限域1F-分子篩Asn分子的手性轉(zhuǎn)變機制

祝 穎, 林芮竹, 陳洪斌

(吉林醫(yī)藥學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 吉林 吉林 132013)

天冬酰胺(asparagine, Asn)是部分食物和藥物的組分, 并非人體必需的氨基酸, 但在維持人體神經(jīng)系統(tǒng)和新陳代謝方面有積極作用[1]. 文獻[2]研究表明, 果糖的添加量、 加熱溫度和Asn的添加量對丙烯酰胺的產(chǎn)生影響顯著; 文獻[3-4]研究表明, 熱加工食品中丙烯酰胺的形成途徑主要包括基于Asn和羰基化合物葡萄糖等在高溫下發(fā)生Maillard反應(yīng)的Asn途徑; 文獻[5-6]得到了孤立單體、 非限域的賴氨酸等分子手性轉(zhuǎn)變機制. 目前, 對氣相賴氨酸等分子手性轉(zhuǎn)變機制的理論研究成果較多, 但對限域在單空間多尺寸孔徑分子篩(1F-分子篩)Asn分子內(nèi)羧基、 手性C原子上H原子遷移過程實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變的機制研究尚未見文獻報道. 基于此, 本文對1F-分子篩限域Asn分子的結(jié)構(gòu)變化及過渡態(tài)特性進行理論研究, 從而完善限域分子篩條件下Asn分子的手性轉(zhuǎn)變機制.

1 理論和計算方法

文獻[5-7]研究表明, H轉(zhuǎn)移過程為點手性分子對映體轉(zhuǎn)變過程的最佳反應(yīng)途徑. 本文以限域在1F-分子篩內(nèi)的S型Asn分子[8-11]作為反應(yīng)物, 研究其到產(chǎn)物R型Asn分子過程中各過渡態(tài)[12-14]及中間體特性, 將過渡態(tài)和中間體等各極值點連接以確定反應(yīng)路徑. 基于密度泛函理論(DFT)中的B3LYP[15-16]方法, 采用ONIOM(CAM-B3LYP/6-31G(d,p): UFF)基組對單重態(tài)勢能面上極小值進行理論計算. 為了得到更高精度的單點能, 基于DFT的B3LYP方法, 在6-311++G(3df,3dp)基組水平上計算單點能. 所有計算均在Gaussian 09軟件包內(nèi)進行.

1F-分子篩由Si,O,H三種元素構(gòu)成, 為單個中空的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu), 含有3種對稱、 大小不等的篩孔, 分別稱為四元環(huán)篩孔、 六元環(huán)篩孔、 十二元環(huán)篩孔, 最大篩孔直徑為 11.779 4 nm. 1F-分子篩構(gòu)型及限域在1F-分子篩內(nèi)Asn分子的結(jié)構(gòu)如圖1所示, 其中Asn分子長軸距離為6.086 1 nm.

圖1 限域1F-分子篩Asn分子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of Asn molecule confined in 1F-MOL

2 結(jié)果與討論

2.1 限域1F-分子篩Asn分子的對映體構(gòu)型

為完善限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變機制, 將該條件下Asn分子表示為S-Asn@1F-MOL和R-Asn@1F-MOL. 限域1F-分子篩Asn分子手性對映體穩(wěn)定構(gòu)型分別如圖2和圖3所示.

圖2 R-Asn@1F-MOL型分子結(jié)構(gòu)Fig.2 Molecular structure of R-Asn@1F-MOL

圖3 S-Asn@1F-MOL型分子結(jié)構(gòu)Fig.3 Molecular structure of S-Asn@1F-MOL

2.2 限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變路徑

限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變路徑為S-Asn@1F-MOL→TS1-S-Asn@1F-MOL→INT1-S-Asn@1F-MOL→TS*-Asn@1F-MOL→INT1-R-Asn@1F-MOL→TS1-R-Asn@1F-MOL→R-Asn@1F-MOL.圖4為限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變路徑示意圖.

圖4 限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變路徑示意圖Fig.4 Schematic diagram of chiral transition path of Asn molecule confined in 1F-MOL

2.3 限域1F-分子篩Asn分子中H轉(zhuǎn)移反應(yīng)機制

本文僅給出S-Asn@1F-MOL→TS1-S-Asn@1F-MOL→INT1-S-Asn@1F-MOL反應(yīng)過程中H遷移勢能面示意圖, 其余各過渡態(tài)反應(yīng)過程勢能面示意圖略.

圖5 S-Asn@1F-MOL→TS1-S-Asn@1F-MOL→INT1-S-Asn@1F-MOL的反應(yīng)過程Fig.5 Reaction process of S-Asn@1F-MOL→TS1-S-Asn@1F-MOL→INT1-S-Asn@1F-MOL

2.3.1S-Asn@1F-MOL→TS1-S-Asn@1F-MOL→INT1-S-Asn@1F-MOL反應(yīng)過程中H轉(zhuǎn)移的反應(yīng)機制S-Asn@1F-MOL→TS1-S-Asn@1F-MOL→INT1-S-Asn@1F-MOL反應(yīng)過程中各分子幾何結(jié)構(gòu)及過渡態(tài)的虛頻振動模式如圖5所示. 以全優(yōu)化S-Asn@1F-MOL能量為參考零勢面, 12H原子由手性1C原子向9O原子遷移而形成過渡態(tài)TS1-S-Asn@1F-MOL, 該結(jié)構(gòu)僅有一個虛頻為1 744.21i, 優(yōu)化得到中間產(chǎn)物INT1-S-Asn@1F-MOL. 該反應(yīng)路徑上各穩(wěn)定點及過渡態(tài)能量和振動虛頻列于表1. 由圖5可見, 當(dāng)限域1F-分子篩時,S-Asn@1F-MOL→INT1-S-Asn@1F-MOL反應(yīng)過程中需越過的能壘為321.361 2 kJ/mol.

表1 在S-Asn@1F-MOL→TS1-S-Asn@1F-MOL→INT1-S-Asn@1F-MOL反應(yīng)過程中各穩(wěn)定點及過渡態(tài)的能量參數(shù)

2.3.2 INT1-S-Asn@1F-MOL→TS*-Asn@1F-MOL→INT1-R-Asn@1F-MOL反應(yīng)過程中H轉(zhuǎn)移的反應(yīng)機制 INT1-S-Asn@1F-MOL→TS*-Asn@1F-MOL→INT1-R-Asn@1F-MOL反應(yīng)過程中各分子幾何結(jié)構(gòu)及過渡態(tài)的虛頻振動模式如圖6所示. 以INT1-S-Asn@1F-MOL能量為參考零勢面, 12H原子在紙內(nèi)側(cè)和外側(cè)振動, 伴隨其他基團振動形成過渡態(tài)TS*-Asn@1F-MOL, 該結(jié)構(gòu)僅有一個虛頻為146.87i, 優(yōu)化得到中間產(chǎn)物INT1-R-Asn@1F-MOL. 該反應(yīng)路徑上各穩(wěn)定點及過渡態(tài)能量和振動虛頻列于表2. 由圖6可見, 當(dāng)限域1F-分子篩時, INT1-S-Asn@1F-MOL→INT1-R-Asn@1F-MOL反應(yīng)過程中需越過的能壘為1.837 9 kJ/mol, 遠小于孤立情況下的能壘52.509 9 kJ/mol. 即分子篩限域具有較好的催化作用.

圖6 INT1-S-Asn@1F-MOL→TS*-Asn@1F-MOL→INT1-R-Asn@1F-MOL的反應(yīng)過程Fig.6 Reaction process of INT1-S-Asn@1F-MOL→TS*-Asn@1F-MOL→INT1-R-Asn@1F-MOL

結(jié)構(gòu) EB3L/a.u.ESP/a.u.Δ E/(kJ·mol-1)I/cm-1INT1-S-Asn@1F-MOL-491.051 8-491.450 00TS*-Asn@1F-MOL-491.052 3-491.449 3 1.837 9146.87INT1-R-Asn@1F-MOL-491.051 3-491.449 41.575 3

2.4 限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變過渡態(tài)的振動模式

限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變過渡態(tài)TS1-S-Asn@1F-MOL和TS1-R-Asn@1F-MOL的振動模式如圖7所示.

圖7 限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變過渡態(tài)的振動模式Fig.7 Vibrational modes of chiral transition states of Asn molecule confined in 1F-MOL

2.5 限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變勢能面能級

在限域1F-分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變過程中, 各穩(wěn)定點、 過渡態(tài)能量及振動虛頻列于表3.

表3 各穩(wěn)定點及過渡態(tài)的能量參數(shù)

綜上, 本文得到了限域1F-分子篩Asn分子內(nèi)12H原子在羧基9O原子及手性1C原子間遷移過程形成的反應(yīng)機制； 該反應(yīng)過程經(jīng)過2個中間體和3個過渡態(tài), 進而完成限域分子篩條件下Asn分子手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)路徑, 進一步完善了限域分子篩Asn分子手性轉(zhuǎn)變機制的理論體系.