董麗榮，高峰，佟華，楊曉翠，叢建民，王佐成

(1. 吉林師范大學物理學院，吉林 四平 136000；2.白城師范學院物理學院，吉林 白城 137000；3. 白城師范學院生命科學學院，吉林 白城 137000)

α-丙氨酸(α-Ala)分為左旋體(S-α-Ala)和右旋體(R-α-Ala)。在生命體內S-α-Ala具有活性，S-α-Ala具有預防腎結石和緩和低血糖的作用，R-α-Ala可以抑菌并使皮膚保濕。由于丙氨酸有重要作用，很多學者對其做了比較廣泛的研究。文獻[1]報道了水環(huán)境下α-Ala分子的兩性離子結構、振動圓二色性和偏振拉曼散射強度。文獻[2]用密度泛函理論的B3LYP方法，優(yōu)化了α-Ala分子的最穩(wěn)幾何構象，計算了紅外和拉曼光譜。文獻[3]的實驗研究，確認了α-Ala在295 K和60 K時手性對映體的幾何構象以及α-Ala可以旋光異構。文獻[4-5]報道了有微量的α-Ala右旋體存在于生命體，并猜測其部分來源是α-Ala左旋體的旋光異構。文獻[6-8]的理論研究發(fā)現：氣相α-Ala分子的旋光異構可以在四個通道實現，決速步內稟能壘分別是266.1、326.6、316.3和337.4 kJ/mol。文獻[9]的研究表明，羥自由基水分子組合致α-Ala損傷的能壘在水分子抽氫和羥自由基抽氫時分別是23.84和80.34 kJ/mol。文獻[10]的研究表明，MOR分子篩對α-Ala分子的旋光異構具有一定的限域催化作用，文獻[11]的研究表明，MOR分子篩對水分子催化的賴氨酸旋光異構具有一定的限域催化作用。

基于文獻[9-11]的研究經驗，考慮到大氣環(huán)境存在水分子和羥自由基，富水的生命體內存在羥自由基和相似于MOR分子篩的納米孔道，本工作研究了標題反應，期望揭示水環(huán)境下MOR分子篩對α-丙氨酸在羥自由基作用下旋光異構及損傷的影響，給出生命體內α-丙氨酸消旋及損傷的一個原因。

1 模型的選取與計算研究方法

α-Ala分子(線度0.252 nm×0.381 nm×0.453 nm)只能被MOR分子篩的十二元環(huán)孔道(孔徑為0.650 nm×0.700 nm)組裝。采用周期性模型把含12元環(huán)孔道的分子篩骨架都包括進來，用含126T的簇模型代表MOR分子篩結構，如圖1(a)所示。

采用量子力學與分子力學組合的ONIOM方法[12]對標題反應進行研究。將分子篩與底物分子分為兩層: 內層QM區(qū)為分子篩內的物種，考慮到分子篩與底物分子相互間的長程作用，采用長程校正泛函的CAM-B3LYP[13]方法處理；外層MM區(qū)分子篩，采用分子力學的UFF力場[14]處理，內層優(yōu)化外層固定，在ONIOM(CAM-B3LYP/6-31G(d, p): UFF)水平全參數優(yōu)化穩(wěn)定點和過渡態(tài)[15]。MOR分子篩與水復合環(huán)境分為MOR分子篩與水汽相和水液相復合環(huán)境兩種情況。水汽相，對于H遷移的分子構象異構過程，把水視為離散介質，計算水分子作H遷移媒介的駐點結構，對沒有H遷移的分子構型異構過程，水汽環(huán)境視為孤立環(huán)境。水液相，用水汽環(huán)境下的駐點構象，采用自洽反應場(SCRF)理論的SMD模型[16]方法和二階微擾論MP2[17]方法，在ONIOM(MP2/6-311++G(2df, pd): UFF)水平下計算駐點分子的水溶劑化單點能(ESP)。吉布斯自由能熱校正(Gtc)和單點能相加作為總吉布斯自由能(Gtotal)，描繪反應的勢能面。通過內稟反應坐標(IRC)計算[18]確認過渡態(tài)。限域在MOR內的S型α-Ala分子與1個水分子的氫鍵絡合物記為S-α-Ala·1H2O@MOR，若它們處在水溶劑環(huán)境下則記為α-Ala@MOR@water，其它駐點用類似方法標記。本工作的計算由Gaussian 09軟件包[19]完成。

2 結果與討論

MOR分子篩126T簇模型見圖1(A)，α-Ala分子的S與R型穩(wěn)定幾何構象見圖1(B)和(C)。

研究表明，標題反應有a和b兩個反應通道，a通道是羥自由基水分子簇等與α-H和氨基通過氫鍵作用形成底物，b通道是羧基內質子遷移后，羥自由基水分子簇與α-H和新羰基氧通過氫鍵作用形成底物。羥自由基水分子簇組合作質子轉移媒介，水分子抽氫α-丙氨酸可實現旋光異構；羥自由基抽氫可使α-丙氨酸損傷。下面分別進行討論。

2.1 限域在MOR分子篩與水復合環(huán)境的S-α-Ala在羥自由基作用下的旋光異構

羥自由基水分子簇做質子轉移媒介，α-Ala在a通道旋光異構的反應歷程，見圖2(A)，反應的吉布斯勢能剖面，見圖3(A)。

首先是第1基元反應，氨基異構化過程。S-α-Ala與MOR分子篩的12圓環(huán)孔道物理吸附，形成的反應物S-α-Ala@MOR，經氨基的353H和354H在紙面里外翻轉的過渡態(tài)a_S-TS1@MOR，異構成353H和354H在紙面里的中間體產物a_S-INT1@MOR。此過程，二面角353H—352N—347C—354H從119.84°變?yōu)?119.78°，實現了氨基團的對稱異構。此時352N的靠近讀者的一面出現孤對電子，負電荷密度大，易于接受正電荷。二面角352N—347C—350C—355C從120.87°變?yōu)?20.43°，骨架結構基本沒變。此基元反應骨架結構沒變，只是非骨架原子翻轉異構，所需要的形變能量較小，a_TS1@MOR產生的能壘只有10.2 kJ/mol，水溶劑化效應使該能壘升高，變?yōu)?7.8 kJ/mol。

然后是第2基元反應，359H向352N遷移過程，a_S-INT1與氨基和手性碳前面(紙面外)的羥自由基水分子簇通過氫鍵作用形成的中間體反應物a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR，經過渡態(tài)a_TS2·(H2O·OH·)@MOR，異構成中間體產物a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR，實現了α-H以羥自由基水分子簇為媒介從手性碳向氨基氮的遷移?！綼_INT2可以與不同位置的水分子和羥自由基通過氫鍵結合，這里的(m)是表示a_INT2與氨基和手性碳前面(紙面外)的羥自由基水分子簇以氫鍵結合】。

表1的結構數據表明，環(huán)形過渡態(tài)a_TS2·(H2O·OH·)@MOR氫鍵鍵角比較接近平角180°，氫鍵較強，較穩(wěn)定，表1的二面角數據說明，過渡態(tài)a_TS2·(H2O·OH·)@MOR的七圓環(huán)結構共面程度較好，過渡態(tài)較穩(wěn)定。進一步的結構分析表明，從a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR到a_TS2·(H2O·OH·)@MOR過程，反應活性中心骨架二面角352N—347C—350C—355C從124.84°變?yōu)?24.23°，基本沒變。但347C—352N鍵長從0.146 54 nm變?yōu)?.150 13 nm，347C—359H、360O—363H和364O—361H鍵長伸長量分別為0.026 15、0.048 59和0.060 07 nm。因此，a_TS2·(H2O·OH·)@MOR產生的能壘不是很高，能壘是136.1 kJ/mol，此過程的產物中間體a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR在勢能面的較高的位置上。水溶劑化效應使水分子和羥自由基鏈催化的此基元反應的能壘驟降到39.9 kJ/mol，平衡強烈地向a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR移動，并且從吸熱反應變成了放熱反應。這兩點在后面給予討論。

接下來是第3基元反應，a_INT2的質子化氨基上紙面里側的H在紙面里向手性碳遷移的過程。此過程相似于前面的第2基元的逆反應，a_INT2與紙面里側的水分子和羥自由基鏈通過氫鍵作用形成的中間體反應物a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR【這里的(n)是表示a_INT2與氨基和手性碳后面(紙面里側)的羥自由基水分子簇以氫鍵結合】，經過七圓環(huán)形過渡態(tài)a_TS3·(H2O·OH·)@MOR，實現了質子化氨基上的H以水分子和羥自由基為媒介在紙面里向手性碳的遷移，異構成中間體產物a_R-INT3·(H2O·OH·)@MOR，實現旋光異構，R表示INT3是右旋體。

從a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR到a_TS3·(H2O·OH·)@MOR過程，352N—361H鍵長從0.104 10 nm變?yōu)?.107 70 nm，364O—363H鍵長從0.101 60 nm變?yōu)?.110 63 nm，360O—359H鍵長從0.101 26 nm變?yōu)?.125 55 nm三個化學鍵小幅度拉伸；過渡態(tài)a_TS3·(H2O·OH·)@MOR的七圓環(huán)結構氫鍵角352N—361H—364O、364O—363H—360O和360O—359H—347C是164.78°、163.41°和163.24°，接近平角，氫鍵較強，結構分析表明七圓環(huán)結構接近平面，七圓環(huán)結構的a_TS3·(H2O·OH·)@MOR較穩(wěn)定。因此，從a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR越過a_TS3·(H2O·OH·)@MOR所需能量較低，a_TS3·(H2O·OH·)@MOR長何時能的能壘是13.1 kJ/mol。結構分析表明，a_R-INT3·(H2O·OH·)@MOR具有一條分子內的單氫鍵及三條較強的分子間氫鍵，構象穩(wěn)定，處在勢能面較低的位置。在水溶劑環(huán)境下，此基元反應能壘升高到116.4 kJ/mol，說明水溶劑對此基元反應具有阻礙作用(負催化作用)，并且a_R-INT3·(H2O·OH·)@MOR的穩(wěn)定性相對減弱。

最后，a_R-INT3經過與第一基元相似的過渡態(tài)a_R-TS4@MOR，實現氨基團從紙面外向紙面里的翻轉，異構成產物a_R-Ala@MOR。此基元反應相似于第1基元反應，骨架結構基本沒變，只是非骨架原子翻轉異構，所需要的形變能量較小，活化能壘只有13.1 kJ/mol，水溶劑環(huán)境下變?yōu)?0.2 kJ/mol。

整個反應過程，從S-Ala@MOR到a_R-Ala@MOR，二面角353H—352N—347C—354H從119.84°變?yōu)?120.37°，實現了氨基團的對稱異構；二面角352N—347C—350C—355C從120.87°變?yōu)?121.14°，實現了骨架結構的對稱異構；二面角350C—347C—359H—355C從120.99°變?yōu)?119.14°，實現了手性活性中心的對稱異構。亦即S-Ala實現手性對映體轉變，與文獻[9]的研究結果“羥自由基水分子組合，水分子抽α-氫致α-Ala損傷”相比較可知，MOR分子篩的限域改變了α-Ala的異構機理，使水分子抽α-氫致α-Ala損傷變?yōu)樗肿影桅?氫(質子轉移)致α-Ala旋光異構。

研究表明，羥自由基水分子簇作為質子轉移媒介，α-Ala在b通道旋光異構的前半程和后半程具有對稱性，決速步驟是前半程第2基元反應。為節(jié)省篇幅，僅對前半程進行討論，反應歷程見圖2(B)，反應的吉布斯勢能剖面，見圖3(B)。

首先是第1基元反應，羧基內的質子轉移過程。S-α-Ala與其羧基右側的羥自由基水分子簇通過氫鍵作用形成的底物分子b_S-α-Ala·(H2O·OH·)@MOR，經羧基內質子遷移的過渡態(tài)b_TS1·(H2O·OH·)@MOR構象異構，形成第一中間體b_INT1·(H2O·OH·)(m)@MOR(m表示羥自由基水分子簇在b_INT1的右側)，完成了質子358H從羥基氧357O向羰基氧356O的凈遷移。從b_S-α-Ala·(H2O·OH·)@MOR到b_TS1·(H2O·OH·)@MOR過程， 357O—358H、360O—361H和364O—362H鍵長分別從0.101 10、0.098 56和0.100 31 nm拉伸到0.130 25、0.115 9和0.119 10 nm，需要一定的能量。對b_TS1·(H2O·OH·)@MOR的結構分析表明，其八元環(huán)結構有3條較強的氫鍵且共面程度極好，b_TS1·(H2O·OH·)@MOR的結構較穩(wěn)定。因此，b_TS1·(H2O·OH·)@MOR產生的能壘并不高，是40.2 kJ/mol。溶劑效應使該能壘降到26.0 kJ/mol，水溶劑對此基元反應起到了較好的助催化作用。

對2個水分子簇催化的此基元反應的研究表明，b_S-α-Ala·2H2O@MOR，經羧基內質子遷移的過渡態(tài)b_TS1·2H2O@MOR構象異構，形成第一中間體b_INT1·2H2O@MOR。b_TS1·2H2O@MOR產生的能壘是40.0 kJ/mol，與無分子篩情形的2個水分子簇催化的此基元反應能壘50.3 kJ/mol[7]相比較明顯降低，說明分子篩起到了較好的限域催化作用。詳細的討論從略。

對第2基元反應，b_S-INT1的α-氫359H和羰基氧357O與羥自由基水分子簇通過氫鍵作用形成的底物b_S-INT1·(H2O·OH·)(n)@MOR(n表示羥自由基水分子簇在b_INT1的前面)，經過渡態(tài)b_TS2·(H2O·OH·)@MOR異構成中間體產物絡合物b_INT2(H2O·OH·)(m)@MOR，實現了質子359H從α-碳347C向新羰基氧357O的凈遷移。以后的過程是b_INT2的質子化羧基異構后，再經過與第2基元反應的逆過程相似的過程，質子以羥自由基水分子簇為媒介在紙面里從質子化羧基遷移到α-碳347C，實現了b_S-INT1的旋光異構，即實現了S-α-Ala的旋光異構。篇幅所限，不再贅述。

從b_S-INT1·(H2O·OH·)(n)@MOR到b_TS2·(H2O·OH·)@MOR過程，鍵長347C—359H、360O—363H和364O—361H分別從0.109 89、0.097 44和0.099 53 nm拉伸到0.143 35、0.122 50和0.130 87 nm，拉伸幅度遠大于從b_S-α-Ala·(H2O·OH·)@MOR到b_TS1·(H2O·OH·)@MOR過程3個鍵長；對b_TS2·(H2O·OH·)@MOR的結構分析表明，其八元環(huán)結構雖然具有3條較強的氫鍵，但共面程度遠不及b_TS1·(H2O·OH·)@MOR的八元環(huán)結構，穩(wěn)定性差許多。因此，b_TS2·(H2O·OH·)@MOR產生的能壘高于b_TS1·(H2O·OH·)@MOR產生的能壘許多，是189.9 kJ/mol。溶劑效應使該能壘降到78.1 kJ/mol，說明水溶劑對此基元反應起到了非常好的催化作用。

圖2 MOR分子篩與水復合環(huán)境下α-Ala的旋光異構過程Fig.2 Chiral transition process of α-Ala confined in the complex environment of MOR zeolite and water

結構主要鍵角主要鍵角主要鍵角a_TS2·(H2O·OH·)@MOR347C—359H—360O161.887364O—361H—352N164.392347C—359H—360O162.881a_TS2·(H2O·OH·)@MOR347C—359H—360O—H36310.81360O—363H—364O—H361-8.96363H—364O—361H—352N27.05

圖3 在MOR分子篩與水環(huán)境下羥自由基水分子簇催化α-Ala旋光異構的勢能面Fig.3 Potential energy surfaces diagram of α-Ala optical isomerism catalyzed by hydroxyl group water molecular cluster in the complex environment of MOR zeolite and water

從圖3可以看出，羥自由基水分子簇作氫遷移媒介，水汽環(huán)境下α-Ala旋光異構的優(yōu)勢反應通道是a，決速步是第二基元反應，過渡態(tài)產生的內稟能壘是136.1 kJ/mol，136.1 kJ/mol低于質子遷移的“極限能壘”167.0 kJ/mol[20]許多，但高于溫和反應的能壘84.01 kJ/mol[20]許多，因此，水汽相環(huán)境下羥自由基的存在會使α-Ala旋光異構，但反應速度不會很快；水溶劑環(huán)境下，優(yōu)勢反應通道是b，決速步也是第二基元反應，過渡態(tài)產生的內稟能壘是78.1 kJ/mol，此能壘低于溫和反應的能壘84.01 kJ/mol[20]，α-Ala旋光異構的速度加快。從圖3還可以看出，水溶劑效應對1和4基元的氨基團異構反應具有明顯的阻礙作用。

a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR處在勢能面較高的位置上，原因如下：首先，這是由于a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR的羥自由基接受質子能力較強，質子化氨基失去一個質子的傾向性也強，導致此體系不穩(wěn)定。此外，a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR經a_TS2·(H2O·OH·)@MOR，相當于質子從手性碳凈遷移到a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR，手性碳從滿配的sp3雜化變?yōu)榉菨M配的sp2，導致此體系不穩(wěn)定。再有底物a_S-INT1·(H2O·OH·)到a_INT2·(H2O·OH·)(m)，偶極矩從2.723 1 C·m變?yōu)?2.8935 C·m，說明a_INT2·(H2O·OH·)(m)的正負電荷中心分離加劇，體系不穩(wěn)定。因此a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR非常不穩(wěn)定，處在勢能面較高的位置上。

從圖3可以看出：水分子和羥自由基鏈催化的質子遷移第2基元反應，水溶劑效應使決速步內稟能壘從136.1 kJ/mol急劇下降到39.9 kJ/mol，并且從吸熱過程變成了放熱過程，平衡強烈地向a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR@water移動，在強極性溶劑水中, a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR成為了優(yōu)勢構型。這是由于a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR的偶極矩大于a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR的偶極矩，底物a_INT2·(H2O·OH·)(m)的偶極矩大于底物的a_S-INT1·(H2O·OH·)的偶極矩，a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR體系更容易在極性溶劑中極化。同時，水溶劑的介電常數大，將相反電荷分開的能力強，對a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR的穩(wěn)定有促進作用。這使得a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR@water的總能量相對于a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR@water降低較大，推動平衡強烈地向a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR@water移動?；谕瑯拥脑颍瑢τ诘?基元反應，在強極性溶劑水中, 則是a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR相對于a_R-INT3·(H2O·OH·)@MOR成為優(yōu)勢構型，平衡向a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR@water移動。

2.2 限域在MOR分子篩與水復合環(huán)境的S-α-Ala在羥自由基作用下的損傷

羥自由基抽α-氫以及水分子輔助羥自由基抽α-氫，α-Ala在a通道損傷反應歷程，見圖4(A)，反應的吉布斯勢能剖面，見圖5(A)。

對于只是羥自由基抽氫致α-Ala損傷的反應歷程見圖4(A)中的(a)：首先是第1基元反應，反應物S-Ala@MOR經過渡態(tài)a_S-TS1@MOR，異構成中間體產物a_S-INT1@MOR，見2.1的討論。然后，a_S-INT1與羥自由基通過氫鍵作用形成了圖4A所示的中間體反應物a_S-INT1·(OH·)@MOR，經過渡態(tài)a_TS2·(OH·)@MOR，異構成產物a_P*·H2O@MOR(a_TS2·(OH·)@MOR的產物是a_P*·H2O@MOR，似乎令人費解，放在后面給予討論)。a_P*是a_S-INT1被羥自由基抽氫得到的產物，手性已經不存在，a_P*是損傷了的S-Ala。從a_S-INT1·(OH·)@MOR到a_TS2·(OH·)@MOR過程，347C—359H鍵長從0.109 38 nm伸長到0.136 29 nm斷裂，拉伸0.026 91 nm，拉伸幅度較大；347C—352N鍵長從0.146 02 nm伸長到0.150 42 nm斷裂，小幅拉伸0.004 40 nm；反應活性中心骨架二面角352N—347C—350C—355C從120.67°和127.37°，骨架有一定的形變。一個化學鍵的大幅拉伸、一個化學鍵的小幅拉伸和骨架的形變需要一定的能量。但a_TS2·(OH·)@MOR的五元環(huán)結構氫鍵角347C—359H—360O和360O—361H—352N分別是144.53°和135.80°，偏離平角不是很大，氫鍵比較強；二面角347C—359H—360O—361H和359H—360O—361H—352N分別是-10.41°和-2.99°，五元環(huán)結構趨于平面，a_TS2·(OH·)@MOR的結構比較穩(wěn)定。因此，a_TS2·(OH·)@MOR產生的能壘有不會十分高，是168.9 kJ/mol。損傷產物絡合物a_P*·H2O的356O—353H的距離是0.225 88 nm，二面角352N—347C—355C—356O和352N—347C—355C—357O分別是-5.20°和174.78°，352N—361H距離是0.208 08 nm，鍵角352N—361H—360O是153.67°。因此，a_P*·H2O存在較強的分子內單氫鍵、五中心大π鍵和分子間氫鍵，構象極穩(wěn)定，處在勢能面較低的位置。水溶劑效應使此反應過渡態(tài)的勢壘降到147.0 kJ/mol，a_P*·H2O@MOR降到-161.4 kJ/mol的位置，構象變得更穩(wěn)定，此反應變成了強烈的放熱反應。

對于水分子輔助羥自由基抽氫致α-Ala損傷的反應：第1基元反應亦見2.1的討論。然后是第二基元，反應歷程見圖4(A)中的(b)：a_S-INT1與羥自由基和水分子通過氫鍵作用形成的中間體反應物a_S-INT1·[(OH·)·H2O]@MOR，經過渡態(tài)a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR，異構成產物a_P*·2H2O]@MOR，α-Ala損傷。

此基元反應，水分子并沒參與反應，其作用是穩(wěn)定羥自由基在空間的位置，使羥自由基在比較理想的位置與359H形成較強的氫鍵。從a_S-INT1·[(OH·)·H2O]@MOR到a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR過程，347C—359H鍵長從0.109 87 nm伸長到0.118 81 nm斷裂，拉伸了0.008 94 nm；347C—352N鍵長從0.146 57收縮到0.144 79 nm；活性中心骨架二面角352N—347C—350C—355C從125.09°變?yōu)?30.67°。與前面的從a_S-INT1·(OH·)@MOR到a_ TS2·(OH·)@MOR過程相比較，347C—359H鍵長拉伸顯著減小，骨架形變也有減小，并且347C—352N鍵長是收縮而非拉伸，會釋放能量，因此，a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR產生的能壘會遠遠小于a_TS2·(OH·)@MOR產生的能壘。又a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR的氫鍵角360O—359H—347C是165.30°，接近平角，氫鍵較強，過渡態(tài)a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR的結構較穩(wěn)定，因此，a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR產生的能壘不高，只有25.3 kJ/mol。水溶劑效應使該能壘降為22.1 kJ/mol，降幅是13%，說明水溶劑對α-Ala在羥自由基作用下的損傷有一定的助催化作用。25.3 kJ/mol和22.1 kJ/mol都遠遠低于溫和反應的能壘84.0 kJ/mol[20]，因此，水汽環(huán)境和水溶劑環(huán)境中有充分的羥自由基時，限域在MOR分子篩內的α-Ala都會迅速地的損傷。與文獻[9]的研究結果“羥自由基水分子組合，羥自由基抽α-氫致α-Ala損傷的能壘是80.34 kJ/mol”相比較可知，MOR分子篩對水環(huán)境下羥自由基抽α-氫致α-Ala在a通道的損傷具有極好的限域催化作用。

損傷產物絡合物分子a_P*·2H2O的353H—356O的間距是0.223 91 nm，說明a_P*存在氨基與羧基間較強的分子內單氫鍵；二面角352N—347C—350C—355C、350C—347C—355C—357O和347C—355C—357O—356O分別是173.81°、5.81°和179.23°，說明a_P*的骨架原子基本共面，形成了穩(wěn)定的五中心共軛大π鍵以及羰基和氨基之間的妃子內單氫鍵，因此a_P*較穩(wěn)定。361H和352N的間距是0.203 22 nm，氫鍵角363O—361H—352N是153.65°，接近平角；363O和362HO兩個原子的間距是0.191 21 nm, 氫鍵角360O—362H—363O是162.89°，接近平角；359H和357O兩個原子的間距是0.234 59 nm, 氫鍵角360O—359H—357O是130.90°，距離平角相差較多。說明a_P*·2H2O的水分子之間以及水分子和氨基之間存在較強的氫鍵，水分子和羧基之間存在中等偏弱的氫鍵。因此，絡合物分子a_P*·2H2O十分穩(wěn)定，處在勢能面較低的位置上，相對能量是-148.0 kJ/mol，水溶劑效應使其相對能量進一步降為-173.2 kJ/mol，產物絡合物變得更加穩(wěn)定。

水分子輔助羥自由基抽α-氫，導致α-Ala在b通道的損傷發(fā)生在第二基元反應，反應歷程見圖4(B)，反應的吉布斯勢能剖面見圖5(B)。(第一基元的羧基內質子轉移有水分子抽氫和羥自由基抽氫兩種情況，前者同于2.1中的從b_S-α-Ala·(H2O·OH·)@MO到b_INT1·(H2O·OH·)(m)@MOR過程，這里從略；研究表明，后者的反應能壘也不高，大概在40 kJ/mol左右，這里也不在討論)。

α-Ala在b通道的損傷是b_INT1·(H2O·OH·)(m)脫去羧基右側的H2O·OH·，與其前面的α-氫359H和羰基氧357O通過氫鍵作用形成的分子b_INT1·(H2O·OH·)(n)@MOR，經過渡態(tài)b_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR，羥自由基360O—362H抽取α-氫359H，得到損傷產物b_P*·2H2O@MOR，b_INT1損傷為b_P*，亦即S-α-Ala在b通道的損傷。

從b_INT1·(H2O·OH·)(n)@MOR到b_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR過程，鍵長347C—359H從0.109 86 nm伸長到0.117 19 nm斷裂，拉伸了0.007 33 nm；活性中心骨架二面角352N—347C—350C—355C從128.83°變?yōu)?32.83°。347C—359H鍵的伸長及活性中心骨架的變化與從a_S-INT1·[(OH·)·H2O]@MOR到a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR過程基本相同，b_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR產生的能壘與a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR產生的能壘基本相同，是25.1 kJ/mol。溶劑效應使該能壘降到22.4 kJ/mol，降幅約為11%，說明水溶劑對α-Ala在羥自由基作用下在b通道的損傷有一定的助催化作用。同于前面a通道的討論，水環(huán)境下MOR分子篩對羥自由基抽α-氫致α-Ala在b通道的損傷也具有極好的限域催化作用，水汽環(huán)境和水溶劑環(huán)境中有充分的羥自由基時，限域在MOR分子篩內的α-Ala會迅速地的損傷。結構分析表明，與a_P*·2H2O相似，b_P*的骨架原子形成了五中心大π鍵以及氨基和羧基間的單氫鍵；a_P*·2H2O的水分子之間以及水分子和羰基之間存在較強的氫鍵，因此，絡合物分子b_P*·2H2O十分穩(wěn)定，處在勢能面較低的位置上，相對能量是-182.1 kJ/mol，水溶劑效應使其相對能量進一步降為-191.3 kJ/mol，產物絡合物變得更加穩(wěn)定。

從圖5可以看出，a通道上，羥自由基獨自抽氫致a_S-INT1損傷(亦即S-α-Ala損傷)與水分子輔助羥自由基抽氫的反應通道相比較，后者具有絕對的優(yōu)勢。結合圖3和圖5可知，S-α-Ala在b通道損傷的決速步是第一基元的質子遷移過程，并不是第二基元的抽氫過程；水汽環(huán)境下S-α-Ala的損傷在a通道具有明顯優(yōu)勢，水溶劑環(huán)境下S-α-Ala的損傷在a通道的優(yōu)勢并不明顯。比較圖3和圖5可知，水分子輔助羥自由基致a_S-INT1損傷(亦即S-α-Ala損傷)的抽氫反應通道和水分子羥自由基鏈催化S-Ala旋光異構的質子遷移反應通道的競爭中，無論是汽相還是液相環(huán)境，前者都具有明顯的優(yōu)勢。

為了說明a_TS2·(OH·)@MOR的連接產物是a_P*·H2O@MOR，做了a_TS2·(OH·)@MOR指向產物(出口勢能面)的內稟反應坐標(IRC)計算和分子動力學(MD)模擬，在IRC和MD路徑上選取的具有代表性的分子結構分別見圖6的(A)和(B)，較好地說明了a_P*·H2O@MOR的確是過渡態(tài)連接的a_TS2·(OH·)@MOR的產物。

圖4 限域在MOR分子篩與水復合環(huán)境的α-Ala在羥自由基作用下的損傷歷程Fig.4 Damage process of α-Ala under the action of hydroxyl radical in the complex environment of MOR zeolite and water

圖5 限域在MOR分子篩與水復合環(huán)境的α-Ala在羥自由基作用下損傷的勢能面Fig.5 Potential energy surfaces diagram of α-Ala optical isomerism catalyzed by hydroxyl radical in the complex environment of MOR zeolite and water

圖6 損傷反應通道產物出口勢能面上的靜態(tài)與動態(tài)反應過程Fig.6 The static and dynamic reaction processes on the exit potential energy surface of the products of the damage reaction Channel

圖6(A)，反映了從過渡態(tài)a_TS2·(OH·)@MOR到損傷產物a_P*·H2O@MOR的靜態(tài)反應過程是：從a_TS2·(OH·)@MOR到h，361H在352N的庫侖力引力作用下向352N移動，361H和352N成鍵，359H在360O的庫侖力引力作用下向360O移動。從h到i，361H—352N鍵長逐漸縮短，359H繼續(xù)向360O移動并與360O成鍵。從i到j，361H—352N鍵長又逐漸拉伸，鍵角359H—360O—347C增加。

從j到k，361H在360O的庫侖力引力作用下向360O移動并與352N鍵斷裂，鍵角359H—360O—347C繼續(xù)增加。從k到l，361H遠離352N繼續(xù)向360O靠近，361H與360O成鍵，水分子359H—360O—361H形成，S-Ala損傷完成，得到損傷產物a_P*。從l到m，水分子359H—360O—361H遠離a_P*，骨架原子向共面的趨勢異構，氨基團也向共面的趨勢異構。從m到a_P*·H2O@MOR，水分子359H—360O—361H繼續(xù)遠離a_P*，骨架原子和羧基基本共面，形成5中心大π鍵，并且氨基團也向趨于共面。從a_TS2·(OH·)@MOR到a_P*·H2O@MOR的靜態(tài)反應過程還可以知道，a_TS2·(OH·)@MOR是靠近反應物的過渡態(tài)，是前過渡態(tài)。

圖6(B)，反映了從過渡態(tài)a_TS2·(OH·)@MOR到損傷產物a_P*·H2O@MOR的微觀動態(tài)反應過程是：從a_TS2·(OH·)@MOR(記為初始時刻)開始，經過14.693 fs，359H和361H均向360O移動，并與360O接近成鍵。從14.693 fs到17.551 fs，359H和361H與360O成鍵，形成水分子359H—360O—361H。

從17.551 fs到23.088 fs，361H與360O斷裂，鍵角359H—360O—347C增加。從23.088 fs到35.611 fs，359H和361H又與360O成鍵，從35.611 fs到41.985 fs，361H與360O又斷裂，鍵角359H—360O—347C繼續(xù)增加。從41.985 fs到48.614fs，361H與360O成鍵，359H和360O斷鍵。從48.614 fs到69.537 fs，359H和360O成鍵，水分子359H—360O—361H重新形成。同時，從a_TS2·(OH·)@MOR到a_P*·H2O@MOR整個過程，骨架原子都在進行著從非共面向共面異構，氨基上的353H和354H也進行著與骨架原子趨于共面的異構。

3 總 結

α-Ala的旋光異構和損傷分別是質子轉移機理和羥自由基抽氫機理，它們均有a和b兩個反應通道，a是羥自由基水分子簇等與α-H和氨基N通過氫鍵作用形成底物，b是羥自由基水分子簇與α-H和羰基O通過氫鍵作用形成底物。勢能面計算表明：水分子拔α-H使α-Ala旋光異構，水汽相環(huán)境下，a通道具有優(yōu)勢，決速步能壘是136.1 kJ/mol；水液相環(huán)境下，優(yōu)勢通道是b，過渡態(tài)產生的內稟能壘是78.1 kJ/mol。在a通道的羥自由基抽α-H致α-Ala損傷過程，水分子輔助羥自由基抽α-H致α-Ala損傷比羥自由基獨自抽α-H具有明顯的優(yōu)勢。水分子輔助羥自由基抽α-H致α-Ala的優(yōu)勢通道也是a，決速步能壘是25.3 kJ/mol；水溶劑效應使該能壘降為22.1 kJ/mol。結果表明：水環(huán)境下羥自由基的存在可使MOR分子篩內的α-Ala旋光異構與損傷同時發(fā)生，在競爭中損傷過程具有明顯的優(yōu)勢；MOR分子篩對水環(huán)境下羥自由基抽α-氫致α-Ala在a通道的損傷具有極好的限域催化作用；MOR分子篩的限域改變了羥自由基水分子簇催化α-Ala異構的機理。