具有氨基和羧基間單氫鍵的α-Ala分子旋光異構(gòu)機(jī)理及水和羥自由基的作用

田子德，高 峰，楊曉翠，王佐成

(1.白城師范學(xué)院 理論計(jì)算研究中心，白城 137000； 2.白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，白城 137000； 3.白城師范學(xué)院 數(shù)學(xué)學(xué)院，白城 137000)

α-丙氨酸(α-Ala)是組成人體蛋白質(zhì)的重要氨基酸之一，根據(jù)其構(gòu)象和旋光性的不同分為左旋體(S-α-Ala)和右旋體(R-α-Ala)，兩種手性對(duì)映體具有不同的功能特性.S-α-Ala有預(yù)防腎結(jié)石、協(xié)助葡萄糖代謝、緩和低血糖等作用.R-α-Ala有抑菌作用，是保濕因子的主要成分，用于手性藥物和手性助劑等領(lǐng)域.已有實(shí)驗(yàn)研究[1-2]證實(shí)生命體內(nèi)存在微量的R-α-Ala，體內(nèi)過(guò)量的R-α-Ala可導(dǎo)致某些疾病和過(guò)早衰老，并猜測(cè)他的部分來(lái)源是左旋體的異構(gòu)化.

由于α-Ala的重要性以及體內(nèi)有微量R-α-Ala存在，人們對(duì)α-Ala進(jìn)行了廣泛的研究.Stepanian和Adamowicz組[3-4]用密度泛函理論的B3LYP方法，對(duì)α-Ala兩種異構(gòu)體進(jìn)行了理論研究，得到了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合的α-Ala分子構(gòu)象.王文清組[5]利用單晶中子衍射研究了295K和60K時(shí)，α-Ala手性對(duì)映體的結(jié)構(gòu)特征以及由S-α-Ala向R-α-Ala轉(zhuǎn)變的可能性.文獻(xiàn)[6-8]的研究表明： 以羰基、羧基以及羧基和甲基聯(lián)合作質(zhì)子遷移橋梁，α-Ala分子手性轉(zhuǎn)變裸反應(yīng)決速步的能壘分別為326.6kJ·mol-1、316.3kJ·mol-1和337.4kJ·mol-1；在水環(huán)境下，以羰基作為氫遷移橋梁，手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)決速步的能壘被降到173.0kJ·mol-1；羧基內(nèi)先氫遷移，然后手性碳上的氫再以羰基為橋梁遷移，手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)決速步的能壘被降到167.8kJ·mol-1.文獻(xiàn)[9]的研究表明： 隨著扶手椅型SWBNNT孔徑尺寸的減小，α-Ala手性轉(zhuǎn)變決速步能壘急劇減小，在SWBNNT(5,5)內(nèi)決速步吉布斯自由能壘為48.1Kcal·mol-1(201.1kJ·mol-1)，是質(zhì)子從手性碳向氨基氮和質(zhì)子從氨基氮向羰基氧雙質(zhì)子協(xié)同遷移的過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的.

雖然人們對(duì)α-Ala分子的結(jié)構(gòu)特性及手性轉(zhuǎn)變機(jī)理的研究已較深入，研究結(jié)果對(duì)解釋生命體內(nèi)α-Ala的旋光異構(gòu)以及在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)α-Ala的旋光異構(gòu)有一定的積極作用.但167.8kJ·mol-1已經(jīng)達(dá)到了質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.0kJ·mol-1[10-11]，縱使考慮到生命體內(nèi)溫度的漲落、分子的碰撞，被越過(guò)的幾率也是很小，還要考慮某種異構(gòu)酶的催化作用.這些研究結(jié)果對(duì)于解釋生命體內(nèi)α-Ala的旋光異構(gòu)，不是十分理想.201.1kJ·mol-1已經(jīng)遠(yuǎn)高于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.0kJ·mol-1[10-11]，SWBNNT(5,5)還不能作為實(shí)現(xiàn)α-Ala旋光異構(gòu)的理想的納米反應(yīng)器.因此，有必要對(duì)α-Ala的旋光異構(gòu)進(jìn)行深入的研究.

大氣富含水汽，水是重要的溶劑，生命體是富水環(huán)境并有少量的對(duì)生物體危害極大的羥基自由基存在[12].已有文獻(xiàn)[13-14]研究表明，氨基作質(zhì)子遷移橋梁的反應(yīng)通道是氨基酸分子實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)通道，文獻(xiàn)[7-8,14-15]研究表明，水分子和水分子團(tuán)簇對(duì)質(zhì)子遷移過(guò)程具有催化作用.基于此，本工作研究了氨基作氫遷移橋梁α-Ala分子的旋光異構(gòu)、水分子簇和羥自由基的作用及水溶劑效應(yīng).

1 研究與計(jì)算方法

采用密度泛函理論的B3LYP[17-18]方法，在B3LYP/6-31+G(d,p)水平，全優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程的穩(wěn)定點(diǎn)和過(guò)渡態(tài)[19-20].為計(jì)算高水平的反應(yīng)過(guò)程勢(shì)能面，采用微擾理論的MP2方法[21-22]，在MP2/6-311++G(2df,pd)水平計(jì)算單點(diǎn)能，利用Etotal=ESP+EZPV(ESP為高水平的單點(diǎn)能，EZPV為零點(diǎn)振動(dòng)能，Etotal為高水平的總能量)計(jì)算總能量.對(duì)H遷移過(guò)程，把水視為離散介質(zhì)，水分子直接參與反應(yīng).溶劑效應(yīng)的計(jì)算，采用氣相的構(gòu)象，利用自洽反應(yīng)場(chǎng)(SCRF)理論的smd模型方法[23]計(jì)算水連續(xù)介質(zhì)的溶劑化單點(diǎn)能.α-Ala 分子與2個(gè)水分子通過(guò)氫鍵作用形成的絡(luò)合物分子記為α-Ala·2H2O，水溶劑環(huán)境下記為α-Ala·2H2O@water，其余體系的表示法類(lèi)似.通過(guò)對(duì)過(guò)渡態(tài)虛頻振動(dòng)模式的分析和內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[24-25]計(jì)算，對(duì)過(guò)渡態(tài)進(jìn)行確認(rèn).所有計(jì)算均由Gaussian09[26]軟件完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 氣相α-Ala分子的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理

文獻(xiàn)[27-28]研究表明，氨基酸的羥基與氨基之間為分子內(nèi)單氫鍵時(shí)氨基酸分子構(gòu)型最穩(wěn)定.基于此，對(duì)羥基與氨基之間為分子內(nèi)單氫鍵的S-α-Ala和R-α-Ala的幾何構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，得到圖1所示的互為對(duì)映體的結(jié)構(gòu).

圖1 單體S與R型α-Ala的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of monomer S-type α-Ala and R-type α-Ala

研究發(fā)現(xiàn)： 氨基作H遷移橋梁，實(shí)現(xiàn)α-Ala由S型向R型的異構(gòu)可有兩個(gè)反應(yīng)通道.一是分步機(jī)理，羧基實(shí)現(xiàn)從反式平面結(jié)構(gòu)向順勢(shì)平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)后，手性碳上的質(zhì)子再以氨基為橋從紙面外遷移到紙面里，命名為a通道；二是協(xié)同機(jī)理，S-α-Ala先經(jīng)過(guò)質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移和羧基從反式平面結(jié)構(gòu)向順勢(shì)平面結(jié)構(gòu)異構(gòu)協(xié)同進(jìn)行的過(guò)渡態(tài)，異構(gòu)成第1中間體.然后，質(zhì)子化氨基上的一個(gè)質(zhì)子再在紙面里從氨基氮遷移到手性碳，命名為b通道.下面對(duì)S-α-Ala在這兩個(gè)通道的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理分別進(jìn)行討論.

S-α-Ala在a通道上的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖2(a)，首先S-α-Ala經(jīng)過(guò)羧基上的12H繞9C-10O鍵軸旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)a_S-TS1，異構(gòu)成中間體a_S-INT1.二面角12H-10O-9C-11O從179.12°變?yōu)?.50°，實(shí)現(xiàn)了羧基從反式向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu).結(jié)構(gòu)分析表明，從S-α-Ala到過(guò)渡態(tài)a_S-TS1過(guò)程骨架結(jié)構(gòu)基本沒(méi)變，只是羥基旋轉(zhuǎn)，二面角12H-10O-9C-11O從179.12°變?yōu)?0.96°.因此，a_S-TS1產(chǎn)生的能壘不高，只有48.41kJ·mol-1(圖3，見(jiàn)第520頁(yè)).然后，中間體a_S-INT1_1經(jīng)過(guò)渡態(tài)a_TS2_1，實(shí)現(xiàn)12H從手性碳1C向氨基氮6N的遷移，異構(gòu)成第2中間體a_INT2.從a_S-INT1到a_TS2，1C-13H鍵從0.10937nm拉伸到0.13810nm斷裂；1C-6N鍵從0.14644nm拉伸到0.15873nm斷裂；骨架二面角6N-1C-4C-9C從124.49°變?yōu)?41.20°，骨架形變較大.此過(guò)程兩個(gè)化學(xué)鍵斷裂并且骨架形變較大，a_TS2會(huì)產(chǎn)生較高的能量，能壘值是267.41kJ·mol-1.接著a_INT2經(jīng)過(guò)渡態(tài)a_TS3，實(shí)現(xiàn)7H在紙面里從氨基氮6N向手性碳1C的遷移，異構(gòu)成中間體a_R-INT3，實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變.從a_INT2到a_TS3，6N-7H鍵長(zhǎng)從0.10322nm拉伸到0.11636nm斷裂；1C-6N鍵長(zhǎng)從0.14859nm拉伸到0.15873nm斷裂.此過(guò)程的鍵長(zhǎng)伸長(zhǎng)小于從a_S-INT1到a_TS2過(guò)程，并且骨架二面角6N-1C-4C-9C從163.78°變?yōu)?141.20°，α-碳1C從sp2雜化向sp3雜化過(guò)渡，是放熱過(guò)程.因此a_TS3_1產(chǎn)生的能壘會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于a_TS2產(chǎn)生的能壘，只有106.46kJ·mol-1.然后，a_R-INT3經(jīng)過(guò)氨基上的13H和8H左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)a_R-TS4，異構(gòu)成a_R-INT4.結(jié)構(gòu)分析表明，此過(guò)程骨架結(jié)構(gòu)基本沒(méi)變，只是二面角13H-6N-1C-8H從-119.88°變?yōu)?19.95°，非骨架原子翻轉(zhuǎn)異構(gòu)只需較少的能量，因此，a_R-TS4產(chǎn)生的能壘不高，只有17.20kJ·mol-1.最后，a_R-INT4經(jīng)12H繞9C-10O鍵軸旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)a_R-TS5，異構(gòu)成產(chǎn)物a_P_R-α-Ala.a_P_R-α-Ala分子的5N-12H距離是0.18951nm，其具有氨基和羧基之間較強(qiáng)的單氫鍵作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.此基元反應(yīng)相似于第1基元反應(yīng)，a_R-TS5產(chǎn)生的能壘不高，只有43.22kJ·mol-1.由與a_R-TS4和a_R-TS5的雙向勢(shì)壘都較低，常溫下容易越過(guò)，因此，S-α-Ala在a通道旋光異構(gòu)的產(chǎn)物是a_R-INT3、a_R-INT4和a_P_R-α-Ala共存，只是a_P_R-α-Ala的含量較高.

圖2 S-α-Ala的手性轉(zhuǎn)變過(guò)程、駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)和過(guò)渡態(tài)的虛頻振動(dòng)模式Fig.2 The chiral transition process, stationary points structure and transition state imaginary frequency of S-α-Ala

S-α-Ala在b通道手性轉(zhuǎn)變的第1基元反應(yīng)，見(jiàn)圖2(b)，S-α-Ala經(jīng)手性碳1C上的13H向氨基氮6N遷移與12H繞9C-10O鍵旋轉(zhuǎn)協(xié)同進(jìn)行的過(guò)渡態(tài)b_TS1，異構(gòu)成中間體b_INT1，實(shí)現(xiàn)了氨基質(zhì)子化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了羧基從反式向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu).結(jié)構(gòu)分析表明，b_INT1的構(gòu)象全同于a_INT2.其以后的異構(gòu)過(guò)程同于a_INT2的異構(gòu)過(guò)程，不再贅述.從S-α-Ala到b_TS1，1C-13H鍵長(zhǎng)從0.10974nm增加到0.14200nm斷裂；1C-6N鍵長(zhǎng)從0.14768nm增加到0.16107nm鍵斷裂；19H繞17O-15C旋轉(zhuǎn)，二面角12H-10O-9C-11O從179.12°變?yōu)?162.20°；骨架二面角6N-1C-4C-9C從124.68°變?yōu)?34.32°，骨架伸展形變較大.兩個(gè)化學(xué)鍵斷裂需要較大的能量，羥基的旋轉(zhuǎn)和骨架的形變也需能量，并且S-α-Ala到b_TS1過(guò)程鍵長(zhǎng)拉伸幅度大于a_S-INT1到a_TS2過(guò)程.因此，b_TS1產(chǎn)生的能壘較a_TS2高出許多，此基元反應(yīng)的能壘為326.90kJ·mol-1(圖3).

圖3 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Fig.3 Potential energy surfaces diagram of chiral enantiomer transition reaction of α-Ala

從圖3可以看出，反應(yīng)通道a具有優(yōu)勢(shì)，為主反應(yīng)通道，質(zhì)子從手性碳向氨基遷移過(guò)程是決速步驟.決速步內(nèi)稟能壘是267.41kJ·mol-1.

2.2 水分子簇的催化及水溶劑效應(yīng)

文獻(xiàn)[7-8,12-14]的研究表明，2個(gè)水分子簇對(duì)質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移和質(zhì)子從質(zhì)子化氨基向手性碳遷移的過(guò)程有較好的催化作用.篇幅所限，僅討論2個(gè)水分子簇對(duì)優(yōu)勢(shì)通道第2和3基元反應(yīng)(質(zhì)子遷移過(guò)程)的催化.考慮到水汽濃度較大時(shí)，產(chǎn)物中間體a_INT2·2H2O(m)(水分子可以在不同的方位與a_INT2絡(luò)合，m和n分別表示2H2O在底物分子的前面和后面，見(jiàn)圖4(a))不需脫水，就可以在2個(gè)水分子簇作用下實(shí)現(xiàn)質(zhì)子在紙面里從氨基氮向手性碳遷移，異構(gòu)成a_R-INT3·2H2O(m)·2H2O(n).還計(jì)算了a_INT2·2H2O(m)在2個(gè)水分子簇作用下，向a_R-INT3·2H2O(m)·2H2O(n)異構(gòu)的過(guò)程.反應(yīng)歷程分別見(jiàn)圖4(a)、(b)和(c)，手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面剖面分別見(jiàn)圖5(a1)、(a2)和(b)(第522頁(yè)).水溶劑環(huán)境下手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面剖面圖見(jiàn)圖5中的@water曲線.

對(duì)第2基元反應(yīng)，首先2個(gè)水分子簇在a_S-INT1的前面13H和6N的方位與a_S-INT1通過(guò)氫鍵作用形成前驅(qū)絡(luò)合物a_S-INT1·2H2O(m)，a_S-INT1·2H2O(m)的氫鍵能是58.89kJ·mol-1.然后，a_S-INT1·2H2O(m)經(jīng)過(guò)渡態(tài)絡(luò)合物a_TS2·2H2O(m)異構(gòu)成中間體產(chǎn)物絡(luò)合物a_INT2·2H2O(m).過(guò)渡態(tài)a_TS2·2H2O(m)的七元環(huán)結(jié)構(gòu)中，氫鍵1C-13H-14O、14O-17H-18O和18O-15H-6N的鍵角分別為161.10°、160.37°和161.49°，趨于平角，這3個(gè)氫鍵較強(qiáng)；二面角1C-13H-14O-17H、14O-17H-18O-15H和17H-18O-15H-6N的鍵角分別為-24.59°、-8.49°和-35.13°，偏離平角較小，過(guò)渡態(tài)a_TS2·2H2O的七元環(huán)結(jié)構(gòu)接近平面，張力小，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定.又從a_S-INT1·2H2O(m)到a_TS2·2H2O(m)過(guò)程，骨架二面角6N-1C-4C-9C從128.18°變?yōu)?28.30°，骨架沒(méi)有發(fā)生形變，因此，a_TS2·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘不會(huì)十分高.但是，從a_S-INT1·2H2O(m)到a_TS2·2H2O(m)過(guò)程，1C-13H、14O-17H和18O-15H鍵長(zhǎng)從0.11001nm、0.09804nm和0.09932nm分別伸長(zhǎng)到0.13314nm、0.14697nm和0.16130nm斷裂；1C-6N從0.14763nm伸長(zhǎng)到0.15160nm.因此，a_TS2·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘又不會(huì)太低，此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘是131.77kJ·mol-1.從圖5(a1)還可以看出，溶劑效應(yīng)使此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘降到107.83kJ·mol-1.

對(duì)第3基元反應(yīng)，首先是2個(gè)水分子簇在a_INT2的后面15H和1C的方位與a_INT2通過(guò)氫鍵作用形成前驅(qū)絡(luò)合物a_INT2·2H2O(n)，a_INT2·2H2O(n)的氫鍵能是98.56kJ·mol-1.然后，a_INT2·2H2O(n)經(jīng)過(guò)渡態(tài)絡(luò)合物a_TS3·2H2O(n)異構(gòu)成中間體產(chǎn)物絡(luò)合物a_R-INT3·2H2O(n).亦即，質(zhì)子以2個(gè)水分子簇為媒介，在紙面里從a_INT2的氨基氮遷移到了手性碳，實(shí)現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變.a_TS3·2H2O(n)和a_TS2·2H2O(m)相似，七元環(huán)過(guò)渡態(tài)比較穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生十分高的能壘.又從a_INT2·2H2O(n)到a_TS3·2H2O(n)過(guò)程，1C-6N鍵長(zhǎng)從0.15048nm拉伸到0.15160nm，鍵長(zhǎng)6N-15H、18O-17H和13O-14H從0.09924nm、0.10436nm和0.10111nm分別拉伸到0.10716nm、0.10496nm和0.12949nm，拉伸幅度均比a_S-INT1·2H2O(m)到a_TS2·2H2O(m)小許多；骨架二面角6N-1C-4C-9C從-137.03°變?yōu)?128.31°，α-碳1C從sp2雜化向sp3雜化過(guò)渡，是放熱過(guò)程.因此a_TS3·2H2O(n)產(chǎn)生的能壘會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于a_TS2·2H2O(m)產(chǎn)生的能壘，只有10.50kJ·mol-1.從圖5(a2)可以看出，溶劑環(huán)境下此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘是11.74kJ·mol-1，略微升高.

從圖4(c)可以看出，水汽濃度較大時(shí)，中間體產(chǎn)物絡(luò)合物a_INT2·2H2O(m)的a_INT2和H2O之間的分子間氫鍵不需斷開(kāi)，a_INT2·2H2O(m)可以與其右側(cè)的2個(gè)H2O分子通過(guò)氫鍵作用，形成4水氫鍵絡(luò)合物a_INT2·2H2O(m)·2H2O(n)，a_INT2和4H2O(n)之間的氫鍵能是155.75kJ·mol-1(a_INT2·2H2O(m)和2H2O(n)之間的氫鍵能是155.75kJ·mol-1與98.56kJ·mol-1之差，是57.16kJ·mol-1)，a_INT2·2H2O(m)·2H2O(n)經(jīng)過(guò)渡態(tài)a_TS2·2H2O(m)·2H2O(n)異構(gòu)成產(chǎn)物a_R-INT3·2H2O(m)·2H2O(n)，S-α-Ala實(shí)現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變.從勢(shì)能面剖面圖5(b)可知，此基元反應(yīng)在氣相的內(nèi)稟能壘是26.08kJ·mol-1，在水溶劑相時(shí)降到18.74kJ·mol-1.

圖4 水分子簇催化的質(zhì)子遷移異構(gòu)過(guò)程Fig.4 The proton migration isomerism processes catalyzed by water clusters

結(jié)合圖5的(a1)和(a2)和圖3可以看出，水溶劑化效應(yīng)對(duì)羧基異構(gòu)反應(yīng)(第1和5基元反應(yīng))的能壘基本沒(méi)有影響，使氨基左右翻轉(zhuǎn)異構(gòu)的能壘略有升高(第4基元反應(yīng))，水分子簇的催化與水溶劑效應(yīng)的共同作用，使決速步內(nèi)稟能壘降到107.83kJ·mol-1，已經(jīng)遠(yuǎn)低于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.0kJ·mol-1[10-11]，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)的能壘84.01kJ·mol-1[10-11]，這說(shuō)明水環(huán)境下S-α-Ala可以緩慢地實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變.

水汽相反應(yīng)過(guò)程中，某一基元反應(yīng)所放的熱量可以被下步反應(yīng)利用，總反應(yīng)能壘要用表觀能壘描述.從圖5的(a1)和(b)可以看出，水汽濃度較大時(shí)，手性轉(zhuǎn)變過(guò)程決速步的表觀能壘是72.88kJ·mol-1，低于溫和反應(yīng)的能壘84.01kJ·mol-1[10-11]，說(shuō)明水汽濃度較大時(shí)，α-Ala的手性轉(zhuǎn)變可以較快地實(shí)現(xiàn).從圖5(b)可以看出，第3基元反應(yīng)是放熱反應(yīng).

圖5 水分子簇催化質(zhì)子遷移過(guò)程及水溶劑環(huán)境下手性轉(zhuǎn)變過(guò)程的勢(shì)能面示意圖Fig.5 Potential energy surfaces diagram of proton transfer process catalyzed by water clusters and chiral transition in water solvent environment

從圖5(a1)可以看出，2水合物a_INT2·2H2O(m)的a_INT2和2個(gè)H2O分子的氫鍵斷裂需克服的氫鍵能是98.56kJ·mol-1，因此，a_INT2·2H2O(m)的氫鍵很難斷裂.從圖5(a1)和(a2)可以看出，從a_S-INT1+2H2O到a_INT2+2H2O的表觀能壘是160.94kJ·mol-1，說(shuō)明水汽濃度較小時(shí)，α-Ala分子的手性轉(zhuǎn)變很難實(shí)現(xiàn).

2.3 羥自由基致丙氨酸損傷機(jī)理及水溶劑化效應(yīng)

研究表明，第1基元反應(yīng)同于2.1節(jié)的討論，羥自由基不起作用.羥自由基對(duì)α-Ala異構(gòu)的第2基元反應(yīng)(氫遷移反應(yīng))起作用，并且是羥自由基與水分子以氫鍵結(jié)合成鏈共同起作用，導(dǎo)致a_S-INT1損傷，亦即羥自由基致α-Ala損傷.這又分兩種情形，一種是水分子抽氫機(jī)理，另一種是羥自由基抽氫機(jī)理，下面分別進(jìn)行討論：

第1種情形，水分子抽氫致a_S-INT1損傷的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖6(a)(本節(jié)未對(duì)中間體反應(yīng)物和產(chǎn)物與羥自由基及水分子之間氫鍵能進(jìn)行討論)，反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面見(jiàn)圖7(a)(第524頁(yè)).

圖6 羥自由基水分子鏈致a_S-INT1損傷的反應(yīng)歷程Fig.6 Reaction process of a_S-INT1 damage induced by hydroxyl radical water molecules chains

首先，a_S-INT1通過(guò)與一個(gè)水分子和一個(gè)羥自由基通過(guò)氫鍵作用形成氫鍵絡(luò)合物a_S-INT1·(H2O·OH·)，然后a_S-INT1·(H2O·OH·)經(jīng)過(guò)渡態(tài)a_TS2·(H2O·OH·)形成產(chǎn)物a_P1*·2H2O.a_P1*已經(jīng)沒(méi)有了手性，失去了α-Ala分子的特性，亦即α-Ala分子損傷，這里星號(hào)表示a_P1是氨基酸損傷的產(chǎn)物.

七元環(huán)結(jié)構(gòu)過(guò)渡態(tài)a_TS2·(H2O·OH·)的氫鍵角1C-13H-17O、17O-15H-14O和14O-12H-5N分別是160.66°、158.62°和165.70°，二面角1C-13H-17O-15H、17O-15H-14O-12H和15H-14O-12H-5N分別是12.03°、-8.10°和2.81°，七元環(huán)結(jié)構(gòu)基本共面，因此，過(guò)渡態(tài)a_TS2·(H2O·OH·)較穩(wěn)定；從a_S-INT1·(H2O·OH·)到a_TS2·(H2O·OH·)，反應(yīng)活性中心骨架二面角5N-1C-3C-8C從129.01°變?yōu)?28.69°，基本沒(méi)變.因此，從a_S-INT1·(H2O·OH·)到a_TS2·(H2O·OH·)不需要太多的能量.但從a_S-INT1·(H2O·OH·)到a_TS2·(H2O·OH·)過(guò)程，1C-13H、17O-15H和14O-12H分別從0.10998nm、0.09716nm和0.10085nm拉伸到0.13837nm、0.14775nm和0.17313nm，并且斷裂.3個(gè)化學(xué)鍵的拉伸斷裂還是需要一定的能量的，因此，a_TS2·(H2O·OH·)產(chǎn)生了124.76kJ·mol-1的能壘.對(duì)a_TS2·(H2O·OH·)進(jìn)行的IRC計(jì)算表明，從a_TS2·(H2O·OH·)到a_P1*·2H2O過(guò)程，首先，12H遷移到氨基氮5N，形成質(zhì)子化氨基；然后，羥自由基14O-15H形成，同時(shí)羥自由基又拔掉5N上的12H；在12H向14O回遷的過(guò)程中，13H轉(zhuǎn)移到17O；最后，12H遷移到14O與14O-15H形成水分子，丙氨酸損傷的產(chǎn)物與水分子的氫鍵絡(luò)合物a_P1*·2H2O形成.

絡(luò)合物a_P1*·2H2O分子的氫鍵距離13H-10O和15H-17O分別是0.17986nm和0.18205nm，氫鍵鍵角17O-13H-10O和14O-15H-17O分別是174.31°和171.54°，說(shuō)明損傷產(chǎn)物a_P1*·2H2O的兩個(gè)水分子之間以及水分子17O-13H-16H和a_P1*之間存在較強(qiáng)的分子間氫鍵.14O-2H的距離是0.23407nm，說(shuō)明水分子14O-12H-15H和a_P1*之間存在范德華作用.a_P1*的骨架原子二面角5N-1C-3C-8C和3C-1C-8C-9O分別為-179.78°和179.06°，說(shuō)明a_P1*的骨架原子之間形成了共軛的∏鍵.因此，a_P1*·2H2O的構(gòu)型十分穩(wěn)定.124.76kJ·mol-1的能壘已經(jīng)低于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.0kJ·mol-1[10-11]，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)的能壘84.01kJ·mol-1[10-11]，這說(shuō)明水汽環(huán)境下羥自由基的存在可導(dǎo)致S-α-Ala緩慢地?fù)p傷.

圖7 羥自由基水分子鏈致a_S-INT1損傷反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面Fig.7 Potential energy surfaces diagram of reaction process of a_S-INT1 damage induced by hydroxyl radical water molecule chains

從圖7(a)可以看出，水溶劑化效應(yīng)使損傷過(guò)程的能壘降到6.59kJ·mol-1，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于溫和反應(yīng)的能壘84.01kJ·mol-1[10-11]，這說(shuō)明水溶劑環(huán)境下羥自由基的存在可導(dǎo)致S-α-Ala迅速地?fù)p傷，水溶劑起了極好的助催化作用.水溶劑化效應(yīng)使羥自由基致α-Ala損傷過(guò)程的能壘大幅下降原因是： a_TS2·(H2O·OH·)的偶極矩是3.7721，遠(yuǎn)大于a_S-INT1·(H2O·OH·)的偶極矩1.9955，因此，在極性溶劑水中前者比后者更容易極化，a_TS2·(H2O·OH·)的能量降低會(huì)比a_S-INT1·(H2O·OH·)的能量降低顯著，導(dǎo)致水溶劑環(huán)境下羥自由基致α-Ala損傷的能壘大幅下降.產(chǎn)物a_P1*·2H2O的偶極矩是2.6547，也比a_S-INT1·(H2O·OH·)的偶極矩大，極性水溶劑效應(yīng)會(huì)使前者的能量相對(duì)后者降幅大些，因此，水溶劑環(huán)境下a_P1*·2H2O變得比a_S-INT1·(H2O·OH·)相對(duì)更穩(wěn)定.

第2種情形，羥自由基抽氫致a_S-INT1損傷的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖6(b)，反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面見(jiàn)圖7(b).首先，a_S-INT1與一個(gè)水分子和一個(gè)羥自由基通過(guò)氫鍵作用形成氫鍵絡(luò)合物a_S-INT1·[(OH·)·H2O].然后，a_S-INT1·[(OH·)·H2O]經(jīng)過(guò)渡態(tài)a_TS2·[(OH·)·H2O]實(shí)現(xiàn)了13H從手性碳向羥自由基的遷移，形成產(chǎn)物a_P2*·2H2O.a_P2*已經(jīng)沒(méi)有了手性，失去了α-Ala分子的特性，亦即α-Ala分子損傷.

從圖6(b)可以看出，羥自由基抽氫致a_S-INT1損傷過(guò)程中，水分子15H-18H-17O并沒(méi)參與反應(yīng)，只是起到穩(wěn)定羥自由基處于理想的利于抽氫位置的作用.從a_S-INT1·[(OH·)·H2O]到a_TS2·[(OH·)·H2O]過(guò)程，1C-13H從0.11001nm拉伸到0.11585nm，拉伸幅度僅有0.00584nm；反應(yīng)活性中心骨架二面角6N-1C-4C-9C從128.01°變?yōu)?31.74°，基本沒(méi)變.一個(gè)化學(xué)鍵較小幅度的拉伸，需要的能量很小，因此，a_TS2·[(OH·)·H2O]產(chǎn)生的能壘較低，只有21.56kJ·mol-1.這能壘遠(yuǎn)低于溫和反應(yīng)的能壘84.01kJ·mol-1[10-11]，這說(shuō)明水汽環(huán)境下羥自由基拔氫可致S-α-Ala較快地?fù)p傷.結(jié)構(gòu)分析表明，相似于a_P1*·2H2O，損傷產(chǎn)物a_P2*·2H2O的兩個(gè)水分子之間以及水分子14O-13H-16H和a_P1*之間存在較強(qiáng)的分子間氫鍵，水分子17O-18H-15H和a_P1*之間存在范德華作用，a_P2*的骨架原子之間形成了共軛的∏鍵，因此，a_P2*·2H2O的構(gòu)型十分穩(wěn)定.

從圖7(b)可以看出，水溶劑化效應(yīng)使損傷過(guò)程的能壘微升到22.4kJ·mol-1，損傷反應(yīng)過(guò)程仍為低勢(shì)壘過(guò)程，這說(shuō)明水溶劑環(huán)境下羥自由基拔氫致S-α-Ala也較快地?fù)p傷，水溶劑同樣起了微弱的負(fù)催化作用.

從圖7可看出，羥自由基水分子鏈聯(lián)合致a_S-INT1損傷反應(yīng)過(guò)程均為放熱反應(yīng).無(wú)論是水汽相還是水溶劑相，在水分子拔氫和羥自由基拔氫兩個(gè)通道的競(jìng)爭(zhēng)中，水為汽相時(shí)羥自由基拔氫通道具有明顯的優(yōu)勢(shì)，水為液相時(shí)水分子拔氫通道具有優(yōu)勢(shì).

3 結(jié) 論

標(biāo)題反應(yīng)有兩個(gè)通道a和b，a是羧基先異構(gòu)，然后質(zhì)子以氨基為橋遷移的分步機(jī)理；b是質(zhì)子遷移與羧基異構(gòu)同步進(jìn)行的協(xié)同機(jī)理.a為優(yōu)勢(shì)通道，質(zhì)子從手性碳向氨基遷移過(guò)程是決速步驟.2個(gè)水分子簇作氫遷移媒介，使決速步內(nèi)稟能壘從裸反應(yīng)的267.41kJ·mol-1降到131.77kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使該能壘降到107.83kJ·mol-1.羥自由基水分子鏈聯(lián)合作用使α-Ala損傷，水分子拔氫和羥自由基拔氫的能壘分別是124.76和21.56kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使兩個(gè)能壘降到6.59和-186.99kJ·mol-1.結(jié)果表明： 水溶劑環(huán)境下，α-Ala的可以緩慢地旋光異構(gòu)；在濃度較大的水汽環(huán)境下，α-Ala的旋光異構(gòu)更容易進(jìn)行.水汽環(huán)境下，羥自由基的存在可使α-Ala損傷；水溶劑環(huán)境下，羥自由基的存在可使α-Ala迅速損傷.