路易斯酸-堿催化的環(huán)加成、酮還原反應和蛋白酶體與肽反應的理論研究.pdf

1、當今有機小分子催化（organocatalysis）和酶催化反應的機理研究是理論化學領域的兩大重要組成部分。除去酶體系內(nèi)的靜電環(huán)境和氫鍵等作用，而只比較酶參與反應的幾個活性殘基的話，酶與有機小分子催化劑在化學反應中的作用并無不同。在不含過渡金屬元素的催化反應體系（包括有機小分子催化和非金屬酶催化），催化劑可以被歸為四大類:即路易斯酸、路易斯堿、質(zhì)子酸和質(zhì)子堿。本論文從有機小分子催化和酶催化反應的理論研究中求同存異，首先按照催化劑在反應中

2、所起的作用，對五個有機小分子催化反應進行分類并闡述其反應機理，隨后對一個重要的蛋白質(zhì)降解酶（蛋白酶體）與肽的反應進行了理論研究，發(fā)現(xiàn)參與反應的蛋白酶體的蘇氨酸殘基(Thr1)其實也是一個路易斯堿，這項研究為以后設計有機小分子催化劑來取代蛋白酶體提供了理論依據(jù)。
　　本論文的第一章主要介紹有機小分子催化反應體系和酶反應體系的計算方法，并說明了有機小分子催化與非金屬酶催化反應的本質(zhì)并無不同，因此可以在催化的機制上對它們進行類比，為以后

3、借鑒酶催化來設計有機小分子催化劑提供了一條捷徑。本論文的第二至四章用密度泛函理論(DFT)的計算方法對五個有機小分子催化反應做了深入的理論研究。
　　1.路易斯酸三氟化硼(BF3)催化的烯酮-酮[2+2+2]環(huán)加成生成戊二酸酐的反應。本章用密度泛函理論方法研究了該反應的三條可能反應路徑，包括一條不含催化劑的反應路徑（路徑一）和兩條路易斯酸BF3催化的反應路徑（路徑二和三）。計算結(jié)果表明其中的一條催化反應路徑（路徑二）在這三條反應路

4、徑中是能壘最低的，所以它應該是主要反應路徑。據(jù)我們所知，路易斯酸可以降低酮-烯酮[2+2]環(huán)加成反應能壘的原因到現(xiàn)在也沒有定論，為了弄清這一疑問，我們用了前線分子軌道(FMO)理論分析來解釋路易斯酸BF3到底是怎么使該反應更容易進行的。分析結(jié)果表明，除了前線軌道的對稱性和能隙的大小之外，前線分子軌道之間的重疊方式對環(huán)加成反應的能壘高低也有很強的影響。
　　2.NHC不對稱催化烯酮和N=N雙鍵化合物的[2+2]環(huán)加成反應。這種不對稱

5、催化合成氮雜-β-內(nèi)酰胺反應的ee(enantiomeric excess)值高達90％（R），然而哪一步是立體選擇性控制步驟以及NHC在催化該環(huán)加成反應中所起的作用至今尚不清楚。本節(jié)中，我們提出了該反應可能的反應機理，并用密度泛函理論的計算方法對其進行了細致的研究。我們在B3LYP/6-31G(d，p)水平下對反應物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物進行了幾何全優(yōu)化。我們的計算結(jié)果表明[2+2]環(huán)加成形成四元環(huán)是決定立體選擇性的步驟，且生成R構(gòu)型

6、的反應路徑在能量上更占優(yōu)勢，這跟實驗結(jié)果是一致的。另外，前線分子軌道分析表明由于NHC催化劑能使反應物之間的前線軌道能隙更小，從而使得該[2+2]環(huán)加成反應更容易發(fā)生。另外，我們還用全局反應指標分析了該反應過程，值得一提的是，全局反應指標分析的結(jié)果與前線分子軌道的分析結(jié)果是一致的。此外，溶劑效應的計算結(jié)果說明二氯甲烷溶劑對產(chǎn)物的立體選擇性沒有太大的影響。
　　3.蒎烯衍生的氨基醇類化合物在實驗上被用來不對稱催化還原酮生成相應的仲醇

7、，且ee值高達96％(R)。在本章中，我們對這個還原過程提出了可能的反應機理，并且在理論上用密度泛函理論對其進行了細致的研究。計算采用的方法是B3LYP，選用的基組是6-31G(d，p)。我們的計算結(jié)果表明該反應有五個反應步驟，并且生成R構(gòu)型的反應路徑在能量上更占優(yōu)勢，這跟實驗結(jié)果是一致的。另外我們還計算了溶劑四氫呋喃(THF)對反應立體選擇性的影響，結(jié)果表明溶劑THF對反應的立體選擇性沒有太大的影響。
　　4.手性螺硼酸酯在實驗

8、上被用來作為不對稱催化還原酮生成手性仲醇的有效催化劑。本章用密度泛函理論的計算方法研究了該還原反應的反應機理。所有反應物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物的構(gòu)型在B3LYP/6-31G(d,p)的水平下進行了全優(yōu)化。計算結(jié)果表明反應包括四個步驟，且生成R構(gòu)型的反應路徑在能量上更占優(yōu)勢，這跟實驗結(jié)果是一致的。另外，THF溶劑對該反應的立體選擇性影響不大。
　　5.Trofimov等人在2008年首次報道了1-取代基咪唑的乙烯化反應(J.Org.

9、Chem.2008，73，9155-9157)。1-取代基咪唑在室溫、無催化劑和無溶劑的條件下與3-苯基-2-丙炔腈能發(fā)生反應，使咪唑的C(2)位乙烯化，并主要得到(Z)-異構(gòu)體(95％)，產(chǎn)率高達56-88％。然而，自此類乙烯化反應出現(xiàn)的數(shù)十年以來，人們一直不能解釋該類反應的(Z)-異構(gòu)體是如何生成的，故此類反應產(chǎn)物的立體選擇性也就不能被人們準確預測。本章用DFT方法研究了1-甲基咪唑被3-苯基-2-丙炔腈乙烯化的反應機理和立體選擇性

10、。所有反應物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物的幾何構(gòu)型都在B3LYP/6-31G(d,p)水平下優(yōu)化得到。計算結(jié)果表明反應包括三個階段:兩性離子的形成、質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程和重排過程。我們的計算研究了四條可能的反應路徑，其中兩條生成(E)-異構(gòu)體產(chǎn)物，另外兩條生成(Z)-異構(gòu)體產(chǎn)物。其中一條生成(Z)-異構(gòu)體產(chǎn)物的反應路徑有最低的反應能壘19.91kcal/mol，所以在室溫下它應該是主要反應路徑。溶劑效應計算證明該反應在氣相條件下最容易發(fā)生，這些與實驗

11、結(jié)果都是一致的。事實上，我們發(fā)現(xiàn)該反應其實是一個自催化反應，這為合理設計能催化有立體選擇性的咪唑的乙烯化反應的有機小分子催化劑提供了一個新穎的理念。
　　本論文的第五章用分子動力學(MD)模擬和pseudobond QM/MM-FE的方法對一個有代表性的酶（蛋白酶體）與兩個肽的反應做了深入研究，研究發(fā)現(xiàn)QM部分中參與催化反應的酶的活性殘基與有機小分子催化劑的作用是一樣的，這對設計有機小分子催化劑來取代酶的作用提供了理論依據(jù)。

12、>　　1.蛋白酶體催化降解肽succinyl-leucyl-leucyl-valyl-tyrosyl-7-amino-4-methylcoumarin（Suc-LLVY-AMC，簡寫為SUC）的反應機理。計算結(jié)果表明蛋白酶體與Suc-LLVY-AMC的最優(yōu)反應路徑包括六個步驟。第一步是一個直接的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，Thr1-Nz直接激活Thr1-Oγ。第二步是帶負電的Thr1-Oγ親核進攻Suc-LLVY-AMC的羰基碳原子。第三步是胺AMC的脫

13、去。第四步是水分子親核進攻Suc-LLVY的羰基碳，與此同時，一個質(zhì)子從水分子上轉(zhuǎn)移到Thr1-Nz。第五步脫去Suc-LLVY。最后一步從Thr1-Nz到Thr1-Oγ的質(zhì)子轉(zhuǎn)移還原了Thr1。從計算的自由能曲線上可以看出第三個反應步驟有最高的反應能壘18.2kcal/mol，這與實驗上得到的能壘～18.3-19.4kcal/mol非常接近。另外，我們也研究了可能的水參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移路徑，然而計算的能壘比上述直接質(zhì)子轉(zhuǎn)移的能壘高，這與以前

14、的需要一個水分子來幫助質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的理念有明顯的不同。
　　2.蛋白酶體與抑制劑Epoxomicin(EPX)的反應機理。計算結(jié)果表明蛋白酶體與抑制劑EPX反應最占優(yōu)勢的路徑包括五個反應步驟。第一步是一個直接的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，Thr1-Nz直接激活Thr1-Oγ形成一個兩性離子中間體。第二步是帶負電的Thr1-Oγ親核進攻EPX的羰基碳原子。第三步是從Thr1-Nz到EPX的羰基氧原子的質(zhì)子轉(zhuǎn)移。第四步是Thr1-Nz親核進攻EPX的環(huán)

15、氧環(huán)，同時伴隨著環(huán)氧環(huán)的開環(huán)（SN2親核取代），兩性離子嗎啉環(huán)在這一步在殘基Thr1和EPX之間形成。最后通過另一個質(zhì)子轉(zhuǎn)移生成最終的嗎啉環(huán)產(chǎn)物。值得一提的是，我們的計算結(jié)果表明Thr1-Nz直接激活Thr1-Oγ僅需要一個9.9kcal/mol的自由能壘，且水分子不能參與該反應的決速步，這與以前普遍認為的水分子需要參與活化過程的觀點有明顯的不同。由計算的自由能曲線可知，第四步有最高的反應能壘(23.6kcal/mol)，這與根據(jù)實驗動

16、力學數(shù)據(jù)推算的活化自由能壘(～21-22kcal/mol)非常接近。
　　以上得到的新穎的反應機理不僅可以幫助理解蛋白酶體與肽或蛋白質(zhì)反應的反應機理，而且能夠幫助合理設計更有效的蛋白酶體抑制劑。另外，通過對酶反應體系和上述有機小分子催化反應的比較，我們發(fā)現(xiàn)活性殘基Thr1其實跟上述的路易斯堿催化劑的作用類似，這為設計有機小分子催化劑代替蛋白酶體催化降解肽鍵提供了理論依據(jù)。
　　本論文的第六章對上述所有工作做了總結(jié)并展望了未來