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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.47 MB, 57 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

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 (C

60

) BẰNG

PHƯƠNG PHÁP HÓA TÍNH TỐN

Chun ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý 
Mã số: 62.44.01.19

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA LÝ THUYẾT VÀ HĨA LÝ

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

Cơng trình được hồn 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

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

MỞ ĐẦU

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

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.

Ngồi 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 cịn 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 khơng phải là chất chống oxy hóa xảy ra
theo cơ chế ngắt mạch. Do vậy, fullerene khơng 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 tốn“.

Mục tiêu của luận án:

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

- 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 mơi trường. Bên cạnh đó, luận án cịn
có vai trị 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 tốn. 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 tốn ứng dụng trong nghiên cứu các hợp chất polyphenol và
dẫn xuất fullerene.

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 
2.2.1. Cơ sở phương pháp tính tốn 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 TỐN 
2.3.1. Phần mềm Gaussian 09W 
2.3.2. Phần mềm Gaussview 5

2.4. HĨA HỌC TÍNH TỐN 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. Mơ 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 tơi mơ tả 7
cách chọn các lớp trong mơ 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), cịn lớp thấp thì được
tính bằng phương pháp PM6.

Hình 3.1. Cách chọn các mơ hình ONIOM 2 lớp

O H

B
OH

Full
B

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

3.1.2. Áp dụng cho các dẫn xuất của phenol

Các kết quả tính tốn trong Hình 3.2 chỉ ra rằng các giá trị
BDE(O−H) sử dụng mơ hình 1A có độ chính xác cao và gần với giá
trị thực nghiệm. Vì vậy, chúng tơi chọn mơ 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 
mơ hình ONIOM với dữ 
liệu thực nghiệm

Tuy nhiên, độ tin
cậy của mơ hình 1A cần

được kiểm tra thêm trên
các phân tử có kích
thước lớn hơn như
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 tốn lý thuyết có sự tương đồng rất
tốt so với giá trị thực nghiệm với độ lệch chỉ ±1 kcal/mol.

Bảng 3.2. Giá trị BDE(O−H) của các ubiquinol (kcal/mol)

3.1.3.Áp dụng cho các hợp 
chất flavonoid

Trong Hình 3.4, một loạt các
flavonoid bao gồm chalcone, flavone và
flavanone được dùng để tính BDE(O-H)
với các cách chọn mơ hình ONIOM 2
lớp được mơ tả trong Hình 3.1, trong đó
mơ hình "full" có nghĩa là tất cả các
nguyên tử trong phân tử flavonoid đều

Phân tử BDE 
(O–H)

Giá trị thực

nghiệma

BDE

(O–H)b

Ubiquinol-2 81,9 82,3 -0,4

Ubiquinol-6 81,9 82,3 -0,4

Ubiquinol-10 77,8 78,5 -0,7

aTham khảo từ tài liệu [71]. 
bBDE(O–H) = BDE(O–H)

ONIOM 1A – BDE(O–H)thực nghiệm.

O
1'
2'
3'
4'
5'
6'
A B
1
2
3
4
5

6 2'-hydroxylchalcone: 2' - OH

3'-hydroxylchalcone: 3' - OH
4'-hydroxylchalcone: 4' - OH

O
A C
B
2'
3'
4'
5'
6'
2
3
4
5
6
7
8
O

Apigenin: 5,7,4' - OH
Kaempf erol: 3,5,7,4' - OH
Quercetin: 3,5,7,3',4' - OH

O
A C
B

2'
3'
4'
5'
6'
2
3
4
5
6
7
8
O

Naringenin: 5,7,4' - OH

1
1'
1

Hình 3.4. Các hợp chất flavonoid

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

thuộc lớp cao và có khơng có ngun tử nào trong lớp thấp. Trong
trường hợp này, phương pháp B3LYP/6-311++G(2df,2p)// PM6 được
áp dụng cho tất cả các dạng phân tử trung hòa và dạng gốc tự do.

Độ lệch tuyệt đối của giá trị BDE(O−H) khi sử dụng mơ hình 1A
so với dữ liệu tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6

là khoảng 1,0 kcal/mol (số liệu trong ngoặc đơn của Bảng 3.4). 
Bảng 3.4. BDE(O−H) của các hợp chất flavonoid trong Hình 3.4 (kcal/mol)

Hợp chất Vị trí 
O−H

Giá trị BDE(O−H) tính bằng phương pháp 
ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6)

BDE(O−H) 
Mơ

hình Pha khí hình Mơ Pha khí 
2’-hydroxyl

chacone

2’−OH 1A 85,6(+0,2) 5B 81,8(−3,6)

85,4a; 83,1 [130]

3A 81,4(−4,0) 5C 77,1(−8,3)

3B 82,7(−2,7) 5D 78,2(−7,2)

5A 81,0(−4,4) 7A 86,6(+1,2)

3’-hydroxyl 
chacone

3’−OH 1A 87,9(−0,9) 5B 83,5(−5,3)

88,8a; 86,2 [130]

3A 85,0(−3,8) 5C 80,5(−8,3)

3B 83,8(−5,0) 5D 83,0 (−5,8)

5A 84,3(−4,5) 7A 88,9(+0,1)

4’-hydroxyl 
chacone

4’−OH 1A 85,9(−1,0) 5B 81,7(−3,2)

84,9a; 81,9 [130];

83,9 [52]; 81,1 [132]

3A 83,2(−1,7) 5C 78,7(−6,2)

3B 81,9(−3,0) 5D 77,5(−7,4)

5A 82,4(−2,5) 7A 87,2(+2,3)

Apigenin 4’−OH 1A 89,4(+2,2) 5B 85,1(−2,1)

87,2a; 88,8 [65];

82,2 [62, 120] ;

84,37 [104]

3A 86,6(−0,6) 5C 82,0(−5,2)

3B 85,4(−1,8) 5D 80,77(−6,3)

5A 85,9(−1,3) 7A 90,4(−3,2)

Kaempferol 4’−OH 1A 85,0(+1,3) 5B 81,6(−2,1)

83,7a; 86,5 [65];

80,94 [60]; 80,78 [120]

3A 81,2(−2,5) 5C 76,7(−7,0)

3B 82,3(−1,4) 5D 77,9(−5,8)

5A 80,9(−2,8) 7A 86,4(+2,7)

Quercetin 3’−OH 1A 80,5(+0,4) 5B 75,5(−4,6) 80,1a ; 81,8 [65];

75,53 [120]; 73,61
[117]; 81,50 [80];
74,81 [61]; 72,42 [27];

80,3 [34]

3A 75,7(−4,4) 5C 70,3 (−9,8)

3B 78,6(−1,5) 5D 74,6 (−5,5)

5A 73,1(−7,0) 7A 79,4 (−0,7)

Quercetin 4’−OH 1A 78,4(+0,9) 5B 70,8(−6,7) 77,5a; 78,7 [65];

72,90 [120]; 70,98
[117]; 76,72 [80];
72,18 [61]; 70,03 [27];

77,6 [34]

3A 75,0(−2,5) 5C 70,5(−7,0)

3B 73,4(−4,1) 5D 73,4 (−4,1)

5A 72,1(−5,4) 7A 77,2(−0,3)

Naringenin 4’−OH 1A 89,0(+1,1) 5B 85,6(2,3)

87,9a; 92,73 [44]

3A 85,2(2,7) 5C 80,7(7,2)

3B 86,1(1,8) 5D 81,8(6,1)

5A 84,8(3,1) 7A 90,1(+2,2)

a Giá trị BDE tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6.

Ghi chú: Các giá trị trong dấu ngoặc là sự khác nhau giữa giá trị BDE(OH) tính bằng phương pháp 
ONIOM và phương pháp B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6.

3.1.4. Nhận xét

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

BDE(O−H) của các dẫn xuất phenol và các hợp chất flavonoid có độ
chính xác cao, thời gian tính tốn nhanh và tiết kiệm được tài ngun
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 HĨA

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 tốn 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 khơng có sẵn giá trị IE adiabatic thực nghiệm).

Bảng 3.5. Giá trị năng lượng ion hóa (eV) tính bằng phương pháp PM6 của

các dẫn xuất phenol và giá trị thực nghiệm

Đối với giá trị IE

vertical, tuy có vài
hợp chất khơng 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 tơi 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 tốn nhanh, phù hợp cho nghiên
cứu các hợp chất có số lượng nguyên tử rất lớn như các dẫn xuất của
fullerene đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Vì vậy, chúng tôi
áp dụng phương pháp PM6 cho nghiên cứu năng lượng ion hóa của
các hợp chất phenolic ở các phần tiếp theo.

Hợp chất IE IEb

PM6 Thực nghiệma

Phenol 8,38(8,61) 8,490,02(8,70) 0,11(0,09)

1,4-Benzenediol 8,00(8,28) 7,940,01(8,44) -0,06(0,16)

1,3-Benzenediol 8,29(8,56) 8,20 (8,63) -0,09(0,07)

1,2-Benzenediol 8,10(8,44) 8,15(8,56) 0,05(0,12)

BHT 7,39(7,74) N/A(7,80) N/A(0,06)

2-Methyl phenol 8,17(8,46) 8,14(8,460,06) -0,03(0,00)

2-Nitro phenol 9,02(9,43) 9,1(9,29) 0,08(-0,14)

2,4-Dimethyl phenol 7,84(8,17) 8,0(8,18) 0,16(0,01)

2,4,6-Trimethyl phenol 7,64(7,98) N/A(8,0) N/A(0,02)

2,6-Diclo phenol 8,60(8,84) 8,650,02(N/A) 0,06(N/A)

2,6-Dimethyl phenol 7,95(8,25) 8,050.02(8,26) 0,1(0,01)

3 Methyl phenol 8,26(8,57) 8,290,02(N/A) 0,03(N/A)

3,4-Dimethyl phenol 7,93(8,24) 8,09(N/A) 0,16(N/A)

4-Nitro phenol 9,26(9,57) 9,1(9,38) -0,16(-0,19)

Ghi chú: Giá trị trong dấu ngoặc là giá trị IE vertical.

a Giá trị thực nghiệm được tham khảo từ NIST Chemistry web book, số

69,

b IE = IE

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

3.3. KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤT 
POLYPHENOL CÓ NGUỒN GỐC TỪ CÂY SA KÊ 
(ARTOCARPUS ALTILIS)

3.3.1. Lựa chọn một số hợp chất polyphenol có chứa trong cây sa kê

Cấu trúc của 12 hợp chất có nguồn gốc từ cây sa kê được trình bày
ở Hình 3.6.

3.3.2.Cơ chế chuyển nguyên tử 
hydro (HAT) - Năng lượng phân 
ly liên kết (BDE)

3.3.2.1. Xác định vị trí liên kết 
O-H dễ phân ly

Trong hợp chất S12 thì OH ở 
vị trí số 2 có giá trị BDE(O−H)
thấp nhất là 65,0 kcal/mol. Giá trị
BDE(O−H) ở vị trí số 3 của vịng
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 mơi methanol và nước.

Bảng 3.7 cho thấy rằng các giá trị BDE của mỗi nhóm O−H của
tất cả các hợp chất polyphenol nhỏ hơn giá trị BDE(O−H) của phenol
khi được tính cùng mức lý thuyết. Điều này chứng tỏ hầu hết các hợp
chất polyphenol có khả năng cho nguyên tử hydro mạnh hơn so với
Hình 3.6. Cấu trúc của 12 hợp chất

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

phenol. Kết quả ở Bảng 3.7 cũng cho thấy BDE(O−H) ở vị trí số 2 của

hợp chất S12 (77,3 kcal/mol trong pha khí) tương tự với giá trị 
BDE(O−H) của ubiquinol-10 (78,5 kcal/mol).

Bảng 3.7. BDE(O–H) của 12 hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê

tính bằng phương pháp ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6)

3.3.3. Cơ chế chuyển electron 
chuyển proton (SET-PT)

3.3.3.1. Năng lượng ion hóa (IE)

Giá trị IE vertical và IE adiabatic
của 12 hợp chất polyphenol có nguồn
gốc từ cây sa kê được trình bày ở
Bảng 3.8. Trong đó, hợp chất S10 có 
giá trị IE nhỏ nhất, điều này chứng tỏ
hợp chất S10 dễ cho electron hơn các 
hợp chất khác. Vì vậy, hợp chất S10 
được xem là chất chống oxy hóa tiềm
năng theo cơ chế chuyển electron.
Bảng 3.8. Giá trị năng lượng ion hóa (eV) tính bằng phương pháp PM6 của

12 hợp chất nghiên cứu

3.3.3.2. Năng lượng phân ly proton (PDE)

Các giá trị năng lượng phân ly proton của
các ion dương gốc tự do hình thành trong bước
thứ 2 của cơ chế SET−PT được tổng hợp trong

Bảng 3.9. Mỗi ion dương gốc tự do có thể có
nhiều vị trí tách proton. Dữ liệu trong Bảng 3.9
cho thấy các giá trị PDE trong pha khí tăng theo
thứ thự sau: S6 < S12 < S7 < S8 < S5 < S3 < S11

< S1 < S9 < S4 < S2 < S10.

Tuy nhiên, trong cơ chế SET−PT vị trí có
khả năng chống oxy hóa mạnh được xác định dựa vào tổng enthalpy
tối thiểu liên quan đến cơ chế dập tắt gốc tự do cụ thể. Tổng năng lượng
này gồm IE adiabatic (ở Bảng 3.8) cộng với PDE (ở Bảng 3.9), kết quả
được trình bày trong Bảng 3.9. Kết quả thu được cho thấy tổng năng
lượng tối thiểu của cơ chế HAT và SET−PT liên quan đến nhóm O-H
của 12 hợp chất nghiên cứu là như nhau và khả năng dập tắt gốc tự do
xảy ra ở cùng một vị trí. Thứ tự tổng năng lượng tối thiểu trong pha
khí gồm năng lượng ion hóa và năng lượng phân ly proton là: S12 <

Hợp

chất Vị trí O−H

BDE(O–H) 
(kcal/mol) 
Pha

khí 
Metha

nol 
Nước

S1 4−OH (vòng B) 83,2 83,5 82,8

S2 4−OH (vòng B) 84,5 83,2 83,1

S3 3−OH (vòng B) 80,8 82,4 82,2

S4 4−OH (vòng B) 85,1 83,7 83,1

S5 4−OH (vòng B) 83,9 83,8 83,1

S6 4−OH (vòng B) 80,3 83,9 83,1

S7 4−OH (vòng B) 79,3 82,9 82,1

S8 4−OH (vòng B) 83,7 82,8 81,4

S9 3−OH (vòng B) 79,3 81,3 80,5

S10 8−OH (vòng B) 80,3 82,7 81,6

S11 8−OH (vòng B) 82,5 83,9 83,2

S12 2−OH (vòng B) 77,3 79,0 78,3

Hợp 
chất

IE 
adiabatic

IE 
vertical

S1 7,30 7,87

S2 7,36 7,77

S3 7,45 8,03

S4 7,41 8,06

S5 7,50 7,98

S6 7,87 8,20

S7 7,44 7,80

S8 7,57 7,98

S9 7,28 7,83

S10 7,04 7,56

S11 7,42 7,85

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

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 q 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)

Hợp

chất Vị trí O−Ha BDE IE

b PDE IE +

PDE

S1

2’ (vòng A) 83,8 168,8 190,9 359,7

4’ (vòng A) 82,7 172,0 340,8

4 (vòng B) 70,7 159,3 328,1

S2

2’ (vòng A) 83,4 169,7 171,8 341,5

4’ (vòng A) 82,8 171,2 340,9

4 (vòng B) 71,2 159,7 329,4

S3

2’ (vòng A) 83,8 171,1 170,7 341,8

4’ (vòng A) 82,8 158,5 329,6

3 (vòng B) 68,9 156,0 327,1

4 (vòng B) 83,8 169,7 340,8

S4

2’ (vòng A) 101,9 170,9 189,1 360,0

4’ (vòng A) 83,1 170,2 341,1

4 (vòng B) 71,8 158,9 329,8

2’’ (vòng C) 100,2 187,3 358,2

S5

2’ (vòng A) 84,3 173,0 169,5 342,5

4’ (vòng A) 82,3 167,4 340,4

4 (vòng B) 70,6 155,9 328,9

S6

4’ (vòng A) 80,2 181,5 156,7 338,2

3 (vòng B) 71,9 148,4 329,9

4 (vòng B) 67,7 144,2 325,7

S7

2’ (vòng A) 85,1 171,3 171,8 343,1

4’ (vòng A) 81,6 168,3 339,6

3 (vòng B) 70,9 157,8 329,1

4 (vòng B) 66,7 153,6 324,9

2’(vòng A’) 81,2 167,9 339,2

4’ (vòng A’) 81,9 168,7 340,0

3 (vòng B’) 68,9 155,8 327,1

4 (vòng B’) 71,8 158,7 330,0

S8

2’ (vòng A) 83,2 174,6 166,6 341,2

4’ (vòng A) 82,6 166,1 340,7

4 (vòng B) 70,4 153,9 328,5

7’’ 100,6 184,1 358,7

S9

2’ (vòng A) 83,8 167,9 174,0 341,9

4’ (vòng A) 82,7 172,8 340,7

3 (vòng B) 68,4 158,7 326,6

4 (vòng B) 70,5 160,7 328,6

6’’ 99,9 190,2 358,1

S10 6’ (vòngA) 79,3 162,3 174,9 337,2

8 (vòng B) 66,8 162,6 324,9

S11 6’ (vòngA) 79,9 171,1 167,0 338,1

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

3.3.4. Nhận xét

Trong phần nghiên cứu

này, chúng tôi đã sử dụng
phương pháp ONIOM
(ROB3LYP /6-311++G (2df,2p):PM6) với mô hình 1A để xác định
BDE(O−H) của các hợp chất polyphenol có nguồn gốc từ cây sa kê.
Trong đó, BDE(O−H) của các hợp chất S3, S6, S7, S9, S10 và S12 lần 
lượt là: 80,8; 80,3; 79,3; 79,3; 80,3 và 77,3 kcal/mol, chúng được xem
như là những chất chống oxy hóa tiềm năng. Năng lượng ion hóa
adiabatic của các hợp chất polyphenol được xác định bằng phương pháp
PM6. Sự hình thành gốc tự do phenoxy từ ion dương gốc tự do phenolic
và phân tử trung hòa tương ứng ưu tiên xảy ra ở cùng một vị trí. Dựa
trên kết quả thu được có thể kết luận rằng giá trị BDE được xem như là
một thơng số hóa lý chính trong việc xác định khả năng dập tắt gốc tự
do của các hợp chất polyphenol.

3.4. KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤT 
POLYPHENOL CÓ NGUỒN GỐC TỪ VỎ MĂNG CỤT 
(GARCINIA MANGOSTANA)

3.4.1. Các hợp chất polyphenol có 
chứa trong vỏ măng cụt

Các hợp chất xanthone từ M1 đến

M14 có nguồn gốc từ vỏ măng cụt chỉ

ra trong Hình 3.7

3.4.2. Cơ chế chuyển nguyên tử 
hydro (HAT) - Năng lượng phân ly 
liên kết (BDE)

Dựa vào các giá trị BDE trình bày
ở Bảng 3.11, chúng ta nhận thấy khả
năng cho nguyên tử hydro của các
hợp chất xanthone trong pha khí được
sắp xếp theo trật tự sau: M11 > M10

> M7 > M1 > M9 ≈ Norathyriol > 
M8 > M13 > M6 >M14 > M2 > M3 > M4 > M12 > M5. Trong tất cả

các hợp chất nghiên cứu thì BDE thấp nhất được tìm thấy ở nhóm OH
của vịng 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

S12

6’ (vịngA) 79,9 177,3 160,5 337,8

2 (vòng B) 65,0 145,7 323,0

3 (vòng B) 71,2 151,8 329,1

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

Hình 3.7. Cấu trúc của các hợp

chất có nguồn gốc từ vỏ măng cụt 
và hợp chất liên quan

O OCH3

OH
O
OH
OH
O OH
OH
O
O OR
OH
O
OH
O

H3C CH2

H3CO
HO

M3 R = CH3

M4R = H

O
OH
O

H3CO O

O

O OH

OH
O
H3CO

HO
OH
O OH
OH
O
HO
HO
O OH
OH
O

OH O OH

O
H3CO

HO O OH

OH
O
RO

HO
OH
O

M10 R = CH3

M11 R = H

O OH
OH
O
OH
R
O OH
OH
O
HO
O

M12 R = H
M13 R = OH
A C B

A C B

A C B A C B A C B

A C B

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14>

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 trị 
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)

3.4.3.Cơ chế chuyển 
electron chuyển 
proton (SET-PT)

3.4.3.1. Năng lượng 
ion hóa (IE)

Từ dữ liệu tính
được trong Bảng 3.12 ta
có thể kết luận thứ tự
của các giá trị IE trong
pha khí như sau: M14 <

M5 < M11 < M1 < M3 
< M7 < M8 < M10 < 
M4 < M13 < M9 
<Norathyriol < M12 < 
M6 < M2, cịn trong

dung mơi nước thì có xu
hướng hơi khác: M1 <

M8 < M14 < M13 < M11 < M7 < M5 < M3 < M4 < M9 <Norathyriol 
Hợp

chất Vị trí O-H

BDE (O-H) 
kcal/mol

BDEa

IC50 (µM)b

Pha 
khí Nước

Authenic 
ONOO-

SIN-1-derived 
ONOO-

M1 5 (vòng A) 84,1 84,3 0,2 4,6 10,0

M2 6 (vòng A) 86,3 86,7 0,4 N/A N/A

M3 5 (vòng A) 86,4 86,1 -0,3 >30 3,2

M4 5 (vòng A) 86,6 86,3 -0,3 >30 11,9

M5 1 (vòng B) 99,1 93,2 -5,9 15,9 >30

M6 6 (vòng A) 85,7 86,2 0,5 26,4 15,1

M7 6 (vòng A) 83,8 86,4 2,6 14,1 >30

M8 5 (vòng A) 84,3 84,4 0,1 9,1 9,3

M9 6 (vòng A) 84,2 85,9 1,7 19,2 24,1

M10 6 (vòng A) 82,8 85,7 2,9 12,2 <0,49

M11 6 (vòng A) 82,3 85,9 3,6 8,0 3,1

M12 5 (vòng A) 87,2 87,4 0,2 >30 >30

M13 5 (vòng A) 85,2 85,6 0,4 2,2 9,7

M14 6 (vòng A) 86,1 85,9 -0,2 >30 >30

Norathy

riol 2 (vòng B) 84,2

86,0
(86,6c)

1,8

(2,4) N/A

a BDE = BDE

</div>
(15)<div class='page_container' data-page=15>

< M12 < M2 < M6 < M10. Với sự tăng độ phân cực của dung mơi 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 mơi. Sự hình thành các ion dương gốc tự do
trong dung dịch nước bền hơn và chiếm ưu thế cịn sự hình thành phân
tử trung hịa khơng 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 tốn được trình bày trong
Bảng 3.13. Trong hợp chất M5 thì vị trí số 1 của vịng 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 vịng B có giá trị thấp nhất 212,43

kcal/mol. Giá trị PDE thấp nhất tìm thấy ở vị trí số 5 của vịng 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 vịng A đối với các hợp chất M2,

M6, M7, M9, M10, M11 và M14 có giá trị thấp hơn các vị trí cịn 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 vịng 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

Hợp chất IE (kcal/mol) IEa
(kcal/mol) 
Pha khí Nước

M1 189,79

(172,73)
124,70

(117,72) −

M2 209,16

(178,72)
136,32

(126,33) −

M3 190,48

(174,80)
129,66

(121,68) 135,53

M4 193,25

(176,65)
130,59

(122,56) 134,95

</div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

3.4.4. Cơ chế chuyển proton 
chuyển electron (SPLET)

3.4.4.1. Ái lực proton (PA)

Dữ liệu trong Bảng 3.13
cho thấy dung môi nước ảnh
hưởng đáng kể đến các giá trị
PA vì năng lượng solvat hóa
của proton trong nước cao. Sự
khác nhau giữa năng lượng PA
trong pha khí và dung mơi 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 mơi 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 mơi nước thì
cơ chế SPLET được ưu tiên hơn theo quan điểm nhiệt động.

Bảng 3.13. Các giá trị PA, ETE và PDE của 14 hợp chất xanhthone có nguồn

gốc từ vỏ măng cụt tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-31+G(d,p)//PM6

Hợp chất

PA (kcal/mol)

PAa

ETE (kcal/mol)

ETEb

PDE (kcal/mol)

PDEc

Pha

khí Nước

Pha

khí Nước Pha khí Nước 
M1

5 (vòng A) 336,75 33,47 -303,28 56,49 69,74 13,25 225,54 -6,25 -231,79

8 (vòng A) 347,64 40,67 -306,97 58,45 73,12 14,67 238,39 4,33 -234,06

1 (vòng B) 340,68 35,84 -304,84 67,35 78,94 11,59 240,33 5,32 -235,01

M2

6 (vòng A) 324,08 22,28 −301,80 75,86 99,04 23,18 237,29 5,82 -231,47

1 (vòng B) 343,91 37,05 -306,86 67,14 81,43 14,29 248,4 2,97 -245,43

3 (vòng B) 328,70 27,52 -301,18 79,58 91,77 12,19 245,64 3,79 -241,85

M3

5 (vòng A) 330,96 31,02 -299,94 67,96 77,44 9,48 230,42 -3,00 -233,42

1 (vòng B) 341,68 37,61 -304,07 67,44 77,71 10,27 240,61 3,87 -236,74

M4

5 (vòng A) 336,22 30,97 -305,25 63,17 77,69 14,52 229,26 -3,65 -232,91

1 (vòng B) 345,61 36,78 -308,83 65,12 80,09 14,97 240,59 4,56 -236,03

3 (vòng B) 327,43 26,28 -301,15 77,01 98,39 21,38 234,30 12,36 -221,94

M5

1 (vòng B) 348,47 37,49 -310,98 60,60 77,59 16,99 253,15 13,00 -240,15

M6

6 (vòng A) 324,38 23,98 -300,40 74,79 87,03 12,24 228,09 -4,28 -232,37

M6 206,86

(180,57)
136,43

(126,55) 139,05

M7 190,48

(173,42)
127,57

(120,12) 135,02

M8 (174,34) 191,41 (118,24) 125,08 130,23

M9 198,56

(177,11)
132,23

(118,48) 137,27

M10 191,64

(173,65)
136,46

(121,42) 139,26

M11 188,41

(178,95)
127,55

(120,62) 136,68

M12 203,40

(181,95)
135,54

(126,75) 138,02

M13 193,71

(178,95)

125,86

(118,97) 130,64

M14 187,26

(172,73)
125,80

(117,22) 132,64

Norathyriol (192,10) 201,32 (125,00) 132,49 −

Ghi chú: Giá trị trong dấu ngoặc là giá trị IE adiabatic. 
a Giá trị IE vertical tính trong dung mơi nước tham

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

Hợp chất

PA (kcal/mol)

PAa

ETE (kcal/mol)

ETEb

PDE (kcal/mol)

PDEc

Pha

khí Nước

Pha

khí Nước Pha khí Nước

1 (vòng B) 343,26 35,57 -307,69 67,52 82,75 15,23 239,70 3,03 -236,67

3 (vòng B) 328,37 26,96 -301,41 79,63 92,45 12,82 236,91 4,12 -232,79

3’’ 376,17 57,40 -318,77 43,47 119,12 75,65 248,56 61,22 -187,34

M7

6 (vòng A) 323,55 23,54 -300,01 71,24 84,12 12,88 233,59 -0,93 -234,52

7 (vòng A) 342,26 34,78 -307,48 54,61 71,74 17,13 235,67 -2,09 -237,76

1 (vòng B) 349,16 38,86 -310,3 62,86 79,55 16,69 250,83 9,82 -241,01

3 (vòng B) 331,96 27,85 -304,11 74,56 90,09 15,53 245,32 9,30 -236,02

M8

5 (vòng A) 338,49 33,06 -305,43 55,09 69,95 14,86 225,06 -47,38 -272,44

8 (vòng A) 347,10 40,44 -306,66 59,01 72,99 13,98 237,60 -36,97 -274,57

1 (vòng B) 341,18 34,88 -306,30 69,08 82,11 13,03 241,74 -33,41 -275,15

3 (vòng B) 327,96 29,38 -298,58 80,43 92,69 12,26 239,86 -28,33 -268,19

M9

6 (vòng A) 335,96 27,85 -308,11 63,99 83,15 19,16 231,89 -41,44 -273,33

3 (vòng B) 331,88 28,20 -303,68 70,92 88,90 17,98 234,74 -35,34 -270,08

M10

6 (vòng A) 325,98 23,61 -302,37 70,78 85,96 15,18 232,09 0,96 -231,13

1 (vòng B) 347,55 36,91 -310,64 64,57 80,64 16,07 247,44 8,94 -238,5

3 (vòng B) 330,64 26,66 -303,98 76,02 90,13 14,11 241,99 8,18 -233,81

M11 ,

6 (vòng A) 320,79 17,20 -303,59 73,75 87,93 14,18 227,47 -41,69 -269,16

7 (vòng A) 339,34 29,45 -309,89 56,54 72,78 16,24 228,82 -44,59 -273,41

3 (vòng B) 331,34 24,13 -307,21 75,46 90,23 14,77 239,74 -32,46 -272,20

1 (vòng B) 348,40 34,66 -313,74 63,62 80,06 16,44 244,96 -32,10 -277,06

M12

5 (vòng A) 337,60 29,20 -308,40 61,80 80,45 18,65 226,87 -43,88 -270,75

1 (vòng B) 344,59 35,41 -309,18 67,97 83,07 15,10 240,02 -35,04 -275,06

3 (vòng B) 327,01 25,40 -301,61 79,44 92,77 13,33 233,92 -35,35 -269,27

M13

5 (vòng A) 340,23 31,07 -309,16 53,48 72,66 19,18 222,38 -49,14 -271,52

8 (vòng A) 323,94 24,56 -299,38 82,38 93,35 10,97 235,00 -34,95 -269,95

3 (vòng B) 346,21 36,32 -309,89 60,50 76,62 16,12 235,40 -39,93 -275,33

1 (vòng B) 340,04 33,48 -306,56 76,14 93,97 17,83 244,86 -25,41 -270,27

M14

6 (vòng A) 334,33 28,83 -305,50 66,96 81,34 14,38 242,45 -30,01 -272,46

1 (vòng B) 345,98 38,17 -307,81 65,52 80,12 14,60 252,67 -21,89 -274,56

3 (vòng B) 331,87 28,00 -303,87 75,26 94,35 19,09 248,30 -17,82 -266,12

Norathyriol

2 (vòng B) 327,56 25,49 -302,07 65,08 79,88 14,80 212,43 -10,46 -222,89

3 (vòng B) 331,15 25,63 -305,52 71,99 87,08 15,09 222,93 -3,12 -226,05

6 (vòng A) 403,04 25,69 -377,35 0,75 90,85 90,10 223,59 0,71 -222,88

8 (vòng A) 413,97 35,74 -378,23 0,75 84,84 84,09 234,52 4,74 -229,78

a PA = PA
nước - PAkhí.
bETE = ETE

nước - ETEkhí.
cPDE = PDE

nước - PDEkhí.

3.4.4.2. Năng lượng chuyển electron

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

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 mơi nước khơng thuận lợi cho quá
trình chuyển electron. Độ lệch trung bình giữa các giá trị ETE trong
pha khí và dung mơi 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 mơi nước
thơng qua ba cơ chế HAT, SET−PT và SPLET. Chúng tơi đã tính tốn
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 mơi
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 cịn 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 mơi 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

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

Trong phần này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống
để làm sáng tỏ hơn đặc tính chống oxy hóa của một số hợp chất
polyphenol thường được sử dụng (Hình 3.8).

3.5.2. Năng lượng phân ly liên kết 
và năng lượng ion hóa của một số 
hợp chất polyphenol

Bảng 3.14 trình bày kết quả
BDE của một số hợp chất
polyphenol tính trong pha khí sử
dụng phương pháp ONIOM với mơ
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 tốn 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 (vịng B) của hợp chất altilisin J và OH ở vị trí số 4 (vịng
B) của hợp chất quecertin đóng vai trị 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 tồn phân tử. Hay nói cách

khác, đối với cơ chế chuyển electron, yếu tố quyết định đến giá trị IE

OH
OH
O
OH
OH
O
OH
O
O O
O
O O
H
HO
HO
HO
B
B
B
A
O OH
OH
O
H3CO

HO

A C B

1
3
6
7
O
HO
O
OH
OH
1
2
4
1
2
3
4
5
6
A
B 3
Altilisin J
Flavanone
Flavone
Chalcone

  Mangostin
O
O
OH
HO

OH
OH
Quercetin
OH
B
34
3 4
3 4
3
4
1
1
1
1
2
2
2
2

Hình 3.8. Một số hợp chất chống

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20>

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

Bảng 3.14. Giá trị BDE(O−H) và IE trong pha khí của một số hợp chất

polyphenol

Hợp chất Vị trí O−H

BDE(O−H) kcal/mol

∆BDEc IEd vertical,

eV 
ONIOMa

(Mơ hình 1A)

Thực 
nghiệmb

-Mangostin 6 (vòng A) 82,8 - - 8,31

Altilisin J 2 (vòng B) 77,3 - - 8,08

Quecertin 4 (vòng B) 78,4 77,6e 0,8 8,22

Chalcone 4 (vòng B) 82,5 81,0 1,5 8,02

Flavone 4 (vòng B) 82,6 80,6 1,0 8,19

Flavanone 4 (vòng A) 83,7 80,9 2,8 8,00

a Tính ở mức lý thuyết ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6).

b Tham khảo tài liệu [24].

c ∆BDE = BDE (ONIOM) - BDE (thực nghiệm).

d Tính bằng phương pháp PM6. 
e Tham khảo tài liệu [34].

3.5.3. Phản ứng dập tắt gốc tự do peroxyl (CH3OO•) của một số 
hợp chất polyphenol

Quan sát ở Hình 3.10 ta thấy khuynh hướng phản ứng của các
polyphenol với gốc tự do CH3OO• là khá giống nhau. Các trạng thái
trung gian Int‒1 tạo thành bền hơn so với chất tham gia phản ứng 
khoảng 3,5 − 7,9 kcal/mol. Năng lượng của các trạng thái trung gian

Int‒2 có giá trị thấp hơn năng lượng của các trạng thái Int‒1 tương

ứng khoảng 8,2 − 15,1 kcal/mol. Điều này cho thấy liên kết hydro

ArOHOOCH3 trong trạng thái trung gian Int‒2 bền hơn so với liên

kết hydro ArOHOOCH3 trong trạng thái trung gian Int‒1.

Trạng thái chuyển tiếp (TS) là các điểm yên ngựa trên giản đồ 
năng lượng phản ứng (Hình 3.10). Hàng rào năng lượng tương ứng với
các trạng thái chuyển tiếp altilisin J, -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•.

</div>
(21)<div class='page_container' data-page=21>

cần nghiên cứu) càng thấp thì phản ứng tách hydro sẽ có hàng rào năng
lượng càng nhỏ và tỏa nhiệt mạnh.

3.5.4. Nhận xét

Trong nghiên cứu này, khả năng
chống oxy hóa của các hợp chất
polyphenol tự nhiên đã được nghiên
cứu bằng các phương pháp hóa tính
tốn thơng qua hai cơ chế HAT và
SET-PT. Kết quả nghiên cứu cho
thấy cấu trúc ortho-dihyroxyl có vai 
trị 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 vịng qua trạng thái chuyển tiếp TS(6,6)-1 hoặc TS(6,6)-2 sẽ tạo thành

sản phẩm(6,6)-C60C(COOCH3)2. Cịn sản phẩm (5,6)-C60C(COOCH3)2
hình thành khi phản ứng đóng vịng qua trạng thái chuyển tiếp TS(5,6)-1

Hình 3.10. Giản đồ năng lượng

phản ứng giữa một số hợp chất 
polyphenol và gốc tự do

</div>
(22)<div class='page_container' data-page=22>

20
hoặc TS(5,6)-2 (Hình 3.14).

So sánh hàng rào năng lượng của các đường phản ứng này thì sự

hình thành sản phẩm (6,6)-C60C(COOCH3)2 qua trạng thái chuyển tiếp

TS(6,6)-1 là thuận lợi nhất, có giá trị hàng rào năng lượng tướng ứng là

17,6 kcal/mol. Ba con đường phản ứng còn lại (đi qua các trạng thái
chuyển tiếp TS(6,6)-2, TS(5,6)-1 và TS(5,6)-2) thì khơng ưu tiên vì có hàng rào

năng lượng cao hơn tương ứng với các giá trị 43,2; 34,4 và 49,0
kcal/mol. Điều này gây khó khăn cho các tiểu phân khi phản ứng vì
chúng cần cung cấp một năng
lượng tương đương để có thể xảy
ra va chạm có hiệu quả để hình
thành sản phẩm. Năng lượng tương
đối của trạng thái trung gian thấp
hơn năng lượng các chất phản ứng
khoảng 24,0 kcal/mol. Kết quả này
cho thấy trạng thái trung gian tạo
thành bền hơn so với các phản ứng
ban đầu.

Từ kết quả giản đồ năng lượng
phản ứng giữa ion âm dimethyl
bromomalonate với fullerene, chúng
tơi 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 vịng 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 chalcone, 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 
Hình 3.13. Phản ứng Bingel -

Hirsch giữa các dẫn xuất của 
malonate và fullerene

Hình 3.14. Giản đồ năng lượng

của phản ứng giữa ion âm dimethyl 
bromomalonate và fullerene

[6,6]

[5,6
]

C C
Br
O

O
OMe

Br
RO OMe

O O

C C
O
RO

O
OMe

-Br

R = Methyl (Me) :

R = Flavone :
R = Chalcone :

OH
OH
O
OH

R = Flavanone :

O
H2C

O
O
H2C O

</div>
(23)<div class='page_container' data-page=23>

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 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

chalcone, 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 thốt
ra mà khơng 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 tơi 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 vịng xảy ra ở liên kết (6,6) giữa các dẫn xuất malonate có nguồn
gốc từ chalcone, flavone và flavanone với fullerene cũng được thiết lập.
Kết quả nghiên cứu lý thuyết về quá trình hình thành sản phẩm
fullerene-flavonoid ở liên kết (6,6) là phù hợp với kết quả thực nghiệm.

Hình 3.17. Giản đồ năng lượng

</div>
(24)<div class='page_container' data-page=24>

3.7. KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC DẪN CHẤT 
LAI HÓA FULLERENE VÀ CHALCONE, FLAVONE, 
FLAVANONE

3.7.1. Giới thiệu

3.7.2. Khả năng chống oxy hóa của các dẫn chất lai hóa fullerene 
và chalcone, flavone, flavanone

Bảng 3.18. Giá trị BDE(O−H) và IE của dẫn xuất C60-chalcone, C60

-flavone và C60-flavanone

Kết quả Bảng
3.18 cho thấy rằng
fullerene có ảnh
hưởng rất lớn đến
BDE(O−H) của các
hợp chất flavonoid.
Điều này có thể giải
thích là do tương tác
của phân tử fullerene
lên liên kết O−H. Giá trị BDE(O−H) của dẫn xuất C60-chalcone, C60
-flavone và C60-flavanone lần lượt là: 66,5; 70,3 và 68,5 kcal/mol. So
sánh với dữ liệu BDE của chalcone, flavone và flavanone, ta thấy BDE
của dẫn xuất fullerene giảm rất đáng kể với mức giảm trung bình

khoảng 14,5 kcal/mol.

Giá trị IE (Bảng 3.18) của các dẫn xuất fullerene -flavonoid cao
hơn các flavonoid (chalcone, flavone và flavanone) khoảng 0,87 eV.
Do đó, các dẫn xuất fullerene rất khó cho electron, hiện tượng này xảy
ra là vì phân tử fullerene có ái lực electron rất cao.

3.7.3. Nhận xét

Trong phần nghiên cứu này, các giá trị BDE(O−H) của các dẫn
xuất fullerene - flavonoid được tính bằng phương pháp ONIOM 1A
dao động trong khoảng 66,5 − 70,3 kcal/mol. Điều này cho thấy rằng
đây là những hợp chất này có khả năng chống oxy hóa mạnh theo cơ
chế HAT. Ngược lại với xu hướng của BDE, các giá trị IE của dẫn
xuất fullerene - flavonoid cao hơn so với các flavonoid. Vì vậy, trong
cơ chế chuyển electron (SET) các hợp chất fullerene - flavonoid khơng
được ưu tiên, khó cho electron hơn so với các hợp chất flavonoid.
Nguyên nhân của hiện tượng này có thể được giải thích là do sự ái lực
electron rất cao của phân tử fullerene.

Hợp chấta BDE(O−H)b

- kcal/mol

IEc vertical - eV

P-chalcone 66,5 (82,5) 8,97 [8,02]d

P-flavone 70,3 (82,6,) 8,96 [8,19] d

P-flavanone (vòng A) 68,5 (83,7) 8,89 [8,00] d
a Cấu trúc các dẫn xuất C

60-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,

</div>
(25)<div class='page_container' data-page=25>

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 tốn.
Sơ đồ của quá trình tổng hợp được
minh họa ở Hình 3.20.

3.8.2. Chức năng hóa fullerene 
với hợp chất altilisin J và 
mangostin có nguồn gốc từ cây sa 
kê và vỏ măng cụt

Tiếp nối các kết quả nghiên cứu
của phần trước, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu phản ứng đóng vịng
xảy ra ở liên kết (6,6) giữa các dẫn xuất malonate có nguồn gốc từ
altilisin J và mangostin với fullerene. Giản đồ năng lượng của phản
ứng giữa dẫn xuất malonate với fullerene được minh họa ở Hình 3.21.

Quan sát Hình 3.21 cho
thấy khuynh hướng phản ứng
của các dẫn xuất malonate với
fullerene là khá giống nhau.
Đầu tiên, các phản ứng tạo
thành các trạng thái trung
gian Int-1a, Int-2a và Int-3a 
có năng lượng thấp hơn so
với các chất phản ứng ban
đầu tương ứng là −14,0;
−10,3 và −18,0 kcal/mol.
Điều này chứng tỏ rằng trạng
thái trung gian tạo thành bền

H3CO

+C60(CBr4, DBU, rt)

O
H3CO
OO
O
H3CO
OO

+C60(CBr4, DBU, rt)
O
H3CO

C60-Altilisin J
O
H3CO
OO
O

O
OHO
OCH3
OH

C60-Mangosteen-1

O
O
O OH
OH
1
2
4
1
2
3
4
5
6
A
B3
O
O
O OH
OH
1
2
4
1

2
3
4
5
6
A
B3
O
OH
O
O
H3CO OH
O
OH
O
O
H3CO OH
O
O
OHO
OCH3
OH

C60-Mangosteen-2

(1) (2)
(3)
B
B
B

B
1 2
3
1 2
3
1
2 3
1
2 3

Hình 3.20. Phản ứng Bingel -

Hirsch giữa các dẫn xuất của 
malonate và fullerene

Hình 3.21. Giản đồ năng lượng của phản ứng

</div>
(26)<div class='page_container' data-page=26>

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 thốt ra mà khơng qua trạng

thái chuyển tiếp nào, có giá trị năng lượng tương đối cao hơn so với chất
phản ứng tương ứng là: 9,5; 8,3 và 7,3 kcal/mol.

3.8.3. Khả năng chống oxy hóa của các dẫn xuất fullerene-altilisin 
J và fullerene-mangostin

Dữ liệu trong Bảng 3.20 cho thấy fullerene có ảnh hưởng rất lớn
đến BDE(OH) của mangostin và altilisin J với độ giảm trung bình
13,5 kcal/mol. Điều này có thể giải thích do tương tác của phân tử

fullerene lên liên kết OH. Giá trị BDE(OH) của các hợp chất C60

-mangostin-1, C60-mangostin-2 và C60-altilisin J lần lượt là: 69,3; 67,7
và 65,3 kcal/mol.

Từ kết quả Bảng 3.20 cho thấy giá trị IE và EA của các dẫn xuất
fullerene lớn hơn đáng kể so với mangostin và altilisin J. Do đó, các
dẫn xuất fullerene rất khó cho electron nhưng ngược lại sự nhận
electron thì dễ dàng hơn so với hợp chất ban đầu. Hiện tượng này xảy
ra là vì phân tử fullerene có ái lực electron rất cao.

Kết quả nghiên cứu trên cho thấy các dẫn xuất fullerene đã kết hợp
được cả tính chất của fullerene và hợp chất phenolic nên vừa có khả
năng chống oxy hóa theo cơ chế ngắt mạch oxy hóa vừa là “chiếc lồng
thu nhặt gốc tự do”.

Bảng 3.20. Giá trị BDE(O−H), EA và IE của mangostin, altilisin J,

C60-mangostin-1, C60-mangostin-2 và C60-altilisin J

3.8.4. Nhận xét

Các tính tốn 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 vịng giữa fullerene và dẫn xuất
malonate ở vị trí liên kết (6,6) cũng được thiết lập. Năng lượng phản

Hợp chất BDE(O−H)

a

kcal/mol

IEb vertical,

eV

EAb vertical,

eV 
Mangostin 82,8 8,31 1,47

Altilisin J 77,3 8,08 2,14

C60-mangostin-1 69,3 8,90 3,53

C60-mangostin-2 67,7 8,91 3,56

C60-altilisin J 65,3 8,92 3,61

a Sử dụng mơ hình 1A và tính ở mức

ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6).

</div>
(27)<div class='page_container' data-page=27>

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
thơng qua các thơng số đặc trưng như: BDE, IE và EA. Cấu trúc 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 tốn. Thơng qua đó, chúng tôi đã thiết kế các
hợp chất chống oxy hóa có nguồn gốc từ thiên nhiên trên nền fullerene.
Qua q trình nghiên cứu, chúng tơi 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 mơ
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 tốn và giá trị thực
nghiệm, chúng tơi 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 tốn. 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

</div>
(28)<div class='page_container' data-page=28>

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.

</div>
(29)<div class='page_container' data-page=29>

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. Nguyen Minh Thong, Thi Chinh Ngo, Duy Quang Dao, Tran Duong, Quoc 
Tri Tran, Pham Cam Nam (2016), “Functionalization of fullerene via the
Bingel reaction with α-chlorocarbanions: an ONIOM approach”, Journal of

Molecular Modeling, 22, pp.113-121.

2. Nguyen Minh Thong, Duy Quang Dao, Thi Chinh Ngo, Trinh Le Huyen, 
Pham Cam Nam (2016), “Antioxidant activities of [60]fullerene derivatives
from chalcone, flavone and flavanone: A ONIOM approach via H-atom and
electron transfer mechanism”, Chemical Physics Letters, 652, pp.56–61. 
3. Nguyen Minh Thong, Thi Chinh Ngo, Truc Xuyen Nguyen Phan, Duy Quang

Dao, Truong Van Nam, Phan Thi Tuyet Trinh, Pham Cam Nam (2015) “A
Study of the Substituent Effects on the O−H Bond Dissociation Enthalpies of
Phenol Derivatives Using the ONIOM Method”, American Journal of

Chemistry, 5(4), pp.91-95.

4. Nguyen Minh Thong and Pham Cam Nam (2015) “Theoretical investigation 
on antioxidant activity of phenolic compounds extracted from Artocarpus
altilis”, Springer International Publishing, 46, pp. 464-469.

5. Nguyen Minh Thong, Duong Tuan Quang, Ngoc Hoa Thi Bui, Duy Quang 
Dao, Pham Cam Nam (2015), “Antioxidant properties of xanthones extracted
from the pericarp of Garcinia mangostana (Mangosteen): A theoretical study”,

Chemical Physics Letters, 625, pp. 30–35.

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

Letters, 613, pp. 139–145.

7. Nguyễn Minh Thông và Phạm Cẩm Nam (2016), “Nghiên cứu phản ứng chức 
năng hóa fullerene (C60) với các dẫn xuất flavonoid malonate bằng phương

pháp hóa tính tốn”, 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 tốn”, 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 tốn”, Tạp chí

</div>
(30)<div class='page_container' data-page=30>

HUE UNIVERSITY

UNIVERSITY OF SCIENCES

NGUYEN MINH THONG

STUDYING ON THE STRUCTURE, ANTIOXIDANT

ACTIVITY OF POLYPHENOL AND THEIR

DERIVATIVES BASED ON FULLERENE (C

60

) 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

</div>
(31)<div class='page_container' data-page=31>

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:

</div>
(32)<div class='page_container' data-page=32>

PREAMBLE

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

</div>
(33)<div class='page_container' data-page=33>

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

</div>
(34)<div class='page_container' data-page=34>

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

</div>
(35)<div class='page_container' data-page=35>

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

I

n 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.

Corresponding high layer shall be
calculated by the method (RO) B3LYP /
6-311 ++ G (2df, 2p), while low layer
is calculated by the PM6 method.

O H

B
OH

Full
B

High Layer Low Layer

Figure 3.1. Schematic description of

</div>
(36)<div class='page_container' data-page=36>

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.

Figure 3.2. Comparing 
BDE (O-H) values of phenol 
derivatives are calculated 
by 7 ONIOM models with 
experimental data

However, the

reliability of the 1A
model should be checked
more on molecules with

larger sizes such 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)

3.1.3. Applying for 
flavonoid compounds

In Figure 3.4, a

series of flavonoids

including chalcone,

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
are no atoms in lower layer. In this case, the
B3LYP/6-311++G(2df,2p)//PM6 method is applied to all forms of neutral
molecules and forms of free radicals.

Compounds BDE 
(O–H)

Experimental 
valuesa

BDE

(O–H)b

Ubiquinol-2 81,9 82,3 -0,4

Ubiquinol-6 81,9 82,3 -0,4

Ubiquinol-10 77,8 78,5 -0,7

a Ref. [71].

bBDE(O–H)=BDE(O–H)

</div>
(37)<div class='page_container' data-page=37>

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 kcal/mol (values in

parentheses of Table 3.4).

Table 3.4. BDE (O-H) of flavonoid

compounds in Figure 3.4 (kcal/mol)

Compounds Position 
O−H

Value BDE (O-H) calculated in method

ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) BDE(O−H) 
Model Gas Model Gas

2’-hydroxyl 
chacone

2’−OH 1A 85,6(+0,2) 5B 81,8(−3,6)

85,4a; 83,1 [130]

3A 81,4(−4,0) 5C 77,1(−8,3)

3B 82,7(−2,7) 5D 78,2(−7,2)

5A 81,0(−4,4) 7A 86,6(+1,2)

3’-hydroxyl 
chacone

3’−OH 1A 87,9(−0,9) 5B 83,5(−5,3)

88,8a; 86,2 [130]

3A 85,0(−3,8) 5C 80,5(−8,3)

3B 83,8(−5,0) 5D 83,0 (−5,8)

5A 84,3(−4,5) 7A 88,9(+0,1)

4’-hydroxyl 
chacone

4’−OH 1A 85,9(−1,0) 5B 81,7(−3,2)

84,9a; 81,9 [130];

83,9 [52]; 81,1 [132]

3A 83,2(−1,7) 5C 78,7(−6,2)

3B 81,9(−3,0) 5D 77,5(−7,4)

5A 82,4(−2,5) 7A 87,2(+2,3)

Apigenin 4’−OH 1A 89,4(+2,2) 5B 85,1(−2,1)

87,2a; 88,8 [65];

82,2 [62, 120] ;
84,37 [104]

3A 86,6(−0,6) 5C 82,0(−5,2)

3B 85,4(−1,8) 5D 80,77(−6,3)

5A 85,9(−1,3) 7A 90,4(−3,2)

Kaempferol 4’−OH 1A 85,0(+1,3) 5B 81,6(−2,1)

83,7a; 86,5 [65];

80,94 [60]; 80,78 [120]

3A 81,2(−2,5) 5C 76,7(−7,0)

3B 82,3(−1,4) 5D 77,9(−5,8)

5A 80,9(−2,8) 7A 86,4(+2,7)

Quercetin 3’−OH 1A 80,5(+0,4) 5B 75,5(−4,6) 80,1a ; 81,8 [65];

75,53 [120]; 73,61
[117]; 81,50 [80];
74,81 [61]; 72,42 [27];

80,3 [34]

3A 75,7(−4,4) 5C 70,3 (−9,8)

3B 78,6(−1,5) 5D 74,6 (−5,5)

5A 73,1(−7,0) 7A 79,4 (−0,7)

Quercetin 4’−OH 1A 78,4(+0,9) 5B 70,8(−6,7) 77,5a; 78,7 [65];

72,90 [120]; 70,98
[117]; 76,72 [80];

72,18 [61]; 70,03 [27];

77,6 [34]

3A 75,0(−2,5) 5C 70,5(−7,0)

3B 73,4(−4,1) 5D 73,4 (−4,1)

5A 72,1(−5,4) 7A 77,2(−0,3)

Naringenin 4’−OH 1A 89,0(+1,1) 5B 85,6(2,3)

87,9a; 92,73 [44]

3A 85,2(2,7) 5C 80,7(7,2)

3B 86,1(1,8) 5D 81,8(6,1)

5A 84,8(3,1) 7A 90,1(+2,2)

a 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

Figure 3.4. Flavonoid compounds

used to investigate ONIOM patterns

O
1'
2'
3'
4'
5'
6'
A B
1
2
3
4
5

6 2'-hydroxylchalcone: 2' - OH

3'-hydroxylchalcone: 3' - OH
4'-hydroxylchalcone: 4' - OH

O
A C
B
2'
3'
4'
5'
6'
2
3

4
5
6
7
8
O

Apigenin: 5,7,4' - OH
Kaempf erol: 3,5,7,4' - OH
Quercetin: 3,5,7,3',4' - OH

O
A C
B
2'
3'
4'
5'
6'
2
3
4
5
6
7
8
O

Naringenin: 5,7,4' - OH

</div>
(38)<div class='page_container' data-page=38>

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 IONIZATION ENERGY

CALCULATION METHOD 
3.2.1. Introduction

3.2.2. Assessing the accuracy of the PM6 method for calculating IE

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

For vertical IE

value, although

there are several
compounds that are

not available

empirical values,
the results in Table

3.5 shows the

deviation between
the calculated value

and the largest

experiment is only

0,19 eV. This

shows the IE value
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

Compounds IE IEb

PM6 Experimentala

Phenol 8,38(8,61) 8,490,02(8,70) 0,11(0,09)

1,4-Benzenediol 8,00(8,28) 7,940,01(8,44) -0,06(0,16)

1,3-Benzenediol 8,29(8,56) 8,20 (8,63) -0,09(0,07)

1,2-Benzenediol 8,10(8,44) 8,15(8,56) 0,05(0,12)

BHT 7,39(7,74) N/A(7,80) N/A(0,06)

2-Methyl phenol 8,17(8,46) 8,14(8,460,06) -0,03(0,00)

2-Nitro phenol 9,02(9,43) 9,1(9,29) 0,08(-0,14)

2,4-Dimethyl phenol 7,84(8,17) 8,0(8,18) 0,16(0,01)

2,4,6-Trimethyl phenol 7,64(7,98) N/A(8,0) N/A(0,02)

2,6-Diclo phenol 8,60(8,84) 8,650,02(N/A) 0,06(N/A)

2,6-Dimethyl phenol 7,95(8,25) 8,050.02(8,26) 0,1(0,01)

3 Methyl phenol 8,26(8,57) 8,290,02(N/A) 0,03(N/A)

3,4-Dimethyl phenol 7,93(8,24) 8,09(N/A) 0,16(N/A)

4-Nitro phenol 9,26(9,57) 9,1(9,38) -0,16(-0,19)

Note: Values in parentheses is the value IE vertical.

a Experimental values are referenced from the NIST web Chemistry book,

number 69,

b IE = IE

</div>
(39)<div class='page_container' data-page=39>

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.

3.3.2. Hydrogen atom transfer 
(HAT) mechanism - Bond 
Dissociation Energy (BDE)

3.3.2.1. Finding the position of the 
weakest O-H bond

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

Figure 3.6. Structures of 12 investigated

compounds extracted from Artocarpus altilis 
OH
HO
O
OH
OH
OH
HO
O
OHOH
OH
HO
O
OHOH
O
OH
OH
OH
OH
O
HO
OH
O
HO
HO
O

O
OH
HO
OH
A
B
C
1'
2'
4' 1
3
4
1''
S1
A1'
2'
4'
B
1
3 4
S3
O
O
OH
HO
OH
A
B
C
1'

2'
4' 1
3
4
3''
S2
H
H
O
O
OH
HO
OH
A
B
C
1'
2'
4' 1
3
4
1''
3''
S4

</div>
(40)<div class='page_container' data-page=40>

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

3.3.3. Single electron transfer 
- proton transfer (SET-PT)

3.3.3.1. Ionization energy (IE)

Vertical IE and adiabatic IE

value of 12 polyphenols

compounds extracted 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 calculated proton 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 <S12 <S7 <S8 <S5 <S3

<S11 <S1 <S9 <S4 <S2 <S10.

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 minimal energy requirements for the HAT and SET-PT

Comp

ound Position O−H

BDE(O–H) (kcal/mol) 
Gas Metha

nol 
Water

S1 4−OH (ring B) 83,2 83,5 82,8

S2 4−OH (ring B) 84,5 83,2 83,1

S3 3−OH (ring B) 80,8 82,4 82,2

S4 4−OH (ring B) 85,1 83,7 83,1

S5 4−OH (ring B) 83,9 83,8 83,1

S6 4−OH (ring B) 80,3 83,9 83,1

S7 4−OH (ring B) 79,3 82,9 82,1

S8 4−OH (ring B) 83,7 82,8 81,4

S9 3−OH (ring B) 79,3 81,3 80,5

S10 8−OH (ring B) 80,3 82,7 81,6

S11 8−OH (ring B) 82,5 83,9 83,2

S12 2−OH (ring B) 77,3 79,0 78,3

Comp
ound

IE 
adiabatic

IE 
vertical

S1 7,30 7,87

S2 7,36 7,77

S3 7,45 8,03

S4 7,41 8,06

S5 7,50 7,98

S6 7,87 8,20

S7 7,44 7,80

S8 7,57 7,98

S9 7,28 7,83

S10 7,04 7,56

S11 7,42 7,85

</div>
(41)<div class='page_container' data-page=41>

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

<S10 ≈ S7 <S6 <S9 <S3 <S11 <S1 <S8 <S5 <S2 <S4.

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

3.3.4. Reviews

In this study, we have

used the ONIOM

(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.

Adiabatic ionization

energy of polyphenol

compounds are

determined by method

PM6. The phenoxy

radicals formed from the

radical cations and

corresponding neutral

molecules phenolic

prioritily occurs at the
same position. Based on
the obtained results it can
be concluded that the

BDE value is considered as a key physicochemical parameters in

Compo
unds

Position

O−Ha BDE IEb PDE 
IE + 
PDE

S1

2’ (ring A) 83,8 168,8 190,9 359,7
4’ (ring A) 82,7 172,0 340,8
4 (ring B) 70,7 159,3 328,1 
S2

2’ (ring A) 83,4 169,7 171,8 341,5
4’ (ring A) 82,8 171,2 340,9
4 (ring B) 71,2 159,7 329,4 
S3

2’ (ring A) 83,8 171,1 170,7 341,8
4’ (ring A) 82,8 158,5 329,6
3 (ring B) 68,9 156,0 327,1

4 (ring B) 83,8 169,7 340,8

S4

2’ (ring A) 101,9 170,9 189,1 360,0
4’ (ring A) 83,1 170,2 341,1
4 (ring B) 71,8 158,9 329,8

2’’ (ring C) 100,2 187,3 358,2

S5

2’ (ring A) 84,3 173,0 169,5 342,5
4’ (ring A) 82,3 167,4 340,4
4 (ring B) 70,6 155,9 328,9 
S6

4’ (ring A) 80,2 181,5 156,7 338,2
3 (ring B) 71,9 148,4 329,9
4 (ring B) 67,7 144,2 325,7

S7

2’ (ring A) 85,1 171,3 171,8 343,1
4’ (ring A) 81,6 168,3 339,6
3 (ring B) 70,9 157,8 329,1
4 (ring B) 66,7 153,6 324,9

2’(ring A’) 81,2 167,9 339,2
4’ (ring A’) 81,9 168,7 340,0
3 (ring B’) 68,9 155,8 327,1
4 (ring B’) 71,8 158,7 330,0

S8

2’ (ring A) 83,2 174,6 166,6 341,2
4’ (ring A) 82,6 166,1 340,7
4 (ring B) 70,4 153,9 328,5

7’’ 100,6 184,1 358,7

S9

2’ (ring A) 83,8 167,9 174,0 341,9
4’ (ring A) 82,7 172,8 340,7
3 (ring B) 68,4 158,7 326,6

4 (ring B) 70,5 160,7 328,6

6’’ 99,9 190,2 358,1

S10 6’ (ringA) 79,3 162,3 174,9 337,2

8 (ring B) 66,8 162,6 324,9 
S11 6’ (ringA) 79,9 171,1 167,0 338,1

8 (ring B) 69,2 156,3 327,4 
S12

6’ (ringA) 79,9 177,3 160,5 337,8
2 (ring B) 65,0 145,7 323,0

3 (ring B) 71,2 151,8 329,1

</div>
(42)<div class='page_container' data-page=42>

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

Xanthone compounds from M1 to

M14 is extracted from the

pericarp of

mangosteen shown in Figure 3.7

3.4.2. Hydrogen atom transfer 
(HAT) Mechanism - Bond 
Dissociation Energy (BDE)

On the basis of the calculated

BDEs values in Table 3.11, the
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 lower 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

Figure 3.7. The structure of compounds

extracted from the pericarp of mangosteen 
and related compounds

O OCH3

OH
O
OH
OH
O OH
OH
O
O OR
OH
O
OH
O

H3C CH2

H3CO
HO

M3 R = CH3

M4R = H

O
OH
O

H3CO O

O

O OH

OH
O
H3CO

HO
OH
O OH
OH
O
HO
HO
O OH
OH
O

OH O OH

O
H3CO

HO O OH

OH
O
RO
HO
OH
O

M10 R = CH3

M11 R = H

O OH
OH
O
OH
R
O OH
OH
O
HO
O

M12 R = H
M13 R = OH
A C B

A C B

A C B A C B A C B

A C B
A C B

A C B

</div>
(43)<div class='page_container' data-page=43>

values in water is quite different: M1 <M8 <M13 <M10 <M9 <M11

<M14 <Norathyriol <M3 <M6 <M4 <M7 <M2 <M12 <M5.

Table 3.11. ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6)-computed BDE

(O -H) of fourteen xanthone compounds extracted from G. mangostana

3.4.3. The 
sequential electron 
transfer proton 
transfer (SETPT) 
mechanism

3.4.3.1. Ionizati
on energy (IE)

The calculated

data in Table 3.12
permits to conclude
that the sequence of
IE values in gas

phase is M14 <M5

<M11 <M1 <M3 
<M7 <M8 <M10 
<M4 <M13 <M9 
<Norathyriol < 
M12 <M6 <M2, whereas the tendency of IE values in water is quite

different: M1 <M8 <M14 <M13 <M11 <M7 <M5 <M3 <M4 <M9

< Norathyriol <M12 <M2 <M6 <M10. In increasing the solvent

polarity, a remarkable decrease in IE values of investigated
compounds is observed. This indicates that cation radicals are
charged and quite sensitive to the solvent polarity and the production
of cation radicals is enhanced in aqueous solution but the formation
of neutral species is unfavorable in aqueous solution. Therefore, the
water solution would promote the electron-donating capacity but
reduce the electron-accepting capacity of xanthone compounds
extracted from the pericarp of G. mangostana.

3.4.3.2. Proton dissociation energy (PDE)

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.

Comp
ounds

Position 
O-H

BDE (O-H) 
kcal/mol

BDEa

IC50 (µM)b

Gas Water Authenic 
ONOO-

SIN-1-derived 
ONOO-

M1 5 (ring A) 84,1 84,3 0,2 4,6 10,0

M2 6 (ring A) 86,3 86,7 0,4 N/A N/A

M3 5 (ring A) 86,4 86,1 -0,3 >30 3,2

M4 5 (ring A) 86,6 86,3 -0,3 >30 11,9

M5 1 (ring B) 99,1 93,2 -5,9 15,9 >30

M6 6 (ring A) 85,7 86,2 0,5 26,4 15,1

M7 6 (ring A) 83,8 86,4 2,6 14,1 >30

M8 5 (ring A) 84,3 84,4 0,1 9,1 9,3

M9 6 (ring A) 84,2 85,9 1,7 19,2 24,1

M10 6 (ring A) 82,8 85,7 2,9 12,2 <0,49

M11 6 (ring A) 82,3 85,9 3,6 8,0 3,1

M12 5 (ring A) 87,2 87,4 0,2 >30 >30

M13 5 (ring A) 85,2 85,6 0,4 2,2 9,7

M14 6 (ring A) 86,1 85,9 -0,2 >30 >30

Norathyri

ol 2 (ring B) 84,2

86,0
(86,6c)

1,8

(2,4) N/A

a BDE = BDE

nước - BDEkhí.

b Ref. [49].

</div>
(44)<div class='page_container' data-page=44>

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

3.4.4. The sequential 
proton loss electron 
transfer (SPLET)

mechanism

3.4.4.1. Proton

affinities (PA)

As can be seen from
comparison with data in
gas phase in Table 3.13,

the water has

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

Compounds IE (kcal/mol)

IEa

(kcal/
mol)

Gas Water

M1 189,79 (172,73) 124,70 (117,72) −

M2 209,16 (178,72) 136,32 (126,33) −

M3 190,48 (174,80) 129,66 (121,68) 135,53

M4 193,25 (176,65) 130,59 (122,56) 134,95

M5 187,95 (168,35) 127,79 (116,70) 130,82

M6 206,86 (180,57) 136,43 (126,55) 139,05

M7 190,48 (173,42) 127,57 (120,12) 135,02

M8 191,41 (174,34) 125,08 (118,24) 130,23

M9 198,56 (177,11) 132,23 (118,48) 137,27

M10 191,64 (173,65) 136,46 (121,42) 139,26

M11 188,41 (178,95) 127,55 (120,62) 136,68

M12 203,40 (181,95) 135,54 (126,75) 138,02

M13 193,71 (178,95) 125,86 (118,97) 130,64

M14 187,26 (172,73) 125,80 (117,22) 132,64

Norathyriol 201,32 (192,10) 132,49 (125,00) −

</div>
(45)<div class='page_container' data-page=45>

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.

Compounds

PA (kcal/mol)

PAa ETE (kcal/mol) ETEb PDE (kcal/mol) PDEc

Gas Water Gas Water Gas Water 
M1

5 (ring A) 336,75 33,47 -303,28 56,49 69,74 13,25 225,54 -6,25 -231,79

8 (ring A) 347,64 40,67 -306,97 58,45 73,12 14,67 238,39 4,33 -234,06

1 (ring B) 340,68 35,84 -304,84 67,35 78,94 11,59 240,33 5,32 -235,01

M2

6 (ring A) 324,08 22,28 −301,80 75,86 99,04 23,18 237,29 5,82 -231,47

1 (ring B) 343,91 37,05 -306,86 67,14 81,43 14,29 248,4 2,97 -245,43

3 (ring B) 328,70 27,52 -301,18 79,58 91,77 12,19 245,64 3,79 -241,85

M3

5 (ring A) 330,96 31,02 -299,94 67,96 77,44 9,48 230,42 -3,00 -233,42

1 (ring B) 341,68 37,61 -304,07 67,44 77,71 10,27 240,61 3,87 -236,74

M4

5 (ring A) 336,22 30,97 -305,25 63,17 77,69 14,52 229,26 -3,65 -232,91

1 (ring B) 345,61 36,78 -308,83 65,12 80,09 14,97 240,59 4,56 -236,03

3 (ring B) 327,43 26,28 -301,15 77,01 98,39 21,38 234,30 12,36 -221,94

M5

1 (ring B) 348,47 37,49 -310,98 60,60 77,59 16,99 253,15 13,00 -240,15

M6

6 (ring A) 324,38 23,98 -300,40 74,79 87,03 12,24 228,09 -4,28 -232,37

1 (ring B) 343,26 35,57 -307,69 67,52 82,75 15,23 239,70 3,03 -236,67

3 (ring B) 328,37 26,96 -301,41 79,63 92,45 12,82 236,91 4,12 -232,79

3’’ 376,17 57,40 -318,77 43,47 119,12 75,65 248,56 61,22 -187,34

M7

6 (ring A) 323,55 23,54 -300,01 71,24 84,12 12,88 233,59 -0,93 -234,52

7 (ring A) 342,26 34,78 -307,48 54,61 71,74 17,13 235,67 -2,09 -237,76

1 (ring B) 349,16 38,86 -310,3 62,86 79,55 16,69 250,83 9,82 -241,01

3 (ring B) 331,96 27,85 -304,11 74,56 90,09 15,53 245,32 9,30 -236,02

M8

5 (ring A) 338,49 33,06 -305,43 55,09 69,95 14,86 225,06 -47,38 -272,44

8 (ring A) 347,10 40,44 -306,66 59,01 72,99 13,98 237,60 -36,97 -274,57

1 (ring B) 341,18 34,88 -306,30 69,08 82,11 13,03 241,74 -33,41 -275,15

3 (ring B) 327,96 29,38 -298,58 80,43 92,69 12,26 239,86 -28,33 -268,19

M9

6 (ring A) 335,96 27,85 -308,11 63,99 83,15 19,16 231,89 -41,44 -273,33

3 (ring B) 331,88 28,20 -303,68 70,92 88,90 17,98 234,74 -35,34 -270,08

M10

6 (ring A) 325,98 23,61 -302,37 70,78 85,96 15,18 232,09 0,96 -231,13

1 (ring B) 347,55 36,91 -310,64 64,57 80,64 16,07 247,44 8,94 -238,5

3 (ring B) 330,64 26,66 -303,98 76,02 90,13 14,11 241,99 8,18 -233,81

M11 ,

6 (ring A) 320,79 17,20 -303,59 73,75 87,93 14,18 227,47 -41,69 -269,16

7 (ring A) 339,34 29,45 -309,89 56,54 72,78 16,24 228,82 -44,59 -273,41

3 (ring B) 331,34 24,13 -307,21 75,46 90,23 14,77 239,74 -32,46 -272,20

1 (ring B) 348,40 34,66 -313,74 63,62 80,06 16,44 244,96 -32,10 -277,06

M12

</div>
(46)<div class='page_container' data-page=46>

Compounds PA (kcal/mol) PAa ETE (kcal/mol) ETEb PDE (kcal/mol) PDEc

1 (ring B) 344,59 35,41 -309,18 67,97 83,07 15,10 240,02 -35,04 -275,06

3 (ring B) 327,01 25,40 -301,61 79,44 92,77 13,33 233,92 -35,35 -269,27

M13

5 (ring A) 340,23 31,07 -309,16 53,48 72,66 19,18 222,38 -49,14 -271,52

8 (ring A) 323,94 24,56 -299,38 82,38 93,35 10,97 235,00 -34,95 -269,95

3 (ring B) 346,21 36,32 -309,89 60,50 76,62 16,12 235,40 -39,93 -275,33

1 (ring B) 340,04 33,48 -306,56 76,14 93,97 17,83 244,86 -25,41 -270,27

M14

6 (ring A) 334,33 28,83 -305,50 66,96 81,34 14,38 242,45 -30,01 -272,46

1 (ring B) 345,98 38,17 -307,81 65,52 80,12 14,60 252,67 -21,89 -274,56

3 (ring B) 331,87 28,00 -303,87 75,26 94,35 19,09 248,30 -17,82 -266,12

Norathyriol

2 (ring B) 327,56 25,49 -302,07 65,08 79,88 14,80 212,43 -10,46 -222,89

3 (ring B) 331,15 25,63 -305,52 71,99 87,08 15,09 222,93 -3,12 -226,05

6 (ring A) 403,04 25,69 -377,35 0,75 90,85 90,10 223,59 0,71 -222,88

8 (ring A) 413,97 35,74 -378,23 0,75 84,84 84,09 234,52 4,74 -229,78

a PA = PA
nước - PAkhí.
bETE = ETE

nước - ETEkhí.
cPDE = PDE

nước - 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.

</div>
(47)<div class='page_container' data-page=47>

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

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 accuracy of 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
<chalcone<altilisin J<flavone<quecertin<α-mangostin. Compare two
value range of BDE and IE, we see the arrangement order of
polyphenols does not have the same trends. This heterogeneity is
explained that the BDE value is affected by local effects caused by the
functional groups, meanwhile, the IE value is affected by the structure
of the whole molecule. In other words, in SET mechanisms, the factor
determining the IE value is not positioning and conjugate of π
electrons rather than the presence of the groups in the molecule.

OH
OH
O
OH
OH
O
OH
O
O O
O

O O
H
HO
HO
HO
B
B
B
A
O OH
OH
O
H3CO

HO
A C B

1
3
6
7
O
HO
O
OH
OH
1
2
4
1

2
3
4
5
6
A
B 3
Altilisin J
Flavanone
Flavone
Chalcone

  Mangostin

O
O
OH
HO
OH
OH
Quercetin
OH
B
3 4
3 4
3 4
3
4
1
1

1
1
2
2
2
2

Figure 3.8. Some antioxidant

</div>
(48)<div class='page_container' data-page=48>

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

BDE(O−H) kcal/mol

∆BDEc IEd vertical,

eV 
ONIOMa

(Model 1A)

Expt..b

-Mangostin 6 (ring A) 82,8 - - 8,31

Altilisin J 2 (ring B) 77,3 - - 8,08

Quecertin 4 (ring B) 78,4 77,6e 0,8 8,22

Chalcone 4 (ring B) 82,5 81,0 1,5 8,02

Flavone 4 (ring B) 82,6 80,6 1,0 8,19

Flavanone 4 (ring A) 83,7 80,9 2,8 8,00

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].

3.5.3. Reaction between peroxyl radical (CH3OO•) and 
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.

Transitional state (TS) is the saddle

points on the reaction energy
diagram (Figure 3.10). Energy

barrier corresponding to the

transitional states TS-altilisin J,

TS-α-mangostin, TS-flavanones, 
chalcone, flavone and 
TS-quecertin have values of 15,3; 20,4;

18,4; 18,6; 19,7 and 16,1 kcal/mol,

respectively. All the reactions

between polyphenols and free

radicals CH3OO• are exothermic

reactions. The products

(phenoxyl radicals) have

relatively lower energy than the
Figure 3.10. Potential energy surface

for reaction between polyphenols

</div>
(49)<div class='page_container' data-page=49>

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

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

respective isomers,

(6,6)-C60C(COOCH3)2 and

(5,6)-C60C(COOCH3)2. The reaction paths

for the formation of isomeric

products of C60C(COOCH3)2 are
illustrated in Figure 3.14. Each
Figure 3.13. Bingel - Hirsch

reaction between and fullerene 
derivatives malonate

[6,6]

[5,6]

C CBr
O
RO

O
OMe

Br
RO OMe

O O

C C
O
RO

O
OMe

-Br

R = Methyl (Me) :

R = Flavone :
R = Chalcone :

OH
OH
O
OH

OH
R = Flavanone :

O
H2C

O
O
H2C O

</div>
(50)<div class='page_container' data-page=50>

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

barrier of the reaction paths,

the product

(6,6)-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

paths reaction (going

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

As can be seen in Figure 3.17, the

tendency is quite similar for all
reactions of flavonoid malonates with

fullerene. The first intermediates
namely Int-chalcone, Int-flavones 
and Int-flavanones are more stable 
than the reactants by amount of
-16,0; -12,3 and -13,7 kcal/mol.
Energy barriers of chalcone,

TS-flavones and TS-flavanones are

16,8; 11,4; 16,3 kcal/mol,

respectively. Relative energy of the

complex products namely

chalcone, flavones and 
PCflavanones are predicted about

-Figure 3.14. Potential energy surface

for reaction reaction between fullerene 
and dimethyl bromomalonate anion

Figure 3.17. PES of cycloaddition

reaction of C60 and the flavonoid

</div>
(51)<div class='page_container' data-page=51>

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

Table 3.18. BDE(O-H)s and IE of C60-chalcone, C60- flavones and C60
-flavanones

As can be seen in
Table 3.18, C60 affects

strongly on the BDE(O–
H) of the flavonoids.
This can be explained by
the π conjugated system

of C60. There is a

consistently significant
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.

Hợp chấta BDE(O−H)b

- kcal/mol

IEc vertical

- eV 
P-chalcone 66,5 (82,5) 8,97 [8,02]d

P-flavone 70,3 (82,6,) 8,96 [8,19] d

P-flavanone (ring A) 68,5 (83,7) 8,89 [8,00] d
a C

60-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

</div>
(52)<div class='page_container' data-page=52>

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

On the basis of results from
experimental and theoretical studies
of functionalization of fullerene

with flavonoid 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.

3.8.2. Functionalization of 
fullerene with malonate 
derivatives originated from altilis 
J and mangostin

Following the results of the
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.

O
H3CO

+C60(CBr4, DBU, rt)

O
H3CO
OO
O
H3CO
OO

+C60(CBr4, DBU, rt)
O
H3CO

O O

C60-Altilisin J

O
H3CO
O O
O
O

OHO
OCH3
OH

C60-Mangosteen-1

O
O
O OH
OH
1
2
4
1
2
3
4
5
6
A
B3
O
O
O
OH
OH
1
2
4
1

2
3
4
5
6
A
B3
O
OH
O
O
H3CO OH
O
OH
O
O
H3CO OH
O
O
OHO
OCH3
OH

C60-Mangosteen-2

(1) (2)
(3)
B
B
B

B
1 2
3
1 2
3
1
2 3
1
2 3

Figure 3.20. Bingel - Hirsch

</div>
(53)<div class='page_container' data-page=53>

22
Observing Figure 3.21,
the intermediates namely

Int-1a, Int-2a and Int-3a are

more stable than the

reactants by amount 14,0;
-10,3 and –18,0 kcal/mol,
respectively. Energy barrier

of the transition states

namely 1, 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

Int-3b compared to the

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 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

Figure 3.21 PES of the reaction between

</div>
(54)<div class='page_container' data-page=54>

3.8.4. Reviews

The 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 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
polyphenol compounds extracted from Artocarpus altilis, the

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

Compounds BDE(O−H)

a

kcal/mol

IEb vertical,

eV

EAb vertical,

eV 
Mangostin 82,8 8,31 1,47

Altilisin J 77,3 8,08 2,14

C60-mangostin-1 69,3 8,90 3,53

C60-mangostin-2 67,7 8,91 3,56

C60-altilisin J 65,3 8,92 3,61

a Using model 1A and calculated at

ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) level.

</div>
(55)<div class='page_container' data-page=55>

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.

5. Theoretical calculations were performed to study 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. In addition, the energy profile of 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.

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, respectively. These values are much lower 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.

</div>
(56)<div class='page_container' data-page=56>

originated from altilis J and mangostin was established. Antioxidant
activity of these compounds were determined through two
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.

</div>
(57)<div class='page_container' data-page=57>

LIST OF PUBLICATIONS

Molecular Modeling, 22, pp.113-121.

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.

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

</div>