Nghiên cứu hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin và một số dẫn xuất của curcumin bằng phương pháp tính toán

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------OOO------------

VÕ KIM PHỤNG

NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXI
HĨA CỦA CURCUMIN VÀ MỘT SỐ DẪN
XUẤT CỦA CURCUMIN BẰNG PHƯƠNG
PHÁP TÍNH TỐN

CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ HĨA HỮU CƠ
MÃ SỐ: 00506091

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHI1 MINH

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2009


Cán bộ hướng dẫn khoa học:
TS. PHẠM THÀNH QUÂN
Th.S. LÊ THANH HƯNG
Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ngày 03 tháng 08 năm 2009


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP- TỰ DO-HẠNH PHÚC

Tp.HCM, ngày………..tháng……….năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Võ Kim Phụng
Ngày tháng năm sinh: 17/08/1982
Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Hữu Cơ

Phái: Nữ
Nơi sinh: Tp. HCM

I-TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXI HĨA CỦA CURCUMIN VÀ
MỘT SỐ DẪN XUẤT CỦA CURCUMIN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Khảo sát và lựa chọn phương pháp tính tốn
- Khảo sát cấu trúc và hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin và các dẫn xuất của
curcumin.
- Đề xuất các chất mới và dự đốn hoạt tính kháng oxi hóa.
III- NGÀY GIAO NIỆMVỤ:
IV-NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ:
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. PHẠM THÀNH QUÂN, Th.S. LÊ THANH HƯNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

TS. PHẠM THÀNH QUÂN
Th.S. LÊ THANH HƯNG
TS. NGUYỄN NGỌC HẠNH

TS. PHAN THANH SƠN NAM

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành Thông qua.
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Ngày
tháng năm
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến :
™

Quý thầy TS. PHẠM THÀNH QUÂN, Th.S. LÊ THANH HƯNG đã
truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm bổ ích trong quá trình học và tận
tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian thực
hiện luận văn này.

™

Quý thầy cô trong HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ đã
đóng góp những nhận xét chân thành cho kết quả đạt được của luận văn.

™

Quý thầy cơ trong Khoa Cơng Nghệ Hóa học và Dầu Khí, đặc biệt là q
thầy cơ trong Bộ mơn CN Hóa Hữu Cơ trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM đã
nhiệt tình giúp đỡ, tạo tất cả điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện tốt đề tài.

™

Quý thầy cô và cán bộ của Phòng Đào Tạo Sau Đại Học đã giúp đỡ tận tình
về vấn đề học vụ, thủ tục trong thời gian học.

™

Các bạn học viên cao học lớp Cơng Nghệ Hóa Học K2006 đã ln động
viên, giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận án.

™

Ban Giám đốc ITS SCIENCE & MEDICAL đã tạo mọi điều kiện thuận lợi,
hỗ trợ về tài chính cũng như về thời gian và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong
quá trình học tập và thực hiện luận văn.

™

Đăc biệt là mẹ, các anh chị em trong gia đình tôi, đã là chổ dựa vững chắc về

tinh thần cũng như vật chất, là nguồn động viên cho tôi rất nhiều trong quá
trình học tập và thực hiện luận văn. Mặc dù ba khơng cịn nữa nhưng niềm
tin và hy vọng của ba luôn là nguồn động viên to lớn đối với tôi.


TĨM TẮT
Curcumin là chất màu trích ly được từ củ nghệ vàng (Curcuma longa
L.)và được khẳng định là có nhiều dược tính q giá như tính kháng oxi hố, kháng
nấm, kháng khuẩn và kháng ung thư và các bệnh liên quan đến hệ miễn dịch. Các
dược tính này được xem là có liên quan mật thiết đến hoạt tính kháng oxi hóa của
curcumin. Tuy nhiên, do q trình chuyển hóa nhanh ở thành ruột nên curcumin khi
đưa vào cơ thể thì thể hiện hoạt tính yếu. Do đó, các nhà khoa học đang tìm kiếm
phương pháp nâng cao hoạt tính sinh học của curcumin bằng cách gắn thêm các nhóm
chức để tạo thành các dẫn xuất mới.
Hóa học tính tốn là phương pháp khá hữu hiệu để dự đoán nhanh và khá
chính xác hoạt tính kháng oxi hóa của các sản phẩm. Có 80% các hợp chất được dự
đốn là có hoạt tính tốt từ hóa tính tốn cho kết quả tốt khi thử nghiệm trên thực tế. Do
đó, phương pháp này đang được sử dụng ngày càng nhiều trong việc tìm kiếm và thiết
kế dược phẩm. Và việc nghiên cứu nâng cao hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin
vẫn đang trong q trình thử nghiệm, do đó. chúng tơi lựa chọn phương pháp này để
khảo sát nhằm đánh giá nhanh và đề xuất các hợp chất mới cho thực nghiệm cũng như
cơ chế kháng oxi hóa của chúng. Các hợp chất pyrazole, isoxazole, dẫn xuất OH của
curcumin, semicarbazone, curcuminoxime đều được dự đốn là cho hoạt tính kháng
oxi hóa tốt hơn curcumin. Cơ chế kháng oxi hóa của chúng có thể là HAT và SPLET.
Kết quả nghiên cứu cho thấy hợp chất một nửa của curcumin có thể được dùng làm mơ
hình để nghiên cứu phân tử curcumin và các dẫn xuất của nó để tiết kiệm thời gian mà
cơng suất của máy tính.


ABSTRACT

Curcumin is extracted from tumeric (Curcuma longa L.) which is proved to
have many pharmaceutical values such as anti-fungal, anti-bacteria, anti-cancer and
immune related diseases. These values are considered to have close relation to
antioxidant activity of curcumin. However, due to its rapid metabolism at the intestinal
wall, curcumin reveals low biological activity in body. Therefore, scientist community
is finding a way to increase its biological activity by binding more functional groups to
form new derivatives.
Computaional chemistry is a method to estimate fast and rather accurately
antioxidant activity of substances. It is proved that 80% of substances which have been
estimated to have good activity by computaion showed good activity in experiment.
Therefore, this method is being used more and more widely in screening and designing
drugs. The study to increase activity of curcumin is still in experimental step so we
choose computaional method to evaluate and propose new substances for further
experimental research. Here, we also estimate the antioxidant mechanism of curcumin
and its derivatives. Pyrazole, isoxazole, OH derivative of curcumin, semicarbazone,
curcuminoxime are predicted to have better antioxidant activity than curcumin. Their
probable antioxidant mechanism are HAT and SPLET. Results showed that hafl
curcumin molecule can be used as a model for further research on curcumin and its
derivative to save time and effort.


TĨM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên học viên: VÕ KIM PHỤNG
Ngày tháng năm sinh: 17 / 08/ 1982

Nơi sinh: TP. HCM

Điạ chỉ liên lạc: 72/486G Phan Huy Ích Phường 12, Quận Gị Vấp, TP HCM.
Q TRÌNH ĐÀO TẠO
• 2000-2005: Sinh viên trường Đại Học Bách Khoa TP HCM, Khoa Cơng

Nghệ Hóa Học và Dầu Khí- Chun ngành Cơng Nghệ Hóa Hữu Cơ.
• 2006-2009: Học viên Cao học chun ngành Cơng Nghệ Hóa Hữu cơTrường Đại Học Bách Khoa- Đại Học Quốc Gia TP HCM.
Q TRÌNH CƠNG TÁC
• 9/2005 - nay: Nhân viên công ty ITS SCIENCE & MEDICAL.
Địa chỉ: E 35, 40 Bà Huyện Thanh Quan P6, Q3, Tp. HCM


ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXI HĨA CỦA CURCUMIN VÀ MỘT
SỐ DẪN XUẤT CỦA CURCUMIN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
GVHD: TS. Phạm Thành Quân
Ths. Lê Thanh Hưng
HV: Võ Kim Phụng


MỤC LỤC
MỤC LỤC........................................................................................................................... 1
DANH MỤC BẢNG........................................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................ 5
TỪ VIẾT TẮT .................................................................................................................... 6
MỞ ĐẦU............................................................................................................................. 7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN................................................................................................ 9
1.1. CURCUMIN ............................................................................................................ 9
1.1.1. Giới thiệu về curcumin và curcuminoid.................................................................9
1.1.2. Tính chất vật lý của curcumin ................................................................................9
1.1.3. Tính chất hóa học .................................................................................................10
1.2. Các nghiên cứu về curcumin và các dẫn xuất của nó ............................................ 15
1.2.1. Nghiên cứu về cấu trúc.........................................................................................15
1.2.2. Hoạt tính sinh học của curcumin..........................................................................17
Tác giả Bharat [24] đã tổng kết các dược tính của curcumin và trình bày tóm tắt ở hình

sau:

17

1.2.3. Nghiên cứu thực nghiệm về hoạt tính chống oxy hóa của curcumin...................18
1.2.4. Q trình chuyển hố curcumin trong cơ thể .......................................................24
1.2.5. Các nghiên cứu so sánh hoạt tính kháng oxi hóa của các dẫn xuất của curcumin24
1.3. Nghiên cứu về cơ chế hoạt động chống oxy hóa ................................................... 24
1.3.1. Q trình oxi hóa lipid .........................................................................................24
1.3.2. Các điều kiện để một chất có thể được sử dụng làm chất chống oxy hóa. ..........25
1.3.3. Các cơ chế chống oxi hóa.....................................................................................26
1.4. Nội dung nghiên cứu.............................................................................................. 27
CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG OXI HỐ
........................................................................................................................................... 29
2.1. Phương pháp thực nghiệm ..................................................................................... 29
2.2. Phương pháp tính tốn ........................................................................................... 32
1


2.2.1. Phương trình Schrodinger [41, 42].......................................................................32
Ý nghĩa vật lý của hàm sóng: .........................................................................................33
2.2.2. Phương pháp Hartree-Fock ..................................................................................34
2.2.3. Phương pháp Lý Thuyết Hàm Mật Độ.................................................................37
2.2.4. Áp dụng phương pháp tính tốn trong nghiên cứu. .............................................39
2.2.5. Phương pháp tính tốn các đại lượng nhiệt động trong nghiên cứu ....................40
CHƯƠNG 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................................................ 46
3.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 46
3.2. Nội dung nghiên cứu:............................................................................................. 46
3.2.1. Lựa chọn phương pháp tính tốn..........................................................................46
3.2.2. Khảo sát hoạt tính kháng oxi hóa của gốc tự do curcumin và các dẫn xuất của nó.47

3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của hệ thống liên kết pi, của nhóm methoxy, của hệ thống
diketone lên hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin.......................................................48
3.2.4. Khảo sát nâng cao tính tan của curcumin bằng cách nghiên cứu bổ sung các
nhóm tăng độ tan trên mơ hình phân tử một nửa curcumin ...........................................48
3.2.5. Khảo sát khả năng phản ứng của curcumin và các dẫn xuất xảy ra theo các cơ
chế HAT, SET, SPLET. .................................................................................................49
3.2.6. Nghiên cứu hoạt tính kháng oxi hóa của phân tử một nửa curcumin và các dẫn
xuất của nó. Dự đốn hoạt tính chống oxy hóa của một số dẫn xuất mới .....................49
3.2.7. Dự đốn một số dẫn xuất mới vừa có hoạt tính kháng oxi hóa, vừa có độ tan tốt
trong nước.......................................................................................................................49
3.2.8. Dự đoán khả năng phản ứng của phân tử một nửa curcumin và các dẫn xuất xảy
ra theo các cơ chế HAT, SET, SPLET. ..........................................................................49
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN........................................................................ 50
4.1. Khảo sát khả năng định lượng độ bền các gốc tự do bằng HSD ........................... 50
4.1.1. Kết quả khảo sát độ bền của các gốc tự do hợp chất CX3 (Nhóm I - cấu trúc từ 1
đến 9) 51
2


4.1.2. Kết quả khảo sát độ bền các gốc tự do dẫn xuất của phenol (Nhóm 2 - cấu trúc từ
10 đến 16).......................................................................................................................51
4.2. Kết quả nghiên cứu về curcumin và các dẫn xuất của nó ...................................... 53
4.2.1. So sánh kết quả tính tốn với các kết quả đã tính trước, và các so sánh với thực
nghiệm ............................................................................................................................53
4.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của các nhóm chức lên hoạt tính kháng oxi hóa của
curcumin.........................................................................................................................57
4.2.3. Nghiên cứu hợp chất một nửa curcumin và các dẫn xuất của nó.........................63
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 70

3


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.So sánh tỷ lệ người mắc các bệnh ung thư ở Hoa Kỳ (Không sử dụng Curcumin)
và Ấn Độ (có sử dụng Curcumin)...................................................................... 21
Bảng 2.Tóm tắt đặc điểm các phương pháp đo hoạt tính kháng oxy hóa (*)
............................................................................................................................ 30
Bảng 3. Các dẫn xuất của curcumin được khảo sát ..................................................... 44
Bảng 4. Hợp chất một nửa của curcumin và các dẫn xuất sẽ được khảo sát ............... 46
Bảng 5.So sánh các giá trị năng lượng của các đồng phân của curcumin
............................................................................................................................ 53
Bảng 6.So sánh cấu trúc của curcumin và các giá trị tính tốn và thực nghiệm của Tsonko
M. Kolev năm 2004 ........................................................................................... 55
Bảng 7.So sánh năng lượng đứt liên kết O-H và C-H của curcumin
............................................................................................................................ 56
Bảng 8.Ảnh hưởng của nhóm methoxy lên hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin
............................................................................................................................ 57
Bảng 9.Khảo
sát
ảnh
hưởng
của
hệ
thống
liên
kết
pi
............................................................................................................................ 59

Bảng 10.Hằng số tốc độ phản ứng của curcumin và các gốc tự do
............................................................................................................................ 60
Bảng 11.Ảnh
hưởng
của
nhóm
β-diketone
............................................................................................................................ 61
Bảng 12.Dự đoán cơ chế phản ứng của curcumin và các dẫn xuất của chúng
............................................................................................................................ 63
Bảng 13.Hoạt tính kháng oxi hóa của hợp chất một nửa curcumin và dẫn xuất của nó
............................................................................................................................ 64
Bảng 14. Khảo sát cơ chế phản ứng của hợp chất một nửa curcumin và dẫn xuất của nó
............................................................................................................................ 66
Bảng 15.Khảo sát nâng cao độ tan trong nước của các dẫn xuất hợp chất 25
............................................................................................................................ 67

4


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.

Sự điện ly của curcumin ........................................................................... 10

Hình 2.

Phản ứng phân hủy của curcumin dưới tác dụng của ánh sáng................ 11

Hình 3.

Phản ứng hydro hóa của curcumin ........................................................... 12

Hình 4.

Cơ chế phản ứng imine hóa ...................................................................... 13

Hình 5.

Cơ chế ngăn ngừa ung thư của Curcumin ................................................ 20

Hình 6.

Giải thích khả năng kháng sự tăng sinh của Curcumin ............................ 23

Hình 7.

Dược tính của curcumin............................................................................ 17

Hình 8.

Sơ đồ các bước tính tốn cơ bản của Hóa tính tốn ................................. 39

Hình 9.

Mẫu file input tính tối ưu hóa cấu trúc ..................................................... 40

Hình 10.

Đọc kết quả năng lượng từ output............................................................ 42

Hình 11.

Kết quả HSD đọc ở file output................................................................. 45

Hình 12.

Cấu trúc khảo sát nhóm I và giá trị HSD của chúng................................ 51

Hình 13.

Cấu trúc khảo sát nhóm II và giá trị HSD của chúng............................... 52

5


TỪ VIẾT TẮT
CUR-I: phân tử trung hòa curcumin dạng enol.
CUR-I-R1: gốc tự do curcumin dạng enol, mất H ở nhóm phenolic.
CUR-I-R2: gốc tự do curcumin dạng enol, mất H ở nhóm CH2 giữa mạch của β-diketone.
CUR-I-R3: gốc tự do curcumin dạng enol, mất H ở nhóm OH enol.
CUR-II-N: demethoxycurcumin dạng enol.
CUR-II-R1: gốc tự do demethoxycurcumin dạng enol, mất H ở OH phenolic, bên nhánh
khơng có nhóm methoxy.
CUR-II-R2: gốc tự do demethoxycurcumin dạng enol, mất H ở OH phenolic, bên nhánh
có nhóm methoxy.
CUR-III-N: bisdemethoxycurcumin dạng enol.
CUR-III-R: gốc tự do bisdemethoxycurcumin dạng enol, mất H ở OH phenolic.
CUR-I-N-OH: dẫn xuất của curcumin sau khi thay nhóm methoxy bằng nhóm OH.
Cur-I-R-OH: gốc tự do dẫn xuất của curcumin sau khi thay nhóm methoxy bằng nhóm

OH, mất H ở nhóm OH phenolic.
THC-N1: dẫn xuất tetrahydro curcumin dạng enol .
THC –R1: tetrahydro curcumin dạng enol, gốc tự do tạo thành do mất H ở nhóm OH
phenolic.
THC –R2: tetrahydro curcumin dạng enol, gốc tự do tạo thành do mất H ở nhóm CH2
của beta diketone.
THC -N2: tetrahydro curcumin dạng trans-diketone.
THC –R3: gốc tự do dẫn xuất tetrahydro curcumin trans-diketone, mất H ở OH phenolic.
CURO: curcuminoxime.
CURO-R: gốc tự do curcuminoxime sau khi mất H ở nhóm OH phenolic.
PYRC: pyrazole curcumin.
PYRC-R: gốc tự do pyrazole curcumin sau khi mất H ở nhóm OH phenolic.
ISXC: isozaxole curcumin.
ISXC-R: gốc tự do isozaxole curcumin sau khi mất H ở nhóm OH phenolic.
CU1-N1-H: DHZ: phân tử ½ curcumin: mất H ở nhóm OH phenolic.
CU1-R1-H: DHZ: gốc tự do phân tử ½ curcumin: mất H ở nhóm OH phenolic.

6


MỞ ĐẦU
Con đường tìm kiếm hoạt chất mới cho cơng nghiệp dược phẩm tiêu tốn khoảng
20% doanh thu cho nghiên cứu và phát triển.Mặc dù tiên tốn nhiều kinh phí cho cơng tác
này nhưng số hoạt chất mới được tìm ra và đưa vào ứng dụng không nhiều. Khoảng 70100 chất vào thập niên 60, 60-70 chất vào thập niên 70, 50 chất vào thập niên 80 và giảm
xuống còn 40 chất trong thập niên 90. Thời gian nghiên cứu một hoạt chất mới tốn
khoảng 5 năm và 8 năm để thử nghiệm tính an tồn trong phịng thí nghiệm, 1 năm để
được FDA xét duyệt và 2 năm để thử nghiệm khẳng định tính an tồn trên thị trường.
Thời gian nghiên cứu tìm hoạt chất mới tiêu tốn khoảng 75% tồn bộ kinh phí và có tới
90% các chất tiềm năng không đưa được ra thị trường. Việc xác định cơ chế phản ứng và
cấu trúc các sản phẩm phản ứng là những vấn đề rất cơ bản và cần thiết trong giai đoạn

này.
Trong vài thập niên gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, việc
ứng dụng tin học trong hóa học ngày càng phát triển và đạt được những thành tựu to lớn.
Người ta đã nghiên cứu và xây dựng các phần mềm để tính tốn mơ phỏng và thiết kế
dược phẩm, lựa chọn thành phần dược phẩm để giúp nâng cao quy trình tìm kiếm thuốc
mới và giảm tỉ lệ thất bại. Hiện nay, hầu hết các công ty dược đều đầu tư cho phịng thí
nghiệm hóa học tính tốn để giúp họ tiết kiệm cơng sức, thời gian và chi phí cho giai
đoạn tìm kiếm chất mới.
Hóa học tính tốn (Computational Chemistry), một trong những ngành ứng dụng
Tin học vào Hóa học, đã có những đóng góp rất lớn cho sự phát triển của Hóa học hiện
đại, đặc biệt là trong Hóa Hữu Cơ. Với hóa học tính tốn, ta có thể xác định được cấu
trúc phân tử, các đồng phân bền của chất, các gốc tự do sinh ra, chất trung gian và các sản
phẩm phản ứng có thể có, đồng thời xác định được năng lượng tương đối giữa các chất
này. Từ đó, ta có thể xác định được tiến trình của phản ứng, dựa vào việc xác định con
đường phản ứng có chênh lệch năng lượng thấp nhất. Các kết quả của việc xây dựng bề
mặt thế năng đã được ứng dụng để giải thích và dự đốn cơ chế phản ứng, giải thích các
kết quả nhận được trong phương pháp phân tích khối phổ, để tính tốn hằng số tốc độ
phản ứng, giải thích và khẳng định các lý thuyết mới về liên kết hóa học trong Hóa học
hiện đại… Ngồi ra Hóa học Tính tốn cịn là một cơng cụ rất hiệu quả để tính các giá trị
hiệu ứng nhiệt tạo thành các chất, xác định các hằng số tốc độ phản ứng, xác định giá trị
năng lượng ion hóa, ái lực điện tử, thế hóa học, độ âm điện, độ cứng hóa học, độ mềm
hóa học,…
Các phương pháp sử dụng trong Hóa học Tính tốn đều có cơ sở lý thuyết chung
là Hóa Lượng Tử. Nguyên lý chung là dùng các phần mềm tính tốn để xác định cấu trúc
7


và năng lượng các chất, thông qua việc giải phương trình sóng Schrodinger HΨ = EΨ với
Ψ là hàm sóng phân tử, H là toán tử Hamilton và E là năng lượng của hệ. Có hai phương
pháp giải chính là phương pháp bán thực nghiệm (semi-empirical method) và phương

pháp ab initio. Phương pháp bán thực nghiệm sử dụng toán tử Hamilton đã đơn giản hóa
và dùng các thơng số rút ra từ thực nghiệm. Phương pháp ab initio sử dụng tốn tử
Hamilton ngun thủy và khơng dùng các thơng số thực nghiệm ngoại trừ các hằng số vật
lý cơ bản. Phương pháp ab initio bao gồm phương pháp MO (Molecular Orbital method)
trong đó nguồn thơng tin cơ bản về hệ dựa trên hàm sóng phân tử và phương pháp lý
thuyết hàm mật độ DFT ( density funtional theory) trên cơ sở mật độ điện tử của hệ.
Hiện nay, cộng đồng khoa học trên thế giới đang quan tâm nhiều đến phân tử
curcumin do khả năng trị liệu của nó. Qua nghiên cứu, các nhà khoa học nhận thấy rằng
hoạt chất curcumin trong nghệ có khả năng chữa trị và ngăn ngừa nhiều bệnh khác nhau
như: đau khớp, dạ dầy, tiểu đường và tim mạch, giảm cholesterol, kháng khuẩn, kháng
nấm… Curcumin cịn có khả năng “chặt đứt” một trong các mắt xích của q trình phát
triển của bệnh ung thư và HIV. Do đó, Curcumin được coi là chất tiêu biểu nhất cho thế
hệ các chất chống ung thư mới, vừa hiệu quả vừa an toàn. Theo khảo sát, các hoạt tính trị
liệu trên có liên quan phần nào đến hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin. Tuy nhiên, do
độ tan trong nước của curcumin kém cộng với quá trình chuyển hóa curcumin trong cơ
thể xảy ra nhanh làm cho hoạt tính trị liệu của curcumin bị giảm. Do đó, cộng đồng khoa
học tìm cách nâng cao hoạt tính trị liệu của curcumin bằng nhiều cách như tìm dẫn xuất
của curcumin, cải thiện tính tan của curcumin. Kết quả nghiên cứu cho thấy một số dẫn
xuất của curcumin đã cho kết quả trị liệu tốt như pyrazole, isoxazol curcumin,
hydrazinocurcumin [2,5,6,7,8]…
Đề tài của luận án là: nghiên cứu hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin và một
số dẫn xuất của curcumin bằng phương pháp tính tốn. Trong hướng này, đề tài dự
kiến sẽ tập trung nghiên cứu hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin và các dẫn xuất, giải
thích hoạt tính kháng oxi hóa của chúng, nghiên cứu cơ chế của phản ứng kháng oxi hóa.
Ngồi ra, đề tài cịn giới thiệu một phương pháp nghiên cứu hóa học mới là phương pháp
tính tốn, cho thấy được tiềm năng đóng góp của nó trong việc nghiên cứu.
MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Nghiên cứu hoạt tính kháng oxi hóa cuả Curcumin và các dẫn xuất của curcumin
nhằm tìm ra quy luật biến thiên của hoạt tính này khi các nhóm thế thay đổi.
Dự đốn được hoạt tính của một số dẫn xuất mới trước khi tiến hành điều chế và

nghiên cứu trên thực nghiệm.
8


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. CURCUMIN
1.1.1.Giới thiệu về curcumin và curcuminoid
Curcumin là chất màu được trích ra từ nghệ cây nghệ có tên Việt Nam là nghệ
vàng, tên khoa học là Curcuma longa L., thuộc họ gừng – Zingiberaceae. Củ nghệ chứa
tinh dầu (0.3 – 1.5%), chất màu curcumin (1.3 – 5.5%), tinh bột, nhựa và chất béo.
Dịch trích nghệ thường gồm một hỗn hợp ba chất được gọi là curcuminoid. Hỗn
hợp này gồm curcumin, demethoxycurcumin, bisdemethoxycurcumin. Với tỷ lệ phần
trăm tương ứng là 77, 17, 3 [1,2].
HO

OH

R1

R2
O

O

•

Curcumin (curcumin I): R1 = R2 = OMe, M =368.

•

Demethoxycurcumin (curcumin II): R1 = OMe R2 = H, M = 338

•

Bisdemethoxycurcumin (curcumin III): R1 = R2= H, M =308.
Cách chiết xuất curcumin từ hỗn hợp curcuminoid [2,3]

Bột curcuminoid được kết tinh lại trong metanol để loại bớt demethoxycurcumin
và bis-demethoxycurcumin. Sau đó, tiếp tục tách curcumin bằng sắc ký cột nhồi với dung
môi giải ly là diclometan.
1.1.2.Tính chất vật lý của curcumin
•

Curcumin có màu vàng cam, là tinh thể dạng bột, điểm chảy 184-185 oC [1,2,4].

•

Khơng tan trong nước, nhưng tan trong acetone, methanol, etanol, isopropanol và
dimethylsulfoxide [1,2,4].

•

Trong mơi trường trung tính dung dịch curcumin có màu vàng, mơi trường acid có
màu vàng ánh lục (vàng chanh), cho màu từ cam tới đỏ tím trong mơi trường kiềm
[1,2,4].

•

Màu của curcumin bền với nhiệt độ, khơng bền với ánh sáng và khi có sự hiện diện

của SO2 với nồng độ ≥ 10 ppm [1,2,4].

•

Dung dịch curcumin trong dung mơi hữu cơ có độ hấp thu cực đại ở bước sóng
khoảng từ 420 – 430 nm [1,2,4].
9


1.1.3.Tính chất hóa học
a. Sự điện ly của Curcumin [1,2,4].
•

Curcumin là chất màu tan trong chất béo, ethanol, methanol, dichloromethane,
acetone, acetic acid băng và hầu như không tan trong nước ở mơi trường acid hay
trung tính (độ tan <10µg/ml ở 25oC). Sự điện ly của curcumin trong dung dịch như
sau:

• Ở pH <1, dung dịch có màu đỏ và curcumin tồn tại ở dạng proton hố (H4A+).
• Ở pH 1-7, hầu hết curcumin chuyển thành dạng trung hoà (H3A). Độ tan của
curcumin trong khoảng pH này rất thấp và dung dịch có màu vàng. Giá trị pH của
máu là trong mạch máu có giá trị trong khoảng 7.35-7.5 nên curcumin tan rất ít. Do
đó, vấn đề về độ tan của curcumin cần được quan tâm giải quyết.
• Ở pH>7.5, màu dung dịch chuyển thành màu đỏ. Trị số pKa để phân ly curcumin
thành các dạng H2A-, HA2- và A3- được xác định tương ứng là 7.8, 8.5 và 9.0.

Hình 1. Sự điện ly của curcumin

10

b. Phản ứng phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng [1,2].
Curcumin bị huỷ mạnh dưới tác dụng của ánh sáng vì ánh sáng kích thích phản
ứng tạo vịng. curcumin ở dạng rắn bị hủy bởi ánh sáng nhanh hơn cả khi ở dạng dung
dịch.
O

OH

O

hν

Ar

O

Ar

Ar

Ar

O

O

Ar

Ar

H3CO
O

HO
O

Ar

HO

H3CO

H3CO

H3CO

-H
O
H
O

O

HO

OH

HO
O

O

Ar

Ar

Ar

Hình 2. Phản ứng phân hủy của curcumin dưới tác dụng của ánh sáng
- Khi có mặt oxy và ánh sáng, curcumin phân huỷ tạo thành 4-vinylguaialcol và
vanillin.
CH=CH2

HO

+

OH

OMe

h

OMe
O
H

CHO

OH

OCH3
OH

OCH3
OH

+CH3-CO-CH3 + CO2

Do đó, curcumin phải được bảo quản trong tối. Nếu dùng curcumin để tổng hợp
thì phải có lớp chắn để bảo vệ curcumin khỏi ánh sáng.
11


c. Phản ứng phân huỷ trong môi trường kiềm [1,2]
Curcumin dễ dàng bị phân hủy trong môi trường kiềm dưới tác dụng của nhiệt độ
tạo thành ferulic acid và feruoyl metan.
HO

OH

OMe

-OH, T0

CH=CHCOOH
+

OMe

O
H

CH=CHCOCH3

OCH3

O

OH

Ferulic acid

OCH3
OH

Feruoyl metan.

Do đó, nếu sử dụng curcumin để tổng hợp các dẫn xuất thì phải dùng đệm để tạo
môi trường acid nhằm tránh sự phân hủy này.
d. Phản ứng hydro hóa [1,2]
Curcumin có thể phản ứng với 1, 2 hoặc 3 phân tử H2 tạo thành các dẫn xuất
dihydrocurcumin, tetrahydrocurcumin và hexahydrocurcumin tương ứng và các sản phẩm
này cũng là các chất kháng oxy hố.

Hình 3. Phản ứng hydro hóa của curcumin

12

e. Phản ứng imine hoá [2,5,6,7]
Curcumin là hợp chất diketone nên có thể tác dụng với các amin bậc nhất (RNH2),
hydroxylamine (NH2OH), hydrazine (NH2-NH2), semicarbazide (NH2NHCONH2) … để
tạo thành các dẫn xuất imine (base Schiff) hoặc dẫn xuất imine tương ứng với cơ chế như
sau:

Hình 4.

Cơ chế phản ứng imine hóa

Giai đoạn đầu của phản ứng là sự tấn cơng của đôi điện tử tự do trên nguyên tử
nitrogen của amine vào nguyên tử carbon mang một phần điện tích dương của nhóm
carbonyl. Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân, hình thành hợp chất trung gian
chứa đồng thời hai nhóm chức anion alkoxide và cation ammonium. Hợp chất trung gian
này chuyển hoá nhanh thành sản phẩm trung gian bền hơn là carbinolamin. Phản ứng này
cần một lượng nhỏ acid làm xúc tác, giúp cho cân bằng chuyển dịch về phía tách nước từ
hợp chất trung gian carbinolamine, sinh ra dạng proton hoá của imine hoặc các dẫn xuất
của imine. Cuối cùng là giai đoạn tách proton, hình thành sản phẩm là imine hoặc các dẫn
xuất của imine.
Trong cơ chế của phản ứng imine hoá, pH của mơi trường đóng vai trị quan trọng.
Nếu mơi trường phản ứng q acid, tồn bộ amine bị proton hố. Các amine bị proton
hố khơng có tính ái nhân nên chúng khơng phản ứng với các nhóm ketone. Ngược lại,
giảm mơi trường acid sẽ làm giảm quá trình tách nước tạo imine. Điều kiện pH thích hợp
cho phản ứng imine hố là khoảng pH~4.5 [2]
Curcumin cũng là hợp chất β-diketone nên ngoài khả năng tạo các imine và dẫn
xuất imine, curcumin cịn có thể tạo các hợp chất dị vịng khác nhau [2]. Hiện nay có một
số nghiên cứu tổng hợp các hợp chất dị vòng của curcumin như dị vòng pyrazole,
13

isoxazole curcumin. Cơ chế của các phản ứng này tương tự như phản ứng imine hố
thơng thường.

f. Phản ứng tạo phức với kim loại [8].
Curcumin với cấu trúc diketon trong mơi trường acid hay trung tính nằm dưới
dạng hỗ biến keton-enol đối xứng và ổn định, làm cho curcumin có khả năng tạo phức
với nhiều ion kim loại khác nhau như: Zn2+ , Sn2+, Al3+, Cu2+, Ni2+, Fe2+...Đây là một
phản ứng đặc trưng của curcumin.
O
Ar

Ar

Ar
OH

O

O
Zn
O
O

Ar + ZnCl2
Ar

2-

Cl2
Ar

Phức kim loại bao gồm ion kim loại trung tâm liên kết với các phân tử khác bằng
liên kết cộng hóa trị. Các ion kim loại nhận các cặp electron từ nguyên tử oxy của phân
tử curcumin để tạo phức. Phức curcumin-kim loại không bền với nhiệt độ cao và khi tiếp
xúc với ánh sáng trong thời gian dài. Một ion kim loại có thể tạo phức với một hay nhiều
phân tử curcumin.
Các ion kim loại khi liên kết với phân tử curcumin sẽ làm thay đổi sự phân bố các
electron trong phân tử curcumin, do đó làm thay đổi sự hấp thu tia sáng của curcumin.
Kết quả là phức cuả ion kim loại và curcumin sẽ có nhiều màu sắc khác nhau phụ thuộc
vào nồng độ kim loại.
14


1.2. Các nghiên cứu về curcumin và các dẫn xuất của nó
1.2.1. Nghiên cứu về cấu trúc
Curcumin có cấu trúc như sau:
HO

OH

H3CO

OCH3
O

O

Và hoạt tính kháng oxi hố của curcumin được cho là do sự đóng góp của các
nhóm chức: nhóm phenolic hydroxyl, nhóm metylen của diketon, nhóm methoxy và hệ
thống pi liên hợp. Tuy nhiên, xung quanh vấn đề này vẫn còn nhiều ý kiến trái ngược

nhau:
Tonnesen và cộng sự [9] năm 1992 phát hiện ra các dẫn xuất của curcumin thiếu
cả hai nhóm phenolic và methoxy cũng có hoạt tính quét các gốc tự do hydroxyl tốt.
Gorman [10] năm 1994, Priyadarsini [11] năm 1997, Khopde [12] năm 1999,
Kapoor [13] năm 2001 bằng phương pháp phân ly do xung phóng xạ (pulse radiolysis) và
các phương pháp sinh hóa khác đã cho rằng hoạt tính chống oxi hóa của curcumin có
được là do nhóm OH phenolic.
Priyadarsini năm 1997 [11] cho biết khi thay nhóm OH của curcumin thành OCH3
thì dẫn xuất tạo thành có khả năng bắt gốc tự do DPPH chậm hơn 1800 lần so với
curcumin.
James Wright [14] năm 2002 bằng phương pháp tính tốn dựa trên lý thuyết hàm
mật độ cho rằng hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin có được là do nhóm OH phenolic
và CH của nhóm β-diketone.
Sreejayan và Rao [15] năm 1996 cho rằng nhóm phenolic quyết định hoạt tính
kháng oxi hóa và sự hiện diện của nhóm methoxy giúp nâng cao hoạt tính này.
Barclay và cộng sự [16] năm 2000 sau khi theo dõi sự ức chế q trình oxi hóa
styrene của 1 số dẫn xuất curumin đã giả thuyết rằng nguyên tử H từ nhóm OH cuả
phenolic liên quan đến hoạt tính chống oxi hóa. Sau khi khảo sát hằng số tốc độ các phản
ứng của curcumin, phân tử một nửa curcumin DHZ và 2-methoxy-4methylphenol với
polyperoxystyreneperoxyl tác giả đã cho biết hằng hai nửa của curcumin phản ứng độc
lập với các gốc tự do pyroxyl và hệ thống β-diketone khơng có vai trị gì trong hoạt tính
kháng oxi hố của curcumin.
Jovanoic và cộng sự [17,18] năm 1999 và năm 2001 chỉ ra rằng việc tách H từ
nhóm CH2 liên quan đến hoạt tính chống oxi hóa đặc biệt của curcumin.
15


Osawa T.Sugiyama và các cộng sự [19] cho biết tetrahydro curcumin có hoạt tính
kháng oxi hố mạnh hơn curcumin và q trình hydrogen hố đã làm tăng hoạt tính
kháng oxi hố của curcumin. Do đó, sự ảnh hưởng của hệ thống liên kết pi liên hợp lên

hoạt tính kháng oxi hoá của curcumin vẫn chưa rõ ràng.
Với cấu trúc phân tử như trên, curcumin có 3 đồng phân hình học được đề nghị
như sau[1,4,14]:

Trong 3 đồng phân trên thì đồng phân trans – keto ít bị cản trở khơng gian nhất và
tương tác giữa 2 nhóm thế phenyl yếu nhất (do xa nhau nhất), giúp cho thế năng đồng
phân này thấp hơn hai đồng phân còn lại, và đồng phân cis – keto có thế năng cao nhất.
Cis-keto của curcumin khơng tồn tại trong pha khí khi khảo sát bằng phương pháp tính
tốn bán thực nghiệm AM1 và giá trị năng lượng nhỏ nhất của đồng phân này khảo sát
được bằng phương pháp tính tốn sử dụng lý thuyết hàm mật độ B3LYP với basis set 631G* [14]. Do đó, James Wright [14] năm 2002 cho rằng curcumin không tồn tại ở dạng
cis-diketone.
Curcumin tồn tại dưới dạng cân bằng enol – ketone.

Cả hai cấu trúc trên đều có hoạt tính kháng oxi hoá, quét gốc tự do.
Xung quanh vấn đề đồng phân bền giữa hai dạng enol và β-diketone, vẫn còn
nhiều điều chưa rõ ràng.
Tonnesen [20] năm 1995 cho biết curcumin tồn tại ở dạng cis-enol trong dung
dịch. Một lần nữa, vào năm 2004, Tsonko và cộng sự [21] đã cho biết curcumin bền ở
dạng enol hơn so với dạng cis β-diketone. Và khi nghiên cứu curcumin ở dạng rắn lẫn
16


dung dịch curcumin trong các dung môi khác nhau, tác giả nhận thấy, curcumin chỉ tồn
tại ở dạng enol, ngay cả đối với dung môi không phân cực CCl4.
Liangshen [22] năm 2006 cho biết curcumin tồn tại ở dạng enol nhiều hơn trong
thực tế.
Venugopal và các cộng sự [23] đã cho biết curcumin tồn tại và bền ở dạng enol
nhiều hơn so với dạng diketone.
Do đó, chúng tơi sẽ khảo sát lại các đồng phân cis, trans β-diketone, và enol để
xem sự đóng góp của các đồng phân cho hoạt tính kháng oxi hóa của curcumin.

1.2.2.Hoạt tính sinh học của curcumin
Tác giả Bharat [24] đã tổng kết các dược tính của curcumin và trình bày tóm tắt ở
hình sau:
Kháng viêm

Chống tạo mạch

Chống oxi

Chữa bệnh ung

Giảm khả năng bị ung thư
da, gan, ruột kết, bao tử

Ngăn ngừa thẹo

Đục thủy tinh

Làm lành vết thương

Giảm tổn thương
Giảm tác dụng
phụ của thuốc

Bệnh đái
đường

Bệnh viêm

Bênh đa xơ

Curcumin

Bệnh Alzheimer

Chứng xơ hố

Điều trị HIV

Kích thích tái

Rối loạn do
nhiễm trùng

ắ
Sỏi mật

Chống hiện tượng
kháng thuốc
Ức chế miễn dịch

Chứng viêm khớp

Các tổn hại về
cơ tim

Bệnh tim mạch

Hình 5. Dược tính của curcumin

17

Ức chế mạch
Làm phẳng tế bào cơ