双水环境中Phe分子的手性转变机制

祝 颖, 曹殿钧, 陈洪斌

(吉林医药学院 生物医学工程学院, 吉林 吉林 132013)

苯丙氨酸(Phe)是人体蛋白质的重要组成部分之一, 是人体的必需氨基酸, 常温下为粉末状固体, 其分子一端的苯环有疏水性, 因此Phe为非极性分子. 人体无法自行合成Phe, 必须由饮食摄取, 通常由植物生成[1]. 文献[2]以手性Phe为前驱体, 于油酸中合成了多肽聚合物, 为多肽聚合物的合成提供了一条新途径； 文献[3]提出了一种新型手性催化合成L-Phe的方法, 以甘氨酸为反应底料, 经催化反应生成具有手性结构的烃化产物, 再经酸性水解得到L-Phe, 产率为40.1%, 旋光纯度为53.5%; 文献[4]在单晶中子衍射实验中实现了丙氨酸手性对映体构型的转变; 文献[5]研究了α-丙氨酸分子在不同环境下的手性转变机制, 但Phe分子在2个水分子依序分别协助羧基内质子与手性C上质子迁移过程, 实现Phe两种对映体转变机制的理论研究目前尚未见文献报道. 基于此, 本文对Phe分子在水环境中手性转变的过渡态性质进行理论研究, 进而完善双水环境下Phe分子手性转变反应机制的理论体系.

1 理论和计算方法

文献[6]研究表明, 分子手性对映体转变过程中H迁移为最佳反应路径. 本文以S-Phe为反应底物得到产物R-Phe手性转变过程中H迁移形成的过渡态[7-9]及中间体为研究对象, 描述该过程反应路径. 基于密度泛函理论(DFT)中的B3LYP[10-11]方法, 在6-311+G(2df)基组水平上对Phe单重态反应势能面的各极小值进行优化计算, 并在6-311++G(3df,3dp)基组水平上计算Phe单点能, 量化计算在Gaussian 09软件[12]包内进行.

2 结果与讨论

2.1 Phe分子对映体的结构

Phe分子在双水环境下S和R型手性对映体的基态稳定构型分别如图1和图2所示.

图1 S-3-Phe&2H2O型的分子结构Fig.1 Molecular structure of S-3-Phe&2H2O

图2 R-3-Phe&2H2O型的分子结构Fig.2 Molecular structure of R-3-Phe&2H2O

2.2 Phe分子S和R型手性对映体转变路径的构成

用S-3-Phe&2H2O,R-3-Phe&2H2O,TSX-S-3-Phe&2H2O,TSX-R-3-Phe&2H2O,INTX-S-3-Phe&2H2O,INTX-R-3-Phe&2H2O分别表示双水环境下Phe手性转变过程中各阶段的分子状态.

Phe分子手性转变路径可表示为S-3-Phe&2H2O→TS1-S-3-Phe&2H2O→INT1-S-3-Phe&2H2O→TS2-S-3-Phe&2H2O→INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O→TS1-R-3-Phe&2H2O→R-3-Phe&2H2O. 图3为Phe分子手性转变路径示意图.

2.3 Phe分子中H转移的反应机制

本文仅给出INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O等两个反应过程中H迁移的势能面示意图, 其余各过渡态反应过程势能面示意图略.

2.3.1 INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O的反应过程 INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O反应过程中各中间体结构及过渡态振动模式如图4所示, 其中以INT2-R-3-Phe&2H2O的能量为参考零势面. 在4H原子由27O向3C原子迁移过程中, 29H原子由25O迁移到27O原子, 24H原子由22O迁移到25O原子， 形成过渡态TS2-R-3-Phe&2H2O, 其唯一虚频为1 248.40i, 根据该虚频模式优化得到INT1-R-3-Phe&2H2O. INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O反应过程中各稳定点能量及过渡态虚频列于表1.

图3 Phe分子手性转变路径示意图Fig.3 Schematic diagram of chiral transition path of Phe molecule

图4 INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O的反应过程Fig.4 Reaction process of INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O

表1 INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O反应过程中各稳定点能量及过渡态虚频

2.3.2 INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O的反应过程 INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O反应过程中各中间体结构及过渡态振动模式如图5所示, 其中以INT2-R-3-Phe&2H2O的能量为参考零势面. 24H原子振动并伴随氨基等基团振动形成过渡态TS*-3-Phe&2H2O, 其唯一虚频为807.56i, 根据该虚频模式优化得到INT2-R-3-Phe&2H2O. INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O反应过程中各稳定点能量及过渡态虚频列于表2.

图5 INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O的反应过程Fig.5 Reaction process of INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O

表2 INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O反应过程中各稳定点能量及过渡态虚频

由图5可见, 当双水作为H转移桥梁时, INT2-S-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O反应过程中需越过的能垒为58.023 5 kJ/mol, 远小于孤立情况下需越过的能垒154.904 5 kJ/mol. 在该反应过程中, 双水构成的水链起桥梁作用, 具有较好的催化作用. 在B3LYP/6-311+G(2df)基组水平上, 对过渡态TS*-3-Phe&2H2O进行内禀反应坐标(IRC)分析, 进一步验证了过渡态的可靠性.

2.4 Phe分子手性转变过程中各过渡态的结构性质

2.4.1 Phe分子手性转变过渡态的振动模式 Phe分子手性转变过程中4个过渡态TS1-S-3-Phe&2H2O,TS2-S-3-Phe&2H2O,TS2-R-3-Phe&2H2O和TS1-R-3-Phe&2H2O的振动模式如图6所示.

2.4.2 Phe手性转变中各过渡态的前线分子轨道 以过渡态TS1-S-3-Phe&2H2O为例, 其前线分子轨道如图7所示. 由图7可见, 过渡态TS1-S-3-Phe&2H2O的最高占据分子轨道(HOMO)与最低未占分子轨道(LUMO)可体现过渡态的键特性.

2.5 Phe分子手性对映体的转变势能面

Phe分子手性对映体转变过程中各过渡态、 中间体、 反应物和产物的EB3L,ESP,ΔE,I列于表3. 由表3可得Phe分子手性转变过程的势能面能级图, 结果如图8所示. 经相同水平计算分析, 各过渡态均存在唯一虚频, 进而证明其为所寻找的过渡态.

综上可见, 2个水分子分别协助羧基内23H原子与手性C原子上的4H原子迁移完成手性转变过程, 该路径4个中间体和5个过渡态, 所得结果进一步完善了Phe分子双水环境下手性转变机制的理论体系.

图6 Phe分子手性转变过程中过渡态的振动模式Fig.6 Vibration modes of transition states during chiral transition of Phe molecule

图7 过渡态TS1-S-3-Phe&2H2O的前线分子轨道Fig.7 Frontier molecular orbits of TS1-S-3-Phe&2H2O

图8 Phe分子手性转变过程的势能面Fig.8 Potential energy surface for chiral transition process of Phe molecule

表3 反应过程中各稳定点和过渡态的EB3L,ESP,Δ E,I

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