Nghiên cứu lý thuyết về hoạt tính chống oxi hóa của các hợp chất Mangostin chiết xuất từ vỏ măng cụt

Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2 (21) – 2015 3 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ HOẠT TÍNH CHỐNG OXI HÓA CỦA CÁC HỢP CHẤT MANGOSTIN CHIẾT XUẤT TỪ VỎ MĂNG CỤT Nguyễn Minh Thông (1) , Đinh Tuấn (2) , Phạm Cẩm Nam (3) (1), (3) Đại học Đà Nẵng, (2) Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thành phố Đà Nẵng TĨM TẮT T g i h g i i h h ghi h h h h g i hĩa h h mangostin hi g Ba ơ h h h a h h g i h a ghi ơ h h g ử hydro (HAT), ơ h h e e h (SETPT) ơ h h e e (SPLET) C i g n g g i O-H (BDE) g g i h a (IE) i ự (PA) g g h electron (ETE) h g s g h a ơ h g h g ha h ớ . Sự h h g a g i ớ e ha h g g h g h ơ g h IEF-PCM. K h h h ơ h HAT ơ h h ậ i h iệ gi i hích h h h g h a a xanthone trong pha khí, ơ h SPLET i hiệ g trong pha ớ Từ khĩa: m g , n g g i O-H (BDE) g g i h a (IE) i ự (PA) g g h e e tron (ETE) 1. T Măng cụt cĩ tên khoa học là Garcinia mangostana [1], c n n ng c ăng cụ c ng n n c Đơng ăng cụ c c n n c ng ngọ n c ăng cụt khơng nh ng là m t lo c c ng ng n mà cịn là m t lo i thực phẩm rất cĩ l i cho sức kh e. Từ ăng cụ ã c d ng ể làm các v thu c ể u tr n tiêu chả ụng, b nh vàng da, ch ng viêm, ức ch d ứng, kháng vi khuẩn, vi sinh v t, làm giãn ph quản ng u tr hen suyễn [2]. Thành phần chính củ ăng cụ ã c x c n c c x n ne d n x ấ củ x n ne ng c ấ n c ả năng c ng x c [2-4], n ng nấ [5], n ng ẩn [6], n c ng x ng c [5] n c ng [7]. Trong s c c c ấ xanthones n c ất c n c ng x n n ấ c ấ mangostin - ng n - ng n c c ứng n ng ng ực ng Kinghorn c ng ự [2]. g c ng c cơng n ng n cứ n c ng x củ c ấ mangostin [26]. n n c c cơng n n ng n cứ ầ ủ ả năng d g c ự d củ c ấ ng n dự n c c ển ng n d c ển electron chuyển proton (SETPT) và iii) mất proton Journal of Thu Dau Mot University, No 2 (21) – 2015 4 chuyển e ec n ục c củ ng n cứ n x c n n c ng x củ c ấ ng n n ng n c dự c c ng n ng: ăng ng ứ n - BD năng ng ion hĩa (IE), ái lực n năng ng c ển electron (ETE). h 1: C a h h ghi . 2. T T T T c c n ể g ả c ả năng d g c ự d củ c c c ấ c ng x c ể d ễn n [8- 11]: h : Sơ i i ơ h h g i h a ăng ng c ứ n BD ực n năng ng n năng ng c ển e ec n ừ n n năng ng n n ừ g c c n c n dự n ự c n g n n n H0f) củ ản ẩ n c ấ ản ứng h n ng Ar-O• Ar-O g c ự d n n củ c ấ c ng x ArOH. c ng n c ng c c c d g c ự d củ c ấ c ng x c ứ n ấ gọ c c c ển d c c ng ng ng BD c c ứ c c c ển e ec n c ển proton (SETPT) c c ng ng ng IE PDE; c c ứ c c ấ n c ển e ectron (SPLET) c ể d ễn ng ng PA ETE. n n củ c ấ ng n cứ H(X) n T c ể d ễn ng cơng ức sau: H(X) = E0 + ZPE + Htrans + Hrot + Hvib + RT. ng Htrans, Hrot, Hvib ần c c ng en n n n en n en n d ng; E0 ng năng ng 0 K ZPE năng ng d ng ể ơng. en n củ ng n d ng c ấ g c n x c -0.5 hartree. c ng BD D ng c x c n n BDE(OH) = H(ArO) + H(H) - H(ArOH) (1) IE = H(ArOH + ) + H(e  ) - H(ArOH) (2) PDE = H(ArO  ) + H(H + ) - H(ArOH + ) (3) PA = H(ArO - ) + H(H + ) - H(ArOH) (4) ETE = H(ArOH + ) + H(e  ) - H(ArOH) (5) n n d củ ng n hydro (H • ), proton (H + ) electron (e) c ả ừ [12-14]. ấ cả c c ng ng ể ức ừ (1) n (5) c n 298.15 K v ấ e. c cấ c n ần d ng c ực n ng ng n ực ng . ần d Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2 (21) – 2015 5 ng ức c c n 1.078 năng ng d ng ể ơng (ZPE). c g en n ức c c n năng ng ể n dự n cấ c ã . ng ơ dụng ng IEF-PCM ể ả ự ản ng củ d ng ơ n c c ng en n [15,16]. ấ cả c c n n c ực n n ầ Gaussian 09 (version A.02) [17]. ng c c ng n cứ c c ng ơ ã c ứng n ng ng [18-22] c c x ng ROB3LYP/6-311++G(2df,2p) ( ức c c ứ ng n d ng n x d ng ể dự n BD - c n x c c c c ảng 1-2 kcal/mol [23, 24]. c ng ơ ục dụng ng n n ng n (RO)B3LYP/6-311++G (2df,2p) c c ng c ấ i mục c p tục làm sáng t v n g c ể cấ c n của các h p chất mangostin chi t xuất từ ăng cụt. ơ n c ự ự c ọn ức c ức ấ ng ng ã c ng n cứ c ng ng n cứ c củ c ng ơ 24 ừ ả ng n cứ n c ng ơ c ọn ơ n ONIOM c ơ ả n n 3 c ả BD - c n x c c ảng -2 kcal/mol. ơ n ONIOM n , n c c n c c ng n ứ n c n ức c c n c c ng n c n c gọ ứ c n ức ấ n. ng (RO)B3LYP/6-311++G (2df,2p) c dụng n c c c ng n c , c n ng c dụng n c ấ . h 3: Sơ h h ONIOM 2 lớ 3. T T 3.1. (HAT) c c c ng g BD n c ả năng c ng n d ể n n d ng g c ự d củ c c c ấ en c. BD c ng năng ng c ứ n O–H ơng n ơ ả n n củ n hydroxyl. BD c ng ấ n O–H c ng dễ c ứ n ọng n củ n ng ản ứng c ng x . Để g ả g n n n c ng ơ dụng ng n n BDE(O–H) ọ ể n nhấ ả n n c n Bảng 1. n n c ục n n ức c n ng ng ONIOM (ROB3LYP/ 6311++G (2df,2p): PM6) ơ n n c ơ ả ng n 3, ả n n ng n c c n ng bảng : N g g i O-H sử g h ơ g h PM p ch t t í c t t i t a 6(ring A) 7(ring A) 8(ring A) 1 (ring B) 2 (ring B) 3 (ring B) α-mangostin 70.0 89.2 82.3 γ-mangostin 70.3 72.9 89.1 82.5 Norathyriol 85.8 93.2 71.7 76.2 a ch h số c ch t h Journal of Thu Dau Mot University, No 2 (21) – 2015 6 2: Gi BDE(OH) a h h a g s i hi g h g h ơ g h ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) p ch t t í t i t –H BDE (O-H) kcal/mol BDE a Pha hí c α-mangostin 6 (ring A) 82.8 85.7 2.9 γ-mangostin 6 (ring A) 82.3 85.9 3.6 Norathyriol 2 (ring B) 84.2 86.0 (86.6 b ) 1.8 (2.4) a BDE = BDE c - BDE hí b Th h t i i u 25] Dự n ả c c g BDE ng Bảng 2, ấ ả năng c ng n d ng củ c c c ấ c x e ứ ự -mangostin > - mangostin > Norathyriol. ng c c c ấ ng n cứ g BD – ấ n ấ c ấ ng ng ừ Norathyriol). Đ n c ng ng n H củ n 6 ng ng c ấ - ng n -mangostin c dễ d ng n c c ng n củ n c, ức 6-OH dễ xả ự c ển ng n H c g c ự d . ng ng ng n ọng ng c c c ng x củ c c c ấ ng n. ừ ả n n ng Bảng c ấ ự ản ng củ d ng ơ n c n g BD Đ c n n ấ g g BD ng n c 5.9 kcal/mol. ự củ g BD ng n c c x n : -mangostin < -mangostin < Norathyriol. Đ n c ứng ng n c ng x củ - ng n ng n c n n - ng n ả n c ng ực ng 2] 3.2. - pronton (SETPT) 3.2.1. N g g i h a c SETPT c n c ầ n củ c c n ả năng c ển e ec n năng ng n - c ng ấ c ng dễ d ng c e ec n n c ng x c ng c ng ục n c ng ơ d ng ng ể n g . Đ c n c c củ ng n ã c ng n cứ ng cơng n c củ c ng ơ [24]. củ c c c ấ ng n cứ c n ng n c ả c n Bảng 3. g 3: N g g i h a (vertical) a h h ghi h g h ơ g h PM p ch t IE (kcal/mol) ΔIE a IE b (kcal/ mol) h hí c α-mangostin 191.64 136.46 -55.18 139.26 γ-mangostin 188.41 127.55 -60.86 136.68 Norathyriol 201.32 132.49 -68.83 - a IE = IE c - IE hí b i t IE (vertical) c tí h t ph c th h t i i u [26] ừ ả n n ng Bảng c c ng n ứ ự củ g IE trong pha n -mangostin < - mangostin < Norathyriol, ng g IE ng n c c ự c: - mangostin < Norathyriol < -mangostin. ự ăng n cực củ d ng ơ g củ c c c ấ ng n cứ c ự g ả ng ể Đ n c ng c c g c c n n cả n cực củ d ng ơ ự n g c c n c n n n ng n c c n ự n n ản ẩ ng ơng tiên trong ph n c. d ng ơ n c Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2 (21) – 2015 7 c ẩ n c e ec n n ng g ả ả năng n n e ec n củ c c c ấ ng n c x ấ ừ ăng cụ . 3.2.2. N g g h ng c ứ củ c c SETPT c ơ ả ng ự n n ng n -H (PDE). ả n n c n bảng . ng c ấ - ng n -mangostin D củ ng c g ấ n c c c g n c ần c . ng ự, ng c ấ Norathyriol, g PDE củ ng B c g ấ n ấ 212.43 kcal/mol. c g D ng n c ấ n ấ n c c g ng ứng c n ng năng ng củ n c . Đ n c ng ự n n ng n c c n n ng . 3.3. electron (SPLET) 3.3.1. i ự ng c ầ n củ c c SPLET, ự n c d n d x củ c ấ en c n n n en g ả ng n. n ấ roton c n ọng củ c c n c c ng ng g . c g c ng ng Bảng 4. n c c g n ng n c c ể n ng d ng ơ n c ã ản ng ấ n n g năng ng củ proton cao. ự c n g c c g ng pha kh n c n ng ảng ừ - n -378.23 kcal/mol. Đ n c ng n n n ng n c ấ n . ng c c g c n ấ n c c g BDE . Tuy nhiên, c c g ng n c ấ n ng ể c c g BD IE. ả ng n cứ c ấ ng n c c c SPLET c n n n ng ọc. N g g h e e ng cả n c g ơn ơn ấ n g Đ n c ng n c ển e ec n ừ d ng n n c n n n v d ng ng n n ả củ c c ng n cứ c 27-29 ừ c c g  ng Bảng 4 c ấ ng d ng ơ n c c c dụng g ăng c c g củ n n en ức ng d ng ơ n c n c ển e ec n ơng c n Đ c ng n củ c c g ng n c ảng c B ng 4: C gi PA, ETE PDE a h h ghi h g h ơ g h B3LYP/ - G( ) PM g ha h ha ớ p ch t PA (kcal/mol) PA a ETE (kcal/mol) ETE b PDE (kcal/mol) PDE c h hí c h hí c h hí c α-mangostin 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 γ-mangostin . 6 (ring A) 320.79 17.20 -303.59 73.75 87.93 14.18 227.47 -41.69 -269.16 Journal of Thu Dau Mot University, No 2 (21) – 2015 8 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 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 c – PA hí b ETE = ETE c – ETE hí c PDE = PDE c – PDE hí 4. T – ng c c , c c HAT n n ng ng c n c c SPLET n ng n c. – ự c n g en n ng n c c ng củ ản ứng n n n n c . – H n c ng x củ c c c ấ ng n c x ấ ừ ăng cụ cĩ khả năng ứng dụng ng n ực ực ẩ d c ẩ . THEORETICAL INVESTIGATION ON ANTIOXIDANT ACTIVITY OF MANGOSTIN COMPOUNDS EXTRACTED FROM THE PERICARP OF GARCINIA MANGOSTANA Nguyen Minh Thong (1) , Dinh Tuan (2) , Pham Cam Nam (3) (1), (3) The University of Danang, (2) Quality Assurance and Testing Center of Da Nang City ABSTRACT In this report, a theoretical study on antioxidant propertiers of mangostin compounds extracted from the pericarp of G. Mangostana. Three main reaction mechanisms are investigated: hydrogen atom transfer (HAT), sequential electron transfer proton transfer (SETPT) and sequential proton loss electron transfer (SPLET). The O-H bond dissociation enthalpy (BDE), ionization energy (IE), proton affinity (PA) and electron transfer energy (ETE) parameters have been computed in gas phase and water. Water contribution to the enthalpies was computed employing integral equation formalism IEF-PCM method. The results of the calculations show that HAT would be the most favourable mechanism for explaining antioxidant activity of xanthones in gas phase, whereas the SPLET mechanism is preferred from the thermodynamics point of view in water. T T M [1] J.F. Morton, Fruits of Warm Climates, ed. Dowling, C. F., Jr. (Creative Resources Systems, Miami), (1987). [2] A.D. Kinghorn, H.A. Jung, B.N. Su, W.J. Keller, R.G. Mehta, Antioxidant xanthones from the pericarp of Garcinia mangostana (Mangosteen), J. Agric. Food Chem., 54 (6), 2077–282 (2006). Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2 (21) – 2015 9 [3] S. Okonogi, C. Duangrat, S. Anuchpreeda, S. Tachakittirungrod, S. Chowwanapoonpohn, Comparison of antioxidant capacities and cytotoxicities of certain fruit peels, Food Chem., 103 (3), 839–846 (2007). [4] S. Tachakittirungrod, S. Okonogi, S. Chowwanapoonpohn, Study on antioxidant activity of certain plants in Thailand: Mechanism of antioxidant action of guava leaf extract, Food Chem., 103 (2), 381–388 (2007). [5] G. Gopalakrishnan, B. Banumathi, G. Suresh, Evaluation of the antifungal activity of natural xanthones from Garcinia mangostana and their synthetic derivatives, J. Nat. Prod. 60(5), 519- 524 (1997) [6] J.J. Fang, G. Ye, W. L. Chen, W. M. Zhao, Antibacterial phenolic components from Eriocaulon buergerianum, Phytochemistry, 69(5), 1279-1286 (2008). [7] A.E. Hay, J.J. Hélesbeux, O. Duval, M. Labạed, P. Grellier, P. Richomme, Antimalarial xanthones from Calophyllum caledonicum and Garcinia vieillardii, Life Sciences, 75(25), 3077-3085 (2004). [8] M. Leopoldini, N. Russo, M. Toscano, The molecular basis of working mechanism of natural polyphenolic antioxidants, Food Chem., 125(2), 288-306 (2011). [9] J.S. Wright, E.R. Johnson, G.A. DiLabio, Predicting the activity of phenolic antioxidants: theoretical method, analysis of substituent effects, and application to major families of antioxidants, J. Am. Chem. Soc., 123(6), 1173-1183 (2001). [10] K. Senthilkumar, R. Kumaresan, A DFT study on the structural, electronic properties and radical scavenging mechanisms of calycosin, glycitein, pratensein and prunetin, Comput. Theoret. Chem. 985, 14-22 (2012). [11] N. Nenadis, M.Z. Tsimidou, Contribution of DFT computed molecular descriptors in the study of radical scavenging activity trend of natural hydroxybenzaldehydes and corresponding acids, Food Res. Int., 48(2), 538-543 (2012). [12] J R č . eš . Klein, M. č n, Study of the solvent effect on the enthalpies of homolytic and heterolytic N–H bond cleavage in p-phenylenediamine and tetracyano-p- phenylenediamine, Journal of Molecular Structure: Theochem, 952(1-3), 25-30 (2010). [13] M.M. Bizarro, B.J. Costa Cabral, R.M.B. Dos Santos, J.A. Martinho Simões, Substituent effects on the O–H bond dissociation enthalpies in phenolic compounds: agreements and controversies, Pure Appl. Chem., 71(7), 1249-1256 (1999). [14] W.D. Parker, Homolytic bond (H-A) dissociation free energies in solution. Applications of the standard potential of the (H+/H.bul.) couple,J. Am. Chem. Soc., 114(19), 7458-7462 (1992). [15] E. Cances, B. Mennucci, J. Tomasi, A new integral equation formalism for the polarizable continuum model: Theoretical background and applications to isotropic and anisotropic dielectrics, J. Chem. Phys., 107(8), 3032-3041 (1997). [16] E. Cances, B. Mennucci, New applications of integral equations methods for solvation continuum models: ionic solutions and liquid crystals, J. Math. Chem., 23(3-4), 309-326 (1998). [17] M.J. Frisch et al., Gaussian 09, Revision A.2, Gaussian, Inc., Wallingford, CT, 2009. [18] S. Dapprich, I. Komaromi, K.S. Byun, K. Morokuma, M.J. Frisch, A new ONIOM implementation in Gaussian98. Part I. The calculation of energies, gradients, vibrational frequencies and electric field derivatives, J. Mol. Struct. (Theochem), 461-462, 1-21 (1999). Journal of Thu Dau Mot University, No 2 (21) – 2015 10 [19] M. Svensson, S. Humbel, R.D.J. Froese, T. Matsubara, S. Sieber, K. Morokuma, ONIOM   A Multilayered Integrated MO + MM Method for Geometry Optimizations and Single Point E e g P e i i s A Tes f Die s−A e Rea i s a P (P(t-Bu)3)2 + H2 Oxidative Addition, J. Phys. Chem., 100(50), 19357-19363(1996). [20] S. Humbel, S. Sieber, K. Morokuma, The IMOMO method: Integration of different levels of molecular orbital approximations for geometry optimization of large systems: Test for n‐butane conformation and SN2 reaction: RCl+Cl − , J. Chem. Phys., 105(5), 1959-1967 (1996). [21] T. Matsubara, F. Maseras, N. Koga, K. Morokuma, A i a i f he New “I eg a e MO MM” (IMOMM) Me h he O ga e a i Rea i P (PR3)2 + H2 (R = H, Me, t-Bu, and Ph), J. Phys. Chem., 100(7), 2573-2580 (1996). [22] F. Maseras, K. Morokuma, IMOMM: A new integrated ab initio + molecular mechanics geometry optimization scheme of equilibrium structures and transition states, J. Comput. Chem., 16(9), 1170-1179 (1995). [23] P.C. Nam, A.K. Chandra, M.T. Nguyen, Performance of an integrated approach for prediction of bond dissociation enthalpies of phenols extracted from ginger and tea, Chem. Phys. Lett., 555, 44-50 (2013). [24] N.M. Thong, T. Duong, P.T. Linh, P.C. Nam, Theoretical investigation on the bond dissociation enthalpies of phenolic compounds extracted from Artocarpus altilis using ONIOM(ROB3LYP/6-311++G(2df,2p):PM6) method, Chem. Phys. Lett., 613, 139-145 (2014). [25] C. Hou, Theoretical study of antioxidative ability and antioxidative mechanism of norathyriol in solution, Comput. Theor. Chem., 1028, 87-91 (2014). [26] A. Martínez, E. Hernández-Marin, A. Galano, Xanthones as antioxidants: a theoretical study on the thermodynamics and kinetics of the single electron transfer mechanism, Food Funct., 3(4), 442-450 (2012). [27] M. Li, W. Liu, C. Peng, Q. Ren, W. Lu, W. Deng, A DFT study on reaction of eupatilin with hydroxyl radical in solution, Int. J. Quantum Chem., 113 (7), 966-974 (2013). [28] A. Pérez-González, A. Galano, O he •OH a •OOH scavenging activity of 3-methyl-1- pyridin-2-yl-5-pyrazolone: Comparisons with its parent compound, edaravone, Int. J. Quantum Chem., 112 (21), 3441-3448 (2012). [29] A. Pérez-González, A. Galano, OH Radical Scavenging Activity of Edaravone: Mechanism and Kinetics, J. Phys. Chem. B, 115(5), 1306-1314 (2011).