甘氨酸与羟基自由基反应的位点与构象特异性动力学研究

《Communications Chemistry》：Site- and conformer-specific reaction dynamics of glycine with the hydroxyl radical

本文推荐研究人员针对甘氨酸(H2NCH2COOH)与羟基自由基(OH)反应的多通道特性，开展了位点与构象特异性动力学研究。通过构建30维势能面并进行准经典轨迹计算，揭示了COOH位点H提取的两步反应机制（生成H2O+CO2+CH2NH2）以及NH2/CH2位点的直接抽象路径。研究发现低碰撞能下COOH路径占主导，而高能时CH2路径因热力学优势成为主通道，并首次发现特定构象（IIn/VIIp）存在经由双自由基中间体（H3N-CH2-COO）的间接反应机制，为生物分子氧化动力学研究提供了新范式。

　　

在化学反应的微观世界里，科学家们一直致力于追踪原子尺度的动态过程。传统动力学研究主要关注反应物浓度的宏观变化，而现代反应动力学则能揭示化学反应中原子运动的细节。从20世纪70年代H+H₂反应的精确模拟开始，到如今甲烷(CH₄)、乙烷(C₂H₆)等小分子有机物与H、F、Cl、OH等自由基的反应研究，反应动力学领域已经取得了长足进展。特别是振动模式特异性研究，能够揭示不同振动模式激发对反应路径的影响，甚至实现从反应物到产物的状态-状态动力学追踪。

然而，当研究对象变得更加复杂时，如具有多个构象的生物分子，反应动力学的复杂性将显著增加。甘氨酸(H₂NCH₂COOH)作为最简单的氨基酸，拥有八个能量不同的构象体，这为研究构象特异性反应动力学提供了理想体系。甘氨酸与羟基自由基(OH)在大气化学和生物体内氧化过程中都具有重要意义，但其多通道反应机制和构象依赖性尚未得到深入探索。此前的研究主要集中在反应物、产物以及过渡态的构象表征上，而真正的动力学模拟却因体系的复杂性而极具挑战——需要在30维空间中进行采样，并处理开壳层体系的复杂电子结构问题。

为了解决这些挑战，匈牙利塞格德大学的Balázs Gruber和Gabor Czakó研究团队在《Communications Chemistry》上发表了他们的最新研究成果。他们通过构建高精度的全维势能面(PES)并结合准经典轨迹(QCT)计算，首次揭示了甘氨酸与OH自由基反应的位点与构象特异性动力学特征。

研究方法的核心包括两大技术创新：首先，团队采用机器学习的ROBOSURFER程序包自动开发了全维势能面，使用包括显式相关耦合簇方法在内的高水平量子化学计算确保电子运动的精确描述；其次，通过准经典轨迹方法进行了数十万次模拟，从不同甘氨酸构象体出发，计算了构象特异性反应概率、积分截面、初始攻击角分布等关键动力学量。

研究结果揭示了丰富的反应机制和动力学特性：

位点特异性反应路径与能量学特征

研究发现了三种不同的H提取路径，分别针对甘氨酸的氨基(NH₂)、亚甲基(CH₂)和羧基(COOH)位点。所有反应都是放热过程，其中CH₂-H提取释放能量最高，其次是NH₂和COOH路径。特别有趣的是，COOH-H提取很少停留在初始脱氢步骤，而是继续分解为H₂O、CO₂和CH₂NH₂。考虑这一分解过程后，COOH路径在热力学上比NH₂-H提取更为有利。

碰撞能量对反应通道选择性的影响

积分截面分析显示，反应通道的相对重要性强烈依赖于碰撞能量。在低碰撞能量下(1 kcal/mol)，COOH-H提取占主导地位，这是因为较长的相互作用时间有利于不稳定的H₂NCH₂COO·中间体分解。随着碰撞能量增加，COOH路径的反应性逐渐下降，而NH₂-和CH₂-H提取变得更为重要。在高碰撞能量下(20 kcal/mol)，CH₂-H提取因热力学优势成为最主要的通道。

反应机理的碰撞能量依赖性

不透明函数分析揭示了不同路径的反应概率与碰撞参数的关系。NH₂-和CH₂-H提取的最大碰撞参数(b_max)在所有碰撞能量下几乎保持不变，表明这些单步反应的成功主要取决于接近几何构型。相反，COOH-H提取的b_max随碰撞能量增加而减小，反映了其两步机制受动力学限制的特性：较高的碰撞能量缩短了相互作用时间，限制了内部能量重排和CO₂消除，使碎片化过程仅限于较小的碰撞参数。

分子取向对反应性的影响

攻击角分布分析表明，反应结果主要取决于甘氨酸的初始结构而非OH自由基的接近方向。对于CH₂-H提取，甘氨酸偏好以H₂NCH₂部分朝向OH的方式接近，这可能有利于NH₂-N与OH的H之间形成氢键。COOH-H提取则主要发生在羧基朝向OH的取向上，羧基的O原子可与OH的H形成氢键。

新发现的间接反应机制

研究最令人惊讶的发现是特定甘氨酸构象体(IIn和VIIp)中存在间接反应机制。尽管OH从氨基侧接近，H提取却发生在羧基上，这是通过羧基-H向氨基-N的分子内迁移形成H₃N-CH₂-COO双自由基中间体实现的。这种不寻常的路径是由IIn和VIIp构象体的特殊几何结构促成的，其中羧基-H靠近氨基-N，有利于内部H迁移。在1-20 kcal/mol的碰撞能量范围内，26-35%的OH+Gly(IIn/VIIp)轨迹通过双自由基结构形成产物。

产物构象体分布的模式识别

对NH₂-和CH₂-H提取反应产物构象体分布的分析揭示了三步模式：羧基-H原子空间取向重排是最可能的步骤，其次是羧基绕C-C轴的180°旋转，两者同时发生的情况概率最低。闭合构象(羧基-H指向羰基-O)比开放构象更为稳定，这在产物分布中得到了体现：从闭合构象反应物出发时，形成开放构象产物的概率较低；而从开放构象出发时，形成闭合构象产物的概率较高。

构象特异性选择性的差异

CH₂-H提取是唯一表现出高选择性的路径，特定反应物构象体主要产生单一产物构象体。这种选择性与羧基的初始构象密切相关：具有闭合羧基构象的反应物(Ip、IIIn、IVn、Vn)产生高选择性，而开放构象反应物(IIn、VIp、VIIp、VIIIn)的选择性较低。相比之下，NH₂-H提取破坏了稳定甘氨酸分子的氢键网络，增加了分子柔性，导致产物构象体分布更为多样。

本研究通过高水平的理论计算，首次全面揭示了甘氨酸与OH自由基反应的位点与构象特异性动力学特征。研究发现不仅证实了已知的直接H提取路径，还揭示了COOH位点的两步反应机制以及特定构象体中的双自由基中间体路径。碰撞能量对反应通道选择性的影响、分子取向对反应性的调控、以及产物构象体分布的模式都为复杂生物分子反应动力学研究提供了新见解。

这项研究的重要意义在于它将反应动力学研究推向了新的复杂水平，为理解生物分子在大气环境和生物体内的氧化过程提供了原子尺度的机制洞察。建立的研究方法框架可应用于其他复杂生物分子体系的研究，对大气化学、燃烧化学和生物化学领域都具有重要价值。特别是发现的构象特异性反应机制表明，在复杂分子反应中，初始构象不仅影响反应速率，还可能引导反应沿不同路径进行，这一认识对理解生物体内选择性化学反应具有深远意义。