图1 两性Lys手性对映异构体的几何构型
纸质出版日期:2023-03-25,
网络出版日期:2022-11-07,
收稿日期:2022-04-16,
录用日期:2022-06-12
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采用密度泛函理论的M06-2X和MN15方法,结合自洽反应场理论的SMD模型方法,研究了水液相下羟基负离子催化两性赖氨酸分子的手性反转。反应过程研究发现:经过羟基负离子水分子簇抽取α-H质子和碳负离子的α-C抽取水分子簇的H质子过程,赖氨酸分子实现手性反转。势能面计算表明:羟基负离子水分子簇与α-H和羰基O氢键作用,赖氨酸分子实现手性反转的决速步能垒为51.1~59.9 kJ/mol;羟基负离子水分子簇与α-H和氨基N氢键作用,赖氨酸分子实现手性反转的决速步能垒为52.8~58.0 kJ/mol,均远低于水液相下两性赖氨酸分子手性反转的能垒110.0 kJ/mol。结果表明,水液相下羟基负离子对赖氨酸的手性反转有催化作用,碱性环境不利于健康。
Using M06-2X and MN15 methods of density functional theory, combining with SMD model method of self consistent reaction field theory, the chiral flip of amphoteric lysine molecule catalyzed by hydroxyl anion in water-liquid phase environment was investigated. The study of reaction process shows that through the process of extracting α-H proton from hydroxyl anion water clusters and extracting H proton of water clusters from carbanion α-C, lysine molecules could achieve chiral flip. The potential energy surface shows that the energy barrier of the lysine molecules chiral flip rate-determining step is between 51.1 kJ/mol and 59.9 kJ/mol when the clusters of hydroxyl anion water molecules interact with α-H and carbonyl O hydrogen bonds; the energy barrier of the lysine molecules chiral flip rate-determining step is between 52.8 and 58.0 kJ/mol when the clusters of hydroxyl anion water molecules interact with α-H and amino group N hydrogen bonds, they are much lower than the energy barrier 110 kJ/mol of chiral flip of amphoteric lysine molecule in water-liquid phase environment. The results show that the hydroxyl anions play a catalytic role on the chiral flip of lysine molecules in water-liquid phase environment, alkaline environment is insalubrious.
赖氨酸(Lys,lysine)是生命体中重要的手性氨基酸,参与能量代谢,同时具有降低胆固醇的作用(
不同手性的药物分子在代谢过程、生物活性及毒性等方面有较大的不同,通常是某一手性(左手性或右手性)的有效,而另一种手性的(右手性或左手性)却可能有较强的毒副作用(
富水的生命体内有羟基负离子存在(de Zwart et al.,1999),同时,作为常见含氧负离子的羟基负离子在液相化学反应中的研究也十分重要(
采用对处理主族元素有较好表现的M06-2X杂化泛函(
计算表明,水液相下两性赖氨酸分子最稳定,其手性对映体见
图1 两性Lys手性对映异构体的几何构型
Fig.1 Geometric conformation of amphoteric Lys chiral enantiomers
研究表明,水液相下羟基负离子存在时,S-Lys的手性反转主要经过3个过程,首先是羟基负离子水分子簇与S-Lys氢键作用形成离子诱导偶极反应物络合物,接着羟基负离子抽取α-H,形成中间体碳负离子;然后是中间体碳负离子的α-C抽取环境中与其氢键作用的水分子簇的H,形成R-型中间体(产物)。对于本体系,离子诱导的偶极反应物络合物可以是羟基负离子水分子簇与α-H和羧酸根的两个O分别氢键作用形成,也可以是羟基负离子水分子簇与α-H和氨基(是质子化氨基的一个H迁移到羰基O后的中间体产物的氨基)N氢键作用形成,对应的S-Lys手性反转通道分别命名为a、b和c。
科学地讲,S-Lys的手性反转反应是连续过程,势能面也是连续的。对于S-Lys在a通道手性反转反应,首先,采用羟基负离子水分子簇在S-Lys的前面(正面)与α-H和羧酸根下部的O氢键作用,同时2聚水在S-Lys的后面与α-C和羧酸根的O氢键作用形成的离子诱导偶极络合物S-Lys•OH-•H2Om•(H2O)2n作为反应物,计算了其在a通道上手性反转的连续反应势能面。而后,为使问题简明扼要,考虑到只与底物氢键作用但没参与反应的水分子(簇)对反应能垒影响较小(
2.1.1 a通道
S-Lys在a通道的手性反转历程见
图2 S-Lys在a和b通道的手性反转反应历程 (键长单位:nm)
Fig.2 Reaction process of S-Lys chiral flip in channel a and b (Bond length unit: nm)
图3 S-Lys在a和b通道手性反转反应的自由能势能面
Fig.3 The free energy potential surface of S-Lys chiral flip reaction in channel a and b
1) a通道上势能面连续的过程
第1基元反应。首先,OH-•H2O和(H2O)2与S-Lys氢键作用形成反应物络合物S-Lys•OH-•H2Om•(H2O)2na,势能面计算表明该过程放热44.2 kJ/mol。然后,S-Lys•OH-•H2Om•(H2O)2na经过渡态T1•OH-•H2Om•2H2Ona,O25•H27-抽取α-氢H9(抽取α-氢的是由OH-完成的,H2Om只起稳定OH-空间位置的作用,后面相似之处不再赘述),得到了第1中间体碳负离子I1-•(H2O)2m•(H2O)2na。NPA电荷计算表明,从S-Lys•OH-•H2Om•(H2O)2n到T1•OH-•H2Om•(H2O)2na再到I1-•(H2O)2m•(H2O)2na,H9的电量从0.266 e变为0.433 e,再变为0.330 e,此过程是H质子迁移(反应物、过渡态和中间体产物的H9均为正,后面相似之处不再赘述)。NPA电荷计算表明,I1-•(H2O)2m•(H2O)2na的2个2聚水的电量和约为0.00 e,I1-a的电量和约为-1.00 e,α-碳C1的电量是-0.310 e,说明中间体I1-•(H2O)2m•(H2O)2na是碳负离子,亦即I1-a是碳负离子。从S-Lys•OH-•H2Om•(H2O)2n到T1•OH-•H2Om•(H2O)2na过程,C1—H9从0.109 3 nm拉伸至0.143 1 nm,其ρBCP从0.281 8 a.u.减小到0.122 6 a.u.,∇2ρ从-0.972 3变为-0.127 8,共价键减弱;C1—H9—O25—H26—O28—H29—O4—C2的ρRCP从0.002 3 a.u.增加到0.006 9 a.u.,∇2ρ从0.0145变为0.0290,过渡态成环;骨架二面角O3—C2—C1—N5从-8.8°增加到10.3°,T1•OH-•H2Om•(H2O)2na产生了51.1 kJ/mol的内禀能垒。该能垒远低于水液相下S-Lys手性反转反应在该基元反应的能垒134.9 kJ/mol,原因主要有两个,一是OH-•H2O的作用使C1—H9从0.109 2 nm增加到0.109 3 nm,红外振动频率从3 146.1 cm-1红移到3 114.7 cm-1,C1—H9键被活化;二是水液相下该基元反应从反应物到过渡态还有两个O—H键断裂。
第2基元反应。中间体碳负离子I1-•(H2O)2m•(H2O)2na经过渡态T2•(H2O)2m•OH-•H2Ona,α-碳C1抽取H34,得到R-型产物络合物R-Lys•(H2O)2m•OH-•H2Ona。至此,S-Lys•OH-•H2Om•(H2O)2na实现了手性反转,亦即S-Lys在a通道实现了手性反转。NPA电荷计算表明,此过程迁移的是质子。NPA电荷计算表明,R-Lys•(H2O)2m•OH-•H2Ona的2聚水的电量和约为0.00 e;H2O的电量和约为0.00 e;O33—H35的电量和约为-1.00 e,其为羟基负离子;R-Lys的电量和约为0.0 e,产物络合物整体带一个单位的负电荷。从I1-•(H2O)2m•(H2O)2na到T2•(H2O)2m•OH-•H2Ona过程,O33—H34从0.101 9 nm拉伸至0.117 0 nm,其ρBCP从0.295 1 a.u.减小到0.191 2 a.u.,∇2ρ从-1.884 1变为-0.463 5,共价键减弱幅度不大;C1—H34—O33—H32—O30—H31—O4—C2的ρRCP从0.001 5 a.u.增加到0.006 5 a.u.,∇2ρ从0.009 7变为0.025 5,过渡态成环,T2•(H2O)2m•OH-•H2Ona产生的内禀能垒仅有5.8 kJ/mol。该质子迁移过程能垒如此之小,原因有3个,一是从I1-•(H2O)2m•(H2O)2na到T2•(H2O)2m•OH-•H2Ona,O33—H34的拉伸幅度很小;二是T2•(H2O)2m•OH-•H2Ona成环较稳定;三是α-C从sp2杂化向sp3杂化过渡,体系释放能量。最后,R-Lys•(H2O)2m•OH-•H2Ona解离成R-Lys和(H2O)2和OH-•H2Ona,解离能是49.2 kJ/mol。该能垒低于温和反应能垒83.6 kJ/mol (
2) a通道上势能面不连续过程
第1基元反应。首先,OH-•H2O与S-Lys氢键作用形成反应物S-Lys•OH-•H2Oma,该过程放热24.3 kJ/mol。然后,S-Lys•OH-•H2Oma经过渡态T1•OH-•H2Oma,OH-抽取α-氢H9得到中间体碳负离子I1-•(H2O)2ma。NPA电荷计算表明,此过程是H质子迁移。NPA电荷计算表明,I1-•(H2O)2ma的2聚水的电量和约为0.00 e,I1-a的电量和约为-1.00 e,α-碳C1的电量是-0.310 e,说明I1-a是碳负离子。从S-Lys•OH-•H2Om到T1•OH-•H2Oma,C1—H9从0.109 3 nm拉伸至0.146 1 nm,ρBCP从0.282 5 a.u.减小到0.115 0 a.u.,∇2ρ从-0.975 8变为-0.101 0,共价键减弱;C1—H9—O25—H26—O28—H29—O4—C2的ρRCP从0.002 5 a.u.增加到0.007 1 a.u.,∇2ρ从0.024 1变为0.029 9,过渡态成环;二面角O3—C2—C1—N5从-11.9°增加到15.8°,T1•OH-•H2Oma产生了56.1 kJ/mol的内禀能垒。该能垒略大于T1•OH-•H2Om•(H2O)2na产生的能垒51.1 kJ/mol,原因是从S-Lys•OH-•H2Om•(H2O)2n到T1•OH-•H2Om•(H2O)2na比从S-Lys•OH-•H2Om到T1•OH-•H2Oma的C1—H9拉伸大,O3—C2—C1—N5形变大。56.1 与51.1 kJ/mol的差别并不大说明没参与H转移的(H2O)2n对H转移影响很小。最后,I1-•(H2O)2ma吸收54.3 kJ•mol-1的能量解离成I1-a和(H2O)2,此过程可通过分子间的碰撞实现。T1•OH-•H2Oma产生的能垒远低于水液相下S-Lys手性反转反应在该基元的能垒134.9 kJ/mol(
第2基元反应。首先,(H2O)2在I1-a的后面与O4和C1氢键作用形成中间体I1-•(H2O)2na,势能面计算表明该过程放热40.1 kJ/mol。然后,I1-•(H2O)2na经过渡态T2•OH-•H2Ona,碳负离子I1-a的α-碳C1抽取水分子H29—O27—H28的H29,得到产物R-Lys•OH-•H2Ona,至此,S-Lys•OH-•H2Oma实现了手性反转,亦即S-Lys在a通道实现了手性反转。NPA电荷计算表明,此过程迁移的H29是质子。从I1-•(H2O)2na到T2•OH-•H2Ona,O27—H29键长从0.1092 5 nm拉伸至0.116 4 nm,ρBCP从0.290 3 a.u.减小到0.195 2 a.u.,∇2ρ从-1.813 3变为-0.497 7,共价键小幅减弱;九元环C1—H29—O27—H26—O24—H25—O4—C2的ρRCP从0.005 7 a.u.增加到0.006 4 a.u.,∇2ρ从0.022 4变为0.026 0,大π键作用增强,过渡态成环,T2•OH-•H2Ona产生的内禀能垒只有5.2 kJ/mol。该能垒与T2•(H2O)2m•OH-•H2Ona产生的内禀能垒5.8 kJ/mol相差很小,说明没参与质子转移的(H2O)2m对质子转移能量影响很小。最后,R-Lys•OH-•H2Ona吸收18.8 kJ/mol的能量解离成R-Lysa和(H2O)2,18.8 kJ/mol的能垒远低于温和反应能垒83.6 kJ/mol(
2.1.2 b通道上势能面不连续过程
此过程相似于a通道上势能面不连续过程,是OH-•H2O和(H2O)2分别与H9和O3以及C1和O3氢键作用,只做一般讨论。
第1基元反应。首先,OH-•H2O与S-Lys氢键作用形成反应物S-Lys•OH-•H2Omb,该过程放热20.6 kJ/mol。然后,S-Lys•OH-•H2Omb经过渡态T1•OH-•H2Omb,OH-抽取α-氢H9得到第1中间体碳负离子I1-•(H2O)2mb。NPA电荷计算表明,此过程迁移的是H质子,I1-b是碳负离子。计算表明,I1-b同于I1-a。从S-Lys•OH-•H2Omb到T1•OH-•H2Omb过程,C1—H9从0.109 4 nm拉伸至0.145 3 nm,ρBCP及∇2ρ计算表明C1—H9共价键减弱;C1—H9—O25—H26—O28—H29—O4—C2的ρRCP及∇2ρ计算表明,8元环大π键作用增强,过渡态成环;结构分析表明,骨架二面角O3—C2—C1—N5从30.4°减小到20.1°,T1•OH-•H2Omb产生了59.9 kJ/mol的内禀能垒。该能垒略大于T1•OH-•H2Oma产生的内禀能垒56.1 kJ/mol,原因是T1•OH-•H2Omb比T1•OH-•H2Oma的8元环共面程度略差。最后,I1-•(H2O)2mb吸收45.7 kJ/mol的能量解离成I1-b和(H2O)2,45.7 kJ/mol的能垒低于温和反应能垒83.6 kJ/mol(
第2基元反应。首先,(H2O)2在I1-b的后面与O3和C1氢键作用形成中间体I1-•(H2O)2n3,放热37.8 kJ/mol。然后,I1-•(H2O)2nb经过渡态T2•OH-•H2Onb,碳负离子I1-b的α-碳C1抽取水分子H26—O24—H25的H26,得到产物络合物R-Lys•OH-•H2Onb,至此,S-Lys•OH-•H2Omb实现手性反转,亦即S-Lys在b通道实现手性反转。NPA电荷计算表明,此过程迁移的H26是质子。从I1-•(H2O)2nb到T2•OH-•H2Onb过程,O24—H26键长从0.102 2 nm拉伸至0.116 6 nm,ρBCP计算表明,此过程共价键O24—H26小幅减弱;九元环C1—H26—O24—H28—O27—H29—O3—C2的ρRCP及∇2ρ计算表明,大π键作用增强,过渡态成环,T2•OH-•H2Onb产生的内禀能垒只有7.8 kJ/mol。最后,R-Lys•OH-•H2Onb吸收15.7 kJ/mol的能量解离成R-Lysb和(H2O)2,15.7 kJ/mol的能垒远低于温和反应能垒83.6 kJ/mol(
从
羟基负离子的质子亲和势(1 633.5 kJ/mol)很强,只能抽取质子化氨基的H原子(或质子),不会传递H原子(或质子)(
图4 S-Lys在c通道的手性反转反应历程(键长单位:nm)
Fig.4 Reaction process of S-Lys chiral flip in channel c (Bond length unit: nm)
图5 S-Lys 在c通道手性反转反应的势能面
Fig.5 The energy potential surface of S-Lys chiral flip reaction in channel c
第1基元,S-Lys经H8质子从N5向O3迁移的过渡态S-T1c,异构成中间体S-I1c (NPA电荷计算表明此过程迁移的是质子)。从S-Lys到S-I1c过程,N5—H8键长从0.103 2 nm拉伸至0.130 3 nm,ρBCP及∇2ρ的计算表明,S-I1c的N5—H8仍为共价键,只是键强度减弱;环的ρ及∇2ρ的计算表明过渡态的N5—C1—C2—O3—H8成环,存在较强的大π键作用;ρRCP及∇2ρ的计算表明,O3—H8存在共价作用,因此,T1c只产生了17.8 kJ/mol的能垒。
第2基元,S-I1c经羧羟基沿O3—C2轴旋转的过渡态S-T2mc(或S-T2nc),异构成S-I2c。从S-I1c到S-T2mc的化学键内旋转所需能量不多,S-T2mc和S-T2nc产生的内禀能垒分别是50.2 和51.5 kJ/mol。
第3基元,1个H2O辅助OH-抽H。首先,OH-•H2O与S-I2c的H9和N5氢键作用形成离子诱导的偶极络合物S-I2•OH-•H2Omc,计算表明此过程放热23.7 kJ/mol。接着,S-I2•OH-•H2Omc经OH-•H2Om抽取α-氢H9的过渡态T3•OH-•H2Omc,得到了中间体碳负离子I3-•(H2O)2mc。从S-I2•OH-•H2Omc到T3•OH-•H2Omc过程,C1—H9从0.109 3 nm拉伸至0.138 3 nm,ρBCP从0.281 1 a.u.减小到0.136 9 a.u.,∇2ρ从-0.962 7变为-0.195 1,共价键变弱;七元环N5—C1—H9—O25—H28—O27—H29的ρRCP从0.005 6 a.u.增加到0.008 2 a.u.,∇2ρ从0.009 7变为0.033 5,过渡态成环,七元环结构的大π键作用较强;二面角N5—C1—C10—C2从123.5°增加到136.3°,T3•OH-•H2Omc产生了58.0 kJ/mol的内禀能垒。该能垒远低于水液相下与此基元对应的T3•(H2O)2mc产生的内禀能垒110.0 kJ/mol(
2个水分子簇[2聚水(H2O)2]辅助OH-抽H。首先,OH-•(H2O)2与S-I2c的H9和N5氢键作用形成离子诱导的偶极络合物S-I2•OH-•(H2O)2mc,计算表明此过程放热26.1 kJ/mol。接着,S-I2•OH-•(H2O)2mc经(H2O)2辅助OH-抽取α-氢H9的过渡态T3•OH-•(H2O)2mc,得到了中间体碳负离子I3-•(H2O)3mc。从S-I2•OH-•(H2O)2mc到T3•OH-•(H2O)2mc过程,C1—H9从0.109 6 nm拉伸至0.137 9 nm,ρBCP从0.278 9 a.u.减小到0.137 2 a.u.,∇2ρ从-0.949 1变为-0.193 9,共价键变弱;九元环N5—C1—H9—O25—H28—O27—H29—O30—H31的ρRCP从0.003 9 a.u.增加到0.005 6 a.u.,∇2ρ从0.016 4变为0.022 5,过渡态成环,九元环结构的大π键作用增强;二面角N5—C1—C10—C2从126.6°增加到135.5°,T3•OH-•(H2O)2mc产生了52.8 kJ/mol的内禀能垒。该能垒略低于T3•OH-•H2Omc产生的内禀能垒58.0 kJ/mol,主要原因有两个,一是S-I2•OH-•(H2O)2mc比S-I2•OH-•H2Omc的C1—H9键长增长了0.000 3 nm,OH-•(H2O)2m对C1—H9键的活化作用好些;二是对应的过渡态C1—H9键长减少了0.000 4 nm。最后,I3-•(H2O)3mc通过分子间的碰撞过程解离成I3-c和(H2O)3,计算表明此过程吸热53.9 kJ/mol。
第4基元,中间体碳负离子的α-碳抽2聚水[(H2O)2n]的H。首先,(H2O)2与I3-c的C1和N5氢键作用形成络合物I3-•(H2O)2nc,计算表明此过程放热43.9 kJ/mol。接着,I3-•(H2O)2nc经过渡态T4•OH-•H2Onc,I3-c的C1抽取水分子H25—O24—H26的H25得到R-型中间体R-I4•OH-•H2Onc。从I3-•(H2O)2nc到T4•OH-•H2Onc,O24—H25从0.098 1 nm拉伸至0.126 6 nm,ρBCP从0.336 8 a.u.减小到0.149 7 a.u.,∇2ρ从-2.353 3变为-0.082 5,共价键变弱;N5—C1—H25—O24—H28—O27—H29的ρRCP从0.005 7 a.u.增加到0.008 5 a.u.,∇2ρ从0.023 7变为0.036 8,七元环的大π键作用增强,过渡态成环, T4•OH-•H2Onc产生了37.6 kJ/mol的内禀能垒。该能垒远小于T2•(H2O)2m•OH-•H2Ona、T2•OH-•H2Ona和T2•OH-•H2Onb产生的能垒5.8、5.2 和7.8 kJ/mol,主要原因是此基元的中间体反应物碳负离子到过渡态O—H键的拉伸幅度大,并且此基元的中间体反应物碳负离子的O24—H25键长较前面3种情况的O33—H34、O27—H29和O24—H26键长短得多,共价键强很多。最后,R-I4•OH-•H2Onc通过碰撞过程解离成R-I4c和OH-•H2On,计算表明此过程吸热25.5 kJ/mol。
中间体碳负离子的α-碳抽3聚水[(H2O)3n]的H。首先,(H2O)3与I3-c的C1和N5氢键作用形成络合物I3-•(H2O)3nc,此过程放热51.8 kJ/mol。接着,I3-•(H2O)3nc经过渡态T4•OH-•(H2O)2nc,I3-c的C1抽取水分子H25—O24—H26的H25得到中间体R-I4•OH-•(H2O)2nc。从I3-•(H2O)3nc到T4•OH-•(H2O)2nc,O24—H25从0.098 3 nm拉伸至0.125 6 nm,ρBCP及∇2ρ的计算表明,共价键变弱;ρRCP及∇2ρ计算表明,九元环N5—C1—H25—O24—H29—O27—H28—O30—H32的大π键作用增强,过渡态成环,T4•OH-•(H2O)2nc产生了30.3 kJ/mol的内禀能垒。该能垒远小于T2•(H2O)2m•OH-•H2Ona、T2•OH-•H2Ona和T2•OH-•H2Onb产生的内禀能垒5.8、5.2 和7.8 kJ/mol,原因同于中间体碳负离子的α-碳抽2聚水中的讨论。最后,R-I4•OH-•(H2O)2nc解离成R-I4c和OH-•(H2O)2,计算表明此过程吸热27.7 kJ/mol。
第5基元,相似于第2基元的逆过程。R-I5c经羧羟基俯视顺时针(或逆时针)旋转的过渡态R-T5mc(或R-T5nc),异构成R-I5c。从R-I4c到R-T5m(n)c,羧羟基俯视顺时(或逆时)针旋转92.5°(或89.52),R-T5mc(或R-T5nc)产生了38.7(或38.3)kJ/mol的内禀能垒。
第6基元,相似于第1基元的逆过程。中间体反应物R-I5c经H7迁移的过渡态R-T6c,异构成产物R-Lysc,至此,S-Lys在c通道实现手性反转。从R-I5c到R-T6c,O3—H7从0.098 7 nm拉伸至0.120 7 nm,R-T6c产生了9.5 kJ/mol的内禀能垒。该基元反应能垒小于第1基元的反应能垒,原因是此基元反应的中间体反应物到过渡态比第1基元的反应物到过渡态键长拉伸小。
从
在MN15/SMD/6-311++G(3df, 2pd)//M06-2X/SMD/6-311+G(d, p)双水平,研究了水液相下羟基负离子催化两性S-Lys分子的手性反转,结果如下:
1) S-Lys经过羟基负离子(水分子簇)抽取α-H质子和碳负离子的α-C抽取水分子簇的H质子过程实现手性反转;
2) S-Lys手性反转反应有3个通道a、b和c,分别是羟基负离子水分子簇与α-H和羧酸根的两个O氢键作用及羟基负离子水分子簇与α-H和氨基N氢键作用形成反应物络合物;
3) a和b通道手性反转反应的决速步能垒为51.1~59.9 kJ/mol;c通道手性反转的决速步能垒为52.8~58.0 kJ/mol。
结果表明,水溶液中有羟基负离子存在时Lys的手性反转容易进行,说明碱性环境不利于健康。
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