限域BN纳米管中苯丙氨酸分子的手性转变机理

祝 颖, 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)是一种动物体必需的氨基酸, 由于其分子构型端的苯环具有疏水性, 因此Phe分子为非极性分子.文献[1]研究表明, 在人体内环境下不能自行合成Phe分子, 可通过饮食摄取, 通常由植物生成.Phe分子手性对映体具有不同的功能特性, 文献[2]用手性色谱柱法(CSP)测定了L-苯丙氨酸的光学纯度, 该方法简单快捷, 重现性好, 可在生产中控制L-苯丙氨酸的光学纯度; 文献[3]以L-Phe为原料, 设计、 合成了一种新型手性双功能硫脲类有机小分子催化剂; 文献[4-11]研究了有机小分子手性对映体的转变机制以及不同环境下α-丙氨酸分子手性对映体的转变反应路径.但对Phe分子限域在BN纳米管(BNNT)实现手性对映体转变机制的研究尚未见文献报道, 基于此, 本文对限域在BN纳米管中Phe分子的结构和过渡态特性进行理论研究.

1 理论和计算方法

文献[12]给出了氢原子转移过程为手性对映体转变的最佳反应路径.本文以此为理论计算的依据, 并以限域在BN纳米管中S型Phe(S-Phe@BNNT)分子构型为反应底物, 研究其到产物R-Phe@BNNT过程中Phe分子的中间体和过渡态[13-15].基于密度泛函理论中的B3LYP[16-17]方法, 在6-31+G(d,p)基组水平上对单重态势能面上各极小值和红外振动频率进行理论计算, 并基于相同方法, 在6-311++G(3df,3pd)基组水平上计算各单点能.所有计算均在Gaussian 09软件包[18]内进行.Phe@BNNT的分子结构如图1所示.

图1 Phe@BNNT的分子结构

2 结果与讨论

2.1 Phe分子限域在BN纳米管的结构

S-Phe分子限域在BN纳米管的各种状态表示为：S-Phe@BNNT,R-Phe@BNNT,TSx-S-Phe@BNNT,TSx-R-Phe@BNNT,INTx-S-Phe@BNNT和INTx-R-Phe@BNNT.Phe分子羧基内及手性碳原子上的氢原子迁移, 再经过骨架与其他基团异构化过程以及相应原子回迁, 完成对映体的转变过程.

R-Phe@BNNT和S-Phe@BNNT的分子结构分别如图2和图3所示.由图2和图3可见, Phe分子限域在BN纳米管后, BN纳米管发生明显形变, 由圆柱形变为扁圆柱形, 且Phe分子结构发生变化, 表明限域效果明显.@BNNT改变了Phe分子体系的外部环境, 从而影响了Phe的分子结构, 进而影响其结构能量发生变化.

图3 S-Phe@BNNT的分子结构

2.2 Phe分子限域在BN纳米管中的手性转变路径及反应过程

2.2.1S-Phe@BNNT→TS1-S-Phe@BNNT→INT1-S-Phe@BNNT的反应过程S-Phe@BNNT→TS1-S-Phe@BNNT→INT1-S-Phe@BNNT反应过程中各分子几何优化构型以及过渡态的虚频振动模式如图4所示, 其中以全优化S-Phe@BNNT的能量为参考零势面.在11H原子从10O到9O迁移过程中, 形成过渡态TS1-S-Phe@BNNT, 其唯一虚频为1 891.73i, 由虚频振动模式优化得到中间体产物INT1-S-Phe@BNNT.反应过程中BNNT发生明显形变, 同时S-Phe@BNNT中各分子的几何优化构型发生显著变化, 如手性1C原子、 氨基NH2、 羧基COOH与苯环的平面位置发生变化, 表明BNNT与S-Phe@BNNT自组装时发生催化反应, 使反应能量发生变化.S-Phe@BNNT→TS1-S-Phe@BNNT→INT1-S-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I值列于表1.由表1和图4可见：过渡态TS1-S-Phe@BNNT比S-Phe@BNNT的单点能Esp大, 其差值ΔE=145.715 3 kJ/mol, 此时羧基内11H原子与9O原子和10O原子形成分子内氢键, 生成不稳定结构, 羧基内11H原子向9O原子迁移对该反应过程起决定性作用；之后, 11H原子与9O原子结合, 过渡态TS1-S-Phe@BNNT比中间体产物INT1-S-Phe@BNNT的单点能Esp大, 其差值ΔE=1.575 3 kJ/mol, 生成相对稳定的中间体构型.

图4 S-Phe@BNNT→TS1-S-Phe@BNNT→INT1-S-Phe@BNNT的反应过程

表1 S-Phe@BNNT→TS1-S-Phe@BNNT→INT1-S-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I

2.2.2 INT1-S-Phe@BNNT→TS2-S-Phe@BNNT→INT2-S-Phe@BNNT的反应过程 INT1-S-Phe@BNNT→TS2-S-Phe@BNNT→INT2-S-Phe@BNNT反应过程中各分子几何优化构型以及过渡态虚频振动模式如图5所示, 其中以全优化INT1-S-Phe@BNNT的能量为参考零势面.在12H原子从1C到10O迁移过程中, 形成过渡态TS2-S-Phe@BNNT, 其唯一虚频为1 544.19i, 由虚频振动模式优化得到中间体产物INT2-S-Phe@BNNT.该路径上的稳定点及过渡态能量受BNNT催化作用影响, INT1-S-Phe@BNNT→TS2-S-Phe@BNNT→INT2-S-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I值列于表2.由表2和图5可见：过渡态TS2-S-Phe@BNNT比INT1-S-Phe@BNNT的单点能Esp大, 其差值ΔE=325.824 5 kJ/mol, 此时手性C原子上的12H原子与1C原子和10O原子形成分子内氢键, 生成不稳定结构, 手性C原子上的12H原子向10O原子迁移对该反应过程起决定性作用；之后, 12H原子与10O原子结合, 中间体产物INT2-S-Phe@BNNT比过渡态TS2-S-Phe@BNNT的单点能Esp小, 其差值ΔE=103.969 8 kJ/mol, 生成相对稳定的中间体构型.

图5 INT1-S-Phe@BNNT →TS2-S-Phe@BNNT→INT2-S-Phe@BNNT的反应过程

表2 INT1-S-Phe@BNNT→TS2-S-Phe@BNNT→INT2-S-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I

2.2.3 INT2-S-Phe@BNNT→TS*-Phe@BNNT→INT2-R-Phe@BNNT的反应过程 INT2-S-Phe@BNNT→TS*-Phe@BNNT→INT2-R-Phe@BNNT反应过程中各分子几何优化构型以及过渡态虚频振动模式如图6所示, 其中以全优化INT2-S-Phe@BNNT的能量为参考零势面.氨基的6H和7H原子振动并伴有其他原子振动形成过渡态TS*-Phe@BNNT, 其唯一虚频为536.59i, 由虚频振动模式优化得到中间体产物INT2-R-Phe@BNNT.该路径上的稳定点及过渡态能量受BNNT催化作用影响, INT2-S-Phe@BNNT→TS*-Phe@BNNT→INT2-R-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I值列于表3.由表3和图6可见：过渡态TS*-Phe@BNNT比INT2-S-Phe@BNNT的单点能Esp大, 其差值ΔE=10.502 kJ/mol, 此时氨基上的6H和7H原子振动并伴有其他原子振动形成不稳定结构；经分子异构后, 生成相对稳定的中间体构型, 中间体产物INT2-R-Phe@BNNT比过渡态TS*-Phe@BNNT的单点能Esp小, 其差值ΔE=1.050 2 kJ/mol.

表3 INT2-S-Phe@BNNT→TS*-Phe@BNNT→INT2-R-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I

2.2.4 INT2-R-Phe@BNNT→TS2-R-Phe@BNNT→INT1-R-Phe@BNNT的反应过程 INT2-R-Phe@BNNT→TS2-R-Phe@BNNT→INT1-R-Phe@BNNT反应过程中各分子几何优化构型以及过渡态虚频振动模式如图7所示, 其中以全优化INT2-R-Phe@BNNT的能量为参考零势面.在12H原子从10O到1C迁移过程中, 形成过渡态TS2-R-Phe@BNNT, 其唯一虚频为1 550.31i, 由虚频振动模式优化得到中间体产物INT1-R-Phe@BNNT.该路径上的稳定点及过渡态能量受BNNT催化作用影响, INT2-R-Phe@BNNT→TS2-R-Phe@BNNT→INT1-R-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I值列于表4.

图6 INT2-S-Phe@BNNT→TS*-Phe@BNNT→INT2-R-Phe@BNNT的反应过程

图7 INT2-R-Phe@BNNT→TS2-R-Phe@BNNT→INT1-R-Phe@BNNT的反应过程

表4 INT2-R-Phe@BNNT→TS2-R-Phe@BNNT→INT1-R-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I

2.2.5 INT1-R-Phe@BNNT→TS1-R-Phe@BNNT→R-Phe@BNNT的反应过程 INT1-R-Phe@BNNT→TS1-R-Phe@BNNT→R-Phe@BNNT反应过程中各分子几何优化构型以及过渡态虚频的振动模式如图8所示, 其中以全优化INT1-R-Phe@BNNT的能量为参考零势面.在11H原子从9O到10O回迁过程中, 形成过渡态TS1-R-Phe@BNNT, 其唯一虚频为1 891.17i, 由虚频振动模式优化得到中间体产物R-Phe@BNNT.该路径上的稳定点及过渡态能量受BNNT催化作用影响, INT1-R-Phe@BNNT→TS1-R-Phe@BNNT→R-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I值列于表5.

图8 INT1-R-Phe@BNNT→TS1-R-Phe@BNNT→R-Phe@BNNT的反应过程

表5 INT1-R-Phe@BNNT→TS1-R-Phe@BNNT→R-Phe@BNNT反应过程中的EB3L,Esp,ΔE和I

综上, 本文研究了限域BN纳米管中Phe分子手性对映体的转变过程.结果表明: 在BN纳米管限域条件下, 首先羧基内10O原子上的11H原子迁移至9O原子上; 其次手性1C原子上的12H原子迁移至10O原子处；最后再经历回迁过程, 完成了Phe分子手性对映体间的转变反应, 从而实现了Phe分子手性转变.