次黃嘌呤氫遷移反應(yīng)機(jī)理的理論研究

張愛華，楊寶華，李 琳，施致雄

(首都醫(yī)科大學(xué) 燕京醫(yī)學(xué)院，北京 順義101300)

0 引言

氫遷移反應(yīng)在眾多化學(xué)反應(yīng)和生命過程中發(fā)揮了重要的作用，因生物體內(nèi)雜環(huán)化合物氫遷移影響其化學(xué)、生物和藥學(xué)性質(zhì)[1-2]，備受科研工作者的關(guān)注。此外，因?yàn)榇蠖鄶?shù)雜環(huán)化合物異構(gòu)體的濃度過低，所以用實(shí)驗(yàn)方法來研究異構(gòu)化反應(yīng)機(jī)理對(duì)于化學(xué)和分子生物學(xué)來講仍然是一大挑戰(zhàn)。近年來，關(guān)于核酸堿基及其衍生物分子等雜環(huán)化合物的氫遷移反應(yīng)引起了很多學(xué)者的研究興趣，并進(jìn)行了相關(guān)理論研究[3-4]。關(guān)于次黃嘌呤的實(shí)驗(yàn)研究[5]和理論研究相對(duì)鳥嘌呤、腺嘌呤、尿嘧啶而言比較少。次黃嘌呤(Hypoxanthine，Hx)是體內(nèi)一磷酸腺苷(AMP)代謝的中間產(chǎn)物，具有重要的生理功能。它可以用作醫(yī)藥中間體、食品色素、化妝品顏料、保鮮劑、農(nóng)藥中間體，也具有抗病毒和抗腫瘤的功效。理論研究方面，蘇彥雷等[6]運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算的方法，解析次黃嘌呤及其代謝的相關(guān)化合物；何云清[7]進(jìn)行了次黃嘌呤和黃嘌呤的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)光譜理論研究；但研究水催化次黃嘌呤氫遷移反應(yīng)機(jī)理尚未見報(bào)道。張愛華等[8-9]討論過嘧啶、嘌呤水解去氨基導(dǎo)致基因突。為了深入探討分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致性質(zhì)變化問題，本文用量子化學(xué)的方法研究次黃嘌呤在無水、1分子水和2分子水的作用下的氫遷移反應(yīng)機(jī)理，其轉(zhuǎn)化過程如圖1所示。

圖1 次黃嘌呤氫遷移反應(yīng)示意圖Fig. 1 The profile of H shift reaction for hypoxanthine

1 計(jì)算方法

采用B3LYP方法[10-12]，在6-31G**水平上對(duì)所研究反應(yīng)的反應(yīng)物、過渡態(tài)和產(chǎn)物的幾何構(gòu)型進(jìn)行了全優(yōu)化計(jì)算，得到各反應(yīng)的活化能壘。同時(shí)計(jì)算振動(dòng)頻率，以確認(rèn)所得到的構(gòu)型為能量極小點(diǎn)或過渡態(tài)。根據(jù)過渡態(tài)的虛振動(dòng)模式判斷它們位于正確的反應(yīng)途徑上。用同樣的方法計(jì)算內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)[13-14]，得到隨反應(yīng)進(jìn)程的能量變化和幾何參數(shù)的變化，詳細(xì)探討了反應(yīng)過程，進(jìn)一步確認(rèn)了過渡態(tài)連接相應(yīng)的駐點(diǎn)。所有計(jì)算均采用Gaussian 09[15]程序完成。

2 結(jié)果和討論

圖2給出了本文所研究的目標(biāo)分子次黃嘌呤氫遷移反應(yīng)涉及的主要幾何構(gòu)型的關(guān)鍵鍵參數(shù)。為了便于討論，次黃嘌呤的烯醇式結(jié)構(gòu)(Hx1)給出了所有原子的元素符號(hào)和標(biāo)號(hào)，次黃嘌呤的酮式結(jié)構(gòu)標(biāo)記為Hx2，見圖1；其余的只給出了發(fā)生反應(yīng)關(guān)鍵部位的原子的元素符號(hào)和標(biāo)號(hào)，見圖2。

圖2 反應(yīng)物、產(chǎn)物、中間體和過渡態(tài)的分子結(jié)構(gòu)(鍵長：nm)Fig. 2 Molecular structuresof the reactants, products, various intermediates, and transition states

圖 3為基態(tài)下各反應(yīng)途徑的相對(duì)勢能曲線。

圖3 反應(yīng)的相對(duì)勢能曲線圖Fig. 3 The relative potential energy profile of the reaction

2.1 氫遷移的反應(yīng)

2.1.1 無水催化的氫遷移反應(yīng)

對(duì)于無水催化的次黃嘌呤氫遷移反應(yīng)，通過理論計(jì)算找到了它的反應(yīng)途徑:

Hx1→TS→Hx2

(1)

在這條反應(yīng)途徑中，反應(yīng)物Hx1要克服130.3 kJ/mol的能壘，經(jīng)過四元環(huán)過渡態(tài)TS生成產(chǎn)物Hx2，實(shí)現(xiàn)次黃嘌呤的烯醇式結(jié)構(gòu)向酮式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。在這個(gè)過程中，C6-O10之間的鍵距由0.133 9 nm(Hx1)變成0.121 7 nm(Hx2)，具有了雙鍵的性質(zhì)；同時(shí)，O10-H14鍵逐漸斷裂，N1-H14鍵逐漸形成，H14從O10遷移到N1，發(fā)生的是分子內(nèi)氫遷移反應(yīng)。

2.1.2 水催化的氫遷移反應(yīng)

對(duì)于水催化次黃嘌呤的氫遷移反應(yīng)，通過理論計(jì)算找到了它的反應(yīng)途徑：

Hx1+H2O→COM1(H2O)→

TS1→COM2(H2O)

(2)

Hx1+2H2O→COM1(2H2O)→

TS2→COM2(2H2O)

(3)

在反應(yīng)途徑(2)中，1分子水從無窮遠(yuǎn)處逐漸接近次黃嘌呤Hx1時(shí)，由于靜電作用生成具有氫鍵特征的復(fù)合物COM1(H2O)，H14-O15 和H16-N1 鍵的鍵長分別為 0.171 6 和0.193 7 nm。當(dāng)復(fù)合物COM1(H2O)中的水分子和Hx1再繼續(xù)接近時(shí)，經(jīng)過過渡態(tài)TS1，形成Hx2和1分子H2O，組成復(fù)合物COM2(H2O)。TS1是一個(gè)六元環(huán)的結(jié)構(gòu)，N1-C6、 C6-O10、O10-H14、H14-O15、O15-H16 和 H16-N1的鍵距分別為0.138 2、0.127 9、0.124 9、0.119 2、0.120 0 和0.130 9 nm，另外復(fù)合物COM2(H2O)也是典型的氫鍵復(fù)合物，在該復(fù)合物中C6-O10鍵的鍵長為 0.123 2 nm，已形成典型的C=O雙鍵。在1分子水催化的氫遷移過程中，H14向水分子移動(dòng)的同時(shí)，水分子上的H16向Hx1的N1端遷移，該過程中氫質(zhì)子的遷移是同步進(jìn)行的，因此屬于氫質(zhì)子的同步穿梭反應(yīng)。

反應(yīng)途徑(3)為2分子水催化的氫遷移反應(yīng)歷程。2分子水從無窮遠(yuǎn)處逐漸接近Hx1時(shí)生成具有氫鍵特征的復(fù)合物COM1(2H2O)，其中H14-O15、H16-O18 和H19-N1 鍵的鍵長分別為 0.161 0、0.169 9和0.180 5 nm。接著Hx1的H14進(jìn)攻1分子水H2O的O15端，該分子水H2O的H16端進(jìn)攻另外1分子水H2O的O18端，它的O19進(jìn)攻Hx1的N1端，只需跨越24.5 kJ/mol的能壘，就能經(jīng)過八元環(huán)的過渡態(tài)TS2，形成具有氫鍵特征的復(fù)合物COM2(2H2O)，復(fù)合物中包括Hx2和2分子H2O。在過渡態(tài)TS2中，C6-O10、O10-H14、H14-O15、O15-H16、H16-O18、O18-H19 和 H19-N1的鍵距分別為0.127 1、 0.128 3、0.114 0、0.118 1、0.123 5、0.115 7和0.135 1 nm。在復(fù)合物COM2(2H2O)中C6-O10鍵的鍵長為 0.123 4 nm，已形成典型的C=O雙鍵，而O10-H14鍵的鍵長為 0.175 3 nm，已斷裂。在2分子水催化的氫遷移過程中，H14、H16、H19的遷移是同步進(jìn)行的，因此屬于氫質(zhì)子的同步穿梭反應(yīng)。

2.2 氫遷移反應(yīng)的能量性質(zhì)

2.2.1 反應(yīng)活化能分析

如果沒有水參與，外界需要提供了130.3 kJ/mol的活化Gibbs自由能才能使Hx1發(fā)生內(nèi)氫遷移反應(yīng)，這在動(dòng)力學(xué)上是很難發(fā)生的[16]。在有1分子水催化下，H2O和 Hx1靠氫鍵相互作用生成復(fù)合物COM1(H2O)，放出大量的熱，發(fā)生氫遷移反應(yīng)的勢能面較低。對(duì)于開放體系，只要吸收32.7 kJ/mol的活化Gibbs自由能，就能形成COM1(H2O)?COM2(H2O)平衡，而封閉體系需要的活化Gibbs自由能更小，氫遷移反應(yīng)更容易發(fā)生。在2分子水催化下，對(duì)于開放體系，Hx1的氫遷移反應(yīng)的活化Gibbs自由能僅為24.5 kJ/mol，而封閉體系需要的活化Gibbs自由能更小， Hx1的氫遷移反應(yīng)更易發(fā)生了。總之，活化能分析表明，1分子水催化下，能降低97.6 kJ/mol的活化Gibbs自由能，2分子水催化下，能降低8.2 kJ/mol的活化Gibbs自由能，水催化下Hx1的氫遷移反應(yīng)很容易進(jìn)行，隨著水分子數(shù)目的增加，對(duì)活化能壘的降低作用將明顯減弱；水分子作為H質(zhì)子穿梭的橋，因使過渡態(tài)環(huán)張力降低、氫鍵的形成等降低了反應(yīng)的活化能，使氫遷移反應(yīng)更容易進(jìn)行。

2.2.2 能量分解分析

對(duì)于過渡態(tài)性質(zhì)的研究，人們提出了能量分解的方法[17-18]，反應(yīng)活化能可以分解如下：

ΔG=ΔGstrain+ΔGint，

其中：ΔGstrain表示反應(yīng)物物種從Hx1與H2O到TS的變形能，ΔGint表示反應(yīng)物Hx1與H2O的相互作用能。很顯然，反應(yīng)物-水相互作用有利于穩(wěn)定TS,降低反應(yīng)的活化能。

從圖3可以看出，從反應(yīng)物到過渡態(tài)，Hx1由于具有比較大的變形能(130.3 kJ/mol)，從而導(dǎo)致其有較高的活化能；相反地，Hx1-2H2O具有相對(duì)強(qiáng)的整體相互作用(-18.9 kJ/mol), 穩(wěn)定了其TS，但其具有較小的變形能(5.6 kJ/mol)，因此活化能很低；Hx1-H2O雖然整體相互作用能(-14.7 kJ/mol)，但其具有一定的變形能(18.0 kJ/mol)，因此也表現(xiàn)為較低的氫遷移活化能；對(duì)于Hx1-H2O、Hx1-2H2O表現(xiàn)出的強(qiáng)的整體相互作用能，可歸結(jié)為其獨(dú)特的氫鍵的形成。該結(jié)論與前面活化能分析的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

采用DFT-B3LYP/6-31G**方法研究了次黃嘌呤的氫遷移反應(yīng)機(jī)理。反應(yīng)坐標(biāo)計(jì)算表明次黃嘌呤的氫遷移反應(yīng)是一步完成的，無水催化時(shí)經(jīng)過四元環(huán)過渡態(tài)發(fā)生分子內(nèi)氫遷移反應(yīng)；有水催化時(shí)，其氫遷移反應(yīng)都屬于分子間氫質(zhì)子的同步穿梭反應(yīng)。

活化能分析表明：無水催化時(shí)，Hx1氫遷移反應(yīng)的活化能較高，熱力學(xué)上難以發(fā)生；而有水催化時(shí)氫鍵的形成降低了Hx1氫遷移反應(yīng)的活化能，使氫遷移反應(yīng)更容易進(jìn)行。能量分解分析表明，Hx1-1H2O、Hx1-2H2O因氫鍵的形成具有相對(duì)強(qiáng)的整體相互作用能，很好地穩(wěn)定了Hx1氫遷移的過渡態(tài)TS。本文研究結(jié)果為人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)氫遷移反應(yīng)的作用機(jī)制及能量分析提供了新的研究思路。