Luận án tiến sĩ nghiên cứu và thiết kế các hợp chất vòng thơm chứa nitrogen có khả năng chống oxy hóa

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết nghiên cứu kết luận Luận án trung thực, đƣợc đồng tác giả cho phép sử dụng chƣa cơng bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu đƣợc trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả Phạm Thị Thu Thảo i LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Phạm Cẩm Nam PGS TS Trần Thúc Bình ngƣời Thầy tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi, dành nhiều thời gian cơng sức hƣớng dẫn cho tơi hồn thành Luận án Tôi xin chân thành cám ơn quý thầy giáo, giáo Khoa Hóa học Phịng Đào tạo sau đại học - Trƣờng Đại học Khoa học, Đại học Huế tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập, nghiên cứu thực Luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Sở Giáo dục Đào tạo tỉnh Quảng Trị, lãnh đạo chuyên viên phòng thuộc sở; Ban Giám hiệu, q thầy giáo tổ Hóa học đồng nghiệp trƣờng Trung học Phổ thông Chuyên Lê Quý Đôn Quảng Trị giúp đỡ, hỗ trợ, tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt nhiệm vụ thời gian vừa học tập vừa công tác Tôi xin gửi lời cám ơn đến anh chị nhóm nghiên cứu dành thời gian thảo luận khoa học nhƣ đóng góp ý kiến quý báu cho tơi hồn thành Luận án Lời cuối cùng, tơi xin gửi lời cám ơn yêu thƣơng đến gia đình, nơi đƣợc sẻ chia, động viên hỗ trợ tối đa mặt tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu này./ Thành phố Huế, tháng 11 năm 2020 Tác giả Phạm Thị Thu Thảo ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HỢP CHẤT VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN viii DANH MỤC CÁC BẢNG .ix DANH MỤC CÁC HÌNH xi MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT CHỐNG OXY HÓA 1.1.1 Gốc tự do, oxy hóa chất chống oxy hóa 1.1.2 Vai trị chất chống oxy hóa 1.2 TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT VỊNG THƠM CHỨA NITROGEN CĨ TÁC DỤNG CHỐNG OXY HĨA 1.2.1 Các chất chống oxy hóa họ amine thơm đặc trƣng 1.2.2 Các hệ chất họ amine thơm đƣợc nghiên cứu Luận án 1.2.3 Các hợp chất dị vòng thơm đƣợc định hƣớng thiết kế Luận án .14 1.3 CƠ CHẾ CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤT HỌ AMINE THƠM 17 1.3.1 Cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen (Hydrogen Atom Transfer - HAT) 17 1.3.2 Cơ chế chuyển electron - chuyển proton (Single Electron Transfer Proton Transfer (SET-PT)) .17 1.3.3 Cơ chế proton, chuyển electron (Sequential Proton Loss Electron Transfer - SPLET) 18 1.3.4 Cơ chế chuyển proton, chuyển electron phản ứng 19 1.4 PHƢƠNG TRÌNH HAMMETT .20 1.4.1 Hằng số Hammett .20 1.4.2 Hằng số Hammett biến đổi .21 1.5 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG HĨA HỌC TÍNH TỐN TRONG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA HỢP CHẤT AMINE THƠM 22 iii 1.5.1 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 22 1.5.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc ngồi 22 CHƢƠNG NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 24 2.2 TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH 24 2.2.1 Cơ sở phƣơng pháp tính tốn hóa lƣợng tử - phƣơng trình Schrưdinger 24 2.2.2 Bộ hàm cở 26 2.2.3 Cấu hình electron trạng thái hệ .29 2.2.4 Phƣơng pháp lí thuyết phiếm hàm mật độ .29 2.2.5 Phƣơng pháp ONIOM 31 2.3 CÁC PHẦN MỀM TÍNH TỐN 32 2.3.1 Phần mềm Gaussian 09 32 2.3.2 Phần mềm Gaussview 33 2.3.3 Phần mềm Eyringpy 33 2.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG TRONG LUẬN ÁN 34 2.4.1 Tính tốn lƣợng điểm đơn (single point energy) .34 2.4.2 Tối ƣu hóa cấu trúc (geometry optimization) 34 2.4.3 Xác định trạng thái chuyển tiếp hàng rào lƣợng .35 2.4.3.1 Xác định trạng thái chuyển tiếp 35 2.4.4 Tính thơng số nhiệt động học 38 3.1 KHẢO SÁT ĐỘ TIN CẬY CỦA PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39 3.1.1 Khảo sát phƣơng pháp tính số hợp chất chứa nitrogen 39 3.1.2 So sánh với phƣơng pháp khác 40 3.1.3 Tiểu kết Mục 3.1 42 3.2 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC DẪN XUẤT ANILINE .42 3.2.1 Cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen hệ ArNH2 43 3.2.2 Cơ chế chuyển electron − chuyển proton hệ ArNH2 47 3.2.3 Cơ chế proton − chuyển electron hệ ArNH2 49 3.2.5 Tiểu kết Mục 3.2 56 3.3 KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA DẪN XUẤT DIPHENYLAMINE .57 iv 3.3.1 Ảnh hƣởng nhóm vị trí para đến thông số nhiệt động .57 3.3.2 Động học phản ứng dập tắt gốc tự CH3OO• hệ Ar2NH .59 3.3.3 Sự tƣơng quan thông số nhiệt động, cấu trúc động học với số Hammett 63 3.3.4 Tiểu kết Mục 3.3 69 3.4 KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA DẪN XUẤT POLYANILINE 69 3.4.1 Khảo sát thông số nhiệt động PANI dạng leucoemeraldine emeraldine với n = 69 3.4.2 Khảo sát thông số nhiệt động PANI dạng leucoemeraldine emeraldine với n = 70 3.4.3 Bề mặt động học phản ứng PANI với HOO 72 3.4.4 Động học phản ứng leucocemeraldine emeraldine với gốc tự HOO .74 3.4.5 Tiểu kết Mục 3.4 75 3.5 THIẾT KẾ CÁC DẪN XUẤT DỊ VÒNG THƠM TỪ PHENOXAZINE VÀ PHENOTHIAZINE CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA BẰNG PHƢƠNG PHÁP HÓA TÍNH TỐN .76 3.5.1 Ảnh hƣởng nhóm vị trí para đến thơng số nhiệt động .77 3.5.2 Mối tƣơng quan thông số nhiệt động số Hammett 79 3.5.3 Ảnh hƣởng nhóm đến động học phản ứng dập tắt gốc tự (HOO•) hệ Phoz Phtz 81 3.5.4 Ảnh hƣởng dung môi đến động học phản ứng chuyển nguyên tử hydrogen dẫn xuất Phoz Phtz với HOO• 86 3.5.5 Tƣơng quan giá trị logk với số Hammett 89 3.5.6 Tiểu kết Mục 3.5 91 3.6 THIẾT KẾ CÁC DẪN XUẤT DIPHENYLAMINE .91 3.6.1 Ảnh hƣởng N, CF3, N(CH3)2 đến giá trị E (N H) IE dẫn xuất đƣợc thiết kế từ Ar2NH 92 3.6.2 Phản ứng dẫn xuất Ar2NH với gốc tự CH3OO 94 3.6.3 Tiểu kết Mục 3.6 95 3.7 THIẾT KẾ CÁC HỢP CHẤT NANO LAI FULLEREN-POLYANILINE 96 v 3.7.1 Khả chống oxy hóa theo chế hệ polyaniline – fullerene 97 3.7.2 Phản ứng fullerene polyaniline tính tốn phƣơng pháp ONIOM 102 3.7.3 Tiểu kết Mục 3.7 106 NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN 108 KIẾN NGHỊ 110 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AO Atomic Orbital: orbital nguyên tử BDE ond issociation Enthalpy: lƣợng phân li liên kết DFT Density Functional Theory: lí thuyết phiếm hàm mật độ DOS Density Of States: phổ mật độ lƣợng EDG Electron onating Group: nhóm đẩy electron ETE Electron Transfer Enthalpy: lƣợng chuyển electron EWG Electron Withdrawing Group: nhóm hút electron HAT Hydrogen Atomic Transfer: chế chuyển nguyên tử hydrogen HOMO Highest Occupied Molecular Orbital: orbital phân tử bị chiếm cao IE Ionization Energy: lƣợng ion hóa IRC Intrinsic Reaction Coordinate: tọa độ phản ứng nội LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital: orbital phân tử chƣa bị chiếm thấp MO Molecular Orbital: Orbital phân tử ONIOM Our own N-layered Integrated molecular Orbital and molecular Mechanics: phƣơng pháp tích hợp học phân tử orbital phân tử với N lớp (phƣơng pháp ONIOM) P Products: sản phẩm PA Proton Affinity: lực proton PC Post-complex: trạng thái trung gian sau trạng thái chuyển tiếp PCET Proton Coupled Electron Transfer: chế chuyển đồng thời protonelectron PDE Proton issociation Enthalpy: lƣợng phân li proton PES Potential Energy Surface: bề mặt R Reagent: chất phản ứng RC Pre-complex: trạng thái trung gian trƣớc trạng thái thái chuyển tiếp RMSD Root Mean Square eviation: độ lệch bình phƣơng trung bình vii RTA Radical trapping antioxidant: chất chống oxy hóa bắt gốc tự SET-PT Single Electron Transfer-Proton Transfer: chuyển electron - chuyển proton SPLET Sequential Proton Loss Electron Transfer: proton chuyển electron TLTK Tài liệu tham khảo TS Transition State: trạng thái chuyển tiếp UV Ultraviolet: tia tử ngoại/tia cực tím DANH MỤC CÁC HỢP CHẤT VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN ABTS 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic) acid Ar2NH Diphenylamine ArNH2 Aniline CSA Camphor sulfonic acid DMSO Dimethyl sulfoxide DPPH 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl PANI Polyaniline Phoz Phenoxazine Phtz Phenothiazine Quy ƣớc viết tên thuật ngữ khoa học hợp chất hóa học Để tăng tính hội nhập quốc tế, Luận án này, thuật ngữ khoa học, tên hợp chất hóa học đƣợc viết theo quy ƣớc sau: Thuật ngữ khoa học: Các thuật ngữ khoa học có thuật ngữ tiếng Việt tƣơng đƣơng đƣợc sử dụng thông dụng đƣợc viết tiếng Việt Ngƣợc lại thuật ngữ khoa học chƣa có cụm thuật ngữ tiếng Việt tƣơng đƣơng, để dễ dàng tra cứu tài liệu tạp chí quốc tế đƣợc viết nguyên tên tiếng Anh cụm thuật ngữ Tên hợp chất hóa học Sử dụng thống tên theo quy định IUPAC viết tiếng Anh thay dịch sang tiếng Việt (ví dụ: viết nitrogen thay ni-tơ) viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Các thông số nhiệt động tính tốn phƣơng pháp M05-2X/6311++G(d,p) giá trị thực nghiệm vài hợp chất chứa liên kết NH 40 Bảng 3.2 So sánh giá trị BDE(NH) 4Y-Ar2NH tính tốn theo phƣơng pháp M05-2X với số phƣơng pháp phổ biến 41 Bảng 3.3 Giá trị BDE(NH) aniline dẫn xuất chứa nhóm vị trí meta para 45 Bảng 3.4 Giá trị IE aniline dẫn xuất 4Y-ArNH2 47 Bảng 3.5 Thông số nhiệt động thông số cấu trúc đặc trƣng anion hình thành theo chế SPLET 49 Bảng 3.6 Thông số cấu trúc trạng thái TS hợp chất đƣợc hình thành từ phản ứng CH3OO• + 4Y-ArNH2 52 Bảng 3.7 Giá trị H trạng thái RC, TS, PC P phản ứng CH3OO• 4Y-ArNH2 theo hai chế 53 Bảng 3.8 Giá trị lƣợng tự hoạt hóa số tốc độ phản ứng CH3OO• + 4Y-ArNH2 theo hai chế 55 Bảng 3.9 Giá trị IE, PA, ETE, PDE 4Y-Ar2NH .59 Bảng 3.10 Giá trị H trạng thái RC, TS, PC P phản ứng CH3OO• + 4Y-Ar2NH theo hai chế .60 Bảng 3.11 Giá trị ∆G# số tốc độ phản ứng CH3OO• + 4Y-Ar2NH theo HAT PCET 63 Bảng 3.12 Giá trị thông số nhiệt động 4Y-Ar2NH .65 Bảng 3.13 Giá trị H thông số cấu trúc trạng thái TS hợp chất đƣợc hình thành từ phản ứng CH3OO• + 4Y-Ar2NH 67 Bảng 3.14 Các thông số nhiệt động (đơn vị kcal.mol1) PANI dạng leucoemeraldine emeraldine với n = 69 Bảng 3.15 Các thông số nhiệt động (đơn vị kcal.mol1) PANI dạng leucoemeraldine emeraldine với n = 71 ix Bảng 3.16 Giá trị enthalpy tƣơng đối trạng thái phản ứng leucoemeraldine emeraldine (n = 1) với gốc tự HOO• 72 Bảng 3.17 Giá trị số tốc độ k (L.mol1.s1) phản ứng leucoemeraldine emeraldine (n = 1) với HOO 75 Bảng 3.18 Thông số nhiệt động (kcal.mol1) dẫn xuất Phoz Phtz 78 Bảng 3.19 Giá trị biến thiên lƣợng tự phản ứng HOO với Phoz Phtz 81 Bảng 3.20 Giá trị H (đơn vị kcal.mol1) trạng thái phản ứng 3,7diY-Phoz 3,7-diY-Phtz với HOO• pha khí 82 Bảng 3.21 Giá trị lƣợng tự hoạt hóa số tốc độ ứng 3,7-diYPhoz 3,7-diY-Phtz với HOO pha khí 85 Bảng 3.22 Giá trị enthalpy tƣơng đối phản ứng 3,7-diY-Phoz 3,7-diYPhtz với HOO• dung mơi benzene 87 Bảng 3.23 Giá trị ∆G# kbenzen 3,7-diY-Phoz 3,7-diY-Phtz với HOO dung môi benzene 88 Bảng 3.24 So sánh số tốc độ phản ứng HAT dẫn xuất Phoz, Phtz với chất chống oxy hóa điển hình .89 Bảng 3.25 Giá trị E(N H), IE (đơn vị kcal.mol 1) hợp chất nghiên cứu .93 Bảng 3.26 Giá trị G ∆G# phản ứng Ar2NH IVc với CH3OO 95 Bảng 3.27 Giá trị BDE (N–H) polyaniline hợp chất nano lai 98 Bảng 3.28 Giá trị IE EA tính theo phƣơng pháp 3LYP/6311++G(d,p)//B3LYP/6- 31G(d) 99 Bảng 3.29 Thông số cấu trúc trạng thái TS P phản ứng aniline fullerene tính ONIOM-GD3 (B3LYP/631G(d):PM6) B3LYP-GD3/6-31+G(d) 103 x ... HỢP CHẤT CHỐNG OXY HÓA 1.1.1 Gốc tự do, oxy hóa chất chống oxy hóa 1.1.2 Vai trò chất chống oxy hóa 1.2 TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT VÒNG THƠM CHỨA NITROGEN CÓ TÁC DỤNG CHỐNG OXY HÓA... khả chống oxy hóa phương pháp hóa tính tốn” Mục tiêu Luận án - Nghiên cứu khả chống oxy hóa hợp chất vòng thơm chứa liên kết N H phƣơng pháp hóa tính tốn; - Thiết kế chất chống oxy hóa hiệu cho... Các chất chống oxy hóa họ amine thơm đặc trƣng 1.2.2 Các hệ chất họ amine thơm đƣợc nghiên cứu Luận án 1.2.3 Các hợp chất dị vòng thơm đƣợc định hƣớng thiết kế Luận án .14 1.3 CƠ CHẾ CHỐNG