李 忠，佟 華，楊曉翠，程彥明，王佐成，梅澤民

（1.長春理工大學 光電信息學院 大學物理教研室，長春 130000；2.白城師范學院 物理學院，白城 137000）

α－Ala是手性氨基酸的最小殘基.左旋體對預防腎結石、協(xié)助葡萄糖代謝、緩和低血糖等有重要作用，右旋體有抑菌和保濕作用，并可用于手性制藥和手性助劑等方面.由于光學純的α－Ala的重要作用，科研人員對它進行了廣泛深入的研究.Sándor和Adamowicz等人對左旋α－Ala的結構特性進行了研究，獲得了左旋α－Ala的優(yōu)勢構型和電荷分布等信息［1－2］；劉鳳閣等人［3］基于密度泛函理論對α－Ala的研究，得到了α－Ala一對手性對映體的幾何構型、紅外振動譜和VCD 譜（振動圓二色光譜）；Richter等研究組對生命體的實驗研究表明［4－5］，有微量的丙氨酸右旋體存在于生命體內(nèi)，并猜測部分來源于其左旋體的異構化.

已有的研究［6－7］發(fā)現(xiàn)了孤立條件下α－Ala手性轉變的三個反應通道，第一通道是通過手性碳上的氫H 以羧基上的氧為橋梁進行遷移而完成的；第二通道是先實現(xiàn)羧基內(nèi)的H 轉移，然后手性碳上的氫H 再以羰基上的氧為橋梁進行遷移完成；第三通道是羧基內(nèi)的H 轉移和手性碳上的氫遷移到羰基完成后，羧基上的H 向甲基和甲基上的H 向手性碳的協(xié)同轉移，實現(xiàn)手性轉變.本工作研究了氨基作為H 轉移橋梁，單體α－Ala分子的手性轉變過程，探索了更具優(yōu)勢的手性轉變反應通道.對于人們?nèi)嫔羁痰亓私猞粒瑼la的手性轉變機理，為進一步深入研究α－Ala在不同環(huán)境條件的手性轉變機制，更合理地解釋生命體內(nèi)右旋α－Ala分子的存在，為α－Ala分子手性轉變的實驗研究提供一個更可行的理論參考.

1 研究與計算方法

采用基于密度泛函理論的B3LYP［8－9］方法，選擇6－31＋g（d，p）基組，計算氨基作為H 轉移橋梁時，S型α－Ala向R 型α－Ala轉變過程中，極小點、過渡態(tài)［10－12］的幾何結構、前線分子軌道和零點振動能.通過IRC［13－14］計算，進一步確定過渡態(tài)的可靠性.為得到較高水平的能量，計算出相對精確的反應過程勢能面，采用微擾理論的MP2 方法［15］，選擇6－311＋＋g（d，p）基組計算體系的單點能，進行零點振動能修正，利用Etotal＝ESP＋EZPV計算總能量.文中計算均由Gaussian09［16］程序包完成.

圖1 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上的S型與R 型α－Ala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 結果與討論

2.1 氨基為H轉移橋梁α－Ala手性對映體轉變過程

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平的α－Ala分子對映體結構［5］如圖1所示.對圖1進行分析可以知道，氨基為H 轉移橋梁α－Ala實現(xiàn)從S到R 型的手性轉變，可以有兩條通道.

第一條命名為a通道，首先是氨基上的7H 和8H 經(jīng)過在紙面里外擺動的過渡態(tài)aTS1，擺到紙的里面，異構成中間體aINT1；然后，13H 經(jīng)過渡態(tài)aTS2從手性碳遷移到氨基上，形成中間體aINT2；接著是經(jīng)過渡態(tài)aTS3，氨基的1個H 在紙面里側從6N 上遷移到手性碳1C上，形成中間體產(chǎn)物R 型α－Ala，記為aINT3（R），完成手性轉變；對aINT3（R）的優(yōu)化表明，其與S型α－Ala并不完全手性對稱，aINT3（R）再經(jīng)過一個氨基旋轉的過渡態(tài)aTS4，便異構成為S型α－Ala的手性對映體R 型α－Ala.此過程表示為：S→aTS1→aINT1→aTS2→aINT2→aTS3→aINT3（R）→aTS4→R.

第二條命名為b通道，首先是手性碳上的13H 過渡態(tài)bTS1 遷移到羰基氧10O 上，形成中間體bINT1；而后經(jīng)過渡態(tài)bTS2，10O 上的13H 遷移到6N 上，形成與a通道上的aINT2相同的中間體，以后的過程全同于a通道上aINT2以后的過程.此過程表示為：S→bTS1→bINT1→bTS2→aINT2→aTS3→aINT3（R）→aTS4→R.

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上，對a和b兩通道上α－Ala手性轉變過程中的所有反應物、中間體產(chǎn)物及過渡態(tài)進行全優(yōu)化，得到的各極小點、過渡態(tài)結構和過渡態(tài)虛頻下的振動模式見圖2和圖3，各極小點和過渡態(tài)的能量、零點振動能以及過渡態(tài)的虛頻見表1.

圖2 α－Ala分子在a通道手性轉變反應過程的極小點和過渡態(tài)幾何構型、過渡態(tài)的虛頻振動模式及反應過程示意圖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

圖3 α－Ala分子在b通道手性轉變反應部分過程的極小點和過渡態(tài)幾何構型、過渡態(tài)的虛頻振動模式及反應過程示意圖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，極小點和過渡態(tài)的零點振動能、過渡態(tài)的虛頻、單點能、總能及相對總能量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 過渡態(tài)的可靠性驗證及鍵特性分析

在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平，對每個過渡態(tài)沿其虛頻振動的兩個方向調(diào)節(jié)得到的結構進行優(yōu)化，分別得到了每個過渡態(tài)的反應物和產(chǎn)物，驗證了諸過渡態(tài)具有可靠性.

在B3LYP／6－31＋g（d，p）理論水平上對諸過渡態(tài)進行IRC 路徑探測，對過渡態(tài)aTS1，aTS2，aTS3和bTS2的IRC計算結果見圖4，把每個IRC路徑的左端和右端取出的構型優(yōu)化，分別得到了對應過渡態(tài)的反應物和產(chǎn)物，這進一步驗證了諸過渡態(tài)的可靠性.

由IRC曲線圖4的（a），（b），（c）還可以看出，反應物S型α－Ala經(jīng)過渡態(tài)aTS1、aTS2和aTS3異構為aINT3（R），在第一通道完成手性轉變過程，并可大致地看出手性轉變異構反應過程中體系能量的大致變化.bTS1的IRC曲線［6］和圖4的（d）與（c）可以看出，反應物S型α－Ala經(jīng)過渡態(tài)bTS1，bTS2和aTS3異構為aINT3（R），在第二通道完成手性轉變過程.綜上所述，說明我們搜索到的諸過渡態(tài)確是a和b兩個反應通道上的過渡態(tài).

對a和b兩個通道，aTS1、aTS2、bTS1和bTS2這四個過渡態(tài)極為重要，bTS1的前線分子軌道的鍵特性已有研究［1］，本工作只對aTS1、aTS2和bTS2的前線軌道給予討論.在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平上，計算的aTS1、aTS2和bTS2的前線分子軌道見表2.

圖4 在B3LYP／6－31＋g（d，p）水平對過渡態(tài)的IRC分析（左端、峰值和右端分別為反應物、過渡態(tài)和產(chǎn)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）理論水平上計算的不同過渡態(tài)體系的前線分子軌道Tab.2 Frontier molecular orbitals of different transition state systems calculated at the B3LYP／6－31＋g（d，p）level

從表2可以看出，對于aTS1的HOMO 軌道，是7H 和8H 原子的s電子與6N 原子的p電子貢獻了具有明顯反鍵特征的軌道，而LUMO 軌道，則是7H 和8H 原子的s電子與6N 原子的p電子貢獻了具有成鍵鍵特征的軌道，說明7H 和8H 可從紙面外向紙面里擺動.對于aTS2的HOMO 軌道，是13H 原子的s電子與6N 和1C原子的p電子貢獻了具有反鍵特征的軌道，LUMO 軌道，是13H、的s電子與6N 原子的p電子貢獻了具有十分明顯成鍵鍵特征的軌道，說明13H 從1C 向6N 遷移是過渡態(tài)aTS2的走向.對于bTS2的HOMO 軌道，是13H 原子的s電子與6N 與10O 原子的p電子貢獻了具有明顯反鍵特征的軌道，而LUMO 軌道，則是13H 原子的s電子與6N 原子的p電子貢獻了具有成鍵鍵特征的軌道，說明13H 從10O 向6N 遷移是過渡態(tài)aTS2的走向.因此，aTS1、aTS2和bTS1的前線分子軌道較好地體現(xiàn)了對應的過渡態(tài)的非鍵特性，說明這些過渡態(tài)確是分別連接反應物與中間體和中間體與中間體產(chǎn)物的過渡態(tài).

2.3 質(zhì)子H 以氨基為遷移橋梁α－Ala手性對映體轉變反應過程的勢能面

為了獲得相對高水平的極小點和過渡態(tài)體系的能量，計算出相對精確的S 型α－Ala手性對映體轉變反應過程勢能面，采用微擾理論的MP2方法，選擇6－311＋＋g（d，p）基組計算體系的單點能；進行零點振動能修正，利用Etotal＝ESP＋EZPV計算總能量（ESP為單點能，EZPV為零點振動能，Etotal為零點振動能修正后的體系總能量）；選取反應物S型α－Ala的總能量為相對總能量的零點，計算相對總能量ΔEtotal，見表1.

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，繪制了氨基作為質(zhì)子H 遷移橋梁時，單體α－Ala手性對映體轉變反應過程的勢能面示意圖，見圖5.

圖5 在MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）水平，α－丙氨酸手性對映體轉變反應過程勢能面示意圖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

從圖5可以看出，第一反應通道上的最高能壘為266.1kJ·mol－1，是由手性碳上的H 向氨基轉移的過渡態(tài)aTS2產(chǎn)生的；第二反應通道上的最高能壘為319.9kJ·mol－1，是由手性碳上的H 向羰基轉移的過渡態(tài)bTS2產(chǎn)生的；它與只通過羰基作H 轉移橋梁，α－Ala手性轉變反應的最高能壘來自于同一個過渡態(tài)［6］，具有相同的值.因此，這兩個通道相比較，第一通道為優(yōu)勢通道.266.1kJ·mol－1的能壘也低于羧基作橋和羰基與甲基共同作橋的最高能壘316.3和337.4kJ·mol－1［7］.所以說，H 只以氨基為橋，從手性碳的一側遷移到另一側的通道，是單體α－Ala手性轉變所有反應通道中的最優(yōu)通道.但266.1kJ·mol－1的能壘在常溫下是難以逾越的，這說明通常情況下的α－Ala分子具有穩(wěn)定性，不會發(fā)生單分子手性轉變的異構現(xiàn)象.

在MP2／6－311＋＋g（d，p）／／B3LYP／6－31＋g（d，p）理論水平上，計算研究氨基作為質(zhì)子轉移橋梁時，單體α－Ala分子的手性轉變機理.反應通道研究發(fā)現(xiàn)：氨基作為質(zhì)子轉移橋梁的α－Ala的手性轉變有兩個反應通道，第一反應通道a，是手性碳的H 直接以氨基為橋轉移到手性碳另一側，α－Ala分子實現(xiàn)手性轉變；第二反應通道b，是手性碳的H 依次以羰基和氨基為橋，轉移到手性碳另一側，α－Ala分子實現(xiàn)手性轉變.勢能面計算表明：a通道上的最高能壘為266.1kJ·mol－1，低于b通道和只以羰基為H 轉移橋梁的手性轉變反應通道［1］的最高能壘319.9kJ·mol－1，也低于羧基作橋和羰基與甲基共同作橋的最高能壘316.3和337.4kJ·mol－1［2］.結果表明：H 只以氨基為橋，從手性碳的一側遷移到另一側的通道，是單體α－Ala手性轉變反應的最優(yōu)通道，通常情況下的α－Ala分子具有穩(wěn)定性，不會發(fā)生單分子手性轉變的異構現(xiàn)象.

本工作找到了單體α－Ala手性轉變反應的最優(yōu)通道，這對于進一步深入探索α－Ala在水環(huán)境下、納米環(huán)境下的手性轉變機理，更好地解釋α－Ala在生命體內(nèi)復雜環(huán)境的手性對映體異構機制，具有重要的理論意義；同時，期望后續(xù)的研究會為實驗上獲得光學純的α－Ala，在理論上提供一個更切實可行的方法，相關的工作正在進行中.

［1］Emadeddin T，Jalkanen K J，Sándor S.Structure and vibrational spectra of the zwitterion L－alanine in the presence of explicit water molecules：A density functional analysis［J］.Phys Chem B，1998，102（30）：5899－5913.

［2］Stepanian S G，Reva I D，Radchenko E D，et al.Conformational behavior ofα－alanine matrix－isolation infrared and theoretical DFT and ab initio study［J］.Phys Chem A，1998，102（24）：4623－4629.

［3］劉鳳閣，趙衍輝，王佐成，等.孤立條件下手性α－丙氨酸分子結構特性的理論研究［J］.吉林師范大學學報：自然科學版，2013，51（4）：47－51.

［4］Richter K，Egger R，Kreil G.D－alanine in the frog skin peptide dermorphin is derived fromL－alanine in the precursor［J］.Science，1987，238（4824）：200－202.

［5］Robert J，Thompson H G，Archie B，et al.Pathogenicity and immunogenicity of aListeria monocytogenes strain that requires D－alanine for growth［J］.Infect Immun，1998，66（8）：3552－3561.

［6］王佐成，劉鳳閣，呂 洋，等.孤立條件下α－丙氨酸分子手性轉變機制的DFT 研究［J］.吉林大學學報：理學版，2014，52（4）：825－830.

［7］王佐成，佟 華，梅澤民，等.α－丙氨酸分子手性轉變反應通道及水分子作用的理論研究［J］.浙江大學學報：理學版，2015，42（2）：189－197.

［8］Becke A D.Density－functional thermochemistryⅢ.The role of exact exchange［J］.Chem Phys，1993，98（7）：5648－5652.

［9］Parr R G，Yang W.Density－functional theory of atoms and molecules［M］.USA，Oxford University Press，1994.

［10］Eyring H.The activated complex and the absolute rate of chemical reaction［J］.Chemical Reviews，1935，17（1）：65－77.

［11］Garrett B C，Truhlar D G.Generalized transition state theory.Classical mechanical theory and applications to collinear reactions of hydrogen molecules［J］.Journal of Physical Chemistry，1979，83（8）：1052－1079.

［12］Garrett B C，Truhlar D G.Criterion of minimum state density in the transition state theory of bimolecular reactions［J］.The Journal of Chemical Physics，1979，70（4）：1593－1598.

［13］Gonzalez C，Schlegel H.Reaction path following in mass－weighted internal coordinates［J］.Journal of Physical Chemistry，1990，94（14）：5523－5527.

［14］Ishida K，Morokuma K，Komornicki A.The intrinsic reaction coordinate.An ab initio calculation for HNC→HCN and H－＋CH4→CH4＋H－＊ ［J］.The Journal of Chemical Physics，1977，66（5）：2153－2156.

［15］徐光憲，黎樂民，王德民.量子化學（中冊）［M］.北京：科學技術出版社，1985：962－986.

［16］Frisch M J，Trucks G W，Schlegel H B，et al.Gaussian 09.Revision D.01［M］.Pittsburgh U S A：Gaussian，Inc.Wallingford CT，2013.