Nghiên cứu khả năng chống oxy hóa của thiamine (Vitamin B1) bằng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT)

d) 
trong pha khí
Góc liên kết Góc (o)
∠C12−N3−C8 123,8
∠C15−N4−C17 118,0
∠C17−N5−C16 116,0
∠C15−N6−H31 114,2
∠C14−O2−H32 110,8
∠C9−S1−C12 90,8
3.2. Khả năng chống oxy hóa của thiamine
3.2.1. Cơ chế chuyển nguyên tử H (hydrogen 
atom transfer - HAT)
Trong nghiên cứu này, năng lượng phân ly 
liên kết X−H (X: C, N, O) trong pha khí, nước và 
PEA được tính toán ở mức lý thuyết M05-2X/6-
311++G(d,p)//M05-2X/6-31+G(d), kết quả tính 
toán được trình bày ở Bảng 3.
54
Bảng 3. Năng lượng phân ly liên kết (BDE) và ái lực proton (PA) của thiamine, axit ascorbic và trolox 
tính trong pha khí, nước và PEA ở mức lý thuyết M05-2X/6-311++ G(d,p)// M05-2X/6-31+ G(d)
Liên kết
BDE (kcal/mol) PA (kcal/mol)
 Khí Nước PEA Khí Nước PEA
C8−H 87,9 88,9 90,1 270,8 60,8 62,4
C10−H 86,3 88,9 87,3 272,0 61,1 63,7
C12−H 119,7 123,8 122,0 255,1 44,4 46,7
C13−H 90,9 92,7 91,6 274,3 64,1 66,2
C14−H 94,1 96,0 94,8 302,9 90,0 92,7
C16−H 105,7 110,6 107,5 281,7 68,4 71,3
C18−H 92,2 94,1 93,2 294,4 63,7 71,9
N6−H 101,0 106,6 104,4 270,0 46,7 52,7
O2−H 106,4 107,0 104,9 277,5 57,4 65,4
Axit ascorbic 73,4 76,9 73,4 419,8 19,8 39,6
Trolox 77,3 79,0 77,3 333,8 24,2 56,5
 Bảng 3 cho thấy trong pha khí, giá trị BDE 
giảm dần theo thứ tự ứng với các vị trí C12−H 
> O2−H > C16−H > N6-H > C14-H > C18-
H>C13-H > C8-H > C10-H và theo thứ tự C12−H 
> C16−H > O2−H > N6-H > C14-H > C18-H > 
C13-H > C8-H > C10-H trong nước và PEA. Kết 
quả cũng cho thấy vị trí mà nguyên tử hydro dễ 
bị tách nhất trong cả ba pha là C10−H, với giá 
trị BDE nhỏ nhất trong pha khí, nước và PEA 
lần lượt là 86,3; 88,9 và 87,3 kcal/mol. Như vậy 
dung môi có ảnh hưởng tương đối nhỏ lên giá trị 
BDE, rõ ràng BDE tính trong dung môi nước và 
PEA cao hơn không đáng kể so với trong pha khí.
So sánh với năng lượng phân ly liên kết của 
axit ascorbic (BDE pha khí: 73,4) và trolox (BDE 
pha khí: 77,3) ở cùng mức lý thuyết, ta nhận thấy 
giá trị BDE của thiamine lớn hơn BDE của các 
hợp chất chống oxy hóa thông dụng này. 
3.2.2. Cơ chế chuyển proton (proton transfer - PT)
Theo cơ chế PT, thiamine nhường một proton 
cho gốc tự do và giai đoạn này được đặc trưng 
bởi ái lực proton (PA). Khi giá trị PA càng nhỏ thì 
việc nhường proton diễn ra càng dễ và khả năng 
chống oxy hóa theo cơ chế PT càng cao. Giá trị 
PA đã được tính toán trong cả ba pha: khí, nước 
và PEA và được trình bày ở Bảng 3.
Kết quả cho thấy, giá trị PA thấp nhất được tìm 
thấy tại vị trí C12−H. Ta cũng nhận thấy dung 
môi làm giảm đáng kể giá trị PA từ 255,1 kcal/
mol trong pha khí xuống lần lượt 44,4 và 46,7 
kcal/mol trong nước và PEA. Kết quả này phù 
hợp với một vài nghiên cứu gần đây và được 
giải thích là do năng lượng solvat hóa của proton 
trong dung môi nhỏ hơn trong pha khí [8,9,13]. 
Như vậy khả năng nhường proton trong dung 
môi tốt hơn trong pha khí. So sánh với giá trị 
PA của axit ascorbic và trolox, PA trong pha khí 
PA(thiamine) < PA(axit ascorbic) < PA(trolox). 
Trong nước, PA(thiamine) > PA(trolox) > 
PA(axit ascorbic). Trong dung môi PEA, PA(axit 
ascorbic) < PA(thiamine) < PA(trolox). 
3.2.3. Cơ chế chuyển đơn điện tử (single 
electron transfer - SET)
Cơ chế chuyển một điện tử giữa chất chống 
oxy hóa tiềm năng và gốc tự do được đặc trưng 
bởi hai thông số hóa lý nội tại gồm: năng lượng 
ion hóa (IE) và ái lực điện tử (EA). Giá trị IE thể 
hiện khả năng nhường điện tử của chất chống 
oxy hóa cho gốc tự do, ngược lại giá trị EA thể 
hiện khả năng nhận điện tử từ gốc tự do. Giá trị 
IE càng thấp thì chất chống oxy hóa tiềm năng 
càng dễ dàng cho điện tử, trong khi đó giá trị 
55
EA càng cao thì càng dễ nhận điện tử [6]. Giá 
trị IE và EA của thiamine được tính trong ba 
pha khí, nước và dung môi PEA được trình bày 
ở Bảng 4.
Bảng 4. Năng lượng ion hóa (IE) và ái lực điện tử (EA) trong pha khí, nước và PEA 
tính ở mức lý thuyết M05-2X/6-311++G(d,p)//M05-2X/6-31+G(d)
IE (kcal/mol) EA (kcal/mol)
Pha khí Nước PEA Pha khí Nước PEA 
Thiamine 265,2 137,3 162,5 103,8 48,8 59,8
Axit ascorbic 188,1 129,1 141,1 11,2 36,6 27,7
Trolox 161,4 112,1 120,5 -15,6 5,1 -2,0
Kết quả chỉ ra, giá trị IE giảm dần trong ba 
pha khí, PEA và nước lần lượt là 265,2; 162,5 và 
137,3 kcal/mol. Điều này cho thấy thiamine dễ 
dàng nhường điện tử cho gốc tự do trong dung 
môi. Tương tự, giá trị EA cũng giảm mạnh khi 
tính trong dung môi, giá trị tính được trong pha 
khí, PEA và nước lần lượt 103,8; 59,8 và 48,8 
kcal/mol. Qua các kết quả trên ta thấy dung môi 
ảnh hưởng rất lớn đến năng lượng ion hóa IE và 
ái lực điện tử EA.
Khi so sánh với một số hợp chất chống oxy 
hóa thông dụng như axit ascorbic và trolox 
tính toán ở cùng mức lý thuyết, ta thấy IE của 
thiamine trong cả ba pha khí, nước và PEA lớn 
hơn IE của các hợp chất chống oxy hóa này, ví 
dụ: IE của thiamine, axit ascorbic và trolox trong 
nước lần lượt là 137,3; 129,1 và 112,1 kcal/mol 
(Bảng 4). Như vậy khả năng nhường điện tử cho 
gốc tự do của thiamine kém hơn các hợp chất 
này. Ngược lại, khả năng nhận điện tử từ gốc tự 
do của thiamine mạnh hơn các hợp chất trên do 
giá trị EA của thiamine lớn hơn EA của trolox và 
axit ascorbic trong cả ba pha khí, nước và PEA, 
ví dụ: EA của thiamine, axit ascorbic và trolox 
trong nước lần lượt là 48,8; 36,6 và 5,1 kcal/mol 
(Bảng 4).
Khi so sánh các giá trị BDE, PA và IE, EA; 
ta nhận thấy trong pha khí giá trị BDE nhỏ hơn 
các giá trị khác rất nhiều; ví dụ: BDE nhỏ nhất 
là 86,3 kcal/mol, trong khi đó PA, IE và EA lần 
lượt là 255,1; 265,2 và 103,8 kcal/mol. Ngược 
lại, trong nước và PEA thì BDE lại lớn hơn PA 
và EA rất nhiều, ví dụ BDE trong nước nhỏ nhất 
là 88,9 kcal/mol còn PA and EA lần lượt là 44,4 
và 48,8 kcal/mol. Như vậy khả năng chống oxy 
hóa của thiamine theo cơ chế HAT được ưu tiên 
trong pha khí. Dung môi tạo điều kiện thuận lợi 
cho thiamine thể hiện khả năng oxy hóa theo cơ 
chế PT và SET. 
4. Kết luận
Trong nghiên cứu này, khả năng chống oxy 
hóa của thiamine đã được nghiên cứu thông qua 
ba cơ chế HAT, SET và PT bằng phương pháp 
phiếm hàm mật độ (DFT). Các thông số nhiệt 
động BDE, IE, EA và PA đã được tính toán ở 
mức lý thuyết M05-2X/6-311++G(d,p)//M05-
2X/6-31+G(d) trong ba pha khí, nước và PEA.
Kết quả cho thấy theo cơ chế HAT, vị trí 
C10−H dễ cắt H nhất với giá trị BDE thấp nhất 
là 86,3; 88,9 và 87,3 kcal/mol lần lượt trong pha 
khí, nước và PEA. Thiamine dễ dàng nhường 
proton nhất tại vị trí C12−H với giá trị PA trong 
pha khí, nước và PEA lần lượt là 255,1; 44,4 và 
46,7 kcal/mol. Dung môi ít ảnh hưởng tới giá trị 
BDE nhưng lại ảnh hưởng lớn tới giá trị PA, IE và 
EA. Như vậy thiamine có tiềm năng chống oxy 
hóa theo cơ chế PT và SET trong nước và PEA 
thông qua việc dễ dàng nhường proton cho gốc 
tự do và nhận điện tử từ gốc tự do (EA lần lượt là 
48,8 và 59,8 kcal/mol trong nước và PEA). Khả 
năng nhận điện tử của thiamine tốt hơn trolox 
có thể giải thích cơ chế quét gốc tự do ABTS•+ 
mạnh từ kết quả thực nghiệm của Gliszczyńska-
Świgło và cộng sự [6].
56
Tài liệu tham khảo
[1] Lobo, V.; Patil, A.; Phatak, A.; Chandra, N. Free 
radicals, antioxidants and functional foods: Impact 
on human health. Pharmacognosy reviews, 2010, 4 
(8), 118-126.
[2] Lee, H. S.; Lee, S. A.; Shin, H. S.; Choi, H. M.; 
Kim, S. J.; Kim, H. K.; Park, Y. B. A case of cardiac 
beriberi: a forgotten but memorable disease. Korean 
Circulation Journal, 2013, 43 (8), 569–572.
[3] Polegato, B. F.; Pereira, A. G.; Azevedo, P. S.; Costa, 
N. A.; Zornoff, L. A.; Paiva, S. A.; Minicucci, M. F. 
Role of Thiamin in Health and Disease. Nutrition in 
Clinical Practice, 2019, 34(4), 558-564.
[4] Liu, X.; Montissol, S.; Uber, A.; Ganley, S.; 
Grossestreuer, V. A.; Berg, K.; Heydrick, S.; Donnino, 
W. M. The effects of thiamine on breast cancer cells. 
Molecules, 2018, 23(6), 1464.
[5] Lukienko, P.I.; Mel’nichenco, N.G.; Zverinskii I.V.; 
Zabrodskaya, S.V. Antioxidant properties of thiamine. 
Bulletin of Experimental Biology Medecine, 2000, 
130 (9), 874-876.
[6] Gliszczyńska-Świgło, A. Antioxidant activity of 
water soluble vitamins in the TEAC (trolox equivalent 
antioxidant capacity) and the FRAP (ferric reducing 
antioxidant power) assays. Food Chememistry, 2016, 
96 (1), 131-136.
[7] Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, 
G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, 
G.; Barone, V.; Mennucci, B. and Petersson, G. 
A. Gaussian 09, Revision E.01, Gaussian, Inc., 
Wallingford CT, 2013.
[8] Dao, D.Q.; Ngo, T.C.; Thong N. M.; Nam P. C. Is 
Vitamin A an Antioxidant or a Pro-oxidant?. The 
Journal of Physical Chemistry B, 2017, 121, 9348-
9357.
[9] Ngo, T.C.; Dao, D.Q.; Thong N. M.; Nam P. C. A 
DFT analysis on the radical scavenging activity of 
oxygenated terpenoids present in the extract of the 
buds of Cleistocalyx operculatus. RSC Advances, 
2017, 7, 39686-39698.
[10] Thong N. M.; Duong T.; Pham L. T.; Nam P. C. 
Theoretical Investigation on the Bond Dissociation 
Enthalpies of Phenolic Compounds Extracted from 
Artocarpus Altilis Using ONIOM(ROB3LYP/6-
311++G(2df,2p):PM6) Method. Chemical Physics 
Letters, 2014, 613, 139-145.
[11] Thong N. M.; Quang D. T.; Bui N. H. T.; Dao D. 
Q.; Nam P. C. Antioxidant Properties of Xanthones 
Extracted from the Pericarp of Garcinia Mangostana 
(Mangosteen): A Theoretical Study. Chemical Physics 
Letters, 2015, 625, 30-35.
[12] Marenich, A.V.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. 
Universal Solvation Model Based on Solute Electron 
Density and on a Continuum Model of the Solvent 
Defined by the Bulk Dielectric Constant and Atomic 
Surface Tensions. The Journal of Physical Chemistry 
B, 2009, 113, 6378-6396. 
[13] Ngo, T.C.; Nguyen, T. H.; Dao D.Q. Radical 
Scavenging Activity of Natural-based Cassaine 
Diterpenoid Amides and Amines. Journal of 
Chemical Information and Modelling, 2019, 59 (2), 
766-776.