CPCM溶剂模型对乳清酸异构化反应的影响

程学礼，赵燕云

(泰山学院化学化工学院，山东泰安 271021)

乳清酸(也叫维生素B13或H3dtpc)是生物体中核酸嘧啶类生物碱生物合成的前驱体，是配位化学中的一种良好配体，在生物合成和药物化学中发挥着独特作用［1］.它的酮式和烯醇式互变异构体，以及不对称结构，使其成为多用途的多齿有机配体［2－3］.乳清酸也是调节血脂的药物.而且，它具备带有形成氢键的孤对电子给体和受体，因此可以在超分子组装体中形成各种氢键作用［4］.文献上也不断有以乳清酸为配体的报道［5－7］.我们课题组已经对乳清酸结构和红外光谱进行了密度泛函研究［8］.为充分理解其空间构型、异构化过程以及获得一些有用的参数，本文将对乳清酸异构化反应展开理论研究.

1 理论方法

对各反应物、中间体、过渡态和产物的全优化是使用Gaussian98程序包、在6－311+G*基组水平上完成的.本文采用了一种可信的密度泛函理论(DFT)方法B3LYP，即Becke三参数非定域交换泛函和Lee－Yang－Parr非定域相关泛函〛相结合的方法结构优化、计算频率并获得能量.分子结构用Gauss-View3.07创建［9］.为考虑水的影响，本文采用导体极化连续介质模型(CPCM)计算单点能以阐明反应机理.考虑到所需计算时间，并且用CPCM模型优化的键长变化与气相结构相比总是很小，本文仅用气相平衡构型开展CPCM单点能(SPE)计算，同时采用SCF=Tight关键词提高SCF收敛标准以获得高精度.

2 结果与讨论

2.1 溶剂效应的影响

我们的前期工作已经确定了气相中乳清酸的最稳定的构型，且空间效应、氢键和共轭相应在维持其特定结构中发挥了重要作用.本文考虑溶剂效应重新计算能量.首先，我们采用默认的联合原子拓扑模型(UA0)定义原子半径，并用SphereOnH=N关键词描述正在转移的氢原子.构型1a仍是最稳定的，与之相比较，考虑溶剂效应后各中间体的相对能量变化不大，个别会出现显著降低.计算结果表明，2b在气相中的相对能量为84.0 kJ/mol，在溶液中为84.6 kJ/mol.本文优化了乳清酸的4种重要异构体2d、2e、3f和3g，其结构参数和能量列于图1.图1表明，各异构体的键长、键角结构差别不大.一般来说，液相中的相对能量比气相中的能量升高或降低10 kJ/mol以内，但个别会出现显著变化.如考虑溶剂效应后，构型3f的相对能量下降达34.6 kJ/mol之多，这么大的能量变化不可接受.因此，对溶液中的反应，应该考虑溶剂的影响.

图1 乳清酸的4种异构体.键长和键角分别以nm和°为单位.()中为气相中相对于1a的能量，［］为CPCM单点计算的能量

2.2 IR光谱指认

Gaussian03可以计算精确的红外光谱数据，并可以进行光谱指认［8］.由于H原子位置的不同，不同的乳清酸异构体具有不同的IR谱图.用Gaussian03计算得到的异构体2d、2e、3f和3g的IR谱图及振动模式指认绘于图2中.2d和2e仅仅是羧基上氢原子的位置不同，因而二者图片十分接近，只是在红外强度上有细微差别.同样，异构体3f和3g是羧基上氢的顺反异构引起的，从中可以清晰地看到各特征频率的位置和强度，只不过在3g中出现了一条明显的C－O9伸缩振动的谱线，其位置在1852 cm－1处，强度为244.58 km·mol－1;C=O伸缩振动在1788 cm－1有很强的吸收峰.

3 溶剂模型对能垒的影响

本文用同样方法计算了2b和3e异构化的能垒，过渡态标记为TS2b－3e.相关结构和能量列于图3中.由于在转移的H9原子上定义了不同的半径，相对于1a的TS2b－3e能量高达663.8 kJ/mol，完全不可接受.这说明，目前流行的计算能量的方法不能描述氢转移的过渡态［9－10］.

我们用UAKS原子半径重新进行了单点计算，此时相对能量为246.5 kJ/mol，与气相中232.0 kJ/mol接近.图3表明，采用不同的原子半径定义对异构体2b和3e的影响不大.本文采用此方法对其他构型进行了单点计算，也证明是采用了不同的原子半径导致了氢转移过渡态能量失准，而对其他构型没有大的影响.比如，采用UAKS半径后3f的相对能量为69.5 kJ/mol，同样出现明显降低.

4 结论

溶液中的化学反应需考虑溶剂效应的影响.本文采用密度泛函方法研究了CPCM溶剂模型对乳清酸异构化反应的影响，发现溶剂模型对个别化合物的影响明显.采用默认的UA0定义原子半径时，因为不能对正在转移的氢原子进行描述而使用SphereOnH=N关键词，这导致不能估计氢转移过渡态的能量.当采用UAKS半径时，所得相对能量和能垒才与气相能量很好地符合.

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