水環(huán)境下苯丙氨酸分子旋光異構(gòu)及羥自由基致?lián)p傷的機(jī)理

喬朝陽，高 峰，閆紅彥，楊曉翠，佟 華,王佐成

(1.白城師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，白城 137000; 2.白城師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，白城 137000)

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)．在生命體內(nèi)S-Phe具有活性，是優(yōu)構(gòu)體，還可用作食品添加劑和飼料添加劑．R-Phe可用作制備某種抗癌藥物的中間體，用于合成腦內(nèi)的部分類似肽，還可用于治療和預(yù)防阿爾茨海默病[1]．

基于苯丙氨酸的重要作用，人們對(duì)它進(jìn)行了廣泛的研究．黃志堅(jiān)[2]對(duì)Phe分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較深入的研究，結(jié)果表明，氣相Phe分子有多個(gè)穩(wěn)定構(gòu)象，并計(jì)算了幾個(gè)主要最穩(wěn)定構(gòu)象所占的比例和電離能．Simon[3]測(cè)量了S-Phe的紫外和紅外R2PI譜．Kim小組[4]用密度泛函理論對(duì)S-Phe最外殼層軌道的電離能做了研究，研究結(jié)果表明，S-Phe的分子內(nèi)氫鍵是電離能之間存在差異的原因．Kim[5]用密度泛函理論研究了S-Phe陽離子的構(gòu)象和能量．Lee[6]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了S-Phe的R2PI譜．Pérez等人[7]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了S-Phe的轉(zhuǎn)動(dòng)譜，證實(shí)了S-Phe構(gòu)象存在分子內(nèi)氫鍵．張新[8]等采用密度泛函理論的B3LYP方法和微擾理論的MP2方法，對(duì)Phe分子的旋光異構(gòu)裸反應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，基于氨基做質(zhì)子遷移橋梁是Phe分子旋光異構(gòu)的優(yōu)勢(shì)通道，決速步的能壘是256.7kJ·mol-1．

文獻(xiàn)[9-10]的研究表明： 2個(gè)水分子簇做質(zhì)子遷移媒介，對(duì)半胱氨酸和亮氨酸分子的質(zhì)子遷移異構(gòu)反應(yīng)具有較好的催化作用，水溶劑有一定的助催化作用．大氣中含有大量的水分子并有羥自由基存在，生命體是富水環(huán)境，同時(shí)也有羥自由基存在．基于此，本工作研究了水汽相和液相環(huán)境下，2個(gè)水分子簇做質(zhì)子遷移媒介，Phe分子基于氨基做質(zhì)子遷移橋梁的旋光異構(gòu)反應(yīng)機(jī)理以及羥自由基的作用．

1 模型選取與計(jì)算方法

采用密度泛函理論的B3LYP[11-12]方法，選用6-31+G(d,p)基組，全優(yōu)化S-Trp向R-Trp異構(gòu)過程中2個(gè)水分子簇作氫遷移媒介的質(zhì)子遷移反應(yīng)各個(gè)駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其他駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)取自文獻(xiàn)[8]．通過對(duì)過渡態(tài)[13-14]進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[15-16]計(jì)算，驗(yàn)證它們的確是連接所期望的局域極小點(diǎn)．為計(jì)算出高水平的勢(shì)能面，采用微擾理論的MP2方法[17-18]，結(jié)合6-311++G(2df,pd)基組，計(jì)算體系的單點(diǎn)能．計(jì)算溶劑效應(yīng)時(shí)，利用氣相的構(gòu)象，采用自洽反應(yīng)場(chǎng)(SCRF)理論的smd模型方法[19]計(jì)算溶劑化的單點(diǎn)能．利用Etotal=ESP+EZPV(ESP為單點(diǎn)能，EZPV為氣相的零點(diǎn)振動(dòng)能)計(jì)算總能量．水溶劑環(huán)境下，構(gòu)象1的S型第一中間體與2個(gè)水分子簇通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物記作S-INT1_1·2H2O@water，其他駐點(diǎn)分子表示法相似．計(jì)算均由Gaussian09[20]程序完成．

2 結(jié)果與討論

S-Phe分子的2種最穩(wěn)定構(gòu)型S-Phe_1和S-Phe_2及手性對(duì)映體[8]見圖1．研究表明，S-Phe_1和S-Phe_2在水汽相環(huán)境下旋光異構(gòu)過程中，非質(zhì)子遷移異構(gòu)反應(yīng)的機(jī)理同于裸反應(yīng)，在文獻(xiàn)[8]已有討論，這里不再贅述．對(duì)于質(zhì)子遷移過程，水分子簇做質(zhì)子遷移媒介顯著地改變了反應(yīng)能壘，給予詳細(xì)地討論．

圖1 S苯丙氨酸和R苯丙氨酸分子的幾何構(gòu)型Fig.1 The geometries of S and R type phenylalanine molecules

2.1 S-Phe在水環(huán)境下的旋光異構(gòu)

2.1.1 S-Phe_1在水汽環(huán)境下的旋光異構(gòu)及水溶劑效應(yīng)

在水汽環(huán)境下，2個(gè)水分子簇作氫遷移媒介S-Phe_1的旋光異構(gòu)歷程見圖2，在水汽相和液相反應(yīng)過程的勢(shì)能面見圖3(看第208頁)．

第1基元反應(yīng)是羧基從反式平面結(jié)構(gòu)向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)．23H從羧基左側(cè)轉(zhuǎn)到右側(cè)，同時(shí)，2H和21H順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，氨基氮電荷密度大的一面(有孤對(duì)電子)朝向讀者，這為水分子簇在S-Phe_1的正面與S-Phe_1通過氫鍵作用形成絡(luò)合物分子創(chuàng)造了條件．此基元反應(yīng)過程幾何參數(shù)的變化在文獻(xiàn)[8]已做了詳細(xì)討論，不再贅述．

第2基元反應(yīng)是水分子簇催化的質(zhì)子在紙面外從手性碳向氨基氮遷移．首先S-INT1_1與手性碳3C上的23H和氨基氮1N前面的2個(gè)水分子簇通過氫鍵作用形成前驅(qū)絡(luò)合物S-INT1_1·2H2O(m)(m表示水分子在S-INT1_1的前面，圖2給出的是右視圖)，氫鍵能是65.56kJ·mol-1．S-INT1_1·2H2O(m)經(jīng)絡(luò)合物過渡態(tài)TS2_1·2H2O(m)異構(gòu)成中間體絡(luò)合物INT2_1·2H2O(m)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從手性碳向氨基氮的凈遷移．過渡態(tài)TS2_1·2H2O(m)的七元環(huán)結(jié)構(gòu)中，氫鍵鍵角3C-23H-24O、24O-27H-28O和28O-25H-1N分別是161.44°、160.82°和162.18°，均接近平角，3個(gè)氫鍵均比較強(qiáng)；二面角3C-23H-24O-27H、24O-27H-28O-25H和28O-25H-1N-3C分別是-29.12°、-7.60°和-35.43°，七元環(huán)結(jié)構(gòu)接近平角，因此TS2·2H2O(m)比較穩(wěn)定．又從S-INT1·2H2O(m)到TS2_1·2H2O(m)過程，反應(yīng)活性中心骨架二面角1N-3C-4C-5C從129.83°變?yōu)?29.02°，骨架沒有形變．因此，TS2_1·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘不會(huì)太高．但從S-INT1_1·2H2O(m)到TS2_1·2H2O(m)的過程中，3C-23H、24O-27H和28O-25H分別從0.10995、0.09805和0.09943nm增加到0.13155、0.14631和0.16175nm，3個(gè)化學(xué)鍵較大幅度的拉伸斷裂還是需要一定的能量的．因此，TS2_1·2H2O(m)產(chǎn)生了123.98kJ·mol-1的能壘，這比裸反應(yīng)的能壘256.70kJ·mol-1[8]降低了51.7%，說明2個(gè)水分子簇起到了較好的催化作用．中間體產(chǎn)物絡(luò)合物INT2_1·2H2O(m)是質(zhì)子從手性碳向氨基氮凈遷移的產(chǎn)物，質(zhì)子從手性碳向氨基氮凈遷移導(dǎo)致體系正負(fù)電荷分離，INT2_1·2H2O(m)體系不穩(wěn)定，處在勢(shì)能面上相對(duì)能量較高的位置．中間體產(chǎn)物絡(luò)合物INT2_1·2H2O(m)脫去水分子，需要克服的氫鍵能是100.35kJ·mol-1．

第3基元反應(yīng)是水分子簇催化的質(zhì)子從氨基氮在紙面里向手性碳遷移．首先，INT2_1與紙面里側(cè)2C和23H對(duì)面的2個(gè)水分子簇通過氫鍵作用形成氫鍵絡(luò)合物INT2_1·2H2O(n)(n表示水分子簇在紙面里與底物絡(luò)合，圖2給出的是右視圖)，氫鍵能是85.83kJ·mol-1．然后，INT2_1·2H2O(n)經(jīng)過渡態(tài)絡(luò)合物TS3_1·2H2O(n)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子23H從氨基氮1N向手性碳2C(原來序號(hào)是3C)的凈遷移，異構(gòu)成R型中間體絡(luò)合物R-INT3_1·2H2O(n)，完成旋光異構(gòu)．

圖2 水汽環(huán)境下S-Phe_1旋光異構(gòu)的反應(yīng)歷程Fig.2 The reaction process of S-Phe_1 optical isomerism in water vapour

過渡態(tài)TS3_1·2H2O(n)的七元環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵角2C-25H-28O、28O-27H-24O和24O-23H-1N分別是163.35°、160.79°和161.16°，接近平角，3個(gè)氫鍵較強(qiáng)；二面角2C-25H-28O-27H和28O-27H-24O-23H分別是-8.38°和-6.51°，接近平角．因此，七元環(huán)結(jié)構(gòu)過渡態(tài)TS3_1·2H2O(n)比較穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生太高的能壘．從INT2_1·2H2O(n)到TS3_1·2H2O(n)過程，1N-23H、24O-27H和28O-25H分別從0.10497、0.09901和0.10057nm增加到0.10761、0.10436和0.12836nm，增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從S-INT1_1·2H2O(m)到TS2_1·2H2O(m)過程相應(yīng)的化學(xué)鍵的增幅．因此，TS3_1·2H2O(n)產(chǎn)生的能壘較低，只有11.61kJ·mol-1．中間體產(chǎn)物絡(luò)合物R-INT3_1·2H2O(n)是質(zhì)子從氨基氮向手性碳凈遷移的產(chǎn)物，質(zhì)子從氨基氮向手性碳凈遷移拉近了體系正負(fù)電荷中心的距離，使體系變得穩(wěn)定，再加上R-INT3_1·2H2O(n)體系存在3個(gè)分子內(nèi)氫鍵和氨基與苯環(huán)間的π氫鍵，導(dǎo)致R-INT3_1·2H2O(n)體系處在勢(shì)能面上相對(duì)能量較低的位置(-205.29kJ·mol-1)．此基元反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所放熱量導(dǎo)致R-INT3_1和H2O分子間的氫鍵輕而易舉地?cái)嗔眩畾庀喾磻?yīng)的能壘一般采用總包能壘(表觀能壘)，從圖3可以看出，S-Phe_1在水汽環(huán)境下的旋光異構(gòu)的總包能壘(表觀能壘)為145.27kJ·mol-1，已經(jīng)遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)的“能壘”84.01kJ·mol-1[21]，說明水汽相環(huán)境下S-Phe_1分子很難消旋．

圖3 S-Phe_1旋光異構(gòu)反應(yīng)的吉布斯自由能勢(shì)能面Fig.3 Gibbs free potential energy surfaces diagram of the optical isomerism reaction of S-Phe_1

比較圖3的2水分子簇助S-Phe_1旋光異構(gòu)過程中的質(zhì)子遷移反應(yīng)和文獻(xiàn)[8]的圖5可知，2個(gè)水分子簇將決速步能壘從256.70kJ·mol-1降到124.28kJ·mol-1，使第3基元反應(yīng)能壘從117.70kJ·mol-1降到11.61kJ·mol-1，說明水分子簇對(duì)S-Phe_1旋光異構(gòu)過程中的質(zhì)子遷移反應(yīng)有著較好的催化作用．

從圖3還可以看出： 水溶劑效應(yīng)使水分子簇催化S-Phe_1旋光異構(gòu)過程中的決速步質(zhì)子遷移反應(yīng)能壘進(jìn)一步降到104.74kJ·mol-1，說明水溶劑效應(yīng)對(duì)S-Phe_1旋光異構(gòu)過程中的水助質(zhì)子遷移反應(yīng)有著一定的助催化作用．104.74kJ·mol-1已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.00kJ·mol-1[21]許多，說明水液相環(huán)境下S-Phe_1可以緩慢地消旋化．

比較圖3和文獻(xiàn)[8]的圖5還可以看出： 水溶劑效應(yīng)使羧基異構(gòu)的能壘有所降低，使氨基異構(gòu)的能壘略有升高．

2.1.2 S-Phe_2在水汽環(huán)境下的旋光異構(gòu)及水溶劑效應(yīng)

在水汽環(huán)境下，2個(gè)水分子簇作氫遷移媒介S-Phe_2的旋光異構(gòu)歷程見圖4，在水汽相和液相反應(yīng)過程的勢(shì)能面見圖5，各基元反應(yīng)物和產(chǎn)物氫鍵絡(luò)合物的形成與解離機(jī)理同于S-Phe_2的情形，這里從略，僅討論2個(gè)水分子簇作氫遷移媒介的質(zhì)子遷移過程．

圖4 S-Phe_2旋光異構(gòu)的反應(yīng)歷程Fig.4 The reaction process of S-Phe_2 optical isomerism

圖5 S-Phe_2旋光異構(gòu)反應(yīng)的吉布斯自由能勢(shì)能面Fig.5 Gibbs free potential energy surfaces diagram of the optical isomerism reaction of S-Phe_2

首先S-Phe_2與23H和1N前面的2個(gè)水分子簇通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物S-Phe_2·2H2O(m)(m表示水分子在S-INT1_1的前面，圖4給出的是右視圖)，經(jīng)絡(luò)合物過渡態(tài)TS1_2·2H2O(m)異構(gòu)成中間體絡(luò)合物INT1_2·2H2O(m)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從手性碳3C向氨基氮1N的凈遷移．結(jié)構(gòu)分析表明： 此基元反應(yīng)同于2.1.1中的第2基元反應(yīng)，過渡態(tài)TS1_2·2H2O(m)的七元環(huán)結(jié)構(gòu)相似于TS2_1·2H2O(m)，3個(gè)氫鍵均均接近平角，氫鍵較強(qiáng)；七元環(huán)結(jié)構(gòu)的二面角接近平角．因此，TS1_2·2H2O(m)比較穩(wěn)定．再加上從S-Phe_2到TS1_2·2H2O(m)過程，反應(yīng)活性中心骨架基本沒有形變．因此，TS1_2·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘也不會(huì)太高．但從S-Phe_2到TS1_2·2H2O(m)過程同于S-INT1_1·2H2O(m)到TS2_·2H2O(m)過程，3C-23H、24O-27H和28O-25H這3個(gè)化學(xué)鍵也有較大幅度的拉伸斷裂，需要一定的能量．因此，TS1_2·2H2O(m)產(chǎn)生了119.85kJ·mol-1的能壘，這比裸反應(yīng)的能壘256.50kJ·mol-1[8]大幅下降，說明2個(gè)水分子簇起到了較好的催化作用．中間體產(chǎn)物絡(luò)合物INT1_2·2H2O(m)相似于INT2_1·2H2O(m)，其正負(fù)電荷中心分離，導(dǎo)致體系不穩(wěn)定，也處在勢(shì)能面上能量較高的位置．

然后，INT1_2與紙面里側(cè)2C和23H對(duì)面的2個(gè)水分子簇通過氫鍵作用形成氫鍵絡(luò)合物INT1_2·2H2O(n)，經(jīng)過渡態(tài)絡(luò)合物TS2_2·2H2O(n)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子23H從氨基氮1N向手性碳2C(原來序號(hào)是3C)的凈遷移，異構(gòu)成R型產(chǎn)物絡(luò)合物P_R-Phe_2·2H2O(n)，完成旋光異構(gòu)．結(jié)構(gòu)分析表明，此基元反應(yīng)同于2.1.1中的第3基元反應(yīng)，過渡態(tài)TS2_2·2H2O(n)七元環(huán)結(jié)構(gòu)的3個(gè)氫鍵角接近平角，3個(gè)氫鍵都較強(qiáng)；二面角2C-25H-28O-27H和28O-27H-24O-23H也接近平角．因此，TS2_2·2H2O(n)比較穩(wěn)定，也不會(huì)產(chǎn)生太高的能壘．從INT1_2·2H2O(n)到TS2_2·2H2O(n)的過程中，1N-23H、24O-27H和28O-25H增幅很小，所需能量不是很高．因此，TS2_2·2H2O(n)產(chǎn)生的能壘很低，只有17.75kJ·mol-1．產(chǎn)物絡(luò)合物P_R-Phe_2·2H2O(n)是質(zhì)子從氨基氮向手性碳凈遷移的產(chǎn)物，質(zhì)子從氨基氮向手性碳凈遷移拉近了體系正負(fù)電荷中心的距離，使體系變得穩(wěn)定，再加上P_R-Phe_2·2H2O(n)體系存在3個(gè)分子內(nèi)氫鍵和氨基與苯環(huán)間的π氫鍵，導(dǎo)致P_R-Phe_2·2H2O(n)體系處在勢(shì)能面上較低的位置(-112.53kJ·mol-1)，此基元反應(yīng)是放熱反應(yīng)．

2.2 水汽環(huán)境下羥自由基致S-Phe損傷及水溶劑效應(yīng)

研究表明，羥自由基本身并不會(huì)致S-Phe損傷，需有一個(gè)水分子與羥自由基通過氫鍵作用構(gòu)成鏈，水分子羥自由基鏈與Phe分子通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物異構(gòu)導(dǎo)致Phe分子損傷．水汽環(huán)境下羥自由基致S-Phe_1和S-Phe_2損傷的機(jī)理稍有不同，S-Phe_1是羧基異構(gòu)后的中間體損傷，S-Phe_2是直接損傷，下面分別進(jìn)行討論．

2.2.1 水汽環(huán)境下羥自由基致S-Phe_1損傷及水溶劑效應(yīng)

由于S-Phe_1的22H對(duì)水分子羥自由基鏈在23H和1N的前面與其形成氫鍵有空間位阻，不能直接在23H和1N的前面與水分子羥自由基鏈形成氫鍵，羧基從反式平面結(jié)構(gòu)向順式平面結(jié)構(gòu)異構(gòu)后，中間體產(chǎn)物S-INT1_1與水分子羥自由基鏈通過氫鍵作用，形成了前驅(qū)絡(luò)合物，S-INT1_1損傷了也就是S-Phe_1損傷了．水分子羥自由基鏈與S-INT1_1形成氫鍵有兩種情況，一種是羥自由基與氨基氮形成氫鍵，水分子與手性碳上的氫形成氫鍵，S-INT1_1損傷是水分子拔氫機(jī)理；另一種是水分子與氨基氮形成氫鍵，羥自由基與手性碳上的氫形成氫鍵，S-INT1_1損傷是羥自由基拔氫機(jī)理，水分子本身并沒有化學(xué)鍵的斷裂與生成，它是通過與S-INT1_1和羥自由基形成氫鍵相互作用才起到了催化作用，它的另一個(gè)作用是穩(wěn)定羥自由基的空間位置．S-INT1_1損傷的反應(yīng)歷程見圖6的(a)與(b)，反應(yīng)勢(shì)能面見圖7(a)(看第212頁)．

第一種情況形成的前驅(qū)絡(luò)合物記作S-INT1_1·(H2O·OH·)，其經(jīng)過渡態(tài)絡(luò)合物TS2_1·(H2O·OH·)，實(shí)現(xiàn)了27H向羥基的遷移和23H向24O的遷移，形成了產(chǎn)物絡(luò)合物，記作P*a_1·2H2O．Pa_1的手性已不存在，其已不具有苯丙氨酸的特性，即S-INT1_1損傷(S-Phe_1損傷了)．該基元反應(yīng)的產(chǎn)物是P*a_1·2H2O，并不是氨基質(zhì)子化的INT2_1·(H2O·OH·)(m)．這是由于羥自由基有著很強(qiáng)的奪取質(zhì)子的能力，把遷移到氨基上的質(zhì)子又奪了回來．對(duì)過渡態(tài)TS2_1·(H2O·OH·)進(jìn)行的IRC計(jì)算表明，此基元反應(yīng)是三氫遷移機(jī)理，過渡態(tài)之后水分子23H-26H-24O和羥自由基27H-28O形成，質(zhì)子化氨基即將形成；由于質(zhì)子化氨基不穩(wěn)定，容易失去一個(gè)質(zhì)子，羥自由基27H-28O奪取了質(zhì)子化氨基上的25H，形成了水分子27H-28O-25H；最后，兩個(gè)水分子分別與羧基和苯環(huán)形成氫鍵，兩個(gè)水分子間形成氫鍵，氨基和苯環(huán)之間形成了π氫鍵，骨架原子1N-3C-4C-5C-9O-21O形成了穩(wěn)定的大π鍵．因此，得到了十分穩(wěn)定的產(chǎn)物絡(luò)合物P*a_1·2H2O(P*表示氨基酸損傷的產(chǎn)物，下同)，其相對(duì)于S-INT1_1·(H2O·OH·)的能量是-178.93kJ·mol-1．

過渡態(tài)TS2_1·(H2O·OH·)七元環(huán)結(jié)構(gòu)的氫鍵角3C-23H-24O、24O-27H-28O和28O-25H-1N分別是160.02°、159.26°和165.48°，均接近平角，3個(gè)氫鍵均比較強(qiáng)；二面角3C-23H-24O-27H、24O-27H-28O-25H和27H-28O-25H-1N分別是-25.74°、1.58°和-38.43°，七元環(huán)結(jié)構(gòu)接近平角，TS2_1·(H2O·OH·)較穩(wěn)定．又從S-INT1_1·(H2O·OH·)到TS2_1·(H2O·OH·)的過程中，反應(yīng)活性中心骨架二面角1N-3C-4C-5C從129.59°變?yōu)?29.41°，骨架基本沒形變．因此，TS2_1·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘不會(huì)太高．但從S-INT1_1·(H2O·OH·)到TS2_1·(H2O·OH·)的過程中，3C-23H、24O-27H和28O-25H分別從0.10988、0.09773和0.10186nm增加到0.13585、0.14667和0.17292nm，3個(gè)化學(xué)鍵較大幅度的拉伸斷裂是需要一定的能量的．TS2_1·(H2O·OH·)產(chǎn)生的能壘是124.97kJ·mol-1．

圖6 水分子羥自由基鏈致苯丙氨酸分子損傷的過程Fig.6 The phenylalanine molecules damage process introduced by hydroxyl free radical of water

從圖7(a)可以看出： 溶劑效應(yīng)使水分子和羥自由基作氫遷移媒介，水分子拔手性碳的氫致S-Phe_1損傷的能壘降為28.33kJ·mol-1，此基元反應(yīng)放熱339.66kJ·mol-1．28.33kJ·mol-1已經(jīng)遠(yuǎn)低于溫和反應(yīng)的能壘84.01kJ·mol-1[21]，這說明溶劑效應(yīng)使水分子和羥自由基作氫遷移媒介，水分子拔氫致S-Phe_1損傷過程可以在溫和條件下進(jìn)行．

第二種情況形成的前驅(qū)絡(luò)合物記作S-INT1_1·[(OH·)·H2O]，經(jīng)過渡態(tài)絡(luò)合物TS2_1·[(OH·)·H2O]，實(shí)現(xiàn)了氫原子23H從手性碳向24O的遷移，形成了產(chǎn)物絡(luò)合物，記作P*b_1·2H2O．此過程是單氫轉(zhuǎn)移機(jī)理，羥自由基奪取了手性碳上的氫原子，形成了水分子．P*b_1的手性也已不存在，已不具有苯丙氨酸的特性，即S-INT1_1損傷(S-Phe_1損傷了)．結(jié)構(gòu)分析表明，從S-INT1_1·[(OH·)·H2O]到TS2_1·[(OH·)·H2O]的過程中，只是3C-23H鍵長(zhǎng)從0.10996nm拉伸到0.11536nm，拉伸幅度是0.00540nm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)變化甚微．3C-23H鍵長(zhǎng)如此小的拉伸所需能量很小，因此，TS2_1·[(OH·)·H2O]產(chǎn)生的能壘很小，只有21.06kJ·mol-1．21.06kJ·mol-1已經(jīng)遠(yuǎn)低于溫和反應(yīng)的能壘84.01kJ·mol-1[23]，水分子羥自由基鏈可以致S-INT1_1比較快地?fù)p傷(即S-Phe_1迅速損傷)．結(jié)構(gòu)分析表明，P*b_1·2H2O的1N-3C-4C-5C-9O-21O形成了穩(wěn)定的大π鍵，又具有水分子之間的氫鍵、水分子與氨基之間較強(qiáng)的單氫鍵、氨基與苯環(huán)間的π氫鍵以及水分子與苯環(huán)之間的單氫鍵．因此，它是十分穩(wěn)定的產(chǎn)物絡(luò)合物，相對(duì)于S-INT1_1·[(OH·)·H2O]的能量是-159.39kJ·mol-1．

從圖7可以看出： 溶劑效應(yīng)使羥自由基奪氫原子致S-Phe_1損傷的能壘降為-113.05kJ·mol-1，產(chǎn)物的相對(duì)能量是-307.92kJ·mol-1．即水溶劑效應(yīng)使該情形的S-Phe_1損傷變成了無勢(shì)壘放熱反應(yīng)，也就是說水溶劑相羥自由基奪取手性碳上的氫原子致S-Phe_1損傷過程可以極快的速度進(jìn)行．

圖7 水分子和羥自由基鏈致苯丙氨酸分子損傷反應(yīng)過程勢(shì)能面Fig.7 Potential energy surfaces diagram of the phenylalanine molecules damage reaction introduced by hydroxyl free radical and water

2.2.2 水汽環(huán)境下羥自由基致S-Phe_2損傷及水溶劑效應(yīng)

S-Phe_2可直接與其23H和1N前面的羥自由基水分子鏈形成氫鍵，S-Phe_2損傷也存在羥自由基拔氫的單氫轉(zhuǎn)移和水分子拔氫的三氫轉(zhuǎn)移兩個(gè)通道的競(jìng)爭(zhēng)，相似于S-INT1_1的損傷，不再贅述．

水分子拔氫時(shí)損傷能壘是121.93kJ·mol-1，羥自由基拔氫時(shí)損傷能壘是22.26kJ·mol-1，22.26kJ·mol-1已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于溫和反應(yīng)的能壘84.01kJ·mol-1[21]，因此，水汽環(huán)境下羥自由基可致S-Phe_2損傷．溶劑效應(yīng)使這兩個(gè)能壘分別降為24.86kJ·mol-1和-72.75kJ·mol-1．這說明水汽相環(huán)境下是羥自由基拔氫致S-Phe_2損傷，水溶劑環(huán)境下是羥自由基拔氫和水分子拔氫致S-Phe_2損傷兩種機(jī)理共存，只是后者更具優(yōu)勢(shì)．

從圖7可以看出，水分子和羥自由基鏈致S-INT1_1(也就是S-Phe_1)和S-Phe_2分子損傷反應(yīng)，對(duì)于羥自由基拔氫的單氫轉(zhuǎn)移和水分子拔氫的三氫轉(zhuǎn)移兩個(gè)通道的競(jìng)爭(zhēng)，無論是在水汽相還是在水溶劑相，都是前者占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)．水溶劑對(duì)Phe分子損傷反應(yīng)具有極好的助催化作用．

2個(gè)水分子簇的催化使構(gòu)型1旋光異構(gòu)決速步能壘降到123.98kJ·mol-1，使構(gòu)型2旋光異構(gòu)決速步能壘降到119.85kJ·mol-1．水溶劑效應(yīng)使這兩個(gè)能壘進(jìn)一步降到104.74和103.68kJ·mol-1．水分子和羥自由基鏈致Phe分子損傷過程，水分子拔氫致Phe_1和Phe_2損傷的能壘是124.97和121.93kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使這兩個(gè)能壘分別降到28.33和24.86kJ·mol-1；羥自由基拔氫致Phe_1和Phe_2損傷的能壘是21.06和22.26kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使兩個(gè)能壘分別降到-113.05和-72.75kJ·mol-1．結(jié)果表明： 水分子簇對(duì)Phe分子的旋光異構(gòu)具有較好的催化作用，水溶劑具有助催化作用；水分子羥自由基鏈可導(dǎo)致Phe分子損傷，水溶劑對(duì)損傷過程有著極好的助催化作用，羥自由基拔氫的單氫轉(zhuǎn)移通道更具優(yōu)勢(shì)．

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