Luận án Nghiên cứu cấu trúc, khả năng chống oxy hóa của một số polyphenol và dẫn xuất trên nền fullerene (C60) bằng phương pháp hóa tính toán

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN MINH THÔNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA MỘT SỐ POLYPHENOL VÀ DẪN XUẤT TRÊN NỀN FULLERENE (C60) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TÍNH TOÁN LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ HUẾ, NĂM 2016 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN MINH THÔNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA MỘT SỐ POLYPHENOL VÀ DẪN XUẤT TRÊN NỀN FULLERENE (C60) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TÍNH TOÁN Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 62.44.01.19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Phạm Cẩm Nam 2. PGS. TS. Trần Dương Huế, năm 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả Nguyễn Minh Thông ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Phạm Cẩm Nam và PGS. TS. Trần Dương, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, dành nhiều thời gian và công sức hướng dẫn cho tôi hoàn thành luận án. Lời cảm ơn của tôi cũng xin được gửi đến TS. Đào Duy Quang, TS. Ngô Thị Chinh, TS. Phạm Lê Minh Thông ở Đại học Duy Tân và các anh chị trong nhóm nghiên cứu đã dành thời gian thảo luận khoa học và đóng góp các ý kiến quý báu cho tôi hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới quý Cô, Thầy trong khoa Hóa, phòng Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế và Ban Giám đốc Phân hiệu Đại học Đà Nẵng tại Kon Tum đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Vietnam National Foundation for Science and Technology Development − Nafosted) đã hỗ trợ một phần kinh phí thực hiện luận án. Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Nhân dịp này, tôi muốn dành những tình cảm sâu sắc nhất, trân trọng nhất đến những người thân trong gia đình: Bố Mẹ - những người đã hết lòng nuôi dạy tôi khôn lớn, luôn động viên hỗ trợ tôi về mọi mặt, các anh chị em đã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và giúp đỡ tôi trong cuộc sống. Huế, tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Minh Thông iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... xi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU .................................... 5 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT POLYPHENOL CÓ TÁC DỤNG CHỐNG OXY HÓA ............................................................................................................... 5 1.1.1. Hợp chất polyphenol .................................................................................. 5 1.1.2. Một số nguyên liệu giàu hợp chất polyphenol ở Việt Nam ..................... 10 1.1.3. Cơ chế hoạt động của các hợp chất chống oxy hóa polyphenol .............. 12 1.1.4. Tình hình ứng dụng hóa học tính toán trong nghiên cứu khả năng chống oxy hóa của hợp chất polyphenol ...................................................................... 13 1.2. TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT FULLERENE VÀ DẪN XUẤT FULLERENE ........................................................................................................ 15 1.2.1. Lịch sử phát hiện fullerene ...................................................................... 15 1.2.2. Cấu trúc và liên kết của fullerene ............................................................ 15 1.2.3. Tính chất vật lý ........................................................................................ 17 1.2.4. Đặc điểm electron và khả năng phản ứng ................................................ 19 1.2.5. Tính thơm ................................................................................................ 20 1.2.6. Tính chất hóa học ..................................................................................... 20 1.2.7. Tình hình nghiên cứu fullerene và dẫn xuất fulerene .............................. 22 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................... 23 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................... 23 2.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ...................................... 23 2.2.1. Cơ sở phương pháp tính toán hóa lượng tử ............................................. 23 2.2.2. Phương pháp bán thực nghiệm (semi-empirical methods) ...................... 26 2.2.3. Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT methods) .................................................................................................... 27 iv 2.2.4. Phương pháp ONIOM ............................................................................. 28 2.3. CÁC PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ................................................................... 31 2.3.1. Phần mềm Gaussian 09W ........................................................................ 31 2.3.2. Phần mềm Gaussview 5 ........................................................................... 31 2.4. HÓA HỌC TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG CHO NGHIÊN CỨU CÁC HỢP CHẤT POLYPHENOL VÀ DẪN XUẤT FULLERENE .................................... 32 2.4.1. Tối ưu hóa cấu trúc (geometry optimization) .......................................... 32 2.4.2. Xác định trạng thái chuyển tiếp và tính hàng rào năng lượng ................. 32 2.4.3. Năng lượng điểm đơn (single point energy) ............................................ 34 2.4.4. Các đại lượng nhiệt động xác định khả năng chống oxy hóa của hợp chất polyphenol ......................................................................................................... 35 2.4.5. Mô hình hóa các hệ phân tử trong dung môi ........................................... 36 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 40 3.1. KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP TÍNH NĂNG LƯỢNG PHÂN LY LIÊN KẾT O−H ....................................................................................................................... 40 3.1.1. Cách chọn mô hình ONIOM 2 lớp .......................................................... 40 3.1.2. Áp dụng cho các dẫn xuất của phenol ..................................................... 42 3.1.3. Áp dụng cho các hợp chất flavonoid ....................................................... 45 3.1.4. Nhận xét ................................................................................................... 50 3.2. KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP TÍNH NĂNG LƯỢNG ION HÓA .............. 50 3.2.1. Giới thiệu ................................................................................................. 50 3.2.2. Đánh giá tính chính xác của phương pháp tính IE ở mức lý thuyết PM6 ........................................................................................................................... 51 3.2.3. Nhận xét ................................................................................................... 52 3.3. KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤT POLYPHENOL CÓ NGUỒN GỐC TỪ CÂY SA KÊ (ARTOCARPUS ALTILIS) ......................... 53 3.3.1. Lựa chọn một số hợp chất polyphenol có chứa trong cây sa kê .............. 53 3.3.2. Cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT) - Năng lượng phân ly liên kết (BDE) ................................................................................................................. 54 3.3.3. Cơ chế chuyển electron chuyển proton (SET-PT) ................................... 57 v 3.3.4. Nhận xét ................................................................................................... 60 3.4. KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤT POLYPHENOL CÓ NGUỒN GỐC TỪ VỎ MĂNG CỤT (GARCINIA MANGOSTANA) ............ 61 3.4.1. Các hợp chất polyphenol có chứa trong vỏ măng cụt ............................. 61 3.4.2. Cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT) - Năng lượng phân ly liên kết (BDE) ................................................................................................................. 62 3.4.3. Cơ chế chuyển electron chuyển proton (SET-PT) ................................... 66 3.4.4. Cơ chế chuyển proton chuyển electron (SPLET) .................................... 68 3.4.5. Nhận xét ................................................................................................... 71 3.5. KHẢ NĂNG DẬP TẮT GỐC TỰ DO CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT POLYPHENOL ..................................................................................................... 71 3.5.1. Giới thiệu ................................................................................................. 71 3.5.2. Năng lượng phân ly liên kết và năng lượng ion hóa của một số hợp chất polyphenol ......................................................................................................... 72 3.5.3. Phản ứng dập tắt gốc tự do peroxyl (CH3OO•) của một số hợp chất polyphenol ......................................................................................................... 74 3.5.4. Nhận xét ................................................................................................... 79 3.6. CHỨC NĂNG HÓA FULLERENE BẰNG CÁC DẪN XUẤT MALONATE ............................................................................................................................... 80 3.6.1. Giới thiệu ................................................................................................. 80 3.6.2. Cơ chế phản ứng Bingel - Hirsch ............................................................ 81 3.6.3. Phản ứng đóng vòng giữa fullerene và dẫn xuất flavonoid malonate có nguồn gốc từ chalcone, flavone và flavanone ................................................... 85 3.6.4. Nhận xét ................................................................................................... 89 3.7. KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC DẪN CHẤT LAI HÓA FULLERENE VÀ CHALCONE, FLAVONE, FLAVANONE ........................... 89 3.7.1. Giới thiệu ................................................................................................. 89 3.7.2. Khả năng chống oxy hóa của các dẫn chất lai hóa fullerene và chalcone, flavone, flavanone .............................................................................................. 90 3.7.3. Nhận xét ................................................................................................... 91 vi 3.8. THIẾT KẾ CÁC HỢP CHẤT CHỐNG OXY HÓA CÓ NGUỒN GỐC TỪ CÂY SA KÊ VÀ MĂNG CỤT TRÊN NỀN FULLERENE ................................ 91 3.8.1. Giới thiệu ................................................................................................. 91 3.8.2. Chức năng hóa fullerene với hợp chất altilisin J và mangostin có nguồn gốc từ cây sa kê và vỏ măng cụt ........................................................................ 93 3.8.3. Khả năng chống oxy hóa của các dẫn xuất fullerene-altilisin J và fullerene- mangostin ........................................................................................................... 96 3.8.4. Nhận xét ................................................................................................... 97 NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN ..................................................... 99 NHỮNG ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................................101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .....................102 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................104 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AO Atomic Orbital: Orbital nguyên tử BDE Bond Dissociation Enthalpy: Năng lượng phân ly liên kết. DFT Density Functional Theory: Lý thuyết phiếm hàm mật độ. EA Electron Affinity: Ái lực electron ETE Electron Transfer Enthalpy: Năng lượng chuyển electron. FAB Fast Atom Bombardment: Bắn phá nhanh bằng nguyên tử. HAT Hydrogen Atomic Transfer: Chuyển nguyên tử hydro. HOMO Highest Occupied Molecular Orbital: Orbital phân tử bị chiếm cao nhất. IE Ionization Energy: Năng lượng ion hóa. IEFPCM Integral Equation Formalism Polarizable Continuum Model: Mô hình phân cực liên tục sử dụng phương trình tích phân. IRC Intrinsic Reaction Coordinate: Tọa độ phản ứng nội. LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital: Orbital phân tử chưa bị chiếm thấp nhất. MM Molecular Mechanics: Cơ học phân tử MO Molecular Orbital: Orbital phân tử ONIOM Our own N-layered Integrated molecular Orbital and molecular Mechanics: Phương pháp tích hợp cơ học phân tử và orbital phân tử với N lớp. PA Proton Affinity: Ái lực proton. PCM Polarized Continuum Model: Mô hình phân cực liên tục. PDE Proton Dissociation Enthalpy: Năng lượng phân ly proton. PES Potential Energy Surface: Bề mặt thế năng. QM Quantum Mechanics: Cơ học lượng tử ROS Reactive Oxygen Species: Tác nhân phản ứng chứa oxy. SCRF Self Consistent Reaction Field: Trường phản ứng tự hợp. SD Standard Deviation: Độ lệch chuẩn. SET−PT Single Electron Transfer-Proton Transfer: Chuyển một electron chuyển proton. viii SPLET Sequential Proton Loss Electron Transfer: Chuyển proton mất electron. TCE Thermal Correction to Enthalpy: Hiệu chỉnh năng lượng dao động nhiệt đối với enthalpy. TCGFE Thermal Correction to Gibbs Free Energy: Hiệu chỉnh năng lượng dao động nhiệt đối với năng lượng tự do Gibbs. ZPE Zero Point Energy: Năng lượng điểm không. ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Độ tan của C60 trong các dung môi phổ biến ........................................... 18 Bảng 3.1. Các giá trị ∆S trong phương pháp ONIOM(ROB3LYP/6-311++G (2df,2p):PM6) đối với model 1A .............................................................................. 44 Bảng 3.2. Giá trị BDE(O−H) của các ubiquinol (kcal/mol) ..................................... 45 Bảng 3.3. BDE(O−H) của các dẫn xuất phenol - kcal/mol ...................................... 47 Bảng 3.4. BDE(O−H) của các hợp chất flavonoid trong Hình 3.4 (kcal/mol) ......... 48 Bảng 3.5. Giá trị năng lượng ion hóa (eV) tính bằng phương pháp PM6 của các dẫn xuất phenol và giá trị thực nghiệm ............................................................................ 51 Bảng 3.6. Năng lượng phân ly liên kết O–H và năng lượng phân ly proton tính bằng phương pháp PM6 (kcal/mol) ................................................................................... 55 Bảng 3.7. BDE(O–H) của 12 hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê tính bằng phương pháp ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) .......................... 57 Bảng 3.8. Giá trị năng lượng ion hóa (eV) tính bằng phương pháp PM6 của 12 hợp chất nghiên cứu ......................................................................................................... 58 Bảng 3.9. Năng lượng phản ứng của 12 hợp chất có nguồn gốc từ cây sa kê tính bằng phương pháp PM6 (kcal/mol) ................................................................................... 59 Bảng 3.10. Giá trị BDE (OH) của các hợp chất nghiên cứu tính bằng phương pháp PM6 ........................................................................................................................... 64 Bảng 3.11. Giá trị BDE(OH) của 14 hợp chất xanthone có nguồn gốc tử vỏ măng cụt tính bằng phương pháp ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) ............. 65 Bảng 3.12. Năng lượng ion hóa của 14 hợp chất xanhthone có nguồn gốc từ vỏ măng cụt tính bằng phương pháp PM6 ............................................................................... 66 Bảng 3.13. Các giá trị PA, ETE và PDE của 14 hợp chất xanhthone có nguồn gốc từ vỏ măng cụt tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-31+G(d,p)//PM6 trong pha khí và nước ................................................................................................................................... 68 Bảng 3.14. Giá trị BDE(O−H) và IE trong pha khí của một số hợp chất polyphenol ................................................................................................................................... 73 x Bảng 3.15. Giá trị năng lượng của các phần tử tham gia phản ứng giữa một số hợp chất polyphenol và gốc tự do CH3OO• tính ở mức lý thuyết ONIOM (B3LYP/6- 311G++(2df,2p):PM6) .............................................................................................. 75 Bảng 3.16. Giá trị năng lượng của các phần tử tham gia phản ứng giữa ion âm dimethyl bromomalonate và fullerene tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-31G(d)//PM6 trong pha khí (Đơn vị: hartree) ................................................................................. 81 Bảng 3.17. Giá trị năng lượng của các phần tử tham gia phản ứng giữa ion âm flavonoid malonate và fullerene tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-31G(d)//PM6 trong pha khí ....................................................................................................................... 86 Bảng 3.18. Giá trị BDE(O−H) và IE của dẫn xuất C60-chalcone, C60-flavone và C60- flavanone ................................................................................................................... 90 Bảng 3.19. Giá trị năng lượng của các phần tử tham gia phản ứng giữa dẫn xuất malonate có nguồn gốc từ altilisin J, mangostin và fullerene tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-31G(d)//PM6 trong pha khí ...................................................................... 93 Bảng 3.20. Giá trị BDE(O−H), EA và IE của mangostin, altilisin J, C60-mangostin - 1, C60-mangostin-2 và C60-altilisin J ......................................................................... 97 xi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc của các hợp chất polyphenol đơn giản ......................................... 5 Hình 1.2. Cấu trúc tổng quát của hợp chất flavonoid ................................................. 6 Hình 1.3. Cấu trúc của hợp chất flavone .................................................................... 6 Hình 1.4. Cấu trúc của hợp chất flavonol ................................................................... 7 Hình 1.5. Cấu trúc của hợp chất flavanone ................................................................ 7 Hình 1.6. Cấu trúc của hợp chất dihydroflavonol ...................................................... 8 Hình 1.7. Cấu trúc của hợp chất flavanol ................................................................... 8 Hình 1.8. Cấu trúc của hợp chất chalcone .................................................................. 9 Hình 1.9. Cấu trúc của hợp chất isoflavone ............................................................... 9 Hình 1.10. Cấu trúc của hợp chất anthocyanidin ..................................................... 10 Hình 1.11. Hình ảnh cây sa kê .................................................................................. 10 Hình 1.12. Hình ảnh về cây và vỏ quả măng cụt...................................................... 11 Hình 1.13. Sơ đồ các cơ chế chống oxy hóa ............................................................ 13 Hình 1.14. a) Icosahedron b) Truncated Icosahedron c) Fullerenes, C60 ................ 16 Hình 1.15. Cấu trúc của C60: a) Liên kết ở cầu nối vòng (6,6); b) Liên kết ở cầu nối vòng (5,6) ..................