣợng solvate hóa proton cao Do đó, phân tử curcumin dạng enol phản ứng theo chế SPLET dễ dàng pha nƣớc Điều xảy tƣơng tự với phân tử curcumin dạng β-diketone Ở bƣớc thứ hai chế SPLET, điện tử anion phenolate tạo thành bƣớc đƣợc chuyển cho gốc tự Theo đó, lƣợng chuyển electron chi phối trình Các giá trị ETE đƣợc tính tốn trình bày bảng 3.5 23 Bảng 3.5 Giá trị ETE theo kcal/mol hai dạng đồng phân curcumin pha tính mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) Khí (ε = 0) Dạng enol Dạng β-diketone 68,12 81,35 ETE (kcal/mol) Benzene DMSO (ε = 2,27) (ε = 46,7) 84,18 94,56 72,32 79,68 Nƣớc (ε = 80,1) 44,50 52,74 Từ kết trên, thấy rằng, giá trị ETE tăng chuyển từ pha khí vào pha dung mơi, giảm theo chiều tăng số điện môi Nhƣ vậy, dung mơi nƣớc có tác dụng làm giảm giá trị ETE anion phenolat, điều có nghĩa trình chuyển electron nƣớc thuận lợi so với pha khí dung mơi khơng phân cực So sánh giá trị nhiệt động hai chế SET-PT SPLET thấy rằng, tổng hai giá trị IP PDE chế chuyển electron – chuyển proton tổng hai giá trị PA ETE chế proton – chuyển electron Điều hoàn toàn tuân theo nguyên lý nhiệt động học Thực tế, hai chế SET-PT SPLET hai đƣờng khác dạng chế tổng quát chế chuyển electron (SET) Kết phản ứng theo chế electron đƣợc chuyển từ chất kháng oxy hóa sang gốc tự để khử gốc tự 3.5 Cơ chế q trình kháng oxy hóa Curcumin Curcumin hợp chất thuộc nhóm phenolic có ba chế kháng oxy hóa nhƣ Ở chế HAT, giá trị BDE yếu tố định khả kháng oxy hóa Với chế SET-PT, giá trị lƣợng ion hóa giai đoạn đầu yếu tố chi phối chế Còn chế SPLET, giai đoạn chi phối phản ứng proton theo đó, giá trị PA định khả kháng oxy hóa chế So sánh đối chiếu giá trị lƣợng, nhận thấy rằng, giá trị BDE pha khí thấp so với giá trị IE PA, nhiên giá trị PA pha nƣớc lại thấp đáng kể so với giá trị BDE IE Vì kết luận rằng, chế HAT chiếm ƣu pha khí chế SPLET đƣợc ƣu tiên dung môi nƣớc mặt nhiệt động học 24 CHƢƠNG 4: TỔNG KẾT VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Nghiên cứu tiến hành khảo sát cấu trúc lƣợng cấu tử hóa học hình thành phản ứng kháng oxy hóa curcumin cách sử dụng chƣơng trình Gaussian 09 khuôn khổ lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT Phƣơng pháp B3LYP/6-311++G(2d,2p) đƣợc sử dụng để tính tốn lƣợng điểm đơn, giá trị lƣợng dao động điểm không giá trị hiệu chỉnh nhiệt động enthalpy pha khí nhƣ mơi trƣờng dung mơi (benzene, DMSO nƣớc) Các cấu trúc nghiên cứu đƣợc vẽ phần mềm GaussView 5.0.8 Phần mềm Chemcraft 1.8 đƣợc sử dụng để truy xuất kết quả, xuất tập tin hình ảnh giá trị lƣợng nhƣ giá trị hiệu chỉnh nhiệt động học Qua tính tốn lƣợng so sánh, nghiên cứu làm rõ chế kháng oxy hóa hai dạng đồng phân curcumin: - Làm rõ chế kháng oxy hóa hai dạng đồng phân curcumin, xác định rõ chế chiếm ƣu pha khí pha dung mơi… - Cho thấy đƣợc ảnh hƣởng dung môi đến giá trị nhiệt động hay nói ảnh hƣởng đến chế kháng oxy hóa hai dạng đồng phân curcumin 4.2 Kiến nghị Dựa kết tính tốn, nghiên cứu cần sâu hơn, phân tích rõ hoạt tính kháng oxy hóa curcumin theo định hƣớng nhƣ sau: - Khảo sát ảnh hƣởng loại dung môi khác đến chế nhƣ khả kháng oxy hóa curcumin nhƣ: dung mơi hữu phân cực khơng phân cực, dung mơi có proton khơng có proton, dung mơi hữu dung mơi vơ thơng thƣờng - So sánh hoạt tính kháng oxy hóa curcumin với số chất kháng oxy hóa chuẩn đối chiếu với kết thực nghiệm - Sử dụng nhiều phƣơng pháp tính tốn khác (PB86, PBE0, ) để qua đánh giá hiệu tính tốn phƣơng pháp dùng 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Romesh Borgohain a, Ankur Kanti Guha b, Sanjay Pratihar c, Jyotirekha G Handique, Antioxidant activity of some phenolic aldehydes and their diimine derivatives: A DFT study, 2015, 17-23 [2] D Kalita, Rahul K and Jyotirekha G Handique, A Theoretical Study on the Antioxidant Property of Gallic Acid and its derivatives, Journal of Theoretical and Computational Chemistry Vol 11, No 2, 2012, 391-402 [3] Romesh Borgohain, Jyotirekha G Handique, Ankur Kanti Guha, Sanjay Pratihar, A theoretical study on antioxidant activity of ferulic acid and its ester derivatives, Journal of Theoretical and Computational Chemistry Vol 15, No 4, 2016, 1650028 [4] Ján Rimarcˇík, Vladimír Lukeš, Erik Klein, Michal Ilcˇin, Study of the solvent effect on the enthalpies of homolytic and heterolytic N–H bond cleavage in p-phenylenediamine and tetracyano-p-phenylenediamine, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 952, 2010, 25-30 [5] Tsonko M Kolev, Evelina A Velcheva, Bistra A Stamboliyska, Michael Spiteller, DFT and Experimental Studies of theStructure and Vibrational Spectra of Curcumin, International Journal of Quantum Chemistry, Vol 102, 2005, 1069–1079 26 PHỤ LỤC A INPUT TỐI ƢU HÓA HÌNH HÌNH HỌC VÀ TÍNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG CỦA CẤU TRÚC MẪU %mem=5000MB %chk=opt-cur %nprocs=4 #n b3lyp/6-311++G(2d,2p) SCF(MaxCyc=300) opt=(noeigentest) freq scfcyc=500 C 7.060608000000 1.319127000000 -0.098056000000 C 6.123188000000 2.351781000000 -0.025538000000 C 4.761385000000 2.068594000000 -0.006619000000 C 4.295179000000 0.743654000000 -0.058700000000 C 5.254333000000 -0.289264000000 -0.114881000000 C 6.615059000000 -0.023126000000 -0.132754000000 H 6.467163000000 3.383496000000 0.004698000000 H 4.046035000000 2.883961000000 0.043546000000 H 4.955696000000 -1.331194000000 -0.153454000000 C 2.860120000000 0.502436000000 -0.043784000000 C 2.209523000000 -0.679268000000 -0.111115000000 H 2.227167000000 1.385983000000 0.029112000000 C 0.731222000000 -0.728055000000 -0.082065000000 H 2.743154000000 -1.622092000000 -0.191084000000 C 0.145228000000 -2.065718000000 -0.169084000000 H 0.824217000000 -2.910736000000 -0.250859000000 C -1.265709000000 -2.473479000000 -0.170748000000 C -2.340138000000 -1.470812000000 -0.057780000000 C -3.632211000000 -1.864234000000 -0.073482000000 H -2.034970000000 -0.435721000000 0.031836000000 H -3.811863000000 -2.933817000000 -0.173139000000 C -4.818489000000 -1.024551000000 0.024193000000 C -6.086514000000 -1.627609000000 -0.031300000000 C -4.762469000000 0.378109000000 0.164620000000 C -7.248671000000 -0.867445000000 0.057976000000 H -6.159828000000 -2.705374000000 -0.142722000000 C -5.912166000000 1.148152000000 0.255291000000 H -3.811770000000 0.897528000000 0.216532000000 C -7.177456000000 0.518676000000 0.209399000000 H -8.222684000000 -1.351187000000 0.021260000000 O 0.042898000000 0.303068000000 0.009408000000 O -1.491044000000 -3.692658000000 -0.272682000000 O 8.404160000000 1.539881000000 -0.147483000000 H 8.569042000000 2.492285000000 -0.132039000000 O 7.492734000000 -1.068460000000 -0.260102000000 O -5.794454000000 2.499626000000 0.462259000000 27 O -8.282394000000 H -9.071730000000 C 8.372768000000 H 7.802625000000 H 8.951335000000 H 9.049933000000 C -6.254251000000 H -7.328698000000 H -6.043247000000 H -5.710012000000 1.309684000000 0.752799000000 -1.293484000000 -1.481924000000 -2.183583000000 -0.449066000000 3.338214000000 3.222454000000 4.362921000000 3.123960000000 0.327374000000 0.294435000000 0.847222000000 1.765641000000 0.594099000000 1.002255000000 -0.602259000000 -0.771846000000 -0.290821000000 -1.530847000000 Ghi chú: Các cấu trúc tối ƣu với dung môi thêm từ khóa scrf=(solvent=[name of solvent]) Ví dụ: #n b3lyp/6-311++G(2d,2p) SCF(MaxCyc=300) opt=(noeigentest) scrf=(solvent=benzene) freq scfcyc=500 28 PHỤ LỤC B BẢNG TỔNG HỢP CÁC GIÁ TRỊ NĂNG LƢỢNG ĐƢỢC TỐI ƢU HÓA Ở MỨC LÝ THUYẾT B3LYP/6-311++G(2d,2p) VÀ CÁC GIÁ TRỊ NHIỆT ĐỘNG ĐƢỢC TÍNH TỐN CỦA ĐỒNG PHÂN CURCUMIN DẠNG ENOL (Đơn vị: Hartree) Phase ε Value R Dạng enol R• R⁺• RR Dạng βdiketone R• R⁺• R- Gas E ZPE Entanpy -1263.99 0.369997 0.396553 -1263.221993 -1263.35 0.356767 0.383242 -1262.608318 -1263.74 0.37027 0.396623 -1262.976777 -1263.45 0.355294 0.381646 -1262.715682 -1263.96 0.36785 0.395498 -1263.194649 -1263.33 0.355717 0.383072 -1262.588743 -1263.69 0.367922 0.395535 -1262.930928 -1263.43 0.354364 0.381508 -1262.697172 Benzene 2.27 E ZPE Entanpy -1264 0.369664 0.396258 -1263.230459 -1263.36 0.356521 0.383016 -1262.61646 -1263.78 0.36946 0.395075 -1263.011026 -1263.49 0.355514 0.380966 -1262.752075 -1263.97 0.36725 0.39496 -1263.20435 -1263.32 0.355233 0.382519 -1262.587133 -1263.73 0.367962 0.39546 -1262.965956 -1263.48 0.354778 0.38172 -1262.739285 29 DMSO 46.7 E ZPE Entanpy -1264.01 0.369168 0.395828 -1263.24223 -1263.37 0.356163 0.382709 -1262.626936 -1263.82 0.369024 0.395684 -1263.056143 -1263.51 0.355492 0.381765 -1262.772979 -1263.98 0.367267 0.394909 -1263.213535 -1263.33 0.354942 0.38225 -1262.593856 -1263.79 0.367878 0.395437 -1263.022403 -1263.49 0.354489 0.381524 -1262.75163 Water 80.1 E ZPE Entanpy -1264.02 0.369145 0.395801 -1263.255944 -1263.38 0.356158 0.382704 -1262.637216 -1263.82 0.369124 0.39575 -1263.05553 -1263.53 0.355466 0.381752 -1262.796818 -1263.37 0.36724 0.394893 -1262.609891 -1263.35 0.355002 0.382288 -1262.609891 -1263.79 0.367791 0.395381 -1263.027466 -1263.52 0.354483 0.381522 -1262.782629 ... lí thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), nghiên cứu thực khảo sát chế kháng oxy hóa curcumin qua xác định chế q trình kháng oxy hóa hợp chất Bên cạnh đó, ảnh hƣởng dung mơi lên hoạt tính kháng oxy hóa. .. curcumin có nhiều hoạt tính sinh học hữu ích nhƣ kháng oxy hóa, chống ung thƣ, Mặc dù có nhiều nghiên cứu hoạt tính kháng oxy hóa curcumin đƣợc cơng bố song chế kháng oxy hóa nhƣ khả kháng oxy. .. VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Cán phản biện: Đề tài: Nghiên cứu hoạt tính kháng oxy hóa Curcumin dựa lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT)