閆紅彥，王佐成，佟華，楊曉翠

（1.白城師范學(xué)院計算機科學(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）

0 引 言

α-丙氨酸（α-Alanine，α-Ala）是人體內(nèi)的重要氨基酸，根據(jù)構(gòu)象和旋光性的不同分為左旋體（S-α-Ala）和右旋體（R-α-Ala）。 S-α-Ala可預(yù)防腎結(jié)石和協(xié)助葡萄糖代謝。R-α-Ala用于手性藥物和手性助劑等領(lǐng)域。文獻(xiàn)［1-2］證實有微量R-α-Ala存在于生命體內(nèi)，R-α-Ala過量可導(dǎo)致帕金森等疾病和過早衰老，并猜測部分來源于左旋體的旋光異構(gòu)。

由于α-Ala的重要性以及體內(nèi)有微量R-α-Ala存在，人們對α-Ala進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)［3-4］對α-Ala兩種異構(gòu)體進(jìn)行了密度泛函研究，得到了與實驗數(shù)據(jù)較吻合的α-Ala分子構(gòu)象。 文獻(xiàn)［5］利用單晶中子衍射研究了α-Ala兩種異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)特征及其旋光異構(gòu)的可能性。文獻(xiàn)［6-8］的研究表明：以羰基、羧基以及羧基和甲基聯(lián)合作質(zhì)子遷移橋梁，α-Ala分子旋光異構(gòu)裸反應(yīng)決速步的能壘分別為 326.6，316.3和 337.4 kJ·mol-1；在水環(huán)境下，以羰基作為氫遷移橋梁，旋光異構(gòu)反應(yīng)決速步的能壘降到173.0 kJ·mol-1；羧基內(nèi)先氫遷移，然后手性碳上的氫再以羰基為橋梁遷移，旋光異構(gòu)反應(yīng)決速步的能壘降到 167.8 kJ·mol-1。文獻(xiàn)［9］的研究表明，隨著扶手椅型SWBNNT孔徑尺寸的減小，α-Ala旋光異構(gòu)決速步能壘急劇降低，在SWBNNT（5，5）內(nèi)決速步吉布斯自由能壘為201.1 kJ·mol-1，由質(zhì)子從手性碳向氨基氮和質(zhì)子從氨基氮向羰基氧雙質(zhì)子協(xié)同遷移的過渡態(tài)產(chǎn)生。文獻(xiàn)［10］采用氣相的構(gòu)象計算溶劑化勢能面，研究了α-Ala分子的旋光異構(gòu)和羥自由基的作用，獲得了α-Ala分子的旋光異構(gòu)和羥自由基致其損傷的能壘。

雖然人們對α-Ala旋光異構(gòu)及羥自由基致其損傷進(jìn)行了較廣泛的研究，研究結(jié)果對解釋生命體內(nèi)α-Ala的旋光異構(gòu)及損傷有一定的積極作用。但采用水汽相的構(gòu)象研究水液相的反應(yīng)，得到的結(jié)論尚不十分可靠。眾所周知，生命體內(nèi)有氫氧根離子存在，但關(guān)于其是否會影響α-Ala異構(gòu)的研究目前鮮見報道。文獻(xiàn)［11］的研究表明，羧基與氨基之間為分子內(nèi)單氫鍵時氨基酸分子構(gòu)型最穩(wěn)定?；诖耍疚难芯苛怂h(huán)境下最穩(wěn)構(gòu)象的α-Ala分子旋光異構(gòu)以及羥自由基和氫氧根的水分子簇致其損傷的機理。

1 研究與計算方法

水汽環(huán)境下，采用密度泛函理論的B3LYP［12］方法，在 B3LYP/6-31+G（d，p）水平，全優(yōu)化相關(guān)反應(yīng)過程的穩(wěn)定點和過渡態(tài)［13］。采用微擾理論的MP2 方法［14］，在 MP2/6-311++G（2df，pd）水平計算單點能。水環(huán)境下，在相同的理論水平結(jié)合自洽反應(yīng)場（SCRF）理論的 SMD模型方法［15］計算溶劑化的構(gòu)象和單點能。利用Gtotal=Gtc+ESP（Gtc和ESP分別為吉布斯自由能熱校正和單點能）計算總吉布斯自由能。α-Ala分子與2個水分子簇通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物分子記為α-Ala·2H2O，水溶劑環(huán)境下記為α-Ala·2H2O@water，其余體系的表示法類似。通過分析過渡態(tài)虛頻振動模式和計算內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）［16］，對過渡態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。所有計算均由 Gaussian09［17］軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 水分子團簇及氫氧根水分子團簇催化丙氨酸旋光異構(gòu)

在 B3LYP/6-31+G（d，p）理論水平，對羥基與氨基之間為分子內(nèi)單氫鍵的S-α-Ala和R-α-Ala的幾何構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，得到圖1所示的互為對映體的結(jié)構(gòu)。

圖1 α-Ala的S-和R-類型的特征Fig.1 Structures of S-and R-type of α-Ala

研究發(fā)現(xiàn)：氨基作H遷移橋梁，實現(xiàn)α-Ala的異構(gòu)有2個通道。一是分步機理，羧基實現(xiàn)從反式向順勢平面結(jié)構(gòu)異構(gòu)后，手性碳上的質(zhì)子再以氨基為橋從紙面外遷移到紙面里，命名為a通道；二是協(xié)同機理，S-α-Ala先經(jīng)過質(zhì)子從手性碳向氨基氮遷移和羧基從反式平面結(jié)構(gòu)向順勢平面結(jié)構(gòu)異構(gòu)協(xié)同進(jìn)行的過渡態(tài)，異構(gòu)成第1中間體。然后，質(zhì)子化氨基上的一個質(zhì)子再在紙面里從氨基氮遷移到手性碳，命名為b通道。水分子團簇和氫氧根的水分子團簇催化S-α-Ala旋光異構(gòu)的反應(yīng)歷程，見圖2，反應(yīng)過程的吉布斯自由能勢能剖面，見圖3。下面對S-α-Ala在這2個通道的旋光異構(gòu)分別進(jìn)行討論。

2.1.1 水分子團簇催化S-α-Ala在a通道上的旋光異構(gòu)

首先是第一基元反應(yīng)：

S-α-Ala@water經(jīng)12H繞9C-10O旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài) a_S-TS1@water，異 構(gòu) 成 中 間 體 a_SINT1@water，實現(xiàn)了羧基從反式向順式平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)。從 S-α-Ala@water到 a_S-TS1@water的過程中，二面角12H-10O-9C-11O從179.24°變?yōu)?90.27°，鍵長9C-10O從0.133 8 nm伸長到0.138 4 nm，二面角的異構(gòu)和化學(xué)鍵的小幅拉伸，無需太高的能量，a_S-TS1@water產(chǎn)生的能壘只有 48.41 kJ·mol-1。

然后是第2基元：

當(dāng)2個水分子簇在13H和6N前面與a_SINT1@water形成氫鍵絡(luò)合物a_S-INT1·2H2O（m）@water時，a_S-INT1·2H2O（m）@water經(jīng)過渡態(tài)a_TS2·2H2O（m）@water異構(gòu)成中間體 a_INT2·2H2O（m）@water。a_TS2·2H2O（m）@water的 7圓環(huán)結(jié)構(gòu)氫鍵角1C-13H-14O、14O-17H-18O和18O-15H-6N 分別為 170.32°，165.93°和 159.29°，3個氫鍵較強；二面角1C-13H-14O-17H、14O-17H-18O-15H和17H-18O-15H-6N分別為-9.27°，-8.02°和-4.93°，7圓環(huán)結(jié)構(gòu)接近平面程度和氫鍵角均大于 a_TS2·2H2O［10］，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。又從a_S-INT1·2H2O（m）@water到a_TS2·2H2O（m）@water的過程中，骨架二面角6N-1C-4C-9C 從 127.09°變?yōu)?131.12°，骨架形變極小，a_TS2·2H2O（m）@water產(chǎn)生的能壘不高。但從a_SINT1·2H2O（m）@water到a_TS2·2H2O（m）@water的過程中，1C-13H、14O-17H和18O-15H鍵長從0.109 4，0.098 7和0.100 4 nm分別伸長到0.139 2，0.168 4和0.189 6 nm；1C-6N從0.146 8 nm伸長到0.150 4 nm。3個化學(xué)鍵大幅拉伸和1個化學(xué)鍵小幅拉伸，需要一定的能量，因此，a_TS2·2H2O（m）@water產(chǎn)生了 118.44 kJ·mol-1能壘。 文獻(xiàn)［10］的結(jié)果是 107.83 kJ·mol-1，與此偏差 9%；文獻(xiàn)［10］的a_TS2·2H2O（m）是3質(zhì)子協(xié)同同步遷移的過渡態(tài)，而本文的a_TS2·2H2O（m）@water是3質(zhì)子協(xié)同非同步遷移的后過渡態(tài)，因此，文獻(xiàn)［10］用氣相構(gòu)象計算溶劑化能壘不太可靠。

當(dāng)3個水分子簇作氫遷移媒介時，a_S-INT1·3H2O（m）@water經(jīng) 過 渡 態(tài) a_TS2·3H2O（m）@water異構(gòu)成中間體 a_INT2·3H2O（m）@water。a_TS2·3H2O（m）@water的9元環(huán)結(jié)構(gòu)氫鍵角1C-13H-14O、14O-22H-20O、20O-17H-18O和18O-15H-6N 分別為 176.06°，175.07°，173.00°和176.51°，均接近平角，氫鍵強于 a_TS2·2H2O@water的7元環(huán)結(jié)構(gòu)氫鍵；二面角1C-13H-14O-22H、14O-22H-20O-17H、20O-17H-18O-15H和17H-18O-15H-6N的鍵角分別為6.20°，-11.69°，15.08°和-92.98°，接近平面程度又差于過渡態(tài)a_TS2·2H2O@water的7圓環(huán)，預(yù)示著a_TS2·3H2O（m）@water產(chǎn) 生 的 能 壘 并 不 比a_TS2·2H2O@water低多少。又從a_S-INT1·3H2O（m）@water到 a_TS2·3H2O（m）@water的過程中，骨架二面角6N-1C-4C-9C從127.26°變?yōu)?30.37°，骨架形變微小，a_TS2·2H2O（m）@water產(chǎn)生的能壘不太高。但是，從a_S-INT1·3H2O（m）@water到a_TS2·3H2O（m）@water的過程中，1C-13H、14O-22H、20O-17H和18O-15H的鍵長從0.109 4，0.098 6，0.099 1和0.100 6 nm分別伸長到0.140 2，0.161 3，0.173 5和 0.179 5 nm；1C-6N 從0.146 8 nm伸長到0.150 1 nm。4個化學(xué)鍵的大幅拉伸和1個化學(xué)鍵的小幅拉伸，需要一定的能量，a_TS2·3H2O（m）@water產(chǎn)生了 113.37 kJ·mol-1能壘。在誤差允許的范圍內(nèi)，可認(rèn)為與a_TS2·2H2O（m）@water產(chǎn)生的能壘 118.44 kJ·mol-1相同，說明在水環(huán)境下，3水分子簇與2水分子簇對此氫遷移過程的催化作用基本相同。

接著是第3基元反應(yīng)：

2個水分子簇在a_INT2的后面與8H和1C通過氫鍵作用形成的絡(luò)合物 a_INT2·2H2O（n）@water，經(jīng)過渡態(tài)a_TS3·2H2O（n）@water，實現(xiàn)了質(zhì)子從氨基氮向α碳的凈遷移，異構(gòu)成中間體a_R-INT3·2H2O（n）@water，S-α-Ala完成旋光異構(gòu)。 結(jié)構(gòu)分析表明，a_R-INT3·2H2O（n）@water具有水分子之間和水分子與a_R-INT3之間2個較強的分子間氫鍵，同時，a_R-INT3具有稍弱的分子內(nèi)氨基與羧基之間 2條雙氫鍵，a_R-INT3·2H2O（n）@water比較穩(wěn)定。 結(jié)構(gòu)分析表明，a_TS3·2H2O（n）@water的7圓環(huán)過渡態(tài)也較穩(wěn)定；從 a_INT2·2H2O（n）@water到a_TS3·2H2O（n）@water的過程中，1C-6N鍵長從0.148 4 nm拉伸到0.150 4 nm，鍵長6N-8H、18O-17H和14O-13H分別從0.104 1，0.098 5和0.099 0 nm拉伸到0.104 1，0.100 3和0.123 9 nm，拉伸 幅 度 均 遠(yuǎn) 比 a_S-INT1·2H2O（m）@water到a_TS2·2H2O（m）@water??；骨架二面角6N-1C-9C-4C 從 157.32°變?yōu)?130.10°，α碳從 sp2雜化向 sp3雜化過渡，是放熱過程。 因此a_TS3·2H2O（n）@water產(chǎn) 生 的 能 壘 遠(yuǎn) 小 于 a_TS2·2H2O（m）@water，只有 21.82 kJ·mol-1。

3個水分子簇做氫遷移媒介時，a_INT2·3H2O（n）@water經(jīng)過渡態(tài) a_TS3·3H2O（n）@water異構(gòu)成中間體 a_R-INT3·3H2O（n）@water。 機理與 2個水分子簇做氫遷移媒介的情況相似，a_TS3·2H2O（n）@water產(chǎn)生的能壘為 18.61 kJ·mol-1。 與a_R-INT3·2H2O（n）@water相似，a_R-INT3·3H2O（n）@water也比較穩(wěn)定。

最后是第4，5基元反應(yīng)：

a_R-INT3@water經(jīng)氨基上的H翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)a_R-TS4@water，異構(gòu)成 a_R-INT4@water。 此過程骨架結(jié)構(gòu)基本不變，只是二面角13H-6N-1C-9C 從-63.44°變?yōu)?62.72°，a_R-TS4@water產(chǎn)生的能壘只有 19.88 kJ·mol-1。 a_R-INT4@water經(jīng)羧羥基旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)a_R-TS5@water，異構(gòu)成產(chǎn)物a_P_R-α-Ala@water。 結(jié)構(gòu)分析表明，a_P_R-α-Ala具有氨基和羧基間較強的單氫鍵，構(gòu)象穩(wěn)定。此基元與第一基元反應(yīng)相似，a_R-TS5@water產(chǎn)生的能壘為35.52 kJ·mol-1。 由于a_R-TS4@water和a_R-TS5@water的雙向勢壘均較低，常溫下容易越過，因此S-α-Ala@water在a通道旋光異構(gòu)的產(chǎn)物 為 a_R-INT3@water、a_R-INT4@water和a_P_R-α-Ala@water共 存 ，只 是 a_P_R-α-Ala@water的含量較高。

2.1.2 氫氧根水分子團簇催化S-α-Ala在a通道上的旋光異構(gòu)

對于非氫遷移過程，氫氧根的存在并無影響，亦即第1，4和5基元反應(yīng)與2.1.1節(jié)同，氫氧根水分子團簇只對氫遷移反應(yīng)的第2和第3基元起作用。下面分別進(jìn)行討論：

對于第 2基元，a_S-INT1·（OH-·H2O）（m）@water經(jīng)過渡態(tài) a_TS2·（OH-·H2O）（m）@water，氫氧根從α碳抽取質(zhì)子13H形成水分子，異構(gòu)成中間體絡(luò)合物a_INT2*·2H2O（m）@water（a_INT2冠以星號*以區(qū)別于氨基質(zhì)子化的a_INT2）。從a_SINT1·（OH-·H2O）（m）@water到 a_TS2·（OH-·H2O）（m）@water，1C-13H鍵長從 0.109 5 nm拉伸到0.142 7 nm，1C-6N鍵長從0.146 5 nm拉伸到0.147 7 nm，骨架二面角6N-1C-4C-9C從127.43°變?yōu)?38.82°，1個化學(xué)鍵的拉伸斷裂和微小的骨架形變，需要的能量并不高，因此，a_TS2·（OH-·H2O）（m）@water產(chǎn)生了 66.45 kJ·mol-1的能壘。 結(jié)構(gòu)分析表明，a_INT2*·2H2O（m）@water具有水分子之間和水分子與a_INT2*之間3個比較強的氫鍵，a_INT2*的骨架原子形成了5個中心大π鍵，a_INT2*·2H2O（m）@water的構(gòu)象穩(wěn)定。 a_INT2*已經(jīng)不具有氨基酸的特征，即是損傷了的α-Ala。

對于第3基元，為a_INT2*與其后面的2個水分子簇形成的氫鍵絡(luò)合物a_INT2*·2H2O（n）@water的反應(yīng)，經(jīng)過渡態(tài) a_TS3·（OH-·H2O）（n）@water，α碳奪取水分子13H-16H-14O上的質(zhì)子13H，形成中 間 體 絡(luò) 合 物 a_R-INT3·（OH-·H2O）（n）@water，S-α-Ala實現(xiàn)了旋光異構(gòu)。 結(jié)構(gòu)分析表明，從 a_INT2*·2H2O（n）@water到 a_TS3·（OH-·H2O）（n）@water的過程中，α碳從sp2雜化變?yōu)闇?zhǔn) sp3雜化，由非滿配狀態(tài)向準(zhǔn)滿配狀態(tài)過渡，是放熱過程，且13H-14O從0.098 7 nm拉伸到0.122 2 nm，拉伸幅度很小，因此a_TS3·（OH-·H2O）（n）@water產(chǎn)生的能壘更小，只有28.80 kJ·mol-1。 a_RINT3·（OH-·H2O）（n）@water具有水分子及水分子與a_R-INT3之間2個強氫鍵，又a_R-INT3的α碳為 sp3雜化，因此，a_R-INT3·（OH-·H2O）（n）@water構(gòu)象很穩(wěn)定。

對水汽環(huán)境這兩基元反應(yīng)的勢能面計算表明，這兩基元反應(yīng)的能壘分別為27.51和20.77 kJ·mol-1，說明水溶劑對這兩基元反應(yīng)有阻礙作用，水汽環(huán)境α-Ala更容易消旋和損傷。水液相環(huán)境決速步能壘較水汽相環(huán)境高許多，原因是水汽環(huán)境下1C-13H的拉伸幅度較水汽環(huán)境下小許多，見圖2（B）。

2.1.3 水分子團簇催化S-α-Ala在b通道上的旋光異構(gòu)

S-α-Ala在b通道旋光異構(gòu)的第1基元反應(yīng)見圖2（C），b_S-α-Ala·2H2O（m）@water經(jīng) 過 渡 態(tài)b_TS1·2H2O（m）@water同時實現(xiàn)了質(zhì)子從α碳向氨基氮的凈遷移，以及羧基從反式向順勢平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)，異構(gòu)成b_INT1·2H2O（m）@water。 過渡態(tài)b_TS1·2H2O（m）@water的7圓環(huán)結(jié)構(gòu)氫鍵角1C-13H-14O、14O-17H-18O和18O-15H-6N分別為 169.94°，165.50°和 156.43°，均小于 a_TS2·2H2O（m）@water的7圓環(huán)結(jié)構(gòu)氫鍵角，氫鍵強度自然小些；二面角1C-13H-14O-17H、14O-17H-18O-15H和17H-18O-15H-6N分別為-15.44°m,17.09°和-20.25°，7圓環(huán)結(jié)構(gòu)偏離平面程度大于過渡態(tài)a_TS2·2H2O@water，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。從b_S-α-Ala·2H2O（m）@water到 b_TS1·2H2O（m）@water過程，骨架二面角6N-1C-4C-9C從123.62°變?yōu)?131.37°，鍵長 1C-6N 從 0.148 5 nm 伸長到0.150 9 nm，骨架形變也大于從a_S-INT1·2H2O（m）@water到 a_TS2·2H2O（m）@water的過程。1C-13H、14O-17H和18O-15H鍵長從0.1095，0.098 8和0.099 3 nm分別伸長到0.139 3，0.168 7和0.189 8 nm，拉伸幅度也略長于a_SINT1·2H2O（m）@water到a_TS2·2H2O（m）@water過程。 并且從 b_S-α-Ala·2H2O（m）@water到b_TS1·2H2O（m）@water的過程中，二面角 12H-10O-9C-11O 從-178.870°增大到-165.073°，鍵長10O-9C從0.133 9 nm伸長到0.137 6 nm。綜上，b_TS1·2H2O（m）@water會產(chǎn)生比a_TS2·2H2O（m）@water高的能壘，能壘值為135.00 kJ·mol-1。結(jié)構(gòu)分析表明，b_INT1·2H2O（m）@water完全同于a_INT2·2H2O（m）@water，b_INT1以后的異構(gòu)歷程完全同于a_INT2，在此不再贅述。

計算表明，水汽環(huán)境下 b_S-α-Ala·2H2O（m）經(jīng)過渡態(tài)b_TS1·2H2O（m），也同時實現(xiàn)了質(zhì)子從α碳向氨基氮的凈遷移以及羧基從反式向順勢平面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)，異構(gòu)成b_INT1·2H2O（m）。但水汽環(huán)境下的能壘為175.54 kJ·mol-1，遠(yuǎn)大于水環(huán)境下的能壘135.00 kJ·mol-1，說明水溶劑效應(yīng)對此基元反應(yīng)有較好的催化作用。 原因是，從b_S-α-Ala·2H2O（m）到b_TS1·2H2O（m）的過程化學(xué)鍵的伸長，均大于從 b_S-α-Ala·2H2O（m）@water到 b_TS1·2H2O（m）@water的過程，見圖2（C）。

圖2 水環(huán)境下S-α-Ala的旋光異構(gòu)過程、駐點結(jié)構(gòu)和過渡態(tài)的虛頻振動模式Fig.2 Chiral transition process，stationary points structure and transition state of imaginary frequency of S-α-Ala in water

從圖3可以看出，反應(yīng)通道a具有優(yōu)勢，質(zhì)子從手性碳向氨基遷移過程是決速步驟。水環(huán)境下，2個和3個水分子簇做氫遷移媒介時，決速步能壘分別為118.44和113.37 kJ·mol-1，氫氧根水分子團簇的催化使決速步能壘降到66.45 kJ·mol-1。 118.44和113.37 kJ·mol-1已遠(yuǎn)低于質(zhì)子遷移的“極限能壘”167.0 kJ·mol-1［18］，但還遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)的能壘 84.01 kJ·mol-1［18］，說明水環(huán)境下 S-α-Ala可以緩慢地實現(xiàn)旋光異構(gòu)。66.45 kJ·mol-1已經(jīng)低于溫和反應(yīng)的能壘 84.01 kJ·mol-1［18］，說明水環(huán)境下，氫氧根的存在可使S-α-Ala較快地旋光異構(gòu)。水汽環(huán)境下，氫氧根水分子團簇的催化使決速步能壘降到27.51 kJ·mol-1，該能壘遠(yuǎn)低于溫和反應(yīng)的能壘84.01 kJ ·mol-1［18］，說明水汽環(huán)境下，氫氧根的存在可使S-α-Ala迅速旋光異構(gòu)。從圖3可以看出，水汽環(huán)境下，反應(yīng)物、中間體產(chǎn)物和產(chǎn)物基本在勢能面的同一高度處，氫氧根的存在使S-α-Ala旋光異構(gòu)和損傷同時進(jìn)行，但損傷產(chǎn)物含量高。

圖3 水環(huán)境下α-Ala旋光異構(gòu)反應(yīng)的吉布斯自由能勢能面示意圖Fig.3 Gibbs energy surface of optical isomerism reaction of S-α-Ala molecule in water

2.2 水液相環(huán)境下，羥自由基水分子團簇致丙氨酸損傷

研究表明，羥自由基對α-Ala@water異構(gòu)的第2基元反應(yīng)（氫遷移反應(yīng)）起作用，并且是通過羥自由基與水分子以氫鍵結(jié)合成團簇起作用，導(dǎo)致a_SINT1@water損傷，即S-α-Ala損傷。研究表明，羥自由基水分子團簇致a_S-INT1@water損傷，分為水分子抽氫和羥自由基抽氫機理2種情形，反應(yīng)歷程見圖4，反應(yīng)過程的吉布斯自由能勢能面見圖5。下面分別進(jìn)行討論：

第1種情形：水分子抽氫致a_S-INT1@water損 傷 的 反 應(yīng) 歷 程 ，見 圖 4（a），首 先 ，a_SINT1@water與1個水分子和1個羥自由基通過氫鍵作用形成氫鍵絡(luò)合物a_S-INT1·（H2O·OH·）@water，然后 a_S-INT1·（H2O ·OH·）@water經(jīng)過渡態(tài)a_TS2·（H2O·OH·）@water形成產(chǎn)物a_P_1*·2H2O@water。a_TS2·（H2O ·OH·）@water靠近產(chǎn)物，為后過渡態(tài)。a_P_1*已無手性，失去了α-Ala分子的特性，亦即α-Ala分子損傷，這里星號表示a_P_1是氨基酸損傷的產(chǎn)物。

圖4 水液相環(huán)境下羥自由基水分子團簇致a_S-INT1損傷反應(yīng)歷程、駐點結(jié)構(gòu)及過渡態(tài)的虛頻振動模式Fig.4 Reaction process，stationary points structure and transition state of imaginary frequency ofa_S-INT hydrogen abstraction damage induced by hydroxyl radical water clusters in water liquid environment

圖5 水液相環(huán)境下羥自由基水分子團簇致a_S-INT1損傷反應(yīng)的勢能面Fig.5 Potential energy surfaces of a_S-INT1 damage induced by hydroxyl radical water clusters in water liquid environment

7圓環(huán)結(jié)構(gòu)過渡態(tài)a_TS2·（H2O·OH·）@water的氫鍵角1C-13H-14O、14O-17H-18O和18O-15H-6N 分別為 169.24°，170.53°和 155.15°，二面角1C-13H-14O-17H、14O-17H-18O-15H和17H-18O-15H-6N分別為-5.91°，-1.89°和-8.00°，較水汽相 a_TS2·（H2O·OH·）的 7圓環(huán)結(jié)構(gòu)［10］穩(wěn)定。 從 a_S-INT1·（H2O·OH·）@water到 a_TS2·（H2O·OH·）@water，反應(yīng)活性中心骨架二面角 5N-1C-3C-8C 從 127.11°變?yōu)?131.95°，鍵長1C-6N從0.147 0 nm拉伸到0.150 3 nm，骨架形變很小，只是1C-13H從0.109 4 nm拉伸到0.141 5 nm 斷裂，而從 a_S-INT1·（H2O·OH·）到a_TS2·（H2O ·OH·）是 3個化學(xué)鍵的大幅拉伸［10］。因此，從 a_S-INT1·（H2O ·OH·）@water到 a_TS2·（H2O·OH·）@water需要的能量較小，只有24.47 kJ·mol-1。遠(yuǎn)小于 a_TS2 ·(H2O ·OH ·)產(chǎn)生的能壘124.76 kJ·mol-1[10]，說明水溶劑起了極好的催化作用。原因是a_S-INT1·(H2O·OH·)的偶極矩2.045 D遠(yuǎn)小于 a_TS2·(H2O·OH·)的偶極矩4.270 D，強極性溶劑水的作用使后者的能量相對降低。而文獻(xiàn)［10］用水汽相的構(gòu)象計算的溶劑化能壘為6.59 kJ·mol-1，說明用水汽相的構(gòu)象計算溶劑化能不可靠。 結(jié)構(gòu)分析表明，a_P_1*·2H2O@wate具有2個分子之間的強氫鍵和1個分子間的弱氫鍵，a_P_1*的骨架原子之間形成了共軛的∏鍵。因此，a_P_1*·2H2O@wate的構(gòu)型十分穩(wěn)定。 24.47 kJ·mol-1已經(jīng)低于質(zhì)子遷移溫和反應(yīng)的能壘84.01 kJ·mol-1［18］，說明水溶劑環(huán)境下羥自由基的存在可致 α-Ala迅速損傷。

a_TS2·（H2O·OH·）@water的產(chǎn)物是 a_P_1*·2H2O@water令人費解，通過對a_TS2·（H2O·OH·）@water進(jìn)行IRC計算，給出了從過渡態(tài)a_TS2·（H2O·OH·）@water到a_P_1*·2H2O@water的簡明過程，見圖6。

第2種情形：羥自由基抽氫致a_S-INT1@water損傷的反應(yīng)歷程，見圖4（b），不再贅述。 文獻(xiàn)［10］的研究表明，水汽環(huán)境下，a_TS2·［（OH·）·H2O］產(chǎn)生的能壘為21.56 kJ·mol-1。本文的溶劑化計算表明，水溶劑化效應(yīng)使該能壘升高到80.60 kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使羥自由基抽氫致S-α-Ala損傷的速度顯著下降，水溶劑起了負(fù)催化作用。原因是a_S-INT1·[(OH·)·H2O]和 a_TS2·[(OH·)·H2O]相比較，前者的偶極矩（4.624 D）大于后者的偶極矩（3.816），強極性溶劑水的作用使后者的能量相對升高。從過渡態(tài)a_TS2·［（OH·）·H2O］@water到產(chǎn)物 a_P_2*·2H2O@water的簡明過程，見圖7。

圖6 從過渡態(tài)a_TS2·（H2O·OH·）@water到產(chǎn)物a_P_1*·2H2O@water的簡明過程Fig.6 A brief process from the transition state a_TS2·（H2O·OH·）@water to the product a_P_1*·2H2O@water

圖7 從過渡態(tài)a_TS2·［（OH·）·H2O］@water到產(chǎn)物 a_P_2*·2H2O@water的簡明過程Fig.7 A brief process from the transition state a_TS2·［（OH·）·H2O］@water to the product a_P_2*·2H2O@water

從圖5可以看出，羥自由基的水分子團簇致a_S-INT1損傷反應(yīng)過程均為放熱反應(yīng)，在水分子抽氫和羥自由基抽氫2個通道的競爭中，水分子抽氫通道具有絕對的優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

3.1 α-Ala的旋光異構(gòu)可在a和b兩個通道實現(xiàn)。水環(huán)境下，在a通道2個和3個水分子簇做氫遷移媒介，決速步能壘分別為118.44和113.37 kJ·mol-1，氫氧根水分子簇的催化使該能壘降到64.45 kJ·mol-1；在b通道2個水分子簇作氫遷移媒介，決速步能壘為 135.00 kJ·mol-1。

3.2 羥自由基在水分子的輔助下可致α-Ala損傷，損傷能壘在水分子抽氫和羥自由基抽氫時分別為24.47 和-80.60 kJ·mol-1。

結(jié)果表明：生命體內(nèi)水環(huán)境可使α-Ala緩慢地消旋，氫氧根的存在使α-Ala較快地消旋，羥自由基的存在會使α-Ala較快損傷。大量的氫氧根或羥自由基存在于體內(nèi)，會嚴(yán)重影響人體健康。