NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HÓA CỦA CURCUMIN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ (DFT)

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BỘ MÔN HÓA HỌC

HUỲNH DUY THIỆN

NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HÓA
CỦA CURCUMIN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT
PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ (DFT)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CỬ NHÂN HÓA HỌC

Cần Thơ, 2017


TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BỘ MÔN HÓA HỌC
***

HUỲNH DUY THIỆN

NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HÓA
CỦA CURCUMIN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT
PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ (DFT)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH HÓA HỌC

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

TS. PHẠM VŨ NHẬT

Cần Thơ, 2017


TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BỘ MÔN HÓA HỌC
---***--Năm học 2016-2017

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXY HÓA
CỦA CURCUMIN DỰA TRÊN LÝ THUYẾT
PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ (DFT)
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Cần Thơ, ngày tháng

năm 2017

Huỳnh Duy Thiện

Luận văn tốt nghiệp đại học
Chuyên ngành: Hóa Học
Mã số: KH1369A2
Đã bảo vệ và đƣợc duyệt
Trƣởng khoa……………………………..

Trƣởng chuyên ngành

Cán bộ hƣớng dẫn

TS. Phạm Vũ Nhật


TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BỘ MÔN HÓA HỌC

CÔNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

1. Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Phạm Vũ Nhật
2. Đề tài: “Nghiên cứu hoạt tính kháng oxy hóa của Curcumin dựa
trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT)”
3. Sinh viên thực hiện: Huỳnh Duy Thiện

MSSV : B1304106

4. Lớp: Cử Nhân Hóa Học

Khóa: 39

5. Nội dung nhận xét
a. Nhận xét về hình thức luận văn tốt nghiệp:
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung luận văn tốt nghiệp:
.....................................................................................................................

.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
c. Kết luận, đề nghị và điểm:
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2017

TS. Phạm Vũ Nhật


TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BỘ MÔN HÓA HỌC

CÔNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

1. Cán bộ phản biện: ...................................................................................
2. Đề tài: “Nghiên cứu hoạt tính kháng oxy hóa của Curcumin dựa
trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT)”.
3. Sinh viên thực hiện: Huỳnh Duy Thiện

MSSV: B1304106

4. Lớp: Cử Nhân Hóa Học

Khóa: 39

5. Nội dung nhận xét
a. Nhận xét về hình thức luận văn tốt nghiệp:
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung luận văn tốt nghiệp:
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
c. Kết luận, đề nghị và điểm:
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
.....................................................................................................................
Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế, không có sự thành công nào mà không gắn liền với những
sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác.
Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trƣờng đến nay, tôi đã nhận
đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến:
Ban giám hiệu Nhà trƣờng, cùng các cán bộ giảng viên, nhân viên đã tạo
mọi điều kiện tốt nhất để tôi học tập, nghiên cứu trong suốt thời gian tôi học
tập tại trƣờng Đại học Cần Thơ.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô thuộc Khoa Khoa học Tự
nhiên đã dung hết tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức và kinh
nhiệm quý báu cho tôi, đó sẽ là hành trang cho tôi trong suốt chặng đƣờng dài
phía trƣớc.

Và đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Phạm Vũ Nhật đã tận tình
hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Cảm ơn bạn Nguyễn Thanh
Sĩ – cử nhân Hóa K39 đã hỗ trợ để tôi hoàn thành bài luận văn này.
Tuy đã cố gắng để tìm tòi, nghiên cứu và học hỏi để hoàn thành bài luận
văn này nhƣng do vốn kiến thức còn hạn chế cũng nhƣ chƣa có nhiều kinh
nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý
kiến đóng góp của quý Thầy Cô và các bạn để kiến thức của tôi trong lĩnh vực
này đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2017

Huỳnh Duy Thiện

i


TÓM TẮT
Curcumin là một hợp chất hóa học có màu vàng, thuộc nhóm phenolic,
đƣợc tìm thấy nhiều trong củ nghệ (Curcuma longa). Curcumin có rất nhiều
ứng dụng trong đời sống, đặc biệt là trong ngành dƣợc và thực phẩm. Các
nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh rằng curcumin có rất nhiều hoạt tính
sinh học hữu ích nhƣ kháng oxy hóa, chống ung thƣ,... Mặc dù đã có rất nhiều
nghiên cứu về hoạt tính kháng oxy hóa của curcumin đã đƣợc công bố song cơ
chế kháng oxy hóa cũng nhƣ khả năng kháng oxy hóa của hợp chất này vẫn
chƣa rõ ràng.
Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học nói chung và cơ học lƣợng tử nói
riêng, con ngƣời đã có thể giải thích nhiều hiện tƣợng vật lí, sinh học và hóa
học thông qua các tính toán mô phỏng trên máy vi tính cũng nhƣ dự đoán
nhiều hiện tƣợng khoa học khác. Bằng cách áp dụng lí thuyết phiếm hàm mật
độ (DFT), nghiên cứu này sẽ thực hiện khảo sát các cơ chế kháng oxy hóa của

curcumin qua đó xác định cơ chế chính của quá trình kháng oxy hóa của hợp
chất này. Bên cạnh đó, sự ảnh hƣởng của dung môi lên hoạt tính kháng oxy
hóa của curcumin cũng sẽ đƣợc khảo sát. Các kết quả thu đƣợc trong bài
nghiên cứu này sẽ giải thích cho những luận đề trên đây và cũng là cơ sở cho
nhiều nghiên cứu tiếp theo sau này.

ii


ABSTRACT
Curcumin is a yellow phenolic compound which was found in turmeric.
Curcumin has a wide variety of applications and is widely used in medicine
and food. Experimental studies have shown that curcumin has a lot of useful
biological activities such as antioxidant, anti-cancer, etc. Although many
studies on the antioxidant activity of curcumin have been reported, the
antioxidant mechanism and the antioxidant capacity of this compound is still
unclear.
Today, with the development of science in general or particularly in the
quantum mechanics, we have been able to explain and predict many physical,
biological and chemical phenomena by computational calculations on
computers. By applying density functional theory (DFT), this study will
investigate the antioxidant mechanisms of curcumin by identifying the main
mechanism of its antioxidant activity. In addition, the effect of solvent on the
antioxidant activity of curcumin will be researched. The results obtained in
this thesis will explain the above-mentioned and also serve as a basis for many
subsequent studies.

iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này là của cá nhân tôi thực hiện.
Tất cả những dữ liệu và số liệu sử dụng trong nội dung bài luận văn đƣợc tôi
tham khảo nhiều nguồn tài liệu khác nhau và đƣợc ghi nhận từ những kết quả
tính toán mà tôi đã tiến hành khảo sát trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin
đảm bảo về sự tồn tại và tính trung thực của những dữ liệu và số liệu này.

Huỳnh Duy Thiện

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN

I

TÓM TẮT

II

ABSTRACT

III

LỜI CAM ĐOAN

IV

MỤC LỤC

V

DANH MỤC BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ

VIII

DANH MỤC HÌNH ẢNH

IX

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1

1.1 Tổng quan về Curcumin

1

1.1.1 Giới thiệu

1

1.1.2 Cấu tạo và tính chất

1

1.1.3 Ứng dụng trong đời sống

2

1.2 Lý thuyết về gốc tự do và chất kháng oxy hóa

3

1.2.1 Gốc tự do

3

1.2.2 Chất kháng oxy hóa

6

1.3 Cơ sở lý thuyết hóa học lƣợng tử

7

1.3.1 Thành phần của nguyên tử

7

1.3.2 Phƣơng trình Schrodinger

8

1.3.3 Sự gần đúng Thomas – Fermi

9

1.3.4 Lý thuyết phiếm hàm mật độ

11

1.3.5 Bộ hàm cơ sở

15

CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

17

2.1 Giới thiệu về bộ phần mềm Gaussian

17

2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu

18

2.2.1 Tối ƣu hóa các cấu trúc hình học

18

2.2.2 Tính toán các giá trị nhiệt động

18

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

20

3.1 Độ bền của hai dạng đồng phân Curcumin

20

3.2 Cơ chế chuyển nguyên tử Hydro (HAT)

21

3.3 Cơ chế chuyển electron – chuyển proton (SET-PT)

22

v


3.4 Cơ chế mất proton – chuyển electron (SPLET)

23

3.5 Cơ chế chính của quá trình kháng oxy hóa của Curcumin

24

CHƢƠNG 4: TỔNG KẾT VÀ KIẾN NGHỊ

25

4.1 Kết luận

25

4.2 Kiến nghị

25

TÀI LIỆU THAM KHẢO

26

PHỤ LỤC A

27

PHỤ LỤC B

29

vi


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DFT

Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory)

HAT

Cơ chế chuyển nguyên tử H (Hydrogen Atom Transfer)

SET-PT

Cơ chế chuyển electron – chuyển proton (Single electron
transfer – proton transfer

SPLET

Cơ chế mất proton – chuyển electron (Single proton loss electron transfer)

ROS

Gốc tự do tâm hoạt động oxygen (Reactive Oxygen Spieces)

RNS

Gốc tự do tâm hoạt động nitrogen (Reactive Nitrogen Spieces)

BDE

Năng lƣợng phân ly liên kết (Bond Dissociation Energy)

IP

Thế ion hóa (Ionization Potential)

PA

Proton Affinity (Ái lực proton)

PDE

Năng lƣợng phân ly proton (Proton Dissociation Enthalpy)

ETE

Năng lƣợng chuyển electron (Electron Transfer Energy)

vii


DANH MỤC BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ
Bảng 2.1. Hệ các dung môi được khảo sát ...................................................... 19
Bảng 3.1. Giá trị BDE theo kcal/mol của hai dạng đồng phân curcumin trong
các pha được tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) ........................ 21
Bảng 3.2. Giá trị IP theo kcal/mol của hai dạng đồng phân curcumin trong
các pha được tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) ........................ 22
Bảng 3.3. Giá trị PDE theo kcal/mol của hai dạng đồng phân curcumin trong
các pha được tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) ........................ 23
Bảng 3.4. Giá trị PA theo kcal/mol của hai dạng đồng phân curcumin trong
các pha được tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) ........................ 23
Bảng 3.5. Giá trị ETE theo kcal/mol của hai dạng đồng phân curcumin trong
các pha được tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) ........................ 24

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1.Cấu trúc hóa học của phân tử curcumin dạng enol (A) và dạng βdiketone (B) ........................................................................................................ 1
Hình 2.2. Cơ chế kháng oxy hóa của các hợp chất phenolic .......................... 18

Hình 3.1. Cấu trúc phân tử của curcumin dạng enol và của các cấu tử liên
quan được tối ưu ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) ......................... 20
Hình 3.2. Cấu trúc phân tử của curcumin dạng β-diketone và của các cấu tử
liên quan được tối ưu ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2d,2p) .................. 21

ix


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về Curcumin
1.1.1 Giới thiệu
Curcumin hay (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)hepta-1,6diene-3,5-dione) là một hợp chất có màu vàng tƣơi sáng đƣợc tổng hợp tự
nhiên bởi một số loài thực vật. Curcumin đƣợc biết đến nhiều nhất với vai trò
là thành phần hóa học của củ nghệ vàng (Curcuma longa), một loài thực vật
thuộc họ gừng (Zingiberaceae).
Curcumin đƣợc cô lập lần đầu tiên vào năm 1815 khi Vogel và Pelletier
báo cáo một nghiên cứu về một hợp chất màu vàng đƣợc cô lập từ củ nghệ và
đặt tên nó curcumin. Curcumin có hai đồng phân là β-diketone và enol. Trong
đó, dạng enol chiếm ƣu thế hơn trong các dung môi hữu cơ và dạng β-diketone
chiếm ƣu thế hơn trong nƣớc. Một số nghiên cứu trƣớc đây đã cho thấy cấu
trúc dạng enol ổn định hơn về mặt năng lƣợng ở pha rắn và trong dung môi
kém phân cực. Curcumin còn đƣợc biết đến với nhiều tên gọi khác nhƣ là C.I.
75300, Natural Yellow 3, E100,...
1.1.2 Cấu tạo và tính chất
Công thức phân tử: C21H20O6
Cấu trúc của phân tử curcumin đƣợc xác định lần đầu tiên vào năm 1910
bởi Kazimierz Kostanecki, J. Miłobędzka và Wiktor Lampe.

Hình 2.1.Cấu trúc hóa học của phân tử curcumin
dạng enol (A) và dạng β-diketone (B)

Khối lƣợng mol phân tử: 368,126 g.mol−1
Nhiệt độ nóng chảy: khoảng 183 °C (361 °F; 456 K)
Curcumin tan rất ít trong nƣớc (3,12mg/L ở 25oC), tan tốt trong các dung
môi hữu cơ nhƣ acetone, ethanol và benzene.

1


1.1.3 Ứng dụng trong đời sống
Curcumin có rất nhiều ứng dụng trong đời sống. Trong y học, củ nghệ
bắt đầu đƣợc sử dụng trong y học Ayurveda tại Ấn Độ từ khoảng năm 1900
TCN để chữa trị một loạt các loại bệnh tật. Nghiên cứu của các nhà khoa học
vào cuối thế kỷ 20 đã xác định curcumin đóng vai trò quan trọng trong các
hoạt tính sinh học của củ nghệ. Dựa trên những nghiên cứu trong ống nghiệm
(in vitro) và trên động vật, các nhà khoa học đƣa ra giả thuyết khả năng chữa
bệnh hoặc ngăn ngừa bệnh của curcumin. Hiện tại, các tác động này chƣa
đƣợc xác nhận trên ngƣời. Tuy nhiên, cho tới năm 2008, rất nhiều thử nghiệm
lâm sàng ở ngƣời đang đƣợc thử nghiệm để nghiên cứu về tác dụng của
curcumin trong việc điều trị các bệnh nhƣ: viêm tủy, ung thƣ tụy, hội chứng
loạn sản tủy, ung thƣ ruột kết, bệnh vẩy nến, bệnh Alzheimer. Các nghiên cứu
cũng cho thấy curcumin có tính chất chống ung thƣ, chống oxy hóa, chống
viêm khớp, chống thoái hóa, chống thiếu máu cục bộ và kháng viêm. Khả
năng kháng viêm có thể là do sự ngăn chặn tổng hợp sinh học của eicosanoit.
Theo nghiên cứu của …, curcumin làm vô hiệu hóa tế bào ung thƣ và
ngăn chặn hình thành các tế bào ung thƣ mới. Curcumin giúp cơ thể phòng
ngừa và chống ung thƣ, là một chất có triển vọng lớn trong điều trị viêm gan
B, C và nhiễm HIV. Rất nhiều bằng chứng cho thấy curcumin phát triển chức
năng thần kinh, một điều tra trên 1010 ngƣời châu Á ăn bột cari vàng ở độ tuổi
60-93 cho thấy những ngƣời ăn ít nhất 1 lần trong 6 tháng cho kết quả MMSE

cao hơn so với những ngƣời không ăn. Theo quan điểm của các nhà khoa học,
và một con số rất lớn các nghiên cứu cho thấy curcumin có tác dụng tốt cho
não, các notron, giảm stress, trầm cảm, trạng thái lo âu. Curcumin có khả năng
chống ung thƣ, làm vô hiệu hóa tế bào ung thƣ và ngăn chặn hình thành các tế
bào ung thƣ mới mà không làm ảnh hƣởng đến các tế bào lành tính bên cạnh.
Nó can thiệp vào hoạt động sao chép của NF-κB là liên kết các bệnh viêm nhƣ
ung thƣ. Một nghiên cứu về tác dụng của curcumin đối với ung thƣ năm 2009
cho thấy hợp chất này điều chỉnh sự phát triển của các tế bào u, bƣớu thông
qua quá trình phân chia thƣờng xuyên của tế bào. Một nghiên cứu cho thấy với
liều 0,2% curcumin thêm vào khẩu phần ăn của chuột trƣớc khi thêm chất gây
ung thƣ sẽ làm giảm rõ rệt chất gây ung thƣ này ở kết tràng. Bên cạnh những
tác dụng đó, curcumin cũng giống nhƣ các chất chống oxy hóa khác, đó là con
dao hai lƣỡi. Các nghiên cứu lâm sàng trên ngƣời cho thấy với 2-12 gam
curcumin đã gây tác dụng phụ nhƣ buồn nôn, tiêu chảy, rối loạn chuyển hóa
sắt và có khả năng gây ra thiếu sắt ở các bệnh nhân mẫn cảm.
Trong đời sống, curcumin còn đƣợc sử dụng nhƣ một chất phụ gia thực
phẩm có tác dụng tạo màu vàng cho các món ăn và còn rất nhiều ứng dụng
2


trong các ngành, lĩnh vực khác. Thông tin chi tiết hơn về curcumin có thể
đƣợc tham khảo tại trang web sau:
/>y-Results
1.2 Lý thuyết về gốc tự do và chất kháng oxy hóa
1.2.1 Gốc tự do
1.2.1.1 Khái niệm
Khái niệm gốc tự do đƣợc nhà bác học Nga gốc Do Thái Mose Gomberg
phát hiện đầu tiên vào năm 1900. Theo đó, gốc tự do (Free radical) đƣợc định
nghĩa là một nguyên tử hay phân tử có ít nhất một electron chƣa ghép đôi. Ví
dụ, sự phân cắt đồng li diễn ra trên phân tử Cl2 sẽ tạo thành hai nguyên tử Cl.

Mỗi nguyên tử Cl sinh ra sẽ mang 7 electron tạo thành ba cặp electrons và một
electron độc thân. Khi đó, mỗi nguyên tử Cl sinh ra đƣợc gọi là một gốc tự do.
Ký hiệu của gốc tự do là ký hiệu nguyên tử hay phân tử có một dấu chấm đại
diện cho electron độc thân (Cl•, ArO•,...). Trong gốc tự do, các electron độc
thân có xu hƣớng kết hợp với một electron tự do của một nguyên tử khác để
tạo một liên kết, do đó các gốc tự do kém bền, rất hoạt động và dễ dàng tham
gia phản ứng hóa học.
1.2.1.2 Sự hình thành các gốc tự do
Các gốc tự do đƣợc hình thành trong cơ thể bởi rất nhiều tác nhân khác
nhau, theo nhiều con đƣờng khác nhau, song đƣợc tổng hợp thành hai loại
chính đó là nội sinh và ngoại sinh.
Các gốc tự do nội sinh đƣợc sinh ra trong các chu trình chuyển hóa vật
chất của tế bào, mô nhƣ: chuỗi dẫn truyền điện tử trong ty thể qua các phản
ứng phosphoryl oxy hóa của mitochondria, từ hoạt động hô hấp của leucocyte,
từ quá trình tự chết của tế bào (apoptosis). Các quá trình này xảy ra thƣờng
xuyên trong cơ thể, tạo ra các gốc tự do có vai trò là hệ miễn dịch, phá hủy và
tiêu diệt các tác nhân gây bệnh cho cơ thể nhƣ vi khuẩn và virus.
Ngƣợc lại với quá trình nội sinh, quá trình ngoại sinh này thƣờng bắt
nguồn từ các tác nhân tiêu cực từ môi trƣờng ngoài nhƣ: sự ô nhiễm môi
trƣờng, các tia vật lí, các thực phẩm độc hại hoặc bị nhiễm bẩn, do các thói
quen sống nhƣ hút thuốc, uống rƣợu bia, do stress hoặc do tuổi tác... Các gốc
tự do ngoại sinh là nguyên nhân gây nên nhiều bệnh nguy hiểm cho cơ thể,
điển hình nhất là ung thƣ.

3


1.2.1.3 Phân loại
Các gốc tự do đƣợc phân thành hai loại chính: ROS (Reactive Oxygen
Spieces) và RNS (Reactive Nitrogen Spieces).

2.1.1.3a Gốc tự do ROS (Reactive Oxygen Spieces)
Các gốc tự do có trung tâm hoạt động là electron độc thân nằm trên
nguyên tử oxy đƣợc xếp vào nhóm ROS. Các gốc tự do nhóm ROS là sản
phẩm chuyển hóa tự nhiên của cơ thể, đóng vai trò quan trọng trong liên kết tế
bào và cân bằng nội môi. Tuy nhiên, do tác động của stress hay các tác nhân từ
môi trƣờng (nhƣ UV hay tiếp xúc với nhiệt độ cao,…), nồng độ ROS có thể
tăng lên một cách đột ngột, gây tổn thƣơng các cấu trúc của tế bào. Đó đƣợc
gọi là stress do oxy hóa (oxidative stress).
ROS nội bào hình thành từ nhiều nguồn khác nhau, các nguồn chính gồm
có ti thể, peroxisome, hệ võng nội bào và phức hợp NADPH oxidase (NOX) ở
màng tế bào. Ti thể sản xuất năng lƣợng cho tế bào, adenosine triphotphate
(ATP). Quá trình sản xuất ATP gọi là sự phosphorin hóa oxide hóa, bao gồm
chuỗi vận chuyển proton (ion hydrogen) xuyên màng ti thể, hay còn gọi là
chuỗi dẫn truyền electron. Trong chuỗi vận chuyển electron, electron đƣợc
truyền qua một chuỗi các protein và bằng các phản ứng oxy hóa – khử mà mỗi
chất nhận sau lại có tính khử lớn hơn chất trƣớc. Chất nhận electron cuối cùng
là oxy. Trong điều kiện bình thƣờng, oxy bị khử để tạo thành nƣớc; tuy nhiên,
vẫn có một tỉ lệ nhỏ (từ 0,1% – 2%) các electron vƣợt qua đƣợc chuỗi dẫn
truyền điện tử, phân tử oxygen bị khử không hoàn toàn, tạo thành gốc
superoxide tự do.
Các phóng xạ có thể tác động lên phân tử nƣớc gây ra một quá trình
đƣợc gọi là sự phân ly do phóng xạ. Vì nƣớc chiếm tới 55-60% cơ thể nên khả
năng xảy ra sự phân ly do phóng xạ là rất cao trong trƣờng hợp có sự hiện diện
của các phóng xạ. Trong quá trình này, nƣớc bị mất đi một electron và trở nên
rất hoạt động, sau đó chuyển thành gốc hydroxy (OH•-), hydrogen peroxide
(H2O2), gốc superoxide (O2•-) và oxygen phân tử (O2). Gốc hydroxy rất hoạt
động, có thể lấy electron của hầu hết các phân tử nằm trên đƣờng đi của nó,
chuyển phân tử đó thành gốc tự do và vì vậy tạo ra một chuỗi các phản ứng
dây chuyền.
2.1.1.3b Gốc tự do RNS (Reactive Nitrogen Spieces)

Các gốc tự do RNS là các gốc tự do có trung tâm hoạt động là electron
độc thân nằm trên nguyên tử N. Điển hình cho nhóm RNS là NO•, một gốc tự
do chứa một electron trên orbital phản liên kết
. NO• thƣờng đƣợc tạo ra
4


trong các mô sinh học bởi sự tổng hợp nitric oxide (NOSs). Nó có thời gian
sống rất ngắn, chỉ một vài giây trong môi trƣờng nƣớc, nhƣng ổn định hơn
trong môi trƣờng có nồng độ oxy thấp (chu kỳ bán hủy > 15s). Tuy nhiên, khi
đƣợc hòa tan trong dung dịch nƣớc và môi trƣờng lipid, NO• dễ dàng khuyếch
tán qua các tế bào chất và màng plasma. NO• có tác dụng dẫn truyền thần kinh
trong hệ thống thần kinh trung ƣơng. Trong môi trƣờng ngoại bào, NO• phản
ứng với oxy và nƣớc để tạo thành nitrat và anion nitrit.
1.2.1.4 Ảnh hƣởng của gốc tự do
Năm 1954, bác sĩ Denham Harman thuộc Đại học Berkeley, California,
lần đầu tiên nhận ra sự hiện hữu của gốc tự do trong cơ thể với nguy cơ gây ra
những tổn thƣơng cho tế bào. Trƣớc đó, ngƣời ta cho rằng gốc này chỉ có ở
ngoài cơ thể.
Gốc tự do có tác dụng không tốt cho cơ thể liên tục ngay từ lúc con
ngƣời mới sinh ra và mỗi tế bào phải chịu sự tấn công của cả chục ngàn gốc tự
do mỗi ngày. Ở tuổi trung niên, cơ thể khỏe mạnh có thể kháng lại chúng,
nhƣng khi già đi, sức khỏe yếu dần, các gốc tự do ngày càng lấn át, gây thiệt
hại gấp nhiều lần so với ngƣời trẻ tuổi. Nếu không đƣợc kiểm soát, kiềm chế,
các gốc tự do sẽ gây ra các bệnh thoái hóa nhƣ ung thƣ, xơ cứng động mạch,
làm suy yếu hệ thống miễn dịch, gây dễ bị nhiễm trùng, làm giảm trí tuệ, teo
cơ một số bộ phận và nhiều ảnh hƣởng tiêu cực khác.
Các gốc tự do có thể phá rách màng tế bào gây thất thoát dƣỡng chất, tế
bào không thể tăng trƣởng và rồi chết đi. Chúng tạo ra lipofuscin tích tụ dƣới
da, tạo thành vết đồi mồi trên mặt, trên mu bàn tay. Chúng ngăn cản quá trình

tổng hợp các phân tử protein trong tế bào hoặc gây đột biến ở gen trên nhiễm
sắc thể và làm mất tính đàn hồi khiến da nhăn nheo, cứng khớp.
Các nghiên cứu trƣớc đây cho thấy gốc tự do hủy hoại tế bào theo diễn
tiến nhƣ sau. Trƣớc hết, gốc tự do oxy hóa màng tế bào, gây trở ngại trong
việc thải chất bã và tiếp nhận dƣỡng chất, dƣỡng khí. Tiếp theo đó, các gốc tự
do tấn công các ty thể, lạp thể, phá vỡ nguồn cung cấp năng lƣợng của tế bào.
Sau cùng, bằng cách oxy hóa, gốc tự do làm suy yếu hoocmon, enzym khiến
cơ thể không tăng trƣởng đƣợc.
Theo bác sĩ Denham Harman, các gốc tự do là một trong nhiều nguyên
nhân gây ra sự lão hóa. Theo đó, gốc tự do tác dụng lên ty thể và lạp thể, gây
tổn thƣơng các phân tử sinh học bằng cách làm thay đổi hình dạng, cấu trúc,
khiến chúng trở nên bất hoạt, mất khả năng sản xuất năng lƣợng.

5


Tuy nhiên, không phải là gốc tự do nào cũng phá hoại. Đôi khi chúng
cũng có một vài hành động hữu ích. Nếu đƣợc kiềm chế, nó là nguồn cung cấp
năng lƣợng cho cơ thể; tạo ra chất mầu melanine cần cho thị giác; góp phần
sản xuất prostaglandins có công dụng ngừa nhiễm trùng; tăng cƣờng tính miễn
dịch; làm cho sự truyền đạt tín hiệu thần kinh, co bóp cơ thịt trở nên dễ dàng
hơn.
1.2.2 Chất kháng oxy hóa
1.2.2.1 Khái niệm
Chất kháng oxy hóa là các chất hóa học giúp ngăn chặn hoặc làm chậm
quá trình oxy hóa. Chất kháng oxy hóa ngăn cản quá trình phá hủy này bằng
cách khử đi các gốc tự do, kìm hãm sự oxy hóa bằng cách oxy hóa chính
chúng. Chất kháng oxy hóa làm giảm tác hại của cách quá trình oxy hóa nguy
hiểm bằng cách liên kết với nhau với các phân tử có hại, giảm hoạt tính của
chúng. Bất kỳ chất nào có khả năng ngăn chặn hay làm chậm các quá trình

oxy hóa đều đƣợc gọi là chất kháng oxy hóa.
1.2.2.2 Cơ chế kháng oxy hóa
Hoạt tính kháng oxy hoá của các hợp chất phenolic đƣợc cho là diễn ra
theo hai cơ chế chính sau đây:[1][2][3]
(i) Cơ chế chuyển nguyên tử H (HAT)
(ii) Cơ chế chuyển điện tử đơn (bao gồm SET-PT và SPLET)
Cơ chế chuyển nguyên tử H (HAT)
ArOH + R• → ArO• + RH
Trong cơ chế này, chất chống oxy hóa (ArOH) phản ứng với các gốc tự
do bằng cách chuyển một nguyên tử H cho gốc tự do (R•) tạo ra sản phẩm là
gốc tự do mới (ArO•) ổn định hơn gốc tự do ban đầu. Các gốc ArO• thƣờng
đƣợc ổn định bởi một số yếu tố nhƣ hiệu ứng cộng hƣởng, liên hợp, và liên kết
H. Trong cơ chế HAT, hoạt tính kháng oxy hóa của một chất đƣợc quyết định
bởi enthalpy phân ly liên kết O-H (BDE). Giả trị BDE càng thấp, sự phân ly
của liên kết O-H càng dễ và do đó hoạt tính kháng oxy hóa càng mạnh.
Cơ chế chuyển điện tử đơn (SET)
Khác với cơ chế HAT, cơ chế SET liên quan đế khả năng của một chất
oxy hóa có thể cho electron để khử một chất khác nhƣ ion kim loại, hợp chất
carbonyl hay gốc tự do. Sự tách proton và thế ion hóa của nhóm chức hoạt
động quyết định các phản ứng trong cơ chế SET. Cơ chế SET phụ thuộc vào
6


pH, khi pH tăng thì khả năng phản ứng giảm. So với cơ chế HAT, cơ chế SET
phụ thuộc nhiều hơn vào dung môi. Cơ chế SET đƣợc phân thành hai nhóm
nhỏ hơn đó là SET-PT và SPLET.
Trong cơ chế SET-PT, bƣớc đầu chất kháng oxy hóa sẽ cho một electron
để tạo thành cation gốc tự do. Sau đó quá trình tách proton của cation gốc tự
do sẽ diễn ra để hoàn thành phản ứng.
ArOH → ArOH+• + eArOH•+ → ArO• + H+

Mặt khác, trong cơ chế SPLET, sự mất proton của chất kháng oxy hóa sẽ
diễn ra trƣớc và sinh ra một anion, một điện tử đơn sẽ đƣợc chuyển từ anion
mới tạo thành.
ArOH → ArO- + H+
ArO- → ArO• + eCác hợp chất có khả năng kháng oxy hóa có thế thu gom các gốc tự do
bằng cách cho một nguyên tử H của nhóm OH phenolic theo các cơ chế trên.
Tủy thuộc vào loại dung môi và tính chất của các gốc tự do mà cơ chế nào
chiếm ƣu thế hơn. Cơ chế HAT không liên quan đến việc tách electron, vì vậy
nó đƣợc ƣu tiên hơn trong dung môi không phân cực. Ngƣợc lại, cơ chế SET
đƣợc ƣa thích hơn trong dung mội phân cực do có sự tách electron. Nhiều
nghiên cứu lý thuyết đã đƣợc thực hiện để tìm hiểu cơ chế chống oxy hóa của
các hợp chất phenolic. Wright và các cộng sự đã khảo sát hoạt tính chống oxy
hóa của một số phenolic sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) và kết
luận rằng cơ chế HAT chiếm ƣu thế hơn. Tuy nhiên, các nghiên cứu DFT gần
đây cho thấy cơ chế HAT và SET trong pha khí cũng nhƣ dung môi (nƣớc,
benzene,...) quan trọng nhƣ nhau.
1.3 Cơ sở lý thuyết hóa học lƣợng tử
1.3.1 Thành phần của nguyên tử
Trong hóa học, nguyên tử (atom) đƣợc biết đến nhƣ là hạt nhỏ nhất,
không thể phân chia đƣợc nữa, vẫn giữ đƣợc tính chất của vật chất. Khái niệm
nguyên tử xuất phát đầu tiên từ các nhà triết học Ấn Độ và Hy Lạp. Trong thế
kỷ 18 và thế kỷ thứ 19, các nhà hóa học nêu ra một cơ sở vật lý cho ý tƣởng
này bằng cách chỉ ra có những chất không thể chia nhỏ hơn bởi phƣơng pháp
hóa học, và họ lấy tên gọi từ các nhà triết học cổ đại là nguyên tử để đặt cho
các thực thể hóa học này. Trong giai đoạn cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, các
nhà vật lý đã phát hiện ra những thành phần hạ nguyên tử và cấu trúc bên
7


trong nguyên tử, và do vậy chứng minh "nguyên tử" hóa học có thể phân chia

đƣợc và tên gọi này có thể không miêu tả đúng bản chất của chúng. Tuy nhiên,
nó đã trở thành một thuật ngữ khoa học hiện đại.
Từ những thông tin thu đƣợc từ thực nghiệm, các nhà khoa học đã xác
định đƣợc cấu tạo của một nguyên tử, nó bao gồm một hạt nhân ở trung tâm
và các electron chuyển động xung quanh hạt nhân. Trong đó, hạt nhân nguyên
tử đƣợc cấu tạo từ các proton mang điện tích dƣơng (+1 hay +1,602 x 10-19 C)
và các neutron không mang điện. Điện tích của hạt nhân bằng tổng điện tích
của các proton. Các electron mang điện tích âm (-1 hay -1,602 x 10-19 C).
Trong nguyên tử, số lƣợng các proton bằng số lƣợng các electron và do đó
nguyên tử trung hòa điện.
Nguyên tử có kích thƣớc rất nhỏ (trung bình khoảng 100 pm) nên các
quy luật của cơ học cổ điển không thể áp dụng để mô tả các chuyển động của
electron xung quanh hạt nhân. Electron là các hạt mang điện âm và hạt nhân
mang điện tích dƣơng. Theo cơ học cổ điển, khi electron chuyển động xung
quanh hạt nhân sẽ phát xạ liên tục, chuyển động theo quỹ đạo hình xoắn ốc và
cuối cùng rơi vào hạt nhân. Nhƣ vậy, nguyên tử không tồn tại. Chuyển động
của các electron xung quanh hạt nhân phải đƣợc mô tả bằng một lý thuyết
mới, và từ đó cơ học lƣợng tử ra đời. Sự phát triển của cơ học lƣợng tử gắn
liền với sự hiểu biết về tính chất của các hạt vi mô ở cấp độ nguyên tử nhƣ
lƣỡng tính sóng – hạt, sự lƣợng tử hóa năng lƣợng, nguyên lý bất định
Heisenberg, phƣơng trình Schrodinger,…
1.3.2 Phƣơng trình Schrodinger
Theo cơ học lƣợng tử: “Sự vận động của một hệ lƣợng tử theo thời gian
đƣợc mô tả bằng phƣơng trình Shrödinger phụ thuộc vào thời gian”.
̂ (

(

)

)

Trong đó:
̂

̂

: Toán tử Hamilton
: Toán tử Laplace

U: thế năng (năng lƣợng tƣơng tác giữa các hạt lƣợng tử trong hệ)
√

là đơn vị ảo của số phức
, (h = 6,626069057 x 10-34 J.s là hằng số Planck)

8


Vì hóa học lƣợng tử khảo sát hệ ở trạng thái dừng, là trạng thái mà hệ có
xác suất xác định hay không thay đổi theo thời gian, nên hàm sóng của hệ chỉ
phụ thuộc vào biến số tọa độ và phƣơng trình Shrödinger trở thành:
̂ ( )

( )

Phƣơng trình này có thể phát biểu là khi tác dụng toán tử Hamilton vào
một hàm sóng xác định ( ) thì kết quả thu đƣợc tỉ lệ với hàm sóng ( ) và
hệ số tỉ lệ E đƣợc gọi là năng lƣợng của hàm sóng .
Phƣơng trình Shrödinger là phƣơng trình vi phân hay đạo hàm riêng cấp

hai. Việc giải phƣơng trình này sẽ thu đƣợc hai kết quả quan trọng là trị riêng
năng lƣợng E và hàm riêng của toán tử ̂ . Việc giải chính xác phƣơng trình
Shrödinger chỉ có thể thực hiện cho những hệ lƣợng tử đơn giản nhƣ hạt
chuyển động tự do trong hộp thế một chiều, hộp thế hai chiều, hộp thế ba
chiều, dao động tử điều hòa, quay tử cứng, hệ có một electron và một hạt nhân
nhƣ nguyên tử H, ion He+, ion Li2+. Phƣơng trình Shrödinger cho những hệ
nhiều hạt nhƣ nguyên tử nhiều electron hay phân tử phải đƣợc giải bằng các
phƣơng pháp gần đúng và phổ biến nhất là nguyên lý biến phân.
1.3.3 Sự gần đúng Thomas – Fermi
Nguồn gốc của lý thuyết phiếm hàm mật độ của hệ lƣợng tử là phƣơng
pháp đƣợc đề xuất bởi Thomas và Fermi vào năm 1927. Mặc dù ngày nay
phép gần đúng của họ không đủ chính xác để tính toán cấu trúc lƣợng tử.
Trong phƣơng pháp gần đúng Thomas – Fermi, động năng của electron xấp xỉ
bằng một phiếm hàm tƣờng minh của mật độ có biểu thức tƣơng tự nhƣ biểu
thức của hệ electron không tƣơng tác trong pha khí đồng nhất với mật độ bằng
mật độ địa phƣơng tại một điểm.
Cả Thomas và Fermi đều bỏ qua sự tƣơng quan – trao đổi giữa các
electron. Tuy nhiên vấn đề này đã đƣợc mở rộng bởi Dirac vào năm 1930,
ngƣời đã xây dựng nên phép gần đúng mật độ địa phƣơng trao đổi, vẫn sử
dụng đến ngày nay. Điều này dẫn đến phiếm hàm năng lƣợng thể năng ngoài
( ) có dạng :
∫

, -

( )
∫

( ) ( )

∫

∫

( )

( ) ( )
|
|

trong đó, số hạng đầu tiên là gần đúng địa phƣơng của năng lƣợng với
(

)

đơn vị nguyên tử, số hạng thứ ba là trao đổi địa
9


phƣơng với

(đối với tập hợp spin hƣớng lên và

. /

hƣớng xuống), số hạng cuối cùng là năng lƣợng Hartree tĩnh điện cổ điển.
Mật độ trạng thái cơ bản và năng lƣợng có thể đƣợc tìm thấy bằng cách
lấy cực tiểu phiếm hàm () cho tất cả các hàm n(r) để hạn chế về số lƣợng cho
electron
( )

∫

Áp dụng phuong pháp nhân tử Lagrange, đáp án có thể đƣợc tìm thấy với
sự cực tiểu hóa phiếm hàm.
, -

, -

( )

*

+

trong đó, hệ số Lagrange μ là năng lƣợng Fermi. Đối với các biến phân nhỏ
của mật độ , điều kiện điểm dừng là:
∫

*

, ( )

∫

*

( )

( )

( )

( )-+
+

( )

( )
( )
( ) là thế tổng hợp. Từ đó, biểu
trong đó, ( )
thức trên phải đƣợc thỏa mãn cho bất kì phiếm hàm ( ) nào, phiếm hàm là
dừng khi và chỉ khi mật độ thỏa mãn điều kiện:
(

)

( )

( )

Việc mở rộng để tính toán những hiệu ứng của tính không đồng nhất đã
là ý tƣởng của nhiều ngƣời, nổi tiếng nhất là sự hiệu chỉnh Weizsacker,
(

( ))

( ), nhƣng gần đây nhiều công trình nghiên cứu đã tùm thấy

các hiệu chỉnh đƣợc giảm tới

(

( ))

( ).

Sự hữu ích của lý thuyết phiếm hàm là hiển nhiên bởi một thực tế là một
phƣơng trình mật độ electron đơn giản hơn một phƣơng trình Schrodinger cho
hệ nhiều hạt bao gồm 3N bậc tự do với N electron. Tuy nhiên cách tiếp cận
của Thomas và Fermi bắt đầu với một sự gần đúng gặp phải những thiếu sót.
Nhƣ đã nói ở trên, liên kết phân tử không đƣợc nhắc đến trong lý thuyết này
và thêm nữa là độ chính xác cho các nguyên tử là không cao nhƣ các phƣơng
pháp khác. Điều nà làm cho lý thuyết Thomas – Fermi đƣợc xem nhƣ là một
mô hình quá đơn giản so với những dự đoán định lƣợng trong một hệ vật lý
nguyên tử, phân tử và vật lý chất rắn.
10


1.3.4 Lý thuyết phiếm hàm mật độ
1.3.4.1 Mật độ electron
Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT hay Density Functional Theory) là
phƣơng pháp đƣợc sử dụng để tính năng lƣợng của phân tử dựa vào mật độ
electron mà không dựa vào hàm sóng. Thuật ngữ mật độ ở đây đƣợc hiểu là
mật độ electron và thuật ngữ phiếm hàm có nghĩa là hàm số của hàm số.
Trong toán học, hàm số đƣợc hiểu là một quy luật để chuyển một số này thành
một số khác có thể giống hoặc khác với số ban đầu. Thí dụ, nếu ta có hàm số
f(x) = 3x2 và nếu x = 2 ta đƣợc:
( )

Nhƣ vậy, hàm số f(x) đã chuyển số 2 thành số 12. Phiếm hàm có thể
đƣợc hiểu là một quy luật để chuyển một hàm số thành một số. Thí dụ, nếu ta
lấy tích phân của hàm số f(x) = 3x2 với x có giá trị từ 0 đến 2 ta đƣợc:
∫ ( )

∫

|

Nhƣ vậy, phiếm hàm ∫ ( )
đã chuyển hàm số 3x2 thành số 8.
Trong lý thuyết phiếm hàm mật độ, năng lƣợng đƣợc xem nhƣ là một phiếm
hàm của mật độ electron.
Việc sử dụng mật độ electron để tính năng lƣợng của phân tử xuất phát
từ những khó khăn khi giải phƣơng trình Schrodinger để thu đƣợc năng lƣợng
và hàm sóng của phân tử. Những phƣơng pháp tính gần đúng lên quan nhƣ
phƣơng pháp Hartree – Fock và các phƣơng pháp tính tƣơng quan electron đều
tính năng lƣợng thông qua hàm sóng của các electron. Đối với hệ có N
electron, hàm sóng là môt hàm của 4N biến số. Trong đó, mỗi electron đóng
góp vài ba biến liên quan đến chuyển động trong không gian và một biến số
liên quan đến chuyển động spin. Hàm sóng với nhiều biến số nhƣ vậy sẽ làm
cho việc giải gần đúng phƣơng trình Schrodinger gặp nhiều trở ngại. Đặc biệt
là đối với phƣơng pháp tính tƣơng quan electron số lƣợng hàm sóng đƣợc tạo
ra trong quá trình kích thích electron từ các orbital bị chiếm lên các orbital ảo
là rất lớn. Đó là lí do mà các phƣơng pháp tính tƣơng quan electron thƣờng có
yêu cầu rất lớn về sức mạnh của máy vi tính. Mặt khác theo tiên đề về hàm
sóng, bản thân hàm sóng không có ý nghĩa vật lí trực tiếp nên hàm sóng không
phải là một tính chất có thể “đo đƣợc” của vật chất.
Để thuân lợi hơn cho việc tính toán năng lƣợng của phân tử, hàm sóng
nhiều electron phải đƣợc thay thế bằng mật độ electron ( ) để tính năng

lƣợng của phân tử. Việc sử dụng mật độ electron để tính năng lƣợng của phân
tử có những thuận lợi nhất định. Thứ nhất, mật độ electron của phân tử là một
tính chất có thể đo đƣợc bằng thực nghiệm. Việc đô mật độ electron có thể
thực hiện bằng kĩ thuật nhiễu xạ tia X hay nhiễu xạ electron. Hơn nữa mật độ
11