基于从头算的孤立条件下α—丙氨酸分子手性转变理论研究

张 新，钱 研，罗香怡，赵衍辉，王佐成*

(1.白城师范学院 物理学院，吉林 白城 137000；2.白城师范学院 传媒学院，吉林 白城 137000)

0 引言

α—丙氨酸有左旋与右旋一对对映体．左旋体对动物体尤为重要，广泛地存在于动物体内，对预防肾结石、协助葡萄糖的代谢有不可忽视的作用，并且有助于缓和低血糖．右旋α—丙氨酸主要应用于手性药物和手性助剂等领域，在制药及食品行业作为手性合成的手性源[1]．主要用于生产新型广谱抗生素、右旋丙氨醇、多肽合成过程的丙氨酸保护剂，以及合成新型甜味剂阿利甜[2]．右旋丙氨酸有抑菌作用,是自然保湿因子的主要成分,是角质层保持水分的重要角色，也广泛用于化妆品之中．

基于α—丙氨酸手性对映体的广泛应用，人们对丙氨酸进行了大量的研究．刘凤阁等人对丙氨酸的结构特性及氢在羧基上的转移进行了研究[3、4]．王道尚等人对丙氨酸分子的最优构型、能量及非键性质进行了理论研究[5]，王文清等人对α—丙氨酸分子做了变温中子结构研究[6]．然而，对丙氨酸分子手性转变的研究未见报道．工作希望对弄清α—丙氨酸的手性转变机制、获得光学纯的对映体、拓宽其应用领域，产生积极的作用．

1 研究与计算方法

用从头算理论的HF方法[7]，采用6-31G(d)基组，对S型与R型α—丙氨酸分子几何结构及反应的中间体进行单重态势能面上的极小值、红外振动频率的理论计算；对反应过程中的过渡态[8，9]进行探索；对过渡态进行IRC计算[10]．文中分子结构图、振动模式图及IRC曲线图均由GaussView3.0依据Gaussian03的计算结果而生成．

2 结果与讨论

2.1 α—丙氨酸分子手性转变路径

(1)α—丙氨酸分子对映体的结构

在HF/6-31G(d)水平上优化的S型与R型α—丙氨酸分子几何结构如图1所示．这对对映体的能量均为：E(RHF)=-321.8648a.u． 从这对对映体的空间结构可以看出，应是13H先从1C迁移到9C、再从9C迁移到100、又在另一侧从100迁移到9C的另一侧，最后在另一侧从9C迁移到1C的另一侧，同时伴随着其它基团及键角的的异构过程，便可实现这对对映体从S型到R型的手性转变．

图1 在HF/6-31G(d)理论水平优化的S型与R型α—丙氨酸分子的几何结构

(2)α—丙氨酸分子手性转变路径的中间体及过渡态探索

根据前面的分析预测，α—丙氨酸分子从S型转变为R型的过程是：(1)S型α—丙氨酸分子的13H从1C通过过渡态TS1迁移到9C上形成中间体INT1，实现4C-1C-9C碳骨架异构的第一步，这个过程同时伴随着其它基团的微弱异构；(2)13H从9C通过过渡态TS2迁移到10C上形成中间体INT2，实现4C-1C-9C碳骨架进一步的异构，这个过程也同时伴随着其它基团的异构；(3)13H从10O通过过渡态TS3从另一侧迁回到9C上形成INT3 ；(4)13H从9C通过过渡态TS4从另一侧迁回到1C上形成产物R型α—丙氨酸分子．

首先结合前面的分析对INT1、INT2与INT3的结构，在HF/6-31G(d)水平下进行几何结构优化、计算单重态的最低单点能、计算红外振动频率．得到INT1、INT2及INT3的结构如图2所示，能量分别为：EINT1(RHF)=-321.7840 a.u；EINT2(RHF)=-321.8209 a.u；EINT3(RHF)=-321.7840 a.u．

图2 在HF/6-31G(d)理论水平优化得到的INT的几何结构

而后，在HF/6-31G(d)理论水平上，对过渡态TS1、TS2、TS3与TS4进行了的探索，计算了过渡态的几何结构、能量、红外振动频率及其前线分子轨道．得到过渡态TS1、TS2、TS3与TS4的几何构型如图3所示，对过渡态进行全优化后的能量为：能量分别为：ETS1(RHF)=-321.7617 a.u；ETS2(RHF)=-321.7506 a.u；ETS3(RHF)=-321.7506 a.u；ETS4(RHF)=-321.7617 a.u．红外振动均存在一虚频，虚频下的振动模式见图(3)．

从图3可以看出：TS1的振动模式显示13H可以从S型α—丙氨酸分子的1C迁移到9C上，这个过程同时伴随着碳骨架二面角变化的异构、6N基团与羧基的旋转异构，形成中间体INT1；TS2的振动模式显示13H可以从S型α—丙氨酸分子的9C迁移到10O上，形成中间体INT2；TS3的振动模式显示13H可以从S型α—丙氨酸分子的另一侧10O迁移到9C上，形成中间体INT3；TS4的振动模式显示13H可以从S型α—丙氨酸分子另一侧的9C迁移回到1C上，这个过程也同时伴随着碳骨架二面角变化的异构、6N基团与羧基的旋转异构，形成产物R型α—丙氨酸分子．我们沿着虚频下13H的振动方向微调结构进行优化的结果见图(2)和图(1)，证明了我们分析的正确性．

图3 在HF/6-31G(d)理论水平上得到的各过渡态的几何结构及虚频下的振动模式

(3)α—丙氨酸分子手性转变路径

综合前面的研究得到，α—丙氨酸分子从S型到R型的手性转变路径为：S→TS1→INT1→TS2→INT2→TS3→INT3→TS4→R，过程涉及到的局域极小点的几何结构及过渡态的结构见图1、图2与图3．表(1)给出了稳定点与过渡态的能量．

由表1可知，S型α—丙氨酸分子经过过渡态TS1转变到中间体INT1，需要跨越的能垒是64.97 Kcal/mol；中间体INT1经过过渡态TS2转变到中间体INT2，需要跨越的能垒是21.05 kcal/mol；中间体INT2经过过渡态TS3转变到中间体INT3，需要跨越的能垒是44.30 kcal/mol；中间体INT3经过过渡态TS4转变到R型α—丙氨酸分子，需要跨越的能垒是14.06 kcal/mol．

2.2 α—丙氨酸分子手性转变过渡态的IRC计算

为了进一步验证过渡态的可靠性，分别对这四个过渡态在HF/6-31G(d)理论水平上进行了正向

表1在HF/6-31G(d)理论水平上计算得到的反应路径中各稳定点及过渡态的能量,过渡态及中间体与反应物及产物的能量差

StructuresE(Hartree)ΔE(Hartree)ΔE/kcal·mol-1S-321.86480.00000.00TS1-321.76170.103164.97INT1-321.78400.080850.91TS2-321.75060.114271.96INT2-321.82090.043927.66TS3-321.75060.114271.96INT3-321.78400.080850.91TS4-321.76170.103164.97R-321.86480.00000.00

与反向的IRC路径探测．探测结果表明，我们得到的各个过渡态是可靠的，的却是连接着对应的反应物与产物．由于篇幅所限，只给出对过渡态TS1的IRC计算结果见图4，其它从略．

上图的能量最高点是过渡态TS1，最低点分别是指向中间体INT1和S型α—丙氨酸分子的结构，图4显示的最高点和最低点的能量值与表1数据十分的吻合，说明对过渡态TS1进行的IRC探测结果证明了TS1是可靠的．

向后探测的从过渡态到中间体INT1的IRC路径 向前探测的从过渡态到S型对映体的IRC路径

图4在HF/6-31G(d)理论水平上对过渡态TS1进行的IRC分析

3 结论与展望

使用从头算的HF方法采用6-31G(d)基组，计算研究了α—丙氨酸分子从S型到R型的手性对映体的转变过程．结果表明：反应的路径是：S→TS1→INT1→TS2→INT2→TS3→INT3→TS4→R；S型α—丙氨酸分子经过过渡态TS1转变到中间体INT1，需要跨越的能垒是64.97 kcal/mol；中间体INT1经过过渡态TS2转变到中间体INT2，需要跨越的能垒是21.05 kcal/mol；中间体INT2经过过渡态TS3转变到中间体INT3，需要跨越的能垒是44.30 kcal/mol；中间体INT3经过过渡态TS4转变到R型α—丙氨酸分子，需要跨越的能垒是14.06 kcal/mol．对过渡态进行的IRC计算表明，诸过渡态是可靠的．

α—丙氨酸分子的手性转变很可能还存在其它的路径，本工作使用的HF方法没有考虑到电子相关，得到的最低单点能及能垒等物理量不是很精确，这些问题还有待于我们继续进行研究．

[1]赵亚华.分子生物学教程[M].北京：科学出版社，2011.

[2]林国强，等.手性合成不对称反应及其应用[M].北京：科学出版社，2003.

[3]刘凤阁，等.孤立条件下丙氨酸分子结构特性的理论研究[J].吉林师范大学学报(自然科学版)，2013，34(4)：47～51.

[4]刘凤阁，等.孤立条件下丙氨酸分子羧基氢转移的理论研究[J].吉林师范大学学报(自然科学版)，2014，35(1)：41～47.

[5]王道尚，等.丙氨酸分子的最优构型、能量及非键性质理论研究[J].城市建设理论研究，2013,(3):26～30.

[6]王文清，等.手性分子的宇称破缺：D和L-丙氨酸的变温中子结构研究[J].物理化学学报,2004,(11)：1345～1351.

[7]徐光宪，等.量子化学[M].北京：科学出版社，1999.

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