基于氨基作H 轉(zhuǎn)移橋梁?jiǎn)误wα－Ala的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理

李 忠，佟 華，楊曉翠，程彥明，王佐成，梅澤民

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院 大學(xué)物理教研室，長(zhǎng)春 130000；2.白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，白城 137000）

α－Ala是手性氨基酸的最小殘基.左旋體對(duì)預(yù)防腎結(jié)石、協(xié)助葡萄糖代謝、緩和低血糖等有重要作用，右旋體有抑菌和保濕作用，并可用于手性制藥和手性助劑等方面.由于光學(xué)純的α－Ala的重要作用，科研人員對(duì)它進(jìn)行了廣泛深入的研究.Sándor和Adamowicz等人對(duì)左旋α－Ala的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究，獲得了左旋α－Ala的優(yōu)勢(shì)構(gòu)型和電荷分布等信息［1－2］；劉鳳閣等人［3］基于密度泛函理論對(duì)α－Ala的研究，得到了α－Ala一對(duì)手性對(duì)映體的幾何構(gòu)型、紅外振動(dòng)譜和VCD 譜（振動(dòng)圓二色光譜）；Richter等研究組對(duì)生命體的實(shí)驗(yàn)研究表明［4－5］，有微量的丙氨酸右旋體存在于生命體內(nèi)，并猜測(cè)部分來(lái)源于其左旋體的異構(gòu)化.

已有的研究［6－7］發(fā)現(xiàn)了孤立條件下α－Ala手性轉(zhuǎn)變的三個(gè)反應(yīng)通道，第一通道是通過(guò)手性碳上的氫H 以羧基上的氧為橋梁進(jìn)行遷移而完成的；第二通道是先實(shí)現(xiàn)羧基內(nèi)的H 轉(zhuǎn)移，然后手性碳上的氫H 再以羰基上的氧為橋梁進(jìn)行遷移完成；第三通道是羧基內(nèi)的H 轉(zhuǎn)移和手性碳上的氫遷移到羰基完成后，羧基上的H 向甲基和甲基上的H 向手性碳的協(xié)同轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變.本工作研究了氨基作為H 轉(zhuǎn)移橋梁，單體α－Ala分子的手性轉(zhuǎn)變過(guò)程，探索了更具優(yōu)勢(shì)的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)通道.對(duì)于人們?nèi)嫔羁痰亓私猞粒瑼la的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理，為進(jìn)一步深入研究α－Ala在不同環(huán)境條件的手性轉(zhuǎn)變機(jī)制，更合理地解釋生命體內(nèi)右旋α－Ala分子的存在，為α－Ala分子手性轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)研究提供一個(gè)更可行的理論參考.

1 研究與計(jì)算方法

采用基于密度泛函理論的B3LYP［8－9］方法，選擇6－31＋g（d，p）基組，計(jì)算氨基作為H 轉(zhuǎn)移橋梁時(shí)，S型α－Ala向R 型α－Ala轉(zhuǎn)變過(guò)程中，極小點(diǎn)、過(guò)渡態(tài)［10－12］的幾何結(jié)構(gòu)、前線分子軌道和零點(diǎn)振動(dòng)能.通過(guò)IRC［13－14］計(jì)算，進(jìn)一步確定過(guò)渡態(tài)的可靠性.為得到較高水平的能量，計(jì)算出相對(duì)精確的反應(yīng)過(guò)程勢(shì)能面，采用微擾理論的MP2 方法［15］，選擇6－311＋＋g（d，p）基組計(jì)算體系的單點(diǎn)能，進(jìn)行零點(diǎn)振動(dòng)能修正，利用Etotal＝ESP＋EZPV計(jì)算總能量.文中計(jì)算均由Gaussian09［16］程序包完成.

圖1 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上的S型與R 型α－Ala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 結(jié)果與討論

2.1 氨基為H轉(zhuǎn)移橋梁α－Ala手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變過(guò)程

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平的α－Ala分子對(duì)映體結(jié)構(gòu)［5］如圖1所示.對(duì)圖1進(jìn)行分析可以知道，氨基為H 轉(zhuǎn)移橋梁α－Ala實(shí)現(xiàn)從S到R 型的手性轉(zhuǎn)變，可以有兩條通道.

第一條命名為a通道，首先是氨基上的7H 和8H 經(jīng)過(guò)在紙面里外擺動(dòng)的過(guò)渡態(tài)aTS1，擺到紙的里面，異構(gòu)成中間體aINT1；然后，13H 經(jīng)過(guò)渡態(tài)aTS2從手性碳遷移到氨基上，形成中間體aINT2；接著是經(jīng)過(guò)渡態(tài)aTS3，氨基的1個(gè)H 在紙面里側(cè)從6N 上遷移到手性碳1C上，形成中間體產(chǎn)物R 型α－Ala，記為aINT3（R），完成手性轉(zhuǎn)變；對(duì)aINT3（R）的優(yōu)化表明，其與S型α－Ala并不完全手性對(duì)稱，aINT3（R）再經(jīng)過(guò)一個(gè)氨基旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)aTS4，便異構(gòu)成為S型α－Ala的手性對(duì)映體R 型α－Ala.此過(guò)程表示為：S→aTS1→aINT1→aTS2→aINT2→aTS3→aINT3（R）→aTS4→R.

第二條命名為b通道，首先是手性碳上的13H 過(guò)渡態(tài)bTS1 遷移到羰基氧10O 上，形成中間體bINT1；而后經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS2，10O 上的13H 遷移到6N 上，形成與a通道上的aINT2相同的中間體，以后的過(guò)程全同于a通道上aINT2以后的過(guò)程.此過(guò)程表示為：S→bTS1→bINT1→bTS2→aINT2→aTS3→aINT3（R）→aTS4→R.

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上，對(duì)a和b兩通道上α－Ala手性轉(zhuǎn)變過(guò)程中的所有反應(yīng)物、中間體產(chǎn)物及過(guò)渡態(tài)進(jìn)行全優(yōu)化，得到的各極小點(diǎn)、過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)和過(guò)渡態(tài)虛頻下的振動(dòng)模式見(jiàn)圖2和圖3，各極小點(diǎn)和過(guò)渡態(tài)的能量、零點(diǎn)振動(dòng)能以及過(guò)渡態(tài)的虛頻見(jiàn)表1.

圖2 α－Ala分子在a通道手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)過(guò)程的極小點(diǎn)和過(guò)渡態(tài)幾何構(gòu)型、過(guò)渡態(tài)的虛頻振動(dòng)模式及反應(yīng)過(guò)程示意圖Fig.2 Geometries of each minimum point and transition state，imaginary frequency vibrational modes of transition states，and reaction process diagram ofα－alanine molecules chiral shift reaction process via path a

圖3 α－Ala分子在b通道手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)部分過(guò)程的極小點(diǎn)和過(guò)渡態(tài)幾何構(gòu)型、過(guò)渡態(tài)的虛頻振動(dòng)模式及反應(yīng)過(guò)程示意圖Fig.3 Geometries of each minimum point and transition state，imaginary frequency vibrational modes of transition states，and reaction process diagram of parts ofα－alanine molecules chiral shift via path b

表1 在MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上，極小點(diǎn)和過(guò)渡態(tài)的零點(diǎn)振動(dòng)能、過(guò)渡態(tài)的虛頻、單點(diǎn)能、總能及相對(duì)總能量Tab.1 Zero－point vibrational energy of each minimum point and transition state，imaginary frequency，single－point energy，the total energy and the relative total energy at the MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）level

2.2 過(guò)渡態(tài)的可靠性驗(yàn)證及鍵特性分析

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平，對(duì)每個(gè)過(guò)渡態(tài)沿其虛頻振動(dòng)的兩個(gè)方向調(diào)節(jié)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分別得到了每個(gè)過(guò)渡態(tài)的反應(yīng)物和產(chǎn)物，驗(yàn)證了諸過(guò)渡態(tài)具有可靠性.

在B3LYP／6－31＋g（d，p）理論水平上對(duì)諸過(guò)渡態(tài)進(jìn)行IRC 路徑探測(cè)，對(duì)過(guò)渡態(tài)aTS1，aTS2，aTS3和bTS2的IRC計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，把每個(gè)IRC路徑的左端和右端取出的構(gòu)型優(yōu)化，分別得到了對(duì)應(yīng)過(guò)渡態(tài)的反應(yīng)物和產(chǎn)物，這進(jìn)一步驗(yàn)證了諸過(guò)渡態(tài)的可靠性.

由IRC曲線圖4的（a），（b），（c）還可以看出，反應(yīng)物S型α－Ala經(jīng)過(guò)渡態(tài)aTS1、aTS2和aTS3異構(gòu)為aINT3（R），在第一通道完成手性轉(zhuǎn)變過(guò)程，并可大致地看出手性轉(zhuǎn)變異構(gòu)反應(yīng)過(guò)程中體系能量的大致變化.bTS1的IRC曲線［6］和圖4的（d）與（c）可以看出，反應(yīng)物S型α－Ala經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS1，bTS2和aTS3異構(gòu)為aINT3（R），在第二通道完成手性轉(zhuǎn)變過(guò)程.綜上所述，說(shuō)明我們搜索到的諸過(guò)渡態(tài)確是a和b兩個(gè)反應(yīng)通道上的過(guò)渡態(tài).

對(duì)a和b兩個(gè)通道，aTS1、aTS2、bTS1和bTS2這四個(gè)過(guò)渡態(tài)極為重要，bTS1的前線分子軌道的鍵特性已有研究［1］，本工作只對(duì)aTS1、aTS2和bTS2的前線軌道給予討論.在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上，計(jì)算的aTS1、aTS2和bTS2的前線分子軌道見(jiàn)表2.

圖4 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平對(duì)過(guò)渡態(tài)的IRC分析（左端、峰值和右端分別為反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)和產(chǎn)物）Fig.4 The IRC analysis of transition states（left side，peak value and right side is reactant，transition state and product respectively）at the level of B3LYP／6－31＋g（d，p）

表2 在B3LYP／6－31＋g（d，p）理論水平上計(jì)算的不同過(guò)渡態(tài)體系的前線分子軌道Tab.2 Frontier molecular orbitals of different transition state systems calculated at the B3LYP／6－31＋g（d，p）level

從表2可以看出，對(duì)于aTS1的HOMO 軌道，是7H 和8H 原子的s電子與6N 原子的p電子貢獻(xiàn)了具有明顯反鍵特征的軌道，而LUMO 軌道，則是7H 和8H 原子的s電子與6N 原子的p電子貢獻(xiàn)了具有成鍵鍵特征的軌道，說(shuō)明7H 和8H 可從紙面外向紙面里擺動(dòng).對(duì)于aTS2的HOMO 軌道，是13H 原子的s電子與6N 和1C原子的p電子貢獻(xiàn)了具有反鍵特征的軌道，LUMO 軌道，是13H、的s電子與6N 原子的p電子貢獻(xiàn)了具有十分明顯成鍵鍵特征的軌道，說(shuō)明13H 從1C 向6N 遷移是過(guò)渡態(tài)aTS2的走向.對(duì)于bTS2的HOMO 軌道，是13H 原子的s電子與6N 與10O 原子的p電子貢獻(xiàn)了具有明顯反鍵特征的軌道，而LUMO 軌道，則是13H 原子的s電子與6N 原子的p電子貢獻(xiàn)了具有成鍵鍵特征的軌道，說(shuō)明13H 從10O 向6N 遷移是過(guò)渡態(tài)aTS2的走向.因此，aTS1、aTS2和bTS1的前線分子軌道較好地體現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的過(guò)渡態(tài)的非鍵特性，說(shuō)明這些過(guò)渡態(tài)確是分別連接反應(yīng)物與中間體和中間體與中間體產(chǎn)物的過(guò)渡態(tài).

2.3 質(zhì)子H 以氨基為遷移橋梁α－Ala手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面

為了獲得相對(duì)高水平的極小點(diǎn)和過(guò)渡態(tài)體系的能量，計(jì)算出相對(duì)精確的S 型α－Ala手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)過(guò)程勢(shì)能面，采用微擾理論的MP2方法，選擇6－311＋＋g（d，p）基組計(jì)算體系的單點(diǎn)能；進(jìn)行零點(diǎn)振動(dòng)能修正，利用Etotal＝ESP＋EZPV計(jì)算總能量（ESP為單點(diǎn)能，EZPV為零點(diǎn)振動(dòng)能，Etotal為零點(diǎn)振動(dòng)能修正后的體系總能量）；選取反應(yīng)物S型α－Ala的總能量為相對(duì)總能量的零點(diǎn)，計(jì)算相對(duì)總能量ΔEtotal，見(jiàn)表1.

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，繪制了氨基作為質(zhì)子H 遷移橋梁時(shí)，單體α－Ala手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面示意圖，見(jiàn)圖5.

圖5 在MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）水平，α－丙氨酸手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)過(guò)程勢(shì)能面示意圖Fig.5 Potential energy surfaces diagram ofα－alanine molecule chiral enantiomer transition reaction processes calculated at the MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）level

從圖5可以看出，第一反應(yīng)通道上的最高能壘為266.1kJ·mol－1，是由手性碳上的H 向氨基轉(zhuǎn)移的過(guò)渡態(tài)aTS2產(chǎn)生的；第二反應(yīng)通道上的最高能壘為319.9kJ·mol－1，是由手性碳上的H 向羰基轉(zhuǎn)移的過(guò)渡態(tài)bTS2產(chǎn)生的；它與只通過(guò)羰基作H 轉(zhuǎn)移橋梁，α－Ala手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的最高能壘來(lái)自于同一個(gè)過(guò)渡態(tài)［6］，具有相同的值.因此，這兩個(gè)通道相比較，第一通道為優(yōu)勢(shì)通道.266.1kJ·mol－1的能壘也低于羧基作橋和羰基與甲基共同作橋的最高能壘316.3和337.4kJ·mol－1［7］.所以說(shuō)，H 只以氨基為橋，從手性碳的一側(cè)遷移到另一側(cè)的通道，是單體α－Ala手性轉(zhuǎn)變所有反應(yīng)通道中的最優(yōu)通道.但266.1kJ·mol－1的能壘在常溫下是難以逾越的，這說(shuō)明通常情況下的α－Ala分子具有穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生單分子手性轉(zhuǎn)變的異構(gòu)現(xiàn)象.

在MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）理論水平上，計(jì)算研究氨基作為質(zhì)子轉(zhuǎn)移橋梁時(shí)，單體α－Ala分子的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理.反應(yīng)通道研究發(fā)現(xiàn)：氨基作為質(zhì)子轉(zhuǎn)移橋梁的α－Ala的手性轉(zhuǎn)變有兩個(gè)反應(yīng)通道，第一反應(yīng)通道a，是手性碳的H 直接以氨基為橋轉(zhuǎn)移到手性碳另一側(cè)，α－Ala分子實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變；第二反應(yīng)通道b，是手性碳的H 依次以羰基和氨基為橋，轉(zhuǎn)移到手性碳另一側(cè)，α－Ala分子實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變.勢(shì)能面計(jì)算表明：a通道上的最高能壘為266.1kJ·mol－1，低于b通道和只以羰基為H 轉(zhuǎn)移橋梁的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)通道［1］的最高能壘319.9kJ·mol－1，也低于羧基作橋和羰基與甲基共同作橋的最高能壘316.3和337.4kJ·mol－1［2］.結(jié)果表明：H 只以氨基為橋，從手性碳的一側(cè)遷移到另一側(cè)的通道，是單體α－Ala手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的最優(yōu)通道，通常情況下的α－Ala分子具有穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生單分子手性轉(zhuǎn)變的異構(gòu)現(xiàn)象.

本工作找到了單體α－Ala手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的最優(yōu)通道，這對(duì)于進(jìn)一步深入探索α－Ala在水環(huán)境下、納米環(huán)境下的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理，更好地解釋?duì)粒瑼la在生命體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的手性對(duì)映體異構(gòu)機(jī)制，具有重要的理論意義；同時(shí)，期望后續(xù)的研究會(huì)為實(shí)驗(yàn)上獲得光學(xué)純的α－Ala，在理論上提供一個(gè)更切實(shí)可行的方法，相關(guān)的工作正在進(jìn)行中.

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