CPCM溶劑模型對(duì)乳清酸異構(gòu)化反應(yīng)的影響

程學(xué)禮，趙燕云

(泰山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，山東泰安 271021)

乳清酸(也叫維生素B13或H3dtpc)是生物體中核酸嘧啶類生物堿生物合成的前驅(qū)體，是配位化學(xué)中的一種良好配體，在生物合成和藥物化學(xué)中發(fā)揮著獨(dú)特作用［1］.它的酮式和烯醇式互變異構(gòu)體，以及不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使其成為多用途的多齒有機(jī)配體［2－3］.乳清酸也是調(diào)節(jié)血脂的藥物.而且，它具備帶有形成氫鍵的孤對(duì)電子給體和受體，因此可以在超分子組裝體中形成各種氫鍵作用［4］.文獻(xiàn)上也不斷有以乳清酸為配體的報(bào)道［5－7］.我們課題組已經(jīng)對(duì)乳清酸結(jié)構(gòu)和紅外光譜進(jìn)行了密度泛函研究［8］.為充分理解其空間構(gòu)型、異構(gòu)化過程以及獲得一些有用的參數(shù)，本文將對(duì)乳清酸異構(gòu)化反應(yīng)展開理論研究.

1 理論方法

對(duì)各反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物的全優(yōu)化是使用Gaussian98程序包、在6－311+G*基組水平上完成的.本文采用了一種可信的密度泛函理論(DFT)方法B3LYP，即Becke三參數(shù)非定域交換泛函和Lee－Yang－Parr非定域相關(guān)泛函?相結(jié)合的方法結(jié)構(gòu)優(yōu)化、計(jì)算頻率并獲得能量.分子結(jié)構(gòu)用Gauss-View3.07創(chuàng)建［9］.為考慮水的影響，本文采用導(dǎo)體極化連續(xù)介質(zhì)模型(CPCM)計(jì)算單點(diǎn)能以闡明反應(yīng)機(jī)理.考慮到所需計(jì)算時(shí)間，并且用CPCM模型優(yōu)化的鍵長(zhǎng)變化與氣相結(jié)構(gòu)相比總是很小，本文僅用氣相平衡構(gòu)型開展CPCM單點(diǎn)能(SPE)計(jì)算，同時(shí)采用SCF=Tight關(guān)鍵詞提高SCF收斂標(biāo)準(zhǔn)以獲得高精度.

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑效應(yīng)的影響

我們的前期工作已經(jīng)確定了氣相中乳清酸的最穩(wěn)定的構(gòu)型，且空間效應(yīng)、氫鍵和共軛相應(yīng)在維持其特定結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了重要作用.本文考慮溶劑效應(yīng)重新計(jì)算能量.首先，我們采用默認(rèn)的聯(lián)合原子拓?fù)淠Ｐ?UA0)定義原子半徑，并用SphereOnH=N關(guān)鍵詞描述正在轉(zhuǎn)移的氫原子.構(gòu)型1a仍是最穩(wěn)定的，與之相比較，考慮溶劑效應(yīng)后各中間體的相對(duì)能量變化不大，個(gè)別會(huì)出現(xiàn)顯著降低.計(jì)算結(jié)果表明，2b在氣相中的相對(duì)能量為84.0 kJ/mol，在溶液中為84.6 kJ/mol.本文優(yōu)化了乳清酸的4種重要異構(gòu)體2d、2e、3f和3g，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和能量列于圖1.圖1表明，各異構(gòu)體的鍵長(zhǎng)、鍵角結(jié)構(gòu)差別不大.一般來說，液相中的相對(duì)能量比氣相中的能量升高或降低10 kJ/mol以內(nèi)，但個(gè)別會(huì)出現(xiàn)顯著變化.如考慮溶劑效應(yīng)后，構(gòu)型3f的相對(duì)能量下降達(dá)34.6 kJ/mol之多，這么大的能量變化不可接受.因此，對(duì)溶液中的反應(yīng)，應(yīng)該考慮溶劑的影響.

圖1 乳清酸的4種異構(gòu)體.鍵長(zhǎng)和鍵角分別以nm和°為單位.()中為氣相中相對(duì)于1a的能量，［］為CPCM單點(diǎn)計(jì)算的能量

2.2 IR光譜指認(rèn)

Gaussian03可以計(jì)算精確的紅外光譜數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行光譜指認(rèn)［8］.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.用Gaussian03計(jì)算得到的異構(gòu)體2d、2e、3f和3g的IR譜圖及振動(dòng)模式指認(rèn)繪于圖2中.2d和2e僅僅是羧基上氫原子的位置不同，因而二者圖片十分接近，只是在紅外強(qiáng)度上有細(xì)微差別.同樣，異構(gòu)體3f和3g是羧基上氫的順反異構(gòu)引起的，從中可以清晰地看到各特征頻率的位置和強(qiáng)度，只不過在3g中出現(xiàn)了一條明顯的C－O9伸縮振動(dòng)的譜線，其位置在1852 cm－1處，強(qiáng)度為244.58 km·mol－1;C=O伸縮振動(dòng)在1788 cm－1有很強(qiáng)的吸收峰.

3 溶劑模型對(duì)能壘的影響

本文用同樣方法計(jì)算了2b和3e異構(gòu)化的能壘，過渡態(tài)標(biāo)記為TS2b－3e.相關(guān)結(jié)構(gòu)和能量列于圖3中.由于在轉(zhuǎn)移的H9原子上定義了不同的半徑，相對(duì)于1a的TS2b－3e能量高達(dá)663.8 kJ/mol，完全不可接受.這說明，目前流行的計(jì)算能量的方法不能描述氫轉(zhuǎn)移的過渡態(tài)［9－10］.

我們用UAKS原子半徑重新進(jìn)行了單點(diǎn)計(jì)算，此時(shí)相對(duì)能量為246.5 kJ/mol，與氣相中232.0 kJ/mol接近.圖3表明，采用不同的原子半徑定義對(duì)異構(gòu)體2b和3e的影響不大.本文采用此方法對(duì)其他構(gòu)型進(jìn)行了單點(diǎn)計(jì)算，也證明是采用了不同的原子半徑導(dǎo)致了氫轉(zhuǎn)移過渡態(tài)能量失準(zhǔn)，而對(duì)其他構(gòu)型沒有大的影響.比如，采用UAKS半徑后3f的相對(duì)能量為69.5 kJ/mol，同樣出現(xiàn)明顯降低.

4 結(jié)論

溶液中的化學(xué)反應(yīng)需考慮溶劑效應(yīng)的影響.本文采用密度泛函方法研究了CPCM溶劑模型對(duì)乳清酸異構(gòu)化反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)溶劑模型對(duì)個(gè)別化合物的影響明顯.采用默認(rèn)的UA0定義原子半徑時(shí)，因?yàn)椴荒軐?duì)正在轉(zhuǎn)移的氫原子進(jìn)行描述而使用SphereOnH=N關(guān)鍵詞，這導(dǎo)致不能估計(jì)氫轉(zhuǎn)移過渡態(tài)的能量.當(dāng)采用UAKS半徑時(shí)，所得相對(duì)能量和能壘才與氣相能量很好地符合.

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