水环境下限域在MOR分子筛内的α-丙氨酸在羟自由基作用下的旋光异构及损伤

董丽荣，高峰，佟华，杨晓翠，丛建民，王佐成

(1. 吉林师范大学物理学院，吉林 四平 136000；2.白城师范学院物理学院，吉林 白城 137000；3. 白城师范学院生命科学学院，吉林 白城 137000)

α-丙氨酸(α-Ala)分为左旋体(S-α-Ala)和右旋体(R-α-Ala)。在生命体内S-α-Ala具有活性，S-α-Ala具有预防肾结石和缓和低血糖的作用，R-α-Ala可以抑菌并使皮肤保湿。由于丙氨酸有重要作用，很多学者对其做了比较广泛的研究。文献[1]报道了水环境下α-Ala分子的两性离子结构、振动圆二色性和偏振拉曼散射强度。文献[2]用密度泛函理论的B3LYP方法，优化了α-Ala分子的最稳几何构象，计算了红外和拉曼光谱。文献[3]的实验研究，确认了α-Ala在295 K和60 K时手性对映体的几何构象以及α-Ala可以旋光异构。文献[4-5]报道了有微量的α-Ala右旋体存在于生命体，并猜测其部分来源是α-Ala左旋体的旋光异构。文献[6-8]的理论研究发现：气相α-Ala分子的旋光异构可以在四个通道实现，决速步内禀能垒分别是266.1、326.6、316.3和337.4 kJ/mol。文献[9]的研究表明，羟自由基水分子组合致α-Ala损伤的能垒在水分子抽氢和羟自由基抽氢时分别是23.84和80.34 kJ/mol。文献[10]的研究表明，MOR分子筛对α-Ala分子的旋光异构具有一定的限域催化作用，文献[11]的研究表明，MOR分子筛对水分子催化的赖氨酸旋光异构具有一定的限域催化作用。

基于文献[9-11]的研究经验，考虑到大气环境存在水分子和羟自由基，富水的生命体内存在羟自由基和相似于MOR分子筛的纳米孔道，本工作研究了标题反应，期望揭示水环境下MOR分子筛对α-丙氨酸在羟自由基作用下旋光异构及损伤的影响，给出生命体内α-丙氨酸消旋及损伤的一个原因。

1 模型的选取与计算研究方法

α-Ala分子(线度0.252 nm×0.381 nm×0.453 nm)只能被MOR分子筛的十二元环孔道(孔径为0.650 nm×0.700 nm)组装。采用周期性模型把含12元环孔道的分子筛骨架都包括进来，用含126T的簇模型代表MOR分子筛结构，如图1(a)所示。

采用量子力学与分子力学组合的ONIOM方法[12]对标题反应进行研究。将分子筛与底物分子分为两层: 内层QM区为分子筛内的物种，考虑到分子筛与底物分子相互间的长程作用，采用长程校正泛函的CAM-B3LYP[13]方法处理；外层MM区分子筛，采用分子力学的UFF力场[14]处理，内层优化外层固定，在ONIOM(CAM-B3LYP/6-31G(d, p): UFF)水平全参数优化稳定点和过渡态[15]。MOR分子筛与水复合环境分为MOR分子筛与水汽相和水液相复合环境两种情况。水汽相，对于H迁移的分子构象异构过程，把水视为离散介质，计算水分子作H迁移媒介的驻点结构，对没有H迁移的分子构型异构过程，水汽环境视为孤立环境。水液相，用水汽环境下的驻点构象，采用自洽反应场(SCRF)理论的SMD模型[16]方法和二阶微扰论MP2[17]方法，在ONIOM(MP2/6-311++G(2df, pd): UFF)水平下计算驻点分子的水溶剂化单点能(ESP)。吉布斯自由能热校正(Gtc)和单点能相加作为总吉布斯自由能(Gtotal)，描绘反应的势能面。通过内禀反应坐标(IRC)计算[18]确认过渡态。限域在MOR内的S型α-Ala分子与1个水分子的氢键络合物记为S-α-Ala·1H2O@MOR，若它们处在水溶剂环境下则记为α-Ala@MOR@water，其它驻点用类似方法标记。本工作的计算由Gaussian 09软件包[19]完成。

2 结果与讨论

MOR分子筛126T簇模型见图1(A)，α-Ala分子的S与R型稳定几何构象见图1(B)和(C)。

研究表明，标题反应有a和b两个反应通道，a通道是羟自由基水分子簇等与α-H和氨基通过氢键作用形成底物，b通道是羧基内质子迁移后，羟自由基水分子簇与α-H和新羰基氧通过氢键作用形成底物。羟自由基水分子簇组合作质子转移媒介，水分子抽氢α-丙氨酸可实现旋光异构；羟自由基抽氢可使α-丙氨酸损伤。下面分别进行讨论。

2.1 限域在MOR分子筛与水复合环境的S-α-Ala在羟自由基作用下的旋光异构

羟自由基水分子簇做质子转移媒介，α-Ala在a通道旋光异构的反应历程，见图2(A)，反应的吉布斯势能剖面，见图3(A)。

首先是第1基元反应，氨基异构化过程。S-α-Ala与MOR分子筛的12圆环孔道物理吸附，形成的反应物S-α-Ala@MOR，经氨基的353H和354H在纸面里外翻转的过渡态a_S-TS1@MOR，异构成353H和354H在纸面里的中间体产物a_S-INT1@MOR。此过程，二面角353H—352N—347C—354H从119.84°变为-119.78°，实现了氨基团的对称异构。此时352N的靠近读者的一面出现孤对电子，负电荷密度大，易于接受正电荷。二面角352N—347C—350C—355C从120.87°变为120.43°，骨架结构基本没变。此基元反应骨架结构没变，只是非骨架原子翻转异构，所需要的形变能量较小，a_TS1@MOR产生的能垒只有10.2 kJ/mol，水溶剂化效应使该能垒升高，变为17.8 kJ/mol。

然后是第2基元反应，359H向352N迁移过程，a_S-INT1与氨基和手性碳前面(纸面外)的羟自由基水分子簇通过氢键作用形成的中间体反应物a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR，经过渡态a_TS2·(H2O·OH·)@MOR，异构成中间体产物a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR，实现了α-H以羟自由基水分子簇为媒介从手性碳向氨基氮的迁移。【a_INT2可以与不同位置的水分子和羟自由基通过氢键结合，这里的(m)是表示a_INT2与氨基和手性碳前面(纸面外)的羟自由基水分子簇以氢键结合】。

表1的结构数据表明，环形过渡态a_TS2·(H2O·OH·)@MOR氢键键角比较接近平角180°，氢键较强，较稳定，表1的二面角数据说明，过渡态a_TS2·(H2O·OH·)@MOR的七圆环结构共面程度较好，过渡态较稳定。进一步的结构分析表明，从a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR到a_TS2·(H2O·OH·)@MOR过程，反应活性中心骨架二面角352N—347C—350C—355C从124.84°变为124.23°，基本没变。但347C—352N键长从0.146 54 nm变为0.150 13 nm，347C—359H、360O—363H和364O—361H键长伸长量分别为0.026 15、0.048 59和0.060 07 nm。因此，a_TS2·(H2O·OH·)@MOR产生的能垒不是很高，能垒是136.1 kJ/mol，此过程的产物中间体a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR在势能面的较高的位置上。水溶剂化效应使水分子和羟自由基链催化的此基元反应的能垒骤降到39.9 kJ/mol，平衡强烈地向a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR移动，并且从吸热反应变成了放热反应。这两点在后面给予讨论。

接下来是第3基元反应，a_INT2的质子化氨基上纸面里侧的H在纸面里向手性碳迁移的过程。此过程相似于前面的第2基元的逆反应，a_INT2与纸面里侧的水分子和羟自由基链通过氢键作用形成的中间体反应物a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR【这里的(n)是表示a_INT2与氨基和手性碳后面(纸面里侧)的羟自由基水分子簇以氢键结合】，经过七圆环形过渡态a_TS3·(H2O·OH·)@MOR，实现了质子化氨基上的H以水分子和羟自由基为媒介在纸面里向手性碳的迁移，异构成中间体产物a_R-INT3·(H2O·OH·)@MOR，实现旋光异构，R表示INT3是右旋体。

从a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR到a_TS3·(H2O·OH·)@MOR过程，352N—361H键长从0.104 10 nm变为0.107 70 nm，364O—363H键长从0.101 60 nm变为0.110 63 nm，360O—359H键长从0.101 26 nm变为0.125 55 nm三个化学键小幅度拉伸；过渡态a_TS3·(H2O·OH·)@MOR的七圆环结构氢键角352N—361H—364O、364O—363H—360O和360O—359H—347C是164.78°、163.41°和163.24°，接近平角，氢键较强，结构分析表明七圆环结构接近平面，七圆环结构的a_TS3·(H2O·OH·)@MOR较稳定。因此，从a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR越过a_TS3·(H2O·OH·)@MOR所需能量较低，a_TS3·(H2O·OH·)@MOR长何时能的能垒是13.1 kJ/mol。结构分析表明，a_R-INT3·(H2O·OH·)@MOR具有一条分子内的单氢键及三条较强的分子间氢键，构象稳定，处在势能面较低的位置。在水溶剂环境下，此基元反应能垒升高到116.4 kJ/mol，说明水溶剂对此基元反应具有阻碍作用(负催化作用)，并且a_R-INT3·(H2O·OH·)@MOR的稳定性相对减弱。

最后，a_R-INT3经过与第一基元相似的过渡态a_R-TS4@MOR，实现氨基团从纸面外向纸面里的翻转，异构成产物a_R-Ala@MOR。此基元反应相似于第1基元反应，骨架结构基本没变，只是非骨架原子翻转异构，所需要的形变能量较小，活化能垒只有13.1 kJ/mol，水溶剂环境下变为20.2 kJ/mol。

整个反应过程，从S-Ala@MOR到a_R-Ala@MOR，二面角353H—352N—347C—354H从119.84°变为-120.37°，实现了氨基团的对称异构；二面角352N—347C—350C—355C从120.87°变为-121.14°，实现了骨架结构的对称异构；二面角350C—347C—359H—355C从120.99°变为-119.14°，实现了手性活性中心的对称异构。亦即S-Ala实现手性对映体转变，与文献[9]的研究结果“羟自由基水分子组合，水分子抽α-氢致α-Ala损伤”相比较可知，MOR分子筛的限域改变了α-Ala的异构机理，使水分子抽α-氢致α-Ala损伤变为水分子拔α-氢(质子转移)致α-Ala旋光异构。

研究表明，羟自由基水分子簇作为质子转移媒介，α-Ala在b通道旋光异构的前半程和后半程具有对称性，决速步骤是前半程第2基元反应。为节省篇幅，仅对前半程进行讨论，反应历程见图2(B)，反应的吉布斯势能剖面，见图3(B)。

首先是第1基元反应，羧基内的质子转移过程。S-α-Ala与其羧基右侧的羟自由基水分子簇通过氢键作用形成的底物分子b_S-α-Ala·(H2O·OH·)@MOR，经羧基内质子迁移的过渡态b_TS1·(H2O·OH·)@MOR构象异构，形成第一中间体b_INT1·(H2O·OH·)(m)@MOR(m表示羟自由基水分子簇在b_INT1的右侧)，完成了质子358H从羟基氧357O向羰基氧356O的净迁移。从b_S-α-Ala·(H2O·OH·)@MOR到b_TS1·(H2O·OH·)@MOR过程， 357O—358H、360O—361H和364O—362H键长分别从0.101 10、0.098 56和0.100 31 nm拉伸到0.130 25、0.115 9和0.119 10 nm，需要一定的能量。对b_TS1·(H2O·OH·)@MOR的结构分析表明，其八元环结构有3条较强的氢键且共面程度极好，b_TS1·(H2O·OH·)@MOR的结构较稳定。因此，b_TS1·(H2O·OH·)@MOR产生的能垒并不高，是40.2 kJ/mol。溶剂效应使该能垒降到26.0 kJ/mol，水溶剂对此基元反应起到了较好的助催化作用。

对2个水分子簇催化的此基元反应的研究表明，b_S-α-Ala·2H2O@MOR，经羧基内质子迁移的过渡态b_TS1·2H2O@MOR构象异构，形成第一中间体b_INT1·2H2O@MOR。b_TS1·2H2O@MOR产生的能垒是40.0 kJ/mol，与无分子筛情形的2个水分子簇催化的此基元反应能垒50.3 kJ/mol[7]相比较明显降低，说明分子筛起到了较好的限域催化作用。详细的讨论从略。

对第2基元反应，b_S-INT1的α-氢359H和羰基氧357O与羟自由基水分子簇通过氢键作用形成的底物b_S-INT1·(H2O·OH·)(n)@MOR(n表示羟自由基水分子簇在b_INT1的前面)，经过渡态b_TS2·(H2O·OH·)@MOR异构成中间体产物络合物b_INT2(H2O·OH·)(m)@MOR，实现了质子359H从α-碳347C向新羰基氧357O的净迁移。以后的过程是b_INT2的质子化羧基异构后，再经过与第2基元反应的逆过程相似的过程，质子以羟自由基水分子簇为媒介在纸面里从质子化羧基迁移到α-碳347C，实现了b_S-INT1的旋光异构，即实现了S-α-Ala的旋光异构。篇幅所限，不再赘述。

从b_S-INT1·(H2O·OH·)(n)@MOR到b_TS2·(H2O·OH·)@MOR过程，键长347C—359H、360O—363H和364O—361H分别从0.109 89、0.097 44和0.099 53 nm拉伸到0.143 35、0.122 50和0.130 87 nm，拉伸幅度远大于从b_S-α-Ala·(H2O·OH·)@MOR到b_TS1·(H2O·OH·)@MOR过程3个键长；对b_TS2·(H2O·OH·)@MOR的结构分析表明，其八元环结构虽然具有3条较强的氢键，但共面程度远不及b_TS1·(H2O·OH·)@MOR的八元环结构，稳定性差许多。因此，b_TS2·(H2O·OH·)@MOR产生的能垒高于b_TS1·(H2O·OH·)@MOR产生的能垒许多，是189.9 kJ/mol。溶剂效应使该能垒降到78.1 kJ/mol，说明水溶剂对此基元反应起到了非常好的催化作用。

图2 MOR分子筛与水复合环境下α-Ala的旋光异构过程Fig.2 Chiral transition process of α-Ala confined in the complex environment of MOR zeolite and water

结构主要键角主要键角主要键角a_TS2·(H2O·OH·)@MOR347C—359H—360O161.887364O—361H—352N164.392347C—359H—360O162.881a_TS2·(H2O·OH·)@MOR347C—359H—360O—H36310.81360O—363H—364O—H361-8.96363H—364O—361H—352N27.05

图3 在MOR分子筛与水环境下羟自由基水分子簇催化α-Ala旋光异构的势能面Fig.3 Potential energy surfaces diagram of α-Ala optical isomerism catalyzed by hydroxyl group water molecular cluster in the complex environment of MOR zeolite and water

从图3可以看出，羟自由基水分子簇作氢迁移媒介，水汽环境下α-Ala旋光异构的优势反应通道是a，决速步是第二基元反应，过渡态产生的内禀能垒是136.1 kJ/mol，136.1 kJ/mol低于质子迁移的“极限能垒”167.0 kJ/mol[20]许多，但高于温和反应的能垒84.01 kJ/mol[20]许多，因此，水汽相环境下羟自由基的存在会使α-Ala旋光异构，但反应速度不会很快；水溶剂环境下，优势反应通道是b，决速步也是第二基元反应，过渡态产生的内禀能垒是78.1 kJ/mol，此能垒低于温和反应的能垒84.01 kJ/mol[20]，α-Ala旋光异构的速度加快。从图3还可以看出，水溶剂效应对1和4基元的氨基团异构反应具有明显的阻碍作用。

a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR处在势能面较高的位置上，原因如下：首先，这是由于a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR的羟自由基接受质子能力较强，质子化氨基失去一个质子的倾向性也强，导致此体系不稳定。此外，a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR经a_TS2·(H2O·OH·)@MOR，相当于质子从手性碳净迁移到a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR，手性碳从满配的sp3杂化变为非满配的sp2，导致此体系不稳定。再有底物a_S-INT1·(H2O·OH·)到a_INT2·(H2O·OH·)(m)，偶极矩从2.723 1 C·m变为12.8935 C·m，说明a_INT2·(H2O·OH·)(m)的正负电荷中心分离加剧，体系不稳定。因此a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR非常不稳定，处在势能面较高的位置上。

从图3可以看出：水分子和羟自由基链催化的质子迁移第2基元反应，水溶剂效应使决速步内禀能垒从136.1 kJ/mol急剧下降到39.9 kJ/mol，并且从吸热过程变成了放热过程，平衡强烈地向a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR@water移动，在强极性溶剂水中, a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR成为了优势构型。这是由于a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR的偶极矩大于a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR的偶极矩，底物a_INT2·(H2O·OH·)(m)的偶极矩大于底物的a_S-INT1·(H2O·OH·)的偶极矩，a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR体系更容易在极性溶剂中极化。同时，水溶剂的介电常数大，将相反电荷分开的能力强，对a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR的稳定有促进作用。这使得a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR@water的总能量相对于a_S-INT1·(H2O·OH·)@MOR@water降低较大，推动平衡强烈地向a_INT2·(H2O·OH·)(m)@MOR@water移动。基于同样的原因，对于第3基元反应，在强极性溶剂水中, 则是a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR相对于a_R-INT3·(H2O·OH·)@MOR成为优势构型，平衡向a_INT2·(H2O·OH·)(n)@MOR@water移动。

2.2 限域在MOR分子筛与水复合环境的S-α-Ala在羟自由基作用下的损伤

羟自由基抽α-氢以及水分子辅助羟自由基抽α-氢，α-Ala在a通道损伤反应历程，见图4(A)，反应的吉布斯势能剖面，见图5(A)。

对于只是羟自由基抽氢致α-Ala损伤的反应历程见图4(A)中的(a)：首先是第1基元反应，反应物S-Ala@MOR经过渡态a_S-TS1@MOR，异构成中间体产物a_S-INT1@MOR，见2.1的讨论。然后，a_S-INT1与羟自由基通过氢键作用形成了图4A所示的中间体反应物a_S-INT1·(OH·)@MOR，经过渡态a_TS2·(OH·)@MOR，异构成产物a_P*·H2O@MOR(a_TS2·(OH·)@MOR的产物是a_P*·H2O@MOR，似乎令人费解，放在后面给予讨论)。a_P*是a_S-INT1被羟自由基抽氢得到的产物，手性已经不存在，a_P*是损伤了的S-Ala。从a_S-INT1·(OH·)@MOR到a_TS2·(OH·)@MOR过程，347C—359H键长从0.109 38 nm伸长到0.136 29 nm断裂，拉伸0.026 91 nm，拉伸幅度较大；347C—352N键长从0.146 02 nm伸长到0.150 42 nm断裂，小幅拉伸0.004 40 nm；反应活性中心骨架二面角352N—347C—350C—355C从120.67°和127.37°，骨架有一定的形变。一个化学键的大幅拉伸、一个化学键的小幅拉伸和骨架的形变需要一定的能量。但a_TS2·(OH·)@MOR的五元环结构氢键角347C—359H—360O和360O—361H—352N分别是144.53°和135.80°，偏离平角不是很大，氢键比较强；二面角347C—359H—360O—361H和359H—360O—361H—352N分别是-10.41°和-2.99°，五元环结构趋于平面，a_TS2·(OH·)@MOR的结构比较稳定。因此，a_TS2·(OH·)@MOR产生的能垒有不会十分高，是168.9 kJ/mol。损伤产物络合物a_P*·H2O的356O—353H的距离是0.225 88 nm，二面角352N—347C—355C—356O和352N—347C—355C—357O分别是-5.20°和174.78°，352N—361H距离是0.208 08 nm，键角352N—361H—360O是153.67°。因此，a_P*·H2O存在较强的分子内单氢键、五中心大π键和分子间氢键，构象极稳定，处在势能面较低的位置。水溶剂效应使此反应过渡态的势垒降到147.0 kJ/mol，a_P*·H2O@MOR降到-161.4 kJ/mol的位置，构象变得更稳定，此反应变成了强烈的放热反应。

对于水分子辅助羟自由基抽氢致α-Ala损伤的反应：第1基元反应亦见2.1的讨论。然后是第二基元，反应历程见图4(A)中的(b)：a_S-INT1与羟自由基和水分子通过氢键作用形成的中间体反应物a_S-INT1·[(OH·)·H2O]@MOR，经过渡态a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR，异构成产物a_P*·2H2O]@MOR，α-Ala损伤。

此基元反应，水分子并没参与反应，其作用是稳定羟自由基在空间的位置，使羟自由基在比较理想的位置与359H形成较强的氢键。从a_S-INT1·[(OH·)·H2O]@MOR到a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR过程，347C—359H键长从0.109 87 nm伸长到0.118 81 nm断裂，拉伸了0.008 94 nm；347C—352N键长从0.146 57收缩到0.144 79 nm；活性中心骨架二面角352N—347C—350C—355C从125.09°变为130.67°。与前面的从a_S-INT1·(OH·)@MOR到a_ TS2·(OH·)@MOR过程相比较，347C—359H键长拉伸显著减小，骨架形变也有减小，并且347C—352N键长是收缩而非拉伸，会释放能量，因此，a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR产生的能垒会远远小于a_TS2·(OH·)@MOR产生的能垒。又a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR的氢键角360O—359H—347C是165.30°，接近平角，氢键较强，过渡态a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR的结构较稳定，因此，a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR产生的能垒不高，只有25.3 kJ/mol。水溶剂效应使该能垒降为22.1 kJ/mol，降幅是13%，说明水溶剂对α-Ala在羟自由基作用下的损伤有一定的助催化作用。25.3 kJ/mol和22.1 kJ/mol都远远低于温和反应的能垒84.0 kJ/mol[20]，因此，水汽环境和水溶剂环境中有充分的羟自由基时，限域在MOR分子筛内的α-Ala都会迅速地的损伤。与文献[9]的研究结果“羟自由基水分子组合，羟自由基抽α-氢致α-Ala损伤的能垒是80.34 kJ/mol”相比较可知，MOR分子筛对水环境下羟自由基抽α-氢致α-Ala在a通道的损伤具有极好的限域催化作用。

损伤产物络合物分子a_P*·2H2O的353H—356O的间距是0.223 91 nm，说明a_P*存在氨基与羧基间较强的分子内单氢键；二面角352N—347C—350C—355C、350C—347C—355C—357O和347C—355C—357O—356O分别是173.81°、5.81°和179.23°，说明a_P*的骨架原子基本共面，形成了稳定的五中心共轭大π键以及羰基和氨基之间的妃子内单氢键，因此a_P*较稳定。361H和352N的间距是0.203 22 nm，氢键角363O—361H—352N是153.65°，接近平角；363O和362HO两个原子的间距是0.191 21 nm, 氢键角360O—362H—363O是162.89°，接近平角；359H和357O两个原子的间距是0.234 59 nm, 氢键角360O—359H—357O是130.90°，距离平角相差较多。说明a_P*·2H2O的水分子之间以及水分子和氨基之间存在较强的氢键，水分子和羧基之间存在中等偏弱的氢键。因此，络合物分子a_P*·2H2O十分稳定，处在势能面较低的位置上，相对能量是-148.0 kJ/mol，水溶剂效应使其相对能量进一步降为-173.2 kJ/mol，产物络合物变得更加稳定。

水分子辅助羟自由基抽α-氢，导致α-Ala在b通道的损伤发生在第二基元反应，反应历程见图4(B)，反应的吉布斯势能剖面见图5(B)。(第一基元的羧基内质子转移有水分子抽氢和羟自由基抽氢两种情况，前者同于2.1中的从b_S-α-Ala·(H2O·OH·)@MO到b_INT1·(H2O·OH·)(m)@MOR过程，这里从略；研究表明，后者的反应能垒也不高，大概在40 kJ/mol左右，这里也不在讨论)。

α-Ala在b通道的损伤是b_INT1·(H2O·OH·)(m)脱去羧基右侧的H2O·OH·，与其前面的α-氢359H和羰基氧357O通过氢键作用形成的分子b_INT1·(H2O·OH·)(n)@MOR，经过渡态b_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR，羟自由基360O—362H抽取α-氢359H，得到损伤产物b_P*·2H2O@MOR，b_INT1损伤为b_P*，亦即S-α-Ala在b通道的损伤。

从b_INT1·(H2O·OH·)(n)@MOR到b_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR过程，键长347C—359H从0.109 86 nm伸长到0.117 19 nm断裂，拉伸了0.007 33 nm；活性中心骨架二面角352N—347C—350C—355C从128.83°变为132.83°。347C—359H键的伸长及活性中心骨架的变化与从a_S-INT1·[(OH·)·H2O]@MOR到a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR过程基本相同，b_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR产生的能垒与a_TS2·[(OH·)·H2O]@MOR产生的能垒基本相同，是25.1 kJ/mol。溶剂效应使该能垒降到22.4 kJ/mol，降幅约为11%，说明水溶剂对α-Ala在羟自由基作用下在b通道的损伤有一定的助催化作用。同于前面a通道的讨论，水环境下MOR分子筛对羟自由基抽α-氢致α-Ala在b通道的损伤也具有极好的限域催化作用，水汽环境和水溶剂环境中有充分的羟自由基时，限域在MOR分子筛内的α-Ala会迅速地的损伤。结构分析表明，与a_P*·2H2O相似，b_P*的骨架原子形成了五中心大π键以及氨基和羧基间的单氢键；a_P*·2H2O的水分子之间以及水分子和羰基之间存在较强的氢键，因此，络合物分子b_P*·2H2O十分稳定，处在势能面较低的位置上，相对能量是-182.1 kJ/mol，水溶剂效应使其相对能量进一步降为-191.3 kJ/mol，产物络合物变得更加稳定。

从图5可以看出，a通道上，羟自由基独自抽氢致a_S-INT1损伤(亦即S-α-Ala损伤)与水分子辅助羟自由基抽氢的反应通道相比较，后者具有绝对的优势。结合图3和图5可知，S-α-Ala在b通道损伤的决速步是第一基元的质子迁移过程，并不是第二基元的抽氢过程；水汽环境下S-α-Ala的损伤在a通道具有明显优势，水溶剂环境下S-α-Ala的损伤在a通道的优势并不明显。比较图3和图5可知，水分子辅助羟自由基致a_S-INT1损伤(亦即S-α-Ala损伤)的抽氢反应通道和水分子羟自由基链催化S-Ala旋光异构的质子迁移反应通道的竞争中，无论是汽相还是液相环境，前者都具有明显的优势。

为了说明a_TS2·(OH·)@MOR的连接产物是a_P*·H2O@MOR，做了a_TS2·(OH·)@MOR指向产物(出口势能面)的内禀反应坐标(IRC)计算和分子动力学(MD)模拟，在IRC和MD路径上选取的具有代表性的分子结构分别见图6的(A)和(B)，较好地说明了a_P*·H2O@MOR的确是过渡态连接的a_TS2·(OH·)@MOR的产物。

图4 限域在MOR分子筛与水复合环境的α-Ala在羟自由基作用下的损伤历程Fig.4 Damage process of α-Ala under the action of hydroxyl radical in the complex environment of MOR zeolite and water

图5 限域在MOR分子筛与水复合环境的α-Ala在羟自由基作用下损伤的势能面Fig.5 Potential energy surfaces diagram of α-Ala optical isomerism catalyzed by hydroxyl radical in the complex environment of MOR zeolite and water

图6 损伤反应通道产物出口势能面上的静态与动态反应过程Fig.6 The static and dynamic reaction processes on the exit potential energy surface of the products of the damage reaction Channel

图6(A)，反映了从过渡态a_TS2·(OH·)@MOR到损伤产物a_P*·H2O@MOR的静态反应过程是：从a_TS2·(OH·)@MOR到h，361H在352N的库仑力引力作用下向352N移动，361H和352N成键，359H在360O的库仑力引力作用下向360O移动。从h到i，361H—352N键长逐渐缩短，359H继续向360O移动并与360O成键。从i到j，361H—352N键长又逐渐拉伸，键角359H—360O—347C增加。

从j到k，361H在360O的库仑力引力作用下向360O移动并与352N键断裂，键角359H—360O—347C继续增加。从k到l，361H远离352N继续向360O靠近，361H与360O成键，水分子359H—360O—361H形成，S-Ala损伤完成，得到损伤产物a_P*。从l到m，水分子359H—360O—361H远离a_P*，骨架原子向共面的趋势异构，氨基团也向共面的趋势异构。从m到a_P*·H2O@MOR，水分子359H—360O—361H继续远离a_P*，骨架原子和羧基基本共面，形成5中心大π键，并且氨基团也向趋于共面。从a_TS2·(OH·)@MOR到a_P*·H2O@MOR的静态反应过程还可以知道，a_TS2·(OH·)@MOR是靠近反应物的过渡态，是前过渡态。

图6(B)，反映了从过渡态a_TS2·(OH·)@MOR到损伤产物a_P*·H2O@MOR的微观动态反应过程是：从a_TS2·(OH·)@MOR(记为初始时刻)开始，经过14.693 fs，359H和361H均向360O移动，并与360O接近成键。从14.693 fs到17.551 fs，359H和361H与360O成键，形成水分子359H—360O—361H。

从17.551 fs到23.088 fs，361H与360O断裂，键角359H—360O—347C增加。从23.088 fs到35.611 fs，359H和361H又与360O成键，从35.611 fs到41.985 fs，361H与360O又断裂，键角359H—360O—347C继续增加。从41.985 fs到48.614fs，361H与360O成键，359H和360O断键。从48.614 fs到69.537 fs，359H和360O成键，水分子359H—360O—361H重新形成。同时，从a_TS2·(OH·)@MOR到a_P*·H2O@MOR整个过程，骨架原子都在进行着从非共面向共面异构，氨基上的353H和354H也进行着与骨架原子趋于共面的异构。

3 总 结

α-Ala的旋光异构和损伤分别是质子转移机理和羟自由基抽氢机理，它们均有a和b两个反应通道，a是羟自由基水分子簇等与α-H和氨基N通过氢键作用形成底物，b是羟自由基水分子簇与α-H和羰基O通过氢键作用形成底物。势能面计算表明：水分子拔α-H使α-Ala旋光异构，水汽相环境下，a通道具有优势，决速步能垒是136.1 kJ/mol；水液相环境下，优势通道是b，过渡态产生的内禀能垒是78.1 kJ/mol。在a通道的羟自由基抽α-H致α-Ala损伤过程，水分子辅助羟自由基抽α-H致α-Ala损伤比羟自由基独自抽α-H具有明显的优势。水分子辅助羟自由基抽α-H致α-Ala的优势通道也是a，决速步能垒是25.3 kJ/mol；水溶剂效应使该能垒降为22.1 kJ/mol。结果表明：水环境下羟自由基的存在可使MOR分子筛内的α-Ala旋光异构与损伤同时发生，在竞争中损伤过程具有明显的优势；MOR分子筛对水环境下羟自由基抽α-氢致α-Ala在a通道的损伤具有极好的限域催化作用；MOR分子筛的限域改变了羟自由基水分子簇催化α-Ala异构的机理。