乳清酸異構(gòu)化反應(yīng)的理論研究

王新利，張 莉

(1.泰山學院國有資產(chǎn)管理處，山東泰安 271021;2.山東農(nóng)業(yè)大學信息科學與工程學院，山東泰安 271000)

乳清酸(維生素B13;H3dtpc)，酮式名稱是1，2，3，6－四氫－2，6－二氧－4－嘧啶羧酸，烯醇式名稱是2，6－二羥基嘧啶－4－羧酸，作為生物活體嘧啶基核酸生物合成過程中的有效前體，是一種重要的嘧啶衍生物，在生物和藥物化學中發(fā)揮獨特的作用［1］.它可用作調(diào)節(jié)血液脂肪的藥物.除了其生物方面的重要性之外，乳清酸還是配位化學中優(yōu)良的配位單元［2］.它的酮式和烯醇式互變異構(gòu)體，以及其不對稱結(jié)構(gòu)，使其成為多用途的多齒有機配體［3］.它包含潛在的氫鍵受體和氫鍵給體，并在超分子絡(luò)合物中顯示不同的氫鍵相互作用［4］.最近，我們用乳清酸合成了數(shù)種有機金屬絡(luò)合物，如［Co(C5H2N2O4) (C14H8N4)2］2H2O［5］和［Mn(C5H2N2O4)(C12H8N2)(H2O)2］［6］.因此，有必要對乳清酸展開進一步的理論和實驗研究，以更好地理解其結(jié)構(gòu)和性質(zhì).有關(guān)乳清酸分析方法的進展被多次報道［7－10］，但是，還未開展對其結(jié)構(gòu)進行理論研究.本文將對乳清酸異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)以及異構(gòu)體直接的轉(zhuǎn)化過程進行研究，并且，其紅外光譜性質(zhì)也將被研究并與實驗數(shù)據(jù)比較.

1 實驗與計算方法

所有結(jié)構(gòu)的分子集合構(gòu)型均使用Gaussian98程序包，在密度泛函理論的B3LYP方法［11－12］進行全優(yōu)化，一個較高水平的基組6－311+G*自始至終被使用.選擇這個基組是基于這樣的考慮:要獲得非共價相互作用的可靠性質(zhì)，使用彌散函數(shù)的基組是必要的.用虛頻的數(shù)目確定所得物種是一種穩(wěn)定構(gòu)型，還是過渡態(tài)或是亞穩(wěn)態(tài).下面要討論的相對能量均為在298.15K下經(jīng)過零點能校正(ZPE和熱力學校正(TC)后的能量.

［Co(C5H2N2O4)(C14H8N4)2］·2H2O［5］和［Mn(C5H2N2O4)(C12H8N2)(H2O)2］的合成方法已經(jīng)在文獻［5－6］報道過.為了研究紅外光譜，在相同基組水平是計算了異構(gòu)體的振動頻率，并且用Nicolet AVARAT360傅里葉紅外(FT－IR)光譜儀記錄了兩個金屬有機配合物的紅外光譜.

圖1 乳清酸異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)參數(shù).鍵長的單位是nm，鍵角的單位為度(°).元素符號旁邊的數(shù)字是區(qū)分它們的序號，括號內(nèi)的數(shù)字是相當于1a、以kJ/mol為單位的能量.

2 結(jié)果與討論

2.1 乳清酸異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)分析

由于氫的位置不同，乳清酸有多種異構(gòu)體.基本異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)參數(shù)列于圖1中.異構(gòu)體1a是能量上最穩(wěn)定的一個.對于1c，3c，4b，4c和4d，空間位阻效應(yīng)使它們能量較高.例如，由于H15的位置，3b的能量比3a高37.28 kJ/mol.

在1c，3c和3d中，羧酸基和苯環(huán)并不處在同一平面.雖然共軛效應(yīng)在一定程度上被破壞了，但這些構(gòu)型也避開了鄰近氫原子間的排斥效應(yīng)，因此它們的能量并沒有異常顯著地增加.異構(gòu)體3a不能保持平面構(gòu)型，2個氧原子不能參與形成共軛π鍵，但是由于H13和H14不存在空間位阻效應(yīng)，并且這種空間構(gòu)型使H7和H15間的位阻有效降低，因此它甚至比平面構(gòu)型的3b和3c更穩(wěn)定.1c中也存在同樣的情況.

在這些化合物中，氫鍵相互作用是一個共同點特征.1a和1b比其他異構(gòu)體含有更多的氫鍵，也就更穩(wěn)定.2c的內(nèi)能比1a顯著地升高了46.86 kJ/mol，這主要是由于一些氫鍵的消失.對于最穩(wěn)定的異構(gòu)體1a，這些氫鍵的鍵長分別為0.2327、0.2328、0.2520、0.2500、0.2485、0.2679和0.2508 nm.

圖1表明，空間位阻效應(yīng)、π電子的離域和氫鍵能夠影響乳清酸的穩(wěn)定性，并且位阻效應(yīng)是一個關(guān)鍵因素.比如，4d為平面構(gòu)型，但有2對鄰近氫原子，因此其能量比1a升高達146.82 kJ/mol.

2.2 不同異構(gòu)體的轉(zhuǎn)化

在B3LYP/6－311+G*基組水平上優(yōu)化了一些質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的過渡態(tài)，過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)參數(shù)列在圖2中，虛頻的振動頻率和振動模式指認列于表1中.從圖2可以看出，質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的能壘相對較高.

圖2 在B3LYP/6－311+G*基組水平是優(yōu)化的過渡態(tài)和異構(gòu)體5的結(jié)構(gòu)參數(shù).括號內(nèi)的數(shù)字是相當于1a、以kJ/mol為單位的相對能量.

對于1a，H14轉(zhuǎn)移到O12和O13以及H15轉(zhuǎn)移到O13過程的能壘分別為193.33，207.42和200.74 kJ/mol.對于1a，H14可以通過TS1a1轉(zhuǎn)移到O12上，TS1a1的唯一虛頻是強度為576.0249 km/ mol、在i1952 cm－1處的O12－H14平面搖擺振動.這個虛頻顯示，H14正從N6向O12轉(zhuǎn)移.H14也能夠通過過渡態(tài)TS1a3從N6向O13轉(zhuǎn)移，形成4a.TS1a3的虛頻為O13－H14平面搖擺模式，也與正在轉(zhuǎn)移的H14原子有關(guān).以相似的方式，1a可以經(jīng)由TS1a2轉(zhuǎn)變?yōu)?a.對于其他質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，2b可以分別通過TS2b－5，TS2b－3e和TS2b－2c轉(zhuǎn)變?yōu)楫悩?gòu)體5，3e和2c，其能壘分別為147.02，147.97和149.46 kJ·mol－1.TS2b－2c是一個氫原子在羧基的O13和O14之間傳遞的過渡態(tài)，很高的能壘說明構(gòu)型轉(zhuǎn)變在能上是不利的.

表1 過渡態(tài)的最低頻率和振動模式指認

但是，氫原子順反異構(gòu)過程的能量相對較低，這表明此類過程容易發(fā)生.比如，H15和H11通過過渡態(tài)TS3a－3b和TS2a－2b異構(gòu)化的能壘僅為43.34KJkJ·mol－1和52.26 kJ·mol－1.

2.3 紅外光譜研究

由于H原子位置的不同，不同的乳清酸異構(gòu)體具有不同的IR譜圖.異構(gòu)體1a，2a，3e和4a的IR譜圖繪于圖3中.1a有一些引人注目的振動模式，如強度為173.07 km·mol－1在607 cm－1處的羧基O－H面外搖擺模式，在1187 cm－1處強度為325.56 km·mol－1的C－O－H平面搖擺模式，在1390 cm－1處強度為251.98 km·mol－1的C－O－H平面彎曲模式，以及C－O12伸縮模式 (1767 cm－1，810.52 km·mol－1)、C－O9伸縮模式 (1797 cm－1，312.47 km·mol－1)和C－O13伸縮模式 (1809 cm－1，722.56 km·mol－1).正如圖1所示，由于2個N－H鍵長不同，1a有2個不同的伸縮振動模式，即NH14和N－H15非對稱伸縮(3601 cm－1，157.49 km·mol－1)與N－H14和N－H15對稱伸縮模式(3602 cm－1，28.40 km·mol－1).由于只有一個O－H鍵，唯一的O－H伸縮振動模式出現(xiàn)在732 cm－1(96.33 km·mol－1).對于2a，有2個容易辨別的都是屬于O－H伸縮模式的特征頻率，分別是在3604 (117.28 km·mol－1)、3724(87.89 km·mol－1)和3761 cm－1(74.97 km·mol－1)位置的 O－H15，O－H9和O－H11伸縮振動.但是，從圖3看出，3e和4a都有一個N－H伸縮模式和兩個非常接近的O－H伸縮模式.

圖3 在B3LYP/6－311+G*基組水平上模擬的1a，2a，3e和4a的IR譜圖

模擬的乳清酸IR譜圖可以幫助我們理解乳清酸絡(luò)合物的光譜和結(jié)構(gòu).用實驗方法記錄的［CoII(DPQN)2(C5H3N2O4)］·2H2O［5］和［MnII(C5H2N2O4)(C12H8N2)(H2O)2］［6］的譜圖分別列在圖4和圖5中.圖4和圖5顯示，3421.34和3329.16 cm－1位置的吸收對應(yīng)著N－H伸縮振動模式，這表明N－H鍵的存在;1641.20和1639.26 cm－1處的強烈吸收對應(yīng)1a中C－O13的伸縮振動模式，并且1608.83和1511.21 cm－1處為C－O12的伸縮振動模式.因此，離解2個質(zhì)子后，乳清酸以異構(gòu)體1a參與中心金屬的配位.

3 結(jié)論

本文使用Gaussian98程序包、在B3LYP/6－311+G*基組水平上對乳清酸異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)進行了全優(yōu)化，并在同一基組水平上計算了能量.我們的研究結(jié)果表明，空間位阻效應(yīng)、氫鍵和共軛效應(yīng)在維持乳清酸空間構(gòu)型中發(fā)揮重要作用.異構(gòu)體1a在能量上最穩(wěn)定.同時研究了質(zhì)子轉(zhuǎn)移和異構(gòu)化過程，研究顯示，質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的能壘非常高，氫原子順反異構(gòu)過程的能壘相對較低，這說明順反異構(gòu)過程更容易發(fā)生.模擬的紅外譜圖可以幫助我們區(qū)分不同異構(gòu)體，并確定紅外光譜實驗中的振動模式.DFT和IR研究使我們充分理解有多種用途的乳清酸的結(jié)構(gòu).

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