路易斯酸/碱催化的环加成、酮还原反应和蛋白酶体与肽反应的理论研究

摘要

当今有机小分子催化（organocatalysis）和酶催化反应的机理研究是理论化学领域的两大重要组成部分。除去酶体系内的静电环境和氢键等作用，而只比较酶参与反应的几个活性残基的话，酶与有机小分子催化剂在化学反应中的作用并无不同。在不含过渡金属元素的催化反应体系（包括有机小分子催化和非金属酶催化），催化剂可以被归为四大类:即路易斯酸、路易斯碱、质子酸和质子碱。本论文从有机小分子催化和酶催化反应的理论研究中求同存异，首先按照催化剂在反应中所起的作用，对五个有机小分子催化反应进行分类并阐述其反应机理，随后对一个重要的蛋白质降解酶（蛋白酶体）与肽的反应进行了理论研究，发现参与反应的蛋白酶体的苏氨酸残基(Thr1)其实也是一个路易斯碱，这项研究为以后设计有机小分子催化剂来取代蛋白酶体提供了理论依据。
　　本论文的第一章主要介绍有机小分子催化反应体系和酶反应体系的计算方法，并说明了有机小分子催化与非金属酶催化反应的本质并无不同，因此可以在催化的机制上对它们进行类比，为以后借鉴酶催化来设计有机小分子催化剂提供了一条捷径。本论文的第二至四章用密度泛函理论(DFT)的计算方法对五个有机小分子催化反应做了深入的理论研究。
　　1.路易斯酸三氟化硼(BF3)催化的烯酮-酮[2+2+2]环加成生成戊二酸酐的反应。本章用密度泛函理论方法研究了该反应的三条可能反应路径，包括一条不含催化剂的反应路径（路径一）和两条路易斯酸BF3催化的反应路径（路径二和三）。计算结果表明其中的一条催化反应路径（路径二）在这三条反应路径中是能垒最低的，所以它应该是主要反应路径。据我们所知，路易斯酸可以降低酮-烯酮[2+2]环加成反应能垒的原因到现在也没有定论，为了弄清这一疑问，我们用了前线分子轨道(FMO)理论分析来解释路易斯酸BF3到底是怎么使该反应更容易进行的。分析结果表明，除了前线轨道的对称性和能隙的大小之外，前线分子轨道之间的重叠方式对环加成反应的能垒高低也有很强的影响。
　　2.NHC不对称催化烯酮和N=N双键化合物的[2+2]环加成反应。这种不对称催化合成氮杂-β-内酰胺反应的ee(enantiomeric excess)值高达90％（R），然而哪一步是立体选择性控制步骤以及NHC在催化该环加成反应中所起的作用至今尚不清楚。本节中，我们提出了该反应可能的反应机理，并用密度泛函理论的计算方法对其进行了细致的研究。我们在B3LYP/6-31G(d，p)水平下对反应物、中间体、过渡态和产物进行了几何全优化。我们的计算结果表明[2+2]环加成形成四元环是决定立体选择性的步骤，且生成R构型的反应路径在能量上更占优势，这跟实验结果是一致的。另外，前线分子轨道分析表明由于NHC催化剂能使反应物之间的前线轨道能隙更小，从而使得该[2+2]环加成反应更容易发生。另外，我们还用全局反应指标分析了该反应过程，值得一提的是，全局反应指标分析的结果与前线分子轨道的分析结果是一致的。此外，溶剂效应的计算结果说明二氯甲烷溶剂对产物的立体选择性没有太大的影响。
　　3.蒎烯衍生的氨基醇类化合物在实验上被用来不对称催化还原酮生成相应的仲醇，且ee值高达96％(R)。在本章中，我们对这个还原过程提出了可能的反应机理，并且在理论上用密度泛函理论对其进行了细致的研究。计算采用的方法是B3LYP，选用的基组是6-31G(d，p)。我们的计算结果表明该反应有五个反应步骤，并且生成R构型的反应路径在能量上更占优势，这跟实验结果是一致的。另外我们还计算了溶剂四氢呋喃(THF)对反应立体选择性的影响，结果表明溶剂THF对反应的立体选择性没有太大的影响。
　　4.手性螺硼酸酯在实验上被用来作为不对称催化还原酮生成手性仲醇的有效催化剂。本章用密度泛函理论的计算方法研究了该还原反应的反应机理。所有反应物、中间体、过渡态和产物的构型在B3LYP/6-31G(d,p)的水平下进行了全优化。计算结果表明反应包括四个步骤，且生成R构型的反应路径在能量上更占优势，这跟实验结果是一致的。另外，THF溶剂对该反应的立体选择性影响不大。
　　5.Trofimov等人在2008年首次报道了1-取代基咪唑的乙烯化反应(J.Org.Chem.2008，73，9155-9157)。1-取代基咪唑在室温、无催化剂和无溶剂的条件下与3-苯基-2-丙炔腈能发生反应，使咪唑的C(2)位乙烯化，并主要得到(Z)-异构体(95％)，产率高达56-88％。然而，自此类乙烯化反应出现的数十年以来，人们一直不能解释该类反应的(Z)-异构体是如何生成的，故此类反应产物的立体选择性也就不能被人们准确预测。本章用DFT方法研究了1-甲基咪唑被3-苯基-2-丙炔腈乙烯化的反应机理和立体选择性。所有反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型都在B3LYP/6-31G(d,p)水平下优化得到。计算结果表明反应包括三个阶段:两性离子的形成、质子转移过程和重排过程。我们的计算研究了四条可能的反应路径，其中两条生成(E)-异构体产物，另外两条生成(Z)-异构体产物。其中一条生成(Z)-异构体产物的反应路径有最低的反应能垒19.91kcal/mol，所以在室温下它应该是主要反应路径。溶剂效应计算证明该反应在气相条件下最容易发生，这些与实验结果都是一致的。事实上，我们发现该反应其实是一个自催化反应，这为合理设计能催化有立体选择性的咪唑的乙烯化反应的有机小分子催化剂提供了一个新颖的理念。
　　本论文的第五章用分子动力学(MD)模拟和pseudobond QM/MM-FE的方法对一个有代表性的酶（蛋白酶体）与两个肽的反应做了深入研究，研究发现QM部分中参与催化反应的酶的活性残基与有机小分子催化剂的作用是一样的，这对设计有机小分子催化剂来取代酶的作用提供了理论依据。
　　1.蛋白酶体催化降解肽succinyl-leucyl-leucyl-valyl-tyrosyl-7-amino-4-methylcoumarin（Suc-LLVY-AMC，简写为SUC）的反应机理。计算结果表明蛋白酶体与Suc-LLVY-AMC的最优反应路径包括六个步骤。第一步是一个直接的质子转移，Thr1-Nz直接激活Thr1-Oγ。第二步是带负电的Thr1-Oγ亲核进攻Suc-LLVY-AMC的羰基碳原子。第三步是胺AMC的脱去。第四步是水分子亲核进攻Suc-LLVY的羰基碳，与此同时，一个质子从水分子上转移到Thr1-Nz。第五步脱去Suc-LLVY。最后一步从Thr1-Nz到Thr1-Oγ的质子转移还原了Thr1。从计算的自由能曲线上可以看出第三个反应步骤有最高的反应能垒18.2kcal/mol，这与实验上得到的能垒～18.3-19.4kcal/mol非常接近。另外，我们也研究了可能的水参与质子转移路径，然而计算的能垒比上述直接质子转移的能垒高，这与以前的需要一个水分子来帮助质子转移过程的理念有明显的不同。
　　2.蛋白酶体与抑制剂Epoxomicin(EPX)的反应机理。计算结果表明蛋白酶体与抑制剂EPX反应最占优势的路径包括五个反应步骤。第一步是一个直接的质子转移，Thr1-Nz直接激活Thr1-Oγ形成一个两性离子中间体。第二步是带负电的Thr1-Oγ亲核进攻EPX的羰基碳原子。第三步是从Thr1-Nz到EPX的羰基氧原子的质子转移。第四步是Thr1-Nz亲核进攻EPX的环氧环，同时伴随着环氧环的开环（SN2亲核取代），两性离子吗啉环在这一步在残基Thr1和EPX之间形成。最后通过另一个质子转移生成最终的吗啉环产物。值得一提的是，我们的计算结果表明Thr1-Nz直接激活Thr1-Oγ仅需要一个9.9kcal/mol的自由能垒，且水分子不能参与该反应的决速步，这与以前普遍认为的水分子需要参与活化过程的观点有明显的不同。由计算的自由能曲线可知，第四步有最高的反应能垒(23.6kcal/mol)，这与根据实验动力学数据推算的活化自由能垒(～21-22kcal/mol)非常接近。
　　以上得到的新颖的反应机理不仅可以帮助理解蛋白酶体与肽或蛋白质反应的反应机理，而且能够帮助合理设计更有效的蛋白酶体抑制剂。另外，通过对酶反应体系和上述有机小分子催化反应的比较，我们发现活性残基Thr1其实跟上述的路易斯碱催化剂的作用类似，这为设计有机小分子催化剂代替蛋白酶体催化降解肽键提供了理论依据。
　　本论文的第六章对上述所有工作做了总结并展望了未来的工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究有机小分子催化和酶催化的理论方法

1．1．1 密度泛函理论(DFT)的计算方法(小分子反应体系)

1．1．2 QM／MM的计算方法(酶反应体系)

1．2 有机小分子催化的分类和理论研究概况

1．2．1 路易斯酸催化

1．2．2 路易斯碱催化

1．2．3 质子酸碱催化

1．3 蛋白酶体(路易斯碱)在细胞体内的作用和功能

1．4 本论文的设计思想、主要研究内容，意义以及创新点

第二章 路易斯酸或碱催化的烯酮的环加成反应

2．1 三氟化硼(路易斯酸)催化的乙烯酮和酮[2+2+2]环加成反应

2．1．1 反应的实验背景

2．1．2 计算细节

2．1．3 结果和讨论

2．1．4 小结

2．2 路易斯碱(NHC)催化的烯酮和偶氮二乙酸的[2+2]环加成反应

2．2．1 反应的实验背景

2．2．2 计算细节

2．2．3 结果和讨论

2．2．4 小结

第三章 路易斯酸催化的酮还原反应

3．1 蒎烯衍生的氨基醇(路易斯酸)催化的酮还原反应

3．1．1 反应的实验背景及推测机理

3．1．2 计算细节

3．1．3 结果和讨论

3．1．4 小结

3．2 手性螺硼酸脂(路易斯酸)催化的酮还原反应

3．2．1 反应的实验背景及推测机理

3．2．2 计算细节

3．2．3 结果和讨论

3．2．4 小结

第四章 自催化(质子酸碱催化)的1-取代基咪唑的乙烯化反应

4．1 反应的实验背景

4．2 计算细节

4．3 结果和讨论

4．3．1 生成(E)-异构体的反应路径

4．3．2 生成(Z)-异构体的反应路径

4．4 本章小结

第五章 蛋白酶体(路易斯碱)催化降解及其抑制反应

5．1 蛋白酶体及其抑制剂的实验背景

5．2 蛋白酶体催化降解反应机理

5．2．1 计算细节

5．2．2 结果与讨论

5．3 蛋白酶体被抑制剂EPX抑制的反应机理

5．3．1 计算细节

5．3．2 结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

在读期间发表的学术论文

致谢