L-苯丙氨酸构象和电离能的理论研究

王美婷，关 君，王克栋，孟 举，黄笑天

（1.河南师范大学物理与电子工程学院，新乡453007；2.新乡广播电视大学继续教育学院，新乡453003）

1 引 言

L-苯丙氨酸是具有生理活性的芳香族氨基酸，是人体和动物不能靠自身自然合成的必需氨基酸之一，作为人体必需的八种氨基酸之一，广泛应用于医药和食品添加剂行业.它是复配氨基酸输液的重要成份，在食品加工行业中，L-苯丙氨酸可添加于焙烤食品中，除可强化苯丙氨酸的营养作用外，还与糖类发生氨基-羧化反应以改善食品店品香味，以及用于补充人体所需功能性食品氨基酸平衡.在医药行业中，L-苯丙氨酸是苯丙氨苄、甲酸溶肉瘤素等氨基酸类抗癌药物的中间体，同时也是生产肾上腺素、甲状腺素和黑色素的原料.另外还可以与L-天冬氨酸为原料合成阿斯巴甜（甜味剂）.因此对苯丙氨酸的研究有重要的意义.

L-苯丙氨酸已经引起了实验和理论研究者的兴趣.1992年Levy［1］等人根据测量的低温激光诱导荧光谱，指认L-苯丙氨酸存在五种稳定构象.2000年Simon小组［2］测量了L-苯丙氨酸的紫外和红外R2PI谱，并运用从头计算HF／6-31G （d）方法优化了58种初始猜想构象，结果指认L-苯丙氨酸除了存在Levy［1］等人指出的五种构象外，还存在第六种稳定构象.2002年Kim 小组［3］进一步测量R2PI谱，结合B3LYP／6-31+G （d）方法对L-苯丙氨酸最外壳层轨道的电离能做了研究，并分析电离能之间的差异是由于形成的分子内氢键的缘故.Kim［4］又进一步用B3LYP／6-31+G （d，p）方法研究了L-苯丙氨酸阳离子的结构和能量.随后，Lee通过实验测量R2PI谱［5］，并结合从头计算MP2／6-311+G＊＊理论方法，根据测量的S1态的寿命解释了Levy小组［2］激光诱导荧光谱无法测量出X 构象是由于其超短的寿命所致.2006年，林子敬小组［6］用B3LYP／6-31++G （d，p）方法系统研究了L-苯丙氨酸的构象和结构特性，并使用AIM 方法研究了氢键的电子密度拓扑特性.2010年，Baek［7］用M05-2X／6-311+G＊方法研究了苯丙氨酸依赖构象的电子结构特征，尤其是非共价反应.2011年，Pérez等人［8］实验测量了L-苯丙氨酸的转动谱，证实了两种构象内含有分子内氢键.

本文拟对L-苯丙氨酸进行全部势能面的搜索，用更大的基组aug-cc-pVDZ 来计算其电子结构特征，用更可靠的高精度CCSD （T）能量作为标准，研究了不同的泛函和基组对构象相对能量的影响.尽管早期Cannington 和Ham［9］测量了L-苯丙氨酸的HeI和HeII光电子能谱，但是其电离能峰一直没有得到有效的指认.前人对其电离能的研究主要集中在最外壳层轨道，本文理论计算了价壳层轨道的电离能并对前人的实验光电子能谱进行了指认.

2 计算方法

图1 苯丙氨酸分子平面结构示意图Fig.1 Schematic planar structure for phenylalanine molecule

L-苯丙氨酸的结构如图1所示，所有可能构象均通过改变绕a，b，c，d，e五个键旋转形成的二面角而得到，共有3＊6＊3＊6＊2=648种可能构象.具体细节由图2给出.

图2 苯丙氨酸分子的转动自由度.a，b，c，d和e是绕其旋转形成不同构象的单键Fig.2 Schematic illustration of the rotational degrees of freedom of phenylalanine molecule.a，b，c，d and e refer to various internal single-bond rotamers

所有的648种构象经B3LYP／6-311G （d，p）优化以后得到45种稳定构象，进一步使用更大的基组6-311++G （d，p）优化之后得到37 种稳定构象，并计算频率，没有发现存在虚频.在此基础上，使用B3LYP／aug-cc-pVDZ 优化最稳定的10种构象.四种不同的方法B3LYP，MP2［10］，B3PW91［11］，M06-2X［12］和CCSD （T）用来计算相对能量.电子传播子理论的P3近似方法充分考虑了轨道的弛豫和电子相关［13-14］，在P3近似下，计算的每一个电离能对应一个Dyson轨道，对应轨道电离的极强度等于Dyson轨道模平方的全空间积分.只有在极强度大于0.85时，P3近似的结果才是有效的.由该方法计算稳定构象的电离能.

3 结果与讨论

3.1 构型参数

在图3 中 给 出 了 由B3LYP／aug-cc-pVDZ 优化得到的最稳定的十种构象，表1中给出了这十种构象相应的键长，键角和二面角等参数.Beak等人［7］采用M05-2X／6-311+G＊优化得到的构象结构信息也在表1 中给出，通过对比可以看出M05-2X／6-311+G＊得到的构型参数与当前的结果非常接近.在其他文章中都表明苯基丙氨酸中有分子内氢键存在［6，7］.在能量最低的三种构象m1，m3和m4中N 原子和-COOH 上的四个原子几乎在同一平面，m1中-COOH 和-NH2分别在C链的两侧，-COOH 中的H 原子指向-NH2中的N原子，N...OH 之间的距离为1.88Å.对m3 和m4，-COOH 和-NH2在C链的同一侧，在m4中-COOH 中的H 原子同样指向-NH2中的N 原子，N...OH 之间的距离为1.98Å.相对于m4而言，m3中-NH2向着-COOH 的方向旋转了30 度，导致O-H 间的键长伸长了0.01Å，N…OH 之间的距离为1.92Å.构象m1，m3，m4中N...OH 之间的距离均能形成较强氢键［15］.我们对最稳定的三种构象进行了自然间轨道分析 （NBO），NBO的结果表明 （表2），在最稳定三种构象m1，m3，m4中均形成了N...OH 的分子内氢键.

表1 B3LYP／aug-cc-pVDZ模型下苯基丙氨酸能量最低的十种构象的结构参数Table 1 The conformational parameters of ten low-lying conformers of phenylalanine located at B3LYP／aug-cc-pVDZ level

图3 B3LYP／aug-cc-pVDZ模型下苯基丙氨酸能量最低的十种构象的分子结构Fig.3 Ten lowest lying conformers of phenylalanine located at B3LYP／aug-cc-pVDZ level

表2 苯基丙氨酸最稳定三种构象的NBO 分析结果Table 2 The results of NBO

3.2 相对能量与稳定次序

表3中给出了采用不同的方法和基组理论计算得到的相对能量，包括前人理论计算的结果也在表中列出.从表中可以看出不同的方法和基组对相对能量和稳定次序有一定的影响.Kim 等人［7］采用B3LYP／6-311+G＊预测m3 是最稳定的构象，Huang［6］等人使用相同的B3LYP方法和增加极化和弥散函数的6-311++G＊＊基组预测m1是最稳定的构象.同样我们用B3LYP 方法和添加更多极化和弥散的aug-cc-pVDZ 和aug-ccpVTZ基组，均给出了m3是最稳定构象的结论.由此可见苯丙氨酸全局稳定构象对小基组比较敏感.从表3 中还可以看出采用aug-cc-pVDZ 和aug-cc-pVTZ两种基组，预测了几乎完全相同的相对能量，除了m9和m11分别有2.6 和2.1KJ／mol的差异.同样在B3LYP／aug-cc-pVDZ 优化构型的基础上，我们用B3PW91，M06-2X和MP2三种方法分别采用aug-cc-pVDZ 和aug-cc-pVTZ基组预测了相对能量，结果同样列在表3中.可以看出，除了预测的m9 和m11 的相对能量有＜4KJ／mol的差异，各种方法两种基组均预测了几乎相同的相对能量，说明m9和m11两种构象对基组比较敏感，aug-cc-pVDZ 已经基本达到了基组收敛.比较不同的方法，B3LYP和B3PW91均预测m3是最稳定的构象，m1是次稳定的构象并且两者具有几乎简并的能量；然而M06-2X 和MP2均预测m1是最稳定的构象，m3次稳定并且前者对后者能量低2.0～2.6KJ／mol.这主要是由于B3LYP和B3PW91没有考虑长程的相互作用，而M06泛函方法包含了部分长程作用的结果.为了进一步说明这一问题，我们采用高精度的CCSD （T）方法，使用已经接近基组收敛的augcc-pVDZ基组计算了各种构象的相对能量，也在表3中给出.CCSD （T）预测m1是最稳定的构象，m3 次稳定并且前者对后者能量低2.2 KJ／mol，由此可见M06-2X 和MP2 两种方法预测的结果比较可靠，Kim 等人［7］和Huang［6］等人采用B3LYP／6-311+G＊和B3LYP／6-311++G＊＊预测各构象的能量并不可靠.使用M05-2X 方法，即便使用较小的基组6-311+G＊，Kim 等人［7］也预测了较好的结果.由此可见预测含有氢键体系时远程相互作用的重要性.这与前人的结论是一致的.

3.2 电离能

基于B3LYP／aug-cc-pvdz优化得到的构型，我们运用包括轨道弛豫和电子关联效应的P3／aug-ccpVDZ计算了苯基丙氨酸最稳定的10种构象的垂直电离能，连同Cannington等人［9］光电子能谱实验的结果列在表2中.表中还给出了在Koopmans近似下，HF／aug-cc-pvdz计算的结果.每一个离子态的极强度都大于0.85，表明了P3的结果是有效的.Koopmans近似和P3计算结果的差异表明弛豫和电子关联能的大小在0～2.1eV之间.

表3 苯基丙氨酸最稳定十种构象的相对能量 （单位：KJ／mol）Table 3 The relative energies of ten conformations carried out by different methods（in KJ／mol）

表4 苯丙氨酸不同构象的电离能Table 4 Ionization energies（in eV）of conformers at P3／aug-cc-pVDZ／／B3LYP／aug-cc-pVDZ level

图4 苯丙氨酸实验光电子能谱与理论计算模拟的光电子能谱的对比Fig.4 Comparison between（a）the experimental spectra adopted from Ref.［9］and（b）the simulated spectra of phenylalanine.The short vertical bars represent P3／aug-cc-pVDZ of the ionization energies for five low-lying conformers

图4 （a）中给出了Cannington等人［9］测量的光电子能谱实验的结果，实验测量的结果显示六个明显的能峰，图中的短线分别是计算得到的五种最稳定构象的电离能.可以看出最稳定m1 构象的电离能与光电子能谱符合的最好，但是仍然有一些差异.比如没有准确的预测16.4eV 处小的能峰，根据当前计算的结果该能峰主要来自于m3的贡献.另外，在光电子能谱图中12.2～12.3 eV 处有一个明显的肩膀，理论计算m1的电离能并不能与之对应，但是理论计算m3的电离能成功的预测了该能峰.光电子能谱图中13.9eV 处的能峰和13.2处的肩膀，显然是由于m4的贡献产生的.10.6eV 处的弱峰和11.7eV 处的肩膀主要来自于m5的贡献.理论预测m6的电离能值与其它几个构象重合，因此无法确定它对光电子能谱是否有贡献.但是总体上我们可以得出这样的结论：实验光电子能谱m1对占主要成分，另外还包含有m3，m4 和m5 的贡献，无法确定是否有m6的贡献.这与前人的实验测量结果［1-4］基本一致.

我们用CCSD （T）计算的m1，m3，m4，m5和m6的丰度，结合P3理论计算的电离能值简单的模拟了该分子的电离能谱如图4 （b）所示.半高全宽为40meV 的高斯函数被用来模拟每一个电离态，相应的分子轨道的跃迁强度用轨道的极强度和丰度的乘积来估算，该方法已经成功模拟了乙醇胺［20］，丝氨酸［21］和CH3C （O）OSSOC （O）CH3［22］分子的电离能谱，虽然不知道每个离子态的对应的Franck-Condon因子，模拟的电离能谱与实验光电子能谱符合的比较好，说明了在气相光电子能谱实验中，至少包含有m1，m3，m4和m5四种构象的贡献.如图所示，更多的能峰出现在模拟图上，特别是在13～17eV 区域内，光电子能谱实验给出了一个部分分辨的较宽的能峰，当前我们预测了四个完全分辨的能峰，有利于指导更高分辨的光电子能谱测量.

4 结 论

运用B3LYP，B3PW91，M06-2X，MP2 和CCSD （T）五种方法结合aug-cc-pVDZ和aug-ccpVTZ基组研究了苯基丙氨酸最稳定的十种构象，不同的方法给出的能量次序有所差异，通过对比相同方法不同基组以及相同基组不同方法给出的能量次序，我们得出苯基丙氨酸的能量对方法的依赖较大，相对于CCSD （T）计算的相对能量，B3LYP和B3PW91 理论计算的相对能量并不可靠，M06-2X 和MP2 方法能够给出较好的结果.用电子传播子理论P3 近似方法计算稳定构象外价壳层轨道的垂直电离能与光电子能谱实验符合的很好；根据构象的相对能量以及理论模拟与实验的光电能谱的比对，说明对气相光电子能谱实验中至少存在m1，m3，m4和m5这四种构象.

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