閆紅彥，王佐成，鄒 晶，佟 華, 楊曉翠

(1. 白城師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 137000；2.白城師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林 白城 137000；3.遼寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，遼寧 大連 116000)

纈氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變及水分子的催化機(jī)理*

閆紅彥1，王佐成2，鄒 晶3，佟 華2, 楊曉翠2

(1. 白城師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 137000；2.白城師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林 白城 137000；3.遼寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，遼寧 大連 116000)

采用基于密度泛函理論的B3LYP方法和微擾論的MP2方法，研究了單體纈氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理及水分子和羥基自由基對氫遷移反應(yīng)的催化作用。反應(yīng)通道研究發(fā)現(xiàn)：纈氨酸手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)有a、b、c和d四個通道。a和c是手性C碳上的H分別以氨基N和羰基O為橋，遷移到手性碳的另一側(cè)，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變；b是手性碳上的H依次以羰基O和氨基N為橋，遷移到手性碳另一側(cè)，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變；d手性碳上的H以羥基O為橋，遷移到手性C的另一側(cè)，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。勢能面計算表明：a為最具優(yōu)勢反應(yīng)通道，最高能壘為257.6 kJ·mol-1；1個水分子、2個水分子鏈以及1個水分子和羥基自由基構(gòu)成的鏈對H遷移反應(yīng)有較好的催化作用，使a通到上的高能壘分別降為160.3、124.4和104.0 kJ·mol-1。結(jié)果表明：纈氨酸分子在生命體內(nèi)的旋光異構(gòu)主要是在水分子和羥基自由基共同作用下完成的。

手性；纈氨酸；密度泛函理論；過渡態(tài)；微擾論

纈氨酸(Val)是生命體的必需氨基酸, 具有十分重要的作用，根據(jù)其旋光性的不同，可分為左旋纈氨酸(S-Val)和右旋纈氨酸(R-Val)，自然界中存在的絕大多數(shù)Val都是左旋體。生命體內(nèi)如若缺乏S-Val，便會導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)疾病、機(jī)體停止發(fā)育、身體消瘦和貧血等癥狀。S-Val還可作為營養(yǎng)補(bǔ)充劑，用于配制氨基酸輸液、綜合氨基酸制劑和動物飼料添加劑[1-2]。R-Val可用作為手性合成的手性源并應(yīng)用于手性制藥物。R-Val是具有光學(xué)活性的有機(jī)酸，在利用不對稱合成技術(shù)生產(chǎn)手性化合物的過程中，可用作生產(chǎn)新型抗生素、R-纈氨醇、多肽合成過程的保護(hù)劑。R-Val還廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)科研中，可以用于生化研究中的肺動脈內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)功能模擬、阻止纖維細(xì)胞的生長繁殖和抑制子宮內(nèi)膜纖維細(xì)胞變厚增生[3-5]。

基于Val的重要作用，人們對他進(jìn)行了廣泛的研究。漆劍[2]進(jìn)行了S-Val構(gòu)型轉(zhuǎn)換的研究，實驗表明，S-Val在醛的催化下，可在羧酸中消旋得到外消旋Val，S-Val消旋反應(yīng)的合適催化劑和溶劑為水楊醛和醋酸，并確定了溫度控制在100 ℃，反應(yīng)時間為3 h，水楊醛用量和S-Val的摩爾比為0.1為佳。馬馳騁等[6]的研究表明，S-Val在激發(fā)態(tài)時, 手性碳上的H原子可以羰基氧或氨基氮為橋梁發(fā)生遷移，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變；CCl4以及H2O的溶劑化效應(yīng)對S-Val的旋光異構(gòu)反應(yīng)影響不大。劉邦[7]測定了不同溫度下S-Val在水、乙醇、乙醇-水等溶劑體系中的溶解度數(shù)據(jù)；測定了S-Val在乙醇-水體系中的結(jié)晶誘導(dǎo)期，考察了不同過飽和度對其結(jié)晶誘導(dǎo)期的影響，根據(jù)實驗測定的結(jié)晶誘導(dǎo)期，計算了S-Val在乙醇-水體系結(jié)晶過程中晶體與結(jié)晶母液之間的表面熵因子。田慧等[8]將36只Wistar大鼠隨機(jī)分為3組:正常對照組、肝纖維化模型組和Val治療組，進(jìn)行Val對肝纖維化的影響的研究，研究Val對復(fù)合法誘導(dǎo)的肝纖維化大鼠肝組織中瘦素、TGF-β1的作用,探討其抗肝纖維化的作用機(jī)制，結(jié)果表明：Val可能是通過抑制肝組織中瘦素、TGF-β1的表達(dá),從而延緩肝纖維化的發(fā)生發(fā)展。柯惟中等[9]進(jìn)行了氨基酸在銀膠溶液中的表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的研究，通過制備合適的銀膠鹽納米溶液，得到甘氨酸、Val和賴氨酸在銀膠溶液中的表面增強(qiáng)拉曼光譜，當(dāng)銀膠溶液 pH值降低時，對拉曼散射的增強(qiáng)效果影響不大。厲桂華等[10]研究了S-Val在金納米顆粒上的變溫表面增強(qiáng)拉曼散射，在近紅外激發(fā)下，得到了不同溫度下Val在金納米顆粒上的SERS光譜。給出了溫度的變化范圍在373～100 K內(nèi)的整體強(qiáng)度和峰數(shù)量。

雖然人們對Val進(jìn)行了大量的研究，然而，對于其在基態(tài)的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理的研究并不是十分深入，文獻(xiàn)[6]的H2O的溶劑化效應(yīng)對S-Val旋光異構(gòu)反應(yīng)影響不大值得商榷，水分子和羥基自由基等對其手性轉(zhuǎn)變過程中的氫遷移的研究未見報道，對于生命體內(nèi)R-Val的存在并沒有給出圓滿的解釋。已往的研究表明[11-14]，α-丙氨酸和賴氨酸等在孤立條件下的手性轉(zhuǎn)變有4個反應(yīng)通道，手性C上的H可以羰基O、氨基N、羰基與氨基聯(lián)合以及羥基作為橋梁，從手性C的一側(cè)遷移到另一側(cè)，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[15-17]的研究表明，水分子對H遷移反應(yīng)具有較好的催化作用?；诖?，本工作深入研究了單體Val分子的手性轉(zhuǎn)變過程，考慮到生命體內(nèi)有大量的水分子并可能有羥基自由基，本工作研究了水分子和羥基自由基對Val分子手性轉(zhuǎn)變過程中主要H遷移過程的催化作用。可使人們了解Val的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理，較好地說明生命體內(nèi)右旋Val分子的一個來源。同時，對深入研究Val在不同環(huán)境條件下的手性轉(zhuǎn)變，以及為Val手性轉(zhuǎn)變的實驗研究會提供積極的參考。

1 研究與計算方法

采用基于密度泛函理論的B3LYP方法[18-19]，選擇6-31+G(d, p)基組，全優(yōu)化S型Val向R型Val轉(zhuǎn)變過程中穩(wěn)定點(diǎn)和過渡態(tài)[20-22]。通過對過渡態(tài)進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)計算[23-24]，對過渡態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。采用微擾理論的MP2方法[25]，選擇6-311++G(2df, pd)基組，計算體系的單點(diǎn)能，進(jìn)行零點(diǎn)振動能修正，利用Etotal=ESP+EZPV計算總能量，計算出反應(yīng)過程勢能面。文中計算均由Gaussian09程序包完成[26]。

2 結(jié)果與討論

2.1 單體S-Val向R-Val的異構(gòu)反應(yīng)機(jī)理

在B3LYP/6-31+G(d,p)理論水平，優(yōu)化得到Val分子手性對映體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 S型Val和R型Val分子的幾何構(gòu)型Fig.1 Geometries of S valine and R valine molecules

通過對圖1的分析和計算研究發(fā)現(xiàn)，可在a、b、c和d四個通道實現(xiàn)S-Val向R-Val的異構(gòu)。a是手性碳上的H以氨基N為橋，遷移到手性C另一側(cè)，實現(xiàn)旋光異構(gòu)；b是手性碳上的H順次以羰基O和氨基N為橋，遷移到手性C另一側(cè)，實現(xiàn)旋光異構(gòu)；c是手性C上的H以羰基O為橋，轉(zhuǎn)移到手性C另一側(cè)，實現(xiàn)旋光異構(gòu)；d是手性C上的H以羥基O為橋，轉(zhuǎn)移到手性C另一側(cè)，實現(xiàn)旋光異構(gòu)。

馬馳騁等[6]認(rèn)為，a通道上的旋光異構(gòu)過程是手性碳上的質(zhì)子直接遷移到氨基N上，我們這里提出了稍有不同的看法。本工作的研究表明：S-Val先是越過一個很小的能壘13.9 kJ·mol-1(見表1)，形成中間體aINT1，實現(xiàn)氨基的異構(gòu)，然后再進(jìn)行質(zhì)子H從手性碳向氨基氮的轉(zhuǎn)移。NBO電荷的計算表明，aINT1上的N比S-Val上的N具有更多的負(fù)電荷，接受質(zhì)子的能力強(qiáng)，所以此過程是更理想的過程(見圖2)。在MP2/6-311++G(2df, pd)∥B3LYP/6-31+G(d,p)理論水平，計算出該通道上的最高能壘為257.6 kJ·mol-1(見表1)。這與馬馳騁等[6]給出的結(jié)果，最高能壘為263.2 kJ·mol-1，略有差異，這是因為基于略有不同的反應(yīng)機(jī)理和計算采用的基組不同導(dǎo)致的。b、c和d三個通道反應(yīng)歷程見圖2、3、4和5，在B3LYP/6-31+G(d,p)理論水平上計算的各個駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖2、3、4和5所示。下面分別進(jìn)行討論。

圖2 S-Val向R-Val轉(zhuǎn)變第一反應(yīng)通道a的主要過程Fig.2 Primary processes of the first reaction channel a of S-Val to R-Val transformation

在b通道上，第一步過程同于a通道，先是S-Val的氨基4N上的5H和6H，經(jīng)在紙面里外擺的過渡態(tài)bTS1擺到紙的里側(cè)，形成產(chǎn)物中間體bINT1；手性碳上的2H經(jīng)過渡態(tài)bTS2從手性碳遷移到羰基氧8O上，形成產(chǎn)物中間體bINT2；bINT2經(jīng)2H從8O向氨基4N遷移的過渡態(tài)bTS3，形成中間體bINT3(計算表明bINT3亦即aINT2)；接著bINT3的氨基6H經(jīng)從4N向手性碳1C遷移的過渡態(tài)bTS4，異構(gòu)成R型產(chǎn)物中間體bRINT4，完成手性轉(zhuǎn)變；最后，bRINT4又經(jīng)過與bTS1對稱的過渡態(tài)bTS4，異構(gòu)成能量更低構(gòu)型更加穩(wěn)定的產(chǎn)物bR-Val，實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變。

對于c通道，我們給出了與文獻(xiàn)[6]不同的見解，前2步反應(yīng)過程全同于b通道，形成產(chǎn)物中間體cINT2，記作c(b)INT2；經(jīng)過圖3所示的羧基氨基異構(gòu)的過渡態(tài)cTS3，2H和10H分別擺進(jìn)和擺出紙面，5H和6H沿著俯視逆時針的方向(cTS3虛頻振動方向的反方向)轉(zhuǎn)出紙面，形成有利于2H在紙面里向手性C遷移的產(chǎn)物中間體cINT3；接著經(jīng)2H從8O向手性碳1C遷移的過渡態(tài)cTS4，異構(gòu)為R型產(chǎn)物中間體cRINT4，計算表明cRINT4即是bRINT4。后面的過程同于b通道。

圖3 S-Val向R-Val轉(zhuǎn)變第二反應(yīng)通道bFig.3 Second reaction channel b of S-Val to R-Val transformation

圖4 S-Val向R-Val轉(zhuǎn)變第三反應(yīng)通道cFig.4 Third reaction channel c of S-Val to R-Val transformation

d通道見圖5，首先，經(jīng)過羧基內(nèi)H遷移的過渡態(tài)dTS1，羥基的10H從8O遷移到羰基9O，異構(gòu)為產(chǎn)物中間體dINT1；接著手性碳1C上的2H，經(jīng)過渡態(tài)dTS2遷移到羰基8O上，形成產(chǎn)物中間體dINT2，完成手性轉(zhuǎn)變的前半程。后面接著是，dINT2經(jīng)過兩個羥基8O-2H和9O-10H的異構(gòu)，2H在紙面里向手性碳的遷移，完成手性轉(zhuǎn)變。最后經(jīng)過10H在羧基內(nèi)從9O到8O的回遷過程，實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變。這里只給出前半程的反應(yīng)歷程圖，后半程和c(b)INT2以后的過程相似，這里從略。

在MP2/6-311++G(2df, pd)∥B3LYP/6-31+G(d,p)理論水平上，計算的各個駐點(diǎn)的零點(diǎn)振動能、單點(diǎn)能及過渡態(tài)的虛頻見表1，零點(diǎn)能校正后的總能及相對總能量亦見表1。

在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上，優(yōu)化諸過渡態(tài)沿其虛頻振動的兩個方向調(diào)節(jié)得到的結(jié)構(gòu)，分別得到了每個過渡態(tài)對應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物，驗證了諸過渡態(tài)的可靠性。在相同的理論水平對諸過渡態(tài)進(jìn)行的IRC計算，進(jìn)一步表明諸過渡態(tài)是可靠的。

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，繪制了單體S-Val向R-Val轉(zhuǎn)變，b和c通道完整反應(yīng)過程和d通道部分反應(yīng)過程的勢能面示意圖，見圖6。S-Val向R-Val轉(zhuǎn)變第一反應(yīng)通道a的前半程的勢能面從略。

從圖6可以看出，在b和c通道上，都要先越過高能壘314.0 kJ·mol-1，之后，b通道上高能壘為139.6 kJ·mol-1，c通道上高能壘為214.0 kJ·mol-1；d通道上的最高能壘為298.7 kJ·mol-1，與a通道的最高能壘257.6 kJ·mol-1相比較可知，a通道為最具優(yōu)勢通道，其次是d通道；c通道比b通道略占優(yōu)勢。但257.6 kJ·mol-1的能壘在常溫下也是難以逾越的，這說明通常情況下的Val分子具有穩(wěn)定性。

圖5 S-Val向R-Val轉(zhuǎn)變第四反應(yīng)通道d的部分過程Fig.5 Partial process of the forth reaction channel d of S-Val to R-Val transformation

表1S-Val向R-Val轉(zhuǎn)變各反應(yīng)通道上駐點(diǎn)的零點(diǎn)振動能、單點(diǎn)能、總能、相對總能及過渡態(tài)虛頻

Table 1 Zero-point vibration energies, single point energies, total energies, relative total energies and transition state imaginary frequency of the stationary points in the each reaction channel ofS-Val toR-Val transformation.

結(jié)構(gòu)ZPVE/a uESP/a uE總/a uΔE總/(kJ·mol-1)Ima/cm-1第一通道a前半程S-Val0 16434-401 60551-401 441170 0aTS10 16272-401 59859-401 4358713 9599 58aINT10 16436-401 60350-401 439145 3aTS20 15831-401 49934-401 34103262 91679 44aINT2(bINT3)0 16347-401 55768-401 39421123 3 第二通道bS-Val0 16434-401 60551-401 441170 0b(c)TS10 16272-401 59859-401 4358713 9599 58b(c)INT10 16436-401 60350-401 439145 3b(c)TS20 15808-401 47763-401 31955319 32079 07b(c)INT20 16345-401 57039-401 4069489 9bTS30 16032-401 55005-401 38973135 1881 84bINT3(aINT2)0 16347-401 55768-401 39421123 3 bTS40 15830-401 49934-401 34104262 91679 44bRINT40 16436-401 60350-401 439145 3bTS50 16272-401 59859-401 4358713 9599 59bR-Val0 16434-401 60551-401 441170 0第三通道ccINT2(即bINT2)前同b通道0 16345-401 57039-401 4069489 9cTS30 16184-401 55878-401 39694116 1257 44cINT30 16291-401 56397-401 40106105 3cTS40 15808-401 47763-401 31955319 32079 07cRINT40 16436-401 60350-401 439145 3cTS50 16272-401 59859-401 4358713 9599 58cR-Val0 16434-401 60551-401 441170 0第四通道d前兩步過程S-Val0 16434-401 60551-401 441170 0dTS10 15975-401 55238-401 39263127 41909 14dINT10 16454-401 60322-401 438686 5dTS20 15786-401 48315-401 32529305 22108 53dINT20 16243-401 56079-401 39836112 4

圖6 S-Val向R-Val轉(zhuǎn)變反應(yīng)過程的勢能面示意圖Fig.6 Potential surfaces diagram of S-Val to R-Val transformation processes

2.2 S-Val向R-Val轉(zhuǎn)變過程中水分子和羥基自由基的催化作用

文獻(xiàn)[15-17]的研究表明，水分子對H遷移反應(yīng)具有催化作用，篇幅所限，只討論H2O分子對優(yōu)勢通道a上的aINT1→aTS2→aINT2過程的催化。計算表明，2個以上數(shù)目的H2O分子構(gòu)成的鏈做H遷移橋梁，與2個H2O分子鏈的催化作用相比增幅不大，這里只討論1個H2O分子和2個H2O分子作H遷移媒介的情況；考慮到生命體內(nèi)羥基自由基與水分子可能共存，對羥基自由基與水分子構(gòu)成的鏈作氫遷移媒介的情形分別進(jìn)行討論。

單個水分子、2各水分子構(gòu)成的鏈以及水分子與羥基自由基構(gòu)成的鏈，催化aINT1→aTS2→aINT2的反應(yīng)過程以及計算的各駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)，見圖7。優(yōu)化各個過渡態(tài)沿其虛頻振動的兩個方向調(diào)節(jié)得到的結(jié)構(gòu)，分別得到了每個過渡態(tài)對應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物，驗證了諸過渡態(tài)的可靠性。對諸過渡態(tài)進(jìn)行的IRC路徑探測，進(jìn)一步驗證了諸過渡態(tài)的可靠性。為從結(jié)構(gòu)特性上說明水分子及水分子與羥基自由基構(gòu)成的鏈對氫遷移反應(yīng)具有催化作用，列出了aINT1·1H2O、aINT1·2H2O 和aINT1·H2O·OH·的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表2。

從表2可以看出：①雖然aINT1·1H2O、aINT1·2H2O和aINT1·H2O·OH·中的1C-20H鍵的鍵長基本相同，但20H距離其首先要前往的目標(biāo)22O、25O和24O卻明顯逐漸減小,這使得aINT1·2H2O和aINT1·OH·H2O中的20H受到的靜電力大，與手性碳1C斷鍵容易，這使1H2O、2H2O和H2O·OH·作氫遷移媒介使能壘逐漸降低；②aINT1·1H2O、aINT1·2H2O和aINT1·H2O·OH·中的2H-4N的距離逐漸變短，4N對2H的靜電力逐漸增加，使得他們的2H越來越容易向4N遷移，這使1H2O、2H2O和H2O·OH·作氫遷移媒介使能壘逐漸降低；③aINT1·2H2O 中的25O-22H和22H-24O比aINT1·H2O·OH·中的24O-22H和22H-23O鍵長都略短和略長些，導(dǎo)致aINT1·2H2O中的22H比aINT1·H2O·OH·中2H遷移稍許困難，這使2H2O比H2O·OH·作氫遷移媒介能壘略高。綜上，從aINT1·1H2O、aINT1·2H2O和aINT1·H2O·OH·中的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)可以判定，1H2O、2H2O和H2O·OH·分別作氫遷移媒介，反應(yīng)能壘逐漸降低。

圖7 水分子(a)及水分子和羥基自由基鏈(b)為媒介，aINT1→aTS2→aINT2過程Fig.7 Processes of aINT1→aTS2→aINT2 by using the chains of water(a) and water/hydroxyl free radical(b) as hydrogen migration medium vector

表2 aINT1·1H2O、aINT1·2H2O和aINT1·H2O·OH·的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table 2 Primary structure parameters of aINT1·1H2O/aINT1·2H2O/ aINT1·H2O·OH·

結(jié)構(gòu)鍵長/nm原子間距/nmaINT1·1H2O1C-20H(0 10984)22O-2H(0 09823)20H-22O(0 29080)2H-4N(0 18846)aINT1·1H2O1C-20H(0．10981)25O-22H(0．09699)20H-25O(0．22854)22H-24O(0．19125)24O-2H(0．09941)2H-4N(0．18026)aINT1·H2O·OH·1C-20H(0．10979)24O-22H(0．09798)20H-24O(0．22780)22H-23O(0．18043)23O-2H(0．10175)2H-4N(0．17555)

在MP2/6-311++G(2df, pd)∥B3LYP/6-31+G(d,p)理論水平上，計算的各個駐點(diǎn)的零點(diǎn)振動能、單點(diǎn)能及過渡態(tài)的虛頻見表3，零點(diǎn)能校正后的總能及相對總能量亦見表3。

依據(jù)表3的數(shù)據(jù)，繪制了水分子、水分子與羥基自由基鏈作氫遷移媒介，aINT1→aTS2→aINT2過程的勢能面示意圖，見圖8。

比較圖6和圖8可以看出，水分子以及羥基自由基與水分子構(gòu)成的鏈對aINT1→aTS2→aINT2過程均有較好的催化作用。2個H2O分子鏈以及羥基自由基與水分子鏈均具有極好的催化功能，使能壘從單體的257.6 kJ·mol-1降低到124.4和104.1 kJ·mol-1，然而，在體溫下這兩個能壘還是不能輕易的越過的，要考慮到溫度的漲落、分子的碰撞和體內(nèi)某種酶的作用，才能越過此能壘，因此，生命體內(nèi)不會有大量的Val從左旋體轉(zhuǎn)變到右旋體。羥基自由基與水分子構(gòu)成的鏈的催化反應(yīng)相對容易進(jìn)行，若某種原因?qū)е麦w內(nèi)羥基自由基的數(shù)量增加，生命體內(nèi)左旋Val向右旋Val轉(zhuǎn)變的幾率增加。

表3 水分子和羥基自由基等作氫遷移媒介，aINT1→aTS2→aINT2過程各駐點(diǎn)的零點(diǎn)振動能、單點(diǎn)能、總能、相對總能及過渡態(tài)虛頻

圖8 水分子和羥基自由基等聯(lián)合作為氫遷移媒介，aINT1→aTS2→aINT2過程的勢能面.Fig.8 Potential surfaces diagram of aINT1→aTS2→aINT2 processes using water and hydroxyl free radical et al as hydrogen migration medium vector

3 結(jié)論與展望

在MP2/6-311++G(2df, pd)∥B3LYP/6-31+G(d,p)理論水平，計算研究了Val手性轉(zhuǎn)變及水分子的催化機(jī)理。反應(yīng)通道研究發(fā)現(xiàn)：Val手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)有4個通道。第1個通道是手性碳上的H以氨基N為橋梁遷移到手性C另一側(cè)，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變；第2個通道是手性碳上的H依次以羰基O和氨基N為橋，遷移到手性碳另一側(cè)，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變；第3個通道是手性C上的H先遷移羰基O，而后經(jīng)過兩個羥基異構(gòu)和羥基上的H向手性碳另一側(cè)遷移的過渡態(tài)，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變；第4個通道是H先在羧基遷移，然后手性碳上的H再以新羰基O為橋，轉(zhuǎn)移到手性碳的另一側(cè)，實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。勢能面計算表明：第1通道為優(yōu)勢通道，最高能壘為257.6 kJ·mol-1，2個水分子構(gòu)成的鏈?zhǔn)垢吣軌窘禐?24.4 kJ·mol-1，羥基自由基與1個水分子構(gòu)成的鏈?zhǔn)垢吣軌窘禐?04.1 kJ·mol-1。

結(jié)果表明：通常情況下Val分子具有穩(wěn)定性，不會發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變，水分子及其與羥基自由基形成的鏈對Val手性轉(zhuǎn)變具有催化作用。水分子形成的鏈對Val的催化作用是生命體內(nèi)左旋Val分子旋光異構(gòu)的主要因素；羥基自由基的存在使生命體內(nèi)左旋Val分子的旋光異構(gòu)變得相對容易，對生命體的健康有極大的影響。

本工作找到了單體Val手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的可能通道，這對進(jìn)一步研究Val分子在其他復(fù)雜環(huán)境下的手性轉(zhuǎn)變，更好地解釋Val分子在生命體內(nèi)的異構(gòu)，同時，為實驗上利用左旋Val獲得右旋Val會起到積極的作用，相關(guān)的工作正在進(jìn)行中。

[1] 徐維正. 亞洲個人護(hù)理品 化學(xué)品市場發(fā)展迅猛[J]. 精細(xì)與專用化學(xué)品, 1998(15):9.

[2] 漆劍.L-脯氨酸和L-纈氨酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)換的研究[D]. 南昌：南昌大學(xué), 2006.

[3] FRAULI M. Inhibition of fibroblast Valliferation in a culture of human endometrial stromalcells using a medium containingD-valine[J]. Arch Gynecol Obstet, 1987, 241: 87-96.

[4] PICCIANO P T. Effects ofD-valine on pulmonary artery endothelial cell morphology and function in cell cufurz[J]. Exp Cell Res, 1984, 51: 134.

[5] 李愛平, 趙青, 程曉春, 等.D-Val制備研究進(jìn)展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 38(14): 7208-7210.

[6] 馬馳騁，蒲敏，衛(wèi)敏，等.L-Val旋光異構(gòu)的兩種光反應(yīng)可能途徑[J]. 物理化學(xué)學(xué)報, 2012, 28 (8): 1830-1836.

[7] 劉邦.L-Val結(jié)晶過程過程研究[D]. 武漢: 武漢科技大學(xué)，2015：5.

[8] 田慧，師水生，張舒靜，等. Val對肝纖維化的影響[J]. 中國醫(yī)療前沿，2011，7(6): 18-23.

[9] 柯惟中，吳緘中. 氨基酸在銀膠溶液中的表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2004，24(5)：551-553.

[10] 厲桂華，方炎.L-Val在金納米顆粒上的變溫表面增強(qiáng)拉曼散射[J]. 光散射學(xué)報,2008,20(3):240-244.

[11] 王佐成，劉鳳閣，呂洋，等. 孤立條件下α-丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變機(jī)制的DFT研究[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版), 2014, 52 (4): 825-830.

[12] 王佐成，佟華，梅澤民，等. α-丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)通道及水分子作用的理論研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版), 2015, 42 (2)：189-197.

[13] 劉鳳閣，閆紅彥，王佐成，等. 氣相賴氨酸分子手性轉(zhuǎn)變機(jī)制的理論研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2015，61(1): 93-98.

[14] 李忠，佟華，王佐成，等．基于氨基作H轉(zhuǎn)移橋梁單體α-Ala的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理[J]．復(fù)旦學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015, 54(5): 642-647.

[15] 王佐成，佟華，梅澤民，等．水環(huán)境下α-丙氨酸分子手性轉(zhuǎn)變機(jī)制的理論研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2015，53 (1)：134-141.

[16] 梅澤民，閆紅彥，趙衍輝，等. 水環(huán)境下布洛芬分子的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理[J].吉林大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2015，53 (2)：331-339.

[17] 劉鳳閣，鄒曉威，呂洋，等. 水環(huán)境下賴氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2015，61(5): 491-496.

[18] BECKE A D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange [J]. Chem Phys, 1993, 98(7): 5648-5652.

[19] PARR R G, YANG W. Density-functional theory of atoms and molecules[M]. Oxford：Oxford University Press, 1994.

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

[21] 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.

[22] 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.

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

[24] ISHIDA K, MOROKUMA K, KOMORNICKI A. The intrinsic reaction coordinate. Anabinitiocalculation for HNC→HCN and H-+ CH4→CH4+ H-*[J]. The Journal of Chemical Physics, 1977, 66(5): 2153-2156.

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

[26] FRISCH M J, TRUCKS G W, SCHLEGEL H B, et al. Gaussian 09. Revision D.01 [CP]. Pittsburgh USA: Gaussian, Inc, Wallingford CT, 2013.

Chiral enantiomers transformation of valine and catalytic mechanism of water molecules

YANHongyan1,WANGZuocheng2,ZOUJing3,TONGHua2,YANGXiaocui2

(1. Computer Scinece Depantment, Baicheng Normal College, Baicheng 137000, China;2. Physics Department, Baicheng Normal College, Baicheng 137000,China;3. College of Chemistry and Materials, Lianning Normal University, Dalian 116000, China)

Based on the B3LYP methods of density functional theory and the MP2 methods of perturbation theory, the chiral transformation mechanism of the Val monomer molecule, the catalytic effect of water molecules and hydroxyl radicals on the hydrogen transfer reaction were studied. The reaction channel analysis showed that there were four channels a, b, c and d in the Val chiral enantiomer transformation reaction. Channels a and c, the chiral shift was achieved by the H of chiral carbon transferring to the other side from the bridge of Amino N and Carbonyl O respectively. Channel b, the chiral shift was achieved by the H of chiral carbon transferring to the other side from the bridge of Amino N and Carbonyl O in turn. Channel d, the chiral shift was achieved by the H of chiral carbon transferring to the other side from the bridge of Hydroxyl O. From the calculation of potential energy surface, channel a was the optimal reaction channel, the highest energy barrier is 257.6 kJ·mol-1. One water molecule, two water molecules chain and the chain of one water molecule and Hydroxyl radical showed better catalytic effect on the H shift reaction, which decreased the high energy barrier in channel a to 160.3,124.4 and 104.0 kJ·mol-1accordingly. The result revealed that optical isomer of valine molecule in living body was formulized mainly under the joint action of water molecule and hydroxyl radical.

chiral; valine; density functional theory; transition state; perturbation theory

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.02.013

2015-10-29

吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(20130101131JC)

閆紅彥(1979年生)，男；研究方向：計算機(jī)化學(xué)；通訊作者：王佐成； E-mail:wangzc188@163.com

O641.12

A

0529-6579(2016)02-0068-08