水液相环境下氢氧根离子催化苯丙氨酸分子手性对映体转变及质子的作用

Chiral Enantiomer Transition of Phenylalanine Molecules Catalyzed by Hydroxyl Ion and the Role of Proton in Water Liquid Environment

摘要

在SMD/MP2/6-311++G(3df, 2pd)//SMD/WB97X-D/6-311++G(d,p)双理论水平，对水液相环境下氢氧根（OH^-）催化苯丙氨酸(phenylalanine，Phe)分子手性对映体转变及质子的作用进行研究。研究发现：水液相环境下OH^-催化Phe手性转变有OH^-抽α-氢和氢氧根水分子簇（OH^-·H₂O）抽α-氢两种情况。氢氧根水分子簇抽氢时有两个通道a和b，a通道是氢氧根水分子簇与Phe的α-氢和氨基氮氢键作用形成的底物异构；b通道是氢氧根水分子簇与Phe的α-氢和羰基氧氢键作用形成的底物异构。a通道又分为两个路径a1和a2，a1是羧基异构后氢氧根水分子簇抽氢；a2是氢氧根水分子簇直接抽氢。当OH^-抽氢时，Phe的手性转变只能通过氢氧根水分子簇抽氢的a通道上两个路径a1和a2实现。势能面计算结果显示：氢氧根（水分子簇）抽α-氢结合Phe碳负离子抽取水分子（簇）中的质子，很容易使Phe实现手性对映体转变，只是OH^-抽α-氢时决速步能垒更低，路径a2更具优势。质子攻击Phe碳负离子是无势垒放热过程。结果表明，水液相环境下OH^-可以催化Phe的手性对映体转变，质子的存在会进一步加速此反应。

Abstract

The chiral enantiomer transition of phenylalanin (Phe) catalyzed by hydroxyl and the proton effects on this transition in water liquid environment was studied by means of SMD/MP2/6-311++G(3df,2pd)//SMD/WB97X-D/6-311++G(d,p) methods. The study reveals that the chiral enantiomer transition of Phe catalyzed by hydroxyl can be divided into two cases, which are α-H abstraction of hydroxyl ion (OH^-) and α-H abstraction of hydroxyl water clusters (OH^-·H₂O). For the second case, two channels (a and b) are discovered, which are substrate isomerism caused by a hydrogen bond formed between the hydroxyl water clusters and Phe’s α-H and amino nitrogen or carbonyl oxygen, respectively. As for Channel a, it can also be divided into two paths (a1 and a2), which are the α-H abstraction of hydroxyl water clusters after carboxy isomerism or the direct α-H abstraction of hydroxyl water clusters, respectively. However, when α-H abstraction of hydroxyl, the chiral enantiomer transition of Phe can only be realized in the two paths a1 and a2 of Channel a with α-H abstraction of hydroxyl water clusters. The potential energy surface shows that it is easy for Phe to realize chiral enantiomer transition by α-H abstraction of hydroxyl (water clusters) and protons abstraction of carbon anion of Phe from water (clusters). However, the energy barrier of the rate-determining step is lower when α-H abstraction of hydroxyl, and the Path a2 is more advantageous. The proton attack on carbon anion of Phe is a barrier-free exothermic process. The results show that chiral enantiomer transition of Phe can be catalyzed by hydroxyl ions in water liquid environment, and the presence of protons will further accelerate the reaction.

Graphical abstract

关键词

苯丙氨酸 / 手性对映体 / 氢氧根 / 质子 / 能垒

Key words

phenylalanine / chiral enantiomer / hydroxyl / proton / energy barrier

0　 引 言

苯丙氨酸(phenylalanine，Phe)是人体必需氨基酸之一，是构成蛋白质的重要成分。根据构型的不同，苯丙氨酸可分为S-型(S-Phe)和R-型(R-Phe)对映体，根据旋光性的不同可分为左旋体和右旋体。在生命体内，左旋体苯丙氨酸具有活性，在一定程度上可以控制肿瘤的转移，也可用作人类食品和动物饲料^[1]；右旋体苯丙氨酸可用于治疗阿尔茨海默病，同时也是重要的化工和生物制药的原料^[2]。在动物体内已经发现右旋体苯丙氨酸^[3]，目前的实验研究^[4,5]认为，生命体内右旋氨基酸的主要来源是左旋体的消旋。左旋体可从生物中提取，利用外消旋体拆分获得右旋体的同时也会得到左旋体，因此使左旋体消旋从而获得右旋体具有重要意义。

基于上述原因，人们对Phe分子的手性对映体转变进行了一系列研究，张新等^[6]在MP2/6-311++G(2df, pd)//B3LYP/6-31+G(d,p)水平，研究了3种构象的Phe分子基于氨基做质子迁移桥梁的旋光异构，发现通常情况下气相Phe具有稳定性。潘宇等^[7]在MP2/6-311++G(3df,2pd)// WB97X-D/6-311++G(d, p)水平，研究了气相Phe在质子以氨基氮为桥和以羰基氧与氨基氮顺次为桥迁移实现手性对映体转变的机理及2个水分子簇的催化作用。结果表明，气相Phe很稳定，水分子（簇）的催化可使Phe分子缓慢地实现手性对映体转变。马宏源等^[8]在SMD/MP2/6-311++G(3df,2pd)/WB97X-D/6-311++G(d, p)理论水平，研究了水液相环境下Phe的手性对映体转变，发现水液相环境下2个水分子簇作媒介时，质子从α-碳向氨基氮迁移的内禀能垒显著低于水汽环境的情况，水分子簇的催化可以使Phe分子实现手性对映体转变，解释了生命体内有微量的右旋Phe存在。

文献[9]报道了有氢氧根离子（OH^-）及氢氧根水分子簇（OH^-·H₂O）存在于生命体内，过多的OH^-会严重影响人类健康，但机理尚不完全清楚，同时，生命体内通常还会有质子（H⁺）与OH^-共存。文献[10,11]的实验研究表明，碱处理的Phe分子可以消旋，但反应机理尚不清楚。文献[12,13,14,15]的理论研究表明，水液相环境下OH^-·H₂O可以催化赖氨酸、α-丙氨酸、缬氨酸和布洛芬等手性分子的旋光异构，质子与OH^-共同存在时，会进一步加快布洛芬分子的消旋。基于此，本文研究了水液相环境下氢氧根离子催化Phe分子的手性对映体转变机理及质子的作用，以期在理论上加深人们对Phe分子在生命体内消旋的理解，同时在理论上对酸碱环境可以促使Phe分子消旋给予解释。

1　 研究与计算方法

为较好地处理Phe分子内、水分子与氢氧根离子之间、水分子之间、Phe分子与氢氧根离子（水分子簇）之间以及Phe分子的碳负离子与水分子（簇）之间的氢键作用和水溶剂效应，采用色散校正密度泛函WB97X-D^[16]和自洽反应场理论的SMD模型方法^[17]，在SMD/WB97X-D/6-311++G(d, p)水平全优化标题反应的各个驻点，同时获得各驻点构象及其零点振动能校正。为对过渡态^[18]的可靠性进行确认，在上述理论水平对过渡态做IRC（内禀反应坐标）^[19]计算。为得到更加可靠的反应过程势能面，采用量子力学微扰理论中的MP2方法^[20]，在SMD/MP2/6-311++G(3df, 2pd)水平计算各驻点的单点能，用低水平的零点振动能校正和高水平的单点能之和作为驻点总能。S-Phe分子与氢氧根水分子簇形成的络合物底物，记作S-Phe·(OH^-·H₂O)(m或n)，m和n分别表示氢氧根(水分子簇)和水分子（簇）等在S-Phe分子及其碳负离子的前面和后面，其他体系的表示形式相似。全部计算工作采用Gaussian09程序^[21]。

2　 结果与讨论

水液相环境下S-Phe及其手性对映体R-Phe的构象^[10]见图1。研究表明，水液相环境下OH^-催化S-Phe的手性对映体转变可以有氢氧根水分子簇抽α-氢和OH^-抽α-氢两种形式。氢氧根水分子簇抽氢有2个通道a与b， 氢氧根水分子簇与α-氢和氨基氮（a通道）或氢氧根水分子簇与α-氢和羰基氧（b通道）通过氢键作用形成底物、水分子辅助OH^-抽α-氢。研究还表明，无论在哪个通道，OH^-抽S-Phe的α-氢后形成的碳负离子，都可以通过α-碳夺取水分子（簇）的质子和水溶液中的质子攻击α-碳两种形式变成中性的R-型中间体或产物。

S-Phe在a通道的手性对映体转变有水分子辅助OH^-抽氢和只是OH^-抽氢两种情况，它们又可以分为羧羟基异构后氢氧根（水分子簇）抽氢和氢氧根（水分子簇）直接抽氢两个路径a1和a2。其中，a1，a2路径的反应历程分别见图2、图3，a1路径决速步骤的反应历程见图4A，a2路径决速步骤的反应历程见图4B；b通道的水分子辅助氢氧根离子抽氢反应历程见图5。对应的反应势能面见图6A，B，C。

2.1　a通道

2.1.1　水分子辅助OH^-抽氢

1） a1路径

S-Phe分子在a1路径实现手性对映体转变的反应历程见图2，反应势能面见图6A和B的a1线。

第1基元反应：S-Phe分子经羧羟基22O—23H旋转的过渡态a1(i,j)_S-TS1，异构成a1_S-INT1。从S-Phe越过a1(i,j)_S-TS1所需的能量分别是47.58 和47.01 kJ·mol^-1，机理见文献[8]。

第2基元反应：首先是氢氧根水分子簇与a1_S-INT1的α-氢23H和氨基氮1N氢键作用，形成前驱配合物a1_S-INT1·(OH^-·H₂O)(m)；而后，经OH^-抽23H的过渡态a1_TS2·(OH^-·H₂O)(m)，异构成第2中间体碳负离子a1_INT2^-与二聚水(H₂O)₂的氢键络合物a1_INT2^-·(H₂O)₂(m)；最后，分子间氢键解离，形成碳负离子a1_INT2^-和二聚水(H₂O)₂。在此基元反应，OH^-·H₂O中的H₂O分子并未参与反应，只是起到了稳定OH^-的空间位置的作用，有利于OH^-抽取α-H。a1_S-INT1与OH^-·H₂O形成a1_S-INT1·(OH^-·H₂O)(m)的氢键结合能是-12.85 kJ·mol^-1，a1_INT2^-·(H₂O)₂(m)的a1_INT2^-·(H₂O)₂分子间氢键解离能是36.50 kJ·mol^-1。从a1_S-INT1·(OH^-·H₂O)(m)到a1_TS2·(OH^-·H₂O)(m)过程，3C—23H键长从0.109 3 nm拉伸至0.139 9 nm，3C—1N键长从0.145 5 nm拉伸至0.146 5 nm，反应活性中心骨架二面角1N—3C—4C—5C从129.11°变为141.03°；同时，非反应活性中心骨架二面角11C—8C—4C—3C和21O—5C—3C—1N分别从86.37°和-13.76°变为53.27°和18.69°，R-基绕C4—C3键旋转，羧基绕C5—C3键旋转。此过程3C—4H幅度不太大的拉伸断裂，需要的能量不高，3C—1N键的微小拉伸、活性中心骨架的较小形变和两个C—C间的内旋转所需能量很小，故a1_TS2·(OH^-·H₂O)(m)产生的内禀能垒仅为54.40 kJ·mol^-1。该能垒远小于水分子簇作质子转移媒介时质子从α-碳向氨基氮迁移的能垒（107.64 kJ·mol^-1）^[8]，原因是OH^-比H₂O对α-H的库仑引力强得多，后面相似之处同此解释。计算表明，a1_INT2^-·(H₂O)₂(m)的分子间氢键解离与否，对a1_INT2^-后续的构象异构和a1_INT2^-抽取水分子（簇）的质子的反应能垒没有显著的影响，对质子攻击碳负离子a1_INT2^-的α-碳也没有显著的影响，因此为使问题简化，接下来的讨论从a1_INT2^-开始，对(H₂O)₂(m)不予考虑。

第3基元反应：碳负离子a1_INT2^-经4C—3C键和1N—3C键内旋转的过渡态a1_TS3^-，异构成第3中间体碳负离子a1_INT3^-。此基元反应，亚甲基7H—4C—6H绕4C—3C键左视顺时针旋转，带动苯环从纸面内侧摆到纸面外侧，氨基团俯视顺时针旋转。二面角11C—8C—4C—3C和10C—8C—4C—3C分别是54.49°和-52.24°，二面角6H—4C—3C—1N和7H—4C—3C—1N分别是-55.28°和51.39°，从a1_INT2^-到a1_INT3^-，苯环和亚甲基基本实现了镜像对称异构。结构分析表明，从a1_INT2^-到a1_TS3^-是4C—3C和1N—3C键幅度不大的内旋转，所需能量很小，a1_TS3^-产生的能垒仅15.85 kJ·mol^-1。

第4基元反应：碳负离子a1_INT3^-经过渡态a1_TS4^-，异构成第4中间体碳负离子a1_INT4^-。从a1_INT3^-到a1_TS4^-，20H—1N—3C—5C从 -17.70°变为-27.80°，1N—3C键小幅内旋转，所需能垒仅0.43 kJ·mol^-1，此基元反应基本上可以看成无势垒过程。结构分析表明，a1_INT4^-的10C—8C—4C—3C是-54.49°，7H—4C—3C—1N是55.28°，从a1_INT2^-到a1_INT4^-，实现了苯环和亚甲基的镜像对称异构；从a1_INT2^-到a1_INT4^-，2H—1N—3C—4C从73.56°变为-73.56°，实现了氨基团的镜像对称异构。

第5基元反应：首先a1_INT4^-与纸面内侧的(H₂O)₂通过氢键作用形成a1_INT4^-·(H₂O)₂(n)络合物；然后，经过渡态a1_TS5·(OH^-·H₂O)(n)，a1_INT4^-的α-碳抽取了(H₂O)₂中的一个质子，得到第5中间体络合物a1_R-INT5·(OH^-·H₂O)(n)，此时S-Phe实现了手性转变，a1_R-INT5是S-Phe的准手性对映体；最后，a1_R-INT5和(OH^-·H₂O)(n)之间的氢键解离。在此基元反应，(H₂O)₂中的水分子26H—27O—28H并未参与反应，只是起到了稳定23H—24O—25H的空间位置的作用，使得23H—24O—25H处在容易被α-碳抽取其中的一个质子的位置。a1_INT4^-·(H₂O)₂(n)的a1_INT4^-和(H₂O)₂之间的氢键结合能是-35.76 kJ·mol^-1，a1_R-INT5和(OH^-·H₂O)(n)之间的氢键解离能是10.21 kJ·mol^-1。从a1_INT4^-·(H₂O)₂(n)到a1_TS5·(OH^-·H₂O)(n)，24O—23H键从0.068 0 nm拉伸至0.122 3 nm，断裂，3C—1N键从0.145 2 nm拉伸至0.146 5 nm，活性中心骨架二面角11C—8C—4C—3C从-172.58°变为-141.03°；R-基绕C4—C3旋转19.98°，羧基绕C5—C3旋转15.80°。此过程24O—23H拉伸幅度不大、3C—1N微小拉伸、活性中心骨架形变较小，且此过程两个C—C键的内旋转所需能量不高，α-碳从sp²杂化向sp³杂化过渡，释放能量。因此从a1_INT4^-·(H₂O)₂(n)越过势垒a1_TS5·(OH^-·H₂O)(n)所需能量不高，仅19.79 kJ·mol^-1。

第6和第7基元反应：a1_R-INT5经21H和4H从右向左翻转的过渡态a1_R-TS6和羧羟基22O—23H旋转的过渡态a1i_R-TS7或a1j_R-TS7，异构成产物a1_P_R-Phe。a1_R-TS6产生的能垒仅21.07 kJ·mol^-1，a1i_R-TS7和a1j_R-TS7产生的能垒分别是39.33和38.81 kJ·mol^-1。结构分析表明，a1_P_R-Phe与S-Phe的结构镜像对称，至此，S-Phe实现了手性对映体转变。这两个基元反应即是文献[8]中的第6和第7基元反应，详细的机理不再赘述。

从图6的a1线可以看出，OH^-·H₂O催化S-Phe手性对映体转变在a1路径上的决速步骤为第2基元反应，决速步内禀能垒是54.40 kJ·mol^-1。

2） a2路径

S-Phe分子在a2路径实现手性对映体转变的反应历程见图3，反应势能面见图6C的a2线。

第1基元反应：首先是氢氧根水分子簇与S-Phe的α-氢4H和氨基氮1N氢键作用，形成前驱配合物a2_S-Phe·(OH^-·H₂O)(m)。而后，a2_S-Phe·(OH^-·H₂O)(m)经OH^-抽4H的过渡态a2_TS1·(OH^-·H₂O)(m)，异构成第1中间体碳负离子a2_INT1^-与二聚水(H₂O)₂的氢键络合物a2_INT1^-·(H₂O)₂(m)。最后，a2_INT1^-·(H₂O)₂(m)的分子间氢键解离，形成碳负离子a2_INT1^-和二聚水(H₂O)₂。与a1路径的第2基元反应相似，OH^-·H₂O中的H₂O分子也没有参与反应，只是起到了稳定OH^-的空间位置的作用。S-Phe与OH^-·H₂O形成a2_S-Phe·(OH^-·H₂O)(m)的氢键结合能是-10.05 kJ·mol^-1，a2_INT1^-·(H₂O)₂(m)的a2_INT1^-和(H₂O)₂分子间氢键解离能是26.35 kJ·mol^-1。从a2_S-Phe·(OH^-·H₂O)(m)到a2_TS1·(OH^-·H₂O)(m)过程，3C—4H键长从0.109 5 nm拉伸至0.141 1 nm，3C—1N键长基本没变化，反应活性中心骨架二面角1N—3C—4C—5C从125.79°变为137.72°；同时，非反应活性中心骨架二面角12C—9C—5C—3C和22O—6C—3C—1N分别从84.59°和7.99°变为81.76°和16.09°。此过程与a1_S-INT1·(OH^-·H₂O)(m)到a1_TS2·(OH^-·H₂O)(m)过程相比较，α-碳3C和α-氢4H被OH^-·H₂O更好地活化，3C—1N键长基本没有伸长，R-基绕C4—C3键和羧基绕C5—C3键的旋转幅度也显著地减小。因此a2_TS1·(OH^-·H₂O)(m)产生的内禀能垒仅46.00 kJ·mol^-1，小于a1路径的a1_TS2·(OH^-·H₂O)(m)产生的内禀能垒。与a1路径相似，为使问题简化，接下来的讨论从a2_INT1^-开始，对(H₂O)₂(m)不予考虑。

第2基元反应：第1中间体碳负离子a2_INT1^-，经碳-碳键5C-3C内旋转的过渡态a2_TS2^-，异构成第2中间体碳负离子a2_INT2^-。从a2_INT1^-到a2_INT2^-过程，二面角12C—9C—5C—3C和11C—9C—5C—3C分别是74.88°和-74.88°，二面角7H—5C—3C—1N和8H—5C—3C—1N分别是 -55.248°和55.24°，实现了苯环和亚甲基的镜像对称异构。从a1_INT2^-到a1_TS3^-，二面角12C—9C—5C—3C和7H—5C—3C—1N从74.88°和-55.24°分别变为91.16°和-121.67°，是9C—5C和5C—3C键的内旋转过程，所需能量很小，a2_TS2^-产生的能垒仅12.25 kJ·mol^-1。

第3基元反应：首先是a2_INT2^-和(H₂O)₂形成氢键配合物a2_INT2^-·(H₂O)₂(n)，然后经过渡态a2_TS3·(OH^-·H₂O)(n)，α-碳3C抽取了水分子4H—24O—26H中的质子4H，a2_INT2^-·(H₂O)₂(n)异构成氢键配合物a2_R-Phe·(OH^-·H₂O)(n)，最后，a2_R-Phe·(OH^-·H₂O)(n)解离成a2_R-Phe和OH^-·H₂O。结构分析表明a2_R-Phe和S-Phe镜像对称，说明S-Phe实现了手性对映体转变。a2_INT2^-·(H₂O)₂(n)的氢键结合能是-26.99 kJ·mol^-1，a2_R-Phe·(OH^-·H₂O)(n)的解离能是9.84 kJ·mol^-1，a2_TS3·(OH^-·H₂O)(n)产生的能垒是9.09 kJ·mol^-1。此基元反应是第1基元的逆反应，详细的机理与a1路径的第5基元相似。

从图6的a2线可以看出，氢氧根水分子簇催化的S-Phe手性对映体转变在a2路径上的决速步骤是第一基元反应，决速步内禀能垒是46.00 kJ·mol^-1。与a1路径相似，此能垒也是来自于水分子辅助氢氧根离子抽α-氢的过渡态。

2.1.2　氢氧根离子抽氢

研究表明，与2.1.1节相似，氢氧根离子抽氢时，S-Phe手性对映体转变决速步骤的能垒来自于氢氧根离子抽α-氢的过渡态。为节约篇幅，这里只对决速步进行讨论。

1） a1路径决速步骤

a1路径决速步骤的反应历程见图4A，反应势能面见图6A的a1线。首先，氢氧根离子24O—25H与a1_S-INT1的α-氢23H氢键作用，形成络合物a1_S-INT1·OH^-(m)；而后，a1_S-INT1·OH^-(m)经OH^-抽23H的过渡态a1_TS2·OH^-(m)，异构成中间体碳负离子a1_INT2^-与H₂O分子的氢键络合物a1_INT2^-·H₂O(m)；最后，a1_INT2^-·H₂O(m)的分子间氢键解离，形成碳负离子a1_INT2^-和H₂O。a1_S-INT1·OH^-(m)的分子间氢键结合能是-2.74 kJ·mol^-1，a1_INT2^-·H₂O(m)的分子间氢键解离能是18.49 kJ·mol^-1。从a1_S-INT1·OH^-(m)到a1_TS2·OH^-(m)过程，3C—23H键长从0.109 3 nm拉伸至0.137 3 nm，3C—1N键长从0.145 1 nm拉伸至0.145 9 nm，反应活性中心骨架二面角1N—3C—4C—5C从129.40°变为141.54°；同时，非反应活性中心骨架二面角11C—8C—4C—3C和21O—5C—3C—1N分别从85.57°和-16.43°变为37.46°和18.35°，R-基绕C4—C3键旋转，羧基绕C5—C3键旋转。此过程与a1_S-INT1·(OH^-·H₂O)(m)到a1_TS2·(OH^-·H₂O)(m)过程相似，a1_TS2·OH^-(m)产生的内禀能垒也不高，为41.47 kJ·mol^-1。此能垒低于a1_TS2·(OH^-·H₂O)(m)产生的能垒54.40 kJ·mol^-1，主要原因是从a1_S-INT1·OH^-(m)到a1_TS2·OH^-(m)过程，3C—23H键长的拉伸小于a1_S-INT1·(OH^-·H₂O)(m)到a1_TS2·(OH^-·H₂O)(m)过程3C—23H键长的拉伸。

2） a2路径决速步骤

a2路径决速步骤的反应历程见图4B，反应势能面见图6C的a2线。首先，氢氧根离子24O—25H与S-Phe的α-氢4H氢键作用，形成络合物a2_S-Phe·OH^-(m)。而后，a2_S-Phe·OH^-(m)经OH^-抽4H的过渡态a2_TS1·OH^-(m)，异构成中间体碳负离子a2_INT1^-与H₂O的氢键络合物a2_INT1^-·H₂O(m)。最后，a2_INT1^-·H₂O(m)的分子间氢键解离，形成碳负离子a2_INT1^-和H₂O。a2_S-Phe·OH^-(m)的分子间氢键结合能是-5.56 kJ·mol^-1，a2_INT1^-·H₂O(m)的分子间氢键解离能是19.84 kJ·mol^-1。从a2_S-Phe·OH^-(m)到a2_TS1·OH^-(m)，3C—4H键长从0.109 3 nm拉伸至0.141 1 nm，3C—1N键长基本没变，活性中心骨架二面角1N—3C—5C—6C从125.06°变为137.72°；同时，非活性中心骨架二面角12C—9C—5C—3C和22O—6C—3C—1N从82.67°和3.95°分别变为81.76°和16.09°，R-基绕C4—C3键旋转，羧基绕C5—C3键旋转。此过程与从a1_S-INT1·OH^-(m)到a1_TS2·OH^-(m)过程相似。但比较而言，从a2_S-Phe·OH^-(m)到a2_TS1·OH^-(m)，3C—1N键长基本没变，且二面角12C—9C—5C—3C和22O—6C—3C—1N改变的幅度较小，导致a2_TS1·OH^-(m)产生的内禀能垒低于a1_TS2·OH^-(m)产生的内禀能垒，为31.77 kJ·mol^-1。

2.2　b通道

水分子辅助氢氧根离子抽氢，S-Phe在b通道手性对映体转变的反应历程见图5，反应势能面见图6（C）的b线。

第1基元反应：首先是OH^-·H₂O与S-Phe的α-氢4H和羰基氧10O氢键作用，形成前驱配合物b_S-Phe·(OH^-·H₂O)(m)；而后，b_S-Phe·(OH^-·H₂O)(m)经水分子辅助氢氧根离子24O—26H抽4H的过渡态b_TS1·(OH^-·H₂O)(m)，异构成中间体碳负离子b_INT1^-与(H₂O)₂的氢键络合物b_INT1^-·(H₂O)₂(m)；最后，b_INT1^-·(H₂O)₂(m)的b_INT1^-与(H₂O)₂的分子间氢键解离，形成碳负离子b_INT1^-和二聚水(H₂O)₂。此基元反应，OH^-·H₂O中的H₂O分子也未参与反应，只是起到了稳定OH^-的空间位置的作用。S-Phe与OH^-·H₂O形成b_S-Phe·(OH^-·H₂O)(m)的氢键结合能是-12.55 kJ·mol^-1，b_INT1^-·(H₂O)₂(m)的b_INT1^-和(H₂O)₂分子间的氢键解离能是38.78 kJ·mol^-1。从b_S-Phe·(OH^-·H₂O)(m)到b_TS1·(OH^-·H₂O)(m)，3C—4H键长从0.109 3 nm拉伸至0.140 3 nm，3C—1N键长从0.146 2 nm微缩至0.146 0 nm，活性中心骨架二面角1N—3C—5C—6C从124.28°变为136.65°；同时，非活性中心骨架二面角12C—9C—5C—3C和22O—6C—3C—1N分别从84.78°和1.02°变为84.57°和15.13°。此过程与a2_S-Phe·(OH^-·H₂O)(m)到a2_TS1·(OH^-·H₂O)(m)过程相比较，3C—4H键长的拉伸幅度小，3C—1N键长没有拉伸，反而收缩，非活性中心骨架二面角12C—9C—5C—3C改变幅度明显减小。因此b_TS1·(OH^-·H₂O)(m)产生的内禀能垒42.52 kJ·mol^-1，小于a2_TS1·(OH^-·H₂O)(m)产生的内禀能垒46.00 kJ·mol^-1。

第2基元反应见a2路径的第2基元。

第3基元反应：首先是b_INT2^-和(H₂O)₂形成氢键配合物b_INT2^-·(H₂O)₂(n)；然后经过渡态b_TS3·(OH^-·H₂O)(n)，α-碳3C抽取了水分子26H—24O—4H中的质子4H，b_INT2^-·(H₂O)₂(n)构型异构成氢键配合物b_R-Phe·(OH^-·H₂O)(n)；最后，b_R-Phe·(OH^-·H₂O)(n)解离成b_R-Phe和OH^-·H₂O。结构分析表明b_R-Phe和S-Phe镜像对称，至此S-Phe实现了手性对映体转变。b_INT2^-·(H₂O)₂(n)的b_INT2^-和(H₂O)₂的氢键结合能是-38.78 kJ·mol^-1，b_R-Phe·(OH^-·H₂O)(n)的b_R-Phe和OH^-·H₂O的氢键解离能是12.81 kJ·mol^-1，b_TS3·(OH^-·H₂O)(n)产生的能垒是15.75 kJ·mol^-1。此基元反应是第1基元的逆反应，详细的机理与a2路径的第3基元相似。

从图6的a2线可以看出，OH^-·H₂O催化S-Phe在b通道手性对映体转变反应的决速步骤是第1基元反应，决速步内禀能垒是42.52 kJ·mol^-1，此能垒来自于水分子辅助氢氧根离子抽α-氢的过渡态。另外，在a通道水分子辅助氢氧根离子抽氢反应，a2路径具有优势，决速步能垒是46.00 kJ·mol^-1；但与b通道相比较，a2路径稍有逊色，水分子辅助氢氧根离子抽氢反应在b通道更具优势，决速步能垒是42.52 kJ·mol^-1；OH^-抽氢反应中，a2路径具有优势，决速步能垒是31.77 kJ·mol^-1。42.52 kJ·mol^-1和31.77 kJ·mol^-1均远低于质子迁移“温和反应”的能垒80.00 kJ·mol^-1[22]，说明水液相环境下OH^-·H₂O和OH^-的催化，都能使Phe较快地实现手性对映体转变，并且在竞争中OH^-的催化反应更具优势。

2.3　质子攻击碳负离子的α-碳的机理

质子攻击碳负离子a1_INT4^-和a2(b)_INT2^-形成a1_R-INT5和R-Phe的机理基本相同，此处仅讨论质子攻击碳负离子a2(b)_INT2^-形成R-Phe的机理。质子23H在纸面内侧攻击a2(b)_INT2^-的α-碳3C形成R-Phe的简明历程见图7。计算表明（此处省略势能面），23H从“无穷远”（物理意义上）开始攻击3C，当23H与3C的距离为0.400 0 nm时，体系能量开始明显下降；当23H与3C的距离为0.109 3 nm时，23H与3C形成稳定的化学键，体系的能量达到最低，得到产物R-Phe。此过程为无势能垒放热过程，说明质子的存在使S-Phe手性对映体转变反应的后半程加速。

3　 结 论

本文采用色散矫正泛函的WB97X-D方法和微扰理论的MP2方法结合自洽反应场理论的 SMD模型方法对水液相环境下OH^-催化Phe手性对映体转变及质子的作用进行了研究，得到如下结论：1）在OH^-·H₂O与Phe的α-氢和氨基氮氢键作用形成底物异构的a通道，决速步能垒是46.00 kJ·mol^-1，远小于水液相环境下水分子簇作质子转移媒介时Phe分子在此通道旋光异构的决速步能垒107.64 kJ·mol^-1[8]；2） 在OH^-·H₂O与Phe的α-氢和羰基氧氢键作用形成底物异构的b通道，决速步能垒是42.52 kJ·mol^-1，比水液相环境下水分子簇作质子转移媒介时Phe分子在此通道旋光异构的决速步能垒161.8 kJ·mol^-1[8]降低幅度更大；3） OH^-抽氢时Phe分子手性对映体转变的决速步能垒是31.77 kJ·mol^-1；4） 质子攻击碳负离子α-碳的过程为无势垒放热过程。结果表明：OH^-对 Phe的手性对映体转变有极好的催化作用，质子的存在可加速Phe分子的手性对映体转变。同时也说明生命体内的碱环境是左旋Phe消旋的一个原因，碱环境并不利于健康。

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基金资助

吉林省科技发展计划自然科学基金(20130101308JC)

吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(JJKH20190618KJ)