基于氨基作H 转移桥梁单体α－Ala的手性转变机理

李 忠，佟 华，杨晓翠，程彦明，王佐成，梅泽民

（1.长春理工大学 光电信息学院 大学物理教研室，长春 130000；2.白城师范学院 物理学院，白城 137000）

α－Ala是手性氨基酸的最小残基.左旋体对预防肾结石、协助葡萄糖代谢、缓和低血糖等有重要作用，右旋体有抑菌和保湿作用，并可用于手性制药和手性助剂等方面.由于光学纯的α－Ala的重要作用，科研人员对它进行了广泛深入的研究.Sándor和Adamowicz等人对左旋α－Ala的结构特性进行了研究，获得了左旋α－Ala的优势构型和电荷分布等信息［1－2］；刘凤阁等人［3］基于密度泛函理论对α－Ala的研究，得到了α－Ala一对手性对映体的几何构型、红外振动谱和VCD 谱（振动圆二色光谱）；Richter等研究组对生命体的实验研究表明［4－5］，有微量的丙氨酸右旋体存在于生命体内，并猜测部分来源于其左旋体的异构化.

已有的研究［6－7］发现了孤立条件下α－Ala手性转变的三个反应通道，第一通道是通过手性碳上的氢H 以羧基上的氧为桥梁进行迁移而完成的；第二通道是先实现羧基内的H 转移，然后手性碳上的氢H 再以羰基上的氧为桥梁进行迁移完成；第三通道是羧基内的H 转移和手性碳上的氢迁移到羰基完成后，羧基上的H 向甲基和甲基上的H 向手性碳的协同转移，实现手性转变.本工作研究了氨基作为H 转移桥梁，单体α－Ala分子的手性转变过程，探索了更具优势的手性转变反应通道.对于人们全面深刻地了解α－Ala的手性转变机理，为进一步深入研究α－Ala在不同环境条件的手性转变机制，更合理地解释生命体内右旋α－Ala分子的存在，为α－Ala分子手性转变的实验研究提供一个更可行的理论参考.

1 研究与计算方法

采用基于密度泛函理论的B3LYP［8－9］方法，选择6－31＋g（d，p）基组，计算氨基作为H 转移桥梁时，S型α－Ala向R 型α－Ala转变过程中，极小点、过渡态［10－12］的几何结构、前线分子轨道和零点振动能.通过IRC［13－14］计算，进一步确定过渡态的可靠性.为得到较高水平的能量，计算出相对精确的反应过程势能面，采用微扰理论的MP2 方法［15］，选择6－311＋＋g（d，p）基组计算体系的单点能，进行零点振动能修正，利用Etotal＝ESP＋EZPV计算总能量.文中计算均由Gaussian09［16］程序包完成.

图1 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上的S型与R 型α－Ala分子的几何结构Fig.1 Geometries of（S）－and（R）－α－alanine molecules at the level of B3LYP／6－31＋g（d，p）

2 结果与讨论

2.1 氨基为H转移桥梁α－Ala手性对映体转变过程

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平的α－Ala分子对映体结构［5］如图1所示.对图1进行分析可以知道，氨基为H 转移桥梁α－Ala实现从S到R 型的手性转变，可以有两条通道.

第一条命名为a通道，首先是氨基上的7H 和8H 经过在纸面里外摆动的过渡态aTS1，摆到纸的里面，异构成中间体aINT1；然后，13H 经过渡态aTS2从手性碳迁移到氨基上，形成中间体aINT2；接着是经过渡态aTS3，氨基的1个H 在纸面里侧从6N 上迁移到手性碳1C上，形成中间体产物R 型α－Ala，记为aINT3（R），完成手性转变；对aINT3（R）的优化表明，其与S型α－Ala并不完全手性对称，aINT3（R）再经过一个氨基旋转的过渡态aTS4，便异构成为S型α－Ala的手性对映体R 型α－Ala.此过程表示为：S→aTS1→aINT1→aTS2→aINT2→aTS3→aINT3（R）→aTS4→R.

第二条命名为b通道，首先是手性碳上的13H 过渡态bTS1 迁移到羰基氧10O 上，形成中间体bINT1；而后经过渡态bTS2，10O 上的13H 迁移到6N 上，形成与a通道上的aINT2相同的中间体，以后的过程全同于a通道上aINT2以后的过程.此过程表示为：S→bTS1→bINT1→bTS2→aINT2→aTS3→aINT3（R）→aTS4→R.

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上，对a和b两通道上α－Ala手性转变过程中的所有反应物、中间体产物及过渡态进行全优化，得到的各极小点、过渡态结构和过渡态虚频下的振动模式见图2和图3，各极小点和过渡态的能量、零点振动能以及过渡态的虚频见表1.

图2 α－Ala分子在a通道手性转变反应过程的极小点和过渡态几何构型、过渡态的虚频振动模式及反应过程示意图Fig.2 Geometries of each minimum point and transition state，imaginary frequency vibrational modes of transition states，and reaction process diagram ofα－alanine molecules chiral shift reaction process via path a

图3 α－Ala分子在b通道手性转变反应部分过程的极小点和过渡态几何构型、过渡态的虚频振动模式及反应过程示意图Fig.3 Geometries of each minimum point and transition state，imaginary frequency vibrational modes of transition states，and reaction process diagram of parts ofα－alanine molecules chiral shift via path b

表1 在MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上，极小点和过渡态的零点振动能、过渡态的虚频、单点能、总能及相对总能量Tab.1 Zero－point vibrational energy of each minimum point and transition state，imaginary frequency，single－point energy，the total energy and the relative total energy at the MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）level

2.2 过渡态的可靠性验证及键特性分析

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平，对每个过渡态沿其虚频振动的两个方向调节得到的结构进行优化，分别得到了每个过渡态的反应物和产物，验证了诸过渡态具有可靠性.

在B3LYP／6－31＋g（d，p）理论水平上对诸过渡态进行IRC 路径探测，对过渡态aTS1，aTS2，aTS3和bTS2的IRC计算结果见图4，把每个IRC路径的左端和右端取出的构型优化，分别得到了对应过渡态的反应物和产物，这进一步验证了诸过渡态的可靠性.

由IRC曲线图4的（a），（b），（c）还可以看出，反应物S型α－Ala经过渡态aTS1、aTS2和aTS3异构为aINT3（R），在第一通道完成手性转变过程，并可大致地看出手性转变异构反应过程中体系能量的大致变化.bTS1的IRC曲线［6］和图4的（d）与（c）可以看出，反应物S型α－Ala经过渡态bTS1，bTS2和aTS3异构为aINT3（R），在第二通道完成手性转变过程.综上所述，说明我们搜索到的诸过渡态确是a和b两个反应通道上的过渡态.

对a和b两个通道，aTS1、aTS2、bTS1和bTS2这四个过渡态极为重要，bTS1的前线分子轨道的键特性已有研究［1］，本工作只对aTS1、aTS2和bTS2的前线轨道给予讨论.在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上，计算的aTS1、aTS2和bTS2的前线分子轨道见表2.

图4 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平对过渡态的IRC分析（左端、峰值和右端分别为反应物、过渡态和产物）Fig.4 The IRC analysis of transition states（left side，peak value and right side is reactant，transition state and product respectively）at the level of B3LYP／6－31＋g（d，p）

表2 在B3LYP／6－31＋g（d，p）理论水平上计算的不同过渡态体系的前线分子轨道Tab.2 Frontier molecular orbitals of different transition state systems calculated at the B3LYP／6－31＋g（d，p）level

从表2可以看出，对于aTS1的HOMO 轨道，是7H 和8H 原子的s电子与6N 原子的p电子贡献了具有明显反键特征的轨道，而LUMO 轨道，则是7H 和8H 原子的s电子与6N 原子的p电子贡献了具有成键键特征的轨道，说明7H 和8H 可从纸面外向纸面里摆动.对于aTS2的HOMO 轨道，是13H 原子的s电子与6N 和1C原子的p电子贡献了具有反键特征的轨道，LUMO 轨道，是13H、的s电子与6N 原子的p电子贡献了具有十分明显成键键特征的轨道，说明13H 从1C 向6N 迁移是过渡态aTS2的走向.对于bTS2的HOMO 轨道，是13H 原子的s电子与6N 与10O 原子的p电子贡献了具有明显反键特征的轨道，而LUMO 轨道，则是13H 原子的s电子与6N 原子的p电子贡献了具有成键键特征的轨道，说明13H 从10O 向6N 迁移是过渡态aTS2的走向.因此，aTS1、aTS2和bTS1的前线分子轨道较好地体现了对应的过渡态的非键特性，说明这些过渡态确是分别连接反应物与中间体和中间体与中间体产物的过渡态.

2.3 质子H 以氨基为迁移桥梁α－Ala手性对映体转变反应过程的势能面

为了获得相对高水平的极小点和过渡态体系的能量，计算出相对精确的S 型α－Ala手性对映体转变反应过程势能面，采用微扰理论的MP2方法，选择6－311＋＋g（d，p）基组计算体系的单点能；进行零点振动能修正，利用Etotal＝ESP＋EZPV计算总能量（ESP为单点能，EZPV为零点振动能，Etotal为零点振动能修正后的体系总能量）；选取反应物S型α－Ala的总能量为相对总能量的零点，计算相对总能量ΔEtotal，见表1.

依据表1的数据，绘制了氨基作为质子H 迁移桥梁时，单体α－Ala手性对映体转变反应过程的势能面示意图，见图5.

图5 在MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）水平，α－丙氨酸手性对映体转变反应过程势能面示意图Fig.5 Potential energy surfaces diagram ofα－alanine molecule chiral enantiomer transition reaction processes calculated at the MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）level

从图5可以看出，第一反应通道上的最高能垒为266.1kJ·mol－1，是由手性碳上的H 向氨基转移的过渡态aTS2产生的；第二反应通道上的最高能垒为319.9kJ·mol－1，是由手性碳上的H 向羰基转移的过渡态bTS2产生的；它与只通过羰基作H 转移桥梁，α－Ala手性转变反应的最高能垒来自于同一个过渡态［6］，具有相同的值.因此，这两个通道相比较，第一通道为优势通道.266.1kJ·mol－1的能垒也低于羧基作桥和羰基与甲基共同作桥的最高能垒316.3和337.4kJ·mol－1［7］.所以说，H 只以氨基为桥，从手性碳的一侧迁移到另一侧的通道，是单体α－Ala手性转变所有反应通道中的最优通道.但266.1kJ·mol－1的能垒在常温下是难以逾越的，这说明通常情况下的α－Ala分子具有稳定性，不会发生单分子手性转变的异构现象.

在MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）理论水平上，计算研究氨基作为质子转移桥梁时，单体α－Ala分子的手性转变机理.反应通道研究发现：氨基作为质子转移桥梁的α－Ala的手性转变有两个反应通道，第一反应通道a，是手性碳的H 直接以氨基为桥转移到手性碳另一侧，α－Ala分子实现手性转变；第二反应通道b，是手性碳的H 依次以羰基和氨基为桥，转移到手性碳另一侧，α－Ala分子实现手性转变.势能面计算表明：a通道上的最高能垒为266.1kJ·mol－1，低于b通道和只以羰基为H 转移桥梁的手性转变反应通道［1］的最高能垒319.9kJ·mol－1，也低于羧基作桥和羰基与甲基共同作桥的最高能垒316.3和337.4kJ·mol－1［2］.结果表明：H 只以氨基为桥，从手性碳的一侧迁移到另一侧的通道，是单体α－Ala手性转变反应的最优通道，通常情况下的α－Ala分子具有稳定性，不会发生单分子手性转变的异构现象.

本工作找到了单体α－Ala手性转变反应的最优通道，这对于进一步深入探索α－Ala在水环境下、纳米环境下的手性转变机理，更好地解释α－Ala在生命体内复杂环境的手性对映体异构机制，具有重要的理论意义；同时，期望后续的研究会为实验上获得光学纯的α－Ala，在理论上提供一个更切实可行的方法，相关的工作正在进行中.

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