基于氨基做质子迁移桥梁的苯丙氨酸分子旋光异构反应机理

张 新，李晨洁，董丽荣，高 峰，王佐成

(1. 白城师范学院 物理学院，白城 137000；2. 白城师范学院 传媒学院，白城 137000；3. 吉林师范大学 物理学院，四平 136000)

苯丙氨酸(Phe)是一种人体必需氨基酸，分为左旋体(S-Phe)和右旋体(R-Phe)．S-Phe是人和动物所必需的，可用作医药、人类食品添加剂和动物饲料添加剂．R-Phe可用作制备抗癌药物的中间体以及合成治疗老年药物等．用R-Phe合成脑内的部分类似肽，可用于治疗和预防阿尔茨海默病[1]．

基于Phe的重要作用，人们对它进行了大量的研究．黄志坚[2]对苯丙氨酸分子结构进行了深入的研究，得到了气相苯丙氨酸分子的多个最稳定结构，计算了主要最稳结构所占的比率，并分析了红外光谱数据和计算它的电离能．Simon[3]在2000年测量了S-Phe的紫外和红外R2PI谱，Kim小组[4]在2002年进一步测量了S-Phe的R2PI谱，用密度泛函的方法对S-Phe最外壳层轨道的电离能做了研究，分析了电离能之间的差异是由于S-Phe分子内形成了氢键．Kim[5]用密度泛函的方法研究了S-Phe阳离子的结构和能量．Lee[6]通过实验测量了S-Phe的R2PI谱，并结合微扰理论的MP2方法，测量了S1态的寿命．Pérez等人[7]在2001年通过实验测量了S-Phe的转动谱，证实了S-Phe两种构象含有分子内氢键．

然而，关于Phe旋光异构机理的研究目前鲜见报道．气相Phe旋光异构机制的研究，对于进一步研究Phe在溶剂和纳米限域环境的旋光异构具有重要的指导意义．文献[8-13]的研究表明： 气相的赖氨酸、α-丙氨酸、缬氨酸和半胱氨酸等氨基酸的旋光异构反应，优势反应通道均是手性碳上的质子以氨基为桥迁移．基于此，本工作研究了气相Phe分子以氨基作为质子迁移桥梁的旋光异构过程．

1 模型选取与计算方法

Phe分子能形成多种分子内氢键,存在很多能量相近的稳定构型．选取S-Phe分子的3种最稳定构型[2]S-Phe_1、S-Phe_2和S-Phe_3(见图1)做为反应物，研究它们的旋光异构．采用密度泛函理论的B3LYP[14-15]方法，选择6-31+G(d,p)基组，全优化S型Phe向R型Phe异构过程中的各个驻点结构．通过对过渡态[16-17]进行内禀反应坐标(IRC)[18-19]计算，对过渡态进行确认．采用微扰理论的MP2方法[20-21]，选择6-311++G(2df,pd)基组，计算体系高水平的单点能．利用Gtotal=Esp+Gtc(Gtotal为总自由能，Esp为单点能，Gtc为吉布斯自由能热校正)计算总自由能．速控步骤的反应速率常数采用公式[22]

计算，式中kB和h分别为玻尔兹曼常数和普朗克常数，ΔG≠为基元反应的活化吉布斯自由能．计算均由Gaussian09[23]程序完成．

2 结果与讨论

2.1 S-Phe向R-Phe手性转变的反应通道

在B3LYP/6-31+g(d,p)理论水平，优化的S-Phe_1，S-Phe_2，S-Phe_3和一种R-Phe的结构如图1(本文只给出一种R-Phe的构象，只为说明R-Phe与S-Phe的本质区别是手性碳上的H分别在纸面里和纸面外，实际上R-Phe与S-Phe一样具有多种构象，并且文中S-Phe_1，S-Phe_2，S-Phe_3旋光异构的产物也不一定是图1中的R-Phe)．结构分析表明： S-Phe_1具有氨基和羧基之间的分子内较强的单氢键、羧基和亚甲基之间的分子内单氢键以及氨基团和苯环间的大π键．S-Phe_2具有氨基和羧基之间的分子内双氢键、羧基和亚甲基之间的分子内单氢键以及氨基团和苯环间的大π键．S-Phe_3具有氨基和羧基之间的分子内单氢键以及羧基和亚甲基之间的分子内单氢键，因此，它们是十分稳定的．相对而言S-Phe_1更稳定些．

图1 S苯丙氨酸和R苯丙氨酸的稳定几何构型Fig.1 The geometries of S and R type Phe molecules

对图1进行分析发现： 标题反应有3条通道a，b和c．对于构型1和3，a是羧基异构后手性碳上的质子再以氨基为桥迁移到手性碳的另一侧，b是手性碳上的质子直接以氨基为桥迁移到手性碳的另一侧，c是手性碳上的质子以氨基和羧基联合为桥迁移到手性碳的另一侧．对于构型2，3条通道分别是质子只以氨基为桥、顺次以羰基与氨基为桥和顺次以羧基和氨基为桥迁移．

2.2 S-Phe的旋光异构反应机理

S-Phe_1和S-Phe_2相对于S-Phe_3结构更稳定，在气相环境具有较高的分布，并且旋光异构过程有明显的区别，本文给予详细讨论．S-Phe_3的旋光异构过程基本同于S-Phe_1，仅做一般讨论．

2.2.1 S-Phe_1的旋光异构反应

S-Phe_1在a通道的旋光异构历程见图2(A)(见第244页)．首先是羧基异构，S-Phe_1经过渡态aS-TS1_1，其羟基上的23H绕6C-22O键沿过渡态虚频的负方向旋转到羧基内侧(二面角10O-6C-22O-23H从179.211°变为0.315°)，实现了羧基从反式平面结构向顺式平面结构的异构．同时氨基上的2H和21H绕3C-1N键轴俯视逆时针稍作转动(二面角2H-1N-3C-6C从-141.035°变为-177.911°)，S-Phe_1异构成中间体产物aS-INT1_1．aS-INT1_1的氨基氮1N朝向读者的一面裸露出来(有孤对电子)，负电荷的密度增大，俘获质子的能力增强．由于此过程没断键，故aS-TS1_1产生的能垒不会太高．然后是aS-INT1_1的手性碳3C上的4H经过渡态aTS2_1沿虚频振动的负向迁移到氨基氮1N上，异构成中间体aINT2_1．此基元反应的aS-INT1_1到aTS2_1过程中，3C-4H键长从0.10961nm增加到0.13655nm，3C-4H键断裂；3C-1N键长从0.14557nm增加到0.15804nm，3C-1N键断裂，两个化学键的断裂需要较大的能量．因此aTS2_1会产生较高的能垒．接着是aINT2_1经过和aTS2_1雷同的过渡态aTS3_1，2H沿过渡态虚频的负方向从1N迁移到3C，异构成中间体aR-INT3_1，此时已实现旋光异构．在aINT2_1到aTS3_1过程中，2H-1N键长从0.10319nm增加到0.11755nm，键断裂；3C-1N键长从0.14854nm增加到0.15805nm，键断裂，两个化学键的断裂需要较大的能量，因此aTS3_1会产生较高的能垒．由于此过程断键键长的变化小于aS-INT1_1到aTS2_1过程，所以aTS3_1产生的能垒会小于aTS2_1．接下来，aR-INT3_1经过4H和21H左右摆动的过渡态aR-TS4_1异构成中间体aR-INT4_1．此过程二面角21H-1N-3C-4H从120.247°变为-120.098°，完成了氨基的对称异构．aR-INT4_1的氨基氮1N的右侧面裸露出来(有孤对电子)，负电荷的密度增大，俘获质子的能力增强，使23H向它的方向的旋转变得容易了．由于此过程没断键，故aR-TS4_1产生的能垒不会太高．

最后aR-TS4_1经过和aS-TS1_1雷同的过渡态aR-TS5_1，实现了23H绕6C-22O键从羧基内侧转到朝向氨基氮1N的方向，形成了氨基和羧基之间的分子内较强的单氢键，异构成稳定的产物aP_R-Phe_1．

S-Phe_1在b通道的旋光异构反应历程见图2(B)．手性碳3C上的4H经过渡态bTS1_1，沿虚频振动的负方向直接迁移到氨基氮1N上，同时，23H从羧基外部绕6C-22O旋转到羧基内侧(二面角10O-6C-22O-23H从179.211°改变为-0.085°．)，异构成中间体bINT1_1．此基元反应的S-Phe_1到bTS1_1过程中，3C-4H键长从0.10973nm改变为0.13869nm键断，3C-1N键长从0.14719nm增加到0.16001nm键断，二面角10O-6C-22O-23H从179.211°改变为-136.541°．两个化学键的断裂需要一定的能量，二面角旋转又需要能量，因此b TS1_1会产生较前面几个质子迁移过渡态更高的能垒．计算表明，bINT1_1全同于aINT2_1，其以后的过程同于aINT2_1后面的过程，不再赘述．

S-Phe_1在c通道的旋光异构历程见图2(C)．首先是手性碳上的质子4H经过渡态cTS1_1，沿过渡态虚频振动的正向迁移到羰基10O，S-Phe_1异构成中间体cINT1_1，cINT1_1的羧基质子化．S-Phe_1到cTS1_1过程中，键长3C-4H键长从0.10973nm增加到0.15569nm，3C-4H键断裂且键长增幅较大．因此cTS1_1会产生较高的能垒．然后，cINT1_1经过渡态cTS2_1，其质子化羧基上的4H绕6C-10O键沿过渡态虚频的正方向旋转到质子化羧基的右侧(二面角4H-10O-6C-3C从-0.542°变为-179.748°)，异构成中间体cINT2_1．此过程无断键，过渡态cTS2_1产生的能垒较低．接下来是，cINT2_1经过渡态cTS3_1，实现了23H从质子化羧基的22O向氨基氮1N的迁移，异构成中间体cINT3_1．此过程虽然23H-22O键长从0.09107nm增加到0.13582nm断建，但cTS3_1是较稳定的近似平面的5元环结构(二面角23H-22O-6C-3C和3C-1N-23H-22O分别为-0.903°和-0.311°)且键长增幅不大．因此，cTS3_1产生的能垒不会太高．最后，cINT3_1经过和aTS3_1雷同的过渡态cTS4_1，异构成为中间体cR-INT4_1，完成旋光异构；cR-INT4_1经过cR-TS5_1实现了4H在羧基内的迁移，异构成新的中间体cR-INT5_1，此过程是断键成键的质子迁移过程，但键长变化不大，因此能垒不低也不很高．计算表明cR-INT5_1全同于aR-INT4_1，经过和aR-TS5_1全同的过渡态cR-TS6_1，异构成和aP_R-Phe_1全同的稳定的产物cP_R-Phe_1．

在B3LYP/6-31+G(d,p)水平，对反应过程的所有驻点进行全参数优化，得到驻点结构和过渡态虚频下的振动模式见图2(A)、2(B)和2(C)，各驻点的吉布斯自由能热校正及过渡态的虚频值见表1(第247页)．在相同的理论水平对过渡态的IRC计算，验证了诸过渡态的可靠性．

2.2.2 S-Phe_2的旋光异构

研究发现S-Phe_2的旋光异构有3条通道： 1是S-Phe_2只以氨基氮为质子迁移桥梁；2是4H迁移到10O后再以氨基为桥迁移到手性碳的另一侧；3是23H在羧基内先迁移到10O，然后4H迁移到22O，接着23H绕6C-10O键轴旋转到6C-10O键轴的左侧，最后，23H再以氨基氮为桥迁移到手性碳的另一侧．计算表明： 1是主反应通道，这里进行详细讨论；2和3通道与S-Phe_1在c通道的旋光异构机理雷同并且决速步能垒较高，篇幅所限，不给予讨论．

S-Phe_2只以氨基氮为质子迁移桥梁的反应历程见图3(第245页)．首先，手性碳上的4H经过渡态TS1_2，沿虚频振动的正方向直接迁移到氨基氮1N上，异构成氨基质子化的产物中间体INT1_2．此基元反应的S-Phe_2到TS1_2过程中，3C-4H键长从0.10981nm增加到0.13516nm断裂，3C-1N键长从0.14527nm增加到0.15697nm断裂．两个化学键的断裂需要较高的能量，因此，TS1_2会产生较高的能垒．

图2 S-Phe_1向R-Phe_1旋光异构的反应历程Fig.2 The reaction process of S-Phe_1 to R-Phe_1 optical isomerism

然后，经和TS1_2雷同的过渡态TS2_2，INT1_2的2H从质子化氨基氮沿过渡态的正方向在纸面里侧迁移到手性碳3C上，异构成具有氨基和羧基之间的分子内双氢键的产物P_R-Phe_2，完成旋光异构．结构分析表明，从INT1_2到TS2_2是两个化学键的断裂，但此过程化学键长的增幅不及S-Phe_2到TS1_2过程．因此TS2_2产生的能垒低于TS1_2的．

用前面相同的理论水平，优化的反应过程各驻点结构以及过渡态在虚频下的振动模式见图3，各驻点的吉布斯自由能热校正及过渡态的虚频亦见表1．在相同的理论水平对过渡态进行IRC计算，验证了诸过渡态的可靠性．

图3 S-Phe_2向R-Phe_2旋光异构的反应历程Fig.3 The reaction process of S-Phe_2 to R-Phe_2 optical isomerism

2.2.3 S-Phe_3的旋光异构

S-Phe_3旋光异构反应的活性中心同于S-Phe_1，其旋光异构反应机理基本同于S-Phe_1，主要的反应历程见图4(A)、4(B)和4(C)．

对于反应通道a，首先是羧基异构，经过渡态aS-TS1_3，S-Phe_3羟基上的23H绕6C-22O键沿过渡态虚频的负方向旋转到羧基内侧，同时氨基上的2H和21H绕3C-1N键轴俯视逆时针稍作转动，异构成中间体产物aS-INT1_3．然后是aS-INT1_3的手性碳3C上的4H沿过渡态aTS2_3虚频振动的正方向迁移到氨基氮1N上，异构成中间体aINT2_3，完成旋光异构的前半程反应历程．以后的异构过程雷同于aINT2_1之后的过程，从略．

对于反应通道b，前半程是手性碳3C上的4H经过渡态bTS1_3，沿过渡态虚频振动的正方向直接迁移到氨基氮1N上，同时，23H从羧基外部绕6C-22O旋转到羧基内侧，异构成中间体bINT1_3．以后的历程同于aINT2_3之后的过程．

对于反应通道c，第1基元反应，是手性碳上的质子4H经过渡态cTS1_3，沿过渡态虚频振动的负方向迁移到羰基10O，S-Phe_3异构成中间体cINT1_3．以后的历程同于cINT1_1之后的历程，从略．

用前面相同的理论水平，优化的反应过程各驻点结构以及过渡态在虚频下的振动模式见图4，各驻点的吉布斯自由能热校正及过渡态的虚频亦见表1．在相同的理论水平对过渡态进行IRC计算，验证了诸过渡态的可靠性．

图4 S-Phe_3向R-Phe_3旋光异构的主要反应历程Fig.4 The main reaction process of S-Phe_3 to R-Phe_3 optical isomerism

为计算出相对高水平的反应过程势能面，考虑到分子内氢键的存在，采用微扰理论的MP2方法，选用6-311++G(2df,pd)基组，计算的各驻点单点能见表1，热校正的总吉布斯自由能见表1，以S-Phe_1、S-Phe_2 和S-Phe_3的总自由能为相对总自由能零点的相对总自由能亦见表1．

表1 S-Phe向R-Phe旋光异构反应通道上驻点的吉布斯自由能热校正、过渡态虚频、单点能、总自由能及相对总自由能

2.2.4 S-Phe的旋光异构反应势能面

根据表1，画出了S-Phe_1旋光异构反应所有通道完整过程的吉布斯自由能势能面示意图，见图5(A)；画出了S-Phe_2旋光异构主反应通道完整过程的吉布斯自由能势能面示意图，见图5(B)；画出了R-Phe_3旋光异构反应各个通道主要过程的吉布斯自由能势能面示意图，见图5(C)．

图5 S-Phe旋光异构反应的吉布斯自由能势能面Fig.5 The potential energy surfaces of Gibbs free energy in the reaction process of S-Phe to R-Phe optical isomerism

从图5可以看出： S-Phe_1的旋光异构在a、b和c通道分别经历5步、4步和6步基元反应，c通道第3基元反应的过渡态能量略低于产物中间体，可以看做是无过渡态反应；a通道是主反应通道，第2基元反应是决速步骤，活化吉布斯自由能垒是256.7kJ·mol-1，来源于质子从中间体aS-INT1_1的手性碳向氨基氮迁移的过渡态，此基元反应常温下的反应速率常数为6.27×10-33s-1．S-Phe_2旋光异构主反应通道决速步骤活化吉布斯自由能垒是256.5kJ·mol-1，由质子从手性碳向氨基氮迁移的过渡态产生，此基元反应常温下的反应速率常数为6.79×10-33s-1．S-Phe_3的旋光异构反应，a通道是主反应通道，第2基元反应是决速步骤，活化吉布斯自由能垒为263.4kJ·mol-1，来源于质子从中间体aS-INT1_3的手性碳向氨基氮迁移的过渡态，此基元反应常温下的反应速率常数为4.20×10-34s-1．从图5还可以看出： S-Phe_1旋光异构a通道的后两步基元反应和c通道的最后一步基元反应的能垒都很低，aR-INT3_1、aR-INT4_1和aP_R-Phe_1的能量相近，cR-INT5_1和cP_R-Phe_1的能量相近．因此，S-Phe_1旋光异构的产物在a通道应是aR-INT3_1，aR-INT4_1和aP_R-Phe_1共存，在c通道应是cR-INT5_1和cP_R-Phe_1共存．只不过是aP_R-Phe_1的产率会高些．由于S-Phe_1，S-Phe_2和S-Phe_3旋光异构常温下决速步的反应速率常数均趋于零，因此，常温下的Phe具有稳定性．

对S-Phe分子的3种最稳定构型的旋光异构研究发现： 标题反应有3条通道a，b和c．对于构型1和3，a是羧基异构后手性碳上的质子再以氨基氮为桥迁移，b是手性碳上的质子直接以氨基氮为桥迁移，c是手性碳上的质子以羧基和氨基联合为桥迁移．对于构型2，3条通道分别是质子只以氨基、顺次以羰基与氨基和顺次以羧基和氨基为桥迁移；势能面计算表明： a是构型1和3的主反应通道，决速步活化吉布斯自由能垒分别为256.7kJ·mol-1和263.4kJ·mol-1，由羧基异构后质子从手性碳向氨基氮迁移的过渡态产生．构型2的主反应通道也是a，活化吉布斯自由能垒为256.5kJ·mol-1，由质子从手性碳向氨基氮迁移的过渡态产生；3种构型的S-Phe分子旋光异构速控步骤的反应速率常数分别为6.27×10-33，6.79×10-33s-1和4.20×10-34s-1．反应速率常数趋于零，说明常温下的苯丙氨酸具有稳定性．

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