雙水環境中Phe分子的手性轉變機制

祝 穎, 曹殿鈞, 陳洪斌

(吉林醫藥學院 生物醫學工程學院, 吉林 吉林 132013)

苯丙氨酸(Phe)是人體蛋白質的重要組成部分之一, 是人體的必需氨基酸, 常溫下為粉末狀固體, 其分子一端的苯環有疏水性, 因此Phe為非極性分子. 人體無法自行合成Phe, 必須由飲食攝取, 通常由植物生成[1]. 文獻[2]以手性Phe為前驅體, 于油酸中合成了多肽聚合物, 為多肽聚合物的合成提供了一條新途徑； 文獻[3]提出了一種新型手性催化合成L-Phe的方法, 以甘氨酸為反應底料, 經催化反應生成具有手性結構的烴化產物, 再經酸性水解得到L-Phe, 產率為40.1%, 旋光純度為53.5%; 文獻[4]在單晶中子衍射實驗中實現了丙氨酸手性對映體構型的轉變; 文獻[5]研究了α-丙氨酸分子在不同環境下的手性轉變機制, 但Phe分子在2個水分子依序分別協助羧基內質子與手性C上質子遷移過程, 實現Phe兩種對映體轉變機制的理論研究目前尚未見文獻報道. 基于此, 本文對Phe分子在水環境中手性轉變的過渡態性質進行理論研究, 進而完善雙水環境下Phe分子手性轉變反應機制的理論體系.

1 理論和計算方法

文獻[6]研究表明, 分子手性對映體轉變過程中H遷移為最佳反應路徑. 本文以S-Phe為反應底物得到產物R-Phe手性轉變過程中H遷移形成的過渡態[7-9]及中間體為研究對象, 描述該過程反應路徑. 基于密度泛函理論(DFT)中的B3LYP[10-11]方法, 在6-311+G(2df)基組水平上對Phe單重態反應勢能面的各極小值進行優化計算, 并在6-311++G(3df,3dp)基組水平上計算Phe單點能, 量化計算在Gaussian 09軟件[12]包內進行.

2 結果與討論

2.1 Phe分子對映體的結構

Phe分子在雙水環境下S和R型手性對映體的基態穩定構型分別如圖1和圖2所示.

圖1 S-3-Phe&2H2O型的分子結構Fig.1 Molecular structure of S-3-Phe&2H2O

圖2 R-3-Phe&2H2O型的分子結構Fig.2 Molecular structure of R-3-Phe&2H2O

2.2 Phe分子S和R型手性對映體轉變路徑的構成

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分別表示雙水環境下Phe手性轉變過程中各階段的分子狀態.

Phe分子手性轉變路徑可表示為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. 圖3為Phe分子手性轉變路徑示意圖.

2.3 Phe分子中H轉移的反應機制

本文僅給出INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O等兩個反應過程中H遷移的勢能面示意圖, 其余各過渡態反應過程勢能面示意圖略.

2.3.1 INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O的反應過程 INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O反應過程中各中間體結構及過渡態振動模式如圖4所示, 其中以INT2-R-3-Phe&2H2O的能量為參考零勢面. 在4H原子由27O向3C原子遷移過程中, 29H原子由25O遷移到27O原子, 24H原子由22O遷移到25O原子， 形成過渡態TS2-R-3-Phe&2H2O, 其唯一虛頻為1 248.40i, 根據該虛頻模式優化得到INT1-R-3-Phe&2H2O. INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O反應過程中各穩定點能量及過渡態虛頻列于表1.

圖3 Phe分子手性轉變路徑示意圖Fig.3 Schematic diagram of chiral transition path of Phe molecule

圖4 INT2-R-3-Phe&2H2O→TS2-R-3-Phe&2H2O→INT1-R-3-Phe&2H2O的反應過程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反應過程中各穩定點能量及過渡態虛頻

2.3.2 INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O的反應過程 INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O反應過程中各中間體結構及過渡態振動模式如圖5所示, 其中以INT2-R-3-Phe&2H2O的能量為參考零勢面. 24H原子振動并伴隨氨基等基團振動形成過渡態TS*-3-Phe&2H2O, 其唯一虛頻為807.56i, 根據該虛頻模式優化得到INT2-R-3-Phe&2H2O. INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O反應過程中各穩定點能量及過渡態虛頻列于表2.

圖5 INT2-S-3-Phe&2H2O→TS*-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O的反應過程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反應過程中各穩定點能量及過渡態虛頻

由圖5可見, 當雙水作為H轉移橋梁時, INT2-S-3-Phe&2H2O→INT2-R-3-Phe&2H2O反應過程中需越過的能壘為58.023 5 kJ/mol, 遠小于孤立情況下需越過的能壘154.904 5 kJ/mol. 在該反應過程中, 雙水構成的水鏈起橋梁作用, 具有較好的催化作用. 在B3LYP/6-311+G(2df)基組水平上, 對過渡態TS*-3-Phe&2H2O進行內稟反應坐標(IRC)分析, 進一步驗證了過渡態的可靠性.

2.4 Phe分子手性轉變過程中各過渡態的結構性質

2.4.1 Phe分子手性轉變過渡態的振動模式 Phe分子手性轉變過程中4個過渡態TS1-S-3-Phe&2H2O,TS2-S-3-Phe&2H2O,TS2-R-3-Phe&2H2O和TS1-R-3-Phe&2H2O的振動模式如圖6所示.

2.4.2 Phe手性轉變中各過渡態的前線分子軌道 以過渡態TS1-S-3-Phe&2H2O為例, 其前線分子軌道如圖7所示. 由圖7可見, 過渡態TS1-S-3-Phe&2H2O的最高占據分子軌道(HOMO)與最低未占分子軌道(LUMO)可體現過渡態的鍵特性.

2.5 Phe分子手性對映體的轉變勢能面

Phe分子手性對映體轉變過程中各過渡態、 中間體、 反應物和產物的EB3L,ESP,ΔE,I列于表3. 由表3可得Phe分子手性轉變過程的勢能面能級圖, 結果如圖8所示. 經相同水平計算分析, 各過渡態均存在唯一虛頻, 進而證明其為所尋找的過渡態.

綜上可見, 2個水分子分別協助羧基內23H原子與手性C原子上的4H原子遷移完成手性轉變過程, 該路徑4個中間體和5個過渡態, 所得結果進一步完善了Phe分子雙水環境下手性轉變機制的理論體系.

圖6 Phe分子手性轉變過程中過渡態的振動模式Fig.6 Vibration modes of transition states during chiral transition of Phe molecule

圖7 過渡態TS1-S-3-Phe&2H2O的前線分子軌道Fig.7 Frontier molecular orbits of TS1-S-3-Phe&2H2O

圖8 Phe分子手性轉變過程的勢能面Fig.8 Potential energy surface for chiral transition process of Phe molecule

表3 反應過程中各穩定點和過渡態的EB3L,ESP,Δ E,I

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