乳清酸异构化反应的理论研究

王新利，张 莉

(1.泰山学院国有资产管理处，山东泰安 271021;2.山东农业大学信息科学与工程学院，山东泰安 271000)

乳清酸(维生素B13;H3dtpc)，酮式名称是1，2，3，6－四氢－2，6－二氧－4－嘧啶羧酸，烯醇式名称是2，6－二羟基嘧啶－4－羧酸，作为生物活体嘧啶基核酸生物合成过程中的有效前体，是一种重要的嘧啶衍生物，在生物和药物化学中发挥独特的作用［1］.它可用作调节血液脂肪的药物.除了其生物方面的重要性之外，乳清酸还是配位化学中优良的配位单元［2］.它的酮式和烯醇式互变异构体，以及其不对称结构，使其成为多用途的多齿有机配体［3］.它包含潜在的氢键受体和氢键给体，并在超分子络合物中显示不同的氢键相互作用［4］.最近，我们用乳清酸合成了数种有机金属络合物，如［Co(C5H2N2O4) (C14H8N4)2］2H2O［5］和［Mn(C5H2N2O4)(C12H8N2)(H2O)2］［6］.因此，有必要对乳清酸展开进一步的理论和实验研究，以更好地理解其结构和性质.有关乳清酸分析方法的进展被多次报道［7－10］，但是，还未开展对其结构进行理论研究.本文将对乳清酸异构体的结构以及异构体直接的转化过程进行研究，并且，其红外光谱性质也将被研究并与实验数据比较.

1 实验与计算方法

所有结构的分子集合构型均使用Gaussian98程序包，在密度泛函理论的B3LYP方法［11－12］进行全优化，一个较高水平的基组6－311+G*自始至终被使用.选择这个基组是基于这样的考虑:要获得非共价相互作用的可靠性质，使用弥散函数的基组是必要的.用虚频的数目确定所得物种是一种稳定构型，还是过渡态或是亚稳态.下面要讨论的相对能量均为在298.15K下经过零点能校正(ZPE和热力学校正(TC)后的能量.

［Co(C5H2N2O4)(C14H8N4)2］·2H2O［5］和［Mn(C5H2N2O4)(C12H8N2)(H2O)2］的合成方法已经在文献［5－6］报道过.为了研究红外光谱，在相同基组水平是计算了异构体的振动频率，并且用Nicolet AVARAT360傅里叶红外(FT－IR)光谱仪记录了两个金属有机配合物的红外光谱.

图1 乳清酸异构体的结构参数.键长的单位是nm，键角的单位为度(°).元素符号旁边的数字是区分它们的序号，括号内的数字是相当于1a、以kJ/mol为单位的能量.

2 结果与讨论

2.1 乳清酸异构体的结构分析

由于氢的位置不同，乳清酸有多种异构体.基本异构体的结构参数列于图1中.异构体1a是能量上最稳定的一个.对于1c，3c，4b，4c和4d，空间位阻效应使它们能量较高.例如，由于H15的位置，3b的能量比3a高37.28 kJ/mol.

在1c，3c和3d中，羧酸基和苯环并不处在同一平面.虽然共轭效应在一定程度上被破坏了，但这些构型也避开了邻近氢原子间的排斥效应，因此它们的能量并没有异常显著地增加.异构体3a不能保持平面构型，2个氧原子不能参与形成共轭π键，但是由于H13和H14不存在空间位阻效应，并且这种空间构型使H7和H15间的位阻有效降低，因此它甚至比平面构型的3b和3c更稳定.1c中也存在同样的情况.

在这些化合物中，氢键相互作用是一个共同点特征.1a和1b比其他异构体含有更多的氢键，也就更稳定.2c的内能比1a显著地升高了46.86 kJ/mol，这主要是由于一些氢键的消失.对于最稳定的异构体1a，这些氢键的键长分别为0.2327、0.2328、0.2520、0.2500、0.2485、0.2679和0.2508 nm.

图1表明，空间位阻效应、π电子的离域和氢键能够影响乳清酸的稳定性，并且位阻效应是一个关键因素.比如，4d为平面构型，但有2对邻近氢原子，因此其能量比1a升高达146.82 kJ/mol.

2.2 不同异构体的转化

在B3LYP/6－311+G*基组水平上优化了一些质子转移过程的过渡态，过渡态的结构参数列在图2中，虚频的振动频率和振动模式指认列于表1中.从图2可以看出，质子转移过程的能垒相对较高.

图2 在B3LYP/6－311+G*基组水平是优化的过渡态和异构体5的结构参数.括号内的数字是相当于1a、以kJ/mol为单位的相对能量.

对于1a，H14转移到O12和O13以及H15转移到O13过程的能垒分别为193.33，207.42和200.74 kJ/mol.对于1a，H14可以通过TS1a1转移到O12上，TS1a1的唯一虚频是强度为576.0249 km/ mol、在i1952 cm－1处的O12－H14平面摇摆振动.这个虚频显示，H14正从N6向O12转移.H14也能够通过过渡态TS1a3从N6向O13转移，形成4a.TS1a3的虚频为O13－H14平面摇摆模式，也与正在转移的H14原子有关.以相似的方式，1a可以经由TS1a2转变为3a.对于其他质子转移过程，2b可以分别通过TS2b－5，TS2b－3e和TS2b－2c转变为异构体5，3e和2c，其能垒分别为147.02，147.97和149.46 kJ·mol－1.TS2b－2c是一个氢原子在羧基的O13和O14之间传递的过渡态，很高的能垒说明构型转变在能上是不利的.

表1 过渡态的最低频率和振动模式指认

但是，氢原子顺反异构过程的能量相对较低，这表明此类过程容易发生.比如，H15和H11通过过渡态TS3a－3b和TS2a－2b异构化的能垒仅为43.34KJkJ·mol－1和52.26 kJ·mol－1.

2.3 红外光谱研究

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.异构体1a，2a，3e和4a的IR谱图绘于图3中.1a有一些引人注目的振动模式，如强度为173.07 km·mol－1在607 cm－1处的羧基O－H面外摇摆模式，在1187 cm－1处强度为325.56 km·mol－1的C－O－H平面摇摆模式，在1390 cm－1处强度为251.98 km·mol－1的C－O－H平面弯曲模式，以及C－O12伸缩模式 (1767 cm－1，810.52 km·mol－1)、C－O9伸缩模式 (1797 cm－1，312.47 km·mol－1)和C－O13伸缩模式 (1809 cm－1，722.56 km·mol－1).正如图1所示，由于2个N－H键长不同，1a有2个不同的伸缩振动模式，即NH14和N－H15非对称伸缩(3601 cm－1，157.49 km·mol－1)与N－H14和N－H15对称伸缩模式(3602 cm－1，28.40 km·mol－1).由于只有一个O－H键，唯一的O－H伸缩振动模式出现在732 cm－1(96.33 km·mol－1).对于2a，有2个容易辨别的都是属于O－H伸缩模式的特征频率，分别是在3604 (117.28 km·mol－1)、3724(87.89 km·mol－1)和3761 cm－1(74.97 km·mol－1)位置的 O－H15，O－H9和O－H11伸缩振动.但是，从图3看出，3e和4a都有一个N－H伸缩模式和两个非常接近的O－H伸缩模式.

图3 在B3LYP/6－311+G*基组水平上模拟的1a，2a，3e和4a的IR谱图

模拟的乳清酸IR谱图可以帮助我们理解乳清酸络合物的光谱和结构.用实验方法记录的［CoII(DPQN)2(C5H3N2O4)］·2H2O［5］和［MnII(C5H2N2O4)(C12H8N2)(H2O)2］［6］的谱图分别列在图4和图5中.图4和图5显示，3421.34和3329.16 cm－1位置的吸收对应着N－H伸缩振动模式，这表明N－H键的存在;1641.20和1639.26 cm－1处的强烈吸收对应1a中C－O13的伸缩振动模式，并且1608.83和1511.21 cm－1处为C－O12的伸缩振动模式.因此，离解2个质子后，乳清酸以异构体1a参与中心金属的配位.

3 结论

本文使用Gaussian98程序包、在B3LYP/6－311+G*基组水平上对乳清酸异构体的结构进行了全优化，并在同一基组水平上计算了能量.我们的研究结果表明，空间位阻效应、氢键和共轭效应在维持乳清酸空间构型中发挥重要作用.异构体1a在能量上最稳定.同时研究了质子转移和异构化过程，研究显示，质子转移过程的能垒非常高，氢原子顺反异构过程的能垒相对较低，这说明顺反异构过程更容易发生.模拟的红外谱图可以帮助我们区分不同异构体，并确定红外光谱实验中的振动模式.DFT和IR研究使我们充分理解有多种用途的乳清酸的结构.

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