姜春旭，楊曉翠，繩紹旭，白杰，叢建民，王佐成

(1. 白城師范學院理論計算中心，吉林 白城137000; 2. 白城師范學院傳媒學院，吉林 白城 137000；3. 白城師范學院物理學院，吉林 白城 137000；4. 白城師范學院生命科學學院，吉林 白城 137000)

纈氨酸(valine, Val)是生命體的必需氨基酸，根據(jù)構象的不同，分為S型纈氨酸(S-Val)和R型纈氨酸(R-Val)；根據(jù)旋光性的不同，分為左旋纈氨酸(L-Val)和右旋纈氨酸(D-Val)。L-Val對生命體具有重要作用，可以促進機體的發(fā)育，還可以使神經(jīng)系統(tǒng)協(xié)調[1]。D-Val可控制纖維細胞的生長[2]，可用于氯氟戊菊酯的合成[3]，也是合成手性抗腫瘤藥物的重要中間體[4]，其價格比較昂貴。

由于光學純Val的重要性，學者們在其旋光異構領域做了大量的工作。Cholewinski A J等[2]的研究表明，在羧酸中醛的催化可使Val分子旋光異構。文獻[5]和[6]在理論和實驗兩個方面的研究表明，Val分子在高濃度的質子環(huán)境下可以消旋。文獻[7-8]的研究表明，水汽環(huán)境下水分子簇對Val旋光異構具有催化作用，文獻[9]的研究發(fā)現(xiàn)，Val在激發(fā)態(tài)可以實現(xiàn)旋光異構，水溶劑對反應有阻礙作用。文獻[10-12]的研究發(fā)現(xiàn)，氫氧根離子水分子團簇可催化纈氨酸迅速旋光異構，羥自由基抽取α-H可致纈氨酸迅速損傷，結果表明，生命體內氫氧根離子過量以及強自由基的存在會嚴重影響健康，同時也說明了光學純的纈氨酸很難儲存。

生命體內納米環(huán)境下纈氨酸的旋光異構，以及對于價格昂貴的光學純纈氨酸存儲的研究，目前鮮見報道。已有研究表明[13-15]，限域在納米管內化學反應的表現(xiàn)不同于裸反應，并且納米管尺寸的不同對限域其中的化學反應表現(xiàn)出顯著不同的影響，尋找一種納米管，利用其負催化作用儲存光學純纈氨酸具有重要意義?；诖?，本工作對扶手椅型單壁氮化硼納米管(SWBNNT)內纈氨酸分子的旋光異構進行了研究，并期望在理論上尋找到存儲光學純纈氨酸的一維納米碳材料。

1 模型的選取與計算研究方法

纈氨酸分子的橫向線度約為0.580 1 nm，縱向線度約為0.380 7 nm×0.395 1 nm，扶椅型單臂氮化硼納米管(5,5)[SWBNNT(5,5)]的直徑是0.673 2 nm，扶椅型單臂碳納米管(7,7)[SWCBNNT(7,7)]的直徑是0.942 6 nm。Val分子限域在直徑小于SWBNNT(5,5)的氮化硼納米管時，與SWBNNT是化學吸附，而Val分子在直徑大于SWBNNT(7,7)的SWBNNT時，SWBNNT的限域影響已不存在，因此本工作把SWBNNT(5,5)、(6,6)和(7,7)作為納米限域環(huán)境。為充分考慮SWBNNT的限域效應，管長取為2.500 nm(截斷處的氮原子用氫原子飽和)。

采用量子化學組合的ONIOM方法[16]研究標題反應。將SWBNNT與駐點分子分兩層：駐點分子為高層，用量子力學描述，SWBNNT為低層，用分子力學的UFF力場[17]描述；為較好地處理駐點分子與SWBNNT間的長程作用，采用長程校正泛函的CAM-B3LYP[18]方法；基組選用6-31+G(d, p)；在ONIOM(CAM-B3LYP/6-31+G(d, p): UFF)水平全參數(shù)優(yōu)化穩(wěn)定點和過渡態(tài)[19]。高層采用微擾論的MP2[20]方法，在ONIOM(MP2/6-311++G(2df, pd): UFF)水平下計算駐點包結物分子的單點能(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)，從而獲得反應過程精確的勢能剖面。通過內稟反應坐標(IRC)計算[21]確認過渡態(tài)。用S-Val表示S型Val分子，S-Val限域在SWBNNT(5,5)的包結物分子用S-Val@SWBNNT(5,5)表示，其他包結物分子用類似方法表示。本工作的計算由Gaussian09軟件包[22]完成。

2 研究結果及討論

最穩(wěn)定的S-Val分子及其手性對映體構象[10]見圖1，可以看出，S-Val的旋光異構，就是α-碳上的質子從紙面外側遷移到紙面里側。

文獻[8-10]的研究表明，纈氨酸的旋光異構可以在若干個通道實現(xiàn)，α-氫以氨基氮為橋遷移的通道具有優(yōu)勢，本工作僅對優(yōu)勢通道進行討論。

圖1 S型與R型纈氨酸分子的幾何結構Fig.1 Geometries of S-type and R-type of valine molecules

2.1 S-Val分子限域在SWBNNT(5,5)和SWBNNT(6,6)內的旋光異構

S-Val限域在SWBNNT(5,5)內，α-氫以氨基氮為橋遷移的通道是羧基異構后α-氫再以氨基氮為橋從α-碳向羰基氧遷移，反應歷程，見圖2，反應過程的吉布斯自由能曲線，見圖5。

先是反應物包結物S-Val@SWBNNT(5,5)，經(jīng)190H繞187C-188O旋轉的過渡態(tài)S-TS1@SWBNNT(5,5)實現(xiàn)構象異構，得到的第一中間體包結物記為S-INT1@SWBNNT(5,5)。此過程，二面角190H—188O—187C—189O從165.83°變?yōu)?1.13°，實現(xiàn)羧基從反式平面結構向順式的構象異構，同時氨基團俯視逆時針旋轉，二面角185H—184N—181C—182H從-81.33°變?yōu)?107.40°。這時，184N朝向讀者的一面也裸露出來，負電荷密度顯著增加，容易獲得質子；185H和190H向兩側的旋轉降低了α-氫向氨基氮遷移的空間位阻。從S-Val@SWBNNT(5,5)到S-TS1@SWBNNT(5,5)，二面角190H—188O—187C—189O從165.83°變?yōu)?113.56°，二面角185H—184N—181C—182H從-81.33°變?yōu)?105.55°，187C—188O鍵長從0.133 0 nm微增到0.135 4 nm。此過程無斷鍵，只是羥基和氨基旋轉，過渡態(tài)的能壘不高，只有19.67 kJ·mol-1。與裸反應[10]的50.36 kJ·mol-1相比較明顯降低，原因是SWBNNT(5,5)的限域使從反應物到過渡態(tài)二面角190H—188O—187C—189O的改變以及187C—188O鍵長的伸長小于裸反應的情形[10]，SWBNNT(5,5)對此基元有明顯的限域催化作用。第一中間體與反應物的相對能量是-29.16 kJ·mol-1，相對于S-Val@SWBNNT(5,5)體系顯著降低，主要原因是S-INT1的偶極矩(2.436 5)明顯小于S-Val的偶極矩(5.552 8)，SWBNNT可看作是“無極性溶劑”，無極性溶劑與極性相對小的分子相互作用會使體系能量降低得更多。因此，S-INT1@SWBNNT(5,5)體系能量相對降低的明顯，構象穩(wěn)定。

然后，包結物分子S-INT1@SWBNNT(5,5)，經(jīng)α-氫182H從α-碳181C向氨基氮234N遷移，接著又向羰基氧189O遷移的質子連續(xù)遷移及羧基旋轉的過渡態(tài)TS2@SWBNNT(5,5)，構型異構成中間體INT2@SWBNNT(5,5)。從S-INT1@SWBNNT(5,5)到TS2@SWBNNT(5,5)過程，IRC計算表明：181C—182H鍵長從0.103 2 nm拉伸到0.139 7 nm鍵斷裂，伸長量是0.036 5 nm；181C—184N鍵長從0.141 5 nm增加到0.157 3 nm，伸長0.015 8 nm；活性中心骨架二面角184N—181C—183C—187C從111.79°變?yōu)?5.52°，改變16.3°。此過程2個化學鍵拉伸以及骨架形變均大于裸環(huán)境(分別為：0.027 7 nm、0.013 2 nm、11.5°)，因此，TS2@SWBNNT(5,5)產(chǎn)生了較高的能壘，能壘值是318.41 kJ·mol-1(遠高于裸環(huán)境此基元反應的能壘268.93 kJ·mol-1)。這與以往研究[13-15]得到的納米管限域正催化丙氨酸旋光異構過程的氫遷移反應截然不同，原因是纈氨酸的R-基是2個甲基和一個次甲基，R-基占據(jù)較大的空間，導致其從S-INT1@SWBNNT(5,5)到TS2@SWBNNT(5,5)過程化學鍵拉伸以及骨架形變顯著增大，這與分子篩同一空穴對不同構象的分子的擇形催化作用相似。

接下來，INT2@SWBNNT(5,5)經(jīng)和TS2@SWBNNT(5,5)準對稱的過渡態(tài)TS3_1@SWBNNT(5,5)，實現(xiàn)了182H從羰基氧189O向氨基氮184N和186H在紙面里從氨基氮184N向α-碳181C的協(xié)同遷移，構型異構成R型產(chǎn)物包結物P1_R-Val@SWBNNT(5,5)，S-Val實現(xiàn)旋光異構。從INT2@SWBNNT(5,5)到TS3@SWBNNT(5,5)過程，189O—182H鍵長從0.092 9 nm拉伸到0.159 2 nm鍵斷，184N—186H鍵長從0.099 8 nm增加到0.122 8 nm，2個化學鍵的大幅拉伸斷裂需要較高的能量，因此，TS3@SWBNNT(5,5)產(chǎn)生的能量也很高，是225.29 kJ·mol-1。P1_R-Val@SWBNNT(5,5)又可以經(jīng)過羧基內質子遷移的過渡態(tài)R-TS4@SWBNNT(5,5)，構象異構成P2_R-Val@SWBNNT(5,5)。從P1_R-Val@SWBNNT(5,5)到R-TS4@SWBNNT(5,5)過程，188O—190H鍵長從0.097 2 nm拉伸到0.127 0 nm鍵斷，拉伸幅度不是很大，因此，R-TS4@SWBNNT(5,5)產(chǎn)生的能壘不是很高，只有98.52 kJ·mol-1。

圖2 S-Val限域在SWBNNT(5,5)內的旋光異構歷程及駐點構象Fig.2 Optical isomers process and stationary point conformation of S-Val confined in SWBNNT(5,5)

過渡態(tài)TS2@SWBNNT(5,5)連接的產(chǎn)物中間體是INT2@SWBNNT(5,5)，令人費解。從TS2@SWBNNT(5,5)到INT2@SWBNNT(5,5)的IRC計算說明：182H從過渡態(tài)開始，先遷移到184N上，然后經(jīng)無勢壘過程向189O遷移并伴隨著羧基右視順時針旋轉。在路徑上選取的幾個代表性結構，說明了TS2@SWBNNT(5,5)到INT2@SWBNNT(5,5)的簡要歷程，見圖3。IRC計算表明：從中間體反應物包結物INT2@SWBNNT(5,5)到過渡態(tài)包結物TS3@SWBNNT(5,5)的歷程與TS2@SWBNNT(5,5)到INT2@SWBNNT(5,5)的歷程基本相反，不再贅述。

S-Val限域在SWBNNT(6,6)內，α-氫以氨基氮為橋遷移有兩個通道a和b，反應歷程見圖4，旋光異構反應的吉布斯勢能曲線，見圖5。

對于a通道：先是限域在SWBNNT(6,6)內纈氨酸的包結物分子S-Val@SWBNNT(6,6)，經(jīng)羥基旋轉的過渡態(tài)a_S-TS1@SWBNNT(6,6)，構象異構成為中間體a_S-INT1@SWBNNT(6,6)。190H—188O—187C—189O二面角從161.44°變?yōu)?2.24°，實現(xiàn)了羧基從反式向順式平面結構異構，減小了α-氫182H向氨基氮184N遷移的空間位阻。從S-Val@SWBNNT(6,6)到a_S-TS1@SWBNNT(6,6)，二面角190H—188O—187C—189O從161.44°變?yōu)?108.02°，二面角185H—184N—181C—182H從-84.10°變?yōu)?173.06°，2個二面角的旋轉所需能壘不高，過渡態(tài)a_S-TS1@SWBNNT(6,6)產(chǎn)生的能壘是24.29 kJ·mol-1。

圖3 TS2@SWBNNT(5,5)到INT2@SWBNNT(5,5)的簡明反應過程Fig.3 The concise reaction process of TS2@SWBNNT(5,5) to INT2@SWBNNT(5,5)

產(chǎn)物包結物相對于反應物包結物的能量是-39.65 kJ·mol-1，說明a_S-INT1@SWBNNT(6,6)的能量相對于S-Val@SWBNNT(6,6)顯著降低，其原因同于a_S-INT1@SWBNNT(5,5)的能量相對于S-Val@SWBNNT(5,5)顯著降低，不再贅述。

然后，a_S-INT1@SWBNNT(6,6)，經(jīng)過渡態(tài)a_TS2@SWBNNT(6,6)構型異構，形成中間體包結物a_INT2@SWBNNT(6,6)。從a_S-INT1@SWBNNT(6,6)到a_TS2@SWBNNT(6,6)過程，181C—182H鍵長從0.107 7 nm拉伸到0.135 6 nm鍵斷裂，伸長量是0.027 9 nm；181C—184N鍵長從0.144 8 nm增加到0.154 4 nm，伸長0.009 6 nm；反應活性中心骨架二面角184N—181C—183C—187C從113.68°變?yōu)?25.55°，改變11.87°，這幾個參數(shù)的變化基本同于裸反應；標志羧基旋轉的二面角181C—187C—189O—188O從77.23°變?yōu)?6.27°，改變較大，遠遠大與裸反應[10]。此過程化學鍵的拉伸和骨架變化總體大與裸反應，但小于S-INT1@SWBNNT(5,5)到TS2@SWBNNT(5,5)的情況，因此，a_TS2_1@SWBNNT(6,6)產(chǎn)生了高于裸環(huán)境但低于a_TS2@SWBNNT(5,5)的能壘，能壘是306.93 kJ·mol-1。

接著是a_INT2@SWBNNT(6,6)經(jīng)過渡態(tài)a_TS3@SWBNNT(6,6)，實現(xiàn)了185H在紙面里從氨基氮184N向α-碳181C的遷移，構型異構成為第一產(chǎn)物包結物a_P1_R-Val@SWBNNT(6,6)，S-Val_1實現(xiàn)了旋光異構。從a_INT2@SWBNNT(6,6)到a_TS3@SWBNNT(6,6)過程，鍵長184N—185H從0.102 2 nm拉伸到0.113 7 nm，鍵斷，181C—184N鍵長從0.145 6 nm增加到0.153 8 nm，兩個化學鍵的拉伸幅度遠小于從a_S-INT1@SWBNNT(6,6)到a_TS2@SWBNNT(6,6)過程，需要的能量也會少許多。又活性中心骨架二面角184N—181C—183C—187C從125.65°變?yōu)?128.92°，α-碳181C從空配向滿配(sp2雜化向sp3雜化)過渡，釋放能量。因此，a_TS3@SWBNNT(6,6)產(chǎn)生的能壘不高，只有74.22 kJ·mol-1。

最后，a_P1_R-Val@SWBNNT(6,6)經(jīng)過渡態(tài)a_R-TS4@SWBNNT(6,6)，實現(xiàn)了羧基從順式向反式平面結構的構象異構，形成第二產(chǎn)物a_P2_R-Val@SWBNNT(6,6)。此基元反應只是二面角異構，能壘較低，只有47.41 kJ·mol-1。

對于b通道：首先，反應物包結物S-Val@SWBNNT(6,6)，經(jīng)過渡態(tài)b_TS1@SWBNNT(6,6)，構型異構成第1中間體包結物b_INT1@SWBNNT(6,6)。在此基元，實現(xiàn)了α-氫182H從α-碳181C向氨基氮184N遷移與羥基旋轉的協(xié)同過程，完成了a通道1和2兩個基元的“工作”，b_TS1@SWBNNT(6,6)產(chǎn)生的內稟能壘是306.42 kJ·mol-1。計算表明，b_INT1@SWBNNT(6,6)全同于a_INT2@SWBNNT(6,6)，接下來的反應機理不在贅述。b_TS1@SWBNNT(6,6)的偶極矩(5.437 1)大于a_S-TS1@SWBNNT(6,6)的偶極矩(4.159 8)，電荷分離程度高，穩(wěn)定性前者小于后者，b_TS1@SWBNNT(6,6)處在勢能面較高的位置上。但它們產(chǎn)生的內稟能壘卻差不多，原因是S-Val@SWBNNT(6,6)與a_S-INT1@SWBNNT(6,6)相比處在勢能面較高的位置上。

圖4 S-Val限域在SWBNNT(6,6)內的旋光異構歷程及駐點構象Fig.4 Optical isomers process and stationary point conformation of S-Val confined in SWBNNT(6,6)

從圖5可以看出：S-Val限域在SWBNNT(5,5)旋光異構決速步驟是第2基元，決速步能壘是318.41 kJ·mol-1，產(chǎn)物會以P1_R-Val@SWBNNT(5,5)和P2_R-Val@SWBNNT(5,5)兩種構象共存，后者的分布要高些。S-Val限域在SWBNNT(6,6)在a通道旋光異構的決速步驟也是第2基元，決速步能壘是306.93 kJ·mol-1，在b通道旋光異構的決速步驟是第1基元，決速步能壘是306.42 kJ·mol-1，這兩個通道的優(yōu)劣不分伯仲。這兩個通道的產(chǎn)物都會以P1_R-Val@SWBNNT(6,6)和P2_R-Val@SWBNNT(6,6)兩種構象共存，前者的分布要遠高于后者。

S-Val限域在SWBNNT(5,5)和SWBNNT(6,6)旋光異構的決速步能壘均高于裸環(huán)境的268.93 kJ·mol-1[10]許多，說明SWBNNT(5,5)和SWBNNT(6,6)會很好地阻礙S-Val的旋光異構，均可以作為光學純纈氨酸的理想“存儲器”，比較而言，SWBNNT(5,5)更理想。

2.2 S-Val分子限域在SWBNNT(7,7)內的旋光異構

研究表明，限域在SWBNNT(7,7)內的S-Val，α-氫以氨基氮為橋遷移的旋光異構也存在相似于在SWBNNT(6,6)內的兩個通道a和b，a通道在競爭中具有優(yōu)勢。為節(jié)省篇幅，僅對優(yōu)勢通道a的旋光異構進行討論。圖6為旋光異構歷程，圖7為吉布斯自由能剖面。

首先是反應物包結物分子S-Val@SWBNNT(7,7)，經(jīng)過渡態(tài)S-TS1@SWBNNT(7,7)，構象異構，形成中間體S-INT1@SWBNNT(7,7)。S-INT1@SWBNNT(7,7)的羧基為順式結構，并且二面角185H—184N—181C—182H變?yōu)?69.77°，使α-氫182H向氨基氮184N遷移的位阻顯著降低。同時氨基氮184N朝向讀者的一面基本裸露出來，負電荷密度增加，也是其獲得質子的能力增加。從S-Val@SWBNNT(7,7)到S-TS1@SWBNNT(7,7)過程，二面角190H—188O—187C—189O從177.79°變?yōu)?91.06°，二面角185H—184N—181C—182H從-45.31°變?yōu)?57.35°，187C—188O鍵長從0.133 7 nm拉伸到0.137 8 nm，構象變化基本同于裸反應[10]，SWBNNT(7,7)的限域作用基本消失。S-TS1@SWBNNT(7,7)產(chǎn)生的能壘是39.72 kJ·mol-1，基本同于裸反應[10]。

然后，中間體反應物S-INT1@SWBNNT(7,7)，經(jīng)過渡態(tài)TS2@SWBNNT(7,7)構型異構，形成第二中間體產(chǎn)物包結物INT2@SWBNNT(7,7)。從S-INT1@SWBNNT(7,7)到TS2@SWBNNT(7,7)過程，181C—182H鍵長從0.109 4 nm

拉伸到0.136 4 nm鍵斷裂，伸長量是0.027 0 nm；181C—184N鍵長從0.145 1 nm增加到0.156 8 nm，伸長0.011 7 nm；活性中心骨架二面角234N—231C—233C—237C從125.86°變?yōu)?37.96°。構象幾何參數(shù)變化基本同于裸反應[10]，說明SWBNNT(7,7)的限域作用消失，過渡態(tài)TS2@SWBNNT(7,7)產(chǎn)生的能壘是262.81 kJ·mol-1，在誤差允許的范圍內，可認為同于裸反應的268.93 kJ·mol-1[10]。由于INT2@SWBNNT(7,7)的正負電荷中心分離，并且α-碳181C是sp2雜化，處于非滿配狀態(tài)，導致INT2@SWBNNT(7,7)體系的較高(相對于S-Val@SWBNNT(7,7))，處在勢能面較高的位置。

接著是INT2@SWBNNT(7,7)作為中間體反應物，經(jīng)過渡態(tài)TS3@SWBNNT(7,7)，質子化氨基上的185H在紙面里從184N向181C(α-碳)的遷移，構型異構為R型中間體產(chǎn)物R-INT3@SWBNNT(7,7)，此時，S-Val已經(jīng)實現(xiàn)旋光異構。從INT2@SWBNNT(7,7)到TS3@SWBNNT(7,7)過程，184N—185H鍵長從0.102 7 nm拉伸到0.116 1 nm鍵斷，181C—184N鍵長從0.147 8 nm增加到0.156 8 nm。兩個化學鍵的斷裂需要一定的能量，但活性中心骨架二面角184N—181C—183C—187C從9.37°變?yōu)?37.49°，α-碳181C從sp2雜化向sp3雜化過渡，釋放能量，因此，TS3@SWBNNT(7,7)產(chǎn)生的能量不是很高，只有105.12 kJ·mol-1。

圖5 S-Val限域在A和B內旋光異構反應的吉布斯自由能剖面Fig.5 Gibbs free energy profile of optical isomers reaction of S-Val confined in A and B

圖6 S-Val限域在SWBNNT(7,7)內的旋光異構歷程及駐點結構Fig.6 Optical isomers process and stationary point conformation of S-Val confined in SWBNNT(7,7)

圖7 S-Val限域在SWBNNT(7,7)內旋光異構反應的吉布斯自由能剖面Fig.7 Gibbs free energy profile of optical isomers reaction of S-Val confined in SWBNNT(7,7)

再接下來是，R-INT3@SWBNNT(7,7)經(jīng)氨基左右翻轉的過渡態(tài)a_R-TS4@SWBNNT(7,7)，構象異構成產(chǎn)物包結物R-INT4@SWBNNT(7,7)。此基元無斷鍵，能壘只有16.42 kJ·mol-1。

最后，R-INT4@SWBNNT(7,7)經(jīng)過渡態(tài)a_R-TS4_1@SWBNNT(7,7)，實現(xiàn)羧基異構，構象異構成產(chǎn)物包結物P_R-Val@SWBNNT(7,7)。此基元相似于第一基元，反應過程無斷鍵，能壘是43.40 kJ·mol-1。P_R-Val具有氨基和羧基間的分子內單氫鍵，因此包結物P_R-Val@SWBNNT(7,7)體系構象穩(wěn)定。

從圖7可以看出：S-Val旋光異構的決速步是第2基元，內稟能壘是262.81 kJ·mol-1，與裸反應的決速步能壘268.93 kJ·mol-1[10]相差無幾。說明SWBNNT(7,7)的限域對S-Val的旋光異構已經(jīng)沒有影響。

3 結 論

氨基氮作為質子轉移橋梁是纈氨酸分子旋光異構反應的優(yōu)勢通道。纈氨酸限域在SWBNNT(5,5)內時，只有一個路徑，決速步的內稟能壘是318.41 kJ·mol-1；纈氨酸限域在SWBNNT(6,6)內時，有兩條路徑，決速步的內稟能壘分別是306.42和306.93 kJ·mol-1。纈氨酸限域在SWBNNT(7,7)時，旋光異構決速步的內稟能壘是262.81 kJ·mol-1，與裸反應相差無幾。結果表明：SWBNNT(5,5)和SWBNNT(6,6)的限域對纈氨酸分子旋光異構具有明顯的負催化作用，可以作為光學純纈氨酸理想的存儲器；纈氨酸限域在SWBNNT(7,7)以及孔徑更大的納米管時，納米管的限域效應消失。