乳清酸異構化反應的理論研究

王新利，張 莉

(1.泰山學院國有資產管理處，山東泰安 271021;2.山東農業大學信息科學與工程學院，山東泰安 271000)

乳清酸(維生素B13;H3dtpc)，酮式名稱是1，2，3，6－四氫－2，6－二氧－4－嘧啶羧酸，烯醇式名稱是2，6－二羥基嘧啶－4－羧酸，作為生物活體嘧啶基核酸生物合成過程中的有效前體，是一種重要的嘧啶衍生物，在生物和藥物化學中發揮獨特的作用［1］.它可用作調節血液脂肪的藥物.除了其生物方面的重要性之外，乳清酸還是配位化學中優良的配位單元［2］.它的酮式和烯醇式互變異構體，以及其不對稱結構，使其成為多用途的多齒有機配體［3］.它包含潛在的氫鍵受體和氫鍵給體，并在超分子絡合物中顯示不同的氫鍵相互作用［4］.最近，我們用乳清酸合成了數種有機金屬絡合物，如［Co(C5H2N2O4) (C14H8N4)2］2H2O［5］和［Mn(C5H2N2O4)(C12H8N2)(H2O)2］［6］.因此，有必要對乳清酸展開進一步的理論和實驗研究，以更好地理解其結構和性質.有關乳清酸分析方法的進展被多次報道［7－10］，但是，還未開展對其結構進行理論研究.本文將對乳清酸異構體的結構以及異構體直接的轉化過程進行研究，并且，其紅外光譜性質也將被研究并與實驗數據比較.

1 實驗與計算方法

所有結構的分子集合構型均使用Gaussian98程序包，在密度泛函理論的B3LYP方法［11－12］進行全優化，一個較高水平的基組6－311+G*自始至終被使用.選擇這個基組是基于這樣的考慮:要獲得非共價相互作用的可靠性質，使用彌散函數的基組是必要的.用虛頻的數目確定所得物種是一種穩定構型，還是過渡態或是亞穩態.下面要討論的相對能量均為在298.15K下經過零點能校正(ZPE和熱力學校正(TC)后的能量.

［Co(C5H2N2O4)(C14H8N4)2］·2H2O［5］和［Mn(C5H2N2O4)(C12H8N2)(H2O)2］的合成方法已經在文獻［5－6］報道過.為了研究紅外光譜，在相同基組水平是計算了異構體的振動頻率，并且用Nicolet AVARAT360傅里葉紅外(FT－IR)光譜儀記錄了兩個金屬有機配合物的紅外光譜.

圖1 乳清酸異構體的結構參數.鍵長的單位是nm，鍵角的單位為度(°).元素符號旁邊的數字是區分它們的序號，括號內的數字是相當于1a、以kJ/mol為單位的能量.

2 結果與討論

2.1 乳清酸異構體的結構分析

由于氫的位置不同，乳清酸有多種異構體.基本異構體的結構參數列于圖1中.異構體1a是能量上最穩定的一個.對于1c，3c，4b，4c和4d，空間位阻效應使它們能量較高.例如，由于H15的位置，3b的能量比3a高37.28 kJ/mol.

在1c，3c和3d中，羧酸基和苯環并不處在同一平面.雖然共軛效應在一定程度上被破壞了，但這些構型也避開了鄰近氫原子間的排斥效應，因此它們的能量并沒有異常顯著地增加.異構體3a不能保持平面構型，2個氧原子不能參與形成共軛π鍵，但是由于H13和H14不存在空間位阻效應，并且這種空間構型使H7和H15間的位阻有效降低，因此它甚至比平面構型的3b和3c更穩定.1c中也存在同樣的情況.

在這些化合物中，氫鍵相互作用是一個共同點特征.1a和1b比其他異構體含有更多的氫鍵，也就更穩定.2c的內能比1a顯著地升高了46.86 kJ/mol，這主要是由于一些氫鍵的消失.對于最穩定的異構體1a，這些氫鍵的鍵長分別為0.2327、0.2328、0.2520、0.2500、0.2485、0.2679和0.2508 nm.

圖1表明，空間位阻效應、π電子的離域和氫鍵能夠影響乳清酸的穩定性，并且位阻效應是一個關鍵因素.比如，4d為平面構型，但有2對鄰近氫原子，因此其能量比1a升高達146.82 kJ/mol.

2.2 不同異構體的轉化

在B3LYP/6－311+G*基組水平上優化了一些質子轉移過程的過渡態，過渡態的結構參數列在圖2中，虛頻的振動頻率和振動模式指認列于表1中.從圖2可以看出，質子轉移過程的能壘相對較高.

圖2 在B3LYP/6－311+G*基組水平是優化的過渡態和異構體5的結構參數.括號內的數字是相當于1a、以kJ/mol為單位的相對能量.

對于1a，H14轉移到O12和O13以及H15轉移到O13過程的能壘分別為193.33，207.42和200.74 kJ/mol.對于1a，H14可以通過TS1a1轉移到O12上，TS1a1的唯一虛頻是強度為576.0249 km/ mol、在i1952 cm－1處的O12－H14平面搖擺振動.這個虛頻顯示，H14正從N6向O12轉移.H14也能夠通過過渡態TS1a3從N6向O13轉移，形成4a.TS1a3的虛頻為O13－H14平面搖擺模式，也與正在轉移的H14原子有關.以相似的方式，1a可以經由TS1a2轉變為3a.對于其他質子轉移過程，2b可以分別通過TS2b－5，TS2b－3e和TS2b－2c轉變為異構體5，3e和2c，其能壘分別為147.02，147.97和149.46 kJ·mol－1.TS2b－2c是一個氫原子在羧基的O13和O14之間傳遞的過渡態，很高的能壘說明構型轉變在能上是不利的.

表1 過渡態的最低頻率和振動模式指認

但是，氫原子順反異構過程的能量相對較低，這表明此類過程容易發生.比如，H15和H11通過過渡態TS3a－3b和TS2a－2b異構化的能壘僅為43.34KJkJ·mol－1和52.26 kJ·mol－1.

2.3 紅外光譜研究

由于H原子位置的不同，不同的乳清酸異構體具有不同的IR譜圖.異構體1a，2a，3e和4a的IR譜圖繪于圖3中.1a有一些引人注目的振動模式，如強度為173.07 km·mol－1在607 cm－1處的羧基O－H面外搖擺模式，在1187 cm－1處強度為325.56 km·mol－1的C－O－H平面搖擺模式，在1390 cm－1處強度為251.98 km·mol－1的C－O－H平面彎曲模式，以及C－O12伸縮模式 (1767 cm－1，810.52 km·mol－1)、C－O9伸縮模式 (1797 cm－1，312.47 km·mol－1)和C－O13伸縮模式 (1809 cm－1，722.56 km·mol－1).正如圖1所示，由于2個N－H鍵長不同，1a有2個不同的伸縮振動模式，即NH14和N－H15非對稱伸縮(3601 cm－1，157.49 km·mol－1)與N－H14和N－H15對稱伸縮模式(3602 cm－1，28.40 km·mol－1).由于只有一個O－H鍵，唯一的O－H伸縮振動模式出現在732 cm－1(96.33 km·mol－1).對于2a，有2個容易辨別的都是屬于O－H伸縮模式的特征頻率，分別是在3604 (117.28 km·mol－1)、3724(87.89 km·mol－1)和3761 cm－1(74.97 km·mol－1)位置的 O－H15，O－H9和O－H11伸縮振動.但是，從圖3看出，3e和4a都有一個N－H伸縮模式和兩個非常接近的O－H伸縮模式.

圖3 在B3LYP/6－311+G*基組水平上模擬的1a，2a，3e和4a的IR譜圖

模擬的乳清酸IR譜圖可以幫助我們理解乳清酸絡合物的光譜和結構.用實驗方法記錄的［CoII(DPQN)2(C5H3N2O4)］·2H2O［5］和［MnII(C5H2N2O4)(C12H8N2)(H2O)2］［6］的譜圖分別列在圖4和圖5中.圖4和圖5顯示，3421.34和3329.16 cm－1位置的吸收對應著N－H伸縮振動模式，這表明N－H鍵的存在;1641.20和1639.26 cm－1處的強烈吸收對應1a中C－O13的伸縮振動模式，并且1608.83和1511.21 cm－1處為C－O12的伸縮振動模式.因此，離解2個質子后，乳清酸以異構體1a參與中心金屬的配位.

3 結論

本文使用Gaussian98程序包、在B3LYP/6－311+G*基組水平上對乳清酸異構體的結構進行了全優化，并在同一基組水平上計算了能量.我們的研究結果表明，空間位阻效應、氫鍵和共軛效應在維持乳清酸空間構型中發揮重要作用.異構體1a在能量上最穩定.同時研究了質子轉移和異構化過程，研究顯示，質子轉移過程的能壘非常高，氫原子順反異構過程的能壘相對較低，這說明順反異構過程更容易發生.模擬的紅外譜圖可以幫助我們區分不同異構體，并確定紅外光譜實驗中的振動模式.DFT和IR研究使我們充分理解有多種用途的乳清酸的結構.

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