孤立條件下α－丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變機(jī)制的密度泛函理論

王佐成，劉鳳閣，呂 洋，趙衍輝，于天榮

（1.白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林 白城 137000；2.吉林大學(xué) 原子與分子物理研究所，長春 130012；3.白城醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 醫(yī)學(xué)二系，吉林 白城 137000；4.白城師范學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)管理中心，吉林 白城 137000）

α－丙氨酸有左旋和右旋一對對映體，左旋體廣泛存在于動物體內(nèi)，對預(yù)防腎結(jié)石和協(xié)助葡萄糖代謝的作用較大，并有助于緩和低血糖［1］；右旋體有抑菌作用，是自然保濕因子的主要成分，主要應(yīng)用于手性藥物、手性助劑和化妝品等領(lǐng)域［2］.目前，關(guān)于手性α－丙氨酸分子的研究報(bào)道較多：如劉鳳閣等［3］對α－丙氨酸分子手性對映體的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了理論研究，龔?等［4］研究了丙氨酸對映體單晶變溫偏振激光Raman光譜；王文清等［5］研究了α－丙氨酸分子的變溫中子結(jié)構(gòu).本文通過對α－丙氨酸手性轉(zhuǎn)變過程的研究，給出α－丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變的反應(yīng)路徑及反應(yīng)能壘，得到了α－丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變的反應(yīng)機(jī)制.

1 計(jì)算方法

本文在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上將S型α－丙氨酸分子作為反應(yīng)物，研究其到產(chǎn)物R型α－丙氨酸分子的過渡態(tài)［6－8］及中間體，并對包括過渡態(tài)在內(nèi)的極值點(diǎn)前線分子軌道進(jìn)行分析以獲得分子的鍵特性.

計(jì)算基于密度泛函理論（DFT）的B3LYP［9－10］方法，采用雙分裂價(jià)基選擇基組，對C，O，N等原子加d極化函數(shù)，對H原子加p極化函數(shù)，即采用6－31＋g（d，p）基組進(jìn)行單重態(tài)勢能面上的極小值、紅外振動頻率及前線分子軌道的理論計(jì)算.為驗(yàn)證過渡態(tài)的可靠性，對過渡態(tài)進(jìn)行了內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）［11－14］分析.將過渡態(tài)和中間體等各極值點(diǎn)連接以確定反應(yīng)路徑.本文所有計(jì)算及圖形均用Gaussian03／GaussView［15］軟件完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 α－丙氨酸分子對映體的結(jié)構(gòu)

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上的R型和S型α－丙氨酸分子的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示.對于這種點(diǎn)手性分子對映體的轉(zhuǎn)變，氫轉(zhuǎn)移過程是最佳的反應(yīng)途徑［16］.由圖1可見，若實(shí)現(xiàn)對映體從S型到R型的手性轉(zhuǎn)變，則需實(shí)現(xiàn)13H的位置移動.其過程會出現(xiàn)4C—1C—9C碳骨架的異構(gòu)、4C與2H，3H，5H基團(tuán)的異構(gòu)、6N與7H，8H基團(tuán)的異構(gòu)以及13H—1C—6N鍵角對稱改變的異構(gòu).

圖1 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上的S型與R型α－丙氨酸分子的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometries of（S）－and（R）－α－alanine molecules at the level of B3LYP／6－31＋g（d，p）

2.2 α－丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變路徑的中間體及過渡態(tài)

對13H轉(zhuǎn)移至10O上的結(jié)構(gòu)在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化、計(jì)算單重態(tài)的最低單點(diǎn)能和紅外振動頻率，并分析前線分子軌道，得到中間體（INT）的結(jié)構(gòu)如圖2（A）所示.計(jì)算結(jié)果顯示，4C，1C，6N，9C，10O，11O，12H，13H基本處于同一平面上，二面角偏差均小于0.1°.能量為EINT（B3LYP）＝－323.742 1a.u.，頻率計(jì)算結(jié)果為無虛頻，表明所得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.其前線分子軌道如圖2（B）和（C）所示.INT的最高占據(jù)軌道（HOMO）主要來源于骨架原子p電子的貢獻(xiàn)，骨架原子間1C與9C呈π鍵效應(yīng)，其他原子的p電子呈局域特性.最低非占據(jù)軌道（LUMO）的骨架原子間及羧基的O和H間呈非鍵特性.在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上分析過渡態(tài)TS1和TS2，計(jì)算過渡態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)、能量、紅外振動頻率及其前線分子軌道.對過渡態(tài)進(jìn)行全優(yōu)化后的能量為：ETS1（B3LYP）＝ETS2（B3LYP）＝－323.649 5a.u.；紅外振動均存在虛頻：FreqTS1＝－2 063.94cm－1，過渡態(tài)TS1和TS2的幾何構(gòu)型及虛頻下的振動模式分別如圖3和圖4所示.

圖2 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上計(jì)算的INT幾何結(jié)構(gòu)（A）與HOMO（B）和LUMO（C）前線分子軌道Fig.2 Calculated geometries of INT（A），frontier molecular orbitals HOMO（B）and LUMO （C）at the B3LYP／6－31＋g（d，p）level

圖3 TS1結(jié)構(gòu)及虛頻對應(yīng)的振動模式Fig.3 Geometry and imaginary frequency vibrational mode of TS1

圖4 TS2結(jié)構(gòu)及虛頻對應(yīng)的振動模式Fig.4 Geometry and imaginary frequency vibrational mode of TS2

由圖3可見，13H可從S型α－丙氨酸分子的1C遷移至10O上，該過程伴隨碳氮骨架、6N基團(tuán)與羧基的異構(gòu)，形成INT.由圖4可見，13H可從INT的10O上遷移至R型α－丙氨酸分子的1C上，該過程也伴隨碳氮骨架、6N基團(tuán)與羧基的異構(gòu)，形成R型α－丙氨酸分子.TS1和TS2的HOMO及LUMO分別如圖5和圖6所示.

圖5 TS1的HOMO（A）及LUMO（B）Fig.5 HOMO（A）and LUMO（B）of TS1

由圖5和圖6可見：HOMO軌道均為10O原子的p電子與13H原子的s電子貢獻(xiàn)，具有明顯的反鍵特征；LUMO軌道為1C和10O原子的p電子與13H的s電子貢獻(xiàn)，具有成鍵鍵特征.因此，TS1和TS2是分別連接反應(yīng)物與中間體及中間體與生成物的過渡態(tài).

2.3 α－丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變過渡態(tài)的IRC計(jì)算

為驗(yàn)證過渡態(tài)的可靠性，即過渡態(tài)TS1為連接S型對映體與INT，TS2為連接INT與R型對映體，分別對TS1和TS2在B3LYP／6－31＋g（d，p）理論水平上進(jìn)行IRC路徑探測，結(jié)果如圖7所示.

由圖7（A）可見，其能量最高點(diǎn)為過渡態(tài)TS1，最低點(diǎn)分別為中間體INT和S型α－丙氨酸分子的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后得到中間體和S型α－丙氨酸分子結(jié)構(gòu).由圖7（B）可見，其能量最高點(diǎn)為過渡態(tài)TS2，最低點(diǎn)分別為R型α－丙氨酸分子和中間體INT，優(yōu)化后分別得到中間體和R型α－丙氨酸分子的結(jié)構(gòu).S型對映體轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g體的過程如圖8所示.中間體轉(zhuǎn)變?yōu)镽型對映體的過程如圖9所示.

圖6 TS2的HOMO（A）和LUMO（B）Fig.6 HOMO（A）and LUMO（B）of TS2

圖7 B3LYP／6－31＋g（d，p）理論水平上對過渡態(tài)TS1（A）和TS2（B）進(jìn)行的IRC分析Fig.7 IRC analysis for transition state TS1（A）and TS2（B）at the level of B3LYP／6－31＋g（d，p）

圖8 S型對映體轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g體的過程Fig.8 Conversion process from （S）－enantiomer into intermediates

2.4 α－丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變路徑

綜上可知，α－丙氨酸分子從S型到R型的手性轉(zhuǎn)變路徑為S→TS1→INT→TS2→R，反應(yīng)路徑中各狀態(tài)結(jié)構(gòu)的主要幾何參數(shù)列于表1，穩(wěn)定點(diǎn)與過渡態(tài)的能量列于表2.由表2可見，S型α－丙氨酸分子經(jīng)過渡態(tài)TS1轉(zhuǎn)變至中間體INT需跨越的能壘為326.6kJ／mol.實(shí)現(xiàn)此過程需要外界干預(yù).中間體INT再跨越1個243.1kJ／mol的能壘，即可由過渡態(tài)TS2轉(zhuǎn)變至R型α－丙氨酸分子，實(shí)現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變.完成手性轉(zhuǎn)變所對應(yīng)的勢能面示意圖如圖10所示.

圖9 中間體轉(zhuǎn)變?yōu)镽型對映體的過程Fig.9 Conversion process from intermediates into（R）－enantiomer

表1 反應(yīng)路徑中各穩(wěn)定點(diǎn)及過渡態(tài)的主要幾何參數(shù)＊Table 1 Principal geometric parameters of stable points and transition states in pathway

表2 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上計(jì)算的反應(yīng)路徑中穩(wěn)定點(diǎn)及過渡態(tài)的能量和相對能量Table 2 Energies，relative energies of each stable point and transition state of pathways calculated at the B3LYP／6－31＋g（d，p）level

圖10 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上計(jì)算的α－丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變過程勢能面示意圖Fig.10 Potential surfaces diagram ofα－alanine molecule chiral transition process calculated at the B3LYP／6－31＋g（d，p）level

綜上，本文使用DFT的B3LYP方法，采用6－31＋g（d，p）基組，計(jì)算了α－丙氨酸分子從S型到R型的手性轉(zhuǎn)變過程.結(jié)果表明，該反應(yīng)路徑為：先由S型α－丙氨酸分子跨越1個326.6kJ／mol的能壘達(dá)到過渡態(tài)TS1，TS1經(jīng)過1個放熱過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g體INT后，再跨越1個243.1kJ／mol的能壘，經(jīng)過渡態(tài)TS2轉(zhuǎn)變至R型α－丙氨酸分子，經(jīng)過1個放熱過程，即可實(shí)現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變.由于2個能壘均較高，因此該手性轉(zhuǎn)變過程需在一定的外界條件干預(yù)下才能實(shí)現(xiàn).

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