孤立條件下α－丙氨酸分子手性轉變機制的密度泛函理論

王佐成，劉鳳閣，呂 洋，趙衍輝，于天榮

（1.白城師范學院 物理學院，吉林 白城 137000；2.吉林大學 原子與分子物理研究所，長春 130012；3.白城醫學高等專科學校 醫學二系，吉林 白城 137000；4.白城師范學院 網絡管理中心，吉林 白城 137000）

α－丙氨酸有左旋和右旋一對對映體，左旋體廣泛存在于動物體內，對預防腎結石和協助葡萄糖代謝的作用較大，并有助于緩和低血糖［1］；右旋體有抑菌作用，是自然保濕因子的主要成分，主要應用于手性藥物、手性助劑和化妝品等領域［2］.目前，關于手性α－丙氨酸分子的研究報道較多：如劉鳳閣等［3］對α－丙氨酸分子手性對映體的結構特性進行了理論研究，龔?等［4］研究了丙氨酸對映體單晶變溫偏振激光Raman光譜；王文清等［5］研究了α－丙氨酸分子的變溫中子結構.本文通過對α－丙氨酸手性轉變過程的研究，給出α－丙氨酸分子手性轉變的反應路徑及反應能壘，得到了α－丙氨酸分子手性轉變的反應機制.

1 計算方法

本文在文獻［3］的基礎上將S型α－丙氨酸分子作為反應物，研究其到產物R型α－丙氨酸分子的過渡態［6－8］及中間體，并對包括過渡態在內的極值點前線分子軌道進行分析以獲得分子的鍵特性.

計算基于密度泛函理論（DFT）的B3LYP［9－10］方法，采用雙分裂價基選擇基組，對C，O，N等原子加d極化函數，對H原子加p極化函數，即采用6－31＋g（d，p）基組進行單重態勢能面上的極小值、紅外振動頻率及前線分子軌道的理論計算.為驗證過渡態的可靠性，對過渡態進行了內稟反應坐標（IRC）［11－14］分析.將過渡態和中間體等各極值點連接以確定反應路徑.本文所有計算及圖形均用Gaussian03／GaussView［15］軟件完成.

2 結果與討論

2.1 α－丙氨酸分子對映體的結構

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上的R型和S型α－丙氨酸分子的幾何結構如圖1所示.對于這種點手性分子對映體的轉變，氫轉移過程是最佳的反應途徑［16］.由圖1可見，若實現對映體從S型到R型的手性轉變，則需實現13H的位置移動.其過程會出現4C—1C—9C碳骨架的異構、4C與2H，3H，5H基團的異構、6N與7H，8H基團的異構以及13H—1C—6N鍵角對稱改變的異構.

圖1 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上的S型與R型α－丙氨酸分子的幾何結構Fig.1 Geometries of（S）－and（R）－α－alanine molecules at the level of B3LYP／6－31＋g（d，p）

2.2 α－丙氨酸分子手性轉變路徑的中間體及過渡態

對13H轉移至10O上的結構在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上進行幾何結構優化、計算單重態的最低單點能和紅外振動頻率，并分析前線分子軌道，得到中間體（INT）的結構如圖2（A）所示.計算結果顯示，4C，1C，6N，9C，10O，11O，12H，13H基本處于同一平面上，二面角偏差均小于0.1°.能量為EINT（B3LYP）＝－323.742 1a.u.，頻率計算結果為無虛頻，表明所得結構穩定.其前線分子軌道如圖2（B）和（C）所示.INT的最高占據軌道（HOMO）主要來源于骨架原子p電子的貢獻，骨架原子間1C與9C呈π鍵效應，其他原子的p電子呈局域特性.最低非占據軌道（LUMO）的骨架原子間及羧基的O和H間呈非鍵特性.在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上分析過渡態TS1和TS2，計算過渡態的幾何結構、能量、紅外振動頻率及其前線分子軌道.對過渡態進行全優化后的能量為：ETS1（B3LYP）＝ETS2（B3LYP）＝－323.649 5a.u.；紅外振動均存在虛頻：FreqTS1＝－2 063.94cm－1，過渡態TS1和TS2的幾何構型及虛頻下的振動模式分別如圖3和圖4所示.

圖2 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上計算的INT幾何結構（A）與HOMO（B）和LUMO（C）前線分子軌道Fig.2 Calculated geometries of INT（A），frontier molecular orbitals HOMO（B）and LUMO （C）at the B3LYP／6－31＋g（d，p）level

圖3 TS1結構及虛頻對應的振動模式Fig.3 Geometry and imaginary frequency vibrational mode of TS1

圖4 TS2結構及虛頻對應的振動模式Fig.4 Geometry and imaginary frequency vibrational mode of TS2

由圖3可見，13H可從S型α－丙氨酸分子的1C遷移至10O上，該過程伴隨碳氮骨架、6N基團與羧基的異構，形成INT.由圖4可見，13H可從INT的10O上遷移至R型α－丙氨酸分子的1C上，該過程也伴隨碳氮骨架、6N基團與羧基的異構，形成R型α－丙氨酸分子.TS1和TS2的HOMO及LUMO分別如圖5和圖6所示.

圖5 TS1的HOMO（A）及LUMO（B）Fig.5 HOMO（A）and LUMO（B）of TS1

由圖5和圖6可見：HOMO軌道均為10O原子的p電子與13H原子的s電子貢獻，具有明顯的反鍵特征；LUMO軌道為1C和10O原子的p電子與13H的s電子貢獻，具有成鍵鍵特征.因此，TS1和TS2是分別連接反應物與中間體及中間體與生成物的過渡態.

2.3 α－丙氨酸分子手性轉變過渡態的IRC計算

為驗證過渡態的可靠性，即過渡態TS1為連接S型對映體與INT，TS2為連接INT與R型對映體，分別對TS1和TS2在B3LYP／6－31＋g（d，p）理論水平上進行IRC路徑探測，結果如圖7所示.

由圖7（A）可見，其能量最高點為過渡態TS1，最低點分別為中間體INT和S型α－丙氨酸分子的結構，優化后得到中間體和S型α－丙氨酸分子結構.由圖7（B）可見，其能量最高點為過渡態TS2，最低點分別為R型α－丙氨酸分子和中間體INT，優化后分別得到中間體和R型α－丙氨酸分子的結構.S型對映體轉變為中間體的過程如圖8所示.中間體轉變為R型對映體的過程如圖9所示.

圖6 TS2的HOMO（A）和LUMO（B）Fig.6 HOMO（A）and LUMO（B）of TS2

圖7 B3LYP／6－31＋g（d，p）理論水平上對過渡態TS1（A）和TS2（B）進行的IRC分析Fig.7 IRC analysis for transition state TS1（A）and TS2（B）at the level of B3LYP／6－31＋g（d，p）

圖8 S型對映體轉變為中間體的過程Fig.8 Conversion process from （S）－enantiomer into intermediates

2.4 α－丙氨酸分子手性轉變路徑

綜上可知，α－丙氨酸分子從S型到R型的手性轉變路徑為S→TS1→INT→TS2→R，反應路徑中各狀態結構的主要幾何參數列于表1，穩定點與過渡態的能量列于表2.由表2可見，S型α－丙氨酸分子經過渡態TS1轉變至中間體INT需跨越的能壘為326.6kJ／mol.實現此過程需要外界干預.中間體INT再跨越1個243.1kJ／mol的能壘，即可由過渡態TS2轉變至R型α－丙氨酸分子，實現手性對映體轉變.完成手性轉變所對應的勢能面示意圖如圖10所示.

圖9 中間體轉變為R型對映體的過程Fig.9 Conversion process from intermediates into（R）－enantiomer

表1 反應路徑中各穩定點及過渡態的主要幾何參數＊Table 1 Principal geometric parameters of stable points and transition states in pathway

表2 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上計算的反應路徑中穩定點及過渡態的能量和相對能量Table 2 Energies，relative energies of each stable point and transition state of pathways calculated at the B3LYP／6－31＋g（d，p）level

圖10 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上計算的α－丙氨酸分子手性轉變過程勢能面示意圖Fig.10 Potential surfaces diagram ofα－alanine molecule chiral transition process calculated at the B3LYP／6－31＋g（d，p）level

綜上，本文使用DFT的B3LYP方法，采用6－31＋g（d，p）基組，計算了α－丙氨酸分子從S型到R型的手性轉變過程.結果表明，該反應路徑為：先由S型α－丙氨酸分子跨越1個326.6kJ／mol的能壘達到過渡態TS1，TS1經過1個放熱過程轉變為中間體INT后，再跨越1個243.1kJ／mol的能壘，經過渡態TS2轉變至R型α－丙氨酸分子，經過1個放熱過程，即可實現手性對映體轉變.由于2個能壘均較高，因此該手性轉變過程需在一定的外界條件干預下才能實現.

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