- Trang Chủ
- Sinh học
- Nghiên cứu khả năng chống oxi hóa của acorenol chiết xuất từ nụ cây vối bằng phương pháp hóa tính toán
Xem mẫu
- ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 3, 2019 41
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG OXI HÓA CỦA ACORENOL CHIẾT XUẤT
TỪ NỤ CÂY VỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA TÍNH TOÁN
COMPUTATIONAL CHEMISTRY STUDY OF ANTIOXIDANT PROPERTIES OF
ACORENOL EXTRACTED FROM THE BUDS OF CLEISTOCALYX OPERCULATUS
Nguyễn Thị Ánh Tuyết1,2, Mai Văn Bảy3, Đào Hùng Cường3, Phan Đình Tuấn4, Phạm Cẩm Nam1*
1
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; pcnam@dut.udn.vn
2
Trường Đại học Quy Nhơn
3
Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng
4
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM
Tóm tắt - Cấu trúc của bốn dạng đồng phân của acorenol được tối Abstract - Structures of four possible isomers of acorenol are
ưu và so sánh độ bền năng lượng bằng phương pháp bán thực optimized and their relative energies are compared by using PM6
nghiệm PM6, trong đó α-epi-acorenol được xác định là dạng đồng method which considers α-epi-acorenol as the stablest isomer.
phân bền nhất. Dựa trên đồng phân bền này, các thông số cấu trúc Based on this isomer, its structural parameters are then optimized
được tối ưu hóa bằng phương pháp at B3LYP/6-311G(d,p) và at B3LYP/6-311G(d,p) and bond dissociation energies (BDE) are
năng lượng phân li liên kết được tính toán ở mức lý thuyết cao hơn calculated at higher level of theory of ROB3LYP/6-311++G(2df,2p).
ROB3LYP/6-311++G(2df,2p).Các giá trị năng lượng phân li liên kết The lowest BDE’s values are 80,92 và 84,17 kcal/mol at the C6-H
thấp nhất là 80,92 và 84,17 kcal/mol lần lượt được xác định tại vị and C9-H bonds, respectively. Its antioxidant capacity is also
trí liên kết C6-H và C9-H. Khả năng chống oxi hóa cũng được đánh evaluated via hydrogen atomic transfer mechanism and possible
giá thông qua cơ chế chuyển nguyên tử hydro và các đường phản reaction paths between α-epi-acorenol, and HOO• radical are also
ứng giữa α-epi-acorenol với gốc tự do HOO•. Kết quả cho thấy, determined in detail. Resulting from potential energy surface, it can
ngoài quá trình chuyển nguyên tử hydro, cũng có sự cạnh tranh be recognized that besides the hydrogen atomic transfer, there is
của phản ứng cộng gốc tự do nối đôi tại vị trí C7 và C8 của a competition of addition reaction of HOO• radical at the C7=C8
α-epi-acorenol. double bond of α-epi-acorenol.
Từ khóa - Acorenol; chống oxi hóa; năng lượng phân li liên kết; bề Key words - Acorenol; antioxidant; bond dissociation enthalpy;
mặt thế năng; cơ chế chuyển nguyên tử hydro potential energy surface; hydrogen atomic transfer mechanism
1. Đặt vấn đề cho các nghiên cứu in vitro theo sau. Do đó, việc tiến hành
Việt Nam là một nước nhiệt đới với hệ thực vật phong nghiên cứu hoạt tính chống oxi hóa của hợp chất và acorenol
phú và đa dạng. Ngay từ xa xưa, đã có nhiều bài thuốc dân chiết xuất từ nụ vối bằng phương pháp hóa tính toán có vai
gian chữa bệnh dùng trực tiếp thực vật để làm thuốc. Thông trò quan trọng trong việc định hướng các nghiên cứu thực
dụng như dùng tinh dầu của các loại cây thông qua hình nghiệm. Nội dung chính của bài báo này sẽ sử dụng các tính
thức xông để chữa bệnh cảm hàn, dùng lá cây nụ vối, cây toán hóa lượng tử để thực hiện: i) Nghiên cứu hoạt tính
trà xanh để nấu nước uống giúp thanh giải nhiệt độc, chống chống oxi hóa của acorenol trên cơ sở tính toán các thông số
lão hóa, kéo dài tuổi thọ, dùng cây ngãi cứu để trị bệnh đau nhiệt động học. ii)Xây dựng bề mặt thế năng phản ứng giữa
bụng, ... Điều này chứng tỏ, trong tinh dầu của một số thực acorenol với gốc tự do HOO• và đánh giá khả năng ức chế
vật có chứa các chất có hoạt tính chống oxi hóa, kháng ung gốc tự do theo cơ chế chuyển nguyên tử hydro.
thư và các hoạt tính sinh học khác [1, 2].
2. Phương pháp nghiên cứu
Những chất chống oxi hóa tự nhiên có thể được hấp thu
hiệu quả và giúp con người chống lại các tác nhân oxi hóa Tối ưu hoá cấu trúc phân tử, hợp chất trung gian, trạng
thông qua việc cung cấp các chất chống oxi hóa bằng con thái chuyển tiếp được tính toán bằng phiếm hàm mật độ
đường ăn uống hợp lí. Vì vậy, việc nghiên cứu các chất B3LYP/6-311G(d,p) bằng phần mềm Gaussian 09 [8].
chống oxi hóa xác định từ các nguồn tự nhiên được chú Để tăng độ chính xác, năng lượng điểm đơn (single point)
trọng [1-5]. Trên cơ sở đó, các nghiên cứu về hoạt tính sinh được tính tại B3LYP/6-311++G(2df,2p) để xác định các
học trong lĩnh vực dược cũng được phát triển theo sau. thông số nhiệt động học [8].
Acorenol hay các terpene khác được biết đến đầu tiên Hiện nay, quá trình chống oxi hóa của một chất AXH
trong tinh dầu của các cây gỗ quý và trong tinh dầu chiết được giải thích chủ yếu theo cơ chế chuyển trực tiếp
xuất từ lá cây nụ vối [5, 6]. Nhờ mùi thơm đặc trưng các nguyên tử hydro từ chất chống oxi hóa đến gốc tự do
terpene này được chiết xuất làm nước hoa và đóng một vai (Hydrogen Atomic Transfer-HAT) [9] theo phản ứng
trò quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất nước hoa. AX−H + R• → AX • + RH. Và quá trình oxi hóa được điều
Ngoài ra, việc tổng hợp và ứng chúng trong lĩnh hóa dược khiển bằng năng lượng phân li liên kết X-H (Bond
cũng được quan tâm nghiên cứu [6]. Do đó, nhiều nhóm thực Dissociation Enthalpy – BDE). Giá trị của BDE được xác
nghiệm đã có những nghiên cứu tổng hợp hay chiết xuất định bằng phương trình nhiệt động học BDE = H(AX•) +
acorenol từ nhiều loại tinh dầu [5-7]. Cho đến nay, chưa có H(H) - H(AXH). Trong đó, H(AX•), H(H), H(AXH) lần
nghiên cứu nào khảo sát chi tiết và đầy đủ về cấu trúc và các lượt là enthalpy của gốc tự do của chất chống oxi hóa, gốc
tính chất chống oxi hóa của hợp chất này cũng như bản chất hydro tự do và phân tử. Năng lượng đứt liên kết nhỏ thì quá
và cơ chế của quá trình dập tắt các gốc tự do để làm tiền đề trình oxi hóa càng dễ dàng khống chế gốc tự do R•.
- 42 Nguyễn Thị Ánh Tuyết,, Mai Văn Bảy, Đào Hùng Cường, Phan Đình Tuấn, Phạm Cẩm Nam
3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận trúc – hoạt tính (QSAR) [10] cho các hợp chất terpene.
3.1. Các dạng đồng phân của acorenol Bảng 1. Thông số cấu trúc hình học của α-epi-acorenol tại
B3LYP/6-311G(d,p)
Acorenol, hợp chất được sử dụng trong các sản phẩm
nước hoa, thường tồn tại ở bốn dạng cấu trúc lập thể khác Chiều dài liên kết (Å) Góc liên kết (o)
nhau. Cấu trúc hình học bền của chúng được tối ưu tại mức C1-C2 1,560 C9-C10 1,537 C1C2C3 106,76 C8C9C10 113,09
tính toán lý thuyết bán thực nghiệm PM6 [8]. Kết quả cho C2-C3 1,545 C10-C5 1,545 C2C3C4 105,49 C9C10C5 112,93
thấy, bốn dạng cấu trúc có năng lượng không khác nhau C3-C4 1,541 C1-C13 1,557 C3C4C5 103,49 C1C13C14 109,07
nhiều. Trong đó, dạng α-epi-acorenol, α-acorenol và có
C4-C5 1,572 C4-C12 1,539 C4C5C1 101,28 C1C13C15 114,32
năng lượng khác nhau một giá trị nhỏ hơn 0,5 kcal/mol.
C1-C5 1,575 C8-C11 1,505 C5C1C2 105,32 C3C4C12 110,11
Từ số liệu ở Hình 1, cấu trúc acorenol bền nhất là dạng
α-epi-acorenol được lựa chọn để tính toán các thông số C5-C6 1,551 C13-C15 1,541 C5C6C7 113,69 C9C8C11 116,44
năng lượng phân li liên kết và xây dựng bề mặt thế năng C6-C7 1,508 C13-C14 1,536 C6C7C8 125,18 C1C13O 107,39
bằng phương pháp lý thuyết hàm mật độ B3LYP. C7=C8 1,335 C13-O 1,443 C7C8C9 120,82 C14C13C15 108,47
3
C8-C9 1,511
1
5 OH OH 3.3. Năng lượng phân li liên kết trong α-epi-acorenol
9 7
Từ kết quả tính toán ở Bảng 2 cho thấy, tại các liên kết
C-H của vòng 6 nằm kề liền nối đôi C=C, giá trị năng lượng
phân li liên kết C-H nhỏ đáng kể so với các năng lượng
α-acorenol 1 β-acorenol 2 phân li các liên kết C-H còn lại trong vòng 6 (cũng như
(+0,52 kcal/mol) (+1,48 kcal/mol) vòng 5). Cụ thể BDE(C6-H) = 80,92 kcal/mol và
BDE(C9-H) = 84,17 kcal/mol. Có thể kết luận rằng, khi
OH OH
gốc tự do HOO• tấn công vào α-epi-acorenol, khả năng tách
nguyên tử H tại hai vị trí này được dự đoán là ưu tiên.
Ngoài ra, tại các nhóm CH3 đính với C nằm bên ngoài các
vòng 5 hay 6, giá trị BDE(C-H) tính toán từ 100 đến
α-epi-acorenol 3 -epi-acorenol 4 101,5 kcal/mol. Trong khi đó, BDE(C-H) của nhóm CH3
đính với vòng 5 là 99,8 kcal/mol, đặc biệt giá trị sẽ giảm
(0,00 kcal/mol) (+0,41 kcal/mol)
khoảng 10 kcal/mol khi nhóm CH 3 đính với vòng 6
Hình 1. Các dạng đồng phân cấu trúc của acorenol
(cyclohexene) tại vị trí C của nối đôi.
3.2. Các thông số cấu trúc hình học tối ưu của Tại vị trí các nối đôi của vòng 6, năng lượng phân li liên
α-epi-acorenol tính toán tại phương pháp B3LYP/6-311G kết C-H tại C(sp2) ngay tại nối đôi do các orbital pi tham
Để dễ dàng theo dõi khi mô tả trong các đoạn tiếp theo gia liên kết sẽ làm liên kết mạnh hơn so với các liên kết
các nguyên tử cho phân tử α-epi-acorenol được đánh số thứ C-H tại vị trí C(sp3) không nằm kề với liên kết đôi. Ngược
tự các nguyên tố cho trên Hình 2. lại, do sự hút điện tử của hệ thống pi nên làm suy yếu cường
14 OH độ liên kết C-H của C(sp3) nằm liền kề với hệ liên kết pi.
13 Cụ thể đối với α-epi-acorenol, giá trị tính toán của BDE
11 (C-H) tại C6 và C9 lần lượt là 80,92 và 84,17 kcal/mol. Các
1 6 7 giá trị này có sai số khoảng 2 kcal/mol so với các số liệu tương
2
5 8 11 ứng C-H đo bằng thực nghiệm [11].
3
4 10 9 Với những phân tích trên đây, có thể đưa ra những kết
luận quan trọng khi khảo sát khả năng chuyển nguyên tử
12
hydro trong các hợp chất terpene có chứa các vòng 5 và vòng
Hình 2. Cấu trúc và đánh số nguyên tử của α-epi-acorenol (A) 6. Cụ thể là các liên kết C-H tại vị trí C(sp3) nằm liền kề ở
Cấu trúc của α-epi-acorenol được tối ưu bằng phương hai phía của liên kết C=C sẽ là vị trí tâm của việc chuyển
pháp B3LYP/6-311G(d,p). Các thông số hình học về chiều nguyên tử hydro cho các gốc radical như HO•, HOO•… Điều
dài liên kết (đơn vị Ångstrom, Å), góc liên kết (đơn vị độ, 0) này góp phần vào việc xác định chính xác tâm phản ứng với
lần lượt được ghi trên Bảng 1. Về độ dài liên kết trong phân các gốc tự do, định hướng cho việc thực hiện các phản ứng
tử nghiên cứu với sự hiện diện của liên kết C-C và C=C ứng tổng hợp hữu cơ mới các dẫn xuất từ acorenol.
với sự lai hóa sp3 và sp2 trong cấu hình điện tử của carbon Bảng 2. Năng lượng phân li liên kết (kcal/mol) trong α-epi-acorenol
cho thấy, chiều dài liên kết đơn C-C từ 1,500 đến 1,560 Å BDE Liên kết BDE
Liên kết
khi tính tối ưu cấu trúc tại phương pháp B3LYP/6-
C1-H 89,57 C10-H 94,6
311G(d,p). So sánh với các số liệu thực nghiệm [10], chiều
C2-H 94,98 C11-H 88,17
dài liên kết C-C trong alkanes thường dao động từ 1,532 Å C3-H 95,19 C12-H 99,88
đến 1,537 Å và trong vòng cycloankanes từ 1,513 Å (vòng C4-H 92,37 C14-H 100,35
3), 1,554 Å (vòng 4) và 1,534 Å (vòng 6, dạng ghế) [10]. C6-H 80,92 C15-H 101,53
Các đại lượng về cấu trúc hình học sẽ góp phần cung cấp C7-H 108,68 O-H 100,48
thông tin nghiên cứu về các hoạt tính sinh học trong lĩnh vực C9-H 84,17
hóa dược khi áp dụng tìm kiếm mối quan hệ định lượng cấu
- ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 3, 2019 43
•
3.4. Bề mặt thế năng của phản ứng HOO với α-epi-acorenol C8 có trạng thái chuyển tiếp TS7 và TS8 với chiều cao năng
Bên cạnh năng lượng phân li liên kết C-H thấp, thì đối với lượng tương đối lần lượt là 7,98 và 7,82 kcal/mol. Sản
cơ chế HAT việc khảo sát phản ứng chuyển hydro giữa các phẩm của hai phản ứng cộng HOO• vào vị trí C7 và C8 của
hợp chất nghiên cứu với các gốc tự do sẽ còn phụ thuộc vào nối đôi có năng lượng tương đối là -0,29 và -0,82kcal/mol.
ảnh hưởng của cấu trúc hình học không gian của hợp chất. 4. Kết luận
Ở đây, gốc tự do HOO• được chọn trong phản ứng với
Cấu trúc hình học của α-epi-acorenol đã được tối ưu tại
α-epi-acorenol vì chúng có kích thước nhỏ nên thời gian cần
mức tính toán lý thuyết B3LYP/6-311G(d,p). Khả năng
thiết để thực hiện các tính toán tối ưu tại B3LYP/6-311G(d,p)
chống oxi hóa của α-epi-acorenol đã được nghiên cứu theo
là phù hợp. Đối với những vị trí có thể dễ dàng cho việc
cơ chế HAT bằng mô hình tính toán ROB3LYP/6-
chuyển nguyên tử hydro nhưng do sự hiệu ứng không gian sẽ
311++G(2df,2p)// B3LYP/6-311G(d,p). Khả năng đứt liên
gây cản trở, vì nhóm HOO• không thể tấn công được tại các
kết C-H dễ nhất được dự đoán tại C6 và C9 của
vị trí này. Do đó, việc khảo sát bề mặt thế năng của phản ứng
α-epi-acorenol. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân
HOO• với α-epi-acorenol là cần thiết để xác định được khả li liên kết đã được phân tích dựa trên bề mặt thế năng của
năng bắt gốc tự do thông qua cơ chế HAT. Ngoài ra, các vị phản ứng giữa chúng với gốc tự do HOO•. Tuy nhiên, với
trí có nối đôi thì việc nhóm HOO• có thể thực hiện các phản những giá trị tính toán được qua việc cắt đứt liên kết C-H
ứng cộng để tạo ra các sản phẩm trung gian khác. Từ các phân tại các vị trí khác nhau có thể rút ra kết luận rằng đối với
tích trên đây, nghiên cứu bề mặt thế năng của phản ứng hợp chất vòng không no α-epi-acorenol có C(sp2) thì liên
α-epi-acorenol với HOO• tại các vị trí đặc trưng là cần thiết. kết C-H tại carbon nằm liền kề với liên kết C=C (cụ thể
Cụ thể, bề mặt thế năng của phản ứng khi HOO• tấn công vào C6-H, C9-H) sẽ có năng lượng phân li liên kết là thấp nhất.
liên kết C-H tại vị trí C1 của vòng 5 và hai vị trí C6 và C9 Ngoài ra, đối với hợp chất vòng không no C(sp2) sẽ còn có
của vòng 6 và phản ứng cộng vào C7=C8 sẽ được xây dựng ưu tiên phản ứng cộng gốc HOO• vào C=C.
bằng phương pháp B3LYP/6-311G(d,p).
Các số liệu nhận được từ nghiên cứu lý thuyết này sẽ
đóng góp những thông tin cơ bản về cấu trúc hóa học cũng
như cơ chế của quá trình chống oxi hóa nhằm định hướng
cho những nghiên cứu thực nghiệm sau này.
Lời cảm ơn: Công trình này được thực hiện với sự tài trợ
kinh phí từ đề tài cấp bộ với mã số KYTH-58 (MOET).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Xuân Duy, Hồ Bá Vương, "Hoạt tính chống oxi hóa và ức
chế enzyme polyphenoloxidase của một số loại thực vật ăn được ở
Việt Nam",Tạp chí khoa học và phát triển, 11, 2013, 364-372.
[2] Trương Tuyết Mai, Nguyễn Xuân Ninh, Nguyễn Thị Lâm, "Đánh
giá chất lượng trà nụ vối dưới dạng hình thái và cách pha chế",Dinh
dưỡng và Thực phẩm, 2, 2009, 14-24.
[3] Podsędek Anna, "Natural antioxidants and antioxidant capacity of
Hình 3. Bề mặt thế năng của phản ứng HOO• + -epi-acorenol Brassica vegetables: A review",LWT - Food Science and
Technology, 40, 2007, 1-11.
Các cấu trúc chuyển tiếp được tối ưu bằng phương pháp [4] Moure Andrés, et al., "Natural antioxidants from residual
Berny trong Gaussian 09 [8] thể hiện trên Hình 3 cho thấy, khi sources",Food Chemistry, 72, 2001, 145-171.
xét phản ứng chuyển hydro từ α-epi-acorenol đến gốc tự do [5] Dung N. T., et al., "Anti-inflammatory effects of essential oil
HOO•, thì trạng thái chuyển tiếp (Transition State: TS) có isolated from the buds of Cleistocalyx operculatus (Roxb.) Merr and
Perry",Food Chem Toxicol, 47, 2009, 449-53.
năng lượng thấp nhất được xác định tại vị trí C9 với năng
[6] Srikrishna A. and Babu R. Ramesh, "Total syntheses of (±)-α-
lượng tương đối so với các chất phản ứng ban đầu là acorenol, β-acorenol, α-epi-acorenol and β-epi-acorenol via an
9,32 kcal/mol. Điều này hoàn toàn phù hợp với giá trị BDE đã Ireland ester Claisen rearrangement and RCM reaction
tính toán và hiệu ứng không gian không ảnh hưởng đến phản sequence",Tetrahedron Letters, 48, 2007, 6916-6919.
ứng này. Tương tự, tại ví trí C1 và C4, thì năng lượng của các [7] Jalali Hossein T., et al., "Assessment of the sesquiterpenic profile of
TS1 và TS4 lần lượt cao hơn TS tại C9 là 2 và 4 kcal/mol. Hai Ferula gummosa oleo-gum-resin (galbanum) from Iran. Contributes
to its valuation as a potential source of sesquiterpenic
vị trí này đều có hai nhóm CH3 nằm xung quanh tâm của các compounds",Industrial Crops and Products, 44, 2013, 185-191.
phản ứng tách hydro nên các nhóm CH3 có khả năng gây ra [8] Frisch MJ, et al., "Gaussian 09, revision a. 02, gaussian", Inc.,
hiệu ứng không gian cản trở quá trình chuyển nguyên tử hydro Wallingford, CT, 200, 2009.
đến radical HOO•. Số liệu trên bề mặt thế năng tại Hình 3 chỉ [9] Leopoldini M., Russo N. and Toscano M., "The molecular basis of
ra rằng, tại C1H và C4H, để nguyên tử hydro chuyển đến kết working mechanism of natural polyphenolic antioxidants", Food
Chemistry, 125, 2011, 288-306.
hợp với gốc peroxide HOO•, cần vượt qua rào thế có chiều
[10] Roy, K., Kar, S., & Das, R.N. "Understanding the basics of QSAR
caolần lượt là 11,41 kcal/mol và 13,14 kcal/mol. for applications in pharmaceutical sciences and risk assessment",
Bên cạnh phản ứng chuyển nguyên tử hydro, thì có sự Academic press, 2015.
cạnh tranh của các phản ứng cộng HOO• vào vị trí C7 và [11] Callomon J.H, et al., Structure data of free polyatomic molecules,
1987, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
(BBT nhận bài: 24/12/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 26/3/2019)
nguon tai.lieu . vn
