Ái lực proton của D - Glucosamine và các dẫn xuất

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