潘 宇,高 峰,王 野,李 冰,楊曉翠,王佐成

(1.白城師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院,吉林 白城 137000；2.白城師范學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,吉林 白城 137000)

苯丙氨酸(Phe)是一種人體必需氨基酸,根據(jù)構(gòu)型分為S-型(S-Phe)和R-型(R-Phe),根據(jù)旋光性分為左旋體和右旋體.在生命體內(nèi),Phe左旋體具有活性,可用作食品添加劑;右旋體用于預(yù)防和治療阿爾茨海默癥,是重要的化工醫(yī)藥原料,用途廣泛[1].左旋體可從生物中提取,價格較低；右旋體可利用不對稱合成、手性拆分和左旋體的旋光異構(gòu)合成.不對稱合成方法技術(shù)難度較高,且需昂貴的過渡金屬作為催化劑;手性拆分可得到左旋體,但產(chǎn)率低.因此使Phe的左旋體消旋獲得右旋體具有重要意義.人們從各種不同物種的生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多種D-型氨基酸(如D-丙氨酸(D-Ala)、D-絲氨酸(D-Ser)和D-苯丙氨酸(D-Phe)等[2]),導(dǎo)致動物產(chǎn)生某些疾病[3].文獻(xiàn)[3-4]研究表明,生命體內(nèi)右旋-氨基酸來源于生命體內(nèi)左旋氨基酸的消旋以及攝入的食物和飲料等.基于以上原因,人們對氨基酸的旋光異構(gòu)進(jìn)行了大量研究: 文獻(xiàn)[5]研究表明,纈氨酸(Val)分子在激發(fā)態(tài)或水氣環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變;文獻(xiàn)[6-9]研究表明,可通過多種方法實(shí)現(xiàn)丙氨酸分子的手性對映體轉(zhuǎn)變;文獻(xiàn)[10-11]研究了氣相絲氨酸和天冬氨酸手性對映體轉(zhuǎn)變的反應(yīng)勢能面,揭示了從S-型絲氨酸和S-型天冬氨酸向其手性對映體及其他旋光異構(gòu)體異構(gòu)的機(jī)理.但關(guān)于Phe分子手性轉(zhuǎn)變的研究目前較少,文獻(xiàn)[12-13]采用密度泛函理論的B3LYP方法,對Phe分子的旋光異構(gòu)及水分子的作用進(jìn)行了研究,但存在一定的缺陷: 首先,采用B3LYP方法處理Phe分子的分子內(nèi)單氫鍵、分子內(nèi)π氫鍵以及Phe分子與水分子間的氫鍵作用效果較差；其次,文獻(xiàn)[12-13]僅研究了S-Phe基于氨基氮做質(zhì)子遷移媒介的旋光異構(gòu),未說明其手性對映體產(chǎn)生的機(jī)理,對其他反應(yīng)通道也未進(jìn)行討論.

水分子是大氣中常見的分子,主要以水分子簇的形式存在[14],水分子簇與Phe分子間以及水分子簇的水分子之間均存在氫鍵作用.基于此,本文采用色散校正密度泛函和微擾理論研究苯丙氨酸分子的手性對映體轉(zhuǎn)變機(jī)理及水分子(簇)的催化作用.

1 計(jì)算方法

為較好處理Phe分子內(nèi)氫鍵以及水分子簇與Phe分子間的氫鍵作用,采用色散校正密度泛函WB97X-D[15]方法,在6-311++G(d,p)基組下全優(yōu)化S-Phe分子手性對映轉(zhuǎn)變反應(yīng)過程中的各駐點(diǎn),同時獲得各駐點(diǎn)的零點(diǎn)振動能校正.為確認(rèn)過渡態(tài)已連接所期望的局域穩(wěn)定點(diǎn),對過渡態(tài)[16]進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)計(jì)算[17].為得到高水平的反應(yīng)勢能面,在MP2[18]/6-311++G(3df,2pd)理論水平計(jì)算駐點(diǎn)的單點(diǎn)能,駐點(diǎn)的總能量用Gtotal=EZPV+ESP計(jì)算,其中EZPV和ESP分別為零點(diǎn)振動能校正和高水平的單點(diǎn)能.為更好說明考慮零點(diǎn)振動能后,質(zhì)子從質(zhì)子化氨基向羰基氧遷移的能壘消失,利用AIM2000程序[19]計(jì)算相關(guān)成鍵臨界點(diǎn)電荷密度,分析成鍵特征.S-Phe與2個水分子簇(二聚水)形成的氫鍵配合物記作S-Phe·(H2O)2(m,n,u,v),其中m,n,u,v分別表示水分子(簇)在S-Phe的前面、后面、上面和右面,其他體系的表示法相似.本文中鍵長單位均為nm,計(jì)算由Gaussian09程序[20]完成.

2 結(jié)果與討論

S-Phe及其手性對映體R-Phe的最穩(wěn)定構(gòu)型[12-13]如圖1所示.研究表明，氣相S-Phe的手性對映體轉(zhuǎn)變裸反應(yīng)有a和b兩個通道,分別是質(zhì)子以氨基氮為橋梁和以羰基氧與氨基氮順次為橋梁遷移；2個水分子簇作為質(zhì)子遷移媒介時,在通道b比氣相環(huán)境多了質(zhì)子僅以羰基氧為橋梁遷移的新路徑,新路徑命名為b*.

(A)與(B)關(guān)于紙面垂直的平面鏡像對稱;(B)與(C)關(guān)于紙面鏡像對稱.圖1 苯丙氨酸分子手性對映體的幾何構(gòu)型Fig.1 Geometric configuration of chiral enantiomer of phenylalanine molecules

2.1 氣相S-Phe分子的手性對映體轉(zhuǎn)變

2.1.1 氣相S-Phe分子在通道a的手性對映體轉(zhuǎn)變 文獻(xiàn)[11]研究表明,質(zhì)子4H以氨基為橋梁遷移有質(zhì)子遷移與羧羥基異構(gòu)協(xié)同進(jìn)行和分步進(jìn)行兩種機(jī)理(2個分路徑),前者具有優(yōu)勢,命名為通道a.氣相S-Phe分子在通道a的手性對映體轉(zhuǎn)變歷程如圖2所示,反應(yīng)的勢能剖面如圖3中a路線所示.

圖2 氣相S-Phe分子在通道a的手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)歷程Fig.2 Reaction process of chiral enantiomer transition of gas phase S-Phe molecule in channel a

圖3 氣相S-Phe分子手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)的勢能面Fig.3 Potential energy surfaces of chiral enantiomer transition reaction of gas phase S-Phe molecule

1) 第1基元反應(yīng).S-Phe異構(gòu)成中間體a_S-INT1,該基元反應(yīng)經(jīng)羧羥基22O—23H在紙面外旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)a1_S-TS1或在紙面里旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)a2_S-TS1,實(shí)現(xiàn)羧基從反式向順式平面結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變.從S-Phe到a_S-INT1,二面角2H-1N-3C-5C由90.66°變?yōu)?5.48°,氨基氮(1N)在紙面外側(cè)部分裸露,負(fù)電荷增加,易接受質(zhì)子.23H從羧基的左側(cè)轉(zhuǎn)到右側(cè),減小了質(zhì)子從正面向1N遷移的空間位阻.因此a_S-INT1的4H向1N遷移比S-Phe的4H向1N遷移容易.從S-Phe到a1_S-TS1過程,二面角23H-22O-6C-10O由179.41°變?yōu)?88.35°,二面角2H-1N-3C-5C由90.66°變?yōu)?3.13°,6C—22O鍵長由0.132 8 nm拉伸至0.137 0 nm,2個化學(xué)鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)和一個化學(xué)鍵的小幅度拉伸所需能量較少,a1_S-TS1產(chǎn)生的能壘為60.25 kJ/mol.從S-Phe到a2_S-TS1過程產(chǎn)生的能壘為53.62 kJ/mol,比a1_S-TS1產(chǎn)生的能壘略低.

2) 第2基元反應(yīng).a_S-INT1經(jīng)4H從α-C(3C)向1N遷移的過渡態(tài)a_TS2,異構(gòu)成氨基質(zhì)子化的中間體a_INT2,質(zhì)子化氨基不穩(wěn)定,其上面的質(zhì)子易向3C遷移,S-Phe實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu),此時R-基上的苯環(huán)尚未從紙面里轉(zhuǎn)到紙面外.從a_S-INT1到a_TS2過程,3C—4H鍵長由0.109 4 nm拉伸至0.135 6 nm,3C—1N鍵長由0.144 9 nm拉伸至0.156 5 nm,活性中心骨架二面角1N-3C-5C-6C由126.90°變?yōu)?40.76°,2個化學(xué)鍵較長的拉伸斷裂和較大的骨架形變需較多的能量,a_TS2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為259.71 kJ/mol.

3) 第3基元反應(yīng).a_INT2經(jīng)亞甲基7H—5C—8H繞3C—5C鍵軸左視順時針旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)a_TS3,異構(gòu)成a_INT3.從a_INT2到a_TS3過程是化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn),所需能量較小,a_TS3產(chǎn)生的能壘為12.86 kJ/mol.經(jīng)該基元亞甲基繞3C—5C鍵旋轉(zhuǎn)帶動苯環(huán)從紙面內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)到紙面外側(cè).結(jié)構(gòu)分析表明：a_INT2的苯環(huán)、7H和8H分別與a_INT3的苯環(huán)、7H和8H關(guān)于骨架1N-3C-5C-6C-10O-22O對稱,從a_INT2到a_INT3完成了R-基的鏡像對稱異構(gòu).

4) 第4基元反應(yīng).a_INT3經(jīng)與a_TS2對稱的過渡態(tài)a_TS4,異構(gòu)成a_R-INT4,實(shí)現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變.結(jié)構(gòu)分析表明,S-Phe到a_R-INT4基本實(shí)現(xiàn)了骨架1N-3C-5C-6C和α-H的鏡像對稱異構(gòu).從a_INT3到a_TS4過程,1N—2H和1N—3C鍵長分別由0.102 1,0.147 8 nm拉伸至0.116 7,0.156 5 nm后斷裂,2個化學(xué)鍵的拉伸斷裂均需一定的能量.由于2個化學(xué)鍵的拉伸幅度小于從a_S-INT1到a_TS2過程,且從a_INT3到a_TS4過程,3C從空配狀態(tài)向滿配狀態(tài)過渡,釋放能量,因此a_TS4遠(yuǎn)低于a_TS2產(chǎn)生的能壘,產(chǎn)生的能壘僅為111.82 kJ/mol.

5) 第5基元反應(yīng).a_R-INT4經(jīng)氨基左右翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)a_TS5,異構(gòu)成a_R-INT5,減小了空間位阻并增加了1N對23H的庫侖引力作用,為羧羥基從順式向反式平面結(jié)構(gòu)異構(gòu)創(chuàng)造了條件.該基元反應(yīng)是非骨架形變的二面角改變,所需能量較少,a_TS5產(chǎn)生的能壘僅為17.96 kJ/mol.

6) 第6基元反應(yīng).a_R-INT5經(jīng)與第1基元反應(yīng)相似的過渡態(tài)a1_R-TS6和a2_R-TS6,構(gòu)象異構(gòu)成產(chǎn)物a_P_R-Phe,a1_R-TS6和a2_R-TS6產(chǎn)生的能壘分別為43.07,40.29 kJ/mol.結(jié)構(gòu)分析表明,a_P_R-Phe與S-Phe鏡像對稱,即S-Phe到a_P_R-Phe實(shí)現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變.

2.1.2 氣相S-Phe分子在通道b的手性對映體轉(zhuǎn)變 氣相S-Phe分子在通道b的手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)的勢能剖面如圖3中b路線所示，反應(yīng)歷程如圖4所示.

1) 第1基元反應(yīng).S-Phe經(jīng)21H從3C向10O遷移的過渡態(tài)b_TS1,異構(gòu)成中間體b_INT1.從S-Phe到b_TS1過程,3C—21H鍵長由0.109 5 nm拉伸至0.154 0 nm,活性中心骨架二面角1N-3C-5C-6C由125.54°變?yōu)?30.96°,化學(xué)鍵大幅度拉伸和骨架形變需較多的能量,b_TS1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為287.96 kJ/mol.b_TS1大于a_TS1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘,這是由于3C—21H鍵拉伸的幅度較大所致.

2) 第2基元反應(yīng).b_INT1經(jīng)與a_TS3相似的過渡態(tài)b_TS2,R-基鏡像對稱異構(gòu),形成中間體b_INT2,b_TS2產(chǎn)生的能壘為10.20 kJ/mol,該基元反應(yīng)相似于2.1.1中的第3基元反應(yīng),故略.

3) 第3基元反應(yīng).b_INT2經(jīng)與a1_S-TS1和a2_S-TS1相似的過渡態(tài)bj_TS3和bk_TS3,21H轉(zhuǎn)到羧基的內(nèi)側(cè),異構(gòu)成中間體b_INT3.bj_TS3和bk_TS3產(chǎn)生的能壘基本相同,分別為7.02,7.88 kJ/mol.

4) 第4基元反應(yīng).b_INT3經(jīng)23H從羧基向氨基遷移的過渡態(tài)b_TS4,異構(gòu)成中間體b_INT4.從b_INT3到b_TS4過程,22O—23H的鍵長由0.097 3 nm拉伸至0.133 7 nm,拉伸幅度較??；b_TS4的鍵角22O-23H-1N為137.78°,且存在氫鍵；二面角1N-23H-22O-6C和3C-6C-22O-23H分別為-0.89°,1.73°,過渡態(tài)五元環(huán)共面.因此b_TS4較穩(wěn)定,產(chǎn)生的能壘較低,僅為41.44 kJ/mol.

中間體b_INT4比b_TS4的單點(diǎn)能低5.65 kJ/mol,但經(jīng)零點(diǎn)振動能校正后,前者比后者高了5.21 kJ/mol.表明考慮零點(diǎn)振動能校正后,b_INT3經(jīng)b_TS4到b_INT4的逆反應(yīng)變成了無勢壘過程,僅需提供46.65(41.44+5.21)kJ/mol的能量,質(zhì)子即可在b_INT3和b_INT4之間自由移動,顯示其具有較高的離域性.其原因?yàn)椋孩?b_INT4與23H—22O的距離(0.182 3 nm)小于b_INT3與1N—23H的距離(0.208 1 nm),b_INT4中23H—22O的成鍵臨界點(diǎn)(BCP)電荷密度為0.039 6 a.u.,大于b_INT3中1N-23H的BCP電荷密度(0.025 9 a.u.),因此前者具有較強(qiáng)的氫鍵,體系不穩(wěn)定；② 從b_INT3到b_INT4過程,23H凈遷移了0.103 2 nm,大于b_INT4到b_INT3過程中23H的凈遷移距離(0.085 0 nm),導(dǎo)致b_INT4易向b_INT3異構(gòu);③ 根據(jù)DKL理論模型和經(jīng)典的質(zhì)子轉(zhuǎn)移理論,b_TS4中氫鍵斷裂使相關(guān)振動的力常數(shù)減小,其零點(diǎn)振動能低于其連接的反應(yīng)物和產(chǎn)物的零點(diǎn)振動能,從而導(dǎo)致零點(diǎn)振動能校正后b_TS4產(chǎn)生的能壘在某方向消失.

5) 第5基元反應(yīng).b_INT4經(jīng)羧基內(nèi)質(zhì)子遷移的過渡態(tài)b_TS5,構(gòu)型異構(gòu)成b_INT5.結(jié)構(gòu)分析表明,b_INT5的構(gòu)象與a_INT3相同,其異構(gòu)反應(yīng)歷程與a_INT3的反應(yīng)歷程相同,故略.從b_INT4到b_TS5過程,10O—21H的鍵長由0.096 2 nm拉伸至0.129 3 nm,斷裂,一個化學(xué)鍵拉伸且斷裂,同時四元環(huán)過渡態(tài)b_TS5張力較大.b_TS5產(chǎn)生的能壘為116.29 kJ/mol.

由圖3可見：通道a速控步驟的內(nèi)稟能壘為259.71 kJ/mol,反應(yīng)的活化能(表觀能壘)為270.26 kJ/mol.通道b速控步驟的內(nèi)稟能壘和反應(yīng)的活化能(表觀能壘)相同,為287.96 kJ/mol,可見通道a具有優(yōu)勢.259.71 kJ/mol遠(yuǎn)高于質(zhì)子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[21],表明氣相S-Phe分子具有較好的穩(wěn)定性.

圖4 氣相S-Phe分子在通道b的手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)歷程Fig.4 Reaction process of chiral enantiomer transition of gas phase S-Phe molecule in channel b

2.2 水分子簇對S-Phe分子手性對映體轉(zhuǎn)變的催化作用

2.2.1 通道a中的催化過程 由圖3可見,S-Phe分子在通道a中手性對映體轉(zhuǎn)變的第2和第4基元反應(yīng)分別為決速步驟和次決速步驟,即質(zhì)子從α-C向氨基N和質(zhì)子從氨基N向α-C的遷移過程.計(jì)算表明,2個水分子簇對氨基酸質(zhì)子轉(zhuǎn)移的催化作用與3個水分子簇相差較小,因此本文僅討論2個水分子簇對這兩個反應(yīng)過程的催化作用,反應(yīng)歷程如圖5所示,反應(yīng)的勢能面如圖6(A)所示.

圖5 2個水分子簇在通道a對S-Phe分子手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)的催化歷程Fig.5 Catalytic process of two water molecule clusters for chiral enantiomer transition reaction of S-Phe molecule in channel a

1) 第2基元反應(yīng).首先,a_S-INT1的1N和23H與其前面的2個水分子簇通過氫鍵作用形成配合物a_S-INT1·(H2O)2(m).其次,a_S-INT1·(H2O)2(m)經(jīng)過渡態(tài)a_TS2·(H2O)2(m)構(gòu)型異構(gòu)成中間體配合物a_INT2·(H2O)2(m),實(shí)現(xiàn)了α-H從3C向1N的凈遷移,a_TS2·(H2O)2(m)靠近產(chǎn)物,是晚期過渡態(tài).最后,a_INT2·(H2O)2(m)的a_INT2和(H2O)2的氫鍵解離后可得到a_INT2.配合物a_S-INT1·(H2O)2(m)的氫鍵能為45.67 kJ/mol,相對于a_S-INT1+(H2O)2是富能分子,氫鍵能可作為a_S-INT1·(H2O)2(m)繼續(xù)反應(yīng)的資用能.從a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)過程,3C—23H,21O—27H,28O—25H,3C—1N的鍵長分別由0.109 7,0.097 3,0.098 5,0.146 2 nm拉伸至0.129 5,0.150 6,0.164 0,0.149 9 nm,活性中心二面角1N-3C-4C-5C由129.32°變?yōu)?28.44°,3個化學(xué)鍵拉伸明顯,骨架形變較?。籥_TS2·(H2O)2(m)的七元環(huán)結(jié)構(gòu)中存在3個較強(qiáng)的氫鍵且接近平面,七元環(huán)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定.因此a_TS2·(H2O)2(m)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘較低,僅為126.47 kJ/mol,遠(yuǎn)小于裸反應(yīng)中該基元的內(nèi)稟能壘259.71 kJ/mol.表明2個水分子簇具有較好的催化作用.

2) 第4基元反應(yīng).首先,a_INT3的3C和25H與其后面的2個水分子簇通過氫鍵作用形成配合物a_INT3·(H2O)2(n),其氫鍵結(jié)合能為81.84 kJ/mol.其次,a_INT3·(H2O)2(n)經(jīng)配合物過渡態(tài)a_TS4·(H2O)2(n)構(gòu)型異構(gòu)成中間體產(chǎn)物配合物a_R-INT4·(H2O)2(n),實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從1N向3C的凈遷移,S-Phe實(shí)現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變,a_TS4·(H2O)2(n)靠近反應(yīng)物,是早期過渡態(tài).從a_INT3·(H2O)2(n)到a_TS4·(H2O)2(n)過程,1N—25H,28O—27H,24O—23H,3C—1N的鍵長分別由0.103 9,0.098 2,0.099 6,0.149 0 nm拉伸至0.106 0,0.102 8,0.131 9,0.149 9 nm,活性中心二面角1N-3C-4C-5C由-138.31°變?yōu)?128.44°,3個化學(xué)鍵的拉伸幅度明顯小于a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)過程中這3個化學(xué)鍵的拉伸幅度,且該過程的二面角1N-3C-4C-5C形變導(dǎo)致3C從空配狀態(tài)向滿配狀態(tài)過渡,釋放能量；由于a_TS4·(H2O)2(n)和a_TS2·(H2O)2(m)的七元環(huán)結(jié)構(gòu)相似,因此a_TS4·(H2O)2(n)遠(yuǎn)小于a_TS2·(H2O)2(m)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘,僅為14.76 kJ/mol.配合物a_R-INT4·(H2O)2(n)是質(zhì)子從質(zhì)子化氨基向α-C凈遷移的產(chǎn)物,質(zhì)子凈遷移拉近了體系正負(fù)電荷中心的距離,使體系較穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)分析表明,a_R-INT4·(H2O)2(n)體系存在1個分子內(nèi)的弱雙氫鍵、1個氨基與苯環(huán)間的π氫鍵、2個強(qiáng)氫鍵和1個分子間的弱氫鍵.因此,a_R-INT4·(H2O)2(n)體系在勢能面上處于較低的位置(-193.56 kJ/mol).由圖6(A)可見,a_INT3·(H2O)2(n)的可資用能遠(yuǎn)大于a_TS4·(H2O)2(n)產(chǎn)生的能壘,且a_R-INT4·(H2O)2(n)解離后的總能也低于反應(yīng)物a_INT3+(H2O)2的總能.因此,該基元反應(yīng)為放熱反應(yīng).

2.2.2 通道b中的催化過程 由圖3可見,S-Phe在通道b中手性對映體轉(zhuǎn)變的第1,4,5基元反應(yīng)分別為決速步驟和次決速步驟,即質(zhì)子從α-C向羰基O、質(zhì)子從質(zhì)子化羧基向氨基N和羧基內(nèi)的質(zhì)子遷移過程.水分子(簇)催化S-Phe分子在通道b的手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng),先以水分子(簇)為質(zhì)子遷移媒介,質(zhì)子從α-C遷移到羰基O,再經(jīng)裸反應(yīng)的第2基元反應(yīng)過程,完成R-基的鏡像對稱異構(gòu).之后過程是兩個路徑：1) 水分子(簇)作為質(zhì)子遷移媒介,質(zhì)子從羰基O遷移到α-C的路徑b*;2) 原來的通道b,命名為路徑b.對于路徑b的第1,5基元反應(yīng)和路徑b*上的基元反應(yīng),僅考察2個水分子簇的催化;對于路徑b的第4基元反應(yīng),2個水分子簇的催化效果較差,因此僅考察1個水分子的催化,反應(yīng)勢能面如圖6(B)所示,反應(yīng)歷程如圖7所示.

圖6 水分子(簇)對S-Phe分子手性對映體轉(zhuǎn)變催化反應(yīng)的勢能面Fig.6 Potential energy surfaces of catalytic process of water molecules (clusters) for chiral enantiomer transition of S-Phe molecule

圖7 水分子(簇)在通道b對S-Phe分子手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)的催化歷程Fig.7 Catalytic process of water molecules (clusters) for chiral enantiomer transition reaction of S-Phe molecule in channel b

1) 第1基元反應(yīng).首先,S-Phe的25H和9O與其前面的2個水分子簇形成氫鍵配合物b_S-Phe·(H2O)2(m),氫鍵能為46.58 kJ/mol.其次,b_S-Phe·(H2O)2(m)經(jīng)質(zhì)子從α-C向羰基O遷移的過渡態(tài)b_TS1·(H2O)2(m),構(gòu)型異構(gòu)成中間體配合物b_INT1·(H2O)2(m).最后,b_INT1·(H2O)2(m)解離成b_INT1和(H2O)2,解離能為47.07 kJ/mol.從b_S-Phe·(H2O)2(m)到b_TS1·(H2O)2(m)過程,3C—25H,28O—27H,24O—23H的鍵長由0.109 5,0.097 4,0.097 5 nm分別拉伸至0.130 7,0.141 0,0.138 8 nm,反應(yīng)活性中心二面角1N-3C-4C-5C由124.54°變?yōu)?28.57°,化學(xué)鍵的拉伸幅度與a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)過程中這些化學(xué)鍵拉伸幅度相近,但骨架形變增加.對b_TS1·(H2O)2(m)的結(jié)構(gòu)分析表明,其七元環(huán)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,因此b_TS1·(H2O)2(m)比a_TS2·(H2O)2(m)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘大,其值為153.54 kJ/mol,遠(yuǎn)小于裸反應(yīng)中該基元的內(nèi)稟能壘287.96 kJ/mol,表明2個水分子簇對該基元反應(yīng)具有較好的催化作用.

2) 路徑b*.路徑b*為第3基元反應(yīng),是第1基元反應(yīng)的逆反應(yīng).b*_INT2·(H2O)2(n)經(jīng)過渡態(tài)b*_TS3·(H2O)2(n),實(shí)現(xiàn)了23H從9O向3C的凈遷移,異構(gòu)成b*_P_R-Phe·(H2O)2(n).結(jié)構(gòu)分析表明,b*_P_R-Phe·(H2O)2(n)與b_S-Phe·(H2O)2(m)鏡像對稱,b*_P_R-Phe與S-Phe鏡像對稱,S-Phe實(shí)現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變.b_INT2·(H2O)2(n)的氫鍵能為47.07 kJ/mol,b*_P_R-Phe·(H2O)2(n)的解離能為46.57 kJ/mol,b*_TS3·(H2O)2(n)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為52.06 kJ/mol.

3) 路徑b的第4基元反應(yīng).b_INT3·H2O(u)經(jīng)水分子為媒介質(zhì)子遷移的過渡態(tài)b_TS4·H2O(u),實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從22O向1N的凈遷移,異構(gòu)成中間體b_INT4·H2O(u).b_INT3·H2O(u)的氫鍵能為28.16 kJ/mol,b_INT4·H2O(u)的解離能為44.92 kJ/mol.從b_INT3·H2O(u)到b_TS4·H2O(u)過程,22O—23H和24O—25H的鍵長由0.098 3,0.098 5 nm分別拉伸至0.119 9,0.128 8 nm,拉伸幅度較?。唤Y(jié)構(gòu)分析表明,七元環(huán)過渡態(tài)b_TS4·H2O(u)的2個氫鍵較強(qiáng),七元環(huán)結(jié)構(gòu)基本共面,較穩(wěn)定.因此b_TS4·H2O(u)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘僅為28.38 kJ/mol.與裸反應(yīng)的情形相似,b_INT4·H2O(u)比b_TS4·H2O(u)的單點(diǎn)能低14.29 kJ/mol,但經(jīng)零點(diǎn)振動能校正后,b_INT4·H2O(u)比b_TS4·H2O(u)的總能量高了1.52 kJ/mol,該基元反應(yīng)的逆反應(yīng)變?yōu)闊o勢壘過程,僅需提供29.90 kJ/mol的能量,質(zhì)子即可以水分子為媒介在氨基和羧基間遷移,表現(xiàn)出較高的離域性.原因如下：① b_INT3·H2O(u)中25H與1N的距離為0.181 8 nm,大于b_INT4·H2O(u)中25H與24O的距離；b_INT3·H2O(u)中24O—25H鍵長為0.098 5 nm,小于b_INT4·H2O(u)中25H—1N鍵長0.104 9 nm,因此b_INT3·H2O(u)的24O—25H鍵更不易斷裂,25H易向24O遷移,b_INT4·H2O(u)的23H易向22O遷移.b_INT4·H2O(u)比b_INT3·H2O(u)的穩(wěn)定性差,前者易向后者異構(gòu).② b_TS4·H2O(u)中氫鍵的斷裂使相關(guān)振動的力常數(shù)減小,其零點(diǎn)振動能低于其連接的反應(yīng)物和產(chǎn)物的零點(diǎn)振動能,導(dǎo)致零點(diǎn)振動能校正后b_TS4·H2O(u)產(chǎn)生的能壘在某方向消失.

4) 路徑b的第5基元反應(yīng).b_INT4·(H2O)2(v)經(jīng)羧基內(nèi)2個水分子簇為質(zhì)子遷移媒介的過渡態(tài)b_TS5·(H2O)2(v),實(shí)現(xiàn)了23H從10O向21O的凈遷移,異構(gòu)為中間體b_INT5·(H2O)2(v).b_INT4·(H2O)2(v)的氫鍵能為59.71 kJ/mol,b_INT5·(H2O)2(v)的解離能為66.48 kJ/mol.從b_INT4·(H2O)2(v)到b_TS5·(H2O)2(v)過程,10O—23H,24O—25H,29O—26H的鍵長分別由0.098 3,0.097 9,0.098 6 nm拉伸至0.117 9,0.120 9,0.123 9 nm后斷裂,拉伸幅度小于a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)和b_S-Phe·(H2O)2(m)到b_TS1·(H2O)2(m)過程中主要化學(xué)鍵的拉伸幅度,且骨架結(jié)構(gòu)基本沒變；結(jié)構(gòu)分析表明,b_TS5·(H2O)2(v)的八元環(huán)結(jié)構(gòu)中氫鍵強(qiáng)度及共面程度均優(yōu)于過渡態(tài)a_TS2·(H2O)2(m)和b_TS1·(H2O)2(m)的環(huán)形結(jié)構(gòu).因此,b_TS5·(H2O)2(v)遠(yuǎn)小于a_TS2·(H2O)2(m)和b_TS1·(H2O)2(m)產(chǎn)生的能壘,其內(nèi)稟能壘為40.75 kJ/mol.

由圖6(A)可見,若不考慮a_INT2·(H2O)2(m)的解離過程(計(jì)算表明a_INT2·(H2O)2(m)不解離對其后續(xù)每個基元反應(yīng)能壘的影響極小),2個水分子簇催化S-Phe在通道a的手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng),在水氣相環(huán)境下的活化能為80.80 kJ/mol.a_S-INT1與2個水分子簇作用形成氫鍵配合物a_S-INT1·(H2O)2(m)釋放的能量為45.67 kJ/mol,可為下一級反應(yīng)提供能量,此時的活化能取總包能壘(表觀能壘).80.80 kJ/mol遠(yuǎn)小于質(zhì)子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[21],表明2個水分子簇的催化可使S-Phe分子在通道a實(shí)現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變.由圖6(B)可見,水分子(簇)催化的S-Phe分子在通道b的手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng),在水氣相環(huán)境下的活化能為106.96 kJ/mol,遠(yuǎn)小于質(zhì)子遷移的極限能壘167.00 kJ/mol[21],表明水分子(簇)的催化也可使S-Phe分子在通道b實(shí)現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變.在通道a比通道b的手性對映體轉(zhuǎn)變反應(yīng)具有優(yōu)勢.

綜上所述,Phe分子手性對映體轉(zhuǎn)變裸反應(yīng)有a和b兩個通道,分別為質(zhì)子以氨基氮為橋梁和以羰基氧與氨基氮順次為橋梁遷移；當(dāng)水分子(簇)作為氫遷移媒介時,增加了質(zhì)子僅以羰基氧為橋梁遷移的反應(yīng)路徑b*.勢能面計(jì)算表明：優(yōu)勢反應(yīng)通道為通道a,速控步驟的內(nèi)稟能壘為259.71 kJ/mol,反應(yīng)的活化能為270.26 kJ/mol.在水分子(簇)催化的情形下,優(yōu)勢反應(yīng)通道仍為通道a,2個水分子簇催化使速控步驟的內(nèi)稟能壘降至126.47 kJ/mol,反應(yīng)的表觀能壘降至80.80 kJ/mol.質(zhì)子從氨基向羧基遷移的反應(yīng)中存在一個較小的能壘,考慮零點(diǎn)振動能后,該能壘消失.因此,水分子(簇)催化可實(shí)現(xiàn)Phe分子的手性對映體轉(zhuǎn)變,從而解釋了生命體內(nèi)右旋Phe分子的一個來源,說明光學(xué)純的Phe分子應(yīng)保存在干燥環(huán)境中,同時為在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)Phe的手性對映體轉(zhuǎn)變提供了新途徑.