基于氨基做質(zhì)子遷移橋梁的苯丙氨酸分子旋光異構(gòu)反應(yīng)機(jī)理

張 新，李晨潔，董麗榮，高 峰，王佐成

(1. 白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，白城 137000；2. 白城師范學(xué)院 傳媒學(xué)院，白城 137000；3. 吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，四平 136000)

苯丙氨酸(Phe)是一種人體必需氨基酸，分為左旋體(S-Phe)和右旋體(R-Phe)．S-Phe是人和動(dòng)物所必需的，可用作醫(yī)藥、人類(lèi)食品添加劑和動(dòng)物飼料添加劑．R-Phe可用作制備抗癌藥物的中間體以及合成治療老年藥物等．用R-Phe合成腦內(nèi)的部分類(lèi)似肽，可用于治療和預(yù)防阿爾茨海默病[1]．

基于Phe的重要作用，人們對(duì)它進(jìn)行了大量的研究．黃志堅(jiān)[2]對(duì)苯丙氨酸分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，得到了氣相苯丙氨酸分子的多個(gè)最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，計(jì)算了主要最穩(wěn)結(jié)構(gòu)所占的比率，并分析了紅外光譜數(shù)據(jù)和計(jì)算它的電離能．Simon[3]在2000年測(cè)量了S-Phe的紫外和紅外R2PI譜，Kim小組[4]在2002年進(jìn)一步測(cè)量了S-Phe的R2PI譜，用密度泛函的方法對(duì)S-Phe最外殼層軌道的電離能做了研究，分析了電離能之間的差異是由于S-Phe分子內(nèi)形成了氫鍵．Kim[5]用密度泛函的方法研究了S-Phe陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)和能量．Lee[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了S-Phe的R2PI譜，并結(jié)合微擾理論的MP2方法，測(cè)量了S1態(tài)的壽命．Pérez等人[7]在2001年通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了S-Phe的轉(zhuǎn)動(dòng)譜，證實(shí)了S-Phe兩種構(gòu)象含有分子內(nèi)氫鍵．

然而，關(guān)于Phe旋光異構(gòu)機(jī)理的研究目前鮮見(jiàn)報(bào)道．氣相Phe旋光異構(gòu)機(jī)制的研究，對(duì)于進(jìn)一步研究Phe在溶劑和納米限域環(huán)境的旋光異構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義．文獻(xiàn)[8-13]的研究表明： 氣相的賴(lài)氨酸、α-丙氨酸、纈氨酸和半胱氨酸等氨基酸的旋光異構(gòu)反應(yīng)，優(yōu)勢(shì)反應(yīng)通道均是手性碳上的質(zhì)子以氨基為橋遷移．基于此，本工作研究了氣相Phe分子以氨基作為質(zhì)子遷移橋梁的旋光異構(gòu)過(guò)程．

1 模型選取與計(jì)算方法

Phe分子能形成多種分子內(nèi)氫鍵,存在很多能量相近的穩(wěn)定構(gòu)型．選取S-Phe分子的3種最穩(wěn)定構(gòu)型[2]S-Phe_1、S-Phe_2和S-Phe_3(見(jiàn)圖1)做為反應(yīng)物，研究它們的旋光異構(gòu)．采用密度泛函理論的B3LYP[14-15]方法，選擇6-31+G(d,p)基組，全優(yōu)化S型Phe向R型Phe異構(gòu)過(guò)程中的各個(gè)駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)．通過(guò)對(duì)過(guò)渡態(tài)[16-17]進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[18-19]計(jì)算，對(duì)過(guò)渡態(tài)進(jìn)行確認(rèn)．采用微擾理論的MP2方法[20-21]，選擇6-311++G(2df,pd)基組，計(jì)算體系高水平的單點(diǎn)能．利用Gtotal=Esp+Gtc(Gtotal為總自由能，Esp為單點(diǎn)能，Gtc為吉布斯自由能熱校正)計(jì)算總自由能．速控步驟的反應(yīng)速率常數(shù)采用公式[22]

計(jì)算，式中kB和h分別為玻爾茲曼常數(shù)和普朗克常數(shù)，ΔG≠為基元反應(yīng)的活化吉布斯自由能．計(jì)算均由Gaussian09[23]程序完成．

2 結(jié)果與討論

2.1 S-Phe向R-Phe手性轉(zhuǎn)變的反應(yīng)通道

在B3LYP/6-31+g(d,p)理論水平，優(yōu)化的S-Phe_1，S-Phe_2，S-Phe_3和一種R-Phe的結(jié)構(gòu)如圖1(本文只給出一種R-Phe的構(gòu)象，只為說(shuō)明R-Phe與S-Phe的本質(zhì)區(qū)別是手性碳上的H分別在紙面里和紙面外，實(shí)際上R-Phe與S-Phe一樣具有多種構(gòu)象，并且文中S-Phe_1，S-Phe_2，S-Phe_3旋光異構(gòu)的產(chǎn)物也不一定是圖1中的R-Phe)．結(jié)構(gòu)分析表明： S-Phe_1具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵、羧基和亞甲基之間的分子內(nèi)單氫鍵以及氨基團(tuán)和苯環(huán)間的大π鍵．S-Phe_2具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)雙氫鍵、羧基和亞甲基之間的分子內(nèi)單氫鍵以及氨基團(tuán)和苯環(huán)間的大π鍵．S-Phe_3具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)單氫鍵以及羧基和亞甲基之間的分子內(nèi)單氫鍵，因此，它們是十分穩(wěn)定的．相對(duì)而言S-Phe_1更穩(wěn)定些．

圖1 S苯丙氨酸和R苯丙氨酸的穩(wěn)定幾何構(gòu)型Fig.1 The geometries of S and R type Phe molecules

對(duì)圖1進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)： 標(biāo)題反應(yīng)有3條通道a，b和c．對(duì)于構(gòu)型1和3，a是羧基異構(gòu)后手性碳上的質(zhì)子再以氨基為橋遷移到手性碳的另一側(cè)，b是手性碳上的質(zhì)子直接以氨基為橋遷移到手性碳的另一側(cè)，c是手性碳上的質(zhì)子以氨基和羧基聯(lián)合為橋遷移到手性碳的另一側(cè)．對(duì)于構(gòu)型2，3條通道分別是質(zhì)子只以氨基為橋、順次以羰基與氨基為橋和順次以羧基和氨基為橋遷移．

2.2 S-Phe的旋光異構(gòu)反應(yīng)機(jī)理

S-Phe_1和S-Phe_2相對(duì)于S-Phe_3結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，在氣相環(huán)境具有較高的分布，并且旋光異構(gòu)過(guò)程有明顯的區(qū)別，本文給予詳細(xì)討論．S-Phe_3的旋光異構(gòu)過(guò)程基本同于S-Phe_1，僅做一般討論．

2.2.1 S-Phe_1的旋光異構(gòu)反應(yīng)

S-Phe_1在a通道的旋光異構(gòu)歷程見(jiàn)圖2(A)(見(jiàn)第244頁(yè))．首先是羧基異構(gòu)，S-Phe_1經(jīng)過(guò)渡態(tài)aS-TS1_1，其羥基上的23H繞6C-22O鍵沿過(guò)渡態(tài)虛頻的負(fù)方向旋轉(zhuǎn)到羧基內(nèi)側(cè)(二面角10O-6C-22O-23H從179.211°變?yōu)?.315°)，實(shí)現(xiàn)了羧基從反式平面結(jié)構(gòu)向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)．同時(shí)氨基上的2H和21H繞3C-1N鍵軸俯視逆時(shí)針稍作轉(zhuǎn)動(dòng)(二面角2H-1N-3C-6C從-141.035°變?yōu)?177.911°)，S-Phe_1異構(gòu)成中間體產(chǎn)物aS-INT1_1．a(chǎn)S-INT1_1的氨基氮1N朝向讀者的一面裸露出來(lái)(有孤對(duì)電子)，負(fù)電荷的密度增大，俘獲質(zhì)子的能力增強(qiáng)．由于此過(guò)程沒(méi)斷鍵，故aS-TS1_1產(chǎn)生的能壘不會(huì)太高．然后是aS-INT1_1的手性碳3C上的4H經(jīng)過(guò)渡態(tài)aTS2_1沿虛頻振動(dòng)的負(fù)向遷移到氨基氮1N上，異構(gòu)成中間體aINT2_1．此基元反應(yīng)的aS-INT1_1到aTS2_1過(guò)程中，3C-4H鍵長(zhǎng)從0.10961nm增加到0.13655nm，3C-4H鍵斷裂；3C-1N鍵長(zhǎng)從0.14557nm增加到0.15804nm，3C-1N鍵斷裂，兩個(gè)化學(xué)鍵的斷裂需要較大的能量．因此aTS2_1會(huì)產(chǎn)生較高的能壘．接著是aINT2_1經(jīng)過(guò)和aTS2_1雷同的過(guò)渡態(tài)aTS3_1，2H沿過(guò)渡態(tài)虛頻的負(fù)方向從1N遷移到3C，異構(gòu)成中間體aR-INT3_1，此時(shí)已實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)．在aINT2_1到aTS3_1過(guò)程中，2H-1N鍵長(zhǎng)從0.10319nm增加到0.11755nm，鍵斷裂；3C-1N鍵長(zhǎng)從0.14854nm增加到0.15805nm，鍵斷裂，兩個(gè)化學(xué)鍵的斷裂需要較大的能量，因此aTS3_1會(huì)產(chǎn)生較高的能壘．由于此過(guò)程斷鍵鍵長(zhǎng)的變化小于aS-INT1_1到aTS2_1過(guò)程，所以aTS3_1產(chǎn)生的能壘會(huì)小于aTS2_1．接下來(lái)，aR-INT3_1經(jīng)過(guò)4H和21H左右擺動(dòng)的過(guò)渡態(tài)aR-TS4_1異構(gòu)成中間體aR-INT4_1．此過(guò)程二面角21H-1N-3C-4H從120.247°變?yōu)?120.098°，完成了氨基的對(duì)稱(chēng)異構(gòu)．a(chǎn)R-INT4_1的氨基氮1N的右側(cè)面裸露出來(lái)(有孤對(duì)電子)，負(fù)電荷的密度增大，俘獲質(zhì)子的能力增強(qiáng)，使23H向它的方向的旋轉(zhuǎn)變得容易了．由于此過(guò)程沒(méi)斷鍵，故aR-TS4_1產(chǎn)生的能壘不會(huì)太高．

最后aR-TS4_1經(jīng)過(guò)和aS-TS1_1雷同的過(guò)渡態(tài)aR-TS5_1，實(shí)現(xiàn)了23H繞6C-22O鍵從羧基內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)到朝向氨基氮1N的方向，形成了氨基和羧基之間的分子內(nèi)較強(qiáng)的單氫鍵，異構(gòu)成穩(wěn)定的產(chǎn)物aP_R-Phe_1．

S-Phe_1在b通道的旋光異構(gòu)反應(yīng)歷程見(jiàn)圖2(B)．手性碳3C上的4H經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS1_1，沿虛頻振動(dòng)的負(fù)方向直接遷移到氨基氮1N上，同時(shí)，23H從羧基外部繞6C-22O旋轉(zhuǎn)到羧基內(nèi)側(cè)(二面角10O-6C-22O-23H從179.211°改變?yōu)?0.085°．)，異構(gòu)成中間體bINT1_1．此基元反應(yīng)的S-Phe_1到bTS1_1過(guò)程中，3C-4H鍵長(zhǎng)從0.10973nm改變?yōu)?.13869nm鍵斷，3C-1N鍵長(zhǎng)從0.14719nm增加到0.16001nm鍵斷，二面角10O-6C-22O-23H從179.211°改變?yōu)?136.541°．兩個(gè)化學(xué)鍵的斷裂需要一定的能量，二面角旋轉(zhuǎn)又需要能量，因此b TS1_1會(huì)產(chǎn)生較前面幾個(gè)質(zhì)子遷移過(guò)渡態(tài)更高的能壘．計(jì)算表明，bINT1_1全同于aINT2_1，其以后的過(guò)程同于aINT2_1后面的過(guò)程，不再贅述．

S-Phe_1在c通道的旋光異構(gòu)歷程見(jiàn)圖2(C)．首先是手性碳上的質(zhì)子4H經(jīng)過(guò)渡態(tài)cTS1_1，沿過(guò)渡態(tài)虛頻振動(dòng)的正向遷移到羰基10O，S-Phe_1異構(gòu)成中間體cINT1_1，cINT1_1的羧基質(zhì)子化．S-Phe_1到cTS1_1過(guò)程中，鍵長(zhǎng)3C-4H鍵長(zhǎng)從0.10973nm增加到0.15569nm，3C-4H鍵斷裂且鍵長(zhǎng)增幅較大．因此cTS1_1會(huì)產(chǎn)生較高的能壘．然后，cINT1_1經(jīng)過(guò)渡態(tài)cTS2_1，其質(zhì)子化羧基上的4H繞6C-10O鍵沿過(guò)渡態(tài)虛頻的正方向旋轉(zhuǎn)到質(zhì)子化羧基的右側(cè)(二面角4H-10O-6C-3C從-0.542°變?yōu)?179.748°)，異構(gòu)成中間體cINT2_1．此過(guò)程無(wú)斷鍵，過(guò)渡態(tài)cTS2_1產(chǎn)生的能壘較低．接下來(lái)是，cINT2_1經(jīng)過(guò)渡態(tài)cTS3_1，實(shí)現(xiàn)了23H從質(zhì)子化羧基的22O向氨基氮1N的遷移，異構(gòu)成中間體cINT3_1．此過(guò)程雖然23H-22O鍵長(zhǎng)從0.09107nm增加到0.13582nm斷建，但cTS3_1是較穩(wěn)定的近似平面的5元環(huán)結(jié)構(gòu)(二面角23H-22O-6C-3C和3C-1N-23H-22O分別為-0.903°和-0.311°)且鍵長(zhǎng)增幅不大．因此，cTS3_1產(chǎn)生的能壘不會(huì)太高．最后，cINT3_1經(jīng)過(guò)和aTS3_1雷同的過(guò)渡態(tài)cTS4_1，異構(gòu)成為中間體cR-INT4_1，完成旋光異構(gòu)；cR-INT4_1經(jīng)過(guò)cR-TS5_1實(shí)現(xiàn)了4H在羧基內(nèi)的遷移，異構(gòu)成新的中間體cR-INT5_1，此過(guò)程是斷鍵成鍵的質(zhì)子遷移過(guò)程，但鍵長(zhǎng)變化不大，因此能壘不低也不很高．計(jì)算表明cR-INT5_1全同于aR-INT4_1，經(jīng)過(guò)和aR-TS5_1全同的過(guò)渡態(tài)cR-TS6_1，異構(gòu)成和aP_R-Phe_1全同的穩(wěn)定的產(chǎn)物cP_R-Phe_1．

在B3LYP/6-31+G(d,p)水平，對(duì)反應(yīng)過(guò)程的所有駐點(diǎn)進(jìn)行全參數(shù)優(yōu)化，得到駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)和過(guò)渡態(tài)虛頻下的振動(dòng)模式見(jiàn)圖2(A)、2(B)和2(C)，各駐點(diǎn)的吉布斯自由能熱校正及過(guò)渡態(tài)的虛頻值見(jiàn)表1(第247頁(yè))．在相同的理論水平對(duì)過(guò)渡態(tài)的IRC計(jì)算，驗(yàn)證了諸過(guò)渡態(tài)的可靠性．

2.2.2 S-Phe_2的旋光異構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)S-Phe_2的旋光異構(gòu)有3條通道： 1是S-Phe_2只以氨基氮為質(zhì)子遷移橋梁；2是4H遷移到10O后再以氨基為橋遷移到手性碳的另一側(cè)；3是23H在羧基內(nèi)先遷移到10O，然后4H遷移到22O，接著23H繞6C-10O鍵軸旋轉(zhuǎn)到6C-10O鍵軸的左側(cè)，最后，23H再以氨基氮為橋遷移到手性碳的另一側(cè)．計(jì)算表明： 1是主反應(yīng)通道，這里進(jìn)行詳細(xì)討論；2和3通道與S-Phe_1在c通道的旋光異構(gòu)機(jī)理雷同并且決速步能壘較高，篇幅所限，不給予討論．

S-Phe_2只以氨基氮為質(zhì)子遷移橋梁的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖3(第245頁(yè))．首先，手性碳上的4H經(jīng)過(guò)渡態(tài)TS1_2，沿虛頻振動(dòng)的正方向直接遷移到氨基氮1N上，異構(gòu)成氨基質(zhì)子化的產(chǎn)物中間體INT1_2．此基元反應(yīng)的S-Phe_2到TS1_2過(guò)程中，3C-4H鍵長(zhǎng)從0.10981nm增加到0.13516nm斷裂，3C-1N鍵長(zhǎng)從0.14527nm增加到0.15697nm斷裂．兩個(gè)化學(xué)鍵的斷裂需要較高的能量，因此，TS1_2會(huì)產(chǎn)生較高的能壘．

圖2 S-Phe_1向R-Phe_1旋光異構(gòu)的反應(yīng)歷程Fig.2 The reaction process of S-Phe_1 to R-Phe_1 optical isomerism

然后，經(jīng)和TS1_2雷同的過(guò)渡態(tài)TS2_2，INT1_2的2H從質(zhì)子化氨基氮沿過(guò)渡態(tài)的正方向在紙面里側(cè)遷移到手性碳3C上，異構(gòu)成具有氨基和羧基之間的分子內(nèi)雙氫鍵的產(chǎn)物P_R-Phe_2，完成旋光異構(gòu)．結(jié)構(gòu)分析表明，從INT1_2到TS2_2是兩個(gè)化學(xué)鍵的斷裂，但此過(guò)程化學(xué)鍵長(zhǎng)的增幅不及S-Phe_2到TS1_2過(guò)程．因此TS2_2產(chǎn)生的能壘低于TS1_2的．

用前面相同的理論水平，優(yōu)化的反應(yīng)過(guò)程各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及過(guò)渡態(tài)在虛頻下的振動(dòng)模式見(jiàn)圖3，各駐點(diǎn)的吉布斯自由能熱校正及過(guò)渡態(tài)的虛頻亦見(jiàn)表1．在相同的理論水平對(duì)過(guò)渡態(tài)進(jìn)行IRC計(jì)算，驗(yàn)證了諸過(guò)渡態(tài)的可靠性．

圖3 S-Phe_2向R-Phe_2旋光異構(gòu)的反應(yīng)歷程Fig.3 The reaction process of S-Phe_2 to R-Phe_2 optical isomerism

2.2.3 S-Phe_3的旋光異構(gòu)

S-Phe_3旋光異構(gòu)反應(yīng)的活性中心同于S-Phe_1，其旋光異構(gòu)反應(yīng)機(jī)理基本同于S-Phe_1，主要的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖4(A)、4(B)和4(C)．

對(duì)于反應(yīng)通道a，首先是羧基異構(gòu)，經(jīng)過(guò)渡態(tài)aS-TS1_3，S-Phe_3羥基上的23H繞6C-22O鍵沿過(guò)渡態(tài)虛頻的負(fù)方向旋轉(zhuǎn)到羧基內(nèi)側(cè)，同時(shí)氨基上的2H和21H繞3C-1N鍵軸俯視逆時(shí)針稍作轉(zhuǎn)動(dòng)，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物aS-INT1_3．然后是aS-INT1_3的手性碳3C上的4H沿過(guò)渡態(tài)aTS2_3虛頻振動(dòng)的正方向遷移到氨基氮1N上，異構(gòu)成中間體aINT2_3，完成旋光異構(gòu)的前半程反應(yīng)歷程．以后的異構(gòu)過(guò)程雷同于aINT2_1之后的過(guò)程，從略．

對(duì)于反應(yīng)通道b，前半程是手性碳3C上的4H經(jīng)過(guò)渡態(tài)bTS1_3，沿過(guò)渡態(tài)虛頻振動(dòng)的正方向直接遷移到氨基氮1N上，同時(shí)，23H從羧基外部繞6C-22O旋轉(zhuǎn)到羧基內(nèi)側(cè)，異構(gòu)成中間體bINT1_3．以后的歷程同于aINT2_3之后的過(guò)程．

對(duì)于反應(yīng)通道c，第1基元反應(yīng)，是手性碳上的質(zhì)子4H經(jīng)過(guò)渡態(tài)cTS1_3，沿過(guò)渡態(tài)虛頻振動(dòng)的負(fù)方向遷移到羰基10O，S-Phe_3異構(gòu)成中間體cINT1_3．以后的歷程同于cINT1_1之后的歷程，從略．

用前面相同的理論水平，優(yōu)化的反應(yīng)過(guò)程各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及過(guò)渡態(tài)在虛頻下的振動(dòng)模式見(jiàn)圖4，各駐點(diǎn)的吉布斯自由能熱校正及過(guò)渡態(tài)的虛頻亦見(jiàn)表1．在相同的理論水平對(duì)過(guò)渡態(tài)進(jìn)行IRC計(jì)算，驗(yàn)證了諸過(guò)渡態(tài)的可靠性．

圖4 S-Phe_3向R-Phe_3旋光異構(gòu)的主要反應(yīng)歷程Fig.4 The main reaction process of S-Phe_3 to R-Phe_3 optical isomerism

為計(jì)算出相對(duì)高水平的反應(yīng)過(guò)程勢(shì)能面，考慮到分子內(nèi)氫鍵的存在，采用微擾理論的MP2方法，選用6-311++G(2df,pd)基組，計(jì)算的各駐點(diǎn)單點(diǎn)能見(jiàn)表1，熱校正的總吉布斯自由能見(jiàn)表1，以S-Phe_1、S-Phe_2 和S-Phe_3的總自由能為相對(duì)總自由能零點(diǎn)的相對(duì)總自由能亦見(jiàn)表1．

表1 S-Phe向R-Phe旋光異構(gòu)反應(yīng)通道上駐點(diǎn)的吉布斯自由能熱校正、過(guò)渡態(tài)虛頻、單點(diǎn)能、總自由能及相對(duì)總自由能

2.2.4 S-Phe的旋光異構(gòu)反應(yīng)勢(shì)能面

根據(jù)表1，畫(huà)出了S-Phe_1旋光異構(gòu)反應(yīng)所有通道完整過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面示意圖，見(jiàn)圖5(A)；畫(huà)出了S-Phe_2旋光異構(gòu)主反應(yīng)通道完整過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面示意圖，見(jiàn)圖5(B)；畫(huà)出了R-Phe_3旋光異構(gòu)反應(yīng)各個(gè)通道主要過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面示意圖，見(jiàn)圖5(C)．

圖5 S-Phe旋光異構(gòu)反應(yīng)的吉布斯自由能勢(shì)能面Fig.5 The potential energy surfaces of Gibbs free energy in the reaction process of S-Phe to R-Phe optical isomerism

從圖5可以看出： S-Phe_1的旋光異構(gòu)在a、b和c通道分別經(jīng)歷5步、4步和6步基元反應(yīng)，c通道第3基元反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)能量略低于產(chǎn)物中間體，可以看做是無(wú)過(guò)渡態(tài)反應(yīng)；a通道是主反應(yīng)通道，第2基元反應(yīng)是決速步驟，活化吉布斯自由能壘是256.7kJ·mol-1，來(lái)源于質(zhì)子從中間體aS-INT1_1的手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)，此基元反應(yīng)常溫下的反應(yīng)速率常數(shù)為6.27×10-33s-1．S-Phe_2旋光異構(gòu)主反應(yīng)通道決速步驟活化吉布斯自由能壘是256.5kJ·mol-1，由質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生，此基元反應(yīng)常溫下的反應(yīng)速率常數(shù)為6.79×10-33s-1．S-Phe_3的旋光異構(gòu)反應(yīng)，a通道是主反應(yīng)通道，第2基元反應(yīng)是決速步驟，活化吉布斯自由能壘為263.4kJ·mol-1，來(lái)源于質(zhì)子從中間體aS-INT1_3的手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)，此基元反應(yīng)常溫下的反應(yīng)速率常數(shù)為4.20×10-34s-1．從圖5還可以看出： S-Phe_1旋光異構(gòu)a通道的后兩步基元反應(yīng)和c通道的最后一步基元反應(yīng)的能壘都很低，aR-INT3_1、aR-INT4_1和aP_R-Phe_1的能量相近，cR-INT5_1和cP_R-Phe_1的能量相近．因此，S-Phe_1旋光異構(gòu)的產(chǎn)物在a通道應(yīng)是aR-INT3_1，aR-INT4_1和aP_R-Phe_1共存，在c通道應(yīng)是cR-INT5_1和cP_R-Phe_1共存．只不過(guò)是aP_R-Phe_1的產(chǎn)率會(huì)高些．由于S-Phe_1，S-Phe_2和S-Phe_3旋光異構(gòu)常溫下決速步的反應(yīng)速率常數(shù)均趨于零，因此，常溫下的Phe具有穩(wěn)定性．

對(duì)S-Phe分子的3種最穩(wěn)定構(gòu)型的旋光異構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)： 標(biāo)題反應(yīng)有3條通道a，b和c．對(duì)于構(gòu)型1和3，a是羧基異構(gòu)后手性碳上的質(zhì)子再以氨基氮為橋遷移，b是手性碳上的質(zhì)子直接以氨基氮為橋遷移，c是手性碳上的質(zhì)子以羧基和氨基聯(lián)合為橋遷移．對(duì)于構(gòu)型2，3條通道分別是質(zhì)子只以氨基、順次以羰基與氨基和順次以羧基和氨基為橋遷移；勢(shì)能面計(jì)算表明： a是構(gòu)型1和3的主反應(yīng)通道，決速步活化吉布斯自由能壘分別為256.7kJ·mol-1和263.4kJ·mol-1，由羧基異構(gòu)后質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生．構(gòu)型2的主反應(yīng)通道也是a，活化吉布斯自由能壘為256.5kJ·mol-1，由質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移的過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生；3種構(gòu)型的S-Phe分子旋光異構(gòu)速控步驟的反應(yīng)速率常數(shù)分別為6.27×10-33，6.79×10-33s-1和4.20×10-34s-1．反應(yīng)速率常數(shù)趨于零，說(shuō)明常溫下的苯丙氨酸具有穩(wěn)定性．

[1] 方巖雄，張維剛，楊順利，等.苯丙氨酸的應(yīng)用與生產(chǎn) [J].廣州化工，2000，28(4)： 134-135.

[2] 黃志堅(jiān).氨基酸的構(gòu)型和性質(zhì)研究 [D].合肥： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006，11.

[3] SNOEK L C, ROBERTSON E G, KROEMER R T,etal. Conformational landscape in amino acids： Infraredand ultaaviolet ion-dip spectroscopy of phenylala-nine in the gas phase [J].ChemPhysLett, 2000,321(1/2)： 49.

[4] LEE K T, SUNG J, LEE K J,etal. conformatong-depengent ionization energies of l-phenylalanine [J].AngewChem,2002,114(21)： 4288.

[5] LEE K T, SUNG J, LEE K J,etal. Conformation-dependent ionizatin of L-phenerylalanine： Structuresand energetics of cationic conformers [J].ChemPhysLett, 2003,368(3/4)： 262.

[6] LEE Y, UN J, KIM B,etal. Alanyl side chainfolding in phenylalanine： Conformational assign-ments through ultraviolet rotational assign-ments through ultraviolet rotational band contouranallysis [J].JPhysChemA, 2004,108(1)： 69.

[7] PéREZ C, MATA S, BLANCO S,etal. Jet-cooled rota-tional spectrum of laser-ablated phenylalanine [J].PhysChemA, 2011,115(34)： 9653.

[8] 王佐成，劉鳳閣，呂 洋，等.孤立條件下α-丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變機(jī)制的DFT研究 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2014,52(4)： 825-830.

[9] 王佐成，佟 華，梅澤民，等.α-丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)通道及水分子作用的理論研究 [J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)： 理學(xué)版.2015,42(2)： 189-197.

[10] 劉鳳閣，閆紅彥，王佐成，等.氣相賴(lài)氨酸分子手性轉(zhuǎn)變機(jī)制的理論研究 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)： 理學(xué)版，2015，61(1)： 93-98.

[11] 李 忠，佟 華，王佐成，等．基于氨基作H轉(zhuǎn)移橋梁?jiǎn)误wα-Ala的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理 [J]．復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,54(5)： 102-108.

[12] 王佐成，范志琳，梅澤民，等.半胱氨酸分子手性轉(zhuǎn)變及水分子的催化機(jī)理 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)： 理學(xué)版，2016，62(4)： 368-374.

[13] 閆紅彥，王佐成，鄒 晶，等.纈氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變及水分子的催化機(jī)理 [J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,55(2)： 68-75.

[14] BECKE A D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange [J].ChemPhys, 1993,98(7)： 5648-5652.

[15] PARR R G, YANG W. Density-functional theory of atoms and molecules [M]. Oxford, USA： University Press, 1994.

[16] GARRETT B C, TRUHLAR D G. Generalized transition state theory. Classical mechanical theory and applications to collinear reactions of hydrogen molecules [J].JournalofPhysicalChemistry, 1979,83(8)： 1052-1079.

[17] GARRETT B C, TRUHLAR D G. Criterion of minimum state density in the transition state theory of bimolecular reactions [J].TheJournalofChemicalPhysics, 1979,70(4)： 1593-1598.

[18] GONZALEZ C, SCHLEGEL H. Reaction path following in mass-weighted internal coordinates [J].JournalofPhysicalChemistry, 1990,94(14)： 5523-5527.

[19] ISHIDA K, MOROKUMA K, KOMORNICKI A. The intrinsic reaction coordinate. An ab initio calculation for HNC→HCN and H-+ CH4→CH4+ H-*[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1977,66(5)： 2153-2156.

[20] 徐光憲，黎樂(lè)民，王德民. 量子化學(xué)(中冊(cè))[M]. 北京： 科學(xué)技術(shù)出版社，1985： 962-986.

[21] BINKLEY J S, POPLE J A . Moeller-Plesset theory for atomic ground state energies [J].IntJQuantumChem, 1975,9(2)： 229-236.

[22] 任宏江.黃嘌呤異構(gòu)體質(zhì)子轉(zhuǎn)移異構(gòu)化反應(yīng)機(jī)理的理論研究 [J].化學(xué)通報(bào)，2015,78(9)： 815-819.

[23] FRISCH M J, TRUCKS G W, SCHLEGELH B,etal. Gaussian 09. Revision D.01 [M]. Pittsburgh, USA： Gaussian, Inc., 2013.