苯丙氨酸分子的手性對映體轉變機理及水分子(簇)的催化作用

潘 宇,高 峰,王 野,李 冰,楊曉翠,王佐成

(1.白城師范學院 物理與電子信息學院,吉林 白城 137000；2.白城師范學院 機械工程學院,吉林 白城 137000)

苯丙氨酸(Phe)是一種人體必需氨基酸,根據(jù)構型分為S-型(S-Phe)和R-型(R-Phe),根據(jù)旋光性分為左旋體和右旋體.在生命體內,Phe左旋體具有活性,可用作食品添加劑;右旋體用于預防和治療阿爾茨海默癥,是重要的化工醫(yī)藥原料,用途廣泛[1].左旋體可從生物中提取,價格較低；右旋體可利用不對稱合成、手性拆分和左旋體的旋光異構合成.不對稱合成方法技術難度較高,且需昂貴的過渡金屬作為催化劑;手性拆分可得到左旋體,但產率低.因此使Phe的左旋體消旋獲得右旋體具有重要意義.人們從各種不同物種的生物體內發(fā)現(xiàn)了多種D-型氨基酸(如D-丙氨酸(D-Ala)、D-絲氨酸(D-Ser)和D-苯丙氨酸(D-Phe)等[2]),導致動物產生某些疾病[3].文獻[3-4]研究表明,生命體內右旋-氨基酸來源于生命體內左旋氨基酸的消旋以及攝入的食物和飲料等.基于以上原因,人們對氨基酸的旋光異構進行了大量研究: 文獻[5]研究表明,纈氨酸(Val)分子在激發(fā)態(tài)或水氣環(huán)境下可實現(xiàn)手性對映體轉變;文獻[6-9]研究表明,可通過多種方法實現(xiàn)丙氨酸分子的手性對映體轉變;文獻[10-11]研究了氣相絲氨酸和天冬氨酸手性對映體轉變的反應勢能面,揭示了從S-型絲氨酸和S-型天冬氨酸向其手性對映體及其他旋光異構體異構的機理.但關于Phe分子手性轉變的研究目前較少,文獻[12-13]采用密度泛函理論的B3LYP方法,對Phe分子的旋光異構及水分子的作用進行了研究,但存在一定的缺陷: 首先,采用B3LYP方法處理Phe分子的分子內單氫鍵、分子內π氫鍵以及Phe分子與水分子間的氫鍵作用效果較差；其次,文獻[12-13]僅研究了S-Phe基于氨基氮做質子遷移媒介的旋光異構,未說明其手性對映體產生的機理,對其他反應通道也未進行討論.

水分子是大氣中常見的分子,主要以水分子簇的形式存在[14],水分子簇與Phe分子間以及水分子簇的水分子之間均存在氫鍵作用.基于此,本文采用色散校正密度泛函和微擾理論研究苯丙氨酸分子的手性對映體轉變機理及水分子(簇)的催化作用.

1 計算方法

為較好處理Phe分子內氫鍵以及水分子簇與Phe分子間的氫鍵作用,采用色散校正密度泛函WB97X-D[15]方法,在6-311++G(d,p)基組下全優(yōu)化S-Phe分子手性對映轉變反應過程中的各駐點,同時獲得各駐點的零點振動能校正.為確認過渡態(tài)已連接所期望的局域穩(wěn)定點,對過渡態(tài)[16]進行內稟反應坐標(IRC)計算[17].為得到高水平的反應勢能面,在MP2[18]/6-311++G(3df,2pd)理論水平計算駐點的單點能,駐點的總能量用Gtotal=EZPV+ESP計算,其中EZPV和ESP分別為零點振動能校正和高水平的單點能.為更好說明考慮零點振動能后,質子從質子化氨基向羰基氧遷移的能壘消失,利用AIM2000程序[19]計算相關成鍵臨界點電荷密度,分析成鍵特征.S-Phe與2個水分子簇(二聚水)形成的氫鍵配合物記作S-Phe·(H2O)2(m,n,u,v),其中m,n,u,v分別表示水分子(簇)在S-Phe的前面、后面、上面和右面,其他體系的表示法相似.本文中鍵長單位均為nm,計算由Gaussian09程序[20]完成.

2 結果與討論

S-Phe及其手性對映體R-Phe的最穩(wěn)定構型[12-13]如圖1所示.研究表明，氣相S-Phe的手性對映體轉變裸反應有a和b兩個通道,分別是質子以氨基氮為橋梁和以羰基氧與氨基氮順次為橋梁遷移；2個水分子簇作為質子遷移媒介時,在通道b比氣相環(huán)境多了質子僅以羰基氧為橋梁遷移的新路徑,新路徑命名為b*.

(A)與(B)關于紙面垂直的平面鏡像對稱;(B)與(C)關于紙面鏡像對稱.圖1 苯丙氨酸分子手性對映體的幾何構型Fig.1 Geometric configuration of chiral enantiomer of phenylalanine molecules

2.1 氣相S-Phe分子的手性對映體轉變

2.1.1 氣相S-Phe分子在通道a的手性對映體轉變 文獻[11]研究表明,質子4H以氨基為橋梁遷移有質子遷移與羧羥基異構協(xié)同進行和分步進行兩種機理(2個分路徑),前者具有優(yōu)勢,命名為通道a.氣相S-Phe分子在通道a的手性對映體轉變歷程如圖2所示,反應的勢能剖面如圖3中a路線所示.

圖2 氣相S-Phe分子在通道a的手性對映體轉變反應歷程Fig.2 Reaction process of chiral enantiomer transition of gas phase S-Phe molecule in channel a

圖3 氣相S-Phe分子手性對映體轉變反應的勢能面Fig.3 Potential energy surfaces of chiral enantiomer transition reaction of gas phase S-Phe molecule

1) 第1基元反應.S-Phe異構成中間體a_S-INT1,該基元反應經羧羥基22O—23H在紙面外旋轉的過渡態(tài)a1_S-TS1或在紙面里旋轉的過渡態(tài)a2_S-TS1,實現(xiàn)羧基從反式向順式平面結構的轉變.從S-Phe到a_S-INT1,二面角2H-1N-3C-5C由90.66°變?yōu)?5.48°,氨基氮(1N)在紙面外側部分裸露,負電荷增加,易接受質子.23H從羧基的左側轉到右側,減小了質子從正面向1N遷移的空間位阻.因此a_S-INT1的4H向1N遷移比S-Phe的4H向1N遷移容易.從S-Phe到a1_S-TS1過程,二面角23H-22O-6C-10O由179.41°變?yōu)?88.35°,二面角2H-1N-3C-5C由90.66°變?yōu)?3.13°,6C—22O鍵長由0.132 8 nm拉伸至0.137 0 nm,2個化學鍵的內旋轉和一個化學鍵的小幅度拉伸所需能量較少,a1_S-TS1產生的能壘為60.25 kJ/mol.從S-Phe到a2_S-TS1過程產生的能壘為53.62 kJ/mol,比a1_S-TS1產生的能壘略低.

2) 第2基元反應.a_S-INT1經4H從α-C(3C)向1N遷移的過渡態(tài)a_TS2,異構成氨基質子化的中間體a_INT2,質子化氨基不穩(wěn)定,其上面的質子易向3C遷移,S-Phe實現(xiàn)旋光異構,此時R-基上的苯環(huán)尚未從紙面里轉到紙面外.從a_S-INT1到a_TS2過程,3C—4H鍵長由0.109 4 nm拉伸至0.135 6 nm,3C—1N鍵長由0.144 9 nm拉伸至0.156 5 nm,活性中心骨架二面角1N-3C-5C-6C由126.90°變?yōu)?40.76°,2個化學鍵較長的拉伸斷裂和較大的骨架形變需較多的能量,a_TS2產生的內稟能壘為259.71 kJ/mol.

3) 第3基元反應.a_INT2經亞甲基7H—5C—8H繞3C—5C鍵軸左視順時針旋轉的過渡態(tài)a_TS3,異構成a_INT3.從a_INT2到a_TS3過程是化學鍵內旋轉,所需能量較小,a_TS3產生的能壘為12.86 kJ/mol.經該基元亞甲基繞3C—5C鍵旋轉帶動苯環(huán)從紙面內側轉到紙面外側.結構分析表明：a_INT2的苯環(huán)、7H和8H分別與a_INT3的苯環(huán)、7H和8H關于骨架1N-3C-5C-6C-10O-22O對稱,從a_INT2到a_INT3完成了R-基的鏡像對稱異構.

4) 第4基元反應.a_INT3經與a_TS2對稱的過渡態(tài)a_TS4,異構成a_R-INT4,實現(xiàn)了手性轉變.結構分析表明,S-Phe到a_R-INT4基本實現(xiàn)了骨架1N-3C-5C-6C和α-H的鏡像對稱異構.從a_INT3到a_TS4過程,1N—2H和1N—3C鍵長分別由0.102 1,0.147 8 nm拉伸至0.116 7,0.156 5 nm后斷裂,2個化學鍵的拉伸斷裂均需一定的能量.由于2個化學鍵的拉伸幅度小于從a_S-INT1到a_TS2過程,且從a_INT3到a_TS4過程,3C從空配狀態(tài)向滿配狀態(tài)過渡,釋放能量,因此a_TS4遠低于a_TS2產生的能壘,產生的能壘僅為111.82 kJ/mol.

5) 第5基元反應.a_R-INT4經氨基左右翻轉的過渡態(tài)a_TS5,異構成a_R-INT5,減小了空間位阻并增加了1N對23H的庫侖引力作用,為羧羥基從順式向反式平面結構異構創(chuàng)造了條件.該基元反應是非骨架形變的二面角改變,所需能量較少,a_TS5產生的能壘僅為17.96 kJ/mol.

6) 第6基元反應.a_R-INT5經與第1基元反應相似的過渡態(tài)a1_R-TS6和a2_R-TS6,構象異構成產物a_P_R-Phe,a1_R-TS6和a2_R-TS6產生的能壘分別為43.07,40.29 kJ/mol.結構分析表明,a_P_R-Phe與S-Phe鏡像對稱,即S-Phe到a_P_R-Phe實現(xiàn)了手性對映體轉變.

2.1.2 氣相S-Phe分子在通道b的手性對映體轉變 氣相S-Phe分子在通道b的手性對映體轉變反應的勢能剖面如圖3中b路線所示，反應歷程如圖4所示.

1) 第1基元反應.S-Phe經21H從3C向10O遷移的過渡態(tài)b_TS1,異構成中間體b_INT1.從S-Phe到b_TS1過程,3C—21H鍵長由0.109 5 nm拉伸至0.154 0 nm,活性中心骨架二面角1N-3C-5C-6C由125.54°變?yōu)?30.96°,化學鍵大幅度拉伸和骨架形變需較多的能量,b_TS1產生的內稟能壘為287.96 kJ/mol.b_TS1大于a_TS1產生的內稟能壘,這是由于3C—21H鍵拉伸的幅度較大所致.

2) 第2基元反應.b_INT1經與a_TS3相似的過渡態(tài)b_TS2,R-基鏡像對稱異構,形成中間體b_INT2,b_TS2產生的能壘為10.20 kJ/mol,該基元反應相似于2.1.1中的第3基元反應,故略.

3) 第3基元反應.b_INT2經與a1_S-TS1和a2_S-TS1相似的過渡態(tài)bj_TS3和bk_TS3,21H轉到羧基的內側,異構成中間體b_INT3.bj_TS3和bk_TS3產生的能壘基本相同,分別為7.02,7.88 kJ/mol.

4) 第4基元反應.b_INT3經23H從羧基向氨基遷移的過渡態(tài)b_TS4,異構成中間體b_INT4.從b_INT3到b_TS4過程,22O—23H的鍵長由0.097 3 nm拉伸至0.133 7 nm,拉伸幅度較??；b_TS4的鍵角22O-23H-1N為137.78°,且存在氫鍵；二面角1N-23H-22O-6C和3C-6C-22O-23H分別為-0.89°,1.73°,過渡態(tài)五元環(huán)共面.因此b_TS4較穩(wěn)定,產生的能壘較低,僅為41.44 kJ/mol.

中間體b_INT4比b_TS4的單點能低5.65 kJ/mol,但經零點振動能校正后,前者比后者高了5.21 kJ/mol.表明考慮零點振動能校正后,b_INT3經b_TS4到b_INT4的逆反應變成了無勢壘過程,僅需提供46.65(41.44+5.21)kJ/mol的能量,質子即可在b_INT3和b_INT4之間自由移動,顯示其具有較高的離域性.其原因為：① b_INT4與23H—22O的距離(0.182 3 nm)小于b_INT3與1N—23H的距離(0.208 1 nm),b_INT4中23H—22O的成鍵臨界點(BCP)電荷密度為0.039 6 a.u.,大于b_INT3中1N-23H的BCP電荷密度(0.025 9 a.u.),因此前者具有較強的氫鍵,體系不穩(wěn)定；② 從b_INT3到b_INT4過程,23H凈遷移了0.103 2 nm,大于b_INT4到b_INT3過程中23H的凈遷移距離(0.085 0 nm),導致b_INT4易向b_INT3異構;③ 根據(jù)DKL理論模型和經典的質子轉移理論,b_TS4中氫鍵斷裂使相關振動的力常數(shù)減小,其零點振動能低于其連接的反應物和產物的零點振動能,從而導致零點振動能校正后b_TS4產生的能壘在某方向消失.

5) 第5基元反應.b_INT4經羧基內質子遷移的過渡態(tài)b_TS5,構型異構成b_INT5.結構分析表明,b_INT5的構象與a_INT3相同,其異構反應歷程與a_INT3的反應歷程相同,故略.從b_INT4到b_TS5過程,10O—21H的鍵長由0.096 2 nm拉伸至0.129 3 nm,斷裂,一個化學鍵拉伸且斷裂,同時四元環(huán)過渡態(tài)b_TS5張力較大.b_TS5產生的能壘為116.29 kJ/mol.

由圖3可見：通道a速控步驟的內稟能壘為259.71 kJ/mol,反應的活化能(表觀能壘)為270.26 kJ/mol.通道b速控步驟的內稟能壘和反應的活化能(表觀能壘)相同,為287.96 kJ/mol,可見通道a具有優(yōu)勢.259.71 kJ/mol遠高于質子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[21],表明氣相S-Phe分子具有較好的穩(wěn)定性.

圖4 氣相S-Phe分子在通道b的手性對映體轉變反應歷程Fig.4 Reaction process of chiral enantiomer transition of gas phase S-Phe molecule in channel b

2.2 水分子簇對S-Phe分子手性對映體轉變的催化作用

2.2.1 通道a中的催化過程 由圖3可見,S-Phe分子在通道a中手性對映體轉變的第2和第4基元反應分別為決速步驟和次決速步驟,即質子從α-C向氨基N和質子從氨基N向α-C的遷移過程.計算表明,2個水分子簇對氨基酸質子轉移的催化作用與3個水分子簇相差較小,因此本文僅討論2個水分子簇對這兩個反應過程的催化作用,反應歷程如圖5所示,反應的勢能面如圖6(A)所示.

圖5 2個水分子簇在通道a對S-Phe分子手性對映體轉變反應的催化歷程Fig.5 Catalytic process of two water molecule clusters for chiral enantiomer transition reaction of S-Phe molecule in channel a

1) 第2基元反應.首先,a_S-INT1的1N和23H與其前面的2個水分子簇通過氫鍵作用形成配合物a_S-INT1·(H2O)2(m).其次,a_S-INT1·(H2O)2(m)經過渡態(tài)a_TS2·(H2O)2(m)構型異構成中間體配合物a_INT2·(H2O)2(m),實現(xiàn)了α-H從3C向1N的凈遷移,a_TS2·(H2O)2(m)靠近產物,是晚期過渡態(tài).最后,a_INT2·(H2O)2(m)的a_INT2和(H2O)2的氫鍵解離后可得到a_INT2.配合物a_S-INT1·(H2O)2(m)的氫鍵能為45.67 kJ/mol,相對于a_S-INT1+(H2O)2是富能分子,氫鍵能可作為a_S-INT1·(H2O)2(m)繼續(xù)反應的資用能.從a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)過程,3C—23H,21O—27H,28O—25H,3C—1N的鍵長分別由0.109 7,0.097 3,0.098 5,0.146 2 nm拉伸至0.129 5,0.150 6,0.164 0,0.149 9 nm,活性中心二面角1N-3C-4C-5C由129.32°變?yōu)?28.44°,3個化學鍵拉伸明顯,骨架形變較?。籥_TS2·(H2O)2(m)的七元環(huán)結構中存在3個較強的氫鍵且接近平面,七元環(huán)結構較穩(wěn)定.因此a_TS2·(H2O)2(m)產生的內稟能壘較低,僅為126.47 kJ/mol,遠小于裸反應中該基元的內稟能壘259.71 kJ/mol.表明2個水分子簇具有較好的催化作用.

2) 第4基元反應.首先,a_INT3的3C和25H與其后面的2個水分子簇通過氫鍵作用形成配合物a_INT3·(H2O)2(n),其氫鍵結合能為81.84 kJ/mol.其次,a_INT3·(H2O)2(n)經配合物過渡態(tài)a_TS4·(H2O)2(n)構型異構成中間體產物配合物a_R-INT4·(H2O)2(n),實現(xiàn)了質子從1N向3C的凈遷移,S-Phe實現(xiàn)了手性轉變,a_TS4·(H2O)2(n)靠近反應物,是早期過渡態(tài).從a_INT3·(H2O)2(n)到a_TS4·(H2O)2(n)過程,1N—25H,28O—27H,24O—23H,3C—1N的鍵長分別由0.103 9,0.098 2,0.099 6,0.149 0 nm拉伸至0.106 0,0.102 8,0.131 9,0.149 9 nm,活性中心二面角1N-3C-4C-5C由-138.31°變?yōu)?128.44°,3個化學鍵的拉伸幅度明顯小于a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)過程中這3個化學鍵的拉伸幅度,且該過程的二面角1N-3C-4C-5C形變導致3C從空配狀態(tài)向滿配狀態(tài)過渡,釋放能量；由于a_TS4·(H2O)2(n)和a_TS2·(H2O)2(m)的七元環(huán)結構相似,因此a_TS4·(H2O)2(n)遠小于a_TS2·(H2O)2(m)產生的內稟能壘,僅為14.76 kJ/mol.配合物a_R-INT4·(H2O)2(n)是質子從質子化氨基向α-C凈遷移的產物,質子凈遷移拉近了體系正負電荷中心的距離,使體系較穩(wěn)定；結構分析表明,a_R-INT4·(H2O)2(n)體系存在1個分子內的弱雙氫鍵、1個氨基與苯環(huán)間的π氫鍵、2個強氫鍵和1個分子間的弱氫鍵.因此,a_R-INT4·(H2O)2(n)體系在勢能面上處于較低的位置(-193.56 kJ/mol).由圖6(A)可見,a_INT3·(H2O)2(n)的可資用能遠大于a_TS4·(H2O)2(n)產生的能壘,且a_R-INT4·(H2O)2(n)解離后的總能也低于反應物a_INT3+(H2O)2的總能.因此,該基元反應為放熱反應.

2.2.2 通道b中的催化過程 由圖3可見,S-Phe在通道b中手性對映體轉變的第1,4,5基元反應分別為決速步驟和次決速步驟,即質子從α-C向羰基O、質子從質子化羧基向氨基N和羧基內的質子遷移過程.水分子(簇)催化S-Phe分子在通道b的手性對映體轉變反應,先以水分子(簇)為質子遷移媒介,質子從α-C遷移到羰基O,再經裸反應的第2基元反應過程,完成R-基的鏡像對稱異構.之后過程是兩個路徑：1) 水分子(簇)作為質子遷移媒介,質子從羰基O遷移到α-C的路徑b*;2) 原來的通道b,命名為路徑b.對于路徑b的第1,5基元反應和路徑b*上的基元反應,僅考察2個水分子簇的催化;對于路徑b的第4基元反應,2個水分子簇的催化效果較差,因此僅考察1個水分子的催化,反應勢能面如圖6(B)所示,反應歷程如圖7所示.

圖6 水分子(簇)對S-Phe分子手性對映體轉變催化反應的勢能面Fig.6 Potential energy surfaces of catalytic process of water molecules (clusters) for chiral enantiomer transition of S-Phe molecule

圖7 水分子(簇)在通道b對S-Phe分子手性對映體轉變反應的催化歷程Fig.7 Catalytic process of water molecules (clusters) for chiral enantiomer transition reaction of S-Phe molecule in channel b

1) 第1基元反應.首先,S-Phe的25H和9O與其前面的2個水分子簇形成氫鍵配合物b_S-Phe·(H2O)2(m),氫鍵能為46.58 kJ/mol.其次,b_S-Phe·(H2O)2(m)經質子從α-C向羰基O遷移的過渡態(tài)b_TS1·(H2O)2(m),構型異構成中間體配合物b_INT1·(H2O)2(m).最后,b_INT1·(H2O)2(m)解離成b_INT1和(H2O)2,解離能為47.07 kJ/mol.從b_S-Phe·(H2O)2(m)到b_TS1·(H2O)2(m)過程,3C—25H,28O—27H,24O—23H的鍵長由0.109 5,0.097 4,0.097 5 nm分別拉伸至0.130 7,0.141 0,0.138 8 nm,反應活性中心二面角1N-3C-4C-5C由124.54°變?yōu)?28.57°,化學鍵的拉伸幅度與a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)過程中這些化學鍵拉伸幅度相近,但骨架形變增加.對b_TS1·(H2O)2(m)的結構分析表明,其七元環(huán)結構不穩(wěn)定,因此b_TS1·(H2O)2(m)比a_TS2·(H2O)2(m)產生的內稟能壘大,其值為153.54 kJ/mol,遠小于裸反應中該基元的內稟能壘287.96 kJ/mol,表明2個水分子簇對該基元反應具有較好的催化作用.

2) 路徑b*.路徑b*為第3基元反應,是第1基元反應的逆反應.b*_INT2·(H2O)2(n)經過渡態(tài)b*_TS3·(H2O)2(n),實現(xiàn)了23H從9O向3C的凈遷移,異構成b*_P_R-Phe·(H2O)2(n).結構分析表明,b*_P_R-Phe·(H2O)2(n)與b_S-Phe·(H2O)2(m)鏡像對稱,b*_P_R-Phe與S-Phe鏡像對稱,S-Phe實現(xiàn)了手性對映體轉變.b_INT2·(H2O)2(n)的氫鍵能為47.07 kJ/mol,b*_P_R-Phe·(H2O)2(n)的解離能為46.57 kJ/mol,b*_TS3·(H2O)2(n)產生的內稟能壘為52.06 kJ/mol.

3) 路徑b的第4基元反應.b_INT3·H2O(u)經水分子為媒介質子遷移的過渡態(tài)b_TS4·H2O(u),實現(xiàn)了質子從22O向1N的凈遷移,異構成中間體b_INT4·H2O(u).b_INT3·H2O(u)的氫鍵能為28.16 kJ/mol,b_INT4·H2O(u)的解離能為44.92 kJ/mol.從b_INT3·H2O(u)到b_TS4·H2O(u)過程,22O—23H和24O—25H的鍵長由0.098 3,0.098 5 nm分別拉伸至0.119 9,0.128 8 nm,拉伸幅度較?。唤Y構分析表明,七元環(huán)過渡態(tài)b_TS4·H2O(u)的2個氫鍵較強,七元環(huán)結構基本共面,較穩(wěn)定.因此b_TS4·H2O(u)產生的內稟能壘僅為28.38 kJ/mol.與裸反應的情形相似,b_INT4·H2O(u)比b_TS4·H2O(u)的單點能低14.29 kJ/mol,但經零點振動能校正后,b_INT4·H2O(u)比b_TS4·H2O(u)的總能量高了1.52 kJ/mol,該基元反應的逆反應變?yōu)闊o勢壘過程,僅需提供29.90 kJ/mol的能量,質子即可以水分子為媒介在氨基和羧基間遷移,表現(xiàn)出較高的離域性.原因如下：① b_INT3·H2O(u)中25H與1N的距離為0.181 8 nm,大于b_INT4·H2O(u)中25H與24O的距離；b_INT3·H2O(u)中24O—25H鍵長為0.098 5 nm,小于b_INT4·H2O(u)中25H—1N鍵長0.104 9 nm,因此b_INT3·H2O(u)的24O—25H鍵更不易斷裂,25H易向24O遷移,b_INT4·H2O(u)的23H易向22O遷移.b_INT4·H2O(u)比b_INT3·H2O(u)的穩(wěn)定性差,前者易向后者異構.② b_TS4·H2O(u)中氫鍵的斷裂使相關振動的力常數(shù)減小,其零點振動能低于其連接的反應物和產物的零點振動能,導致零點振動能校正后b_TS4·H2O(u)產生的能壘在某方向消失.

4) 路徑b的第5基元反應.b_INT4·(H2O)2(v)經羧基內2個水分子簇為質子遷移媒介的過渡態(tài)b_TS5·(H2O)2(v),實現(xiàn)了23H從10O向21O的凈遷移,異構為中間體b_INT5·(H2O)2(v).b_INT4·(H2O)2(v)的氫鍵能為59.71 kJ/mol,b_INT5·(H2O)2(v)的解離能為66.48 kJ/mol.從b_INT4·(H2O)2(v)到b_TS5·(H2O)2(v)過程,10O—23H,24O—25H,29O—26H的鍵長分別由0.098 3,0.097 9,0.098 6 nm拉伸至0.117 9,0.120 9,0.123 9 nm后斷裂,拉伸幅度小于a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)和b_S-Phe·(H2O)2(m)到b_TS1·(H2O)2(m)過程中主要化學鍵的拉伸幅度,且骨架結構基本沒變；結構分析表明,b_TS5·(H2O)2(v)的八元環(huán)結構中氫鍵強度及共面程度均優(yōu)于過渡態(tài)a_TS2·(H2O)2(m)和b_TS1·(H2O)2(m)的環(huán)形結構.因此,b_TS5·(H2O)2(v)遠小于a_TS2·(H2O)2(m)和b_TS1·(H2O)2(m)產生的能壘,其內稟能壘為40.75 kJ/mol.

由圖6(A)可見,若不考慮a_INT2·(H2O)2(m)的解離過程(計算表明a_INT2·(H2O)2(m)不解離對其后續(xù)每個基元反應能壘的影響極小),2個水分子簇催化S-Phe在通道a的手性對映體轉變反應,在水氣相環(huán)境下的活化能為80.80 kJ/mol.a_S-INT1與2個水分子簇作用形成氫鍵配合物a_S-INT1·(H2O)2(m)釋放的能量為45.67 kJ/mol,可為下一級反應提供能量,此時的活化能取總包能壘(表觀能壘).80.80 kJ/mol遠小于質子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[21],表明2個水分子簇的催化可使S-Phe分子在通道a實現(xiàn)手性對映體轉變.由圖6(B)可見,水分子(簇)催化的S-Phe分子在通道b的手性對映體轉變反應,在水氣相環(huán)境下的活化能為106.96 kJ/mol,遠小于質子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[21],表明水分子(簇)的催化也可使S-Phe分子在通道b實現(xiàn)手性對映體轉變.在通道a比通道b的手性對映體轉變反應具有優(yōu)勢.

綜上所述,Phe分子手性對映體轉變裸反應有a和b兩個通道,分別為質子以氨基氮為橋梁和以羰基氧與氨基氮順次為橋梁遷移；當水分子(簇)作為氫遷移媒介時,增加了質子僅以羰基氧為橋梁遷移的反應路徑b*.勢能面計算表明：優(yōu)勢反應通道為通道a,速控步驟的內稟能壘為259.71 kJ/mol,反應的活化能為270.26 kJ/mol.在水分子(簇)催化的情形下,優(yōu)勢反應通道仍為通道a,2個水分子簇催化使速控步驟的內稟能壘降至126.47 kJ/mol,反應的表觀能壘降至80.80 kJ/mol.質子從氨基向羧基遷移的反應中存在一個較小的能壘,考慮零點振動能后,該能壘消失.因此,水分子(簇)催化可實現(xiàn)Phe分子的手性對映體轉變,從而解釋了生命體內右旋Phe分子的一個來源,說明光學純的Phe分子應保存在干燥環(huán)境中,同時為在實驗中實現(xiàn)Phe的手性對映體轉變提供了新途徑.