Ái lực proton của D-Glucosamine và các dẫn xuất - Nguyễn Hữu Thọ

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 4(29) - Thaùng 6/2015 44 Ái lực proton của D-Glucosamine và các dẫn xuất Proton affinity values for Glucosamine and some of its derivatives TS. Nguyễn Hữu Thọ Trường Đại học Sài Gòn Ph.D. Nguyen Huu Tho Sai Gon University Tóm tắt D-glucosamine, 2-amino-2-deoxy-D-glucose, là một loại đường đơn chứa nhóm amino có trong thành phần cơ bản của mucopolysaccharides và chitin. D-glucosamine được sử dụng rộng rãi làm thuốc chống viêm khớp. Cấu trúc hình học tối ưu và ái lực proton của D-/-glucosamine và các dẫn xuất bao gồm: 3-deoxi glucosamine (3-deoxy-GlcN), glucosamine-6- phosphate (GlcN-6P), glucosamine-4-phosphate (GlcN-4P), glucosamine-1- phosphate (GlcN-1P) và dimer glucosamine (GlcN)2 được nghiên cứu bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ và phương pháp tương quan - hồi qui tuyến tính bình phương tối thiểu. Giá trị ái lực proton tính toán được lần lượt là 224,46; 227,95; 232,27; 229,11; 229,49; 231,97 và 232,54 kcal/mol. Tính chất phổ IR của (GlcN)2 cũng được phân tích. Từ khóa: ái lực proton, glucosamine, lý thuyết hàm mật độ Abstract D-glucosamine, 2-amino-2-deoxy-D-glucose, is an amino monosaccharide, which is an essential component of mucopolysaccharides and chitin. D-glucosamine is widely used to treat the osteoarthritis. The optimized geometrical structures and proton affinities of D-/-glucosamine and some of its derivatives including: 3-deoxy glucosamine, glucosamine-6- phosphate, glucosamine-4- phosphate, glucosamine-1- phosphate and dimer glucosamine were studied using the density functional theory and the method of least squares linear regression and correlation. The corresponding values of proton affinities respectively are 224.46, 227.95, 232.27, 229.11, 229.49, 231.97 and 232.54 kcal/mol. The property IR spectroscopy of (GlcN)2 was analysed also. Keywords: proton affinity, glucosamine, density function theory 1. Mở đầu Hợp chất 2-amino-2-deoxy-D-glucose, tên thường gọi là D-glucosamine, có trong thành phần của vỏ các loài giáp xác, xương động vật, được sử dụng nhiều trong y học. D-glucosamine tham gia vào các quá trình sinh lý, hóa trong cơ thể người, là nguyên liệu chủ yếu để tổng hợp các chất nhờn và sụn ở các khớp của cơ thể. Khi các khớp trong cơ thể bị tổn thương, nó là nguyên liệu cho cơ thể sản xuất các chất cần thiết như collagen, proteoglycan và glucosaminoglycan để phục hồi sụn khớp và tái cung cấp chất nhờn giúp các khớp linh động trở lại [1, 2, 13]. Dẫn xuất GlcN- 6-P được tạo ra trong phản ứng xúc tác enzim của hexose photphat với glutamine và từ glucosamine với ATP (Adenosine triphosphate). Dẫn xuất GlcN-1P lại có thể được tạo ra từ GlcN-6P với phosphoglucomutase. 45 Trong lipit A chứa 20% D-glucosamine, photpho 2% (ở dạng este photphat) và 60% axit béo. Khi thủy phân không hoàn toàn lipit A, GlcN-4P được giải phóng [16, 17]. Dạng dimer glucosamine có thể điều chế từ chitosan bằng phương pháp chiếu xạ trong dung dịch axit axetic 2% bằng tia gamma Co-60 [18]. D-glucosamine và các dẫn xuất của nó tham gia nhiều vào các quá trình sinh hóa của cơ thể. Phản ứng kết hợp proton là một trong những phản ứng quan trọng nhất của sinh hóa [3,4,5]. Quá trình kết hợp hay giải phóng proton thường là bước đầu tiên trong nhiều phản ứng cơ bản của các enzim [6]. Một trong những đại lượng quan trọng dùng để xét khả năng của một phân tử trong pha khí khi nhận proton là giá trị âm của biến thiên năng lượng tự do và ái lực proton. Cho đến nay các thông tin số liệu về ái lực proton, cấu trúc hình học, của D- glucosamine và các dẫn xuất chưa được thông tin nhiều, cả trên các trang của NIST (National Institute of Standards and Technology). Việc xác định ái lực proton bằng thực nghiệm không phải bao giờ cũng dễ dàng [7]. Trong bài báo này chúng tôi đề cập đến kết quả tính ái lực proton của D-glucosamin và 5 dẫn xuất: GlcN-6P, GlcN-4P, GlcN-1P, 3-deoxy-GlcN và (GlcN)2 thông qua việc tối ưu cấu trúc hình học bằng phương pháp hóa học lượng tử. Tính chất phổ IR của (GlcN)2 cũng được dự đoán, phân tích, so sánh với kết quả thực nghiệm của chitosan. 2. Phương pháp tính toán Tất cả các cấu trúc được tối ưu hình học và tính năng lượng, thông số nhiệt động theo phương pháp phiếm hàm mật độ lai hóa ba thông số B3LYP với cùng bộ cơ sở là 6-31+G(d,p). Có 8/15 phân tử có kích thước nhỏ được xử lý bằng phương pháp bộ cơ sở đầy đủ CBS-QB3 có độ chính xác cao. Các tính toán được thực hiện trên phần mềm GAUSSIAN-03 [8]. Giá trị ái lực proton được tính theo lý thuyết sẽ so sánh với kết quả thực nghiệm để từ đó dùng phương pháp toán học tương quan - hồi qui bình phương tối thiểu tuyến tính để đưa ra giá trị ái lực proton phù hợp với thực nghiệm nhất. Hệ số điều chỉnh để tính các thông số nhiệt động cũng như đối với tần số dao động theo phương pháp B3LYP/6- 31+G(d,p) là 0,96 [9, 10, 11]. Ái lực proton của một chất M, kí hiệu là PA, được xác định là giá trị âm của biến thiên entanpi của phản ứng M + H+ → MH + tại 298,15K; 1 atm ứng với 1 mol chất M [12]. Ái lực proton PA có thể được tính qua biểu thức: PA = -E +5/2RT với E = Etot(MH + ) - Etot(M). Năng lượng Etot là tổng năng lượng điểm đơn với sự hiệu chỉnh entanpi ở 298,15K. Kết quả tính ái lực proton tại nguyên tử N cho dãy các hợp chất chứa nhóm chức amin theo các phương pháp B3LYP/6-31+G(d,p), CBS- Q3 và tương quan – hồi qui tuyến tính bình phương tối thiểu được trình bày ở bảng 2. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Cấu trúc hình học Cấu trúc hình học của GlcN và các dẫn xuất được thiết lập theo phương pháp B3LYP/6-31+G(d,p) ở hình 1. GlcN tồn tại 2 dạng mạch vòng là D--GlcN và D-- GlcN. Theo kết quả tính của dạng D-- GlcN có năng lượng tương quan thấp hơn chỉ khoảng 0,91 kcal/mol so với dạng D-- GlcN. Độ dài liên kết của 2 đồng phân này không có sự khác biệt lớn. Biến đổi đáng kể nhất là độ dài liên kết C(1)-O(1) cũng chỉ khoảng 0,02 Å. Trong 3 dạng glucosamine-phosphate được khảo sát thì GlcN-4P có năng lượng tương quan thấp nhất. GlcN-6P cao hơn không đáng kể, chỉ khoảng 0,83 kcal/mol nhưng GlcN-1P cao hơn đến 6,84 kcal/mol. Độ dài các liên kết C-N và N-H trong GlcN-4P và GlcN-6P gần như bằng nhau. Sự có mặt của nhóm -H2PO4 tại C(1) là tương đối gần nguyên tử N ở GlcN-1P nên 46 đã tác động đến độ dài các liên kết C-N và N-H. Cụ thể, các liên kết C-N và N-H đều bị rút ngắn lại ở GlcN-1P so với 2 cấu trúc GlcN-4P và GlcN-6P có nhóm -H2PO4 ở xa nguyên tử N hơn. Độ dài liên kết C-N ở GlcN-1P là 1,453 Å. Đây là liên kết C-N có độ dài ngắn nhất trong tất cả các cấu trúc được khảo sát. Điều này có thể là do nhóm -H2PO4 ở GlcN-1P gần nguyên tử N gây hiệu ứng –I mạnh hơn làm giảm độ dài liên kết nhiều hơn. Trong phân tử (GlcN)2 tồn tại 2 liên kết hiđro tương tự chitosan, kết quả phân tích phổ IR ở phần sau cũng minh chứng điều này. Độ dài kiên kết hiđro NH-O (1,950 Å) lớn hơn OH-O (1,923 Å). Trong khi các liên kết cộng hóa trị O-H của (GlcN)2 đều có độ dài liên kết nhỏ hơn 0,973 Å thì 2 liên kết O-H có liên kết hiđro lại có độ dài bị kéo ra, ở O’(3)-H là 0,973 Å và ở O’(6)-H là 0,982 Å. 47 Hình 1. Cấu trúc hình học của D-GlcN và các dẫn xuất (độ dài liên kết Å) 3.2. Phổ IR của (GlcN)2 Phân tử (GlcN)2 có 47 nguyên tử, thuộc nhóm điểm đối xứng C1, vì vậy phân tử này sẽ có 135 dao động được trải dài trong phạm vi từ 21 cm-1 đến 3680 cm-1. Tần số của các dao động này được chia thành 3 vùng rõ rệt: dưới 1602 cm-1, từ 2832-2994 cm -1 và từ 3349-3680 cm-1. Do số dao động quá nhiều nên bảng 1 chỉ thể hiện kết quả tính tần số cho một số nhóm 48 dao động có cường độ lớn hay đặc trưng. Giản đồ phổ IR tính theo lý thuyết của (GlcN)2 và theo thực nghiệm của chitosan được biểu diễn trên hình 2. Vì (GlcN)2 là một dạng của oligosaccarit và chitosan là polisaccarit đều được tạo từ mắt xích glucosamine nên chúng tôi đã sử dụng kết quả thực nghiệm phổ IR của chitosan để so sánh với kết quả tính lý thuyết. Tần số dao động hóa trị thông thường của nhóm O-H tự do là 3200-3700 cm-1 [15]. Các giá trị tần số dao động của nhóm O-H chúng tôi đã tính đều nằm trong phạm vi này. Trong cấu trúc (GlcN)2, dao động hóa trị của 2 nhóm O-H có tần số nhỏ nhất nhưng cường độ lớn nhất lần lượt là 3372 và 3543 cm -1, khá tương đồng so với dao động hóa trị O-H của chitosan (3429 cm-1) [14], đây đều là dao động của những nhóm O-H có liên kết hiđro. Khi có sự tạo thành liên kết hiđro, giá trị tần số dao động hóa trị của các nhóm O-H giảm khá mạnh [15], dao động hóa trị của các nhóm O-H khác không có liên kết hiđro đều có tần số lớn hơn và biến đổi từ 3581-3680 cm-1. Như vậy, liên kết hiđro đã làm giảm giá trị tần số ít nhất là 38 cm-1. Các dao động hóa trị của nhóm N-H đều có cường độ rất yếu, lại có tần số gần với tần số nhóm O-H, chính vì vậy chúng hầu như không thể hiện trên các kết quả thực nghiệm của các hợp chất có nhóm O-H bởi sự che phủ mạnh của nhóm này. Ở đây, chúng tôi xác định được các dao động này biến đổi trong khoảng 3349-3461 cm-1. Dao động hóa trị C-H ở (GlcN)2 biến đổi trong khoảng 2832-2994 cm-1. Dao động hóa trị C-H có cường độ lớn nhất là của nguyên tử cacbon số 2 có giá trị 2963 cm -1 . Theo thực nghiệm, dao động hóa trị C-H trong chitosan là 2867-2921 cm -1 [14]. Bảng 1: Giá trị tần số dao động của một số nhóm trong (GlcN)2 STT Tần số Cường độ IR Ký hiệu STT Tần số Cường độ IR Ký hiệu 1 834 155 H-N-H 21 2860 24 C-H 2 864 13 H-C-H 22 2862 38 H-C-H đx* 3 878 10 H-C-H 23 2864 57 C-H 4 907 198 H-N-H 24 2887 50 C-H 5 1009 116 C-O 25 2889 26 C-H 6 1019 156 C-O 26 2909 79 C-H 7 1033 253 C-O 27 2933 29 H-C-H đx 8 1052 162 C-O 28 2963 934 C2-H 9 1062 177 C-C 29 2969 41 H-C-H kđx 10 1069 186 C-C 30 2994 16 H-C-H kđx 11 1117 62 C-O 31 3349 31 H-N-H đx 12 1163 135 C-O 32 3372 732 O-H 13 1385 13 C-H 33 3375 2 H-N-H đx 14 1405 15 C-H 34 3436 14 H-N-H kđx 15 1443 3 H-C-H 35 3461 11 H-N-H kđx 16 1451 3 H-C-H 36 3543 428 O-H 17 1580 51 H-N-H 37 3581 168 O-H 18 1602 41 H-N-H 38 3646 61 O-H 19 2832 7 C-H 39 3667 47 O-H 20 2841 37 C-H 40 3680 52 O-H *đx: đối xứng kđx: không đối xứng 49 Dao động biến dạng của các nhóm N- H chúng tôi tính được là 1580 và 1602 cm 1 . Nguyên tử N’(2) tham gia vào liên kết hiđro thì dao động biến dạng N-H của nó có tần số nhỏ hơn và cường độ lớn hơn. Giá trị thực nghiệm của nhóm này ở chitosan là 1592 cm -1 . Dao động biến dạng C-H ở nhóm – CH2 chúng tôi tính được là 1443-1451 cm 1 . Trong chitosan là 1380-1485 cm -1 . Dao động hóa trị của nhóm C-O trong ancol hấp thụ trong vùng 1000-1200 cm-1 [15]. Trong (GlcN)2, dao động hóa trị của các nhóm C-O biến đổi từ 1009–1163 cm1. Trong đó, nguyên tử C(5) có cường độ dao động hóa trị của nhóm C-O là lớn nhất, tần số dao động của nhóm này là 1033 cm1. Giá trị này ở chitosan theo thực nghiệm là 1035 cm -1 . Các kết quả tính lý thuyết bằng phương pháp phiếm hàm mật độ phổ dao động IR của chúng tôi cho (GlcN)2 là rất tương đồng với kết quả thực nghiệm của chitosan. Hình 2. Phổ IR của chitosan (a) và (GlcN)2 (b) 4. Ái lực proton Dãy các hợp chất được chúng tôi khảo sát ái lực proton đều có chứa nhóm chức amin trong phân tử. Tại nguyên tử N của các hợp chất này còn cặp electron không liên kết nên chúng thể hiện tính bazơ. Giá trị ái lực proton được tính tại nguyên tử N ở bảng 2 cho thấy kết quả tính bằng phương pháp bộ cơ sở đầy đủ CBS-QB3 là rất tốt, có sự sai khác rất ít với thực nghiệm. Sai số lớn nhất của phương pháp này so với thực nghiệm chỉ là 0,63 50 kcal/mol. Tuy nhiên, việc dùng phương pháp này để tính cho GlcN và các dẫn xuất là không khả thi, rất tốn kém về thời gian. Để khắc phục khó khăn này chúng tôi buộc phải sử dụng phương pháp B3LYP/6- 31+G(d,p). Kết quả tính giá trị ái lực proton theo phương pháp này thường thấp hơn thực nghiệm khoảng vài kcal/mol. Nhằm giảm thiểu những sai số này chúng tôi dùng phương pháp tương quan-hồi qui tuyến tính bình phương tối thiểu. Hệ số xác định bội R2= 0,9906, rất gần với 1 chứng tỏ phép hồi qui là đáng tin cậy. Bảng 2: Giá trị PA tính theo kcal/mol của các cấu trúc STT Cấu trúc PAB3LYP PACBS-Q3 PAExp [12] PAhồi qui 1 NH3 201,92 204,17 204,02 2 CH3NH2 212,65 214,96 214,87 3 C2H5NH2 216,08 217,98 217,97 4 (CH3)2NH 219,44 221,92 222,16 5 (CH3)3N 223,53 226,24 226,79 6 cyc-C3H5-NH2 214,85 216,86 216,23 7 cyc-C6H11-NH2 221,56 223,05 223,33 8 C6H5NH2 207,58 210,45 210,92 9 D--GlcN 222,10 224,46 10 D--GlcN 225,58 227,95 11 3-deoxy-GlcN 229,88 232,27 12 GlcN-6P 226,73 229,11 13 GlcN-4P 227,11 229,49 14 GlcN-1P 229,58 231,97 15 (GlcN)2 230,15 232,54 Khi có mặt gốc hiđrocacbon dù no hay thơm đều làm ái lực proton tăng lên rõ rệt so với NH3. Ái lực proton của D--GlcN nhỏ hơn D--GlcN khoảng 3,49 kcal/mol. Với các glucosamine-phosphate thì ái lực proton của GlcN-4P và GlcN-4P là tương đương và đều nhỏ hơn GlcN-1P (231,97 kcal/mol). Điều này có thể là do hiệu ứng cảm ứng –I gây ra từ nhóm –H2PO4 ở gần làm liên kết C-N ở GlcN-1P ngắn hơn, ái lực proton của nguyên tử N tăng nhẹ. Hình 3. Đồ thị biểu diễn tương quan- hồi qui tuyến tính 51 5. Kết luận Cấu trúc hình học và ái lực proton của D-glucosamine dạng  và  cùng với 5 dẫn xuất khác đã được xác định. Phân tử (GlcN)2 có 2 kiểu liên kết hiđro tương tự chitosan. Phương pháp bộ cơ sở đầy đủ CBS-QB3 tỏ ra hữu hiệu để tính ái lực proton cho các phân tử nhỏ. Ái lực proton của các dẫn xuất đều lớn hơn của D- glucosamine. Ái lực proton của GlcN-1P là lớn nhất trong số các glucosamine- phosphate được khảo sát. Tần số dao động phổ IR của (GlcN)2 được tính có sự tương đồng với kết quả thưc nghiệm của chitosan. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Jean-Louis Bresson, Albert Flynn, Marina Heinonen, Karin Hulshof, Hannu Korhonen, Pagona Lagiou, Martinus Løvik, Rosangela Marchelli, Ambroise Martin, Bevan Moseley, Hildegard Przyrembel, Seppo Salminen, John (Sean) J Strain, Stephan Strobel, Inge Tetens, Henk van den Berg, Hendrik van Loveren and Hans Verhagen (2009), “Opinion of the safety of glucosamine hydrochloride from Aspergillus niger as food ingredient”, The EFSA Journal, 1099, 1–19. 2. Trần Thái Hòa (2005), “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình deacetyl và cắt mạch chitin để điều chế glucosamine”, Tạp chí khoa học Đại học Huế, Số 27, 87-92 3. R. Stewart (1985), “The Proton: Appellation to Organic Chemistry”, Academic Press, New York. 4. J. Zhao, R. Zhang (2004), “Proton transfer reaction rate constants between hydronium ion (H3O + ) andvolatile organic compounds”, Atmospheric Environment, 38, 2177–2185. 5. Gerhard Raabe, YuekuiWang, and Jörg Fleischhauer (2000), Zeitschrift fur Naturforschung, 55a, 687–694. 6. Kevin Range, Demian Riccardi, Qiang Cui, Marcus Elstner and Darrin M. York (2005), “Benchmark calculations of proton affinities and gas phase basicities of molecules important in the study of biological phosphoryl transfer”, Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 7, issue 16, 3070-3079. 7. D.A. Dixon, S.G. Lias (1987), “Molecular Structure and Energetics, Vol. 2, Physical Measurements”, edited by J.F. Liebman, A. Greenberg. 8. M. Alecu, Jingjing Zheng, Yan Zhao and Donald G. Truhlar (2010), “Computational Thermochemistry: Scale Factor Databases and Scale Factors for Vibrational Frequencies Obtained from Electronic Model Chemistries”, J. Chem. Theory Comput. 6, 2872–2887. 9. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A., Jr.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; et al (2004), Gaussian 03, revision E.01; Gaussian Inc.: Wallingford, CT. 10. Bandana Sharma, Munish K Yadav and Manoj K Singh (2011), “Ab-initio Hartee- Fock and Density functional theory calculations of 2-Chloro-6-methoxy-3- nitropyridine”, Archives of Applied Science Research, 3 (2), 334-344. 11. Jeffrey P. Merrick, Damian Moran, and Leo Radom (2007), “An Evaluation of Harmonic Vibrational Frequency Scale Factors”, J. Phys. Chem. A, 111, 11683- 11700. 12. Edward P.L. Hunter, Sharon G. Lias (1998), “Evaluated Gas Phase Basicities and Proton Affinities of Molecules: An Update”, Journal of Physical and Chemical Reference Data, 27(3), 413-656. 13. Anderson JW., Nicolosi RJ., Borzelleca JF. (2005), “Glucosamine effects in humans: a review of effects on glucose metabolism, side effects, safety considerations and efficacy”, Food Chem Toxicol, 43, (2), 187- 201. 14. Jolanta Kumirska, Małgorzata Czerwicka, Zbigniew Kaczyński, Anna Bychowska, Krzysztof Brzozowski, Jorg Thöming and Piotr Stepnowski (2010), “Application of Spectroscopic Methods for Structural Analysis of Chitin and Chitosan”, Mar. Drugs, 8, 1567-1636. 15. Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng trong hóa học, Nxb ĐH Quốc gia Hà Nội. 52 16. George Weinbaum, Solomon Kadis, Samuel J. Ajl (1971), Bacterial Endotoxins: A Comprehensive Treatise, Academic press INC. 17. Marcel Florkin, Elmer H. Stotz (1971), Carbohydrates: Comprehensive Biochemistry, American Elsevier Publishing Company, INC. 18. Won-Seok Choi, Kil-Jin Ahn, Dong-Wook Lee, Myung-Woo Byun, Hyun-Jin Park (2002), “Preparation of chitosan oligomers by irradiation”, Polymer Degradation and Stability 78 (20), 533–538. Ngày nhận bài: 01/4/2015 Biên tập xong: 20/6/2015 Duyệt đăng: 25/6/2015