气相α-丙氨酸二价锌配合物手性转变的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论的M06和MN15方法，研究了气相α-丙氨酸二价锌（α-Ala·Zn2+）配合物的2种稳定构型（两性的A_1和中性的A_2）的手性转变. 研究发现，A_1可通过以氧为桥、氮为桥、锌为桥、氧与氮联合为桥以及氧与甲基碳联合为桥等多种途径进行氢迁移，实现手性转变；A_2可通过以氧为桥进行氢迁移，实现手性转变，还可以打开螯合环向A_1异构，按A_1手性转变的多种途径实现手性转变. 势能面研究表明，A_1以锌为桥进行氢迁移的手性转变反应具有优势，活化自由能垒是197.2 kJ·mol?1，A_2打开螯合环向A_1异构后，再以锌为桥进行氢迁移的手性转变反应具有优势，活化自由能垒是228.7 kJ·mol?1. 结果表明:气相丙氨酸锌可以很好地保持其手性特征.     

气相环境下Na~+催化丙氨酸分子手性转变的机理

采用密度泛函理论的M06方法研究了Na~+催化丙氨酸(Ala)分子的手性对映体转变.反应通道研究发现:Ala_1(Ala的稳定构型1)的手性转变有a、b、c和d 4个通道,a通道是羧羟基氢迁移后α-氢以羰基氧为桥迁移,b通道是羧羟基氢迁移后α-氢向羰基氧迁移再接质子从质子化氨基向α-碳迁移,c和d通道是α-氢分别以氨基氮和羰基氧为桥迁移.Ala_2(Ala的稳定构型2)的手性转变有2个通道a和b,a通道是α-氢只以羰基氧为桥迁移,b通道是α-氢迁移到羰基氧后氨基上的质子再向α-碳迁移.势能面计算结果表明:Ala_1手性转变的a和b通道具有优势,反应的总包能垒(反应活化能)是125.4kJ·mol~(-1).Ala_2手性转变的a通道具有优势,反应的总包能垒(反应活化能)是200.0kJ·mol~(-1).结果表明:气相环境下Na~+的催化可显著地降低Ala实现手性转变的能垒.     

水环境下MOR分子筛对α-丙氨酸 旋光异构的限域催化

用量子力学与分子力学组合的ONIOM方法结合自洽反应场(SCRF)理论的smd模型方法,对标题反应进行理论研究.研究发现:水环境下限域在MOR分子筛内的α-丙氨酸可以在3个反应通道实现旋光异构,分别是质子α-氢以氨基氮、顺次以羰基氧与氨基氮和只以羰基氧为桥,从α-碳的一侧迁移到另一侧.计算表明:质子以氨基氮为桥转移的通道具有绝对优势,α-氢从α-碳向氨基氮的迁移是决速步骤;水溶剂环境下2个和3个水分子簇做α-氢迁移媒介以及分子筛的限域作用,使决速步的吉布斯自由能垒从裸反应的266.1kJ·mol~(-1)降为116.1和111.2kJ·mol~(-1),也比只在水环境下的138.6和122.5kJ·mol~(-1)显著降低.结果表明:水环境下MOR分子筛对α-丙氨酸的旋光异构具有较好的限域助催化作用,水与MOR分子筛的复合环境可作为α-丙氨酸旋光异构反应的纳米反应器.     

密度泛函理论方法研究Mn~(2+)催化丙氨酸反应的机理及催化活性

采用密度泛函理论的BP86-D3方法研究了Mn~(2+)催化丙氨酸转化反应的机理及催化活性.得到15个稳定构型和12个过渡态,最稳定构型的结合自由能为-710.8kJ·mol~(-1).Mn~(2+)可以催化丙氨酸发生质子迁移反应、手性转化反应、裂解失CO反应和裂解失H_2O反应;对应的吉布斯自由能垒分别为7.7kJ·mol~(-1)、78.7kJ·mol~(-1)、166.4kJ·mol~(-1)和225.2kJ·mol~(-1).丙氨酸质子迁移反应和手性转化反应通道的决速步基元反应相同,自由能垒是119.1kJ·mol~(-1),相应反应较易发生.丙氨酸裂解反应通道的最高自由能垒为225.2kJ·mol~(-1),反应较难发生.     

几种稳定构型精氨酸分子的手性转变反应机理及水溶剂化效应

采用密度泛函理论的B3LYP方法、微扰理论的MP2方法和自洽反应场(SCRF)理论的smd模型方法,研究了2种最稳定构型的精氨酸分子的手性转变机理及水溶剂化效应.研究发现标题反应有3条通道a、b和c.对于构型1,分别是手性碳上的质子以氨基、羰基和氨基联合以及羧基和氨基联合为桥迁移.对于构型2,分别是手性碳上的质子只以氨基为桥、羧基异构后再以氨基为桥迁移及以羧基和氨基联合作桥迁移.势能面计算表明:构型1的主反应通道都是a,决速步自由能垒分别为268.2kJ·mol~(-1),来源于质子从手性碳向氨基氮迁移的过渡态.构型2的主反应通道是b,决速步自由能垒为239.3kJ·mol~(-1),来源于质子从手性碳向氨基氮迁移的过渡态.水溶剂效应使构型2的主反应通道决速步自由能垒降到95.7kJ·mol~(-1).结果表明:随着温度的升高,构型2先手性转变;水溶剂对精氨酸的手性转变有极好的催化作用.     

甲醇溶剂环境下两种稳定构象α-丙氨酸分子的手性转变机理

采用密度泛函理论的B3LYP方法、微扰理论的MP2方法和自洽反应场(SCRF)理论的smd模型方法,研究了标题反应.势能面计算表明:标题反应的决速步骤均为第2基元反应,决速步能垒来自于质子从手性碳向氨基氮转移的过渡态.甲醇溶剂环境下构象1和2手性转变决速步的吉布斯自由能垒分别为109.8 kJ·mol~(-1)和111.0 kJ·mol~(-1),比气相甲醇环境下的决速步能垒134.2 kJ·mol~(-1)和130.8 kJ·mol~(-1)均有明显降低,比水环境下的决速步能垒122.5 kJ·mol~(-1)也明显降低,比裸环境下的决速步能垒266.1 kJ·mol~(-1)大幅降低,比限域在SWBNNT(5,5)内的决速步能垒为201.1 kJ·mol~(-1)也显著降低.结果表明:甲醇分子簇对α-丙氨酸分子的手性转变具有明显的催化作用,甲醇溶剂效应对质子从手性碳向氨基氮的转移反应具有较好的助催化作用.     

基于氨基做质子迁移桥梁的苯丙氨酸分子旋光异构反应机理

采用密度泛函理论的B3LYP方法和微扰理论的MP2方法,对苯丙氨酸分子的3种最稳定构型基于氨基做质子迁移桥梁的旋光异构进行研究.反应通道研究发现:标题反应有3条通道a、b和c.对于构型1和3,a是羧基异构后手性碳上的质子再以氨基为桥迁移,b是手性碳上的质子直接以氨基为桥迁移,c是手性碳上的质子以羧基和氨基联合为桥迁移.对于构型2,3条通道分别是质子只以氨基、顺次以羰基与氨基和顺次以羧基和氨基为桥迁移;势能面计算表明:构型1,3的主反应通道都是a,决速步是第2基元反应,活化吉布斯自由能垒分别为256.7kJ·mol~(-1)和263.4kJ·mol~(-1),由羧基异构后质子从手性碳向氨基氮迁移的过渡态产生.构型2的主反应通道也是a,决速步是第1基元反应,活化吉布斯自由能垒为256.5kJ·mol~(-1),由质子从手性碳向氨基氮迁移的过渡态产生;3种构型的苯丙氨酸分子旋光异构速控步骤的反应速率常数分别为6.27×10-33 s~(-1),6.79×10-33s~(-1)和4.20×10-34s~(-1).     

螺旋手性SWCNT的尺寸对赖氨酸分子手性转变反应的限域影响

采用量子力学与分子力学组合的ONIOM方法,研究了两种构象的赖氨酸分子限域在螺旋手性单壁碳纳米管内的手性转变机理.结构分析表明:纳米管管径越小,限域在其中的赖氨酸分子骨架形变越明显,手性碳上的氢原子与氨基上氮的氮原子距离越小.势能面计算表明,两种构象的赖氨酸分子限域在SWCNT(6,4)时,旋光异构反应决速步的吉布斯自由能垒分别是194.72和170.08kJ·mol~(-1),分别由质子从手性碳向氨基氮和质子从手性碳向氨基氮与氨基上的质子向羰基氧双质子协同迁移的过渡态产生的.与裸反应的此通道决速步能垒252.6kJ·mol~(-1)相比较有显著降低.两种构象的赖氨酸分子限域在SWCNT(6,4)内旋光异构反应的表观能垒分别是160.00和178.59kJ·mol~(-1).他们限域在SWCNT(7,4)内时,旋光异构反应决速步的能垒分别是238.28和217.18kJ·mol~(-1);限域在SWCNT(8,4)内时,旋光异构反应决速步的能垒分别是253.00和250.11kJ·mol~(-1).结果表明:螺旋手性单壁碳纳米管的孔径越小,对赖氨酸分子手性转变反应的限域催化作用越好;限域在SWCNT(6,4)内的赖氨酸分子构象1更容易旋光异构.     

具有氨基和羧基间单氢键的α-Ala分子旋光异构机理及水和羟自由基的作用

采用密度泛函理论的B3LYP方法、微扰理论的MP2方法和自洽反应场(SCRF)理论的smd模型方法,研究了标题反应.反应通道研究发现:标题反应有两个通道a和b,a是羧基顺反异构后质子以氨基为桥从手性碳的一侧迁移到另一侧;b是质子从手性碳向氨基的迁移与羧基顺反异构协同进行.势能面计算表明:a为优势通道,质子从手性碳向氨基迁移过程是决速步骤.2个水分子簇作氢迁移媒介,使决速步内禀能垒从裸反应的267.41kJ·mol-1降到131.77kJ·mol-1,水溶剂效应又使该能垒进一步降到107.83kJ·mol-1.羟自由基水分子链联合作用可使α-丙氨酸损伤,水分子拔氢和羟自由基拔氢的能垒分别是124.76和21.56kJ·mol-1,水溶剂效应使两个能垒进一步降到6.59和-186.99kJ·mol-1.结果表明:水溶剂环境下,α-丙氨酸分子可以缓慢地旋光异构;在浓度较大的水汽环境下,α-丙氨酸分子的旋光异构更容易进行.水汽环境下,羟自由基的存在可使α-丙氨酸分子损伤;水溶剂环境下,羟自由基的存在可使α-丙氨酸分子迅速损伤.     

基于氨基作氢迁移桥梁天门冬酰胺的旋光异构机理及水的作用

采用密度泛函理论的B3LYP方法、微扰论的MP2方法和自洽反应场(SCRF)理论的smd模型方法,研究了天门冬酰胺分子2个稳定构型的旋光异构裸反应机理、水分子的催化作用及水溶剂化效应.反应通道研究发现:构型1有2条通道a和b,a通道的第一基元反应质子迁移与羧基异构同时进行,是协同机理;b通道羧基先异构而后质子迁移,是分步机理.构型2有1条通道,是质子先以氨基氮为桥从手性碳的一侧迁移到另一侧,然后羧基和氨基再异构.势能面计算表明:构型1的主反应通道是b,决速步自由能垒为252.7kJ·mol~(-1);构型2的决速步自由能垒为254.0kJ·mol~(-1),均来自于质子从手性碳向氨基氮迁移的过渡态.2个水分子作质子迁移媒介时,构型1主反应通道b的决速步能垒降到124.1kJ·mol~(-1),再考虑到水溶剂化效应时,决速步能垒降到104.0kJ·mol~(-1).结果表明:水分子的催化和水溶剂助催化的共同作用,使质子迁移反应能垒大幅度降低.     

天门冬氨酸分子手性转变机理及水分子和羟自由基的催化作用

采用密度泛函理论的B3LYP方法和微扰理论的MP2方法,研究了单体天门冬氨酸分子手性转变机理及水分子和羟自由基对氢迁移反应的催化作用.反应通道研究发现:天门冬氨酸手性转变有a,b,c和d 4个反应通道.a是手性C上的H以氨基N为桥,转移到手性C另一侧;b是手性C上的H顺次以羰基O和氨基N为桥,转移到手性碳另一侧;c是手性C上的H只以羰基O为桥,转移到手性碳另一侧;d是羧基内H迁移后,手性C上的H再以羰基O为桥,转移到手性碳另一侧.势能面计算表明:a通道是优势反应通道,最高能垒为258.2 kJ·mol~(-1),来自手性C上的H向氨基N转移的过渡态;2个水分子构成的链使该能垒降为117.1 kJ·mol~(-1),水分子和羟自由基构成的链使该能垒降为98.6 kJ·mol~(-1).     

水液相下两性α-丙氨酸K+配合物旋光异构的理论研究

采用密度泛函理论的M06-2X方法,结合自洽反应场理论的SMD模型方法,研究了水液相下两性S型α-丙氨酸与一价钾离子配合物(S-α-Ala·K~+)的旋光异构.反应通道研究发现:S-α-Ala·K~+旋光异构反应有a、b和c 3个通道,a是质子只以羰基氧为桥迁移;b是α-氢迁移到羰基氧后,质子再从质子化氨基向α-碳迁移;c是质子从质子化氨基迁移到羰基氧后,再以氨基氮为桥迁移.势能面计算表明:隐性溶剂效应下,c通道具有优势,决速步能垒是241.7 kJ·mol ~1;1和b通道为劣势通道,具有共同的决速步能垒261.3 kJ·mol ~1.显性溶剂效应下,a、b和c 3个通道的决速步能垒基本相同,大约在136.6至142.0 kJ·mol ~1之间.结果表明:水液相下S-α-Ala·K~+的旋光异构反应进行的极其缓慢,生命体利用S-α-Ala·K~+同补K~+和丙氨酸具有较好的安全性.     

MOR分子筛对布洛芬手性转变反应的限域影响

采用量子力学与分子力学组合的ONIOM方法,研究了布洛芬在MOR分子筛12元环孔道限域环境的手性转变.反应通道研究发现:标题反应有7条路径,质子从手性碳的一侧向另一侧迁移可分别以羰基、甲基和羰基联合、羧基以及羧基和苯环联合作桥实现.反应势能面计算发现:在羧基内实现质子迁移后,手性C上的质子以新羰基O为桥迁移到苯环,接着苯环上的质子又以羰基为桥在纸面里迁移到手性碳的手性转变过程是主反应路径.决速步骤是质子从手性碳向新羰基氧的迁移过程,决速步骤吉布斯自由能垒是263.4kJ·mol~(-1),相对于裸反应决速步骤的能垒287.1kJ·mol~(-1)有明显降低.结果表明:MOR分子筛12元环孔道对布洛芬的手性转变反应具有限域催化作用.     

水环境下α-丙氨酸分子手性的转变机制

基于密度泛函理论考察水环境下α-丙氨酸分子手性转变机制,通过寻找水环境下α-丙氨酸手性转变过程过渡态及中间体等极值点的结构,绘制水环境下α-丙氨酸分子手性碳上氢原子转移及形成中间体异构过程的反应势能面.结果表明:与孤立条件的手性转变过程相比,以单个和两个水分子为桥梁的氢原子从手性碳向羰基氧转移过程的能垒从325.5kJ/mol分别降为200.6,173.0kJ/mol;氢原子从羰基氧再迁移到手性碳另一侧的能垒从229.2kJ/mol分别降为105.3,73.5kJ/mol.这是由于水分子在α-丙氨酸分子对映体手性转变过程中具有催化作用,即生命体内存在微量右旋丙氨酸的机制是水参与了左旋丙氨酸手性转变过程,降低了反应能垒所致.     

水与MOR分子筛复合环境对布洛芬分子手性转变反应共催化的理论研究

采用量子力学与分子力学组合的ONIOM方法,研究布洛芬限域在水与MOR分子筛复合环境的手性转变.结构研究表明:1,2个和3个水分子助氢迁移反应的过渡态分子氢键键角不断增大,3个水分子助氢迁移反应的10元环过渡态结构明显偏离平面.反应通道研究发现:标题反应有a1,a2和b三个通道.a1和a2是经过水助羧基内质子迁移和质子以新羰基氧为桥从手性碳向苯环迁移的共同历程后,再分别直接迁移到手性碳的另一侧和以新羰基氧为桥迁移到手性碳的另一侧;b是水助质子以羰基氧为桥从手性碳的一侧迁移到另一侧.势能面计算表明,a2是主反应通道,在2个水分子助质子迁移反应时,决速步吉布斯自由能垒被降到最低值124.3kJ·mol-1,与裸反应、限域在MOR分子筛和限域在水环境的此通道决速步能垒287.1,263.4kJ·mol-1和152.2kJ·mol-1相比较,均有明显降低.结果表明:水与MOR分子筛复合环境对布洛芬手性转变具有较好的共催化作用,可作为理想的实现布洛芬手性转变的纳米反应器.     

水环境下基于氨基作氢迁移桥梁α-丙氨酸的手性转变机制

采用密度泛函理论的B3LYP方法、微扰理论的MP2方法和自洽反应场(SCRF)理论的smd模型方法,研究了α-丙氨酸在水环境下基于氨基作氢迁移桥梁的手性转变机理。结构分析表明:7元环过渡态a TS2·2H_2O和9元环过渡态a TS2·3H_2O的键角1C-13H-14O和18O-15H-6N,比5元环过渡态a TS2·1H_2O的键角1C-13H-14O和14O-15H-6N明显增大。反应通道研究发现:手性转变反应有两个通道,一是手性碳上的H只以氨基为桥迁移到手性碳另一侧,实现手性转变;二是手性碳的H先迁移到羰基,然后再以氨基为桥迁移到手性碳另一侧,实现手性转变。势能面计算表明:第一通道为优势反应通道,H从手性碳向氨基迁移过程是决速步骤,3个水分子作为氢迁移媒介时,决速步能垒被降到122.5 k J·mol~(-1)。研究结果表明:水分子对α-丙氨酸分子内的质子迁移反应具有较好的催化作用,水溶剂效应使非质子转移反应的能垒略有升高。     

Lys分子的旋光异构及羟自由基致损伤机理

采用密度泛函理论的B3LYP方法和微扰理论的MP2方法,研究了具有氨基和羧基间单氢键的赖氨酸分子的旋光异构、水分子簇的催化、羟基自由基致赖氨酸损伤机理及水溶剂化效应。反应通道研究发现:标题反应有2个通道a和b。分别是分步机理和协同机理。势能面计算表明:羧基异构和质子迁移分步进行的a通道为主反应通道,决速步裸反应吉布斯自由能垒为259.90 kJ·mol~(-1);2个水分子簇的催化使a通道决速步能垒降为145.80 kJ·mol~(-1),水溶剂效应使该能垒进一步降到111.22 kJ·mol~(-1);羟自由基与水分子链作氢迁移媒介可导致赖氨酸损伤,在水汽相环境下的能垒是134.12 kJ·mol~(-1),水溶剂效应使该能垒骤降到32.62 kJ·mol~(-1)。     

水液相环境下苯丙氨酸分子的手性对映体转变机理

在MP2/6-311++g(3df,2pd)/WB97X-D/6-311++G(d,p)双水平,结合自洽反应场理论的SMD模型方法,对标题反应进行了研究.反应通道研究发现:水液相环境下苯丙氨酸(Phe)分子手性对映体转变反应在质子直接迁移时有2个通道,水分子(簇)作质子迁移媒介时有3个通道.势能面计算表明:水液相环境与气相环境比较,质子从α-碳向羰基氧直接迁移的内禀能垒小幅升高,质子从α-碳向氨基氮直接迁移的内禀能垒小幅降低;2个水分子簇作媒介时,质子从α-碳向羰基氧迁移的内禀能垒小幅升高,质子从α-碳向氨基氮迁移的内禀能垒显著降低.水液相环境下Phe分子手性对映体转变反应的优势通道是α-氢以氨基氮为桥迁移,质子直接迁移时反应的活化能是260.36kJ·mol~(-1),2个水分子簇作质子迁移媒介时反应的活化能是107.64kJ·mol~(-1).结果表明,水液相环境下水分子(簇)的催化可以使Phe分子实现手性对映体转变.     

布洛芬分子手性转变裸反应机理及水分子的催化作用——基于羰基和苯环作H迁移桥梁

采用基于密度泛函理论的B3LYP方法和微扰理论的MP2方法,研究了布洛芬分子手性转变裸反应和水助质子从手性碳向羰基迁移的机理。分子结构分析表明:水助质子从手性碳向羰基迁移过程的8元环过渡态b TS2·2H_2O和10元环过渡态b TS2·3H_2O对应的氢键键角都远大于6元环过渡态b TS2·1H_2O;过渡态b TS2·2H2O的8元环结构基本共面,过渡态a_TS1·3H_2O和b TS2·3H_2O的10元环结构明显偏离平面。反应路径研究发现:标题反应有6条路径,分别是质子只以羰基氧、以甲基碳和羰基O及以羧基和苯环联合作桥,从手性C的一侧迁移到另一侧。势能面计算表明:质子以羧基和苯环联合作桥迁移的路径为优势反应路径,裸反应的决速步吉布斯自由能垒为287.1 k J·mol~(-1),2个水分子构成的链使决速步的吉布斯自由能垒降为144.9 k J·mol~(-1)。结果表明:布洛芬分子的手性转变存在多条可能的路径,水分子对布洛芬分子的H迁移异构反应有明显的催化作用,生命体内水分子的存在、温度的涨落、分子的频繁碰撞和某种酶的作用等综合因素,是导致左旋布洛芬旋光异构的原因。     

α-丙氨酸限域在不同尺寸的扶椅型单臂碳纳米管内的手性转变机制——基于氨基做质子转移桥梁

采用量子力学与分子力学组合的方法,在ONIOM(MP2/6-311++G(3df,3pd):UFF)//ONIOM(B3LYP/6-31+G(d,p):UFF)理论水平,研究了不同尺寸的扶椅型单壁碳纳米管内,α-丙氨酸基于氨基做质子转移桥梁实现手性转变的反应机理.反应通道研究发现:在不同尺寸的扶椅型SWCNT内,手性转变反应均有a和b两个通道,a通道是手性C上的质子转移只以氨基上的N为桥;b通道是手性C的质子转移以羰基O和氨基N顺次为桥。势能面计算表明:SWCNT的孔径越小,反应能垒越低;在SWCNT(5,5)内,a通道最高能垒为198.7 k J·mol~(-1),比单体在此通道的最高能垒266.1 k J·mol~(-1)明显降低,b通道最高能垒为285.0 k J·mol~(-1),比单体在此通道的最高能垒326.6 k J·mol~(-1)也有明显的降低。结果表明:生命体内α-丙氨酸在纳米生物通道的手性转变过程主要是以氨基为质子转移桥梁实现;较小尺寸的纳米管反应器对α-丙氨酸手性转变反应的限域催化作用明显。