Tóm tắt 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

O A C B 2' 3' 4' 5' 6'2 3 4 5 6 7 8 O Naringenin: 5,7,4' - OH 1 1' 1 Hình 3.4. Các hợp chất flavonoid dùng để khảo sát mô hình ONIOM 6 thuộc lớp cao và có không có nguyên tử nào trong lớp thấp. Trong trường hợp này, phương pháp B3LYP/6-311++G(2df,2p)// PM6 được áp dụng cho tất cả các dạng phân tử trung hòa và dạng gốc tự do. Độ lệch tuyệt đối của giá trị BDE(O−H) khi sử dụng mô hình 1A so với dữ liệu tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6 là khoảng 1,0 kcal/mol (số liệu trong ngoặc đơn của Bảng 3.4). Bảng 3.4. BDE(O−H) của các hợp chất flavonoid trong Hình 3.4 (kcal/mol) Hợp chất Vị trí O−H Giá trị BDE(O−H) tính bằng phương pháp ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) BDE(O−H) Mô hình Pha khí Mô hình Pha khí 2’-hydroxyl chacone 2’−OH 1A 85,6(+0,2) 5B 81,8(−3,6) 85,4a; 83,1 [130] 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) 3’-hydroxyl chacone 3’−OH 1A 87,9(−0,9) 5B 83,5(−5,3) 88,8a; 86,2 [130] 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) 4’-hydroxyl chacone 4’−OH 1A 85,9(−1,0) 5B 81,7(−3,2) 84,9a; 81,9 [130]; 83,9 [52]; 81,1 [132] 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) Apigenin 4’−OH 1A 89,4(+2,2) 5B 85,1(−2,1) 87,2a; 88,8 [65]; 82,2 [62, 120] ; 84,37 [104] 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) Kaempferol 4’−OH 1A 85,0(+1,3) 5B 81,6(−2,1) 83,7a; 86,5 [65]; 80,94 [60]; 80,78 [120] 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) Quercetin 3’−OH 1A 80,5(+0,4) 5B 75,5(−4,6) 80,1a ; 81,8 [65]; 75,53 [120]; 73,61 [117]; 81,50 [80]; 74,81 [61]; 72,42 [27]; 80,3 [34] 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) Quercetin 4’−OH 1A 78,4(+0,9) 5B 70,8(−6,7) 77,5a; 78,7 [65]; 72,90 [120]; 70,98 [117]; 76,72 [80]; 72,18 [61]; 70,03 [27]; 77,6 [34] 3A 75,0(−2,5) 5C 70,5(−7,0) 3B 73,4(−4,1) 5D 73,4 (−4,1) 5A 72,1(−5,4) 7A 77,2(−0,3) Naringenin 4’−OH 1A 89,0(+1,1) 5B 85,6(2,3) 87,9a; 92,73 [44] 3A 85,2(2,7) 5C 80,7(7,2) 3B 86,1(1,8) 5D 81,8(6,1) 5A 84,8(3,1) 7A 90,1(+2,2) a Giá trị BDE tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6. Ghi chú: Các giá trị trong dấu ngoặc là sự khác nhau giữa giá trị BDE(OH) tính bằng phương pháp ONIOM và phương pháp B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6. 3.1.4. Nhận xét Qua kết quả tính toán ở trên, chúng tôi có thể kết luận rằng sử dụng phương pháp ONIOM với mô hình 1A là sự lựa chọn tốt nhất cho tính 7 BDE(O−H) của các dẫn xuất phenol và các hợp chất flavonoid có độ chính xác cao, thời gian tính toán nhanh và tiết kiệm được tài nguyên máy tính. Do đó, chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp này để tính BDE(O−H) của các hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê, vỏ măng cụt và hợp chất flavonoid trong các phần nghiên cứu tiếp theo. 3.2. KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP TÍNH NĂNG LƯỢNG ION HÓA 3.2.1. Giới thiệu 3.2.2. Đánh giá tính chính xác của phương pháp tính IE ở mức lý thuyết PM6 Các giá trị IE tính toán trong Bảng 3.5 chỉ ra rằng phương pháp PM6 có thể dự đoán tốt giá trị IE adiabatic với độ lệch trung bình 0,091 eV so với giá trị thực nghiệm (trừ trường hợp của BHT và 2,4,6- trimethyl phenol thì không có sẵn giá trị IE adiabatic thực nghiệm). 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 Đối với giá trị IE vertical, tuy có vài hợp chất không có sẵn giá trị thực nghiệm, nhưng kết quả Bảng 3.5 cho thấy độ lệch giữa giá trị tính toán và thực nghiệm lớn nhất chỉ bằng 0,19 eV. Điều này cho thấy giá trị IE tính ở mức lý thuyết PM6 cho kết quả gần với giá trị thực nghiệm. 3.2.3. Nhận xét Từ kết quả Bảng 3.5 chúng tôi có thể kết luận rằng phương pháp PM6 là phương pháp thích hợp để tính năng lượng ion hóa. Ưu điểm của phương pháp này là thời gian tính toán nhanh, phù hợp cho nghiên cứu các hợp chất có số lượng nguyên tử rất lớn như các dẫn xuất của fullerene đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Vì vậy, chúng tôi áp dụng phương pháp PM6 cho nghiên cứu năng lượng ion hóa của các hợp chất phenolic ở các phần tiếp theo. Hợp chất IE IEb PM6 Thực nghiệma Phenol 8,38(8,61) 8,490,02(8,70) 0,11(0,09) 1,4-Benzenediol 8,00(8,28) 7,940,01(8,44) -0,06(0,16) 1,3-Benzenediol 8,29(8,56) 8,20 (8,63) -0,09(0,07) 1,2-Benzenediol 8,10(8,44) 8,15(8,56) 0,05(0,12) BHT 7,39(7,74) N/A(7,80) N/A(0,06) 2-Methyl phenol 8,17(8,46) 8,14(8,460,06) -0,03(0,00) 2-Nitro phenol 9,02(9,43) 9,1(9,29) 0,08(-0,14) 2,4-Dimethyl phenol 7,84(8,17) 8,0(8,18) 0,16(0,01) 2,4,6-Trimethyl phenol 7,64(7,98) N/A(8,0) N/A(0,02) 2,6-Diclo phenol 8,60(8,84) 8,650,02(N/A) 0,06(N/A) 2,6-Dimethyl phenol 7,95(8,25) 8,050.02(8,26) 0,1(0,01) 3 Methyl phenol 8,26(8,57) 8,290,02(N/A) 0,03(N/A) 3,4-Dimethyl phenol 7,93(8,24) 8,09(N/A) 0,16(N/A) 4-Nitro phenol 9,26(9,57) 9,1(9,38) -0,16(-0,19) Ghi chú: Giá trị trong dấu ngoặc là giá trị IE vertical. a Giá trị thực nghiệm được tham khảo từ NIST Chemistry web book, số 69, b IE = IEthực nghiệm – IEPM6. 8 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 một số hợp chất polyphenol có chứa trong cây sa kê Cấu trúc của 12 hợp chất có nguồn gốc từ cây sa kê được trình bày ở 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 thì OH ở vị trí số 2 có giá trị BDE(O−H) thấp nhất là 65,0 kcal/mol. Giá trị BDE(O−H) ở vị trí số 3 của vòng B trong hợp chất S3 và S9 có giá trị thấp nhất lần lượt là 68,9 kcal/mol và 68,4 kcal/mol. Còn đối với các hợp chất S1, S2, S4, S5, S6, S7 và S8 thì giá trị BDE(O−H) ở vị trí số 4 thấp hơn các vị trí còn lại, giá trị BDE lần luợt theo thứ tự là: 70,7; 71,2; 71,8; 70,6; 67,7; 66,7 và 70,4 kcal/mol. Tương tự đối với hợp chất S10 và S11, giá trị BDE(O−H) thấp nhất ở vị trí số 8 lần lượt là 66,8 và 69,2 kcal/mol. 3.3.2.2.BDE(O-H) của 12 hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê và ảnh hưởng của dung môi Dựa vào kết quả BDE(O−H) trong Bảng 3.7 cho thấy khả năng cho nguyên tử hydro của các hợp chất polyphenol theo thứ tự sau: S12 > S9 ≈ S7 > S10 ≈ S6 > S3 > S11 > S1 > S8 > S5 > S2 > S4. Hơn nữa, trong số các nhóm hydroxyl polyphenol ở các vị trí khác nhau thì nhóm hydroxyl ở vị trí số 2 trong hợp chất S12 có giá trị BDE thấp nhất với giá trị lần lượt là 77,3; 79,0 và 78,3 kcal/mol tương ứng với pha khí, dung môi methanol và nước. Bảng 3.7 cho thấy rằng các giá trị BDE của mỗi nhóm O−H của tất cả các hợp chất polyphenol nhỏ hơn giá trị BDE(O−H) của phenol khi được tính cùng mức lý thuyết. Điều này chứng tỏ hầu hết các hợp chất polyphenol có khả năng cho nguyên tử hydro mạnh hơn so với Hình 3.6. Cấu trúc của 12 hợp chất nghiên cứu có nguồn gốc từ cây sa kê OH HO O OH OH OH HO O OH OH OH HO O OH OH O OH OH OH OHO HO OH OHO HO O OOH HO OH A B C 1' 2' 4' 1 3 4 1'' S1 A 1' 2' 4' B 1 3 4 S3 O OOH HO OH A B C 1' 2' 4' 1 3 4 3'' S2 H H O OOH HO OH A B C 1' 2' 4' 1 3 4 1'' 3'' S4 HO 2'' O OOH HO OH A B C 1' 2' 4' 1 3 4 1'' 3'' S5O A B 1' 2' 4' 1 3 4 S6 O OOH HO OH A B C 1' 2' 4' 1 3 4 1'' 3'' S8 A B 1' 2' 4' 1 3 4 HO 5'' 6'' 7'' A BA' B' S7 S9 4 1' 1' 2' 2' 4' 4' 1 1 3 3 4 O O HO O OCH3 OH O O HO O OH OHO O OH OH A B A B 1 2 3 4 5 6 8 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 81 2 3 4 5 6 1 2 4 1 2 3 4 5 6 A B 3 S10 S11 S12 9 phenol. Kết quả ở Bảng 3.7 cũng cho thấy BDE(O−H) ở vị trí số 2 của hợp chất S12 (77,3 kcal/mol trong pha khí) tương tự với giá trị BDE(O−H) của ubiquinol-10 (78,5 kcal/mol). 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) 3.3.3. Cơ chế chuyển electron chuyển proton (SET-PT) 3.3.3.1. Năng lượng ion hóa (IE) Giá trị IE vertical và IE adiabatic của 12 hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê được trình bày ở Bảng 3.8. Trong đó, hợp chất S10 có giá trị IE nhỏ nhất, điều này chứng tỏ hợp chất S10 dễ cho electron hơn các hợp chất khác. Vì vậy, hợp chất S10 được xem là chất chống oxy hóa tiềm năng theo cơ chế chuyển electron. Bảng 3.8. Giá trị năng lượng ion hóa (eV) tính bằng phương pháp PM6 của 12 hợp chất nghiên cứu 3.3.3.2. Năng lượng phân ly proton (PDE) Các giá trị năng lượng phân ly proton của các ion dương gốc tự do hình thành trong bước thứ 2 của cơ chế SET−PT được tổng hợp trong Bảng 3.9. Mỗi ion dương gốc tự do có thể có nhiều vị trí tách proton. Dữ liệu trong Bảng 3.9 cho thấy các giá trị PDE trong pha khí tăng theo thứ thự sau: S6 < S12 < S7 < S8 < S5 < S3 < S11 < S1 < S9 < S4 < S2 < S10. Tuy nhiên, trong cơ chế SET−PT vị trí có khả năng chống oxy hóa mạnh được xác định dựa vào tổng enthalpy tối thiểu liên quan đến cơ chế dập tắt gốc tự do cụ thể. Tổng năng lượng này gồm IE adiabatic (ở Bảng 3.8) cộng với PDE (ở Bảng 3.9), kết quả được trình bày trong Bảng 3.9. Kết quả thu được cho thấy tổng năng lượng tối thiểu của cơ chế HAT và SET−PT liên quan đến nhóm O-H của 12 hợp chất nghiên cứu là như nhau và khả năng dập tắt gốc tự do xảy ra ở cùng một vị trí. Thứ tự tổng năng lượng tối thiểu trong pha khí gồm năng lượng ion hóa và năng lượng phân ly proton là: S12 < Hợp chất Vị trí O−H BDE(O–H) (kcal/mol) Pha khí Metha nol Nước S1 4−OH (vòng B) 83,2 83,5 82,8 S2 4−OH (vòng B) 84,5 83,2 83,1 S3 3−OH (vòng B) 80,8 82,4 82,2 S4 4−OH (vòng B) 85,1 83,7 83,1 S5 4−OH (vòng B) 83,9 83,8 83,1 S6 4−OH (vòng B) 80,3 83,9 83,1 S7 4−OH (vòng B) 79,3 82,9 82,1 S8 4−OH (vòng B) 83,7 82,8 81,4 S9 3−OH (vòng B) 79,3 81,3 80,5 S10 8−OH (vòng B) 80,3 82,7 81,6 S11 8−OH (vòng B) 82,5 83,9 83,2 S12 2−OH (vòng B) 77,3 79,0 78,3 Hợp chất IE adiabatic IE vertical S1 7,30 7,87 S2 7,36 7,77 S3 7,45 8,03 S4 7,41 8,06 S5 7,50 7,98 S6 7,87 8,20 S7 7,44 7,80 S8 7,57 7,98 S9 7,28 7,83 S10 7,04 7,56 S11 7,42 7,85 S12 7,66 8,08 10 S10 ≈ S7 < S6 < S9 < S3 < S11 < S1 < S8 < S5 < S2 < S4. Vì vậy, có thể rút ra kết luận rằng sự hình thành gốc tự do phenoxy từ ion dương gốc tự do polyphenol và phân tử polyphenol trung hòa là tương đương và xảy ra ở cùng vị trí. Điều đó cho thấy cơ chế HAT có ảnh hưởng rất lớn lên quá trình dập tắt sự oxy hóa. Do đó, BDE là một thông số quan trọng để đánh giá khả năng chống oxy hóa. 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) 3.3.4. Nhận xét Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp ONIOM (ROB3LYP /6-311++G (2df,2p):PM6) với mô hình 1A để xác định BDE(O−H) của các hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê. Trong đó, BDE(O−H) của các hợp chất S3, S6, S7, S9, S10 và S12 lần lượt là: 80,8; 80,3; 79,3; 79,3; 80,3 và 77,3 kcal/mol, chúng được xem như là những chất chống oxy hóa tiềm năng. Năng lượng ion hóa adiabatic của các hợp chất polyphenol được xác định bằng phương pháp PM6. Sự hình thành gốc tự do phenoxy từ ion dương gốc tự do phenolic và phân tử trung hòa tương ứng ưu tiên xảy ra ở cùng một vị trí. Dựa trên kết quả thu được có thể kết luận rằng giá trị BDE được xem như là một thông Hợp chất Vị trí O−Ha BDE IEb PDE IE + PDE S1 2’ (vòng A) 83,8 168,8 190,9 359,7 4’ (vòng A) 82,7 172,0 340,8 4 (vòng B) 70,7 159,3 328,1 S2 2’ (vòng A) 83,4 169,7 171,8 341,5 4’ (vòng A) 82,8 171,2 340,9 4 (vòng B) 71,2 159,7 329,4 S3 2’ (vòng A) 83,8 171,1 170,7 341,8 4’ (vòng A) 82,8 158,5 329,6 3 (vòng B) 68,9 156,0 327,1 4 (vòng B) 83,8 169,7 340,8 S4 2’ (vòng A) 101,9 170,9 189,1 360,0 4’ (vòng A) 83,1 170,2 341,1 4 (vòng B) 71,8 158,9 329,8 2’’ (vòng C) 100,2 187,3 358,2 S5 2’ (vòng A) 84,3 173,0 169,5 342,5 4’ (vòng A) 82,3 167,4 340,4 4 (vòng B) 70,6 155,9 328,9 S6 4’ (vòng A) 80,2 181,5 156,7 338,2 3 (vòng B) 71,9 148,4 329,9 4 (vòng B) 67,7 144,2 325,7 S7 2’ (vòng A) 85,1 171,3 171,8 343,1 4’ (vòng A) 81,6 168,3 339,6 3 (vòng B) 70,9 157,8 329,1 4 (vòng B) 66,7 153,6 324,9 2’(vòng A’) 81,2 167,9 339,2 4’ (vòng A’) 81,9 168,7 340,0 3 (vòng B’) 68,9 155,8 327,1 4 (vòng B’) 71,8 158,7 330,0 S8 2’ (vòng A) 83,2 174,6 166,6 341,2 4’ (vòng A) 82,6 166,1 340,7 4 (vòng B) 70,4 153,9 328,5 7’’ 100,6 184,1 358,7 S9 2’ (vòng A) 83,8 167,9 174,0 341,9 4’ (vòng A) 82,7 172,8 340,7 3 (vòng B) 68,4 158,7 326,6 4 (vòng B) 70,5 160,7 328,6 6’’ 99,9 190,2 358,1 S10 6’ (vòngA) 79,3 162,3 174,9 337,2 8 (vòng B) 66,8 162,6 324,9 S11 6’ (vòngA) 79,9 171,1 167,0 338,1 8 (vòng B) 69,2 156,3 327,4 11 số hóa lý chính trong việc xác định khả năng dập tắt gốc tự do của các hợp chất polyphenol. 3.4. KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤT POLYPHENOL CÓ NGUỒN GỐC TỪ VỎ MĂNG CỤT (GARCINIA MANGOSTANA) 3.4.1. Các hợp chất polyphenol có chứa trong vỏ măng cụt Các hợp chất xanthone từ M1 đến M14 có nguồn gốc từ vỏ măng cụt chỉ ra trong Hình 3.7 3.4.2. Cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT) - Năng lượng phân ly liên kết (BDE) Dựa vào các giá trị BDE trình bày ở Bảng 3.11, chúng ta nhận thấy khả năng cho nguyên tử hydro của các hợp chất xanthone trong pha khí được sắp xếp theo trật tự sau: M11 > M10 > M7 > M1 > M9 ≈ Norathyriol > M8 > M13 > M6 >M14 > M2 > M3 > M4 > M12 > M5. Trong tất cả các hợp chất nghiên cứu thì BDE thấp nhất được tìm thấy ở nhóm OH của vòng A (trừ hợp chất M5 và Norathyriol). Kinghorn và cộng sự đã nghiên cứu thực nghiệm về khả năng dập tắt gốc tự do của 13 hợp chất (M1 và M3 − M14) dựa vào giá trị IC50 của ONOO−, kết quả được trình bày trong Bảng 3.11. Năm trong số 13 hợp chất xanthone là M1, M8, M10, M11 và M13 được chứng minh là chất có tiềm năng chống oxy hóa trong cả 2 phương pháp thử nghiệm. Đáng chú ý nhất là hợp chất M10 và M11, chúng có giá trị BDE(O−H) ở vị trí số 6 thấp hơn so với các vị trí khác, với giá trị lần lượt là 82,3 và 82,8 kcal/mol. Điều này chỉ ra rằng sự chuyển nguyên tử hydro từ 6−OH của hợp chất M10 và M11 cho gốc tự do là dễ dàng hơn so với nhóm OH của các hợp chất khác. Vì vậy, nhóm OH ở vị trí số 6 của hợp chất M10 và M11 đóng vai trò quan trọng trong cơ chế chống oxy hóa HAT và điều này cũng được khẳng định bởi nghiên cứu thực nghiệm trước đó. Quan sát các kết quả trong Bảng 3.11 cho thấy sự ảnh hưởng của dung môi nước lên giá trị BDE là rất ít. Độ lệch lớn nhất giữa giá trị S12 6’ (vòngA) 79,9 177,3 160,5 337,8 2 (vòng B) 65,0 145,7 323,0 3 (vòng B) 71,2 151,8 329,1 a Cách đánh số được mô tả ở Hình 3.6 b Giá trị IE adiabatic. Hình 3.7. Cấu trúc của các hợp chất có nguồn gốc từ vỏ măng cụt và hợp chất liên quan O OCH3 OH O OH OH O OH OHO O OR OHO OH O H3C CH2 H3CO HO M3 R = CH3 M4 R = H O OH O H3CO O O O OH OH O H3CO HO OH O OH OH O HO HO O OH OHO OH O OH O H3CO HO O OH OH O RO HO OH O M10 R = CH3 M11 R = H O OH OH O OH R O OH OH O HO O M12 R = H M13 R = OH A C B A C B A C B A C B A C B A C B A C BA C B A C B A C B A C B 8 1 3 45 1 3 6 7 1 3 5 1 1 36 3" 1" 7 6 1 3 1 36 7 36 3 18 5 1 3 5 8 7 6 1 3 O OH OH OOH Norathyriol A C B 3 8 5 HO 1 2 6 M1 M2 M7 M6M5 M8 M9 M14 12 BDE trong pha khí và dung môi nước là 5,9 kcal/mol. Trật tự của giá trị BDE trong dung môi nước khác so với trong pha khí: M1 < M8 < M13 < M10 < M9 < M11 < M14 < Norathyriol < M3 < M6 < M4 < M7 < M2 < M12 < M5. 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) 3.4.3.Cơ chế chuyển electron chuyển proton (SET-PT) 3.4.3.1. Năng lượng ion hóa (IE) Từ dữ liệu tính được trong Bảng 3.12 ta có thể kết luận thứ tự của các giá trị IE trong pha khí như sau: M14 < M5 < M11 < M1 < M3 < M7 < M8 < M10 < M4 < M13 < M9 <Norathyriol < M12 < M6 < M2, còn trong dung môi nước thì có xu hướng hơi khác: M1 < M8 < M14 < M13 < M11 < M7 < M5 < M3 < M4 < M9 <Norathyriol < M12 < M2 < M6 < M10. Với sự tăng độ phân cực của dung môi thì làm cho giá trị IE của các hợp chất nghiên cứu giảm một cách đáng kể. Điều này chỉ ra rằng các ion dương gốc tự do mang điện tích khá nhạy với độ phân cực của dung môi. Sự hình thành các ion dương gốc tự do trong dung dịch nước bền hơn và chiếm ưu thế còn sự hình thành phân tử trung hòa không được ưu tiên. Như vậy, dung môi nước làm tăng khả năng cho electron nhưng làm giảm khả năng nhận electron của các hợp chất nghiên cứu. 3.4.3.2. Năng lượng phân ly proton (PDE) Năng lượng phân ly proton (PDE) tính toán được trình bày trong Bảng 3.13. Trong hợp chất M5 thì vị trí số 1 của vòng B có giá trị PDE thấp nhất khoảng 253,15 kcal/mol. Tương tự, đối với hợp chất Hợp chất Vị trí O-H BDE (O-H) kcal/mol BDEa IC50 (µM)b Pha khí Nước Authenic ONOO- SIN-1- derived ONOO- M1 5 (vòng A) 84,1 84,3 0,2 4,6 10,0 M2 6 (vòng A) 86,3 86,7 0,4 N/A N/A M3 5 (vòng A) 86,4 86,1 -0,3 >30 3,2 M4 5 (vòng A) 86,6 86,3 -0,3 >30 11,9 M5 1 (vòng B) 99,1 93,2 -5,9 15,9 >30 M6 6 (vòng A) 85,7 86,2 0,5 26,4 15,1 M7 6 (vòng A) 83,8 86,4 2,6 14,1 >30 M8 5 (vòng A) 84,3 84,4 0,1 9,1 9,3 M9 6 (vòng A) 84,2 85,9 1,7 19,2 24,1 M10 6 (vòng A) 82,8 85,7 2,9 12,2 <0,49 M11 6 (vòng A) 82,3 85,9 3,6 8,0 3,1 M12 5 (vòng A) 87,2 87,4 0,2 >30 >30 M13 5 (vòng A) 85,2 85,6 0,4 2,2 9,7 M14 6 (vòng A) 86,1 85,9 -0,2 >30 >30 Norathy riol 2 (vòng B) 84,2 86,0 (86,6c) 1,8 (2,4) N/A a BDE = BDEnước - BDEkhí. b Tham khảo tài liệu [49]. c Tham khảo tài liệu [43]. 13 Norathyriol thì PDE ở vị trí số 2 của vòng B có giá trị thấp nhất 212,43 kcal/mol. Giá trị PDE thấp nhất tìm thấy ở vị trí số 5 của vòng A cho các hợp chất M1, M3, M4, M8, M12 và M13 với các giá trị lần lượt là 225,54; 230,42; 229,26; 225,06; 226,87 và 222,38 kcal/mol. Các giá trị PDE thu được ở vị trí số 6 của vòng A đối với các hợp chất M2, M6, M7, M9, M10, M11 và M14 có giá trị thấp hơn các vị trí còn lại với giá trị lần lượt là: 237,29; 228,09; 233,59; 231,89; 233,33; 227,47 và 242,45 kcal/mol. Hầu hết các hợp chất nghiên cứu (trừ hợp chất M5 và Norathyriol) có giá trị PDE thấp nhất được tìm thấy ở vị trí 5 và 6 của vòng A, điều này phù hợp với các kết quả BDE tính được. Các giá trị PDE trong dung môi nước thấp hơn một cách đáng kể so với trong pha khí do năng lượng solvat hóa của proton trong nước cao. Điều này chỉ ra rằng khả năng phân ly proton trong dung môi nước được ưu tiên hơn trong pha khí. Bảng 3.12. Năng lượng ion hóa của 14 hợp chất xanhthone có nguồn gốc từ vỏ măng cụt tính bằng phương pháp PM6 3.4.4. Cơ chế chuyển proton chuyển electron (SPLET) 3.4.4.1. Ái lực proton (PA) Dữ liệu trong Bảng 3.13 cho thấy dung môi nước ảnh hưởng đáng kể đến các giá trị PA vì năng lượng solvat hóa của proton trong nước cao. Sự khác nhau giữa năng lượng PA trong pha khí và dung môi nước nằm trong khoảng từ -295,75 đến -378,23 kcal/mol. Điều này có nghĩa là quá trình tách proton xảy ra trong dung môi nước sẽ được ưu tiên hơn. Trong pha khí thì các giá trị PA cao hơn so với các giá trị BDE và IE. Tuy nhiên, trong dung môi nước thì giá trị PA thấp hơn rất nhiều so với các giá trị BDE và IE tương ứng. Như Hợp chất IE (kcal/mol) IEa (kcal/mol) Pha khí Nước M1 189,79 (172,73) 124,70 (117,72) − M2 209,16 (178,72) 136,32 (126,33) − M3 190,48 (174,80) 129,66 (121,68) 135,53 M4 193,25 (176,65) 130,59 (122,56) 134,95 M5 187,95 (168,35) 127,79 (116,70) 130,82 M6 206,86 (180,57) 136,43 (126,55) 139,05 M7 190,48 (173,42) 127,57 (120,12) 135,02 M8 191,41 (174,34) 125,08 (118,24) 130,23 M9 198,56 (177,11) 132,23 (118,48) 137,27 M10 191,64 (173,65) 136,46 (121,42) 139,26 M11 188,41 (178,95) 127,55 (120,62) 136,68 M12 203,40 (181,95) 135,54 (126,75) 138,02 M13 193,71 (178,95) 125,86 (118,97) 130,64 M14 187,26 (172,73) 125,80 (117,22) 132,64 14 vậy, các kết quả thu được cho thấy trong dung môi nước thì cơ chế SPLET được ưu tiên hơn theo quan điểm nhiệt động. 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 Hợp chất PA (kcal/mol) PAa ETE (kcal/mol) ETEb PDE (kcal/mol) PDEc Pha khí Nước Pha khí Nước Pha khí Nước M1 5 (vòng A) 336,75 33,47 -303,28 56,49 69,74 13,25 225,54 -6,25 -231,79 8 (vòng A) 347,64 40,67 -306,97 58,45 73,12 14,67 238,39 4,33 -234,06 1 (vòng B) 340,68 35,84 -304,84 67,35 78,94 11,59 240,33 5,32 -235,01 M2 6 (vòng A) 324,08 22,28 −301,80 75,86 99,04 23,18 237,29 5,82 -231,47 1 (vòng B) 343,91 37,05 -306,86 67,14 81,43 14,29 248,4 2,97 -245,43 3 (vòng B) 328,70 27,52 -301,18 79,58 91,77 12,19 245,64 3,79 -241,85 M3 5 (vòng A) 330,96 31,02 -299,94 67,96 77,44 9,48 230,42 -3,00 -233,42 1 (vòng B) 341,68 37,61 -304,07 67,44 77,71 10,27 240,61 3,87 -236,74 M4 5 (vòng A) 336,22 30,97 -305,25 63,17 77,69 14,52 229,26 -3,65 -232,91 1 (vòng B) 345,61 36,78 -308,83 65,12 80,09 14,97 240,59 4,56 -236,03 3 (vòng B) 327,43 26,28 -301,15 77,01 98,39 21,38 234,30 12,36 -221,94 M5 1 (vòng B) 348,47 37,49 -310,98 60,60 77,59 16,99 253,15 13,00 -240,15 M6 6 (vòng A) 324,38 23,98 -300,40 74,79 87,03 12,24 228,09 -4,28 -232,37 1 (vòng B) 343,26 35,57 -307,69 67,52 82,75 15,23 239,70 3,03 -236,67 3 (vòng B) 328,37 26,96 -301,41 79,63 92,45 12,82 236,91 4,12 -232,79 3’’ 376,17 57,40 -318,77 43,47 119,12 75,65 248,56 61,22 -187,34 M7 6 (vòng A) 323,55 23,54 -300,01 71,24 84,12 12,88 233,59 -0,93 -234,52 7 (vòng A) 342,26 34,78 -307,48 54,61 71,74 17,13 235,67 -2,09 -237,76 1 (vòng B) 349,16 38,86 -310,3 62,86 79,55 16,69 250,83 9,82 -241,01 3 (vòng B) 331,96 27,85 -304,11 74,56 90,09 15,53 245,32 9,30 -236,02 M8 5 (vòng A) 338,49 33,06 -305,43 55,09 69,95 14,86 225,06 -47,38 -272,44 8 (vòng A) 347,10 40,44 -306,66 59,01 72,99 13,98 237,60 -36,97 -274,57 1 (vòng B) 341,18 34,88 -306,30 69,08 82,11 13,03 241,74 -33,41 -275,15 3 (vòng B) 327,96 29,38 -298,58 80,43 92,69 12,26 239,86 -28,33 -268,19 M9 6 (vòng A) 335,96 27,85 -308,11 63,99 83,15 19,16 231,89 -41,44 -273,33 3 (vòng B) 331,88 28,20 -303,68 70,92 88,90 17,98 234,74 -35,34 -270,08 M10 6 (vòng A) 325,98 23,61 -302,37 70,78 85,96 15,18 232,09 0,96 -231,13 1 (vòng B) 347,55 36,91 -310,64 64,57 80,64 16,07 247,44 8,94 -238,5 3 (vòng B) 330,64 26,66 -303,98 76,02 90,13 14,11 241,99 8,18 -233,81 M11 , 6 (vòng A) 320,79 17,20 -303,59 73,75 87,93 14,18 227,47 -41,69 -269,16 7 (vòng A) 339,34 29,45 -309,89 56,54 72,78 16,24 228,82 -44,59 -273,41 Norathyriol 201,32 (192,10) 132,49 (125,00) − Ghi chú: Giá trị trong dấu ngoặc là giá trị IE adiabatic. a Giá trị IE vertical tính trong dung môi nước tham khảo tài liệu [76]. 15 Hợp chất PA (kcal/mol) PAa ETE (kcal/mol) ETEb PDE (kcal/mol) PDEc Pha khí Nước Pha khí Nước Pha khí Nước 3 (vòng B) 331,34 24,13 -307,21 75,46 90,23 14,77 239,74 -32,46 -272,20 1 (vòng B) 348,40 34,66 -313,74 63,62 80,06 16,44 244,96 -32,10 -277,06 M12 5 (vòng A) 337,60 29,20 -308,40 61,80 80,45 18,65 226,87 -43,88 -270,75 1 (vòng B) 344,59 35,41 -309,18 67,97 83,07 15,10 240,02 -35,04 -275,06 3 (vòng B) 327,01 25,40 -301,61 79,44 92,77 13,33 233,92 -35,35 -269,27 M13 5 (vòng A) 340,23 31,07 -309,16 53,48 72,66 19,18 222,38 -49,14 -271,52 8 (vòng A) 323,94 24,56 -299,38 82,38 93,35 10,97 235,00 -34,95 -269,95 3 (vòng B) 346,21 36,32 -309,89 60,50 76,62 16,12 235,40 -39,93 -275,33 1 (vòng B) 340,04 33,48 -306,56 76,14 93,97 17,83 244,86 -25,41 -270,27 M14 6 (vòng A) 334,33 28,83 -305,50 66,96 81,34 14,38 242,45 -30,01 -272,46 1 (vòng B) 345,98 38,17 -307,81 65,52 80,12 14,60 252,67 -21,89 -274,56 3 (vòng B) 331,87 28,00 -303,87 75,26 94,35 19,09 248,30 -17,82 -266,12 Norathyriol 2 (vòng B) 327,56 25,49 -302,07 65,08 79,88 14,80 212,43 -10,46 -222,89 3 (vòng B) 331,15 25,63 -305,52 71,99 87,08 15,09 222,93 -3,12 -226,05 6 (vòng A) 403,04 25,69 -377,35 0,75 90,85 90,10 223,59 0,71 -222,88 8 (vòng A) 413,97 35,74 -378,23 0,75 84,84 84,09 234,52 4,74 -229,78 a PA = PAnước - PAkhí. bETE = ETEnước - ETEkhí. cPDE = PDEnước - PDEkhí. 3.4.4.2. Năng lượng chuyển electron Trong pha khí và dung môi nước thì các giá trị ETE luôn luôn thấp hơn các giá trị của IE. Điều này chỉ ra rằng quá trình chuyển một electron từ dạng ion âm thì sẽ được ưu tiên hơn so với dạng phân tử trung hòa, điều này cũng phù hợp với các kết quả nghiên cứu khác. Các giá trị ETE trong Bảng 3.13 cho thấy sự ảnh hưởng của dung môi nước đã gây ra sự tăng đáng kể trong các giá trị ETE của các ion âm phenolat, điều đó có nghĩa là dung môi nước không thuận lợi cho quá trình chuyển electron. Độ lệch trung bình giữa các giá trị ETE trong pha khí và dung môi nước xấp xỉ 19,07 kcal/mol. 3.4.5. Nhận xét Khả năng chống oxy hóa của 14 hợp chất xanhthone có nguồn gốc từ vỏ măng cụt được nghiên cứu trong cả pha khí và dung môi nước thông qua ba cơ chế HAT, SET−PT và SPLET. Chúng tôi đã tính toán các thông số BDE, IE, PA, ETE và PDE tương ứng với từng cơ chế dập tắt gốc tự do. Dựa trên kết quả thu được trong pha khí và dung môi nước có thể rút ra một vài kết luận sau: - Trong số 3 cơ chế, xét theo quan điểm nhiệt động học thì cơ chế HAT được ưu tiên trong pha khí còn cơ chế SPLET ưu tiên xảy ra 16 trong dung môi nước. - Sự khác nhau đáng kể giữa các giá trị enthalpy trong pha khí và dung môi nước đặc trưng cho những phản ứng liên quan đến phần tử mang điện tích. - Trong số các hợp chất xanhthone nghiên cứu thì hợp chất M10 và M11 có khả năng chống oxy hóa cao nhất. 3.5. KHẢ NĂNG DẬP TẮT GỐC TỰ DO CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT POLYPHENOL 3.5.1. Giới thiệu Trong phần này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống để làm sáng tỏ hơn đặc tính chống oxy hóa của một số hợp chất polyphenol thường được sử dụng (Hình 3.8). 3.5.2. Năng lượng phân ly liên kết và năng lượng ion hóa của một số hợp chất polyphenol Bảng 3.14 trình bày kết quả BDE của một số hợp chất polyphenol tính trong pha khí sử dụng phương pháp ONIOM với mô hình 1A. Dữ liệu trong Bảng 3.14 cho thấy giá trị BDE biến thiên trong khoảng 77,3 đến 83,7 kcal/mol. Độ lệch trung bình của giá trị BDE giữa phương pháp ONIOM và thực nghiệm là khoảng 1,5 kcal/mol. Điều này khẳng định lại một lần nữa về tính chính xác của phương pháp ONIOM(ROB3LYP/ 6- 311++G(2df,2p):PM6) trong tính toán BDE. Đáng chú ý nhất là hợp chất altilisin J và quecertin có giá trị BDE(OH) thấp hơn so với các hợp chất khác với giá trị lần lượt là 77,3 và 78,4 kcal/mol. Nguyên nhân gây ra sự giảm BDE là do ảnh hưởng liên kết hydro nội phân tử của 2 nhóm hydroxyl ở vị trí ortho. Điều này chứng tỏ sự chuyển nguyên tử hydro từ nhóm OH của hợp chất altilisin J và quecertin cho gốc tự do là dễ dàng hơn so với nhóm OH của các hợp chất khác. Vì vậy, nhóm OH ở vị trí số 2 (vòng B) của hợp chất altilisin J và OH ở vị trí số 4 (vòng B) của hợp chất quecertin đóng vai trò quan trọng trong cơ chế chống oxy hóa HAT. OH OH OOH OH O OH O O O O O O H HO HO HO B B B A O OH OHO H3CO HO A C B 1 36 7 OHO O OH OH 1 2 4 1 2 3 4 5 6 A B 3 Altilisin J Flavanone Flavone Chalcone   Mangostin O OOH HO OH OH Quercetin OH B 3 4 3 4 3 4 3 4 1 1 1 1 2 2 2 2 Hình 3.8. Một số hợp chất chống oxy hóa polyphenol 17 Từ kết quả trong Bảng 3.14 cho thấy giá trị IE của các hợp chất polyphenol sắp xếp theo trật tự sau: Flavanone < chalcone < altilisin J < flavone < quecertin < -mangostin. So sánh hai dãy giá trị BDE và IE, chúng ta thấy trật tự sắp xếp của các polyphenol không cùng xu hướng. Sự không đồng nhất này được giải thích là do giá trị BDE bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng cục bộ do nhóm thế gây ra trong khi đó giá trị IE thì bị ảnh hưởng bởi cấu trúc của toàn phân tử. Hay nói cách khác, đối với cơ chế chuyển electron, yếu tố quyết định đến giá trị IE là sự không định vị và liên hợp của electron  hơn là sự có mặt của các nhóm thế trong phân tử. Bảng 3.14. Giá trị BDE(O−H) và IE trong pha khí của một số hợp chất polyphenol Hợp chất Vị trí O−H BDE(O−H) kcal/mol ∆BDEc IEd vertical, eV ONIOMa (Mô hình 1A) Thực nghiệmb -Mangostin 6 (vòng A) 82,8 - - 8,31 Altilisin J 2 (vòng B) 77,3 - - 8,08 Quecertin 4 (vòng B) 78,4 77,6e 0,8 8,22 Chalcone 4 (vòng B) 82,5 81,0 1,5 8,02 Flavone 4 (vòng B) 82,6 80,6 1,0 8,19 Flavanone 4 (vòng A) 83,7 80,9 2,8 8,00 a Tính ở mức lý thuyết ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6). b Tham khảo tài liệu [24]. c ∆BDE = BDE (ONIOM) - BDE (thực nghiệm). d Tính bằng phương pháp PM6. e Tham khảo tài liệu [34]. 3.5.3. Phản ứng dập tắt gốc tự do peroxyl (CH3OO•) của một số hợp chất polyphenol Quan sát ở Hình 3.10 ta thấy khuynh hướng phản ứng của các polyphenol với gốc tự do CH3OO• là khá giống nhau. Các trạng thái trung gian Int‒1 tạo thành bền hơn so với chất tham gia phản ứng khoảng 3,5 − 7,9 kcal/mol. Năng lượng của các trạng thái trung gian Int‒2 có giá trị thấp hơn năng lượng của các trạng thái Int‒1 tương ứng khoảng 8,2 − 15,1 kcal/mol. Điều này cho thấy liên kết hydro ArOHOOCH3 trong trạng thái trung gian Int‒2 bền hơn so với liên kết hydro ArOHOOCH3 trong trạng thái trung gian Int‒1. Trạng thái chuyển tiếp (TS) là các điểm yên ngựa trên giản đồ năng lượng phản ứng (Hình 3.10). Hàng rào năng lượng tương ứng với các trạng thái chuyển tiếp TS-altilisin J, TS--mangostin, TS- flavanone, TS-chalcone, TS-flavone và TS-quecertin có giá trị lần 18 lượt là 15,3; 20,4; 18,4; 18,6; 19,7 và 16,1 kcal/mol. Tất cả các phản ứng giữa polyphenol và gốc tự do CH3OO• đều là phản ứng tỏa nhiệt. Sản phẩm tạo thành (gốc tự do phenoxyl) có năng lượng tương đối thấp hơn so với chất phản ứng khoảng 9,6 – 17,5 kcal/mol. Điều này chứng tỏ gốc tự do phenoxyl được tạo thành bền hơn và ít có khả năng phản ứng hơn gốc tự do CH3OO•. Từ việc so sánh các giá trị trong Bảng 3.14 và Hình 3.10, chúng tôi có thể kết luận rằng chất chống oxy hóa có giá trị BDE (tại liên kết cần nghiên cứu) càng thấp thì phản ứng tách hydro sẽ có hàng rào năng lượng càng nhỏ và tỏa nhiệt mạnh. 3.5.4. Nhận xét Trong nghiên cứu này, khả năng chống oxy hóa của các hợp chất polyphenol tự nhiên đã được nghiên cứu bằng các phương pháp hóa tính toán thông qua hai cơ chế HAT và SET-PT. Kết quả nghiên cứu cho thấy cấu trúc ortho-dihyroxyl có vai trò rất quan trọng trong cơ chế HAT, là nguyên nhân làm tăng khả năng chống oxy hóa của nhóm hydroxyl trong các hợp chất polyphenol. Ngoài ra, giản đồ năng lượng phản ứng giữa CH3OO• và các hợp chất polyphenol cũng được thiết lập. Các phản ứng dập tắt gốc tự do của polyphenol đều là phản ứng tỏa nhiệt và thuận lợi về mặt nhiệt động. Hơn nữa, chúng tôi cũng chỉ ra được mối quan hệ tuyến tính rất tốt giữa BDE và hàng rào năng lượng. 3.6. CHỨC NĂNG HÓA FULLERENE BẰNG CÁC DẪN XUẤT MALONATE 3.6.1. Giới thiệu Dựa trên quá trình tổng hợp được mô tả trong nghiên cứu của Enes, sơ đồ của quá trình tổng hợp các dẫn xuất fullerene - flavonoid được trình bày trong Hình 3.13. 3.6.2. Cơ chế phản ứng Bingel - Hirsch Bởi vì trong phân tử C60 có 2 loại liên kết C−C bao gồm: liên kết (6,6) và liên kết (5,6) (Hình 3.13) nên sản phẩm tạo thành sẽ có hai đồng Hình 3.10. Giản đồ năng lượng phản ứng giữa một số hợp chất polyphenol và gốc tự do CH3OO• 19 phân tương ứng (6,6)-C60C(COOCH3)2 và (5,6)-C60C(COOCH3)2. Các đường phản ứng cho sự hình thành các sản phẩm đồng phân của C60C(COOCH3)2 được minh họa ở Hình 3.14. Mỗi sản phẩm đồng phân hình thành sẽ đi qua 2 trạng thái chuyển tiếp (TS). Chẳng hạn, phản ứng đóng vòng qua trạng thái chuyển tiếp TS(6,6)-1 hoặc TS(6,6)-2 sẽ tạo thành sản phẩm (6,6)-C60C(COOCH3)2. Còn sản phẩm (5,6)-C60C(COOCH3)2 hình thành khi phản ứng đóng vòng qua trạng thái chuyển tiếp TS(5,6)-1 hoặc TS(5,6)-2 (Hình 3.14). So sánh hàng rào năng lượng của các đường phản ứng này thì sự hình thành sản phẩm (6,6)- C60C(COOCH3)2 qua trạng thái chuyển tiếp TS(6,6)-1 là thuận lợi nhất, có giá trị hàng rào năng lượng tướng ứng là 17,6 kcal/mol. Ba con đường phản ứng còn lại (đi qua các trạng thái chuyển tiếp TS(6,6)-2, TS(5,6)-1 và TS(5,6)-2) thì không ưu tiên vì có hàng rào năng lượng cao hơn tương ứng với các giá trị 43,2; 34,4 và 49,0 kcal/mol. Điều này gây khó khăn cho các tiểu phân khi phản ứng vì chúng cần cung cấp một năng lượng tương đương để có thể xảy ra va chạm có hiệu quả để hình thành sản phẩm. Năng lượng tương đối của trạng thái trung gian thấp hơn năng lượng các chất phản ứng khoảng 24,0 kcal/mol. Kết quả này cho thấy trạng thái trung gian tạo thành bền hơn so với các phản ứng ban đầu. Từ kết quả giản đồ năng lượng phản ứng giữa ion âm dimethyl bromomalonate với fullerene, chúng tôi có thể kết luận rằng phản ứng chức năng hóa fullerene ưu tiên xảy ra ở vị trí liên kết (6,6) và con đường phản ứng đi qua trạng thái chuyển tiếp TS(6,6)-1 là thuận lợi về mặt nhiệt động. Hình 3.13. Phản ứng Bingel - Hirsch giữa các dẫn xuất của malonate và fullerene Hình 3.14. Giản đồ năng lượng của phản ứng giữa ion âm dimethyl bromomalonate và fullerene [6,6] [5 ,6 ] C C Br O RO O OMe Br RO OMe O O C C O RO O OMe -Br R = Methyl (Me) : R = Flavone : R = Chalcone : OH OH OOH OH R = Flavanone : O H2C OH O O H2C O O O H2C O H -CH3 20 3.6.3. Phản ứng đóng vòng giữa fullerene và dẫn xuất flavonoid malonate có nguồn gốc từ chalcone, flavone và flavanone Quan sát ở Hình 3.17 cho thấy rằng khuynh hướng phản ứng của các flavonoid malonate với fullerene là khá giống nhau. Đầu tiên, tạo thành các trạng thái trung gian Int- chalcone, Int-flavone và Int- flavanone có năng lượng thấp hơn so với các chất phản ứng tương ứng là −16,0; −12,3 và −13,7 kcal/mol. Điều này chứng tỏ rằng trạng thái trung gian tạo thành bền hơn so với chất tham gian phản ứng. Hàng rào năng lượng tương ứng với các trạng thái chuyển tiếp TS-chalcone, TS- flavone và TS-flavanone có giá trị lần lượt là 16,8; 11,4 và 16,3 kcal/mol. Năng lượng tương đối của các phức chất sản phẩm PC- chalcone, PC-flavone và PC-flavanone so với chất phản ứng có giá trị lần lượt là: −18,3; −15,8 và −14,3 kcal/mol. Các sản phẩm P-chalcone, P-flavone và P-flavanone hình thành sau khi ion âm brom thoát ra mà không qua trạng thái chuyển tiếp nào, có giá trị năng lượng tương đối cao hơn so với chất phản ứng tương ứng là: 8,4; 5,3 và 7,0 kcal/mol. Từ các kết quả nghiên cứu ở trên, chúng tôi có thể kết luận rằng nghiên cứu lý thuyết về quá trình hình thành sản phẩm fullerene- flavonoid ở vị trí liên kết (6,6) là phù hợp với kết quả thực nghiệm. 3.6.4. Nhận xét Cơ chế của phản ứng Bingel - Hirsch giữa ion âm dimethyl bromomalonate và fullerene được nghiên cứu chi tiết bằng phương pháp bán thực nghiệm PM6 kết hợp với phương pháp DFT. Kết quả cho thấy rằng con đường phản ứng đi qua trạng thái chuyển tiếp TS(6,6)-1 để hình thành sản phẩm (6,6)-C60C(COOCH3)2 là chiếm ưu thế nhất theo quan điểm của nhiệt động học. Ngoài ra, giản đồ năng lượng của phản ứng đóng vòng xảy ra ở liên kết (6,6) giữa các dẫn xuất malonate có nguồn gốc từ chalcone, flavone và flavanone với fullerene cũng được thiết lập. Kết quả nghiên cứu lý thuyết về quá trình hình thành sản phẩm fullerene- flavonoid ở liên kết (6,6) là phù hợp với kết quả thực nghiệm. Hình 3.17. Giản đồ năng lượng của phản ứng flavonoid malonate với fullerene 21 3.7. KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC DẪN CHẤT LAI HÓA FULLERENE VÀ CHALCONE, FLAVONE, FLAVANONE 3.7.1. Giới thiệu 3.7.2. Khả năng chống oxy hóa của các dẫn chất lai hóa fullerene và chalcone, flavone, flavanone Bảng 3.18. Giá trị BDE(O−H) và IE của dẫn xuất C60-chalcone, C60- flavone và C60-flavanone Kết quả Bảng 3.18 cho thấy rằng fullerene có ảnh hưởng rất lớn đến BDE(O−H) của các hợp chất flavonoid. Điều này có thể giải thích là do tương tác của phân tử fullerene lên liên kết O−H. Giá trị BDE(O−H) của dẫn xuất C60-chalcone, C60- flavone và C60-flavanone lần lượt là: 66,5; 70,3 và 68,5 kcal/mol. So sánh với dữ liệu BDE của chalcone, flavone và flavanone, ta thấy BDE của dẫn xuất fullerene giảm rất đáng kể với mức giảm trung bình khoảng 14,5 kcal/mol. Giá trị IE (Bảng 3.18) của các dẫn xuất fullerene -flavonoid cao hơn các flavonoid (chalcone, flavone và flavanone) khoảng 0,87 eV. Do đó, các dẫn xuất fullerene rất khó cho electron, hiện tượng này xảy ra là vì phân tử fullerene có ái lực electron rất cao. 3.7.3. Nhận xét Trong phần nghiên cứu này, các giá trị BDE(O−H) của các dẫn xuất fullerene - flavonoid được tính bằng phương pháp ONIOM 1A dao động trong khoảng 66,5 − 70,3 kcal/mol. Điều này cho thấy rằng đây là những hợp chất này có khả năng chống oxy hóa mạnh theo cơ chế HAT. Ngược lại với xu hướng của BDE, các giá trị IE của dẫn xuất fullerene - flavonoid cao hơn so với các flavonoid. Vì vậy, trong cơ chế chuyển electron (SET) các hợp chất fullerene - flavonoid không được ưu tiên, khó cho electron hơn so với các hợp chất flavonoid. Nguyên nhân của hiện tượng này có thể được giải thích là do sự ái lực electron rất cao của phân tử fullerene. Hợp chấta BDE(O−H)b - kcal/mol IEc vertical - eV P-chalcone 66,5 (82,5) 8,97 [8,02]d P-flavone 70,3 (82,6,) 8,96 [8,19] d P-flavanone (vòng A) 68,5 (83,7) 8,89 [8,00] d a Cấu trúc các dẫn xuất C60-flavonoid được hiển thị Hình 3.18. b Tính bằng phương pháp ONIOM((RO)B3LYP/6- 311++G(2df,2p):PM6); Dữ liệu trong dấu ngoặc đơn là giá trị BDE của chalcone, flavone và flavanone (đơn vị kcal/mol). c Tính bằng phương pháp PM6. d Dữ liệu trong dấu ngoặc vuông là giá trị IE của chalcone, flavone và flavanone. 22 3.8. THIẾT KẾ CÁC HỢP CHẤT CHỐNG OXY HÓA CÓ NGUỒN GỐC TỪ CÂY SA KÊ VÀ MĂNG CỤT TRÊN NỀN FULLERENE 3.8.1. Giới thiệu Trên cơ sở các thông tin thu được từ nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết về phản ứng chức năng hóa fullerene bằng các dẫn xuất malonate, chúng tôi đã thiết kế chất chống oxy hóa mới có nguồn gốc từ cây sa kê và măng cụt trên nền fullerene (C60) bằng phương pháp hóa tính toán. Sơ đồ của quá trình tổng hợp được minh họa ở Hình 3.20. 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 Tiếp nối các kết quả nghiên cứu của phần trước, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu phản ứng đóng vòng xảy ra ở liên kết (6,6) giữa các dẫn xuất malonate có nguồn gốc từ altilisin J và mangostin với fullerene. Giản đồ năng lượng của phản ứng giữa dẫn xuất malonate với fullerene được minh họa ở Hình 3.21. Quan sát Hình 3.21 cho thấy khuynh hướng phản ứng của các dẫn xuất malonate với fullerene là khá giống nhau. Đầu tiên, các phản ứng tạo thành các trạng thái trung gian Int-1a, Int-2a và Int-3a có năng lượng thấp hơn so với các chất phản ứng ban đầu tương ứng là −14,0; −10,3 và −18,0 kcal/mol. Điều này chứng tỏ rằng trạng thái trung gian tạo thành bền OH3CO O O +C60(CBr4, DBU, rt) OH3CO O O OH3CO O O +C60(CBr4, DBU, rt) OH3CO O O +C60(CBr4, DBU, rt) OH3CO O O C60-Altilisin J OH3CO O O OO OH O OCH3 OH C60-Mangosteen-1 OO O OH OH 1 2 4 1 2 3 4 5 6 A B 3 OO O OH OH 1 2 4 1 2 3 4 5 6 A B 3 O OH O O H3CO OH O OH O O H3CO OH OO OH O OCH3 OH C60-Mangosteen-2(1) (2) (3) B B B B 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Hình 3.20. Phản ứng Bingel - Hirsch giữa các dẫn xuất của malonate và fullerene Hình 3.21. Giản đồ năng lượng của phản ứng giữa ion âm dimethyl bromomalonate có nguồn gốc từ cây sa kê và măng cụt với fullerene 23 hơn so với chất tham gian phản ứng. Hàng rào năng lượng tương ứng với các trạng thái chuyển tiếp TS-1, TS-2 và TS-3 có giá trị lần lượt là 15,1; 11,2 và 15,4 kcal/mol. Năng lượng tương đối của các phức chất sản phẩm Int-1b, Int-2b và Int-3b so với chất phản ứng ban đầu có giá trị lần lượt là: −13,2; −8,7 và −19,0 kcal/mol. Các sản phẩm P-1, P-2 và P-3 được hình thành sau khi ion âm brom thoát ra mà không qua trạng thái chuyển tiếp nào, có giá trị năng lượng tương đối cao hơn so với chất phản ứng tương ứng là: 9,5; 8,3 và 7,3 kcal/mol. 3.8.3. Khả năng chống oxy hóa của các dẫn xuất fullerene-altilisin J và fullerene-mangostin Dữ liệu trong Bảng 3.20 cho thấy fullerene có ảnh hưởng rất lớn đến BDE(OH) của mangostin và altilisin J với độ giảm trung bình 13,5 kcal/mol. Điều này có thể giải thích do tương tác của phân tử fullerene lên liên kết OH. Giá trị BDE(OH) của các hợp chất C60- mangostin-1, C60-mangostin-2 và C60-altilisin J lần lượt là: 69,3; 67,7 và 65,3 kcal/mol. Từ kết quả Bảng 3.20 cho thấy giá trị IE và EA của các dẫn xuất fullerene lớn hơn đáng kể so với mangostin và altilisin J. Do đó, các dẫn xuất fullerene rất khó cho electron nhưng ngược lại sự nhận electron thì dễ dàng hơn so với hợp chất ban đầu. Hiện tượng này xảy ra là vì phân tử fullerene có ái lực electron rất cao. Kết quả nghiên cứu trên cho thấy các dẫn xuất fullerene đã kết hợp được cả tính chất của fullerene và hợp chất phenolic nên vừa có khả năng chống oxy hóa theo cơ chế ngắt mạch oxy hóa vừa là “chiếc lồng thu nhặt gốc tự do”. 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 3.8.4. Nhận xét Các tính toán lý thuyết đã được tiến hành để dự đoán sự hình thành sản phẩm chống oxy hóa tiềm năng giữa fullerene và các dẫn xuất malonate có nguồn gốc từ cây sa kê và măng cụt thông qua phản ứng Bingel - Hirsch. Giản đồ năng lượng của phản ứng đóng vòng giữa fullerene và dẫn xuất malonate ở vị trí liên kết (6,6) cũng được thiết lập. Năng lượng phản Hợp chất BDE(O−H)a kcal/mol IEb vertical, eV EAb vertical, eV Mangostin 82,8 8,31 1,47 Altilisin J 77,3 8,08 2,14 C60-mangostin-1 69,3 8,90 3,53 C60-mangostin-2 67,7 8,91 3,56 C60-altilisin J 65,3 8,92 3,61 a Sử dụng mô hình 1A và tính ở mức ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6). b Tính bằng phương pháp PM6. 24 ứng tương đối giữa fullerene với các dẫn xuất malonat mangostin-1, mangostin-2 và altilisin J lần lượt là: 9,5; 8,5 và 7,3 kcal/mol. Các dẫn xuất fullerene mới được đánh giá là có khả năng chống oxy hóa cao thông qua các thông số đặc trưng như: BDE, IE và EA. Cấu trúc phân tử fullerene ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chống oxy hóa của các hợp chất fullerene-altilisin J và fullerene-mangostin: làm giảm giá trị BDE nhưng lại tăng IE và EA. NHỮNG KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Trong luận án này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống khả năng chống oxy hóa của các hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê, măng cụt và dẫn xuất fullerene - flavonoid bằng phương pháp hóa tính toán. Thông qua đó, chúng tôi đã thiết kế các hợp chất chống oxy hóa có nguồn gốc từ thiên nhiên trên nền fullerene. Qua quá trình nghiên cứu, chúng tôi rút ra một số kết luận sau: 1. Đã chứng minh được tính chính xác và độ tin cậy của phương pháp ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) thông qua 7 mô hình khác nhau. Trong đó, phương pháp ONIOM 1A là sự lựa chọn tốt nhất dùng để tính BDE(O−H) của các hợp chất phenolic. 2. Từ sự phân tích và so sánh giữa giá trị tính toán và giá trị thực nghiệm, chúng tôi có thể kết luận rằng phương pháp PM6 được xem là phương pháp thích hợp để tính năng lượng ion hóa của các hợp chất là dẫn xuất phenol. 3. Đã nghiên cứu khả năng chống oxy hóa các hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê và măng cụt thông qua 3 cơ chế HAT, SET-PT và SPLET. Dựa vào giá trị BDE(O−H), hợp chất S12, M10 và M11 được xem như là một chất chống oxy hóa tiềm năng với giá trị BDE tính trong pha khí lần lượt là 77,3; 82,3 và 82,8 kcal/mol. 4. Đã nghiên cứu khả năng dập tắt gốc tự do CH3OO• của một số hợp chất polyphenol bằng phương pháp hóa tính toán. Hàng rào năng lượng của phản ứng giữa gốc tự do CH3OO• và altilisin J, - mangostin, flavanone, chalcone, flavone và quecertin có giá trị lần lượt là 15,3; 20,4; 18,4; 18,6; 19,7 và 16,1 kcal/mol. 5. Đã làm sáng tỏ cơ chế của phản ứng Bingel - Hirsch giữa ion âm dimethyl bromomalonate và fullerene (C60). Kết quả nghiên cứu 25 cho thấy rằng sản phẩm tạo thành ở liên kết (6,6) là ưu tiên hơn so với liên kết (5,6), điều này cũng phù hợp với kết quả thực nghiệm [24] và con đường phản ứng đi qua trạng thái chuyển tiếp TS(6,6)-1 là thuận lợi về mặt nhiệt động. 6. Đã tính được giá trị BDE(O−H) của dẫn xuất C60-chalcone, C60-flavone và C60-flavanone lần lượt là 66,5; 70,3 và 68,5 kcal/mol, thấp hơn rất nhiều so với giá trị BDE(O−H) của các hợp chất flavonoid với độ giảm trung bình 14,5 kcal/mol. Tuy nhiên, giá trị IE của các dẫn xuất fullerene này thì cao hơn so với các flavonoid (chalcone, flavone và flavanone) khoảng 0,87 eV. Vì vậy, các dẫn xuất fullerene - flavonoid dễ cho nguyên tử hydro nhưng khó cho electron. 7. Đã thiết kế được các hợp chất chống oxy hóa mới từ fullerene và hợp chất phenolic có nguồn gốc thiên nhiên bằng phản ứng Bingel- Hirsch. Khả năng chống oxy hóa của các hợp chất này được khảo sát thông qua các thông số đặc trưng là BDE, IE và EA. Kết quả nghiên cứu trên cho thấy các dẫn xuất fullerene mới có khả năng chống oxy hóa rất cao vì đã kết hợp được cả tính chất của fullerene và hợp chất phenolic. NHỮNG ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Những kết quả đạt được trong luận án đã mở ra những định hướng nghiên cứu triển vọng có thể tiếp cận trong thời gian đến để đề tài này hoàn chỉnh. Cụ thể: 1. Tiếp tục nghiên cứu về mặt động hóa học khả năng chống oxy hóa của các hợp chất polyphenol và dẫn xuất fullerene. 2. Tiến hành tổng hợp các dẫn xuất fullerene - polyphenol và thử hoạt tính sinh học trong in vivo và in vitro. 3. Kết hợp phương pháp lý thuyết với thực nghiệm để đánh giá và làm rõ hoạt tính và cơ chế chống oxy hóa của các hợp chất có nguồn gốc thiên nhiên. Trên cơ sở đó có thể thiết kế và tổng hợp các hợp chất mới có khả năng chống oxy hóa cao. 26 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1. Nguyen Minh Thong, Thi Chinh Ngo, Duy Quang Dao, Tran Duong, Quoc Tri Tran, Pham Cam Nam (2016), “Functionalization of fullerene via the Bingel reaction with α-chlorocarbanions: an ONIOM approach”, Journal of Molecular Modeling, 22, pp.113-121. 2. Nguyen Minh Thong, Duy Quang Dao, Thi Chinh Ngo, Trinh Le Huyen, Pham Cam Nam (2016), “Antioxidant activities of [60]fullerene derivatives from chalcone, flavone and flavanone: A ONIOM approach via H-atom and electron transfer mechanism”, Chemical Physics Letters, 652, pp.56–61. 3. Nguyen Minh Thong, Thi Chinh Ngo, Truc Xuyen Nguyen Phan, Duy Quang Dao, Truong Van Nam, Phan Thi Tuyet Trinh, Pham Cam Nam (2015) “A Study of the Substituent Effects on the O−H Bond Dissociation Enthalpies of Phenol Derivatives Using the ONIOM Method”, American Journal of Chemistry, 5(4), pp.91-95. 4. Nguyen Minh Thong and Pham Cam Nam (2015) “Theoretical investigation on antioxidant activity of phenolic compounds extracted from Artocarpus altilis”, Springer International Publishing, 46, pp. 464-469. 5. Nguyen Minh Thong, Duong Tuan Quang, Ngoc Hoa Thi Bui, Duy Quang Dao, Pham Cam Nam (2015), “Antioxidant properties of xanthones extracted from the pericarp of Garcinia mangostana (Mangosteen): A theoretical study”, Chemical Physics Letters, 625, pp. 30–35. 6. Nguyen Minh Thong, Tran Duong, Linh Thuy Pham, and Pham Cam Nam (2014), “Theoretical investigation on the bond dissociation enthalpies of phenolic compounds extracted from Artocarpus altilis using ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p): PM6) method”, Chemical Physics Letters, 613, pp. 139–145. 7. Nguyễn Minh Thông và Phạm Cẩm Nam (2016), “Nghiên cứu phản ứng chức năng hóa fullerene (C60) với các dẫn xuất flavonoid malonate bằng phương pháp hóa tính toán”, Tạp chí KHCN - ĐHĐN, Số 5(102), trang 100. 8. Nguyễn Minh Thông, Đào Duy Quang, Ngô Thị Chinh, Trần Dương, Phạm Cẩm Nam (2016), “Nghiên cứu khả năng dập tắt gốc tự do (ROO•) của các hợp chất polyphenol tự nhiên bằng phương pháp hóa tính toán”, Tạp chí Khoa học Đại học Huế, Số 3(117). 9. Nguyễn Minh Thông, Phạm Lê Minh Thông, Đinh Tuấn (2016), “Thiết kế các hợp chất chống oxy hóa từ một số dẫn xuất malonate của Altilisin J và Mangostin trên nền Fullerene (C60) bằng phương pháp hóa tính toán”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ (Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam), Số 54.