Nghiên cứu quan hệ cấu trúc hóa học và hoạt tính (QSAR) estrogen của bisphenol a và các dẫn xuất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------------

Vũ Văn Đạt

NGHIÊN CỨU QUAN HỆ CẤU TRÚC HOÁ HỌC
VÀ HOẠT TÍNH (QSAR) ESTROGEN CỦA BISPHENOL - A
VÀ CÁC DẪN XUẤT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------------

Vũ Văn Đạt

NGHIÊN CỨU QUAN HỆ CẤU TRÚC HOÁ HỌC
VÀ HOẠT TÍNH (QSAR) ESTROGEN CỦA BISPHENOL - A
VÀ CÁC DẪN XUẤT
Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
Mã số:

62 44 01 19

(Mã số mới:

9440112.04)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. LÊ KIM LONG
2. GS.TS. LÂM NGỌC THIỀM
XÁC NHẬN NCS ĐÃ CHỈNH SỬA THEO QUYẾT NGHỊ
CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN
Người hướng dẫn khoa học

Chủ tịch hội đồng đánh giá
Luận án Tiến sĩ

GS.TS. Lâm Ngọc Thiềm

GS.TSKH. Đặng Vũ Minh

Hà Nội - 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong
bất kỳ các công trình nào khác.
Tác giả

Vũ Văn Đạt


LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn các
thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Lê Kim Long và GS.TS. Lâm Ngọc Thiềm
đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm
luận án.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Trung tâm Ứng dụng Tin
học trong Hóa học; Bộ môn Hóa lý; Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi,
hướng dẫn, giúp đỡ em để có thể hoàn thành luận án.
Tôi cũng chân thành cảm ơn một số nhà khoa học ở các đơn vị: Trường
Đại học Giáo dục, Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện Kỹ thật Nhiệt đới, Viện
Hàn Lâm KH&CN Việt Nam; Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và
Công nghệ Quân sự; Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã có
các trao đổi học thuật để có được kết quả tốt trong luận án này, bên cạnh đó
không thể không kể đến sự động viên giúp sức và hỗ trợ tuyệt vời của gia
đình, bạn bè, các bạn đồng nghiệp trong thời gian qua.
Trân trọng./.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2019

Tác giả

Vũ Văn Đạt


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN
MỞ ĐẦU ...........................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................1
2. Mục đích .....................................................................................................2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................3
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài....................................................3
5. Những điểm mới của luận án......................................................................4
6. Bố cục của luận án ......................................................................................5
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ..............................................................................6
1.1. Tổng quan về Bisphenol - A ....................................................................6
1.1.1. Ứng dụng của Bisphenol - A trong công nghiệp ...............................6
1.1.2. Cơ chế gây độc của BPA ở người và sinh vật ...................................8
1.2. Tổng quan về nghiên cứu QSAR.......................................................... 11
1.2.1. Nghiên cứu QSAR trong khoa học và thực tiễn.............................. 11
1.2.2. Quy trình nghiên cứu và các nguyên tắc trong xây dựng mô hình
QSAR ........................................................................................................ 13
1.2.2.1. Quy trình nghiên cứu QSAR ..................................................... 13
1.2.2.2. Các nguyên tắc OECD ............................................................. 14
1.3. Tổng quan về cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp tính lƣợng tử............. 16
1.3.1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT-Density Functional Theory)
[34] ........................................................................................................... 18
1.3.1.1. Mật độ trạng thái của electron................................................. 18
1.3.1.2. Mô hình Thomas - Fermi.......................................................... 18


1.3.2. Các định lý Hohenberg - Kohn [34] .............................................. 19
1.3.3. Phương trình Kohn - Sham [34] .................................................... 20
1.3.4. Phiếm hàm mật độ phụ thuộc vào thời gian................................... 24
1.3.5. Bộ hàm cơ sở .................................................................................. 25
1.3.5.1. Bộ cơ sở kiểu Pople .................................................................. 27

1.3.5.2. Bộ cơ sở kiểu Dunning hay gọi là bộ cơ sở phù hợp tương quan
(Correlation Consistent basis set) ......................................................... 27
1.4. Các phƣơng pháp toán học trong nghiên cứu QSAR ........................... 28
1.4.1. Phương pháp hồi quy ..................................................................... 28
1.4.2. Phương pháp mạng neural nhân tạo .............................................. 29
1.5. Tổng quan về sinh học thực nghiệm trong nghiên cứu QSAR ............ 33
1.5.1. Các phương pháp phân tích thực nghiệm .............................................33
1.5.2. Hiệu ứng sinh học và các dạng hoạt tính trong nghiên cứu QSAR.....34
1.5.3. Hệ thống dữ liệu sinh học quốc tế trong khoa học nghiên cứu
QSAR..................................................................................................................34
1.5.4. Tình hình nghiên cứu QSAR về BPA và các dẫn xuất ở trong và
ngoài nước .........................................................................................................35
CHƢƠNG II. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 41
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu và các phân tích sinh học ................................. 41
2.2. Tính toán các thông số hóa lƣợng tử. Chƣơng trình Gaussian ............. 44
2.2.1. Bộ thông số hóa lượng tử ............................................................... 44
2.2.2. Phương pháp tính B3LYP. Chương trình Gaussian ....................... 46
2.3. Phƣơng pháp xây dựng và đánh giá mô hình ....................................... 47
2.3.1. Lựa chọn thông số cấu trúc ............................................................ 47
2.3.2. Phương pháp hồi quy đa biến tuyến tính. Chương trình
STATGRAPHICS Centurion 15 ................................................................ 49
2.3.3. Phương pháp mạng neural nhân tạo (ANN). Các chương trình
xây dựng mạng ANN ................................................................................. 50
2.3.4. Kiểm tra đánh giá mô hình QSAR .................................................. 52


CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 55
3.1. Tính toán các thông số cấu trúc của phân tử BPA và các dẫn xuất ..... 55
3.1.1. Lựa chọn bộ hàm cơ sở trong tính toán cấu trúc phân tử BPA
và các dẫn xuất ......................................................................................... 55

3.1.2. Tính toán các thông số đặc trưng của phân tử BPA và dẫn xuất
bằng phần mềm GAUSSIAN ..................................................................... 61
3.1.3. Nhận xét sự thay đổi các thông số cấu trúc và năng lượng phân tử
trong bộ chất khảo sát .............................................................................. 67
3.2. Xây dựng mô hình QSAR phân tích quan hệ cấu trúc - hoạt tính
estrogen của BPA và dẫn xuất ..................................................................... 80
3.2.1. Xây dựng mô hình QSAR bằng phương pháp hồi qua đa biến
tuyến tính .................................................................................................. 80
3.2.2. Mô hình QSAR sử dụng phương pháp mạng neural nhân tạo ....... 89
3.3. Luận giải cơ chế biểu hiện hoạt tính estrogen. Thiết kế phân tử mới .. 97
3.3.1. Luận giải cơ chế biểu hiện hoạt tính estrogen ............................... 97
3.3.2. Thiết kế phân tử mới ..................................................................... 102
3.3.3. Kiểm tra hoạt tính estrogen của phân tử mới bằng bộ phần mềm
tính toán và các mô hình QSAR.............................................................. 104
KẾT LUẬN ................................................................................................... 106
KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN..................................................................... 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 110
PHỤ LỤC...................................................................................................... 123


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Một số đặc điểm và các tính chất hóa lý cơ bản của BPA ................6
Bảng 1.2. Tổng quan về dữ liệu độc tính trên BPA trong môi trường
nước ngọt [44] ................................................................................................ 10
Bảng 1.3. Tổng quan về dữ liệu độc tính trên BPA trong môi trường
nước mặn [44] ................................................................................................ 11
Bảng 1.4. Sơ lược về các phương pháp nghiên cứu sinh học thực nghiệm.... 33
Bảng 1.5. Một số dạng thông số hoạt tính thường được sử dụng trong

nghiên cứu QSAR ............................................................................................ 34
Bảng 2.1. Cấu tạo phân tử của bộ chất nghiên cứu [60] ............................... 41
Bảng 2.2. Dữ liệu thực nghiệm về hoạt tính sinh học của bộ chất
nghiên cứu [60]............................................................................................... 44
Bảng 2.3. Các thông số lượng tử được khảo sát để xây dựng mô hình .......... 45
Bảng 3.1. Các thông số cấu trúc hình học của phân tử BPA ......................... 57
Bảng 3.2. Các thông số năng lượng của phân tử BPA ................................... 57
Bảng 3.3. Điện tích các nguyên tử carbon trên vòng thơm của BPA
(Vị trí đánh số các nguyên tử carbon trong vòng thơm xem trong Hình 2.1) ... 57
Bảng 3.4. So sánh phổ IR của BPA theo tính toán lý thuyết và thực nghiệm ... 60
Bảng 3.5. Một vài thông số cấu trúc hình học phân tử .................................. 63
Bảng 3.6. Các thông số năng lượng của bộ chất khảo sát ............................. 64
Bảng 3.7. Mật độ electron tính toán theo phương pháp B3LYP với bộ hàm
6-31+G*.......................................................................................................... 65
Bảng 3.8. Phần trăm đóng góp của các thành phần vào mức năng lượng
HOMO, LUMO ............................................................................................... 66
Bảng 3.9. Hệ số tương quan Pearson giữa các biến ...................................... 82
Bảng 3.10. Các thông số cấu trúc được chọn để xây dựng mô hình QSAR ........83
Bảng 3.11. Các thông số thống kê của một số mô hình có hệ số Ra2 cao nhất ....84


Bảng 3.12. Kết quả phân tích hồi quy đối với mô hình QSAR xây dựng
từ bộ 11 biến độc lập ...................................................................................... 85
Bảng 3.13. Giá trị hoạt tính dự đoán sử dụng mô hình MLR......................... 87
Bảng 3.14. Các thông số cấu trúc được chọn để xây dựng mô hình .............. 92
Bảng 3.15. Giá trị MSE của mô hình ANN với số neural trên lớp ẩn ............ 93
Bảng 3.16. Giá trị hoạt tính estrogen dự đoán ............................................... 95
Bảng 3.17. Các thông số cấu trúc, năng lượng đặc trưngcủa 06 phân tử
mới thiết kế .................................................................................................... 104
Bảng 3.18. Giá trị hoạt tính estrogen dự đoán của các phân tử mới ........... 105

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc 3D của phân tử BPA ...........................................................6
Hình 1.2. Sản lượng toàn cầu của BPA qua các năm [44] ...............................7
Hình 1.3. Sơ đồ tổng quát trong nghiên cứu QSAR ....................................... 12
Hình 1.4. Khái quát về phạm vi khai thác và ứng dụng QSAR ...................... 13
Hình 1.5. Sơ đồ nghiên cứu QSAR.................................................................. 14
Hình 1.6. Cấu tạo một neural nhân tạo .......................................................... 29
Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo mạng neural nhân tạo 3 lớp .................................... 31
Hình 1.8. Sơ đồ kỹ thuật lan truyền ngược ..................................................... 32
Hình 2.1. Minh họa cấu trúc phân tử của các chất trong bộ dữ liệu khảo sát
[60] ................................................................................................................. 42
Hình 2.2. Sơ đồ nghiên cứu hoạt tính estrogen .............................................. 44
Hình 2.3. Trình tự tính toán thông số hóa lượng tử sử dụng bộ phần mềm
Gaussian 09 và Gaussview 06 ........................................................................ 47
Hình 2.4. Giao diện của phần mở rộng Neuro Solutions trong Excel ........... 51
Hình 2.5. Các loại mạng trong NeuroBuilder ................................................ 51
Hình 2.6. Cửa sổ khởi tạo mạng neural nhân tạo trong Matlab .................... 52
Hình 3.1. Cửa sổ thiết lập tính toán trên phần mềm Gaussian 9 ................... 56
Hình 3.2. Cấu trúc 3D của phân tử BPA trong chương trình Gaussian 09 ... 56
Hình 3.3. Một phần phổ IR của BPA tính toán được theo các bộ hàm TZVP,
6-31+G* và CC-PVDZ ................................................................................... 59
Hình 3.4. Một phần phổ hồng ngoại của BPA [87] ....................................... 59
Hình 3.5. Cấu trúc không gian phân tử TBBPA ............................................. 62
Hình 3.6. Hình dạng orbital HOMO và LUMO của một số phân tử
trong bộ chất nghiên cứu (isovalue = 0,02) ................................................... 68
Hình 3.7. Sự thay đổi giá trị năng lượng EHOMO, ELUMO và ΔE
theo chiều tăng hoạt tính estrogen.................................................................. 71

Hình 3.8. Moment lưỡng cực phân tử của các bộ chất theo chiều tăng
hoạt tính estrogen. .......................................................................................... 71
Hình 3.9. Mô hình giải thích tác động của các nhóm nguyên tử lên moment
lưỡng cực phân tử của bộ chất nghiên cứu .................................................... 73
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi moment lưỡng cực của phân tử
phụ thuộc vào đặc tính đẩy của các gốc R1, R2. ............................................ 74
Hình 3.11. Sự chuyển dịch electron trên khung phân tử ................................ 75
Hình 3.12. Các dạng hiệu ứng của nhóm -OH ............................................... 76
Hình 3.13. Hiệu ứng siêu liên hợp của nhóm alkyl ........................................ 77
Hình 3.14. Đồ thị so sánh mật độ electron trên C11, C12, C13 của bộ chất
nghiên cứu ....................................................................................................... 78
Hình 3.15. Sự thay đổi tổng mật độ electron trên vòng thơm
[C(vòng thơm 1) = C1+C2+C3+C4+C5+C13] ............................................ 79
Hình 3.16. Sự thay đổi mật độ electron trên C2 và C7 .................................. 80
Hình 3.17. Cửa sổ nhập liệu trên phần mềm STATGRAPHICS
Centurion 15 ................................................................................................... 80
Hình 3.18. Cửa sổ làm việc chương trình STATGRAPHICS Centurion 15
với thủ tục hồi quy chọn mô hình.................................................................... 84
Hình 3.19. Đồ thị tương quan giữa các giá trị ước tính, giá trị dự đoán
và giá trị quan sát ........................................................................................... 88
Hình 3.20. Cửa sổ thiết lập các thông số luyện mạng trên phần mềm
NeuralBuilder ................................................................................................. 90
Hình 3.21. Thủ tục lọc biến bằng phương pháp ANN .................................... 91
Hình 3.22. Giản đồ thể hiện độ nhạy của các tham số đối với hoạt tính ....... 91
Hình 3.23. Biến thiên MSE theo số neuraltrong lớp ẩn ................................. 94
Hình 3.24. Một phần bảng mã lập trình xây dựng mạng neural với 9 neural
trong lớp ẩn..................................................................................................... 94
Hình 3.25. Cửa sổ kết quả quá trình luyện với 9 neural trên lớp ẩn ............. 95

Hình 3.26. Đồ thị tương quan giữa các giá trị tính toán và thực nghiệm ...... 96
Hình 3.27. Đồ thị tương quan giữa các giá trị dự đoán và thực nghiệm ....... 97
Hình 3.28. Biểu hiện hoạt tính estrogen liên quan đến sự thay đổi
mật độ electron trên các vị trí carbon .......................................................... 101
Hình 3.29. Tổng hợp moment phân cực của các nhóm thế -CH3 tại vị trí
para 2 và 7 trong phân tử số 1 ..................................................................... 101
Hình 3.30. Khung phân tử thiết kế mới......................................................... 102
Hình 3.31. Cấu trúc các phân tử mới ........................................................... 103


CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN
KÝ HIỆU

DIỄN GIẢI

ANN

Artificial neural network - Phƣơng pháp mạng neural nhân tạo

BLYP

Becke-Lee-Yang-Parr-Viết tắt tên của 4 nhà khoa học

BPA

Bisphenol A

CGF

Contracted Gaussian Function

DFT

Density Functional Theory-Lý thuyết phiếm hàm mật độ

EC50

Half maximal effective concentration - Nồng độ cho 50% tác dụng
tác dụng tối đa

ED50

Median Effective Dose - Nồng độ ức chế 50% đối tƣợng thử

GGA

Generalized Gradient Approximation - Phƣơng pháp gần
đúnggradient tổng quát

HF

Hartree-Fock - Phƣơng pháp trƣờng tự hợp

IC50

Half maximal inhibitory concentration - Liều cho tác dụng tối đa
trên 50% thú thử

KS

Kohn-Sham - Viết tắt tên 2 nhà khoa học

LDA

Local Density Approximation - Phƣơng pháp mật độ cục bộ

LD50

Median lethal dose - Liều gây chết 50% thú thử

LFER

Linear Free Energy Related

LSDA

Local Spin Density Approximation - Sự gần đúng mật độ spin
địa phƣơng

LYP

Hàm Lee - Yang - Parr

MBC

Minimum Bactericidal Concentration - Nồng độ diệt khuẩn tối thiểu

MIC

Minimum Inhibitory Concentration - Nồng độ ức chế tối thiểu

MLR

Multiple linear regression - Hồi qui đa biến tuyến tính

NOEC

No observed effect concentration


OECD

The Organisation for Economic Cooperation and Development Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế thế giới

PC

Polycarbonate

PLS

Partial Least Squares - Phƣơng pháp bình phƣơng cực tiểu từng phần

QSAR

Quantitative Structure-Activity Relationship
Quan hệ cấu trúc hóa học - Hoạt tính

SD50

Median Supression Dose - Liều tiêu diệt 50% đối tƣợng thử

TBBPA

Tetrabromobisphenol A

TCBPA

Tetrachlorobisphenol A


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Bisphenol A (BPA) có công thức phân tử C15H16O2, là một trong những
hóa chất phổ biến nhất trên thế giới, đƣợc tổng hợp lần đầu tiên vào những
năm 1890 và đƣợc sử dụng thƣơng mại từ năm 1951. Tuy nhiên, đến đầu
những năm 1990, các nghiên cứu chỉ ra tồn dƣ BPA trong các sản phẩm nhựa
polycarbonate (PC) và nhựa epoxy là nguyên nhân gây ra những rối loạn nội
tiết trong cơ thể [75], góp phần gia tăng rủi ro đối với các bệnh liên quan đến
tim mạch, béo phì, tiểu đƣờng; ảnh hƣởng khả năng phát triển trí não của trẻ
em; ảnh hƣởng hoạt động tuyến tiền liệt, gây ra ung thƣ vú, u nang buồng
trứng [47, 79, 83] …
Một trong những nguồn tiếp xúc của con ngƣời với BPA đó là ăn, uống
thực phẩm đựng trong vật dụng chứa BPA. BPA tồn tại trong các sản phẩm PC
và nhựa epoxy thôi nhiễm ra thực phẩm khi thực phẩm đƣợc chứa đựng trong
các vật dụng có nguồn gốc từ BPA. Khi tan trong nƣớc, BPA dễ dàng phản
ứng với chlor tự do trong nƣớc (tồn tại ở dạng hypochloride) tạo thành các dẫn
xuất chloride của BPA.
Chính vì có nhiều tác dụng phụ của các sản phẩm sử dụng BPA mà
nhiều nghiên cứu tìm chất thay thế BPA. Các hãng sản xuất đồ đựng phải công

bố trong sản phẩm không có BPA tự do (BPA free), nhiều hãng đã chuyển
sang sản xuất các sản phẩm không chứa BPA, thay thế BPA bằng BPS
(bisphenol - S), BPF (bisphenol - F) [54] hoặc các dẫn suất khác của BPA. Tuy
nhiên, những nghiên cứu gần đây cho thấy BPS và BPF cũng có thể ảnh hƣởng
đến chức năng của các tế bào giống nhƣ BPA, mặc dù liều lƣợng tiếp xúc an
toàn của chúng không giống nhau [54, 90].
Cũng đã có các nhà khoa học nghiên cứu quan hệ cấu trúc hóa học và hoạt
tính (QSAR) về BPA và một số dẫn xuất đƣợc công bố trên các công trình [26,
1


60, 116]. Tuy nhiên, mô hình QSAR thu đƣợc của các nhóm tác giả này đều có
khả năng dự đoán ở mức độ trung bình, tính khái quát hóa và khả năng dự đoán
không cao, chƣa tìm ra các trọng số có ảnh hƣởng đến hoạt tính của bộ chất
nghiên cứu, các phƣơng pháp xử lý số liệu tƣơng đối “thô”, chƣa có chƣơng
trình hỗ trợ, nhiều tính toán vẫn phải thực hiện thủ công dẫn đến khả năng sai sót
cao hơn tính toán bằng các gói phần mềm viết sẵn.
Hiện nay với sự hỗ trợ của nhiều bộ phần mềm nhƣ: Gaussian các
phiên bản khác nhau nhất là từ 09 trở đi, Gaussview 06, phần mềm
STATGRAPHICS Centurion 15… có thể xây dựng đƣợc các mô hình QSAR
có tính khái quát và khả năng dự đoán ngoại mô hình cao.
Xuất phát từ những điều vừa trình bầy trên đây, cùng với mong muốn
hiểu rõ hơn tính chất và mối quan hệ định lƣợng giữa hoạt tính estrogen với các
thông số cấu trúc hóa lƣợng tử đối với BPA và nhóm dẫn xuất, tôi chọn đề
tài:“Nghiên cứu quan hệ cấu trúc hóa học và hoạt tính (QSAR) estrogen của
Bisphenol - A và các dẫn xuất”
2. Mục đích
- Khai thác bộ dữ liệu sẵn có gồm BPA và 22 hợp chất là dẫn xuất của
BPA đƣợc nghiên cứu hoạt tính estrogen bởi nhóm nghiên cứu của trƣờng Đại
học Minnesota và trƣờng Đại học New Orleans, Hoa Kỳ, kết hợp với việc chọn

lọc các công cụ tính toán tham số cấu trúc, năng lƣợng của BPA và các dẫn xuất,
sử dụng các phƣơng pháp mô phỏng toán học để nhận diện các thông số ảnh
hƣởng trực tiếp đến hoạt tính estrogen của các phân tử, mô hình hóa mối quan hệ
định lƣợng giữa hoạt tính estrogen với các tham số lƣợng tử (QSAR) đối với BPA
và các dẫn xuất;
- Định hƣớng thiết kế các hợp chất mới có khả năng đáp ứng các hoạt
tính sinh học nhất định mà chƣa cần thực hiện các phép kiểm tra sinh học phức
tạp bằng thực nghiệm, cho phép tiết kiệm thời gian, chi phí và nhân lực.
2


3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
* Đối tƣợng nghiên cứu gồm BPA và 22 hợp chất là dẫn xuất của BPA
bao gồm: các Bis A từ DM DMB BisA đến hàng loạt các dẫn xuất ở những vị
trí khác nhau trên nhân phenyl…Mxy Bis A có hoạt tính estrogen đã đƣợc
nghiên cứu bằng thực nghiệm của nhóm các nhà khoa học thuộc trƣờng Đại học
Minnesota và trƣờng Đại học New Orleans, Hoa Kỳ.
* Phạm vi nghiên cứu:
- Khảo sát cấu trúc và một số tính chất electron của 23 hợp chất nêu trên
bằng các công cụ hóa tính toán;
- Xây dựng mô hình QSAR từ hoạt tính estrogen sẵn có và các thông số
hóa lƣợng tử tính đƣợc của 23 hợp chất kể trên bằng các phƣơng pháp xử lý số
liệu kinh điển (phƣơng pháp hồi quy đa biến tuyến tính và phƣơng pháp neural
nhân tạo) nhằm nhận diện các trọng tham số có ảnh hƣởng đến hoạt tính
estrogen của bộ chất khảo sát. Qua đó, thiết kế các phân tử mới là các dẫn xuất
của BPA có tính định hƣớng mang hoạt tính estrogen thấp hơn so với các phân
tử trong bộ 23 chất nghiên cứu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học
- Đề tài góp phần làm sáng tỏ thêm về cấu trúc cũng nhƣ tính chất

electron của phân tử BPA và các dẫn xuất bằng cách lựa chọn phƣơng pháp tính
toán bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ. Kết quả khảo sát chỉ ra phƣơng pháp
tính B3LYP sử dụng bộ hàm 6-31+G* kết hợp với phƣơng pháp phân tích thuộc
tính phân tử NBO cho kết quả phù hợp với các khảo sát thực nghiệm hơn cả.
- Đã tính toán khá đầy đủ các thông số cấu trúc, năng lƣợng của bộ 23 chất
gồm BPA và các dẫn xuất phổ biến của BPA. Kết quả cho thấy phân tử BPA và
các dẫn xuất của nó đều có cấu trúc không gian hình "cánh quạt" với hai vòng
phenyl phân bố gần nhƣ so le nhau. Các thông số C12, EHOMO, C3, µ, C13 và C6
có tác động mạnh nhất đến hoạt tính estrogen của nhóm chất nghiên cứu.
3


- Đã xây dựng đƣợc mối liên hệ định lƣợng cấu trúc phân tử và hoạt tính
(QSAR) estrogen của BPA và các dẫn xuất bằng phƣơng pháp hồi qui đa biến
tuyến tính và phƣơng pháp mạng neural nhân tạo làm cơ sở để thiết kế các
phân tử mới là dẫn xuất của BPA có hoạt tính estrogen nhƣ mong muốn.
* Ý nghĩa thực tiễn
- Trên cơ sở phân tích các biểu hiện độc tính của các phân tử liên quan
đến sự thay đổi của một hoặc một số “mảnh” cấu trúc phân tử kết hợp với các
mô hình QSAR đã thiết lập đƣợc, tiến hành thiết kế phân tử mới đáp ứng sinh
học của các hợp chất trong các ngành khoa học ứng dụng.
- Các số liệu thu đƣợc từ lý thuyết đã cho phép đƣa ra một số khuyến
cáo trong việc sử dụng BPA và các dẫn xuất của chúng. Các kết quả tính toán
lý thuyết phù hợp tốt sẽ định hƣớng cho nghiên cứu thực nghiệm, từ đó góp
phần giảm thiểu những chi phí tốn kém, làm tăng hiệu quả kinh tế.
5. Những điểm mới của luận án
- Đã tính toán tƣơng đối đầy đủ các thông số cấu trúc, năng lƣợng của
bộ 23 chất gồm BPA và các dẫn xuất phổ biến của BPA. Kết quả cho thấy
phân tử BPA và các dẫn xuất của nó đều có cấu trúc không gian hình "cánh
quạt" với hai vòng phenyl phân bố gần nhƣ so le nhau.

- Đã xây dựng mối liên hệ định lƣợng giữa cấu trúc phân tử mô phỏng
và hoạt tính estrogen của BPA và các dẫn xuất thông qua việc sử dụng lý
thuyết phiếm hàm mật độ và các phƣơng pháp toán học thống kê (phƣơng pháp
hồi quy đa biến tuyến tính, phƣơng pháp mạng neural nhân tạo). Các mô hình
QSAR thu đƣợc có khả năng tái lập tốt, khả năng tổng quát và dự đoán ngoài ở
mức độ cao ( R2  0,99; R 2test =0,98; Q2 = 0,98 ). Các thông số C12, EHOMO, C3,
µ, C13 và C6 có tác động mạnh nhất đến hoạt tính estrogen của nhóm chất
nghiên cứu.
- Đã nhận diện đƣợc sự xuất hiện các nguyên tử halogen làm tăng độc
tính của phân tử, đặc biệt là sự xuất hiện của các halogen trên các vòng thơm.
4


Hoạt tính estrogen của phân tử tăng theo chiều tăng độ phân cực trong các liên
kết C12 - C11 và C12 - C13 tức là theo chiều giảm độ dài mạch carbon R1 và
R2. Sự có mặt của các nhóm thế chênh lệch về khả năng hút và đẩy electron tại
các vị trí thế số 2 và số 7 (hoặc số 4 và số 9) trên vòng benzene góp phần quan
trọng làm tăng hoạt tính estrogen của phân tử. Ngƣợc lại, sự có mặt của các
nhóm alkyl tại các vị trí này dẫn đến sự giảm moment lƣỡng cực của phân tử,
gây ra biểu hiện giảm hoạt tính estrogen của phân tử.
- Đã thiết kế đƣợc 6 phân tử mới có tính định hƣớng mang hoạt tính
estrgen thấp là các dẫn xuất của BPA có hoạt tính estrogen thấp hơn hẳn so với
các phân tử trong bộ 23 chất nghiên cứu.
6. Bố cục của luận án
Phần mở đầu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục đích, đối tƣợng và phạm
vi nghiên cứu, những điểm mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về BPA và các dẫn xuất, các nghiên
cứu về QSAR trong và ngoài nƣớc có liên quan
Chương 2: Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận. Đây là phần trọng tâm của luận án, xác

định cấu trúc và một số tính chất electron của đối tƣợng khảo sát để xây dựng
mô hình QSAR. Từ mô hình xây dựng đƣợc, rút ra các nhận xét liên quan và
đƣa ra những khuyến cáo khi sử dụng BPA và các dẫn xuất cho ngƣời sử dụng.
Thiết kế các phân tử mới và dự đoán hoạt tính estrogen của chúng bằng mô hình
QSAR đã xây dựng đƣợc, định hƣớng cho nghiên cứu thực nghiệm góp phần
giảm thiểu những chi phí tốn kém, làm tăng hiệu quả kinh tế.
Các kết quả của luận án đƣợc công bố 05 bài báo trên các tạp chí chuyên
ngành có uy tín trong đó có 01 bài đã gửi đăng ởtạp chí quốc tế thuộc danh mục
Scopus. Luận án gồm 107 trang (không bao gồm tài liệu tham khảo và phụ
lục) với 26 Bảng số liệu, 45 Hình, 119 Tài liệu tham khảo và 05 Phụ lục.

5


Chƣơng I
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về Bisphenol - A
1.1.1. Ứng dụng của Bisphenol - A trong công nghiệp
Bisphenol - A (BPA) là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử
C15H16O2, đƣợc tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1890 bởi nhà hóa học ngƣời
Nga Alexander Pavlovich Dianin bằng cách kết hợp phenol với acetone dƣới
điều kiện pH thấp và nhiệt độ cao trong môi trƣờng xúc tác acid. Cấu trúc phân
tử 3D của BPA đƣợc biểu diễn trên Hình 1.1. Một số đặc điểm và các tính chất
hóa lý cơ bản của BPA đƣợc trình bày tại Bảng 1.1.

Hình 1.1. Cấu trúc 3D của phân tử BPA
Bảng 1.1. Một số đặc điểm và các tính chất hóa lý cơ bản của BPA
Số hiệu CAS

80-05-7

Danh pháp IUPAC

4-[2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl]phenol

Khối lƣợng phân tử

228,291 g/mol

Trạng thái vật lý

Chất rắn dạng bột, màu trắng (nâu nhạt),
mùi thuốc nhẹ.

Điểm nóng chảy

153-157 °C

HSDB, 2000

Điểm sôi

220 °C tại 4 mm Hg; 398 °C tại 760 mm Hg

HSDB, 2000

Độ tan trong nƣớc

120 - 300 mg/l (ở 25 °C)

HSDB, 2000

Áp suất hơi

5,32 10-7 Pa (ở ở 25 °C)

TemaNord, 1996

Tỷ trọng (so với nƣớc)

1,195 (ở 25 °C/25 °C)

HSDB, 2000

LgP

2,2 - 3,82

HSDB

pKa

9,59 - 11,3

HSDB

HSDB, 2000

6

BPA bắt đầu đƣợc sản xuất và sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ
đầu những năm 1950 khi các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện ra phản ứng
của BPA với phosgene (carbonyl chloride) tạo ra một loại nhựa cứng gọi là
polycarbonate (PC). Các đáp ứng công nghiệp tối ƣu của nhựa PC cũng nhƣ
các chế phẩm khác từ BPA làm bùng lên một cuộc cách mạng ứng dụng đối
với loại hóa chất này.
Năm 2009, sản lƣợng tiêu thụ BPA để sản xuất PC trên toàn thế giới đạt
2,768 triệu tấn và là tiền chất cho sản xuất nhựa epoxy đạt 1,039 triệu tấn.
Tổng sản lƣợng BPA của Liên minh Châu Âu (EU) và Hoa Kỳ đạt 3,800 triệu
tấn, mỗi khu chiếm 25% sản lƣợng của thế giới. Từ giai đoạn năm 1996/1999 đến
năm 2005/2006, sản lƣợng BPA của khu vực EU tăng 64%. Trong đó, các nƣớc
nhƣ Thụy Điển, Na Uy, Đan Mạch và Phần Lan có mức sử dụng BPA khá ổn
định vào khoảng 1000 tấn/năm/quốc gia từ năm 2000 đến năm 2010 [32].
Hiện nay, lĩnh vực sử dụng BPA rất phong phú, bao gồm công nghiêp
hóa chất, hàng tiêu dùng, công nghiệp thực phẩm và đóng gói… Sản lƣợng
trung bình của BPA trên toàn cầu vào khoảng hơn 3 triệu tấn mỗi năm [32].
Đánh giá tổng quan về ứng dụng của BPA trong công nghiệp đƣợc biểu
diễn trên Hình 1.2.

Hình 1.2. Sản lượng toàn cầu của BPA qua các năm [44]
7


1.1.2. Cơ chế gây độc của BPA ở người và sinh vật
Việc sản xuất và tiêu thụ một lƣợng BPA khổng lồ trên toàn cầu dẫn đến
sự phát thải đáng kể của BPA ra môi trƣờng sinh thái và sự phơi nhiễm BPA ở
ngƣời cũng nhƣ ở động thực vật trong các môi trƣờng khác nhau.
Nghiên cứu về phơi nhiễm BPA nổi lên vào đầu những năm 1990 khi
một nhóm nghiên cứu của nhà khoa học nội tiết ngƣời Mỹ David Feldman bất

ngờ phát hiện sự có mặt của BPA trong môi trƣờng tăng trƣởng của các tế bào
nấm men đƣợc nuôi cấy trong các bình đƣợc làm bằng nhựa PC, gây ra các
hiệu ứng estrogen lên các tế bào. Các nhà khoa học đã tiến hành phân tách
BPA từ các mẫu nƣớc đã đƣợc hấp khử trùng ở nhiệt độ và áp suất cao trong
các bình và xác nhận rằng, hóa chất mà họ đã phát hiện trƣớc đó trong các mẫu
nấm men thực tế đến từ nhựa đƣợc sử dụng để làm bình thí nghiệm.
Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự xâm nhiễm BPA từ nhựa vào trong các
môi trƣờng khác là do sự tồn dƣ của các BPA tự do chƣa đƣợc polyme hóa từ
trong quá trình sản xuất nhựa. Ngoài ra, khi sử dụng các sản phẩm nhựa PC,
các liên kết carbonate có thể bị thủy phân quang hóa hoặc thủy phân nhiệt, giải
phóng các BPA tự do (monome) vào môi trƣờng tiếp xúc, đặc biệt là trong môi
trƣờng pH kiềm. Bên cạnh đó, các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, BPA và
các thành phần khác từ nhựa epoxy đƣợc sử dụng làm lớp phủ chống ăn mòn
trong các bể chứa có thể xâm nhiễm vào nƣớc nếu epoxy không đƣợc đóng rắn
đúng cách [44].
Năm 1997, Mountfort đã tiến hành nghiên cứu xác định hàm lƣợng
monome BPA trong các chai sữa và cho kết quả với bộ mẫu gồm 22 chai sữa
nhƣ sau: 14 chai có hàm lƣợng BPA thấp hơn 10 ppm (10 mg BPA/kg nhựa), 8
chai có hàm lƣợng BPA từ 18 đến 139 ppm. Theo đó, hàm lƣợng BPA trung
bình là 56 ppm [44].

8


Việc sử dụng các sản phẩm nhựa PC rộng rãi trong các ngành công
nghiệp thực phẩm và đồ uống dẫn đến sự phơi nhiễm BPA đáng kể ở ngƣời,
đặc biệt là ở các nƣớc phát triển. Một số nghiên cứu đƣợc công bố năm 20082013 ƣớc tính hơn 90% ngƣời Mỹ và Đức từ sáu tuổi trở lên đƣợc xác định
dƣơng tính với BPA trong nƣớc tiểu [76, 100, 82].
Phơi nhiễm BPA cũng có thể xảy ra qua đƣờng hô hấp hoặc tiếp xúc qua
da đối với ngƣời lao động tham gia sản xuất, sử dụng, vận chuyển, đóng gói

BPA hoặc đối với những ngƣời thƣờng xuyên tiếp xúc với các loại giấy nhiệt
hay các loại sơn bột epoxy.
Bên cạnh đó, phản ứng của BPA với chlorine khử trùng trong nƣớc tạo
ra các dẫn xuất chloride của BPA (ClxBPA) và gây ra sự phơi nhiễm các dẫn
xuất của BPA ở ngƣời. Các dẫn xuất halogen khác của BPA (H-BPA) cũng
đƣợc tìm thấy trong môi trƣờng và trong sinh vật. Một số nghiên cứu dịch tễ
học đã báo cáo về sự phát hiện không chỉ BPA mà còn cả các dẫn xuất halogen
của BPA nhƣ tetrabromoBPA (TBBPA) và tetrachloroBPA (TCBPA) có mặt
trong huyết thanh [80].
Trong các nghiên cứu sinh học, BPA và các dẫn xuất đƣợc biết đến nhƣ
các thể anti-estrogen, có thể liên kết với các thụ thể của estrogen, tuy nhiên lại
không gây tác dụng sinh học nhƣ một estrogen (hormone sinh dục nữ) thực sự.
Điều này dẫn đến sự gián đoạn cũng nhƣ sự rối loạn nội tiết khi có sự xuất
hiện của BPA và các dẫn xuất trong cơ thể sinh vật [31,11].
Các kết quả tổng hợp của rất nhiều nghiên cứu về tác động của BPA và
các dẫn xuất lên cơ thể sinh vật đã chỉ ra rằng, phơi nhiễm BPA và các dẫn
xuất của BPA cũng nhƣ phơi nhiễm các chất đồng dạng của BPA nhƣ BPF,
BPS, … dẫn đến nhiều nguy cơ về sức khỏe nhƣ: làm rối loạn nội tiết, rối loạn
chức năng sinh sản, liên quan đến việc điều chỉnh số lƣợng hormone sinh dục

9


[13]; làm thay đổi hành vi tình cảm ở trẻ em, liên quan đến sự can thiệp và làm
thay đổi các đƣờng truyền tín hiệu thần kinh cũng nhƣ các đƣờng truyền tín
hiệu của hormone tuyến giáp, gây lên bệnh béo phì và nguy cơ mắc các bệnh
về tim mạch ở trẻ em và thanh thiếu niên [75]; phơi nhiễm ở mẹ cũng góp
phần gây béo phì ở trẻ, liên quan đến sự rối loạn cân bằng chuyển hóa nội môi
ở giai đoạn đầu đời [83]; làm tăng khả năng mắc các bệnh ung thƣ, liên quan
đến quá trình oxy hóa các nucleoticle trong chuỗi DNA - là quá trình quan

trọng khởi đầu dẫn đến ung thƣ [79]; làm thúc đẩy tiến triển ung thƣ buồng
trứng bằng cách trực tiếp gây tăng sinh tế bào [21,33,64]; phơi nhiễm ở ngƣời
mẹ trong thời gian thai kỳ cũng làm tăng khả năng ung thƣ vú ở trẻ trong thời
gian trƣởng thành sau này [68,104]. Trong công trình [16] bằng nghiên cứu
thực nghiệm in vitro nhóm tác giả Anna Kjerstine Rosenmai đã tiến hành so
sánh mức độ nguy hiểm của các hợp chất BPA, bisphenol B (BPB), bisphenol E
(BPE), bisphenol F (BPF), bisphenol S (BPS) và 4-cumylphenol (HPP). Kết quả
nghiên cứu chỉ ra rằng tất cả các hợp chất đều có cùng mức độ ảnh hƣởng lên độ
hoạt động estrogen và ức chế androgen, tuy nhiên BPS ít nguy hiểm hơn cả.
Phơi nhiễm BPA ở các loài động thực vật thủy sinh cũng đƣợc ghi nhận qua
nhiều nghiên cứu từ các khu vực khác nhau trên thế giới. Một vài số liệu về đánh
giá phơi nhiễm BPA đối với động vật thủy sinh đƣợc trình bày trong Bảng 1.2 và
Bảng 1.3.
Bảng 1.2. Tổng quan về dữ liệu độc tính trên BPA trong môi trường
nước ngọt [44]
Vi sinh đơn bào
Cấp tính
*

Động vật giáp xác

Rong

Mãn

Cấp

Mãn

tính

tính

tính

-

**

0

Cấp tính Mãn tính
**

0

10

Động vật lƣỡng cƣ

Cá
Cấp

Mãn

tính

tính

**

*

Cấp tính
0

Mãn
tính
***


Bảng 1.3. Tổng quan về dữ liệu độc tính trên BPA trong môi trường
nước mặn [44]
Vi sinh đơn bào

Động vật giáp xác

Rong

Cá

Cấp tính

Mãn tính

Cấp tính

Mãn tính

Cấp tính

Mãn tính

Cấp tính

Mãn tính

-

-

**

-

**

**

**

-

Chú thích:
0 = độc hại rất nhẹ; * = độc hại nhẹ; ** = độc hại vừa phải; *** = rất độc;

Nhiều hãng đã chuyển sang sản xuất các sản phẩm không chứa BPA,
thay thế BPA bằng BPS, BPF hoặc các dẫn suất khác của BPA. Tuy nhiên,
lƣợng nhỏ BPS và BPF cũng có thể ảnh hƣởng đến chức năng của các tế bào
giống nhƣ BPA, mặc dù ngƣỡng tiếp xúc an toàn của chúng không giống nhau

[54, 90]. Nghiên cứu mối quan hệ định lƣợng giữa cấu trúc hóa học và hoạt
tính sinh học (quantitative structure-activity relationships - QSAR) là một giải
pháp hữu hiệu để kiểm tra, đánh giá và sàng lọc khả năng đáp ứng sinh học của
bộ chất cần khảo sát cũng nhƣ thiết lập, kiểm nghiệm và cho đề xuất về các hợp
chất mới có khả năng đáp ứng các hoạt tính sinh học nhất định.
1.2. Tổng quan về nghiên cứu QSAR
1.2.1. Nghiên cứu QSAR trong khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu QSAR là lĩnh vực nghiên cứu liên ngành nhằm thiết lập mối
quan hệ định lƣợng giữa cấu trúc hóa học và hoạt tính của một bộ chất bằng
các mô hình toán học; trên cơ sở các mô hình đó, có thể luận giải cơ chế tƣơng
tác sinh hóa của các hoạt chất với chất thụ cảm và dự đoán một cách định
lƣợng về hoạt tính sinh hóa của các chất mới.
Sự ra đời của QSAR có liên quan chặt chẽ đến lĩnh vực nghiên cứu chất
độc và sự phát triển của lý thuyết cấu trúc phân tử. Sơ đồ nghiên cứu QSAR
tổng quát đƣợc biểu diễn ở Hình 1.3.

11