CPCM溶劑模型對乳清酸異構化反應的影響

程學禮，趙燕云

(泰山學院化學化工學院，山東泰安 271021)

乳清酸(也叫維生素B13或H3dtpc)是生物體中核酸嘧啶類生物堿生物合成的前驅體，是配位化學中的一種良好配體，在生物合成和藥物化學中發揮著獨特作用［1］.它的酮式和烯醇式互變異構體，以及不對稱結構，使其成為多用途的多齒有機配體［2－3］.乳清酸也是調節血脂的藥物.而且，它具備帶有形成氫鍵的孤對電子給體和受體，因此可以在超分子組裝體中形成各種氫鍵作用［4］.文獻上也不斷有以乳清酸為配體的報道［5－7］.我們課題組已經對乳清酸結構和紅外光譜進行了密度泛函研究［8］.為充分理解其空間構型、異構化過程以及獲得一些有用的參數，本文將對乳清酸異構化反應展開理論研究.

1 理論方法

對各反應物、中間體、過渡態和產物的全優化是使用Gaussian98程序包、在6－311+G*基組水平上完成的.本文采用了一種可信的密度泛函理論(DFT)方法B3LYP，即Becke三參數非定域交換泛函和Lee－Yang－Parr非定域相關泛函?相結合的方法結構優化、計算頻率并獲得能量.分子結構用Gauss-View3.07創建［9］.為考慮水的影響，本文采用導體極化連續介質模型(CPCM)計算單點能以闡明反應機理.考慮到所需計算時間，并且用CPCM模型優化的鍵長變化與氣相結構相比總是很小，本文僅用氣相平衡構型開展CPCM單點能(SPE)計算，同時采用SCF=Tight關鍵詞提高SCF收斂標準以獲得高精度.

2 結果與討論

2.1 溶劑效應的影響

我們的前期工作已經確定了氣相中乳清酸的最穩定的構型，且空間效應、氫鍵和共軛相應在維持其特定結構中發揮了重要作用.本文考慮溶劑效應重新計算能量.首先，我們采用默認的聯合原子拓撲模型(UA0)定義原子半徑，并用SphereOnH=N關鍵詞描述正在轉移的氫原子.構型1a仍是最穩定的，與之相比較，考慮溶劑效應后各中間體的相對能量變化不大，個別會出現顯著降低.計算結果表明，2b在氣相中的相對能量為84.0 kJ/mol，在溶液中為84.6 kJ/mol.本文優化了乳清酸的4種重要異構體2d、2e、3f和3g，其結構參數和能量列于圖1.圖1表明，各異構體的鍵長、鍵角結構差別不大.一般來說，液相中的相對能量比氣相中的能量升高或降低10 kJ/mol以內，但個別會出現顯著變化.如考慮溶劑效應后，構型3f的相對能量下降達34.6 kJ/mol之多，這么大的能量變化不可接受.因此，對溶液中的反應，應該考慮溶劑的影響.

圖1 乳清酸的4種異構體.鍵長和鍵角分別以nm和°為單位.()中為氣相中相對于1a的能量，［］為CPCM單點計算的能量

2.2 IR光譜指認

Gaussian03可以計算精確的紅外光譜數據，并可以進行光譜指認［8］.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.用Gaussian03計算得到的異構體2d、2e、3f和3g的IR譜圖及振動模式指認繪于圖2中.2d和2e僅僅是羧基上氫原子的位置不同，因而二者圖片十分接近，只是在紅外強度上有細微差別.同樣，異構體3f和3g是羧基上氫的順反異構引起的，從中可以清晰地看到各特征頻率的位置和強度，只不過在3g中出現了一條明顯的C－O9伸縮振動的譜線，其位置在1852 cm－1處，強度為244.58 km·mol－1;C=O伸縮振動在1788 cm－1有很強的吸收峰.

3 溶劑模型對能壘的影響

本文用同樣方法計算了2b和3e異構化的能壘，過渡態標記為TS2b－3e.相關結構和能量列于圖3中.由于在轉移的H9原子上定義了不同的半徑，相對于1a的TS2b－3e能量高達663.8 kJ/mol，完全不可接受.這說明，目前流行的計算能量的方法不能描述氫轉移的過渡態［9－10］.

我們用UAKS原子半徑重新進行了單點計算，此時相對能量為246.5 kJ/mol，與氣相中232.0 kJ/mol接近.圖3表明，采用不同的原子半徑定義對異構體2b和3e的影響不大.本文采用此方法對其他構型進行了單點計算，也證明是采用了不同的原子半徑導致了氫轉移過渡態能量失準，而對其他構型沒有大的影響.比如，采用UAKS半徑后3f的相對能量為69.5 kJ/mol，同樣出現明顯降低.

4 結論

溶液中的化學反應需考慮溶劑效應的影響.本文采用密度泛函方法研究了CPCM溶劑模型對乳清酸異構化反應的影響，發現溶劑模型對個別化合物的影響明顯.采用默認的UA0定義原子半徑時，因為不能對正在轉移的氫原子進行描述而使用SphereOnH=N關鍵詞，這導致不能估計氫轉移過渡態的能量.當采用UAKS半徑時，所得相對能量和能壘才與氣相能量很好地符合.

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