水液相環(huán)境下氫氧根催化天冬氨酸手性對映體轉(zhuǎn)變及質(zhì)子的作用*

喬朝陽，閆紅彥，孫永清，劉一司，呂路瑤， 佟華，王佐成

(1.白城師范學院計算機科學學院，吉林 白城 137000;2.白城技師學院基礎部，吉林 白城 137000;3.白城師范學院物理學院，吉林 白城 137000)

天冬氨酸(aspartic，Asp)是構(gòu)成蛋白質(zhì)的重要氨基酸，根據(jù)其對平面偏振光不同的旋光作用，分為左旋天冬氨酸(L-Asp)和右旋天冬氨酸(D-Asp)；根據(jù)構(gòu)型不同，分為S-構(gòu)型(S-Asp)和R-構(gòu)型(R-Asp)。L-Asp在生命體內(nèi)具有活性，具有使蛋白質(zhì)穩(wěn)定的作用，臨床上L-Asp鹽酸鹽用于治療肝功低下和放射性藥物中毒等，在食品工業(yè)用于保鮮劑、油脂抗氧劑和增香劑等[1]。D-Asp對大腸桿菌具有較強的抑制作用[2]，還用于酒精中毒的治療[3]，用作手性藥的中間體及生產(chǎn)具有消炎、抗皺、祛斑等功能的化妝品[4]，還用于頭孢類抗生素的合成原料等[5]。文獻[6]的實驗研究表明，有微量的D-Asp存在于生命體，但其來源尚不清楚。

基于光學純的Asp有著不同的功效及D-Asp在生命體內(nèi)的存在，為了在實驗上實現(xiàn)廉價的L-Asp向昂貴的D-Asp異構(gòu)，以及解釋生命體內(nèi)D-Asp的來源，人們對其旋光異構(gòu)進行了研究。文獻[7]的研究表明，通常的Asp具有穩(wěn)定性，氣相Asp的手性轉(zhuǎn)變可在4個通道實現(xiàn)，其中以氨基氮為氫轉(zhuǎn)移橋梁的通道具有優(yōu)勢。文獻[8]采用長程校正泛函CAM-B3LYP研究了Asp的一種構(gòu)象在水液相環(huán)境下的旋光異構(gòu)，粗淺地解釋了Asp的一種構(gòu)象在生命體內(nèi)的消旋。文獻[9]采用色散校正密度泛函的ωB97X-D方法，研究了Asp的兩種穩(wěn)定構(gòu)象的手性對映體轉(zhuǎn)變及水分子簇的催化作用，結(jié)合自洽反應場的SMD模型方法，研究了水液相環(huán)境下水分子簇催化作用，解釋了生命體內(nèi)D-Asp幾種穩(wěn)定構(gòu)象的來源。

生命體內(nèi)有氫氧根離子(OH-)存在，數(shù)量過多會影響健康[10]，但機理并不清楚。已有研究[11-12]表明，水液相環(huán)境下氫氧根(水分子簇)可以催化α-丙氨酸和纈氨酸旋光異構(gòu)。已有研究[13]表明，堿處理的蛋白質(zhì)中的Asp可以消旋，但反應機理尚不清楚?；诖耍竟ぷ鲗祟}反應進行了研究。

1 研究與計算方法

考慮到Asp分子內(nèi)以及氫氧根、水分子和Asp分子之間的氫鍵等長程作用，采用色散校正密度泛函ωB97X-D[14]方法，選用6-311++G(d, p)基組，結(jié)合自洽反應場理論的SMD模型[15]方法，在隱式溶劑模型下全優(yōu)化標題反應的穩(wěn)定點和過渡態(tài)[16]，同時獲得各個駐點零點振動能。通過IRC(內(nèi)稟反應坐標)計算[17]，確認過渡態(tài)的可靠性。為獲得高水平的反應過程勢能面，采用微擾論的MP2方法[18]，選擇6-311++g(3df, 3pd)基組，計算駐點的單點能，零點振動能校正后獲得駐點的總能量。水液相環(huán)境下S-Asp分子的構(gòu)象1與其前面的2聚水通過氫鍵作用形成的絡合物，記作S-Asp_1·(H2O)2(p)，其他體系的標記法相似，反應歷程圖中鍵長的單位為納米(nm)。文中計算由Gaussian09[19]程序完成。

2 結(jié)果與討論

對文獻[12]的Asp_1和Asp_2兩種構(gòu)象進行水溶劑化計算，得到它們在水液相下的手性對映體，見圖1。計算表明，在堿性水溶液中氫氧根離子水分子簇(OH-·H2O)比它們單獨存在具有明顯的優(yōu)勢，2聚水(H2O)2也比水分子單獨存在具有較大的優(yōu)勢。因此，水液相環(huán)境下OH-·H2O和(H2O)2催化Asp異構(gòu)占主導地位，給予詳細討論，OH-和單個H2O催化Asp異構(gòu)僅作簡要討論。此外，再對水溶液中的質(zhì)子在Asp碳負離子的另一側(cè)攻擊α-碳，使S-Asp完成手性轉(zhuǎn)變或手性對映體轉(zhuǎn)變做簡要討論。

圖1 水液相環(huán)境下Asp分子的兩種穩(wěn)定構(gòu)象的手性對映體Fig.1 Chiral enantiomers of two stable conformations of of Asp molecule in water liquid phase environment

2.1 水液相環(huán)境下OH-·H2O催化Asp的手性對映體轉(zhuǎn)變

計算表明Asp_1比Asp_2的構(gòu)象更穩(wěn)定，前者的分布具有優(yōu)勢，對其在水液相環(huán)境下OH-催化的手性對映體轉(zhuǎn)變機理做詳細討論，對后者僅作一般討論。

2.1.1 OH-·H2O及(H2O)2催化S-Asp_1手性對映體轉(zhuǎn)變 (OH-·H2O)可以在S-Asp_1的前面與α-氫12H和α-羰基氧9O通過氫鍵作用形成前驅(qū)絡合物a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)，也可以與α-氫12H和氨基上的6H通過氫鍵作用形成絡合物b_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)，它們均可經(jīng)過一系列過程實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變，分別稱為a通道和b通道。(OH-·H2O)及(H2O)2催化S-Asp_1在a和b通道的手性對映體轉(zhuǎn)變反應歷程見圖2，反應的勢能面見圖4。下面分別進行討論。

1)a通道

第1基元，首先OH-·H2O在S-Asp_1的前面與12H和9O通過氫鍵作用形成前驅(qū)絡合物a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)，然后a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)經(jīng)H2O輔助OH-抽H的過渡態(tài)a_TS1_1·(OH-·H2O)(p)，a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)的α-H解離與OH-形成H2O，異構(gòu)成中間體絡合物a_INT1_1-·(H2O)2(p)(a_INT1_1-的負號表示a_INT1_1是一價碳負離子，下同)，接著a_INT1_1-·(H2O)2(p)脫去(H2O)2形成第一中間體碳負離子a_INT1_1-。OH-·H2O與S-Asp_1作用形成a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)的氫鍵能是-12.4 kJ/mol，a_INT1_1-·(H2O)2(p)解離成a_INT1_1-和(H2O)2的解離能是37.5 kJ/mol。從a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)到a_TS1_1·(OH-·H2O)(p)，1C—13H鍵長從0.110 1 nm拉伸至0.139 6 nm，鍵斷裂，骨架二面角5N—1C—3C—8C從126.79°變?yōu)?36.26°，1個化學鍵較小的拉伸和較小的骨架形變所需要能量不高，并且a_TS1_1·(OH-·H2O)(p)的鍵角1C—17H—21O是173.90°，接近平角，過渡態(tài)較穩(wěn)定，因此從a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)越過a_TS1_1·(OH-·H2O)(p)所需要的能量不高，只有38.7 kJ/mol。

第2基元，碳負離子a_INT1_1-經(jīng)β-羧基旋轉(zhuǎn)(12C—3C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn))的過渡態(tài)a_TS2_1-，異構(gòu)成第2中間體碳負離子a_INT2_1-。從a_INT1_1-到a_TS2_1-過程，二面角13O—12C—3C—1C從8.38°變?yōu)?49.04°，只是二面角旋轉(zhuǎn)所需能量較小，a_TS2_1-產(chǎn)生的能壘只有6.6 kJ/mol。從a_INT1_1-到a_INT2_1-，二面角13O—12C—3C—1C從8.38°變?yōu)?86.40°。

第3基元，a_INT2_1-經(jīng)R-基團旋轉(zhuǎn)(3C—1C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn))的過渡態(tài)a_TS3_1-，異構(gòu)成第3中間體碳負離子a_INT3_1-。從a_INT2_1-到a_TS3_1-，二面角12C—3C—1C—5N從74.17°變?yōu)?2.73°，C—C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量不高，但由于3C—1C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)要帶動較大的R-基團旋轉(zhuǎn)較大的二面角，這比前一基元的12C—3C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)只是帶動β-羧基旋轉(zhuǎn)需要的能量要多，因此a_TS3_1-產(chǎn)生了14.7 kJ/mol的能壘。從a_INT2_1-到a_INT3_1-，二面角12C—3C—1C—5N從74.17°變?yōu)?67.92°，基本實現(xiàn)了二面角12C—3C—1C—5N的對稱異構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析表明，從a_INT1_1-到a_INT3_1-，實現(xiàn)了R-基團的對稱異構(gòu)。

第4基元，先是(H2O)2在a_INT3_1-的后面與α-碳1C和α-羧羰基氧9O通過氫鍵作用形成絡合物a_INT3_1-·(H2O)2(q)(q表示(H2O)2在a_INT3_1-的后面，下同)，然后經(jīng)α-碳抽(H2O)2的質(zhì)子的過渡態(tài)a_TS4_1·(OH-·H2O)(q)，異構(gòu)成產(chǎn)物絡合物a_P_R-Asp_1·(OH-·H2O)(q)。結(jié)構(gòu)分析表明，a_P_R-Asp_1·(OH-·H2O)(q)與a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)鏡像對稱，亦即a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)實現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變。a_P_R-Asp_1與OH-·H2O的氫鍵解離后得到S-Asp_1的手性對映體產(chǎn)物a_P_R-Asp_1(與S-Asp_1鏡像對稱)。a_INT3_1-·(H2O)2(q)的氫鍵能是-37.5 kJ·mol-1，a_P_R-Asp_1·(OH-·H2O)(q)的解離能是12.4 kJ/mol。從a_INT3_1-·(H2O)2(q)到a_TS4_1·(OH-·H2O)(q)，21O—17H鍵長從0.098 1 nm拉伸至0.122 1 nm，鍵斷裂；活性中心骨架二面角5N—1C—3C—8C從-167.55°變?yōu)?136.26°，1個化學鍵的拉伸和骨架形變所需要能量不太高。又a_TS4_1·(OH-·H2O)(q)的鍵角1C—17H—21O是173.90°，接近平角，過渡態(tài)較穩(wěn)定；從a_INT3_1-·(H2O)2(q)到a_TS4_1·(OH-·H2O)(q)，α-碳從sp2雜化變?yōu)闇蕇p3雜化，從非滿配狀態(tài)向準滿配狀態(tài)過渡是放熱過程，又O—H鍵斷裂比C—H鍵斷裂消耗的能量小得多，因此a_TS4_1·(OH-·H2O)(q)產(chǎn)生的能壘要小于a_TS1_1·(OH-·H2O)(p)產(chǎn)生的能壘許多，只有14.3 kJ/mol。

2)b通道

第1基元，首先OH-·H2O在S-Asp_1前面與12H和6H通過氫鍵作用形成絡合物b_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)，然后b_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)經(jīng)水分子輔助OH-抽氫的過渡態(tài)b_TS1_1·(OH-·H2O)(p)，α-H與OH-形成水分子，異構(gòu)成中間體碳負離子絡合物b_INT1_1-·(H2O)2(p)，接著b_INT1_1-·(H2O)2(p)脫去(H2O)2形成第一中間體碳負離子b_INT1_1-。b_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)的氫鍵能是-11.6 kJ·mol-1，b_INT1_1-·(H2O)2(p)解離成b_INT1_1-和(H2O)2的解離能是37.8 kJ/mol。從b_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)到b_TS1_1·(OH-·H2O)(p)，1C—21H鍵長從0.109 6 nm拉伸至0.140 0 nm，鍵斷裂，活性中心骨架二面角5N—1C—3C—8C從130.83°變?yōu)?39.70°，1個化學鍵較小的拉伸和較小的骨架形變所需要能量不高，又b_TS1_1·(OH-·H2O)(p)的鍵角1C—21H—17O是172.67°，接近平角，過渡態(tài)較穩(wěn)定，因此b_TS1_1·(OH-·H2O)(p)產(chǎn)生的能壘只有39.4 kJ/mol。

結(jié)構(gòu)分析表明，b_INT1_1-全同于a_INT1_1-。b_INT1_1-經(jīng)過與a通道第2和第3基元相同的歷程異構(gòu)成b_INT3_1-(a_INT3_1-)。b_INT3_1-后面的(H2O)2與其1C和7H氫鍵作用形成b_INT3_1-·(H2O)2(q)，經(jīng)與a_TS4_1·(OH-·H2O)(q)相似的過渡態(tài)異構(gòu)成與b_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)鏡像對稱的絡合物b_R-Asp_1·(OH-·H2O)(p)，S-Asp_1在b通道實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變，詳細機理從略。

圖2 水液相環(huán)境下氫氧根水分子簇催化S-Asp_1手性對映體轉(zhuǎn)變的反應歷程Fig.2 Reaction process of chiral enantiomer transition of S-Asp_1 catalyzed by hydroxyl ion water clusters in water liquid phase environment

2.1.2 OH-·H2O催化S-Asp_2手性對映體轉(zhuǎn)變的決速步驟 研究表明，S-Asp_2的手性對映體轉(zhuǎn)變歷程相似于S-Asp_1的手性對映體轉(zhuǎn)變歷程，決速步驟也是第1基元反應，為節(jié)省篇幅，這里僅對決速步驟并且是OH-·H2O在S-Asp_2的前面與α-氫16H和α-羧羰基氧9O通過氫鍵作用形成絡合物的情況進行討論。

S-Asp_2的手性對映體轉(zhuǎn)變決速步驟的反應歷程，見圖3，反應的勢能面見圖4。

首先OH-·H2O在S-Asp_2的前面與16H和9O通過氫鍵作用形成絡合物S-Asp_2·(OH-·H2O)(p)，此過程放熱14.0 kJ/mol。然后S-Asp_2·(OH-·H2O)(p)經(jīng)過渡態(tài)TS1_2·(OH-·H2O)(p)，異構(gòu)成中間體碳負離子絡合物INT1_2-·(H2O)2(p)，此過程OH-抽取了S-Asp_2的α-H形成H2O，S-Asp_2變成了天冬氨酸碳負離子INT1_2-。從S-Asp_2·(OH-·H2O)(p)到TS1_2·(OH-·H2O)(p)，1C—16H鍵長從0.109 3 nm拉伸至0.138 9 nm鍵斷裂，5N—1C鍵長從0.145 7 nm拉伸至0.146 6 nm；骨架二面角5N—1C—3C—8C從125.39°變?yōu)?35.99°；二面角9O—8C—1C—5N從-12.18°變?yōu)?1.10°，α-羧基旋轉(zhuǎn)了33.28°。1個化學鍵的斷裂、1個化學鍵的拉伸、骨架形變及羧基旋轉(zhuǎn)所需能量會高與前面的S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)到TS1_1·(OH-·H2O)(p)過程。但由于TS1_2·(OH-·H2O)(p)的氫鍵角1C—19H—19O是172.50°，過渡態(tài)較穩(wěn)定，因此從S-Asp_2·(OH-·H2O)(p)越過TS1_2·(OH-·H2O)(p)所需要的能量又不會太高，只有40.2 kJ/mol。最后，INT1_2-·(H2O)2(p)脫去(H2O)2形成第一中間體碳負離子a_INT1_2-，解離能是37.2 kJ/mol。

圖3 氫氧根水分子簇催化S-Asp_2手性轉(zhuǎn)變決速步驟的反應歷程Fig.3 Reaction process of the rate-determining step of chiral transition of S-Asp_2 catalyzed by hydroxyl ion water clusters

圖4 水液相環(huán)境下氫氧根水分子簇催化S-Asp手性對映體轉(zhuǎn)變反應的勢能面Fig.4 Potential energy surfaces of chiral enantiomer transition of S-Asp catalyzed by hydroxyl ion water clusters in water liquid phase environment

單從圖4看，S-Asp手性對映體轉(zhuǎn)變反應的決速步視乎應該是第一基元反應產(chǎn)物的解離過程，計算表明，a_INT1_1-·(H2O)2(p)、b_INT1_1-·(H2O)2(p)和INT1_2-·(H2O)2(p)可以直接進行與圖4的第2和第3基元相似的過程異構(gòu)，反應能壘也基本同于圖4的第2和第3基元，實際的反應應該是這樣的，如此討論只是為了使問題簡化而已；圖4的第4基元實際也可以是a_INT3_1-·(H2O)2(p)與其后面的(H2O)2絡合形成a_INT3_1-·(H2O)2(p)·(H2O)2(q)，經(jīng)和第4基元相似的過渡態(tài)異構(gòu)成產(chǎn)物絡合物a_P_R-Asp_1·(H2O)2(p)·(OH-·H2O)(q)，能壘也是基本不變。因此，在考察哪一步是決速步時無需考慮絡合物的氫鍵解離過程。由于本工作研究的是水溶劑里的反應，形成氫鍵所放熱量會迅速地被水吸收，不會為接下來的反應提供能量，反應活化能應按內(nèi)稟能壘計算。因此，Asp_1和Asp_2經(jīng)圖4的4個基元反應實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變時，決速步能壘應是第一基元反應的前驅(qū)絡合物越過過渡態(tài)所需的能量。OH-·H2O抽氫Asp_1在a和b通道手性對映體轉(zhuǎn)變決速步的內(nèi)稟能壘分別是34.1和34.7 kJ/mol，在誤差允許的范圍內(nèi)可認為相等，大約是34.0 kJ/mol左右；OH-·H2O抽氫，Asp_2手性對映體轉(zhuǎn)變決速步的內(nèi)稟能壘是40.2 kJ/mol。這幾個質(zhì)子遷移反應的能壘均小于溫和反應的能壘80.1 kJ/mol[20]許多，說明水溶劑環(huán)境下OH-·H2O的催化可以使Asp的手性對映體轉(zhuǎn)變順利進行，亦即實驗上可以在堿的水溶液環(huán)境下實現(xiàn)Asp的手性對映體轉(zhuǎn)變，同時也說明生命體內(nèi)過多的OH-會嚴重影響健康。水溶劑環(huán)境下OH-·H2O抽氫Asp手性對映體轉(zhuǎn)變決速步的內(nèi)稟能壘與文獻[12]的(H2O)2催化Asp手性對映體轉(zhuǎn)變的決速步能壘(約106.0 kJ/mol)相比較大幅降低，說明OH-·H2O對Asp手性轉(zhuǎn)變反應的催化作用遠遠好于(H2O)2。

2.2 水液相環(huán)境下氫氧根催化S-Asp手性對映體轉(zhuǎn)變

同于前面的討論，OH-抽取α-H的反應也是OH-催化S-Asp手性對映體轉(zhuǎn)變的決速步，OH-抽取α-H后Asp碳負離子繼續(xù)異構(gòu)的過程同于OH-·H2O取α-H后Asp碳負離子的異構(gòu)，因此這里只討論OH-抽取α-H的過程，為使問題簡便，S-Asp與OH-及Asp碳負離子與H2O分子之間氫鍵的形成與解離過程不給予討論。

2.2.1 水液相環(huán)境下氫氧根催化S-Asp_1手性對映體轉(zhuǎn)變的決速步驟 水液相環(huán)境下氫氧根催化S-Asp_1手性對映體轉(zhuǎn)變決速步驟的反應歷程，見圖5，反應的勢能面見圖7的第1個圖。

S-Asp_1·OH-(p)經(jīng)OH-抽氫的過渡態(tài)TS1_1·OH-(p)，α-H與OH-形成水分子，異構(gòu)成中間體絡合物INT1_1-H2O(p)。從S-Asp_1·OH-(p)到TS1_1·OH-(p)，1C—12H鍵長從0.109 4 nm拉伸至0.137 6 nm，伸長0.028 2 nm，鍵斷裂，拉伸幅度小于a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)到a_TS1_1·(OH-·H2O)(p)的0.029 5 nm；骨架二面角5N—1C—3C—8C從126.48°變?yōu)?35.31°，形變8.83°，活性中心骨架形變小于從a_S-Asp_1·(OH-·H2O)(p)到a_TS1_1·(OH-·H2O)(p)過程的9.47°。因此TS1_1·OH-(p)產(chǎn)生的能壘只有27.6 kJ/mol，小于a_TS1_1·(OH-·H2O)(p)產(chǎn)生的能壘。

圖5 水液相環(huán)境下氫氧根催化S-Asp_1手性轉(zhuǎn)變決速步驟的反應歷程Fig.5 Reaction process of the rate-determining step of chiral transition of S-Asp_1 catalyzed by hydroxyl ion in water liquid phase environment

2.2.2 水液相環(huán)境下OH-催化S-Asp_2手性對映體轉(zhuǎn)變的決速步驟 水液相環(huán)境下OH-催化S-Asp_2手性對映體轉(zhuǎn)變決速步驟的反應歷程，見圖6，反應的勢能面見圖7的第2個圖。

S-Asp_2·OH-(p)經(jīng)OH-抽氫的過渡態(tài)TS1_2·OH-(p)，α-H與OH-形成水分子，異構(gòu)成中間體絡合物INT1_2-·H2O(p)。從S-Asp_2·OH-(p)到TS1_2·OH-(p)，1C—12H鍵長從0.109 4 nm拉伸至0.136 8 nm，伸長了0.027 4 nm鍵斷裂，拉伸幅度小于從S-Asp_2·(OH-·H2O)(p)到TS1_2·(OH-·H2O)(p)過程的0.029 6 nm；骨架二面角5N—1C—3C—8C從125.17°變?yōu)?34.56°，形變9.39°，骨架形變小于從S-Asp_2·(OH-·H2O)(p)到TS1_2·(OH-·H2O)(p)過程的10.60°，且從S-Asp_2·OH-(p)到TS1_2·OH-(p)過程α-羧基基本無旋轉(zhuǎn){從S-Asp_2·(OH-·H2O)(p)到TS1_2·(OH-·H2O)(p)過程α-羧基旋轉(zhuǎn)明顯}。因此，TS1_2·OH-(p)產(chǎn)生的能壘小于TS1_2·(OH-·H2O)(p)的能壘，只有26.8 kJ/mol。

從圖7可以看出，OH-抽α-氫致Asp_1和Asp_2手性轉(zhuǎn)變的決速步內(nèi)稟能壘分別是27.6和26.8 kJ/mol。這兩個質(zhì)子遷移反應的能壘均遠小于溫和反應的能壘80.1 kJ/mol[20]，說明水溶劑環(huán)境下OH-的催化可以使Asp的手性對映體轉(zhuǎn)變反應進行的較快。同圖4比較可知，OH-抽α-H致Asp_1和Asp_2手性轉(zhuǎn)變比OH-·H2O抽α-H在熱力學上具有優(yōu)勢。同2.1一樣本節(jié)的工作也說明實驗上可以在堿的水溶液環(huán)境下實現(xiàn)Asp的手性對映體轉(zhuǎn)變，從理論上對文獻[16]的實驗研究給予了合理的解釋，同時也說明生命體內(nèi)過多的OH-會嚴重影響健康。

2.3 質(zhì)子攻擊Asp碳負離子的α-碳形成R-Asp的機理

a_INT1_1-里側(cè)的空間狹小，由于空間位阻效應，水分子(簇)很難在紙面里側(cè)與a_INT1-_1通過氫鍵作用形成絡合物，因此，a_INT1-_1的α-碳很難抽取水分子中的質(zhì)子形成a_R-INT1_1(是S-Asp_1旋光異構(gòu)的產(chǎn)物之一，但不是手性對映體轉(zhuǎn)變)。帶正電荷且線度較小的質(zhì)子攻擊碳負離子時沒有這些困難，質(zhì)子攻擊碳負離子a_INT3_1-時可以得到S-Asp_1的手性對映體產(chǎn)物a_P_R-Asp_1，因此為節(jié)省篇幅又不失問題討論的一般性，僅對質(zhì)子在紙面里側(cè)攻擊S-Asp_1手性對映體轉(zhuǎn)變a路徑上的中間體碳負離子a_INT1_1-和a_INT3_1-的情況進行討論。

質(zhì)子攻擊a_INT1_1-和a_INT3_1-形成a_R-INT1_1和a_P_R-Asp_1的簡明過程見圖8的

圖6 水液相環(huán)境下氫氧根催化S-Asp_2手性轉(zhuǎn)變決速步驟的反應歷程Fig.6 Reaction process of the rate-determining step of chiral transition of S-Asp_2 catalyzed by hydroxyl ion in water liquid phase environment

圖7 水液相環(huán)境下氫氧根催化S-Asp手性對映體轉(zhuǎn)變反應決速步驟的勢能面Fig.7 Potential energy surfaces of chiral enantiomer transition of S-Asp catalyzed by hydroxyl ion in water liquid phase environment

(A)與(B)(其中a_R-INT1_1和a_P_R-Asp_1是對質(zhì)子攻擊到勢能最低點時的駐點優(yōu)化后的構(gòu)型)，這兩個過程剛性掃描的勢能曲線見圖9的(A)與(B)。

從勢能曲線可以看出，質(zhì)子與a_INT1_1-的1C距離大于0.475 0 nm時，質(zhì)子與a_INT1_1-的相互作用幾乎不存在，它們的距離為0.109 5 nm時，相互作用最強，形成a_R-INT1_1，可以看成是S-Asp_1手性對映體轉(zhuǎn)變過程中的旋光異構(gòu)產(chǎn)物(只是手性轉(zhuǎn)變，非手性對映體轉(zhuǎn)變)。

質(zhì)子與a_INT3_1-的1C距離大于0.500 0 nm時，質(zhì)子與a_INT3_1-的相互作用幾乎不存在，它們的距離為0.109 4 nm時，相互作用最強，形成a_P_R-Asp_1，亦即S-Asp_1實現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變。

圖8 H+攻擊a_INT1-_1和a_INT3_1-的α-C形成a_R-INT1_1和a_P_R-Asp_1的過程Fig.8 Process of protons attack on α-carbon that a_INT1_1- and a_INT3_1- form a_R-INT1_1 and a_P_R-Asp_1

圖9 H+攻擊a_INT1_1-和a_INT3_1-的α-C過程的勢能曲線Fig.9 Potential energy curve of protons attack on α-carbon of INT1_1 and a_INT3_1-

圖9說明，質(zhì)子攻擊a_INT1_1-和a_INT3_1-形成a_R-INT1_1和a_P_R-Asp_1的過程均是無勢壘放熱過程，溶液中質(zhì)子的存在會使S-Asp手性轉(zhuǎn)變反應的后半程迅速進行。圖8及9說明，質(zhì)子攻擊a_INT1-_1的α-碳空間位阻不復存在，質(zhì)子在紙面里攻擊中間體碳負離子的α-碳可以得到S-Asp不同的消旋體產(chǎn)物(含非手性對映體產(chǎn)物)。圖9還說明，在勢能極小值處質(zhì)子繼續(xù)攻擊α-碳是強烈的吸熱過程，產(chǎn)物越來越不穩(wěn)定，當質(zhì)子與α-碳的距離趨于零時產(chǎn)物能量趨于無窮大，亦即要想讓質(zhì)子進入S-Asp的α-碳幾乎是不可能的。

3 結(jié) 論

1)Asp分子經(jīng)過氫氧根離子(水分子簇)和碳負離子的α-碳抽氫及α-羧羥基、β-羧羥基、β-羧基和R-基旋轉(zhuǎn)的一系列過渡態(tài)，可以實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變。質(zhì)子攻擊S-Asp手性轉(zhuǎn)變反應的中間體碳負離子會加快S-Asp手性轉(zhuǎn)變的進程，同時還會得到與S-Asp非鏡像對稱的旋光異構(gòu)體。

2)OH-抽α-氫是Asp_1和Asp_2旋光異構(gòu)的決速步驟，只是OH-抽α-氫致Asp_1和Asp_2旋光異構(gòu)的決速步內(nèi)稟能壘在27.0 kJ/mol左右；水分子輔助OH-抽α-氫致Asp_1和Asp_2旋光異構(gòu)的決速步內(nèi)稟能壘分別是34.0和40.0 kJ/mol。OH-抽α-氫致Asp_1和Asp_2手性轉(zhuǎn)變比氫氧根水分子簇抽α-氫在熱力學上具有優(yōu)勢。

3)質(zhì)子攻擊碳負離子的α-碳形成穩(wěn)定產(chǎn)物的過程是無勢壘放熱過程，溶液中質(zhì)子的存在會加快S-Asp手性轉(zhuǎn)變后半程反應的速度。

結(jié)果表明，生命體內(nèi)OH-的存在是S-Asp消旋的原因，質(zhì)子的存在又加快了這一過程，這指導人們要均衡地的攝入堿性與酸性食物；在實驗上可以在堿性環(huán)境下將Asp的所謂劣構(gòu)體轉(zhuǎn)變成為優(yōu)構(gòu)體。