水液相环境下α-丙氨酸分子的旋光异构及氢氧根和羟基自由基的作用

水液相环境下 α -丙氨酸分子的旋光异构及氢氧根和羟基自由基的作用 Optical Isomerization of α -Alanine Molecules and Roles of Hydroxyl Ions and Hydroxyl Radicals in Water Liquid Phase Environment 1 first-author 杨晓翠，女，教授，现从事计算物理化学研究。E-mail：yxc0622@163.com 杨晓翠，女，教授，现从事计算物理化学研究。E-mail： yxc0622@163.com yxc0622@163.com 1 1 2 1 corresp 王佐成, E-mail:wangzc188@163.com 王佐成, E-mail:wangzc188@163.com wangzc188@163.com 白城师范学院 物理学院，吉林 白城 137000 白城师范学院 物理学院，吉林 白城 137000 College of Physics, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China College of Physics, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China 白城师范学院 计算机科学学院，吉林 白城 137000 白城师范学院 计算机科学学院，吉林 白城 137000 College of Computer Science, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China College of Computer Science, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China 在MP2/6-311++G(3df, 2pd)//B3LYP/6-31+G(d, p)水平，采用自洽反应场(SCRF)理论的SMD模型研究了水液相环境下具有氨基和羧基间双氢键的 α -丙氨酸( α -Ala)分子的旋光异构。研究发现： α -Ala的旋光异构有a、b和c三个反应通道，分别是质子以羰基氧、羧基及氨基为桥从手性碳的一侧迁移到另一侧。势能面计算结果显示：2个水分子簇的催化及溶剂效应的作用下，三个反应通道的决速步骤能垒分别为154.96、171.79和123.98 kJ·mol -1 ，反应通道c为优势通道；3个水分子簇作氢迁移媒介时，反应通道c的决速步骤能垒降至109.61 kJ·mol -1 。氢氧根水分子团簇的催化使该能垒降至61.83 kJ·mol -1 。羟基自由基水分子簇致 α -Ala损伤有水分子拔氢和羟基自由基拔氢两种机理，反应能垒分别为23.84、80.34 kJ·mol -1 。结果表明：水液相环境下， α -Ala分子可缓慢地发生旋光异构，氢氧根水分子簇的催化可使 α -Ala分子较快地旋光异构，羟基自由基水分子簇可使 α -Ala分子迅速损伤。 In water liquid phase environment, optical isomerization of α -alanine ( α -Ala) with dihydrogen bond between amino and carboxyl groups was researched by using solvation model density (SMD) model based on self-consistent reaction field (SCRF) theory in MP2/6-311++G(3df, 2pd)//B3LYP/6-31+G(d, p) level. The study shows that there are three channels a, b and c in the optical isomerization reaction of α -Ala, where protons are transferred from one side to the other of the chiral C with carbonyl oxygen, carboxyl and amino groups as a bridge, respectively. Calculations of potential energy surface show that energy barriers of the rate-determining step of three reaction channels a, b and c are 154.96, 171.79 and 123.98 kJ·mol -1 respectively with the help of two water molecules clusters catalyst and solvent effect, and channel c is the dominant reaction. In addition, the energy barrier of the step-determining of dominant reaction channel c is reduced to 109.61 kJ·mol -1 with three water molecule clusters as hydrogen transfer agents, and the catalysis of the hydroxyl ion water clusters can reduce the barrier to 61.83 kJ·mol -1 . There are two mechanisms for α -Ala damage induced by hydroxyl radical water clusters: one is H-atom abstraction of water molecules, and the other is H-atom abstraction of hydroxyl radicals, and the corresponding reaction energy barriers are 23.84 and 80.34 kJ·mol -1 , respectively. The results show that α -Ala molecules in water liquid phase environment take place optical isomerization slowly, the presence of hydroxyl ion water clusters causes the faster optical isomerization of α -Ala molecules, and the presence of hydroxyl radical water clusters causes damage to α -Ala molecule rapidly. 旋光异构 α -丙氨酸 密度泛函理论 过渡态 微扰理论 自洽反应场 溶剂效应 optical isomerization α -alanine density functional theory transition state perturbation theory self- consistent reaction field (SCRF) solvent effect 引言 1 α -丙氨酸( α -alanine, α -Ala)是生命体的重要氨基酸，有左旋( S-α -Ala)和右旋( R-α -Ala)两种异构体。左旋体可帮助葡萄糖代谢、辅助治疗低血糖，右旋体可以抑菌，还可用于手性制药等领域。生命体内仅存在微量的 R-α -Ala [ 1 1 , 2 2 ] ，如果过量可引起帕金森和衰老症等多种疾病。 R-α -Ala的来源部分是 S-α -Ala的旋光异构。 由于单一手性 α -Ala的重要作用，研究者对其进行了大量研究。文献[ 3 3 , 4 4 ]对 α -Ala分子的两种异构体构象进行了理论研究，得到了它们的红外振动频率。文献[ 5 5 ]研究了295 K和60 K时， α -Ala手性对映体的结构特征以及 S-α -Ala旋光异构的可能性。文献[ 6 6 ~ 10 10 6~10 ]的研究发现：以羰基、羧基、羧基和甲基联合及以氨基作为质子迁移桥梁， α -Ala分子旋光异构裸反应决速步骤的能垒分别为326.6、316.3、337.4和266.1 kJ·mol -1 ；在2个水分子簇的催化作用下，以羰基作为氢迁移桥梁，旋光异构决速步骤的能垒被降至173.0 kJ·mol -1 ；羧基内先氢迁移，然后手性碳上的氢再以羰基为桥梁迁移，旋光异构决速步骤的能垒被降至167.8 kJ·mol -1 ；以氨基作为氢迁移桥梁，决速步骤能垒降至138.6 kJ·mol -1 。文献[ 11 11 ]研究表明：随着扶手椅型SWBNNT孔径尺寸的减小， α -Ala旋光异构决速步骤能垒急剧减小，在SWBNNT(5, 5)内决速步骤吉布斯自由能垒为201.1 kJ·mol -1 ，是由质子从手性碳向氨基氮和质子从氨基氮向羰基氧双质子协同迁移的过渡态产生的。 α -Ala旋光异构的研究已较深入，但对解释生命体内 α -Ala的旋光异构并不理想。生命体是富水环境，上述研究或未考虑水的溶剂效应，或未考虑驻点结构在水液相环境与水汽相环境的不同。生命体内还存在危害极大的羟基自由基(OH · )，另外，氢氧根(OH － )数量过多时，也将会严重影响健康 [ 12 12 ] ，但相关机理的研究鲜见报道。根据文献[ 13 13 ]的报道，氨基酸的氨基与羧基之间为分子内双氢键时分子构象稳定。基于此，本工作研究了水液相环境下具有氨基和羧基间双氢键的 α -Ala分子的旋光异构，以及氢氧根的作用和羟基自由基致其损伤的机理。 研究与计算方法 1 采用自洽反应场(SCRF)理论的SMD模型方法 [ 14 14 ] ，在B3LYP [ 15 15 ] /6-31+G(d, p)水平优化反应的驻点。为获得高水平的反应势能面，在MP2 [ 16 16 ] /6-311++G(3df, 2pd)水平计算溶剂化单点能。用 G total = G tc + E SP ( G tc 和 E SP 分别为自由能热校正和单点能)计算总自由能，过渡态 [ 17 17 ] 以内禀反应坐标(IRC) [ 18 18 ] 计算确认。 α -Ala分子可与其右侧、前面和后面的2个水分子簇通过氢键作用形成氢键配合物，分别记作 α -Ala·2H 2 O(l)、 α -Ala·2H 2 O(m)和 α -Ala·2H 2 O(n)(l、m和n分别表示水分子簇在 α -Ala分子右侧、前面和后面)，其余体系表示方法类似。文中计算均由Gaussian 09 [ 19 19 ] 软件完成。 结果与讨论 1 首先，对水液相环境下 S-α -Ala和 R-α -Ala的几何构型进行优化，得到 图 1 图 1 所示的互为手性对映体的构象。10O—7H和10O—8H的距离分别为0.271 3，0.285 7 nm，说明 图 1 图 1 所示的 α -Ala分子内羧基和氨基之间存在两条氢键，构象稳定。 根据理论计算发现：水液相环境下 α -Ala分子旋光异构有a、b和c三个通道，a是以羰基氧为桥迁移，b是羧基内质子迁移后α-氢再以新羰基氧为桥迁移，c是 α -氢以氨基氮为桥从手性碳的一侧迁移到另一侧，c通道为优势通道；羟基自由基水分子簇致Ala损伤有水分子拔氢和羟基自由基拔氢两种机理。 水液相环境下 α -Ala分子的旋光异构 2 文献[ 7 7 , 8 8 , 10 10 ]研究表明，2个水分子簇对 α -Ala分子内的质子迁移过程有较好的催化作用，3个水分子的催化作用略好于2个水分子，1个水分子的催化作用较差。本文仅讨论2个水分子簇在a和b通道上、2和3个水分子簇以及氢氧根的水分子团簇在优势通道c上对质子迁移过程的催化。 水液相环境下 S-α -Ala分子旋光异构a、b和c三个通道的反应历程，分别见 图 2 图 2 ~ 图 4 图 4 ，旋光异构反应的势能剖面，分别见 图 5A 图 5A 、 B B 和 C C 。 反应通道a 3 如 图 2 图 2 所示，首先是第一基元反应。 S-α -Ala经过渡态a_TS1实现氨基团俯视逆时针旋转，异构成中间体a_INT1。从 S-α -Ala到a_TS1过程，二面角8H—6N—1C—9C从-55.63°变为-120.69°，a_TS1产生的能垒是11.60 kJ·mol -1 。 然后是第二基元反应。a_INT1与其前面的2个水分子簇通过氢键作用形成的配合物a_INT1·2H 2 O(m)经过渡态a_TS2·2H 2 O(m)异构成中间体配合物a_INT2·2H 2 O(m)。13H、18H和16H的迁移顺次完成，a_TS2·2H 2 O(m)是3质子协同非同步迁移过渡态。a_TS2·2H 2 O(m)的七元环结构氢键角1C—13H—14O、14O—18H—15O和15O—16H—10O分别为164.75°、166.56°和168.52°，氢键较强；二面角1C—13H—14O—18H、14O—18H—15O—16H和18H—15O—16H—10O分别为-62.32°、-23.95°和-11.28°，偏离平角不大，过渡态a_TS2·2H 2 O的七元环结构张力不大，结构较稳定，产生的能垒不高。但活性中心骨架二面角6N—1C—4C—9C从122.43°变为157.14°，骨架形变较大；从a_INT1·2H 2 O(m)到a_TS2·2H 2 O(m)过程，1C—13H、14O—18H和15O—16H键长从0.110 6、0.097 6和0.097 9 nm分别拉伸至0.180 7、0.111 8和0.102 1 nm，键断裂。较大的骨架形变和3个化学键的断裂需要一定的能量，a_TS2·2H 2 O(m)产生的能垒是154.96 kJ·mol -1 ，与2个水分子簇催化的此基元能垒173.59 kJ·mol -1 [ 8 8 ] 相比明显下降，说明水溶剂起到了助催化作用。 接着是第三和第四基元反应。a_INT2·2H 2 O(m)脱去水分子，a_INT2经氨基逆时针旋转和羟基向纸面内侧旋转协同进行的过渡态a_TS3，异构成中间体a_INT3，此基元反应是无势垒反应。结构分析表明，a_INT3的骨架原子比a_INT2的骨架原子共面程度高，非骨架原子相对于骨架原子均面对称，因此，a_INT3的骨架原子的π键强于a_INT2，a_INT3比a_INT2构象稳定。然后，a_INT3经和a_TS3对称的过渡态a_TS4异构成和a_INT2对称的中间体a_INT4。此基元只是二面角异构，能垒只有11.30 kJ·mol -1 。 最后是第五和第六基元反应。a_INT4与其后面的2水分子簇形成的氢键配合物a_INT4·2H 2 O(n)，经过渡态a_TS5·2H 2 O(n)，异构成第1产物的水分子配合物a-P1_ R-α -Ala·2H 2 O(n)，完成旋光异构。a_TS5·2H 2 O(m)是3质子协同非同步迁移过渡态，与a_TS2·2H 2 O(m)相似，a_TS5· 2H 2 O(n)较稳定，不会产生太高的能垒。从a_INT4·2H 2 O(n)到a_TS5·2H 2 O(n)过程，14O—13H、15O—18H和10O—16H分别从0.098 2、0.098 2和0.098 7 nm拉伸至0.104 4、0.133 5和0.158 7 nm，3个化学键的拉伸需要一定的能量，但骨架二面角6N—1C—4C—9C从-169.85°变为-157.28°，1C从sp 2 杂化向sp 3 杂化过渡，体系需要释放能量。因此，a_TS5·2H 2 O(n)产生的能垒并不高，只有56.76 kJ·mol -1 。a-P1_ R-α -Ala·2H 2 O(n)存在2个较强的分子间氢键和1个较弱的分子间氢键，构象稳定。当a-P1_ R-α -Ala和2H 2 O(n)之间的氢键断裂，a-P1_ R-α -Ala可以经过渡态a_TS6实现氨基旋转异构，形成产物a-P2_ R-α -Ala。此基元反应与第一基元反应的逆反应相似，反应能垒是6.04 kJ·mol -1 .a-P2_ R-α -Ala具有氨基和羧基间的分子内双氢键，构象稳定，且与 S-α -Ala镜像对称，即 S-α -Ala实现了手性对映体转变。 反应通道b 3 如 图 3 图 3 所示，首先是第一基元反应。 S-α -Ala与右侧的2个H 2 O分子通过氢键作用形成的配合物b_ S-α -Ala·2H 2 O(l)，经过渡态b_ S -TS1·2H 2 O(l)，异构成中间体配合物b_ S -INT1·2H 2 O(l)。b_ S -TS1·2H 2 O(l)的七元环结构的氢键角11O—12H—14O、14O—15H—19O和14O—15H—19O分别为173.52°、165.38°和173.36°，氢键更强；二面角11O—12H—14O—15H、14O—15H—19O—16H和15H—19O—16H—10O分别为19.31°、18.38°和-23.50°，偏离平角较小，七元环结构稳定；从b_ S-α -Ala·2H 2 O(l)到b_ S -TS1·2H 2 O(l)，活性中心骨架二面角1C—9C—11O—10O从179.32°变为178.53°，基本没变，b_ S -TS1·2H 2 O(l)产生的能垒不高。从b_ S-α -Ala·2H 2 O(l)到b_ S -TS1·2H 2 O(l)，11O—12H、14O—15H和19O—16H键长分别从0.101 3、0.098 8和0.098 2 nm拉伸至0.149 6、0.121 3和0.104 1 nm，键断裂，3个化学键拉伸不是很大，b_ S -TS1·2H 2 O(l)产生的能垒只有34.58 kJ·mol -1 。与只是2个水分子簇催化的此基元的能垒49.90 kJ·mol -1 [ 7 7 ] 相比明显下降，水溶剂起到了较好的助催化作用。 然后是第二基元反应。b_ S -INT1与其右侧2H 2 O(l)之间的氢键断开，与其前面的2个水簇通过氢键作用形成配合物b_ S -INT1·2H 2 O(m)。b_ S -INT1·2H 2 O(m)经过渡态b_TS2·2H 2 O(m)异构成第2中间体b_INT2·2H 2 O(m)，实现了质子从 α -碳向新羰基氧11O的迁移，此时羧基质子化。此基元反应机理相似于a通道的第二基元反应，不再赘述。b_TS2·2H 2 O(m)产生的能垒是171.79 kJ·mol -1 ，与只是2个水簇催化的此基元的能垒167.8 kJ·mol -1 [ 7 7 ] 相比较，在误差范围内可认为两者相等，水溶剂效应对此基元反应没有助催化作用。 第三基元反应。b_INT2·2H 2 O(m)脱去2个水分子后，经过渡态b_TS3，异构成第三中间体b_INT3。此基元反应只是二面角异构，能垒只有4.88 kJ·mol -1 。b_INT3的质子化羧基的12H和13H均在纸面内侧，都可以纸面内侧的水分子簇为媒介向 α -碳(1C)迁移。12H在水簇作用下向1C迁移机理同于a_INT3在水分子簇作用下向1C迁移，不再赘述。 第四基元反应。13H在水簇作用下向1C迁移，即b_INT3·2H 2 O(n)经b_TS4·2H 2 O(n)向第一产物b_P1_ R-α -Ala·2H 2 O(n)的异构，与a通道第4基元相似，能垒是71.49 kJ·mol -1 。b_P1_ R-α -Ala是右手性，此时已实现旋光异构。b_P1_ R-α -Ala·2H 2 O(n)存在两个较强的分子间氢键，体系较稳定。 第五基元反应。b_P1_ R-α -Ala·2H 2 O(n)脱去水分子后，经羧基旋转异构的过渡态b_ R -TS5，异构成具有氨基和羧基间分子内双氢键的较稳定的第二产物b_P2_ R-α -Ala。此基元是氨基团旋转，能垒只有7.56 kJ·mol -1 。 最后是第六基元反应。b_P2_ R-α -Ala又在2个水分子簇的作用下，经b_ R- TS6·2H 2 O(l)异构为第三产物b-P3_ R-α -Ala·2H 2 O(l)，实现了质子在羧基内的迁移，即 S-α -Ala实现了手性对映体转变。配合物b-P3_ R-α -Ala·2H 2 O(l)存在氨基和羧基之间分子内双氢键以及3条较强的分子间氢键，十分稳定。 反应通道c 3 1) 2个水分子簇作氢迁移媒介 如 图 4A 图 4A 所示，首先是第一基元反应。2个水簇在 S-α -Ala的前面与13H和6N通过氢键作用形成的配合物c_ S-α -Ala·2H 2 O(m)，经过渡态c_TS1·2H 2 O(m)实现了质子以2个水分子簇为媒介，从 α -碳向氨基氮的净迁移，异构成氨基质子化的中间体配合物c_INT1·2H 2 O(m)。c_TS1·2H 2 O(m)的17H和18O及15H和6N已基本成键，距离产物较近，是后过渡态，此基元是3质子协同非同步迁移过程，这不同于水汽相的协同同步迁移 [ 10 10 ] ，水溶剂效应改变了此基元的反应机理。c_TS1·2H 2 O(m)的七元环结构，氢键角1C—13H—14O、14O—17H—18O和18O—15H—6N分别为169.45°、167.16°和159.33°，趋于平角；二面角1C—13H—14O—17H、14O— 17H—18O—15H和17H—18O—15H—6N分别为-32.23°、3.33°和-18.12°，趋于平角，c_TS1·2H 2 O(m)的七元环结构共面程度较高，结构较稳定。又从c_ S-α -Ala·2H 2 O(m)到c_TS1·2H 2 O (m)过程，骨架二面角6N—1C—4C—9C从124.70°变为128.82°，骨架形变微小，c_TS1·2H 2 O(m)产生的能垒不高。但从c_ S-α -Ala·2H 2 O(m)到c_TS1·2H 2 O(m)过程，1C—13H、14O—17H和18O—15H键长分别从0.109 5、0.098 7和0.100 5 nm拉伸至0.139 1、0.167 7和0.189 6 nm，增幅分别为0.029 6、0.069 0和0.089 1 nm；1C—6N从0.146 5 nm拉伸至0.150 1 nm，增幅为0.003 6 nm。3个化学键的大幅拉伸和1个化学键的小幅拉伸均需要一定的能量，c_TS1·2H 2 O(m)产生的能垒是123.98 kJ·mol -1 。这比水汽相环境2个水分子簇催化的此基元反应能垒138.60 kJ·mol -1 [ 10 10 ] 降低了10.5%，说明水溶剂对此过程有较好的助催化作用。 第二基元反应是c_INT1·2H 2 O(m)脱去两个水分子后，与其后面2个水簇通过氢键作用形成的中间体配合物c_INT1·2H 2 O(n)，经过渡态c_TS2·2H 2 O(n)，实现了质子以2个水分子簇为媒介，在纸面内侧从c_INT1的氨基氮向α碳的迁移，异构成产物配合物c_ R-α -Ala·2H 2 O(n)， S-α -Ala完成手性对映体转变。c_TS2·2H 2 O(n)的6N—15H和18O—17H刚刚拉伸还未断裂，靠近中间体反应物，是前过渡态。c_TS2·2H 2 O(n)和c_TS1·2H 2 O(m)基本镜像对称，七元环结构基本共面，并且具有3个较强的氢键，比较稳定；从c_INT1·2H 2 O(n)到c_TS2·2H 2 O(n)过程，1C—6N键长从0.148 1 nm拉伸至0.150 1 nm，增幅仅有0.002 0 nm；6N—15H、18O—17H和14O—13H从0.104 0、0.098 5和0.099 0 nm分别拉伸至0.104 1、0.100 4和0.123 7 nm，增幅分别为0.000 1、0.001 9和0.024 7 nm，均比从c_ S-α -Ala·2H 2 O(m)到c_TS1·2H 2 O(m)的增幅小许多；又骨架二面角6N—1C—4C—9C从-156.63°变为-124.72°， α 碳从sp 2 杂化变为准sp 3 杂化，从非充满状态向准充满状态过渡，是放热过程。综上，c_TS2·2H 2 O(n)产生的能垒会远小于c_TS1·2H 2 O(m)产生的能垒，只有19.69 kJ·mol -1 。c_ R-α -Ala·2H 2 O(n)存在分子间氢键和分子内双氢键，构象稳定。 2) 3个水分子簇作氢迁移媒介 如 图 4B 图 4B 所示，首先是第一基元反应。 S-α -Ala与其前面的3个水簇通过氢键作用形成的前驱配合物c_ S-α -Ala·3H 2 O(m)，经过渡态c_TS1·3H 2 O(m)，实现了质子α-碳向氨基氮的净迁移，异构成中间体c_INT1·3H 2 O(m)。c_TS1·3H 2 O(m)的22H与20O、17H与18O以及15H和6N基本成键，是后过渡态。此基元反应是4质子协同非同步迁移过程，与水汽相的协同同步迁移 [ 10 10 ] 有所不同，水溶剂效应改变了此基元的机理。c_TS1·3H 2 O(m)的九元环结构中，氢键角1C—13H—14O、14O—22H—20O、20O—17H—18O和18O—15H—6N分别为174.77°、175.80°、172.26°和177.71°，4个氢键强度高于c_TS1·2H 2 O(m)的七元环结构的氢键强度，预示c_TS1·3H 2 O(m)产生的能垒会低于c_TS1·2H 2 O(m)产生的能垒；九元环结构中的二面角偏离平角均较小，九元环结构张力较小；从c_ S-α -Ala·3H 2 O(m)到c_TS1·3H 2 O(m)，骨架二面角6N—1C—4C—9C从124.70°变为128.06°，形变微小，a_TS2·2H 2 O(m)产生的能垒不高。但从c_ S-α -Ala·3H 2 O(m)到c_TS1·3H 2 O(m)，1C—13H、14O— 22H、20O—17H和18O—15H键长分别从0.109 5、0.098 6、0.099 1和0.100 5 nm拉伸至0.140 9、0.161 2、0.173 0和0.180 1 nm，增幅分别为0.031 4、0.062 6、0.073 9和0.079 6 nm；1C—6N从0.146 6 nm拉伸至0.149 8 nm，增幅为0.003 2 nm。4个化学键大幅拉伸需要一定的能量，c_TS1·3H 2 O(m)产生的能垒是109.21 kJ·mol -1 。比水汽相3个水簇催化的此基元反应能垒122.50 kJ·mol -1 [ 10 10 ] 降低了10.8%。 第二基元反应是c_INT1·3H 2 O(m)脱去水分子后，与其后面的3个水簇通过氢键作用形成的中间体反应物c_INT1·3H 2 O(n)，经过渡态c_TS2·3H 2 O(n)，实现了质子在纸面内侧从c_INT2的氨基氮向α碳的净迁移，异构成产物配合物c_ R-α -Ala·3H 2 O(n)， S-α -Ala实现了旋光异构。c_TS2·3H 2 O(n)的6N—15H、18O—17H和20O—22H刚刚拉伸还没断裂，是前过渡态。与2个水簇作氢迁移媒介的情况相似，c_TS2·3H 2 O(n)产生的能垒很小，只有15.49 kJ·mol -1 。结构分析表明，c_ R-α -Ala·3H 2 O(n)构象很稳定。对c_ R-α -Ala的优化表明，c_ R-α -Ala是 S-α -Ala的手性对映体。 3) 氢氧根水分子团簇催化丙氨酸旋光异构。 如 图 4C 图 4C 所示，第一基元是 S-α -Ala与其前面的氢氧根水分子簇通过氢键作用形成的前驱配合物c_ S-α -Ala·(OH - ·H 2 O)(m)，经过渡态c_TS1·(OH - ·H 2 O)(m)，氢氧根从α碳抽取质子13H形成水分子，异构成中间体配合物c_INT1 * ·2H 2 O (m)(c_INT1冠以星号*以区别于氨基质子化的c_INT1)。从c_ S-α -Ala·(OH - ·H 2 O)(m)到c_TS1·(OH - ·H 2 O)(m)，1C—13H键长从0.109 5 nm拉伸至0.142 8 nm，键断裂，1C—6N键长从0.146 3 nm拉伸至0.147 6 nm，骨架二面角6N—1C—4C—9C从124.79°变为137.20°，只有一个化学键的拉伸断裂和微小的骨架形变，因此，c_TS1·(OH - ·H 2 O)(m)产生的能垒较低，只有61.83 kJ·mol -1 。 第二基元反应是c_INT1 * 与其后面的2个水分子簇形成的氢键配合物c_INT1 * ·2H 2 O(n)，经过渡态c_TS2·(OH - ·H 2 O)(n)， α -碳夺取了水分子13H—16H—14O上的质子13H，形成产物配合物c_ R-α -Ala·(OH - ·H 2 O)(n)， S-α -Ala实现了旋光异构。结构分析表明，从c_INT1 * ·2H 2 O(n)到c_TS2·(OH - ·H 2 O)(n)过程，α-碳从sp 2 杂化变为准sp 3 杂化，从非充满状态向准充满状态过渡，是放热过程，又由于13H—14O键长增幅很小，因此c_TS2·(OH - ·H 2 O)(n)产生的能垒更小，只有28.36 kJ·mol -1 。计算了水汽相环境这两个基元的势能面，能垒分别是23.97和24.94 kJ·mol -1 ，反应物、中间体和产物基本在势能面的同一高度处，说明水溶剂对这两个基元反应有阻碍作用，尤其是对第一基元反应阻碍作用较大，且水汽相环境 S-α -Ala更容易发生消旋和损伤，损伤的产物和旋光异构产物共存。 a通道( 图 5A 图 5A )的决速步骤是第二基元反应，能垒是154.96 kJ·mol -1 ，低于质子迁移的“极限能垒”167.0 kJ·mol -1 [ 20 20 ] ，但远远高于温和反应的能垒84.01 kJ·mol -1 [ 20 20 ] ，说明 S-α -Ala在a通道可以痕量地消旋。第六基元逆反应的能垒只有12.34 kJ·mol -1 ，如此低的能垒不难越过，说明此通道的产物为a-P1_ R-α -Ala和a-P2_ R-α -Ala共存，只是后者含量远高于前者。 b通道( 图 5B 图 5B )的决速步骤也是第二基元反应，能垒是171.79 kJ·mol -1 ，高于质子迁移的“极限能垒”167.0 kJ·mol -1 [ 20 20 ] ，说明 S-α -Ala旋光异构在b通道几乎不能实现。 c通道( 图 5C 图 5C )的决速步骤是第一基元反应，2个和3个水分子簇作氢迁移媒介时，决速步骤能垒分别是123.98和109.61 kJ·mol -1 ，均低于质子迁移的“极限能垒”167.0 kJ·mol -1 [ 20 20 ] ，高于温和反应的能垒84.01 kJ·mol -1 [ 20 20 ] 。当氢氧根存在时，决速步骤能垒是61.83 kJ·mol -1 ，低于温和反应的能垒84.01 kJ·mol -1 [ 20 20 ] 许多，说明氢氧根水分子团簇的催化使 S-α -Ala旋光异构可以较快地进行。 水液相环境下羟基自由基致丙氨酸损伤 2 以上研究表明，羟基自由基水分子簇致 S-α -Ala损伤，发生在c通道，分为水分子拔氢和羟基自由基拔氢两种机理，反应历程见 图 6 图 6 ，反应过程的吉布斯自由能势能剖面见 图 7 图 7 。 水分子拔氢 3 首先， S-α -Ala与其前面的1个水分子和1个羟基自由基通过氢键作用，形成的氢键配合物c_ S-α -Ala·(H 2 O·OH · )(水分子在前，羟基自由基在后，表示水分子拔 α -氢)，经过渡态c_TS·(H 2 O·OH · )形成产物水分子配合物c_P * ·2H 2 O_1(水分子拔氢和羟基自由基拔氢， S-α -Ala损伤的产物相同，但产物与2个水分子簇的氢键作用不同，分别用_1和_2后缀以示区别)。c_P * 已经没有手性，失去了 α -Ala的特性，即导致 α -Ala分子损伤。 对c_TS·(H 2 O·OH · )进行的IRC计算表明，水分子和羟基自由基组合，水分子拔氢致 S-α -Ala损伤的详细历程是：首先，从c_ S-α -Ala·(H 2 O·OH · )开始，OH · 的15H向氨基氮6N迁移，为18O夺取水分子的17H创造条件，当15H—6N键长为0.106 6 nm时，17H与14O断裂，并开始向18O迁移。当15H—6N键长为0.103 4 nm，17H—18O键长为0.107 7 nm时，13H—1C拉伸至0.113 5 nm断裂。到c_TS·(H 2 O·OH · )时，15H—6N成键，键长0.103 2 nm，17H—18O键长为0.103 6 nm，13H与1C的距离拉伸至0.141 7 nm。然后，从c_TS·(H 2 O·OH · )开始，当17H—18O键长为0.101 2 nm时，新生成的17H—18O开始夺取质子化氨基上的15H，同时13H继续向14O迁移；当13H与14O距离为0.098 02 nm成键时，15H与6N断裂，快速向18O迁移，最终得到 α -Ala损伤的产物与2个水分子簇的氢键配合物c_P * ·2H 2 O_1。 从上述讨论可以看出，水分子拔氢致 S-α -Ala损伤是协同非同步的3质子迁移过程。 七元环结构过渡态c_TS·(H 2 O·OH · )的氢键角1C—13H—14O、14O—17H—18O和18O—15H—6N分别是169.09°、170.44°和156.64°，氢键较强；二面角1C—13H—14O—17H、14O—17H—18O—15H和17H—18O—15H—6N分别是-4.25°、2.26°和5.06°，七元环结构基本共面，c_TS·(H 2 O·OH · )结构较稳定；从c_ S-α -Ala·(H 2 O·OH · )到c_TS·(H 2 O·OH · )，活性中心骨架二面角6N—1C—3C—8C从124.58°变为129.46°，1C—6N从0.146 8 nm拉伸至0.148 9 nm，骨架基本未发生形变。因此，从c_ S-α -Ala·(H 2 O·OH · )到c_TS·(H 2 O·OH · )不需太多的能量。从c_ S-α -Ala·(H 2 O·OH · )到c_TS·(H 2 O·OH · )，1C—13H、14O—17H和18O—15H分别从0.109 5、0.098 2和0.104 3 nm拉伸至0.141 7、0.154 4和0.214 4 nm, 断裂。3个化学键的拉伸断裂需要一定的能量，因此，c_TS·(H 2 O·OH · )产生了23.84 kJ·mol -1 的能垒。 配合物c_P * ·2H 2 O_1的分子间氢键距离13H—11O和17H—14O分别是0.192 4和0.183 2 nm，氢键键角分别是170.89°和178.46°，说明损伤产物配合物c_P * ·2H 2 O_1的两个水分子之间以及水分子和c_P * 之间存在较强的分子间氢键。c_P * 的骨架原子二面角6N—1C—9C—10O和1C—9C—10O—11O分别为-2.72°和-179.92°，说明c_P * 的骨架原子之间形成了共轭的5中心大π键。因此，c_P * ·2H 2 O_1的构型十分稳定。 羟基自由基拔氢 3 首先， S-α -Ala与其前面的一个水分子和一个羟基自由基通过氢键作用形成的配合物c_ S-α -Ala·(OH · ·H 2 O)(羟基自由基在前，水分子在后，表示羟基自由基拔氢)，经过渡态c_TS·(OH · ·H 2 O)形成产物水合物c_P * ·2H 2 O_2，导致 α -Ala分子损伤。c_TS·(OH · ·H 2 O)产生的能垒是80.34 kJ·mol -1 。 c_TS·(OH · ·H 2 O)的IRC计算结果表明，水分子和羟基自由基组合及羟基自由基拔氢致 S-α -Ala损伤的反应，是从c_ S-α -Ala·(OH · ·H 2 O)水分子的15H向氨基氮6N迁移、羟基自由基的16H向17O迁移、14O向13H靠近去夺取1C上的13H的过程。首先，15H迁移至氨基与6N成键，此时，15H—6N键长为0.106 0 nm，16H—17O键长为0.104 5 nm，14O—13H键长为0.201 3 nm，同时13H—1C被14O从0.109 5 nm拉伸至0.110 0 nm。然后，14O继续向13H靠近，当14O—13H增至0.147 1 nm时，13H—1C键断裂，同时16H向14O迁移。反应到达过渡态c_TS·(OH · ·H 2 O)时，15H—6N键长为0.105 4 nm，16H—14O键长为0.155 2 nm，14O—13H键长为0.128 7 nm，再由13H迁移至14O，同时15H向17O、16H向14O回迁，得到损伤产物与2水分子簇的氢键配合物c_P * ·2H 2 O_2。羟基自由基拔氢致 S-α -Ala损伤也是协同非同步的3质子迁移过程。 从 图 7 图 7 可知，两种拔氢致 S-α -Ala损伤反应均为放热反应。水分子拔氢和羟基自由基拔氢两个通道的反应能垒23.84，80.34 kJ·mol -1 已经远低于或接近温和反应的能垒84.01 kJ·mol -1 [ 20 20 ] ，说明水溶剂环境下羟基自由基的存在可导致 S-α -Ala迅速地损伤，并且在水分子拔氢和羟基自由基拔氢两个通道的竞争中，水分子拔氢通道具有绝对的优势。 结论 1 本文基于MP2/6-311++G(3df, 2pd)//B3LYP/6-31+G(d, p)双理论水平，采用自洽反应场理论的SMD模型研究了水液相环境下具有氨基和羧基间双氢键的 α -Ala的旋光异构过程，得出结论如下： 1) α -Ala旋光异构有a、b和c 3个反应通道，分别是质子以羰基氧、羧基及氨基为桥从手性碳的一侧向另一侧迁移，a和b通道均经过6个基元反应，c只经过2个基元反应； 2) 势能面计算结果表明：3个水分子簇作氢迁移媒介，优势通道c的决速步骤能垒被降至109.61 kJ·mol -1 ，氢氧根水分子簇的催化使该能垒降至61.83 kJ·mol -1 ； 3) 羟基自由基水分子簇致 α -Ala损伤有水分子拔氢和羟基自由基拔氢两种反应机理，反应能垒分别为23.84和80.34 kJ·mol -1 ，均为放热反应，比较而言前者更有优势。 根据本文结果可推断，在生命体内水环境下， α -Ala可能发生缓慢地消旋，氢氧根和羟基自由基的存在可使 α -Ala的旋光异构和损伤快速进行。 参考文献 FISHER G H, D'ANIELLO A, VETERE A, et al .Free D -aspartate and D -alanine in normal and alzheimer brain[J]. 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