Mục tiêu của luận án là nghiên cứu khả năng chống oxy hóa của các hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê, vỏ măng cụt và một số dẫn xuất fullerene-polyphenol bằng phương pháp hóa tính toán. Thiết kế các hợp chất có khả năng chống oxy hóa từ dẫn xuất malonate có nguồn gốc từ cây sa kê và vỏ măng cụt trên nền fullerene thông qua phản ứng Bingel-Hirsch.
ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN MINH THƠNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HĨA CỦA MỘT SỐ POLYPHENOL VÀ DẪN XUẤT TRÊN NỀN FULLERENE (C60) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HĨA TÍNH TỐN Chun ngành: Hóa lý thuyết hóa lý Mã số: 62.44.01.19 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ HUẾ, NĂM 2016 Cơng trình hồn thành Khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Cẩm Nam PGS.TS Trần Dương Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Huế chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: MỞ ĐẦU Sự thối hóa tế bào ngun nhân gây nên bệnh tật thể người Bệnh ung thư có liên quan đến thối hóa tế bào, tế bào ác tính nói chung hoạt động tế bào bình thường việc tạo superoxide (các hợp chất chứa liên kết đơn O−O) Các bệnh tật kết tạo nhiều tác nhân phản ứng chứa oxy (Reactive Oxygen Species−ROS) hoạt động trao đổi chất tế bào, dẫn đến hư tổn tế bào bao gồm peroxy hóa lipid, hình thành sản phẩm cộng DNA, q trình oxy hóa protein, làm hoạt tính enzyme cuối dẫn đến chết tế bào Cơ thể động vật hay người thường lưu giữ hợp chất có tính chống oxy hóa cao gluthathione, vitamin E, vitamin C Khi hàm lượng chất chống oxy hóa thể giảm xuống làm tăng nguy hủy hoại tế bào Tuy nhiên, ảnh hưởng bất lợi ROS ngăn ngừa cách bổ sung chế độ ăn giàu thực phẩm có chứa chất chống oxy hóa (các loại đậu, rau trái tươi…) với tác dụng có lợi cho sức khỏe người Các chất chống oxy hóa tự nhiên hợp chất polyphenol có khả loại bỏ gốc tự do, ngăn chặn trình oxy hóa hiệu Trong tự nhiên, sa kê vỏ măng cụt biết đến nguồn hợp chất polyphenol dồi Vấn đề nghiên cứu thực nghiệm hoạt tính chống oxy hóa hợp chất chiết xuất từ sa kê vỏ măng cụt yêu cầu trải qua nhiều giai đoạn phức tạp: Sàn lọc từ hợp chất tự nhiên, phân lập, xác định cấu trúc, thử nghiệm hoạt tính sinh học đòi hỏi khối lượng cơng việc lớn Thực tế cho thấy giới xu hướng kết hợp nghiên cứu nhóm tính toán lý thuyết thực nghiệm phát triển mạnh mẽ Các tính tốn lý thuyết cung cấp thông tin tảng thông số cấu trúc, lượng số tính chất quan trọng khác góp phần định hướng làm thực nghiệm ngược lại kết thực nghiệm làm sáng tỏ chứng minh tính đắn tính tốn lý thuyết Do đó, việc bố trí nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu hóa tính tốn đan xen cách hợp lý giúp giảm thiểu khối lượng thực nghiệm kết thu được lý giải cách logic khoa học Mặc dù, kết thực nghiệm hoạt tính sinh học hợp chất chiết xuất từ sa kê vỏ măng cụt báo cáo, việc mô đánh giá khả chống oxy hóa hóa học tính tốn bước mới, chưa có nghiên cứu lý thuyết phân tích khả chống oxy hóa hợp chất xác định chế phản ứng dập tắt gốc tự Ngồi hợp chất polyphenol gần nhiều nghiên cứu chứng minh fullerene (C60) phản ứng với gốc tự hoạt động chất dập tắt gốc tự hiệu Điều thử nghiệm in vitro in vivo Hiệu chống oxy hóa chúng chứng tỏ cao so với vitamin E việc ngăn cản oxy hóa lipid tác nhân superoxide gốc tự hydroxyl Tuy nhiên, việc ứng dụng fullerene lĩnh vực làm chất chống oxy hóa hạn chế đóng vai trò lồng thu nhận gốc tự có trung tâm phản ứng nguyên tử carbon chất chống oxy hóa xảy theo chế ngắt mạch Do vậy, fullerene khơng có hiệu việc dập tắt phản ứng gốc tự peroxyl giai đoạn phát triển mạch phản ứng dây chuyền Để cải thiện điều này, số phương pháp chức hóa fullerene đề xuất tạo loạt dẫn xuất C60 với tính chất vật lý hóa học khác Cho đến có nhiều chất sử dụng làm chất chống oxy hóa nhiều lĩnh vực khác Một vấn đề quan tâm tạo chất chống oxy hóa hiệu cao không độc hại đến môi trường người để sử dụng y học, thực phẩm, dược phẩm… Một cách tốt để lợi dụng cấu trúc độc đáo fullerene dùng để làm cho phân tử thuốc đính tử vào Trong năm qua, số lượng lớn nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào tính chất chống oxy hóa dẫn xuất fullerene-polyphenol Tuy nhiên, nghiên cứu lý thuyết có tính hệ thống mối quan hệ đặc điểm cấu trúc khả chống oxy hóa dẫn xuất fullerene-polyphenol, nghiên cứu định hướng để thiết kế hỗ trợ cho trình bán tổng hợp phân tử có hoạt tính sinh học cao so với hợp chất tự nhiên chưa thực Với lý nêu trên, chọn đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu cấu trúc, khả chống oxy hóa số polyphenol dẫn xuất fullerene (C60) phương pháp hóa tính tốn“ Mục tiêu luận án: - Nghiên cứu khả chống oxy hóa hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ sa kê, vỏ măng cụt số dẫn xuất fullerenepolyphenol phương pháp hóa tính tốn - Thiết kế hợp chất có khả chống oxy hóa từ dẫn xuất malonate có nguồn gốc từ sa kê vỏ măng cụt fullerene thông qua phản ứng Bingel-Hirsch Ý nghĩa khoa học luận án: Triển khai hướng nghiên cứu mới, phù hợp với xu chung giới điều kiện Việt Nam: Tìm kiếm chất chống oxy hóa xanh thân thiện mơi trường Bên cạnh đó, luận án có vai trò đóng góp vào việc khẳng định khả tổng hợp chất chống oxy hóa fullerene đáp ứng yêu cầu nghiên cứu hướng tới việc ứng dụng nước Những đóng góp luận án: - Đã tiến hành nghiên cứu cách có hệ thống khả chống oxy hóa số hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ sa kê vỏ măng cụt thông qua chế HAT, SET−PT SPLET Trong đó, hợp chất S12, M10 M11 xem chất chống oxy hóa tiềm với giá trị BDE(O−H) pha khí 77,3; 82,3; 82,8 kcal/mol - Đã làm rõ chế phản ứng Bingel − Hirsch ion âm dimethyl bromomalonate fullerene (C60) Trong bốn đường phản ứng đường phản ứng qua trạng thái chuyển tiếp TS(6,6)-1 để hình thành sản phẩm vị trí liên kết (6,6) thuận lợi mặt nhiệt động, điều phù hợp với kết thực nghiệm - Đã thiết kế hợp chất chống oxy từ số dẫn xuất malonate altilisin J mangostin fullerene phương pháp hóa tính tốn Các hợp dẫn xuất fullerene có khả chống oxy hóa cao so với hợp chất ban đầu, đánh giá thông qua thông số đặc trưng như: BDE, IE EA CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU Phần tổng quan giới thiệu hợp chất polyphenol, chế chống oxy hóa hợp chất polyphenol, hợp chất chất fullerene hóa học tính toán ứng dụng nghiên cứu hợp chất polyphenol dẫn xuất fullerene CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 2.2.1 Cơ sở phương pháp tính tốn hóa lượng tử 2.2.2 Phương pháp bán thực nghiệm (semi-empirical methods) 2.2.3 Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT methods) 2.2.4 Phương pháp ONIOM 2.3 CÁC PHẦN MỀM TÍNH TỐN 2.3.1 Phần mềm Gaussian 09W 2.3.2 Phần mềm Gaussview 2.4 HĨA HỌC TÍNH TỐN ỨNG DỤNG CHO NGHIÊN CỨU CÁC HỢP CHẤT POLYPHENOL VÀ DẪN XUẤT FULLERENE 2.4.1 Tối ưu hóa cấu trúc (geometry optimization) 2.4.2 Xác định trạng thái chuyển tiếp tính hàng rào lượng 2.4.3 Năng lượng điểm đơn (single point energy) 2.4.4 Các đại lượng nhiệt động xác định khả chống oxy hóa hợp chất polyphenol 2.4.5 Mơ hình hóa hệ phân tử dung môi CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP TÍNH NĂNG LƯỢNG PHÂN LY LIÊN KẾT O−H 3.1.1 Cách chọn mơ hình ONIOM lớp Trong Hình 3.1, chúng tơi mơ tả cách chọn lớp mơ hình ONIOM Trong đó, phân tử 3A 3B 1A chia thành lớp: nguyên tử vị trí phân ly liên kết chọn làm lớp cao, B B B nguyên tử phần lại chọn 5B 5C 5A làm lớp thấp Tương ứng với lớp cao B tính phương pháp (RO)B3LYP/6B B 311++ G(2df,2p), lớp thấp Full 5D 7A tính phương pháp PM6 O H OH OH B B B OH OH OH High Layer OH OH OH Low Layer Hình 3.1 Cách chọn mơ hình ONIOM lớp 3.1.2 Áp dụng cho dẫn xuất phenol Các kết tính tốn Hình 3.2 giá trị BDE(O−H) sử dụng mơ hình 1A có độ xác cao gần với giá trị thực nghiệm Vì vậy, chúng tơi chọn mơ hình 1A phương pháp ONIOM (ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) cho nghiên cứu BDE(O-H) Hình 3.2 So sánh giá trị BDE(O-H) dẫn xuất phenol tính mơ hình ONIOM với liệu thực nghiệm Tuy nhiên, độ tin cậy mơ hình 1A cần kiểm tra thêm phân tử có kích thước lớn ubiquinol-2, ubiquinol6 ubiquinol-10 (trong ubiquinol-10 chất oxy hóa mạnh) Kết tính BDE(O−H) ubiquinol trình bày Bảng 3.2 cho thấy giá trị BDE(O−H) tính tốn lý thuyết có tương đồng tốt so với giá trị thực nghiệm với độ lệch ±1 kcal/mol Bảng 3.2 Giá trị BDE(O−H) ubiquinol (kcal/mol) BDE Giá trị thực BDE (O–H) nghiệma (O–H)b 81,9 82,3 -0,4 Ubiquinol-2 81,9 82,3 -0,4 Ubiquinol-6 77,8 78,5 -0,7 Ubiquinol-10 a Tham khảo từ tài liệu [71] b BDE(O–H) = BDE(O–H)ONIOM 1A – BDE(O–H)thực nghiệm Phân tử Trong Hình 3.4, loạt flavonoid bao gồm chalcone, flavone flavanone dùng để tính BDE(O-H) với cách chọn mơ hình ONIOM lớp mơ tả Hình 3.1, mơ hình "full" có nghĩa tất nguyên tử phân tử flavonoid 3.1.3.Áp dụng cho hợp chất flavonoid 5' 6' A 4' B 1' 3' 2'-hydroxylchalcone: 2' - OH 3'-hydroxylchalcone: 3' - OH 4'-hydroxylchalcone: 4' - OH 2' O 3' 2' A 5' O 4' B C 6' Apigenin: 5,7,4' - OH Kaempf erol: 3,5,7,4' - OH Quercetin: 3,5,7,3',4' - OH 3' O 2' A 1' O C 4' B 5' Naringenin: 5,7,4' - OH 6' O Hình 3.4 Các hợp chất flavonoid dùng để khảo sát mơ hình ONIOM thuộc lớp cao có khơng có ngun tử lớp thấp Trong trường hợp này, phương pháp B3LYP/6-311++G(2df,2p)// PM6 áp dụng cho tất dạng phân tử trung hòa dạng gốc tự Độ lệch tuyệt đối giá trị BDE(O−H) sử dụng mơ hình 1A so với liệu tính mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6 khoảng 1,0 kcal/mol (số liệu ngoặc đơn Bảng 3.4) Bảng 3.4 BDE(O−H) hợp chất flavonoid Hình 3.4 (kcal/mol) Hợp chất Vị trí O−H 2’-hydroxyl chacone 2’−OH 3’-hydroxyl chacone 3’−OH 4’-hydroxyl chacone 4’−OH Apigenin 4’−OH Kaempferol 4’−OH Quercetin 3’−OH Quercetin 4’−OH Giá trị BDE(O−H) tính phương pháp ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) Mơ Mơ Pha khí Pha khí hình hình 5B 81,8(−3,6) 1A 85,6(+0,2) 3A 81,4(−4,0) 5C 77,1(−8,3) 3B 82,7(−2,7) 5D 78,2(−7,2) 5A 81,0(−4,4) 7A 86,6(+1,2) 5B 83,5(−5,3) 1A 87,9(−0,9) 3A 85,0(−3,8) 5C 80,5(−8,3) 3B 83,8(−5,0) 5D 83,0 (−5,8) 5A 84,3(−4,5) 7A 88,9(+0,1) 5B 81,7(−3,2) 1A 85,9(−1,0) 3A 83,2(−1,7) 5C 78,7(−6,2) 3B 81,9(−3,0) 5D 77,5(−7,4) 5A 82,4(−2,5) 7A 87,2(+2,3) 5B 85,1(−2,1) 1A 89,4(+2,2) 3A 86,6(−0,6) 5C 82,0(−5,2) 3B 85,4(−1,8) 5D 80,77(−6,3) 5A 85,9(−1,3) 7A 90,4(−3,2) 5B 81,6(−2,1) 1A 85,0(+1,3) 3A 81,2(−2,5) 5C 76,7(−7,0) 3B 82,3(−1,4) 5D 77,9(−5,8) 5A 80,9(−2,8) 7A 86,4(+2,7) 5B 75,5(−4,6) 1A 80,5(+0,4) 3A 75,7(−4,4) 5C 70,3 (−9,8) 3B 78,6(−1,5) 5D 74,6 (−5,5) 5A 73,1(−7,0) 7A 79,4 (−0,7) 1A 3A 3B 5A 78,4(+0,9) 75,0(−2,5) 73,4(−4,1) 72,1(−5,4) 5B 5C 5D 7A 70,8(−6,7) 70,5(−7,0) 73,4 (−4,1) 77,2(−0,3) BDE(O−H) 85,4a; 83,1 [130] 88,8a; 86,2 [130] 84,9a; 81,9 [130]; 83,9 [52]; 81,1 [132] 87,2a; 88,8 [65]; 82,2 [62, 120] ; 84,37 [104] 83,7a; 86,5 [65]; 80,94 [60]; 80,78 [120] 80,1a ; 81,8 [65]; 75,53 [120]; 73,61 [117]; 81,50 [80]; 74,81 [61]; 72,42 [27]; 80,3 [34] 77,5a; 78,7 [65]; 72,90 [120]; 70,98 [117]; 76,72 [80]; 72,18 [61]; 70,03 [27]; 77,6 [34] 4’−OH 5B 1A 89,0(+1,1) 85,6(2,3) 3A 5C 85,2(2,7) 80,7(7,2) 87,9a; 92,73 [44] 3B 5D 86,1(1,8) 81,8(6,1) 5A 7A 90,1(+2,2) 84,8(3,1) a Giá trị BDE tính mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6 Ghi chú: Các giá trị dấu ngoặc khác giá trị BDE(OH) tính phương pháp ONIOM phương pháp B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6 Naringenin 3.1.4 Nhận xét Qua kết tính tốn trên, chúng tơi kết luận sử dụng phương pháp ONIOM với mơ hình 1A lựa chọn tốt cho tính BDE(O−H) dẫn xuất phenol hợp chất flavonoid có độ xác cao, thời gian tính tốn nhanh tiết kiệm tài ngun máy tính Do đó, chúng tơi sử dụng phương pháp để tính BDE(O−H) hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ sa kê, vỏ măng cụt hợp chất flavonoid phần nghiên cứu 3.2 KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP TÍNH NĂNG LƯỢNG ION HĨA 3.2.1 Giới thiệu 3.2.2 Đánh giá tính xác phương pháp tính IE mức lý thuyết PM6 Các giá trị IE tính tốn Bảng 3.5 phương pháp PM6 dự đốn tốt giá trị IE adiabatic với độ lệch trung bình 0,091 eV so với giá trị thực nghiệm (trừ trường hợp BHT 2,4,6trimethyl phenol khơng có sẵn giá trị IE adiabatic thực nghiệm) Bảng 3.5 Giá trị lượng ion hóa (eV) tính phương pháp PM6 dẫn xuất phenol giá trị thực nghiệm IE IEb PM6 Thực nghiệma Phenol 8,38(8,61) 0,11(0,09) 8,490,02(8,70) 1,4-Benzenediol 8,00(8,28) -0,06(0,16) 7,940,01(8,44) 8,29(8,56) 8,20 (8,63) -0,09(0,07) 1,3-Benzenediol 8,10(8,44) 8,15(8,56) 0,05(0,12) 1,2-Benzenediol 7,39(7,74) N/A(7,80) N/A(0,06) BHT 2-Methyl phenol 8,17(8,46) -0,03(0,00) 8,14(8,460,06) 9,02(9,43) 9,1(9,29) 0,08(-0,14) 2-Nitro phenol 7,84(8,17) 8,0(8,18) 0,16(0,01) 2,4-Dimethyl phenol N/A(8,0) N/A(0,02) 2,4,6-Trimethyl phenol 7,64(7,98) 2,6-Diclo phenol 8,60(8,84) 0,06(N/A) 8,650,02(N/A) 2,6-Dimethyl phenol 7,95(8,25) 0,1(0,01) 8,050.02(8,26) Methyl phenol 8,26(8,57) 0,03(N/A) 8,290,02(N/A) 7,93(8,24) 8,09(N/A) 0,16(N/A) 3,4-Dimethyl phenol 9,26(9,57) 9,1(9,38) -0,16(-0,19) 4-Nitro phenol Ghi chú: Giá trị dấu ngoặc giá trị IE vertical a Giá trị thực nghiệm tham khảo từ NIST Chemistry web book, số 69, http://webbook.nist.gov/chemistry/ b IE = IEthực nghiệm – IEPM6 Hợp chất Đối với giá trị IE vertical, có vài hợp chất khơng có sẵn giá trị thực nghiệm, kết Bảng 3.5 cho thấy độ lệch giá trị tính toán thực nghiệm lớn 0,19 eV Điều cho thấy giá trị IE tính mức lý thuyết PM6 cho kết gần với giá trị thực nghiệm 3.2.3 Nhận xét Từ kết Bảng 3.5 chúng tơi kết luận phương pháp PM6 phương pháp thích hợp để tính lượng ion hóa Ưu điểm phương pháp thời gian tính tốn nhanh, phù hợp cho nghiên cứu hợp chất có số lượng nguyên tử lớn dẫn xuất fullerene đồng thời đảm bảo độ xác cao Vì vậy, chúng tơi áp dụng phương pháp PM6 cho nghiên cứu lượng ion hóa hợp chất phenolic phần 3.3 KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤT POLYPHENOL CÓ NGUỒN GỐC TỪ CÂY SA KÊ (ARTOCARPUS ALTILIS) 3.3.1 Lựa chọn số hợp chất polyphenol có chứa sa kê Cấu trúc 12 hợp chất có nguồn gốc từ sa kê trình bày Hình 3.6 3.3.2.Cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT) - Năng lượng phân ly liên kết (BDE) 3.3.2.1 Xác định vị trí liên kết O-H dễ phân ly Trong hợp chất S12 OH vị trí số có giá trị BDE(O−H) thấp 65,0 kcal/mol Giá trị BDE(O−H) vị trí số vòng B hợp chất S3 S9 có giá trị thấp 68,9 kcal/mol 68,4 kcal/mol Còn Hình 3.6 Cấu trúc 12 hợp chất hợp chất S1, S2, S4, S5, nghiên cứu có nguồn gốc từ sa kê S6, S7 S8 giá trị BDE(O−H) vị trí số thấp vị trí lại, giá trị BDE lần luợt theo thứ tự là: 70,7; 71,2; 71,8; 70,6; 67,7; 66,7 70,4 kcal/mol Tương tự hợp chất S10 S11, giá trị BDE(O−H) thấp vị trí số 66,8 69,2 kcal/mol 3.3.2.2.BDE(O-H) 12 hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ sa kê ảnh hưởng dung môi Dựa vào kết BDE(O−H) Bảng 3.7 cho thấy khả cho nguyên tử hydro hợp chất polyphenol theo thứ tự sau: S12 > S9 ≈ S7 > S10 ≈ S6 > S3 > S11 > S1 > S8 > S5 > S2 > S4 Hơn nữa, số nhóm hydroxyl polyphenol vị trí khác nhóm hydroxyl vị trí số hợp chất S12 có giá trị BDE thấp với giá trị 77,3; 79,0 78,3 kcal/mol tương ứng với pha khí, dung mơi methanol nước Bảng 3.7 cho thấy giá trị BDE nhóm O−H tất hợp chất polyphenol nhỏ giá trị BDE(O−H) phenol tính mức lý thuyết Điều chứng tỏ hầu hết hợp chất polyphenol có khả cho nguyên tử hydro mạnh so với 1' C H B OH O 3'' 2' 4' B C 2'' O 2' 1' A C 3'' S4 A 4' OH S7 5'' O 3'' OH O HO 6 OCH3 A S10 O HO B OH O O O O1 OH B S11 A OH S9 OH B OH O1 A OH B OH 1' HO S8 O2 HO A 4' B C HO 1'' 7'' 6'' B OH OH O 2' 1' HO OH S6 S5 OH O 2' OH OH B' 1' B 2' O HO O 1' HO 2' A A' 4' OH O OH 3'' O HO 4' 1' HO O O A 4' B 1'' OH HO 1'' OH OH 2' 1' S3 OH O HO HO HO S2 OH O A B OH S1 4' H HO O C A 4' B 1'' 4' OH O 2' A 1' OH O 2' OH O 2' A 1' 4' HO OH S12 values in water is quite different: M1