Nghiên cứu Tạo Phức Plumbagin với Cr(III), Ti(IV), Hg(II) và Ứng Dụng - Nguyễn Văn Thời

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN VĂN THỜI NGHIÊN CỨU TẠO PHỨC CỦA PLUMBAGIN VỚI Cr(III), Ti(IV), Hg(II) VÀ ỨNG DỤNG Ngành: KỸ THUẬT HOÁ HỌC Mã ngành: 9520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2025 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN VĂN THỜI NGHIÊN CỨU TẠO PHỨC CỦA PLUMBAGIN VỚI Cr(III), Ti(IV), Hg(II) VÀ ỨNG DỤNG Ngành: Kỹ thuật Hoá học Mã ngành: 9520301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN 1. Trần Nguyễn Minh Ân LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài “Nghiên cứu tạo phức của plumbagin với Cr(III), Ti(IV), Hg(II) và ứng dụng” là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Lê Văn Tán và PGS.TS Trần Nguyễn Minh Ân. Các số liệu, kết quả và tài liệu được trình bày trong luận án là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật và Hội đồng chấm luận án về tính trung thực và toàn vẹn của nội dung nghiên cứu được trình bày trong luận án này.

Họ tên tác giả Nguyễn Văn Thời i TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Lần đầu tiên, phức chất của PLB với Ti(IV), Cr(III) và Hg(II) được nghiên cứu ở cả dạng dung dịch và rắn, đồng thời đánh giá tiềm năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực phân tích và sinh học. Các phức chất được hình thành với tỷ lệ mol Ti:PLB = 1:2, Cr:PLB = 1:3 và Hg:PLB = 1:2 trong dung môi ethanol–nước. Cơ chế dập tắt hoặc phát huỳnh quang đã được xác định, kèm theo hằng số liên kết tương đối cao (𝑙𝑜𝑔𝐾𝑇𝑖(𝑃𝐿𝐵)2 = 4,60; 𝑙𝑜𝑔𝐾𝐶𝑟(𝑃𝐿𝐵)3 = 4,52; 𝑙𝑜𝑔𝐾𝐻𝑔(𝑃𝐿𝐵)2 = 4,89). Tính toán DFT cho thấy ΔEHOMO–LUMO dao động 2.02 eV và phân cực hướng về ion kim loại, phù hợp với đặc tính điện tử và huỳnh quang thu được.

Phức Ti(PLB)₂ phát huỳnh quang tại 605 nm khi kích thích ở 500 nm, cho phép định lượng Ti(IV) trong mẫu cát với độ nhạy cao, giá thành thấp và kết quả phù hợp ICP–OES. Phức Hg(PLB)₂ được ứng dụng định lượng Hg(II) bằng HPLC–DAD với đường chuẩn tuyến tính (200– 20. Sắc ký đồ cho thấy PLB và phức được tách hoàn toàn, đảm bảo độ chính xác phân tích. Phức Hg(PLB)₂ thể hiện hoạt tính sinh học trong vitro nổi bật với khả năng ức chế α- glucosidase mạnh (IC₅₀ = 40.85 µM), vượt trội so với acarbose, và gây độc đáng kể trên dòng tế bào MCF-7 và HepG2 (IC₅₀ lần lượt là 2.13 µM), hiệu quả hơn PLB tự do và ellipticine.

Trong khi đó, Cr(PLB)₃ không cho thấy hoạt tính rõ rệt ở các thử nghiệm tương ứng. Docking và mô phỏng dynamics (100 ns) với các enzyme 1T8I, 3TOP, 4WCU cho thấy tương tác bền vững qua liên kết hydro và kỵ nước, với năng lượng Gibbs từ –10.25 kcal/mol Tương tác giữa Cr(PLB)₃ và Hg(PLB)₂ với HSA tuân theo cơ chế dập tắt tĩnh tại vị trí IIA, làm thay đổi cấu trúc bậc hai và vi môi trường Trp214; hằng số liên kết mạnh (Kb = 2.8 × 10⁴) và khoảng cách FRET ~2.5 nm cho thấy tiềm năng gắn kết và vận chuyển sinh học của các phức. Luận án góp phần cung cấp dữ liệu nền tảng cho việc ứng dụng các phức chất trong phân tích và định hướng phát triển dược chất có nguồn gốc tự nhiên. Từ khóa: Plumbagin, Cr(III), Hg(II), Ti(IV), Huỳnh quang, DFT, HPLC–DAD, Docking.

ii ABSTRACT This dissertation presents the first investigation of plumbagin (PLB) complexes with Ti(IV), Cr(III), and Hg(II), focusing on their structures, interaction mechanisms, photophysical properties, and potential analytical and biomedical applications. The complexes were successfully formed in ethanol–water with molar ratios of Ti:PLB = 1:2, Cr:PLB = 1:3, and Hg:PLB = 1:2. Clear fluorescence quenching or enhancement behaviors were observed, along with relatively high binding constants (𝑙𝑜𝑔𝐾𝑇𝑖(𝑃𝐿𝐵)2 = 4,60; 𝑙𝑜𝑔𝐾𝐶𝑟(𝑃𝐿𝐵)3 = 4,52; 𝑙𝑜𝑔𝐾𝐻𝑔(𝑃𝐿𝐵)2 = 4,89) DFT/TD–DFT calculations showed that the ΔEHOMO–LUMO ranged from 2.02 eV, and Mulliken charge distribution indicated strong polarization toward the metal ions, consistent with the observed electronic and fluorescence characteristics. Ti(PLB)₂ emitted strong fluorescence at 605 nm (λₑₓ = 500 nm) and was effectively applied to quantify Ti(IV) in sand samples with high sensitivity and good agreement with ICP– OES.

Hg(PLB)₂ was used for quantitative analysis of Hg(II) by HPLC–DAD, showing a good linear calibration range (200–20,000 µg/L, R² = 0. The chromatographic signals confirmed complete separation of PLB and its complex, ensuring accurate quantification. Hg(PLB)₂ exhibited potent in vitro bioactivity, notably inhibiting α-glucosidase (IC₅₀ = 40.85 µM), surpassing acarbose, and showing superior cytotoxicity against MCF-7 and HepG2 cells (IC₅₀ = 2.13 µM, respectively) compared to free PLB and ellipticine. In contrast, Cr(PLB)₃ showed negligible activity.

Docking and 100-ns molecular dynamics simulations with enzymes 1T8I, 3TOP, and 4WCU revealed strong, stable interactions via hydrogen bonding and hydrophobic contacts, with Gibbs free energies of –10. The interaction of Cr(PLB)₃ and Hg(PLB)₂ with HSA followed a static quenching mechanism at site IIA, altering the secondary structure and Trp214 microenvironment. High binding constants (Kb=2.8 × 10⁴) and a FRET distance of ~2.5 nm indicated strong affinity and potential for biological transport. The results provide valuable insights into the design and application of novel PLB– metal complexes for analytical chemistry and contribute to the rational development of bioactive agents from natural products.

Keywords: Plumbagin, Cr(III), Hg(II), Ti(IV), Fluorescence, DFT, HPLC–DAD, Docking. iii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Lê Văn Tán và PGS.TS Trần Nguyễn Minh Ân, thầy hướng dẫn khoa học đã tận tình định hướng và đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Cường – Trưởng khoa, cùng quý thầy cô Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh và Phòng Quản lý Sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Xin trân trọng cảm ơn Trung tâm Dịch vụ Phân tích CASE TP. HCM đã hỗ trợ tạo điều kiện cho tôi thực hiện các thí nghiệm; Sở Giáo dục và Đào tạo tỉnh Bến Tre, Ban Giám hiệu và quý thầy cô Trường THPT Chuyên Bến Tre đã tạo điều kiện về thời gian và công tác để tôi hoàn thành chương trình nghiên cứu sinh. Tôi xin tri ân gia đình, đặc biệt là ba mẹ, anh chị và bạn bè thân thiết, những người luôn động viên, tiếp thêm nghị lực cho tôi vượt qua khó khăn. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến người bạn đời yêu quý – Nguyễn Thị Tuyền, đã luôn sẻ chia, đồng hành và là nguồn động lực lớn lao trong suốt hành trình học tập.

Tôi cũng dành tình cảm yêu thương đến hai con – Ngọc Trước và Huỳnh Trước vì sự ngoan ngoãn, nỗ lực và thành tích học tập xuất sắc của các con, chính là niềm tự hào và động lực để tôi hoàn thành tốt luận án này. Không có sự hỗ trợ quý báu đó, tôi khó có thể hoàn thành công trình này. iv MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU. Đối tượng nghiên cứu.

Cơ sở khoa học và cách tiếp cận của luận án. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU.1 Plumbagin và khả năng tạo phức với kim loại .1 Cấu trúc và đặc điểm của plumbagin .2 Đặc tính quang phổ của plumbagin .3 Vai trò nhóm chức -OH và C=O trong phối trí tạo phức .4 Phức chất của PLB với ion kim loại .5 Ứng dụng của PLB trong phân tích và sinh học.2 Kim loại chuyển tiếp Ti, Cr, Hg .1 Tính chất đặc trưng của Ti(IV), Cr(III), Hg(II) .2 Vai trò tiềm năng trong dược học .3 Phức chất của Ti(IV), Cr(III), Hg(II) .3 Phương pháp huỳnh quang trong nghiên cứu phức chất .1 Cơ chế phát và dập tắt huỳnh quang của các phức kim loại .2 Phân tích định lượng bằng phương pháp huỳnh quang .4 Các kỹ thuật phân tích trong nghiên cứu phức chất .1 Phổ hấp thụ UV–Vis, huỳnh quang, FT-IR, NMR, XPS, MS… .2 Các phương pháp in silico và tính toán lượng tử (DFT) .3 Phương pháp xác định liên kết và hằng số liên kết.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu .1 Nghiên cứu trong nước .2 Nghiên cứu ngoài nước .6 Lý do chọn đề tài .37 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .1 Hoá chất, thiết bị và phần mềm tính toán.3 Phần mềm tính toán, mô phỏng .2 Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm .1 Chuẩn bị dung dịch chuẩn, chất chỉ thị .2 Khảo sát phổ UV–Vis, huỳnh quang .3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phức.4 Xác định thành phần phức (phương pháp Job, molar ratio) .5 Tính toán các thông số quang học và nhiệt động .6 Phân tích Ti(IV) trong mẫu cát bằng phương pháp huỳnh quang .7 Phân tích định lượng Hg(II) bằng phương pháp HPLC–DAD .3 Phương pháp tổng hợp và đặc trưng phức rắn .1 Tổng hợp các phức chất Ti(PLB)2 , Cr(PLB)3 , Hg(PLB)2 .2 Phân tích đặc trưng cấu trúc .4 Phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học .1 Thử nghiệm kháng tế bào ung thư (MTT assay) .2 Ức chế α-glucosidase.3 Kháng viêm theo phương pháp ức chế NO (kháng viêm) .4 Đánh giá độc tính tế bào đối với dòng tế bào lành HEK-293A .5 Mô phỏng và tính toán hóa học .1 Mô phỏng tương tác của phức với các đích tác động .2 Tính toán DFT .55 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .1 Đặc điểm phức PLB với Cr(III), Hg(II) và Ti(IV) trong dung dịch .1 Phổ UV–Vis.2 Phổ huỳnh quang .3 Điều kiện tối ưu hình thành phức trong dung dịch .4 Các thông số đặc trưng trong điều kiện tối ưu .2 Nghiên cứu đặc trưng pha rắn, mô phỏng và đề xuất cấu trúc.1 Phân tích phổ FT-IR, NMR, HR MS .2 Phân tích phổ XPS .3 Hình thái và cấu trúc tinh thể ( XRD) .4 Phân tích hình thái và cấu trúc bằng SEM–EDX/TEM.5 Phân tích đặc trưng nhiệt của phức bằng TGA .6 Cấu trúc hình học tối ưu hóa bằng DFT .7 Các thông số điện tử thu được từ tính toán DFT .3 Nghiên cứu cơ chế và đề xuất cấu trúc của phức.1 Sự hình thành phức và đề xuất cấu trúc .2 Bàn về cơ chế phát xạ và dập tắt huỳnh quang của phức .4 Ứng dụng phân tích và đánh giá hoạt tính sinh học .1 Đánh giá hoạt tính sinh học của các phức Cr(PLB)₃ và Hg(PLB)₂ .2 Tương tác với HSA, docking enzyme của phức Cr(PLB)₃ và Hg(PLB)₂ 110 3.3 Ứng dụng phức Ti(PLB)₂ trong phân tích Ti(IV) bằng huỳnh quang .4 Sử dụng PLB trong phân tích định lượng Hg(II) bằng HPLC-DAD .134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.153 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .154 TÀI LIỆU THAM KHẢO .183 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc của PLB .2 Phổ UV–Vis của PLB trong methanol ở ba điều kiện pH: (a) trung tính, (b) acid, (c) kiềm.3 Sự thay đổi cấu trúc phân tử PLB theo điều kiện pH.