氨基酸的催化机理和水滑石限域作用的理论研究

摘要

氨基酸是肽和蛋白质的基本组成单元，其结构和性能对理解蛋白质的各方面的生物功能和生命活动有着重要的意义。本文利用量子化学方法研究了L-天冬氨酸(L-ASP)和L-脯氨酸(L-PRO)的旋光异构反应机理及水滑石层板对其消旋反应的抑制作用，研究了L-ASP及其与L-PRO的二肽S-PRO-S-ASP催化不对称aldol反应的机理及产物的立体选择性。主要成果如下:
　　用密度泛函理论(DFT)的B3LYP和PW91方法在6-31G(d，p)/6-311++G(d，p)/Lanl2dz基组水平上研究了L-ASP和L-PRO的旋光异构反应机理及其插层镁铝/锌铝类水滑石的结构，得到的插层结构参数与实验结果基本一致，说明使用的理论方法处理水滑石体系是合适的。计算结果表明，L-ASP和L-PRO的旋光异构的反应很难在基态发生，因为基态的反应能垒太高;而在激发态L-ASP和L-PRO易通过由手性碳原子到羰基氧原子上的质子迁移转变为D-氨基酸，其中羰基上的氧原子起到质子迁移的媒介作用。此外，水滑石层板可以抑制L-ASP和L-PRO的消旋反应是由于羰基氧原子与层板的结合阻碍了质子的迁移。
　　用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法在6-31G(d，p)基组水平上研究了L-ASP催化丙酮和三种芳香醛（苯甲醛、对甲基苯甲醛、对硝基苯甲醛）的分子间aldol反应的机理。计算结果表明，反应途径由四步组成:i.催化剂上的氨基亲核进攻丙酮的羰基形成醇类中间体，由于能垒最高(173.71kJ/mol)，因而此步是整个反应的速控步;ii.醇类中间体脱水形成亚胺进而生成顺式或反应烯胺;iii.醛的亲电加成，由于烯胺与醛之间的空间排斥作用，决定了产物的立体选择性;iv.脱除催化剂得到最后的产物。分析发现，L-ASP催化aldol反应在能量上倾向于通过生成反式烯胺得到R-产物（ee值＞99％）。在同样的基组水平上，用CAM-B3LYP和M06-2X方法再验证了反应路径上的能量变化。同时，利用PCM模型进行溶剂化效应的计算，比较了对位取代基对反应的影响。DMSO和水作为溶剂可以降低反应路径上的能垒，而苯甲醛对位取代基对反应的影响很小，这为实验提供了参考。
　　此外，用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法在6-31G(d，p)基组水平上研究了S-PRO-S-ASP催化丙酮和三种芳香醛（苯甲醛、对甲基苯甲醛、对硝基苯甲醛）的分子间aldol反应的机理。计算结果表明，反应途径由四步组成:i.催化剂上的氨基亲核进攻丙酮的羰基形成醇类中间体，因为能垒最高(185.59kJ/mol)，这步是整个反应的速控步;ii.醇类中间体脱水形成亚胺进而生成顺式或反应烯胺;iii.醛的亲电加成，由于烯胺与醛之间的空间排斥作用，决定了产物的立体选择性;iv.脱除催化剂得到最后的产物。分析发现，二肽催化aldol反应在能量上倾向于通过生成反式烯胺得到R-产物（ee值＞99％）。在同样的基组水平上，用CAM-B3LYP和M06-2X方法验证了反应路径上的能量变化。同时，利用PCM模型进行溶剂化效应的计算，比较了对位取代基对反应的影响。DMSO和水作为溶剂可以降低反应路径上的能垒，而苯甲醛对位取代基对反应的影响很小，这为实验提供了参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 氨基酸

1．1．1 氨基酸简介

1．1．2 氨基酸的主要性质

1．1．3 氨基酸类手性分子旋光异构反应的研究意义

1．2 LDHs材料

1．2．1 LDHs的组成和结构

1．2．2 LDHs的性质及其应用

1．2．3 LDHs材料的研究进展

1．2．4 氨基酸小肽类分子插层LDHs的研究意义

1．3 不对称羟醛缩合(Aldol)反应

1．3．1 脯氨酸及其衍生物催化不对称羟醛缩合反应

1．3．2 多肽催化不对称羟醛缩合反应

1．4 本文的研究意义和工作

1．4．1 本文的研究意

1．4．2 本文的研究工作

第二章 理论计算方法

2．1 密度泛函理论(Density Functional Theory)

2．1．1 Born-Oppenheimer近似和Hartree-Fock方程

2．1．2 密度泛函理论

2．1．3 交换相关泛函的近似

2．1．4 密度泛函理论的计算方法及优势

2．2 几种常用的泛函介绍

2．2．1 局域密度近似泛函

2．2．2 广义梯度近似泛函

2．2．3 杂化密度泛函

2．3 插层材料优化方法

2．4 基组

2．5 溶剂化效应

第三章 L-天冬氨酸及其水滑石插层材料的结构计算和性能测试

3．1 L-天冬氨酸插层水滑石材料模型的构建

3．1．1 水滑石层板模型的构建及优化

3．1．2 L-天冬氨酸插层水滑石材料结构模型的构建及优化

3．2 L-天冬氨酸旋光异构机理的研究

3．2．1 S0、T1、S1态天冬氨酸的平衡态结构

3．2．2 L-天冬氨酸旋光异构反应的途径

3．2．3 L-ASP的旋光异构反应位能面

3．2．4 L-ASP的旋光异构反应机理

3．3 溶剂化效应对L-ASP的旋光异构反应的影响

3．4 水滑石层板对L-天冬氨酸的旋光异构机理的影响

3．4．1 水滑石层板结构与性质的研究

3．4．2 L-天冬氨酸插层水滑石的结构与性质研究

3．5 L-天冬氨酸插层水滑石材料的制备及表征

3．5．1 制备和表征方法

3．5．2 实验结果与讨论

3．6 本章小结

第四章 L-脯氨酸及其水滑石插层材料的结构计算和性能测试

4．1 L-脯氨酸插层水滑石材料模型的构建

4．1．1 水滑石层板模型的构建及优化

4．1．2 L-脯氨酸插层水滑石材料结构模型的构建及优化

4．2 L-脯氨酸旋光异构机理的研究

4．2．1 S0、T1态脯氨酸的平衡态结构

4．2．2 L-脯氨酸旋光异构反应的途径

4．2．3 L-PRO的旋光异构反应位能面

4．2．4 L-PRO的旋光异构反应机理

4．3 溶剂化效应对L-PRO的旋光异构反应的影响

4．4 水滑石层板对L-脯氨酸的旋光异构机理的影响

4．5 L-脯氨酸插层水滑石材料的制备及表征

4．5．1 制备和表征方法

4．5．2 实验结果与讨论

4．6 本章小结

第五章 L-天冬氨酸催化不对称Aldol反应的理论研究

5．1 催化剂和反应物的结构

5．2 反应机理

5．2．1 酵盐的形成过程

5．2．2 烯胺经不同反应路径的形成过程

5．2．3 产物的立体选择性

5．2．4 立体选择步的能量分析

5．3 溶剂化效应

5．4 芳香醛的取代基效应

5．5 本章小结

第六章 二肽催化不对称Aldol反应的理论研究

6．1 催化剂结构

6．2 反应机理

6．2．1 醇类中间体的形成过程

6．2．2 烯胺经不同反应路径的形成过程

6．2．3 产物的立体选择性

6．2．4 产物的结构

6．3 反应途径上的能量变化

6．4 溶剂化效应

6．5 芳香醛的取代基效应

6．6 本章小结

参考文献

结论

论文创新点

致谢

研究成果及发表论文情况

作者和导师简介