Tóm tắt luận án tiến sĩ Hóa lý thuyết và Hóa lý: 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 Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý

Mã số: 62.44.01.19

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ HUẾ, NĂM 2016

Công trình được hoàn thành tại Khoa Hóa học, trường Đại học Khoa

học, Đại học Huế.

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS. Phạm Cẩm Nam

2. PGS.TS. Trần Dương

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Huế chấm luận

án tiến sĩ họp tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:.....................................................

MỞ ĐẦU

Sự thoái hóa của tế bào là nguyên nhân chính gây nên các bệnh tật trong cơ thể con người. Bệnh ung thư cũng có liên quan đến sự thoái hóa của tế bào, các tế bào ác tính nói chung hoạt động hơn tế bào bình thường trong việc tạo ra superoxide (các hợp chất chứa liên kết đơn O−O). Các bệnh tật này là kết quả của sự tạo ra quá nhiều tác nhân phản ứng chứa oxy (Reactive Oxygen Species−ROS) trong các hoạt động trao đổi chất của tế bào, dẫn đến sự hư tổn tế bào bao gồm peroxy hóa lipid, hình thành sản phẩm cộng DNA, quá trình oxy hóa protein, làm mất hoạt tính enzyme và cuối cùng có thể dẫn đến chết tế bào. Cơ thể động vật hay con người thường lưu giữ các hợp chất có tính chống oxy hóa cao như gluthathione, vitamin E, vitamin C... Khi hàm lượng các chất chống oxy hóa trong cơ thể giảm xuống sẽ làm tăng nguy cơ hủy hoại các tế bào. Tuy nhiên, những ảnh hưởng bất lợi của ROS có thể được ngăn ngừa bằng cách bổ sung chế độ ăn giàu thực phẩm có chứa chất chống oxy hóa (các loại đậu, rau và trái cây tươi…) với tác dụng có lợi cho sức khỏe con người. Các chất chống oxy hóa tự nhiên như các hợp chất polyphenol có khả năng loại bỏ gốc tự do, ngăn chặn quá trình oxy hóa rất hiệu quả. Trong tự nhiên, cây sa kê và vỏ măng cụt được biết đến là một nguồn hợp chất polyphenol rất dồi dào. Vấn đề nghiên cứu thực nghiệm về hoạt tính chống oxy hóa của các hợp chất chiết xuất từ cây sa kê và vỏ măng cụt yêu cầu trải qua nhiều giai đoạn phức tạp: Sàn lọc từ các hợp chất tự nhiên, phân lập, xác định cấu trúc, thử nghiệm hoạt tính sinh học... đòi hỏi một khối lượng công việc rất lớn. Thực tế cho thấy trên thế giới xu hướng kết hợp nghiên cứu giữa các nhóm tính toán lý thuyết và thực nghiệm phát triển rất mạnh mẽ. Các tính toán lý thuyết có thể cung cấp các thông tin nền tảng như các thông số cấu trúc, năng lượng và một số tính chất quan trọng khác góp phần định hướng làm thực nghiệm và ngược lại kết quả thực nghiệm sẽ làm sáng tỏ và chứng minh tính đúng đắn của tính toán lý thuyết. Do đó, việc bố trí nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu hóa tính toán đan xen nhau một cách hợp lý sẽ giúp giảm thiểu được khối lượng thực nghiệm và kết quả thu được cũng được lý giải một cách logic và khoa học hơn. Mặc dù, các kết quả thực nghiệm về hoạt tính sinh học của các hợp chất chiết xuất từ cây sa kê và vỏ măng cụt đã được báo cáo, nhưng việc mô phỏng đánh giá khả năng chống oxy hóa bằng hóa học tính toán là một bước mới, chưa có nghiên cứu lý

1

thuyết nào phân tích khả năng chống oxy hóa của các hợp chất này cũng như xác định cơ chế của phản ứng dập tắt gốc tự do.

Ngoài hợp chất polyphenol thì gần đây nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng fullerene (C60) phản ứng với các gốc tự do và hoạt động như một chất dập tắt gốc tự do hiệu quả. Điều này đã được thử nghiệm cả in vitro và in vivo. Hiệu quả chống oxy hóa của chúng được chứng tỏ cao hơn so với vitamin E trong việc ngăn cản sự oxy hóa của lipid bởi các tác nhân superoxide và gốc tự do hydroxyl. Tuy nhiên, việc ứng dụng fullerene trong lĩnh vực làm chất chống oxy hóa còn hạn chế bởi vì nó chỉ đóng vai trò như chiếc lồng thu nhận các gốc tự do có trung tâm phản ứng ở nguyên tử carbon chứ không phải là chất chống oxy hóa xảy ra theo cơ chế ngắt mạch. Do vậy, fullerene không có hiệu quả trong việc dập tắt phản ứng của các gốc tự do peroxyl trong giai đoạn phát triển mạch của phản ứng dây chuyền. Để cải thiện điều này, một số phương pháp chức năng hóa fullerene đã được đề xuất tạo ra một loạt các dẫn xuất C60 với những tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Cho đến nay đã có nhiều chất được sử dụng làm chất chống oxy hóa trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một vấn đề đang được quan tâm hiện nay là làm sao tạo ra các chất chống oxy hóa hiệu quả cao không độc hại đến môi trường và con người để có thể sử dụng trong y học, thực phẩm, dược phẩm… Một trong những cách tốt nhất để lợi dụng cấu trúc độc đáo của fullerene là dùng nó để làm nền cho các phân tử thuốc đính tử vào. Trong những năm qua, một số lượng lớn các nghiên cứu thực nghiệm đã tập trung vào tính chất chống oxy hóa của dẫn xuất fullerene-polyphenol. Tuy nhiên, một nghiên cứu lý thuyết có tính hệ thống về mối quan hệ giữa đặc điểm cấu trúc và khả năng chống oxy hóa của dẫn xuất fullerene-polyphenol, cũng như nghiên cứu định hướng để thiết kế và hỗ trợ cho quá trình bán tổng hợp các phân tử có hoạt tính sinh học cao hơn so với hợp chất tự nhiên chưa được thực hiện.

Với những lý do nêu trên, chúng tôi chọn đề tài luận án tiến sĩ: “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“.

Mục tiêu của luận án: - 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.

2

- 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.

Ý nghĩa khoa học của luận án: Triển khai một hướng nghiên cứu mới, phù hợp với xu thế chung trên thế giới cũng như các điều kiện của Việt Nam: Tìm kiếm chất chống oxy hóa xanh thân thiện môi trường. Bên cạnh đó, luận án còn có vai trò đóng góp vào việc khẳng định khả năng tổng hợp các chất chống oxy hóa trên nền fullerene đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu và hướng tới việc ứng dụng trong nước.

Những đóng góp mới của luận án: - Đã tiến hành nghiên cứu một cách có hệ thống khả năng chống oxy hóa của một số hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê và vỏ măng cụt thông qua 3 cơ chế HAT, SET−PT và SPLET. Trong đó, hợp chất S12, M10 và M11 được xem là những chất chống oxy hóa tiềm năng với giá trị BDE(O−H) trong pha khí lần lượt là 77,3; 82,3; 82,8 kcal/mol.

- Đã làm rõ được cơ chế phản ứng Bingel − Hirsch giữa ion âm dimethyl bromomalonate và fullerene (C60). Trong bốn đường phản ứng thì đường phản ứng đi qua trạng thái chuyển tiếp TS(6,6)-1 để hình thành sản phẩm ở vị trí liên kết (6,6) là thuận lợi về mặt nhiệt động, điều này cũng phù hợp với kết quả thực nghiệm.

- Đã thiết kế các hợp chất chống oxy từ một số dẫn xuất malonate của altilisin J và mangostin trên nền fullerene bằng phương pháp hóa tính toán. Các hợp dẫn xuất fullerene mới có khả năng chống oxy hóa cao hơn so với hợp chất ban đầu, được đánh giá thông qua các thông số đặc trưng như: BDE, IE và EA.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU

Phần tổng quan giới thiệu về các hợp chất polyphenol, cơ chế chống oxy hóa của hợp chất polyphenol, hợp chất chất fullerene và hóa học tính toán ứng dụng trong nghiên cứu các hợp chất polyphenol và dẫn xuất fullerene.

CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3

2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 2.2.1. Cơ sở phương pháp tính toán 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 TOÁN 2.3.1. Phần mềm Gaussian 09W 2.3.2. Phần mềm Gaussview 5 2.4. HÓA HỌC TÍNH TOÁN 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 và tính hàng rào năng lượng 2.4.3. Năng lượng điểm đơn (single point energy) 2.4.4. Các đại lượng nhiệt động xác định khả năng chống oxy hóa của hợp chất polyphenol 2.4.5. Mô hình hóa các hệ phân tử trong dung môi

CHƯƠNG 3. 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 mô hình ONIOM 2 lớp

Trong Hình 3.1, chúng tôi mô tả 7 cách chọn các lớp trong mô hình ONIOM. Trong đó, mỗi phân tử được chia thành 2 lớp: các nguyên tử ở vị trí phân ly liên kết được chọn làm lớp cao, các nguyên tử phần còn lại được chọn làm lớp thấp.

Tương ứng với lớp cao thì được tính bằng phương pháp (RO)B3LYP/6- 311++ G(2df,2p), còn lớp thấp thì được tính bằng phương pháp PM6.

Hình 3.1. Cách chọn các mô hình ONIOM 2 lớp

4

3.1.2. Áp dụng cho các dẫn xuất của phenol

Các kết quả tính toán trong Hình 3.2 chỉ ra rằng các giá trị BDE(O−H) sử dụng mô hình 1A có độ chính xác cao và gần với giá trị thực nghiệm. Vì vậy, chúng tôi chọn mô hình 1A và phương pháp ONIOM (ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) cho nghiên cứu BDE(O-H) tiếp theo.

Hình 3.2. So sánh giá trị BDE(O-H) của dẫn xuất phenol được tính bằng 7 mô hình ONIOM với dữ liệu thực nghiệm

Tuy nhiên, độ tin cậy của mô hình 1A cần được kiểm tra thêm trên các phân tử có kích thước lớn hơn như ubiquinol-2, ubiquinol- 6 và ubiquinol-10 (trong đó ubiquinol-10 là một chất oxy hóa mạnh). Kết quả tính BDE(O−H) của các ubiquinol được trình bày trong Bảng 3.2 cho thấy rằng giá trị BDE(O−H) tính toán lý thuyết có sự tương đồng rất tốt so với giá trị thực nghiệm với độ lệch chỉ ±1 kcal/mol.

Phân tử

3.1.3.Áp dụng cho các hợp chất flavonoid

Bảng 3.2. Giá trị BDE(O−H) của các ubiquinol (kcal/mol) BDE (O–H)b -0,4 -0,4 -0,7

Giá trị thực nghiệma 82,3 82,3 78,5 BDE (O–H) 81,9 81,9 77,8

Ubiquinol-2 Ubiquinol-6 Ubiquinol-10 aTham khảo từ tài liệu [71]. bBDE(O–H) = BDE(O–H)ONIOM 1A – BDE(O–H)thực nghiệm.

Trong Hình 3.4, một

Hình 3.4. Các hợp chất flavonoid dùng để khảo sát mô hình ONIOM

loạt các flavonoid bao gồm chalcone, flavone và flavanone được dùng để tính BDE(O-H) với các cách chọn mô hình ONIOM 2 lớp được mô tả trong Hình 3.1, trong đó mô hình "full" có nghĩa là tất cả các nguyên tử trong phân tử flavonoid đều

5

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.

Hợp chất BDE(O−H) Vị trí O−H Pha khí Pha khí 2’−OH 2’-hydroxyl chacone 85,4a; 83,1 [130]

3’−OH 3’-hydroxyl chacone 88,8a; 86,2 [130]

4’−OH 4’-hydroxyl chacone 84,9a; 81,9 [130]; 83,9 [52]; 81,1 [132]

4’−OH Apigenin

87,2a; 88,8 [65]; 82,2 [62, 120] ; 84,37 [104] 4’−OH Kaempferol

83,7a; 86,5 [65]; 80,94 [60]; 80,78 [120]

3’−OH Quercetin

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) Giá trị BDE(O−H) tính bằng phương pháp ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) Mô hình 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A

85,6(+0,2) 81,4(−4,0) 82,7(−2,7) 81,0(−4,4) 87,9(−0,9) 85,0(−3,8) 83,8(−5,0) 84,3(−4,5) 85,9(−1,0) 83,2(−1,7) 81,9(−3,0) 82,4(−2,5) 89,4(+2,2) 86,6(−0,6) 85,4(−1,8) 85,9(−1,3) 85,0(+1,3) 81,2(−2,5) 82,3(−1,4) 80,9(−2,8) 80,5(+0,4) 75,7(−4,4) 78,6(−1,5) 73,1(−7,0) 81,8(−3,6) 77,1(−8,3) 78,2(−7,2) 86,6(+1,2) 83,5(−5,3) 80,5(−8,3) 83,0 (−5,8) 88,9(+0,1) 81,7(−3,2) 78,7(−6,2) 77,5(−7,4) 87,2(+2,3) 85,1(−2,1) 82,0(−5,2) 80,77(−6,3) 90,4(−3,2) 81,6(−2,1) 76,7(−7,0) 77,9(−5,8) 86,4(+2,7) 75,5(−4,6) 70,3 (−9,8) 74,6 (−5,5) 79,4 (−0,7) Mô hình 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 4’−OH Quercetin

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) 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 Naringenin 87,9a; 92,73 [44] 1A 3A 3B 5A 5B 5C 5D 7A 85,6(2,3) 80,7(7,2) 81,8(6,1) 90,1(+2,2) 89,0(+1,1) 85,2(2,7) 86,1(1,8) 84,8(3,1)

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 6

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

Hợp chất IEb

IE Thực nghiệma 8,490,02(8,70) 7,940,01(8,44) 8,20 (8,63) 8,15(8,56) N/A(7,80) 8,14(8,460,06) 9,1(9,29) 8,0(8,18) N/A(8,0) 8,650,02(N/A) 8,050.02(8,26) 8,290,02(N/A) 8,09(N/A) 9,1(9,38) PM6 8,38(8,61) 8,00(8,28) 8,29(8,56) 8,10(8,44) 7,39(7,74) 8,17(8,46) 9,02(9,43) 7,84(8,17) 7,64(7,98) 8,60(8,84) 7,95(8,25) 8,26(8,57) 7,93(8,24) 9,26(9,57) 0,11(0,09) -0,06(0,16) -0,09(0,07) 0,05(0,12) N/A(0,06) -0,03(0,00) 0,08(-0,14) 0,16(0,01) N/A(0,02) 0,06(N/A) 0,1(0,01) 0,03(N/A) 0,16(N/A) -0,16(-0,19)

Phenol 1,4-Benzenediol 1,3-Benzenediol 1,2-Benzenediol BHT 2-Methyl phenol 2-Nitro phenol 2,4-Dimethyl phenol 2,4,6-Trimethyl phenol 2,6-Diclo phenol 2,6-Dimethyl phenol 3 Methyl phenol 3,4-Dimethyl phenol 4-Nitro phenol 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, http://webbook.nist.gov/chemistry/. b IE = IEthực nghiệm – IEPM6.

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.

7

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

Hình 3.6. Cấu trúc của 12 hợp chất nghiên cứu có nguồn gốc từ cây sa kê

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

8

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)

Vị trí O−H Hợp chất Nước Pha khí

3.3.3. Cơ chế chuyển electron chuyển proton (SET-PT) 3.3.3.1. Năng lượng ion hóa (IE)

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 BDE(O–H) (kcal/mol) Metha nol 4−OH (vòng B) 83,2 83,5 4−OH (vòng B) 84,5 83,2 3−OH (vòng B) 80,8 82,4 4−OH (vòng B) 85,1 83,7 4−OH (vòng B) 83,9 83,8 4−OH (vòng B) 80,3 83,9 4−OH (vòng B) 79,3 82,9 4−OH (vòng B) 83,7 82,8 3−OH (vòng B) 79,3 81,3 8−OH (vòng B) 80,3 82,7 8−OH (vòng B) 82,5 83,9 2−OH (vòng B) 77,3 79,0 82,8 83,1 82,2 83,1 83,1 83,1 82,1 81,4 80,5 81,6 83,2 78,3

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.

IE adiabatic 7,30 7,36 7,45 7,41 7,50 7,87 7,44 7,57 7,28 7,04 7,42 7,66 IE vertical 7,87 7,77 8,03 8,06 7,98 8,20 7,80 7,98 7,83 7,56 7,85 8,08 Hợp chất S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12

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 <

9

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)

BDE IEb PDE Hợp chất 168,8 S1

169,7 S2

171,1 S3

170,9 S4

173,0 S5

181,5 S6

171,3

S7

174,6 S8

167,9

S9

162,3 S10 171,1 S11 Vị trí O−Ha 2’ (vòng A) 4’ (vòng A) 4 (vòng B) 2’ (vòng A) 4’ (vòng A) 4 (vòng B) 2’ (vòng A) 4’ (vòng A) 3 (vòng B) 4 (vòng B) 2’ (vòng A) 4’ (vòng A) 4 (vòng B) 2’’ (vòng C) 2’ (vòng A) 4’ (vòng A) 4 (vòng B) 4’ (vòng A) 3 (vòng B) 4 (vòng B) 2’ (vòng A) 4’ (vòng A) 3 (vòng B) 4 (vòng B) 2’(vòng A’) 4’ (vòng A’) 3 (vòng B’) 4 (vòng B’) 2’ (vòng A) 4’ (vòng A) 4 (vòng B) 7’’ 2’ (vòng A) 4’ (vòng A) 3 (vòng B) 4 (vòng B) 6’’ 6’ (vòngA) 8 (vòng B) 6’ (vòngA) 8 (vòng B) 83,8 82,7 70,7 83,4 82,8 71,2 83,8 82,8 68,9 83,8 101,9 83,1 71,8 100,2 84,3 82,3 70,6 80,2 71,9 67,7 85,1 81,6 70,9 66,7 81,2 81,9 68,9 71,8 83,2 82,6 70,4 100,6 83,8 82,7 68,4 70,5 99,9 79,3 66,8 79,9 69,2 190,9 172,0 159,3 171,8 171,2 159,7 170,7 158,5 156,0 169,7 189,1 170,2 158,9 187,3 169,5 167,4 155,9 156,7 148,4 144,2 171,8 168,3 157,8 153,6 167,9 168,7 155,8 158,7 166,6 166,1 153,9 184,1 174,0 172,8 158,7 160,7 190,2 174,9 162,6 167,0 156,3 IE + PDE 359,7 340,8 328,1 341,5 340,9 329,4 341,8 329,6 327,1 340,8 360,0 341,1 329,8 358,2 342,5 340,4 328,9 338,2 329,9 325,7 343,1 339,6 329,1 324,9 339,2 340,0 327,1 330,0 341,2 340,7 328,5 358,7 341,9 340,7 326,6 328,6 358,1 337,2 324,9 338,1 327,4

10

177,3

3.3.4. Nhận xét

a Cách đánh số được mô tả ở Hình 3.6 b Giá trị IE adiabatic.

S12 6’ (vòngA) 2 (vòng B) 3 (vòng B) 79,9 65,0 71,2 160,5 145,7 151,8 337,8 323,0 329,1

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 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)

Hình 3.7. Cấu trúc của các hợp chất có nguồn gốc từ vỏ măng cụt và hợp chất liên quan

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

11

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 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)

IC50 (µM)b BDE (O-H) kcal/mol Vị trí O-H BDEa Hợp chất Nước Pha khí Authenic ONOO-

3.4.3.Cơ chế chuyển electron chuyển proton (SET-PT) 3.4.3.1. Năng lượng ion hóa (IE) Từ dữ

liệu

SIN-1- derived ONOO- 10,0 N/A 3,2 11,9 >30 15,1 >30 9,3 24,1 <0,49 3,1 >30 9,7 >30 4,6 N/A >30 >30 15,9 26,4 14,1 9,1 19,2 12,2 8,0 >30 2,2 >30 84,1 86,3 86,4 86,6 99,1 85,7 83,8 84,3 84,2 82,8 82,3 87,2 85,2 86,1 5 (vòng A) 6 (vòng A) 5 (vòng A) 5 (vòng A) 1 (vòng B) 6 (vòng A) 6 (vòng A) 5 (vòng A) 6 (vòng A) 6 (vòng A) 6 (vòng A) 5 (vòng A) 5 (vòng A) 6 (vòng A) 2 (vòng B) 84,2 N/A 0,2 0,4 -0,3 -0,3 -5,9 0,5 2,6 0,1 1,7 2,9 3,6 0,2 0,4 -0,2 1,8 (2,4) 84,3 86,7 86,1 86,3 93,2 86,2 86,4 84,4 85,9 85,7 85,9 87,4 85,6 85,9 86,0 (86,6c)

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14 Norathy riol a BDE = BDEnước - BDEkhí. b Tham khảo tài liệu [49]. c Tham khảo tài liệu [43].

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

12

< 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 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

IE (kcal/mol) Hợp chất IEa (kcal/mol)

− M1

− M2

135,53 M3

134,95 M4

130,82 M5 Pha khí 189,79 (172,73) 209,16 (178,72) 190,48 (174,80) 193,25 (176,65) 187,95 (168,35) Nước 124,70 (117,72) 136,32 (126,33) 129,66 (121,68) 130,59 (122,56) 127,79 (116,70)

13

139,05 M6

135,02 M7

3.4.4. Cơ chế chuyển proton chuyển electron (SPLET) 3.4.4.1. Ái lực proton (PA)

130,23 M8

137,27 M9

139,26 M10

136,68 M11

138,02 M12

130,64 M13

132,64 M14

− Norathyriol 206,86 (180,57) 190,48 (173,42) 191,41 (174,34) 198,56 (177,11) 191,64 (173,65) 188,41 (178,95) 203,40 (181,95) 193,71 (178,95) 187,26 (172,73) 201,32 (192,10) 136,43 (126,55) 127,57 (120,12) 125,08 (118,24) 132,23 (118,48) 136,46 (121,42) 127,55 (120,62) 135,54 (126,75) 125,86 (118,97) 125,80 (117,22) 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].

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 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 PDE (kcal/mol)

Hợp chất ETEb PAa PDEc

PA (kcal/mol) Pha khí Nước ETE (kcal/mol) Pha khí Nước Pha khí Nước

M1 5 (vòng A) 8 (vòng A) 1 (vòng B) 336,75 347,64 340,68 33,47 40,67 35,84 56,49 58,45 67,35 69,74 73,12 78,94 225,54 238,39 240,33 -6,25 4,33 5,32

M2 6 (vòng A) 1 (vòng B) 3 (vòng B) 324,08 343,91 328,70 22,28 37,05 27,52 75,86 67,14 79,58 99,04 81,43 91,77 237,29 248,4 245,64 5,82 2,97 3,79

M3 5 (vòng A) 1 (vòng B) -231,79 -234,06 -235,01 -231,47 -245,43 -241,85 -233,42 -236,74 330,96 341,68 31,02 37,61 67,96 67,44 77,44 77,71 230,42 240,61 -3,00 3,87

M4 5 (vòng A) 1 (vòng B) 3 (vòng B) 336,22 345,61 327,43 30,97 36,78 26,28 63,17 65,12 77,01 77,69 80,09 98,39 229,26 240,59 234,30 -3,65 4,56 12,36 M5 1 (vòng B) 348,47 37,49 60,60 77,59 253,15 13,00 M6 6 (vòng A) -303,28 -306,97 -304,84 −301,80 -306,86 -301,18 -299,94 -304,07 -305,25 -308,83 -301,15 -310,98 -300,40 74,79 87,03 13,25 14,67 11,59 23,18 14,29 12,19 9,48 10,27 14,52 14,97 21,38 16,99 12,24 -232,91 -236,03 -221,94 -240,15 -232,37 324,38 23,98 228,09 -4,28

14

PDE (kcal/mol) Hợp chất ETEb PDEc PAa Nước Nước Pha khí Nước

1 (vòng B) 3 (vòng B) 3’’ PA (kcal/mol) Pha khí 343,26 328,37 376,17 35,57 26,96 57,40 ETE (kcal/mol) Pha khí 67,52 79,63 43,47 82,75 92,45 119,12 239,70 236,91 248,56 3,03 4,12 61,22

M7 6 (vòng A) 7 (vòng A) 1 (vòng B) 3 (vòng B) 233,59 235,67 250,83 245,32 -0,93 -2,09 9,82 9,30 84,12 71,74 79,55 90,09 323,55 342,26 349,16 331,96 23,54 34,78 38,86 27,85 71,24 54,61 62,86 74,56

M8 5 (vòng A) 8 (vòng A) 1 (vòng B) 3 (vòng B) 225,06 237,60 241,74 239,86 -47,38 -36,97 -33,41 -28,33 69,95 72,99 82,11 92,69 338,49 347,10 341,18 327,96 33,06 40,44 34,88 29,38 55,09 59,01 69,08 80,43

M9 6 (vòng A) 3 (vòng B) 231,89 234,74 -41,44 -35,34 83,15 88,90 335,96 331,88 27,85 28,20 63,99 70,92

M10 6 (vòng A) 1 (vòng B) 3 (vòng B) 232,09 247,44 241,99 85,96 80,64 90,13 325,98 347,55 330,64 23,61 36,91 26,66 70,78 64,57 76,02

227,47 228,82 239,74 244,96 0,96 8,94 8,18 , -41,69 -44,59 -32,46 -32,10 87,93 72,78 90,23 80,06 320,79 339,34 331,34 348,40 17,20 29,45 24,13 34,66 73,75 56,54 75,46 63,62

M11 6 (vòng A) 7 (vòng A) 3 (vòng B) 1 (vòng B) M12 5 (vòng A) 1 (vòng B) 3 (vòng B) 226,87 240,02 233,92 -43,88 -35,04 -35,35 80,45 83,07 92,77 337,60 344,59 327,01 29,20 35,41 25,40 61,80 67,97 79,44

M13 5 (vòng A) 8 (vòng A) 3 (vòng B) 1 (vòng B) 222,38 235,00 235,40 244,86 -49,14 -34,95 -39,93 -25,41 72,66 93,35 76,62 93,97 340,23 323,94 346,21 340,04 31,07 24,56 36,32 33,48 53,48 82,38 60,50 76,14

15,23 12,82 75,65 12,88 17,13 16,69 15,53 14,86 13,98 13,03 12,26 19,16 17,98 15,18 16,07 14,11 14,18 16,24 14,77 16,44 18,65 15,10 13,33 19,18 10,97 16,12 17,83 14,38 14,60 19,09 14,80 15,09 90,10 84,09 242,45 252,67 248,30 212,43 222,93 223,59 234,52 -30,01 -21,89 -17,82 -10,46 -3,12 0,71 4,74 81,34 80,12 94,35 79,88 87,08 90,85 84,84 -236,67 -232,79 -187,34 -234,52 -237,76 -241,01 -236,02 -272,44 -274,57 -275,15 -268,19 -273,33 -270,08 -231,13 -238,5 -233,81 -269,16 -273,41 -272,20 -277,06 -270,75 -275,06 -269,27 -271,52 -269,95 -275,33 -270,27 -272,46 -274,56 -266,12 -222,89 -226,05 -222,88 -229,78 28,83 38,17 28,00 25,49 25,63 25,69 35,74 -307,69 -301,41 -318,77 -300,01 -307,48 -310,3 -304,11 -305,43 -306,66 -306,30 -298,58 -308,11 -303,68 -302,37 -310,64 -303,98 -303,59 -309,89 -307,21 -313,74 -308,40 -309,18 -301,61 -309,16 -299,38 -309,89 -306,56 -305,50 -307,81 -303,87 -302,07 -305,52 -377,35 -378,23 66,96 65,52 75,26 65,08 71,99 0,75 0,75

M14 334,33 6 (vòng A) 345,98 1 (vòng B) 3 (vòng B) 331,87 Norathyriol 2 (vòng B) 327,56 331,15 3 (vòng B) 403,04 6 (vòng A) 8 (vòng A) 413,97 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

15

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 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

16

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

Hình 3.8. Một số hợp chất chống oxy hóa 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.

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

17

là sự không định vị và liên hợp của electron  hơn là sự có mặt của các nhóm thế trong phân tử.

∆BDEc

Hợp chất

Vị trí O−H

IEd vertical, eV

Bảng 3.14. Giá trị BDE(O−H) và IE trong pha khí của một số hợp chất polyphenol BDE(O−H) kcal/mol ONIOMa Thực nghiệmb (Mô hình 1A) - 82,8 - 77,3 77,6e 78,4 81,0 82,5 80,6 82,6 80,9 83,7

6 (vòng A) 2 (vòng B) 4 (vòng B) 4 (vòng B) 4 (vòng B) 4 (vòng A)

8,31 8,08 8,22 8,02 8,19 8,00

- -Mangostin Altilisin J - 0,8 Quecertin 1,5 Chalcone 1,0 Flavone 2,8 Flavanone 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 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

18

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

Hình 3.10. Giản đồ năng lượng phản ứng giữa một số hợp chất polyphenol và gốc tự do CH3OO•

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 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

19

hoặc TS(5,6)-2 (Hình 3.14).

Hình 3.13. Phản ứng Bingel - Hirsch giữa các dẫn xuất của malonate và fullerene

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.

Hình 3.14. Giản đồ năng lượng của phản ứng giữa ion âm dimethyl bromomalonate và fullerene

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. 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

20

Hình 3.17. Giản đồ năng lượng của phản ứng flavonoid malonate với fullerene

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.

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 IEc vertical - eV

Hợp chấta

có

8,97 [8,02]d 8,96 [8,19] d 8,89 [8,00] d

BDE(O−H)b - kcal/mol 66,5 (82,5) 70,3 (82,6,) 68,5 (83,7)

P-chalcone P-flavone P-flavanone (vòng A) 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.

Kết quả Bảng 3.18 cho thấy rằng ảnh fullerene 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.

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

Hình 3.20. Phản ứng Bingel - Hirsch giữa các dẫn xuất của malonate và fullerene

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 ứ ng 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

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”.

Hợp chất

Mangostin Altilisin J

BDE(O−H)a kcal/mol 82,8 77,3 69,3 67,7 65,3

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 EAb vertical, 3.8.4. Nhận xét eV 1,47 2,14 3,53 3,56 3,61

b Tính bằng phương pháp PM6.

C60-mangostin-1 C60-mangostin-2 C60-altilisin J IEb vertical, eV 8,31 8,08 8,90 8,91 8,92 a Sử dụng mô hình 1A và tính ở mức ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6).

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

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 trú c phân tử fullerene ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chống oxy hóa củ a 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.

from Artocarpus

compounds

extracted

altilis

6. Nguyen Minh Thong, Tran Duong, Linh Thuy Pham, and Pham Cam Nam (2014), “Theoretical investigation on the bond dissociation enthalpies of phenolic 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.

27

HUE UNIVERSITY UNIVERSITY OF SCIENCES

NGUYEN MINH THONG

STUDYING ON THE STRUCTURE, ANTIOXIDANT

ACTIVITY OF POLYPHENOL AND THEIR

DERIVATIVES BASED ON FULLERENE (C60) USING

COMPUTATIONAL CHEMISTRY METHOD Major: Theoretical chemistry and Physical chemistry

Code: 62.44.01.19

SUMMARY PH.D. THESIS IN THEORETICAL CHEMISTRY AND PHYSICAL CHEMISTRY HUE, YEAR 2016

The thesis was completed at the Department of Chemistry, University

of Science – Hue University.

Supervisors:

1. Assoc. Prof. Dr. Pham Cam Nam

2. Assoc. Prof. Dr. Tran Duong

Reviewer 1:

Reviewer 2:

Reviewer 3:

PREAMBLE

information such as several other

to empirical orientation and vice versa as

logically and more science. Although

Cell degeneration is a major cause of illness in the human body. Cancer also related to the degeneration of the cells, the malignant cells are generally more active than the normal cells to producing superoxide (compounds containing O-O single bonds). The disease is the result of too many reactive oxygen species (ROS) in the metabolic activity of cells, leading to cell damage including lipid peroxidation, DNA adduct formation, protein oxidation, enzyme activity loss and eventually leading to cell death. Body of human or animals often keep compounds of high antioxidant properties such as gluthathione, vitamin E, vitamin C ... When the levels of antioxidants in the body drop will increase the risk of ruining cells. However, the adverse effects of ROS can be prevented by supplementing a diet with rich foods containing antioxidants (legumes, vegetables and fresh fruit ...) with beneficial effects for human health. The natural antioxidants such as polyphenols having the ability to remove free radicals and preventing oxidation very efficiently. In nature, Artocarpus altilis and the pericarp of Garcinia mangostana (Mangosteen) are known as a source of abundant polyphenol compounds. Empirical research issues on antioxidant activity of compounds extracted from Artocarpus altilis and the pericarp of G. Mangosteen must be done through many complex stages: Refinement from natural compounds, isolation, structure determination, bioactive test requires a huge workload. In reality, the world trend of combining research among groups of theoretical and experimental calculations has developed very strongly. The theoretical calculations the structural can provide background important properties parameters, energy and the contributing experimental results will clarify and prove the correctness of the theoretical calculations. Thus, the deployment of experimental and computational chemistry joined each other in a reasonable manner will help to minimize the mass of experiment and the results obtained are also explain the experimental results of biological activity of compounds extracted from Artocarpus altilis and the pericarp of G. Mangosteen were

1

reported, the simulation assessing antioxidant with a computational chemistry is a new step and there has been no theoretical study on analysis of antioxidant ability of these compounds as well as determining the reaction mechanism of quenching free radicals.

Besides the compounds of polyphenols, many recent studies have demonstrated that fullerene (C60) reacts with free radicals and acts as a substance quenching free radical effectively. This has been tested both in vitro and in vivo. Antioxidant efficiency of them is proved higher than vitamin E in preventing the oxidation of lipids by the superoxide agents and hydroxyl radicals. However, the applications of fullerene in the field of antioxidants are limited because it only acts as a cage containing free radicals with the reaction center of carbon atoms rather than antioxidants occurs under the circuit breaker. Thus, fullerene cannot demolish the reaction of peroxyl radicals in the pulse development stage of the chain reaction. To improve this, some functionalized fullerenes methods have been proposed to create a series of C60 derivatives with the different physical and chemical properties. Until now, there have been many substances used as antioxidants in many different fields. A matter of present concern is how to create highly effective antioxidant non- toxic for environment and humans and can be used in medicine, food, pharmaceutical ... One of the best ways to take advantage of the unique structure of the fullerene is to use it as a backdrop for the drug molecules. In recent years, a large number of empirical studies have focused on the antioxidant properties of fullerene-polyphenol derivatives. However, a study of systematic theory about the relationship between the structural characteristics and antioxidant abilities of fullerene-polyphenol derivatives as well as research oriented to design and support the process of semi-synthetic molecules with higher biological activity than the natural compounds have not been done.

For the above reasons, we have selected title thesis: "Studying on the structure, antioxidant activity of polyphenol and their derivatives based on fullerene (C60) using computational chemistry method".

2

Research objectives: - Studying on antioxidant activity of polyphenol and fullerene- polyphenol derivatives by using the computational chemistry method - Designing new antioxidants based on fullerene and malonate derivatives originated from Artocarpus altilis and the pericarp of G. Mangosteen through the Bingel-Hirsch reaction.

Scientific significance: Developing a new research direction is in line with the general trend in the world as well as the conditions of Vietnam: Search environmentally friendly green antioxidants. Besides, the thesis also has a role to contribute to the affirmation of the ability of synthetic antioxidants on the fullerene meeting research requirements and towards domestic applications. New contributions: - Having studied a systematic of antioxidant polyphenols extracted from Artocarpus altilis and Mangosteen through 3 mechanisms: HAT, SET-PT and SPLET. In particular, the compound S12, M10 and M11 are considered as potential antioxidants with the estimated BDE(O-H) value of 77,3; 82,3; 82,8 kcal/mol in the gas phase, respectively.

- Having clarified Bingel-Hirsch reaction mechanism between dimethyl bromomalonate anion and fullerene (C60). In the four paths of reactions, the path passing through the transition state TS(6,6)-1 to form the bond at position (6,6) is favorable thermodynamic, which is also pertinent to experimental results.

- Having designed new antioxidant compounds from malonate derivatives of altilisin J and mangostin based on fullerene using computational chemistry method. The new fullerene derivatives have higher antioxidant ability than the original ones, which was evaluated through specific parameters such as: BDE, IE and EA.

Chapter 1. OVERVIEW

Overview presents the polyphenols, antioxidant mechanisms of polyphenol compounds, fullerene compounds and computational chemistry applications to study polyphenol compounds and fullerene derivatives.

3

Chapter 2. CONTENT AND RESEARCH METHODS

2.1. RESEARCH CONTENT 2.2. OVERVIEW OF THE CALCULATION METHODS 2.2.1. Basis calculation methods in quantum chemistry 2.2.2. Semi-empirical methods 2.2.3. Density Functional Theory (DFT) methods 2.2.4. ONIOM Method 2.3. COMPUTATIONAL SOFTWARE 2.3.1. Gaussian 09W software 2.3.2. Gaussview 5 software 2.4. COMPUTATIONAL CHEMISTRY APPLICATIONS FOR RESEARCH POLYPHENOL AND FULLERENE DERIVATIVES

2.4.1. Geometry optimization 2.4.2. Determination of the transition state and the energy

barrier

2.4.3. Single-point energy 2.4.4. The thermodynamic quantities determine the ability of

antioxidant polyphenols

2.4.5. Modeling of molecular systems in solvent

Chapter 3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. THE RELIABILITY OF THE TWO LAYER ONIOM MODEL FOR BDEs CALCULATION 3.1.1. Choosing 2 layer ONIOM models

In Figure 3.1, we describe 7 ways to select the layers in ONIOM model. In it, each molecule is divided into two layers: the atoms in dissociation bond are selected as the high layer, the rest atoms are chosen as the low layer. layer shall be Corresponding high calculated by the method (RO) B3LYP / 6-311 ++ G (2df, 2p), while low layer is calculated by the PM6 method.

Figure 3.1. Schematic description of two-layer proposed ONIOM model

4

3.1.2. Applying for phenol derivatives

The calculation results in Figure 3.2 indicates that the value of BDE(O-H) uses 1A model with high precision and close to the experimental value. Therefore, we selected 1A model and method ONIOM (ROB3LYP/6-311++G (2df,2p):PM6) for the next BDE(O- H) research.

sizes

such

Figure 3.2. Comparing BDE (O-H) values of phenol derivatives are calculated by 7 ONIOM models with experimental data the However, reliability of the 1A model should be checked more on molecules with larger as ubiquinone-2, ubiquinone -6 and ubiquinol-10 (in which ubiquinone-10 is a strong oxidant).BDE (O- H) calculation results of the ubiquinol in Table 3.2 shows that the BDE (O-H) values by theoretical calculations have very good similarity to the experimental values with only deviation ± 1 kcal/mol. Table 3.2. BDE (O-H) value of the ubiquinol (kcal/mol)

for

Compounds

3.1.3. Applying flavonoid compounds

of

BDE (O–H) 81,9 81,9 77,8

Experimental valuesa 82,3 82,3 78,5

BDE (O–H)b -0,4 -0,4 -0,7

this case,

lower

in

Ubiquinol-2 In Figure 3.4, a Ubiquinol-6 flavonoids series Ubiquinol-10 including chalcone, a Ref. [71]. bBDE(O–H)=BDE(O–H)ONIOM 1A– BDE(O–H)Experimental flavones and flavanones are used to calculate BDE (OH) with the ways to select 2 layer model of ONIOM described in Figure 3.1, where the "full" model means all the atoms in the molecules of flavonoids are of the high layer and there the B3LYP/6- layer. In are no atoms 311++G(2df,2p)//PM6 method is applied to all forms of neutral molecules and forms of free radicals.

5

(values

Absolute deviation of BDE (O-H) value by using 1A model compared to the data by the theoretical calculations B3LYP/ 6-311++G(2df,2p)//PM6 is about 1,0 in kcal/mol parentheses of Table 3.4). Table 3.4. BDE (O-H) of flavonoid compounds in Figure 3.4 (kcal/mol)

Figure 3.4. Flavonoid compounds used to investigate ONIOM patterns

Compounds BDE(O−H) Position O−H 2’−OH 2’-hydroxyl chacone 85,4a; 83,1 [130]

3’−OH 3’-hydroxyl chacone 88,8a; 86,2 [130]

4’−OH 4’-hydroxyl chacone 84,9a; 81,9 [130]; 83,9 [52]; 81,1 [132]

4’−OH Apigenin

87,2a; 88,8 [65]; 82,2 [62, 120] ; 84,37 [104] 4’−OH Kaempferol

83,7a; 86,5 [65]; 80,94 [60]; 80,78 [120]

3’−OH Quercetin

Value BDE (O-H) calculated in method ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) Model 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A 1A 3A 3B 5A Gas 85,6(+0,2) 81,4(−4,0) 82,7(−2,7) 81,0(−4,4) 87,9(−0,9) 85,0(−3,8) 83,8(−5,0) 84,3(−4,5) 85,9(−1,0) 83,2(−1,7) 81,9(−3,0) 82,4(−2,5) 89,4(+2,2) 86,6(−0,6) 85,4(−1,8) 85,9(−1,3) 85,0(+1,3) 81,2(−2,5) 82,3(−1,4) 80,9(−2,8) 80,5(+0,4) 75,7(−4,4) 78,6(−1,5) 73,1(−7,0) Gas 81,8(−3,6) 77,1(−8,3) 78,2(−7,2) 86,6(+1,2) 83,5(−5,3) 80,5(−8,3) 83,0 (−5,8) 88,9(+0,1) 81,7(−3,2) 78,7(−6,2) 77,5(−7,4) 87,2(+2,3) 85,1(−2,1) 82,0(−5,2) 80,77(−6,3) 90,4(−3,2) 81,6(−2,1) 76,7(−7,0) 77,9(−5,8) 86,4(+2,7) 75,5(−4,6) 70,3 (−9,8) 74,6 (−5,5) 79,4 (−0,7) Model 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 5B 5C 5D 7A 4’−OH Quercetin

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) 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 Naringenin 87,9a; 92,73 [44] 1A 3A 3B 5A 5B 5C 5D 7A 85,6(2,3) 80,7(7,2) 81,8(6,1) 90,1(+2,2) 89,0(+1,1) 85,2(2,7) 86,1(1,8) 84,8(3,1)

a BDE values calculated at the theoretical level B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6. Note: The values in parentheses are the difference between the value of BDE (O-H) calculated in ONIOM method and (B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6) method. 3.1.4. Reviews

6

IONIZATION ENERGY

Through the above calculation results, we can conclude that using the ONIOM method with 1A model is the best choice for the BDE properties (O-H) of phenol derivatives and flavonoid compounds with high accuracy, fast computing time and saving computer resources. Therefore, we will use this method to calculate BDE (O-H) of the polyphenol compounds extracted from Artocarpus altilis and Mangosteen and flavonoid compounds in the next study section. 3.2. THE RELIABILITY OF CALCULATION METHOD 3.2.1. Introduction 3.2.2. Assessing the accuracy of the PM6 method for calculating IE

Compounds IEb

the

The IE calculation values in Table 3.5 indicate that the PM6 method can predict good value for IE adiabatic average deviation 0,091 eV compared with experimental values (except of BHT and 2,4,6- trimethyl phenol is not available IE adiabatic empirical values). Table 3.5. Ionization energy value (eV) calculated by the PM6 method of phenol derivatives and experimental values IE Experimentala 8,490,02(8,70) 7,940,01(8,44) 8,20 (8,63) 8,15(8,56) N/A(7,80) 8,14(8,460,06) 9,1(9,29) 8,0(8,18) N/A(8,0) 8,650,02(N/A) 8,050.02(8,26) 8,290,02(N/A) 8,09(N/A) 9,1(9,38)

0,11(0,09) -0,06(0,16) -0,09(0,07) 0,05(0,12) N/A(0,06) -0,03(0,00) 0,08(-0,14) 0,16(0,01) N/A(0,02) 0,06(N/A) 0,1(0,01) 0,03(N/A) 0,16(N/A) -0,16(-0,19) PM6 8,38(8,61) 8,00(8,28) 8,29(8,56) 8,10(8,44) 7,39(7,74) 8,17(8,46) 9,02(9,43) 7,84(8,17) 7,64(7,98) 8,60(8,84) 7,95(8,25) 8,26(8,57) 7,93(8,24) 9,26(9,57)

For vertical IE value, although there are several compounds that are available not empirical values, the results in Table the shows 3.5 deviation between the calculated value and largest experiment is only 0,19 eV. This shows the IE value

Phenol 1,4-Benzenediol 1,3-Benzenediol 1,2-Benzenediol BHT 2-Methyl phenol 2-Nitro phenol 2,4-Dimethyl phenol 2,4,6-Trimethyl phenol 2,6-Diclo phenol 2,6-Dimethyl phenol 3 Methyl phenol 3,4-Dimethyl phenol 4-Nitro phenol Note: Values in parentheses is the value IE vertical. a Experimental values are referenced from the NIST web Chemistry book, number 69, http://webbook.nist.gov/chemistry/. b IE = IEExperimental – IEPM6. calculated at the PM6 method gives results close to the experimental 3.2.3. Reviews

From the results of Table 3.5 we can conclude that the PM6 method is an appropriate method to calculate the ionization energy. The advantage of this method is faster computation time, suitable for

7

studying the compounds with huge number of atoms such as fullerene derivatives while ensuring high accuracy. Therefore, we apply the PM6 method to study ionization energy of phenolic compounds in the sequel. 3.3. ANTIOXIDANT PROPERTIES OF POLYPHENOLS COMPOUNDS EXTRACTED FROM ARTOCARPUS ALTILIS 3.3.1. Selecting some polyphenols contained in Artocarpus altilis

The structure of the 12 polyphenol compounds extracted from

Artocarpus altilis is presented in Figure 3.6.

transfer Bond

3.3.2. Hydrogen atom (HAT) mechanism - Dissociation Energy (BDE) 3.3.2.1. Finding the position of the weakest O-H bond

Figure 3.6. Structures of 12 investigated compounds extracted from Artocarpus altilis

In compound S12, 2-OH had the lowest BDE (O-H) value, 65,0 kcal/mol. The lowest BDE (O-H) is at position 3 of ring B for compounds S3 and S9, which are estimated to be about 68,9 and 68,4 kcal/mol, respectively. The BDE values of 4-OH for compounds S1, S2, S4, S5, S6, S7, S8, which are lower than other positions are estimated to be about: 70,7; 71,2; 71,8; 70,6; 67,7; 66,7 and 70,4 kcal/mol, respectively. Similarly, in compound S10 and S11, the BDE values of 8-OH are the lowest BDE values, 66,8 and 69,2 kcal/mol, respectively. 3.3.2.2. BDE (O-H) of 12 compounds extracted from Artocarpus altilis and influence of solvent

Based on the results of BDE(O-H) in Table 3.7 shows the possibilities for hydrogen atoms of polyphenol compounds in the following order: S12> S9 ≈ S7> S10 ≈ S6> S3> S11> S1> S8> S5 > S2> S4. Moreover, among the hydroxyl groups of polyphenols in different positions, the hydroxyl at position 2 in the compound S12 has the lowest BDE(O-H), 77,3 ; 79,0 and 78,3 kcal/mol in the gas phase, methanol and water solvent, respectively.

From Table 3.7, it can be seen that the BDE values of each of the O-H groups present in all radicals of phenolic compounds are smaller

8

than those of phenols calculated at the same level of theory. This indicates that most of the phenolic hydroxyls have stronger hydrogen donating ability than phenols. It can also be seen from Table 3.7 that the BDE of the 2-OH group in compound S12 (77,3 kcal/mol in gas phase) is similar to that of the ubiquinol-10 (78,5 kcal/mol). Table 3.7. ONIOM (ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6)- Computed BDE (O-H) of 12 polyphenol compounds extracted from Artocarpus altilis

Position O−H BDE(O–H) (kcal/mol) Gas Metha Water Comp ound

3.3.3. Single electron transfer - proton transfer (SET-PT) 3.3.3.1. Ionization energy (IE)

12 extracted

nol 83,5 83,2 82,4 83,7 83,8 83,9 82,9 82,8 81,3 82,7 83,9 79,0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 82,8 83,1 82,2 83,1 83,1 83,1 82,1 81,4 80,5 81,6 83,2 78,3 4−OH (ring B) 83,2 4−OH (ring B) 84,5 3−OH (ring B) 80,8 4−OH (ring B) 85,1 4−OH (ring B) 83,9 4−OH (ring B) 80,3 4−OH (ring B) 79,3 4−OH (ring B) 83,7 3−OH (ring B) 79,3 8−OH (ring B) 80,3 8−OH (ring B) 82,5 2−OH (ring B) 77,3

Vertical IE and adiabatic IE polyphenols value of compounds from Artocarpus altilis are presented in Table 3.8. In particular, the S10 compound has the smallest IE value, which proved S10 compound is easier to create electron than other compounds. Therefore, S10 compounds are considered potential antioxidant under electron transfer mechanism. Table 3.8. The calculated ionization energies (eV) of 12 compounds extracted from Artocarpus altilis using the PM6 method.

3.3.3.2 Proton dissociation energy (PDE)

The

proton

calculated

IE adiabatic 7,30 7,36 7,45 7,41 7,50 7,87 7,44 7,57 7,28 7,04 7,42 7,66 IE vertical 7,87 7,77 8,03 8,06 7,98 8,20 7,80 7,98 7,83 7,56 7,85 8,08 Comp ound S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12

dissociation enthalpies of the radical cation species formed in the first step of the SET-PT mechanism are also given in Table 3.9. Each radical cation species may have several positions for the deprotonization. On the basis of data in Table 3.9, lowest gas phase PDEs increase in the following order: S6

However, in the SET-PT mechanism, the preferred site of antioxidant action may be estimated from the minimal sum of enthalpies involved in a particular free radical scavenging mechanism. The total energy includes IE adiabatic (in Table 3.8) plus PDE (in Table 3.9) are presented in Table 3.9. The obtained results show that the HAT and SET-PT the minimal energy requirements for

9

mechanisms are associated with the same O-H group of twelve studied compounds and the final product of all free radical scavenging mechanisms is the same. The sequence of lowest gas-phase minimal sum of ionization energy and proton dissociation enthalpies is: S12

Table 3.9. Energy reaction of 12 compounds extracted from Artocarpus altilis calculated by PM6 method (kcal /mol)

IEb

PDE

BDE

3.3.4. Reviews

Compo unds

168,8

S1

In this study, we have ONIOM

169,7

S2

171,1

S3

170,9

S4

173,0

S5

181,5

S6

171,3

S7

174,6

S8

167,9

The

S9

cations

162,3

S10

171,1

S11

177,3

S12

Position O−Ha 2’ (ring A) 4’ (ring A) 4 (ring B) 2’ (ring A) 4’ (ring A) 4 (ring B) 2’ (ring A) 4’ (ring A) 3 (ring B) 4 (ring B) 2’ (ring A) 4’ (ring A) 4 (ring B) 2’’ (ring C) 2’ (ring A) 4’ (ring A) 4 (ring B) 4’ (ring A) 3 (ring B) 4 (ring B) 2’ (ring A) 4’ (ring A) 3 (ring B) 4 (ring B) 2’(ring A’) 4’ (ring A’) 3 (ring B’) 4 (ring B’) 2’ (ring A) 4’ (ring A) 4 (ring B) 7’’ 2’ (ring A) 4’ (ring A) 3 (ring B) 4 (ring B) 6’’ 6’ (ringA) 8 (ring B) 6’ (ringA) 8 (ring B) 6’ (ringA) 2 (ring B) 3 (ring B)

IE + PDE 359,7 340,8 328,1 341,5 340,9 329,4 341,8 329,6 327,1 340,8 360,0 341,1 329,8 358,2 342,5 340,4 328,9 338,2 329,9 325,7 343,1 339,6 329,1 324,9 339,2 340,0 327,1 330,0 341,2 340,7 328,5 358,7 341,9 340,7 326,6 328,6 358,1 337,2 324,9 338,1 327,4 337,8 323,0 329,1

190,9 172,0 159,3 171,8 171,2 159,7 170,7 158,5 156,0 169,7 189,1 170,2 158,9 187,3 169,5 167,4 155,9 156,7 148,4 144,2 171,8 168,3 157,8 153,6 167,9 168,7 155,8 158,7 166,6 166,1 153,9 184,1 174,0 172,8 158,7 160,7 190,2 174,9 162,6 167,0 156,3 160,5 145,7 151,8

83,8 82,7 70,7 83,4 82,8 71,2 83,8 82,8 68,9 83,8 101,9 83,1 71,8 100,2 84,3 82,3 70,6 80,2 71,9 67,7 85,1 81,6 70,9 66,7 81,2 81,9 68,9 71,8 83,2 82,6 70,4 100,6 83,8 82,7 68,4 70,5 99,9 79,3 66,8 79,9 69,2 79,9 65,0 71,2

a The numbering is depicted in Figure 3.6 b Value IE adiabatic.

that

the used (ROB3LYP/6-311++G (2df,2p):PM6) method with 1A (O-H) model to determine the BDE of the polyphenol compounds extracted from Artocarpus altilis in which BDE(O- H) of the compound S3, S6, S7, S9, S10 and S12, respectively: 80,8; 80,3; 79,3; 79,3; 80,3 and 77,3 kcal/mol, which are seen as potential antioxidants. ionization Adiabatic polyphenol energy of are compounds determined by method PM6. phenoxy radicals formed from the and radical neutral corresponding phenolic molecules prioritily occurs at the same position. Based on the obtained results it can the be concluded BDE value is considered as a key physicochemical parameters in

10

determining the ability to free radical scavenging of polyphenol compounds. 3.4. ANTIOXIDANT PROPERTIES OF XANTHONES EXTRACTED FROM THE PERICARP OF GARCINIA MANGOSTANA (MANGOSTEEN) 3.4.1. The polyphenols contained in the pericarp of mangosteen

transfer Bond

Xanthone compounds from M1 to M14 is extracted from the pericarp of mangosteen shown in Figure 3.7 3.4.2. Hydrogen atom (HAT) Mechanism - Dissociation Energy (BDE)

in Table 3.11,

Figure 3.7. The structure of compounds extracted from the pericarp of mangosteen and related compounds

lower

On the basis of the calculated the BDEs values hydrogen donating ability of xanthone compounds in gas phase follows the order: M11> M10> M7> M1> M9 ≈ Norathyriol> M8> M13> M6> M14> M2> M3> M4> M12> M5. For all studied neutral molecules, the lowest BDEs can be found for OH groups in A ring (excepted M5 and Norathyriol). The scavenging activities on ONOO− of 13 isolated compounds (M1 and M3–M14) have experimentally tested by Kinghorn et al. via IC50 values given in Table 3.11. Five species out of 13 xanthones (M1, M8, M10, M11 and M13) were demonstrated to possess potent antioxidant activity in both assays tested. The most remarkable case is compounds M10 and M11, in which 6-OH BDEs are than other OH groups, 82,3 and 82,8 kcal/mol, respectively. This indicates that H atom transfer from the 6-OH of compounds M11 and M10 are easier than from other OH groups, homolytic cleavage of 6-OH happens most possibly to transfer H atom to free radical. Therefore, 6-OH of compound M10 and M11 play a very important role in HAT antioxidative mechanism, and this is confirmed by previous experimental research.

As can be observed in Table 3.11, the influence of water on BDE values was slight. For example, the largest deviation between the BDE in the gas phase and in water is 5,9 kcal/mol. The order of BDE

11

values in water is quite different: M1

IC50 (µM)b

3.4.3.

BDE (O-H) kcal/mol BDEa Comp ounds Position O-H Gas Water Authenic ONOO-

The sequential electron proton transfer transfer (SETPT) mechanism

3.4.3.1. Ionizati

on energy (IE)

The

a BDE = BDEnước - BDEkhí. b Ref. [49]. c Ref. [43].

SIN-1- derived ONOO- 10,0 N/A 3,2 11,9 >30 15,1 >30 9,3 24,1 <0,49 3,1 >30 9,7 >30 4,6 N/A >30 >30 15,9 26,4 14,1 9,1 19,2 12,2 8,0 >30 2,2 >30 5 (ring A) 6 (ring A) 5 (ring A) 5 (ring A) 1 (ring B) 6 (ring A) 6 (ring A) 5 (ring A) 6 (ring A) 6 (ring A) 6 (ring A) 5 (ring A) 5 (ring A) 6 (ring A) 84,1 86,3 86,4 86,6 99,1 85,7 83,8 84,3 84,2 82,8 82,3 87,2 85,2 86,1 N/A 84,2 2 (ring B) 84,3 86,7 86,1 86,3 93,2 86,2 86,4 84,4 85,9 85,7 85,9 87,4 85,6 85,9 86,0 (86,6c) 0,2 0,4 -0,3 -0,3 -5,9 0,5 2,6 0,1 1,7 2,9 3,6 0,2 0,4 -0,2 1,8 (2,4) M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14 Norathyri ol

calculated data in Table 3.12 permits to conclude that the sequence of IE values in gas phase is M14

Proton dissociation energy (PDE) calculations are presented in Table 3.13. In the M5 compound, position 1 of ring B has the lowest PDE value of about 253,15 kcal/mol. Similarly, in Norathyriol, the PDE value of 2-ring B is the lowest PDE value, i.e. 212,43 kcal/mol.

12

The lowest PDE is obtained at position 5 of ring A for compounds M1, M3, M4, M8, M12 and M13 compound with the value of 225,54; 230,42; 229,26; 225,06; 226,87 and 222,38 kcal/mol, respectively. The PDE values at position 6 of ring A for compounds M2, M6, M7, M9, M10, M11 and M14 which are estimated to be about: 237,29; 228,09; 233,59; 231,89; 233,33; 227,47 and 242,45 kcal/mol, respectively. The order is in line with the one of BDE. In accordance with the result of PDE calculations, for all the studied compounds except to the compound M5 and Norathyriol, the lowest PDEs have been found at the position 5 and 6 of ring A. PDEs reached in water are significantly lower than the corresponding gas phase values, because the solvation enthalpies of proton are high. This indicates that proton dissociation ability in water is more promoted than in gas phase. Table 3.12. Ionization energies of fourteen xanthone compounds extracted from the pericarp of G. mangostana using the method PM6

IE (kcal/mol) Compounds Gas Water

Proton

IEa (kcal/ mol) − − 135,53 134,95 130,82 139,05 135,02 130,23 137,27 139,26 136,68 138,02 130,64 132,64 − 124,70 (117,72) 136,32 (126,33) 129,66 (121,68) 130,59 (122,56) 127,79 (116,70) 136,43 (126,55) 127,57 (120,12) 125,08 (118,24) 132,23 (118,48) 136,46 (121,42) 127,55 (120,62) 135,54 (126,75) 125,86 (118,97) 125,80 (117,22) 132,49 (125,00) 189,79 (172,73) 209,16 (178,72) 190,48 (174,80) 193,25 (176,65) 187,95 (168,35) 206,86 (180,57) 190,48 (173,42) 191,41 (174,34) 198,56 (177,11) 191,64 (173,65) 188,41 (178,95) 203,40 (181,95) 193,71 (178,95) 187,26 (172,73) 201,32 (192,10) M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14 Norathyriol

Note: Data in parentheses are adiabatic values. a Vertical IE values were calculated in water Ref. [76].

3.4.4. The sequential loss electron proton (SPLET) transfer mechanism 3.4.4.1. affinities (PA) As can be seen from comparison with data in gas phase in Table 3.13, has water the remarkable influence on PAs due to the high solvation enthalpy of proton. The difference between PA in the gas phase and aqueous solution ranges from −295,75 to −378,23 kcal/mol. This means to favor the deprotonating process in water solvent. In gas phase, PA values are significantly higher than BDE and IE values. However, the PA values in water are remarkably lower than the corresponding values of BDE and IE. Therefore, obtained results indicate that in water, SPLET mechanism may be

13

preferred from the thermodynamics point of view.

Table 3.13. B3LYP/6-31+G(d,p)//PM6 – computed PA, ETE and PDE of fourteen xanthones extracted from the pericarp of G. mangostana in gas phase and in water. ETE (kcal/mol)

PDE (kcal/mol) PA (kcal/mol) Compounds ETEb PAa PDEc Gas Water Gas Water Water Gas M1

5 (ring A) 8 (ring A) 1 (ring B) M2

6 (ring A) 1 (ring B) 3 (ring B) M3

-231,79 -234,06 -235,01 -231,47 -245,43 -241,85 -233,42 -236,74 5 (ring A) 1 (ring B) M4

5 (ring A) 1 (ring B) 3 (ring B) M5 1 (ring B) M6

6 (ring A) 1 (ring B) 3 (ring B) 3’’ M7

6 (ring A) 7 (ring A) 1 (ring B) 3 (ring B) M8

5 (ring A) 8 (ring A) 1 (ring B) 3 (ring B) M9

6 (ring A) 3 (ring B) M10

6 (ring A) 1 (ring B) 3 (ring B)

M11 6 (ring A) 7 (ring A) 3 (ring B) 1 (ring B) M12 -303,28 -306,97 -304,84 −301,80 -306,86 -301,18 -299,94 -304,07 -305,25 -308,83 -301,15 -310,98 -300,40 -307,69 -301,41 -318,77 -300,01 -307,48 -310,3 -304,11 -305,43 -306,66 -306,30 -298,58 -308,11 -303,68 -302,37 -310,64 -303,98 -303,59 -309,89 -307,21 -313,74 -308,40 33,47 40,67 35,84 22,28 37,05 27,52 31,02 37,61 30,97 36,78 26,28 37,49 23,98 35,57 26,96 57,40 23,54 34,78 38,86 27,85 33,06 40,44 34,88 29,38 27,85 28,20 23,61 36,91 26,66 17,20 29,45 24,13 34,66 29,20 13,25 14,67 11,59 23,18 14,29 12,19 9,48 10,27 14,52 14,97 21,38 16,99 12,24 15,23 12,82 75,65 12,88 17,13 16,69 15,53 14,86 13,98 13,03 12,26 19,16 17,98 15,18 16,07 14,11 14,18 16,24 14,77 16,44 18,65 -232,91 -236,03 -221,94 -240,15 -232,37 -236,67 -232,79 -187,34 -234,52 -237,76 -241,01 -236,02 -272,44 -274,57 -275,15 -268,19 -273,33 -270,08 -231,13 -238,5 -233,81 -269,16 -273,41 -272,20 -277,06 -270,75 336,75 347,64 340,68 324,08 343,91 328,70 330,96 341,68 336,22 345,61 327,43 348,47 324,38 343,26 328,37 376,17 323,55 342,26 349,16 331,96 338,49 347,10 341,18 327,96 335,96 331,88 325,98 347,55 330,64 320,79 339,34 331,34 348,40 337,60 5 (ring A) 69,74 73,12 78,94 99,04 81,43 91,77 77,44 77,71 77,69 80,09 98,39 77,59 87,03 82,75 92,45 119,12 84,12 71,74 79,55 90,09 69,95 72,99 82,11 92,69 83,15 88,90 85,96 80,64 90,13 87,93 72,78 90,23 80,06 80,45 225,54 238,39 240,33 237,29 248,4 245,64 230,42 240,61 229,26 240,59 234,30 253,15 228,09 239,70 236,91 248,56 233,59 235,67 250,83 245,32 225,06 237,60 241,74 239,86 231,89 234,74 232,09 247,44 241,99 227,47 228,82 239,74 244,96 226,87 -6,25 4,33 5,32 5,82 2,97 3,79 -3,00 3,87 -3,65 4,56 12,36 13,00 -4,28 3,03 4,12 61,22 -0,93 -2,09 9,82 9,30 -47,38 -36,97 -33,41 -28,33 -41,44 -35,34 0,96 8,94 8,18 , -41,69 -44,59 -32,46 -32,10 -43,88 56,49 58,45 67,35 75,86 67,14 79,58 67,96 67,44 63,17 65,12 77,01 60,60 74,79 67,52 79,63 43,47 71,24 54,61 62,86 74,56 55,09 59,01 69,08 80,43 63,99 70,92 70,78 64,57 76,02 73,75 56,54 75,46 63,62 61,80 14

Compounds 1 (ring B) 3 (ring B) M13

5 (ring A) 8 (ring A) 3 (ring B) 1 (ring B) M14

PAa -309,18 -301,61 -309,16 -299,38 -309,89 -306,56 -305,50 -307,81 -303,87 -302,07 -305,52 -377,35 -378,23 PA (kcal/mol) 35,41 25,40 31,07 24,56 36,32 33,48 28,83 38,17 28,00 25,49 25,63 25,69 35,74 6 (ring A) 1 (ring B) 3 (ring B) Norathyriol 2 (ring B) 3 (ring B) 6 (ring A) 8 (ring A) ETEb 15,10 13,33 19,18 10,97 16,12 17,83 14,38 14,60 19,09 14,80 15,09 90,10 84,09 PDE (kcal/mol) -35,04 240,02 -35,35 233,92 -49,14 222,38 -34,95 235,00 -39,93 235,40 -25,41 244,86 -30,01 242,45 -21,89 252,67 -17,82 248,30 -10,46 212,43 -3,12 222,93 0,71 223,59 4,74 234,52 PDEc -275,06 -269,27 -271,52 -269,95 -275,33 -270,27 -272,46 -274,56 -266,12 -222,89 -226,05 -222,88 -229,78 ETE (kcal/mol) 83,07 67,97 92,77 79,44 72,66 53,48 93,35 82,38 76,62 60,50 93,97 76,14 81,34 66,96 80,12 65,52 94,35 75,26 65,08 79,88 87,08 71,99 90,85 0,75 84,84 0,75

344,59 327,01 340,23 323,94 346,21 340,04 334,33 345,98 331,87 327,56 331,15 403,04 413,97 a PA = PAnước - PAkhí. bETE = ETEnước - ETEkhí. cPDE = PDEnước - PDEkhí. 3.4.4.2. Electron transfer energy

In gas phase and in water, ETE values are always lower than those of IE. This indicates that the single electron transfer process from the anionic form is more preferable than that from the neutral form, which agrees with the results obtained by other studies. From the ETE values in Table 3.13, it can be seen that the water effect induces a significant increase in ETEs of phenolate anions; it means that water solvent is unfavorable for the following electron transfer process. The average difference between ETEs in the gas phase and water solvent is approximately 19,07 kcal/mol. 3.4.5. Reviews

The antioxidative activities of 14 xanthones extracted from the pericarp of G. Mangostana in gas phase and water have been studied through HAT, SETPT and SPLET mechanisms, respectively. We have calculated the parameters of BDE, IE, PA, ETE and PDE according to the mechanism proposed in the literature for the radical scavenging activity. On the basis of the obtained results in the gas phase and water, the conclusions can be drawn as follows:

- Among the three mechanisms, HAT is thermodynamically

preferred in gas phase and SPLET is more favored in water.

- Significant differences between gas phase and water enthalpies

are characteristic for the reactions involving charged species.

- Among the studied fourteen xanthones, compound M10 and

15

M11 are predicted to be potential antioxidants, this agrees with the results obtained from other studies. 3.5. THE ABILITY OF FREE RADICAL SCAVENGING BY NATURAL POLYPHENOLS 3.5.1. Introduction

In this section, we conducted a systematic study to clarify on the antioxidant properties of polyphenols compounds (Figure 3.8). 3.5.2. Bond dissociation energy and ionization energy

Figure 3.8. Some antioxidant polyphenol compounds

accuracy

of

The data in Table 3.14 shows BDE values varies between 77,3 to 83,7 kcal/mol. The average deviation of BDE values between ONIOM methods and experiment is about 1,5 kcal/mol. This confirms once again the the ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) method for calculating BDE(O-H). Especially, BDE(O‒H) values of altilisin J and quecertin are 77,3 and 78,4 kcal/mol, respectively, which are lower than other compounds. The decrease of BDE is caused by the two hydroxyl groups at ortho position. This proves that the hydrogen atom transfer from OH groups of altilisin J and quecertin compounds for free radicals is easier than OH groups of other compounds. So OH group at position 2 (ring B) of altilisin J and OH group at position 4 (ring B) of quecertin play an important role in HAT mechanism.

From the results in Table 3.14 shows that the IE value of the polyphenol compounds is arranged in the following order: flavanones

16

Table 3.14. BDE (O-H) and IE value of polyphenols in the gas phase

Compounds

∆BDEc

Expt..b

Position O−H

IEd vertical, eV

BDE(O−H) kcal/mol ONIOMa (Model 1A) 82,8 77,3 78,4 82,5 82,6 83,7

6 (ring A) 2 (ring B) 4 (ring B) 4 (ring B) 4 (ring B) 4 (ring A)

- - 77,6e 81,0 80,6 80,9

- - 0,8 1,5 1,0 2,8

8,31 8,08 8,22 8,02 8,19 8,00

-Mangostin Altilisin J Quecertin Chalcone Flavone Flavanone a Calculate the theoretical level ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6). b Ref. [24]. c ∆BDE = BDE (ONIOM) - BDE (expt.). d Calculated method PM6. e Ref. [34].

(CH3OO•) and

3.5.3. Reaction between peroxyl radical polyphenols

Observe Figure 3.10, the reaction tendency of the polyphenols with free radicals CH3OO• is quite similar. The first intermediate states Int-1 are more stable than the reactants by amount of 3,5 - 7,9 kcal/mol. The relative energy of Int-2 is lower than one of Int-1 about 8,2 - 15,1 kcal/mol. This shows that the hydrogen bonds ArO…HOOCH3 in the intermediate state Int-2 is more durable than the hydrogen bonds ArOH…OOCH3 in the intermediate state Int-1.

the

to

the

and

Figure 3.10. Potential energy surface for reaction between polyphenols and free radical CH3OO•

Transitional state (TS) is the saddle reaction energy points on (Figure 3.10). Energy diagram barrier the corresponding transitional states TS-altilisin J, TS-α-mangostin, TS-flavanones, TS-chalcone, TS-flavone and TS- quecertin have values of 15,3; 20,4; 18,4; 18,6; 19,7 and 16,1 kcal/mol, reactions respectively. All free between polyphenols radicals CH3OO• are exothermic The reactions. products have radicals) (phenoxyl relatively lower energy than the

17

reactants of about 9,6 - 17,5 kcal/mol. This proves that formed phenoxyl free radicals are more stable and less react than CH3OO• radicals.

From the comparison of the values in Table 3.14 and Figure 3.10, all free radical scavenging reactions of polyphenols are exothermic and thermodynamically favorable. With lower BDE, the hydrogen abstraction reaction will be smaller energy barrier and stronger exothermicity. 3.5.4. Reviews

In this study, the antioxidant ability of natural polyphenol compounds have been studied using the computational chemistry methods through two mechanisms HAT and SET-PT. The study results showed that ortho-dihyroxyl structure has a very important role in the mechanism of HAT. It is the reason that increase the antioxidant ability of the hydroxyl group in the polyphenol compounds. In addition, potential energy surface for reaction between CH3OO• and polyphenol is also established. The reactions for free radical scavenging of polyphenols are exothermic reactions and are thermodynamically favorable 3.6. FUNCTIONALIZATION OF FULLERENE (C60) WITH FLAVONOID MALONATE DERIVATIVES 3.6.1. Introduction

Based on the synthesis process described by Enes et al., the diagram of the synthesis process of fullerene derivatives - flavonoids

is presented in Figure 3.13. 3.6.2. Bingel - Hirsch reaction mechanism

isomers, and

the

Because of the C60 molecule has 2 types of bonds C-C including: the bond (6,6) and the bond (5,6) (Figure 3.13), thus the products will have two (6,6)- respective C60C(COOCH3)2 (5,6)- C60C(COOCH3)2. The reaction paths for isomeric formation of products of C60C(COOCH3)2 are in Figure 3.14. Each illustrated

Figure 3.13. Bingel - Hirsch reaction between and fullerene derivatives malonate

18

isomer products will go through two the transition states (TS).

Comparing

Figure 3.14. Potential energy surface for reaction reaction between fullerene and dimethyl bromomalonate anion

the energy barrier of the reaction paths, the (6,6)- product C60C(COOCH3)2 is created through the transition state TS(6,6)-1 is most convenient, energy barrier value of 17,6 kcal/mol. The three remaining (going reaction paths through the transition states TS(6,6)-2, TS(5,6)-1 and TS(5,6)-2) is not a priority because there are higher barriers energy with the value of 43,2; 34,4 and 49,0 kcal/mol.

From the resulting reaction energy diagram between dimethyl bromomalonate anion and fullerene, we can conclude that the cycloaddition reaction at the (6,6) bond is more favorable than one at (5,6) bond and the reaction path which goes through the transition state TS(6,6)-1 is thermodynamically favorable. 3.6.3. The cycloaddition reaction between bromocarbanion originating from chalcone, flavone and flavanone

11,4;

16,3

Figure 3.17. PES of cycloaddition reaction of C60 and the flavonoid malonates

As can be seen in Figure 3.17, the tendency is quite similar for all reactions of flavonoid malonates with intermediates fullerene. The first namely Int-chalcone, Int-flavones and Int-flavanones are more stable than the reactants by amount of - -13,7 kcal/mol. 16,0; -12,3 and Energy barriers of TS-chalcone, TS- flavones and TS-flavanones are 16,8; kcal/mol, respectively. Relative energy of the complex products namely PC- chalcone, PC-flavones and PC- flavanones are predicted about -

19

18,3; -15,8 and -14,3 kcal/mol in comparison to the reactants. The products are yielded without transition states by an elimination of Br‒. 3.6.4. Reviews

Bingel - Hirsch reaction mechanism between fullerene and dimethyl bromomalonate anion has been studied in detail using semi- empirical method (PM6) combined with DFT. The study results show that the reaction path goes through the transition state TS(6.6)-1 to form the product (6,6)-C60C(COOCH3)2 is thermodynamically favorable. In addition, the energy profile of fullerene functionalization from malonate derivatives containing chalcone, flavone and flavanone are also established. Obviously, the fullerene flavonoid conjugates were produced via the Bingel-Hirsch mechanism and the theoretical results in this section is quite suitable with the experimental procedures to synthesize fullerene-flavonoid conjugates 3.7. ANTIOXIDANT ACTIVITIES OF FULLERENE DERIVATIVES FROM CHALCONE, FLAVONE AND FLAVANONE 3.7.1. Introduce 3.7.2. The antioxidant capacity of the title fullerene derivatives via H-atom and electron transfer mechanism

Hợp chấta

BDE(O−H)b - kcal/mol 66,5 (82,5) 70,3 (82,6,) 68,5 (83,7)

Table 3.18. BDE(O-H)s and IE of C60-chalcone, C60- flavones and C60- flavanones IEc vertical - eV 8,97 [8,02]d 8,96 [8,19] d 8,89 [8,00] d

P-chalcone P-flavone P-flavanone (ring A) a C60-flavonoid conjugates also displayed in Fig.3.18. b Using the ONIOM((RO)B3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6); Data in parentheses calculated in benzene solvent in kcal/mol. c Using PM6 method. d Data in bracket are the IEs of chalcone, flavone and flavanone, respectively

As can be seen in Table 3.18, C60 affects strongly on the BDE(O– the flavonoids. H) of This can be explained by the π conjugated system is a of C60. There significant consistently decrease of the calculated BDE(O–H)s for three fullerene conjugates. It makes C60 flavonoid conjugates play a dual role of a powerful chain-breaking antioxidant as well as a radical sponge. BDE(O-H)s of C60-chalcone, C60-flavones and C60-flavanones are 66,5; 70,3 and 68,5 kcal/mol, respectively.

Ionization energy, another thermoparameter relates to the antioxidant activity of a compound can also be seen from Table 3.18.

20

Ionization energy determines the stability of an antioxidant compound in an oxygen rich environment. In fact, the calculated IE values of C60 flavonoid conjugates at the PM6 method are larger those of the parent flavonoid (chalcone, flavone and flavanone) about 0.87 eV. This occurs due to the high electron affinity of C60, and as a result, the loss of electron in C60-flavonoids is much difficult than the parent compounds 3.7.3. Reviews

Our calculated BDE(O–H)s and IEs are the first theoretical results reported on the fullerene-flavonoid conjugates. The strong effect on the antioxidant activity due to the π-electron bond of fullerene is clearly displayed via the decrease of BDE(O–H) and the increase of the IEs in three fullerene flavonoid conjugates. 3.8. DESIGNING NOVEL ANTIOXIDANT OF FULLERENE DERIVATIVES FROM ALTILIS J AND MANGOSTIN 3.8.1. Introduce

flavonoid

Functionalization

results of

Figure 3.20. Bingel - Hirsch reaction between fullerene and malonate derivatives

On the basis of results from experimental and theoretical studies of functionalization of fullerene with malonate derivatives, we have designed a new antioxidant on the fullerene (C60) using computational chemistry methods. Diagram of the synthesis process is illustrated in Figure 3.20. of 3.8.2. fullerene malonate with derivatives originated from altilis J and mangostin the the Following previous study, we only focused on reaction occurs in the bond (6,6) between malonate derivatives originated from altilisin J and mangostin with fullerene. Potential energy surface of the reaction between fullerene and malonate derivatives is illustrated in Figure 3.21.

21

than

stable

the

transition

Figure 3.21 PES of the reaction between malonate derivatives originated from altilis J and mangostin and fullerene

to

Observing Figure 3.21, the intermediates namely Int-1a, Int-2a and Int-3a are more the reactants by amount -14,0; - 10,3 and –18,0 kcal/mol, respectively. Energy barrier of states namely TS-1, TS-2 and TS- 3 are 15,1; 11,2 and 15,4 kcal/mol, respectively. Relative energy of complexes products, Int-1b, Int -2b and the compared Int-3b reactants: -13,2; -8,7 and -19,0 kcal/mol, respectively. The P-1, P-2 and P-3 products are yielded without transition states by an elimination of Br‒, their relative energies are higher than the reactants: 9,5; 8,3 and 7,3 kcal/mol. 3.8.3. Antioxidant ability of fullerene-altilisin J and fullerene- mangostin

The data in Table 3.20 shows that fullerene greatly influences on BDE(O-H) of mangostin and altilisin J with average reduction of 13,5 kcal/mol. This can be explained by the interaction of fullerene molecule on the O-H bond. BDE(O-H)s of C60-mangostin-1, C60- mangostin-2 and C60-altilisin J: 69,3; 67,7 and 65,3 kcal/mol, respectively.

Ionization energy and electron affinity, another thermoparameter relates to the antioxidant activity of a compound can also be seen from Table 3.20. IE and EA of fullerene derivatives are significantly larger than ones of mangostin and altilisin J. This phenomenon occurs because the fullerene molecule has very high electron affinity. The obtained results show that novel fullerene derivatives have high antioxidant activity because of integrated properties of both fullerene and phenolic compounds. Table 3.20. BDE(O-H),IE and EA of mangostin, altilisin J, C60-mangostin- 1, C60-mangostin-2 and C60-altilisin J

22

Compounds

3.8.4. Reviews

Mangostin Altilisin J

a

b Using method PM6.

BDE(O−H)a kcal/mol 82,8 77,3 69,3 67,7 65,3 IEb vertical, eV 8,31 8,08 8,90 8,91 8,92 EAb vertical, eV 1,47 2,14 3,53 3,56 3,61 C60-mangostin-1 C60-mangostin-2 C60-altilisin J at 1A and Using model calculated ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) level.

The new antioxidants fullerene and based on phenolic compounds through the Bingel - Hirsch reaction have been designed. Potential energy surface for reaction of fullerene and malonate derivatives originated from altilis J and mangostin was established. The new fullerene derivative is considered potentially high antioxidant through specific parameters such as: BDE, IE and EA. The novel fullerene derivatives have high antioxidant activity because of integrated properties of both fullerene and phenolic compounds.

CONCLUSIONS

In this thesis, we have studied a systematic of antioxidant the polyphenol compounds extracted from Artocarpus altilis, pericarp of G. Mangosteen and fullerene - flavonoids derivatives using the computational chemistry methods. In addition, we have designed the new antioxidant compounds originated from nature based on fullerene. Thus, the conclusions can be drawn as follows:

1. The accuracy and reliability of the ONIOM(ROB3LYP/6- 311++G(2df,2p):PM6) method were demonstrated through seven different models. In particular, the ONIOM method with 1A model is the best choice to calculate BDE(O-H) of phenolic compounds.

2. From the analysis and compare between calculated and experimental values, we can conclude that the PM6 method is able to provide reliable evaluation for the ionization energy in phenol derivatives.

3. Theoretical calculations have been performed to predict the antioxidant properties of phenolic compounds extracted from Artocarpus altilis and the pericarp of G. Mangosteen through three main reaction mechanisms: HAT, SETPT and SPLET. Based on the BDE(O–H), compound S12; M10 and M11 is considered as a

23

potential antioxidants with the estimated BDE value of 77,3; 82,3 and 82,8 kcal/mol in the gas phase, respectively.

4. Having studied the ability of CH3OO• radical scavenging of some polyphenols using computational chemistry methods. Energy barrier of the reaction between CH3OO• radical and altilisin J, - mangostin, flavanone, chalcone, flavone quecertin corresponding to the values of 15,3; 20,4; 18,4; 18,6; 19,7 and 16,1 kcal/mol, respectively.

to study

5. Theoretical calculations were performed

energy profile of

addition,

the

In

the mechanism of the Bingel - Hirsch reaction between dimethyl bromomalonate anion and fullerene (C60). Because fullerene has simultaneously two symmetrically unique, including (5,6) and (6,6) bond, there will be two isomers corresponding products are formed. The study results show that the cycloaddition reaction at the (6,6) bond is more favorable than one at (5,6) bond and the reaction path which goes through the transition state TS(6,6)-1 is thermodynamically favorable. fullerene functionalization from malonate derivatives containing chalcone, flavone and flavanone are also established. The theoretical results of the formation of fullerene-flavonoid conjugates at (6,6) bond via Bingel - Hirsch mechanism is suitable with the experimental procedures.

respectively. These values are much

lower

6. Antioxidant properties of C60-flavonoid conjugates were computationally examined via their O−H bond dissociation enthalpies (BDEs) and ionization energies (IEs) using two-layer ONIOM and PM6 methods, respectively. BDE(O-H)s of C60- chalcone, C60-flavones and C60-flavanones are 66,5; 70,3 and 68,5 kcal/mol, than BDE(O−H)s of flavonoid compounds. However, IE of fullerene derivatives are higher than one of the flavonoid (chalcone, flavones and flavanones) about 0,87 eV. The strong effect on the antioxidant activity due to the -electron bond of fullerene is clearly displayed via the decrease of BDE(O−H) and the increase of the IEs in three fullerene flavonoid conjugates.

7. New antioxidants based on fullerene and phenolic compounds through the Bingel-Hirsch reaction have been designed. Potential energy surface for reaction of fullerene and malonate derivatives

24

through

originated from altilis J and mangostin was established. Antioxidant activity of two these compounds were determined mechanisms including hydrogen atomic transfer (HAT) and single electron transfer (SET) with the typical parameters including bond dissociation enthalpy (BDE), ionization energy (IE) and electron affinity (EA). The obtained results show that novel fullerene derivatives have high antioxidant activity because of integrated properties of both fullerene and phenolic compounds.

ORIENTATION

The results achieved in the thesis has opened the most promising

research field could reach in future. Specific:

1. Further research on kinetics chemistry of the antioxidant

polyphenol compounds and fullerene derivatives.

2. Synthetic fullerene - polyphenol derivatives and bioactive test

in vivo and in vitro.

3. Combine experimental and theoretical methods to clarify the antioxidant activity and mechanism of natural. On this basis can the design and synthesis of new compounds with high antioxidant capability.

25

LIST OF PUBLICATIONS 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.

from Artocarpus

compounds

extracted

altilis

6. Nguyen Minh Thong, Tran Duong, Linh Thuy Pham, and Pham Cam Nam (2014), “Theoretical investigation on the bond dissociation enthalpies of phenolic using ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p): PM6) method”, Chemical Physics Letters, 613, pp. 139–145.

7. Nguyen Minh Thong and Pham Cam Nam (2016), “investigation of functionalization on fullerene (c60) with flavonoid malonate derivatives by using the computational chemistry method”, Journal of Science and Technology – The University of Danang, 5(102), pp. 100.

8. Nguyen Minh Thong, Dao Duy Quang, Ngo Thi Chinh, Tran Duong, Pham Cam Nam (2016), “Free radical scavenging by natural polyphenols: a theoretical investigation”, Journal of Science- Hue University, 3(117).

9. Nguyen Minh Thong, Pham Le Minh Thong, Dinh Tuan (2016), “Designing novel antioxidant of [60]fullerene derivatives from altilis j and mangostin: a theoretical investigation”, Journal of Science and Technology,54.

26