（农药学专业论文）有机磷和酰胺分子水解机理及其相关水解酶的理论研究.pdf

博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e r t a t i o n 摘要 本文运用一系列理论化学方法研究了磷酸酯和酰胺分子的碱性水解、p t e 与有机磷化合物 的结合以及p d e 4 和p d e 5 中催化桥配体形式的确定。全文由四章组成：( 1 ) 2 - - - - 甲基铵乙基甲 基磷化氟及其相关有机磷化合物碱性水解的反应历程与自由能垒的研究： ( 2 ) p t e 与有机磷 化合物的分子对接、分子动力学和q m m m 计算研究；( 3 ) 酰胺类分子的碱性水解豹反应历程 与自由能垒的研究；( 4 ) 通过分子动力学和o m m m 计算确定p d f a 和p d e 5 中催化桥配体形式。 第一章中我们运用第一原理电子结构方法研究了2 - 三甲基铵乙基甲基磷化氟及其相关磷化 氟化合物【( r o ) | c h 3 p ( o ) e 其中r = c h 3 ，c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 ，c h 2 c h 2 1 旷( c h 3 ) 3 ，c h 2 c h 2 c h ( c h 3 ) 2 ， c h ( c h 3 ) c h 2 n + ( c h 3 ) 3 ，c h ( c h 3 ) c h 2 n ( c h 3 糊的反应历程与自由能垒。计算表明碱性水解时， 在占主导地位的反应途径的过渡态中，进攻的亲核试剂o h 与离去基团f 位于p 原子与其它三个 原子形成的平面的两侧，这样可以尽量减小这两个基团之间的静电排斥作用。当r = c h 3 、 c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 、c h 2 c h 2 t , r ( c h 3 ) 3 、c h 2 c h 2 c h ( c h 3 h 、c h ( c h 3 ) c h 2 n + ( c h 3 ) 3 、 c h ( c h 3 ) c h 2 n ( c h 3 ) 2 时，决速步骤的自由能垒分别为1 5 5k c a l m o l 、1 7 9k c a l m o l 、1 2 5k c a l m o l 、 1 6 5k c a l m o l 、1 3 4k c a l m o l 、1 8 7k c a l m o l 。计算的自由能垒与实验导出的活化自由能非常吻合： 当r = c h 3 ，c h 2 c h 2 r ( c h 3 ) 3 ，c h ( c h 3 ) c h 2 中 ( c h 3 ) 3 时，实验活化自由能分别为1 4 7 k c a l m o l ， 1 3 4 k c a ! m o l ，1 3 9 k c a l m o l 。被水解的分子所带的净电荷是影响磷酸三酯、磷化氟化合物以及相 关有机磷化合物碱性水解自由能垒的主要因素。进攻亲核试剂与被水解的分子之间的静电相互 作用满足以下关系：a g ( m + + o h 3 a gc u 0 + o h 3 a g ( f + o h 3 ，这里m + ，m o a z 茸l m - 分别代 表阳离子、中性分子和阴离子。这也就可以解释为什么磷酸二酯( 例如：3 ，5 环核苷酸酯 c a m p 、二甲基磷酸酯d m p 、三甲基磷酸酯t m p 的碱性水解的速率常数要比我们前面计算的磷 化氟以及相关磷酸三酯化合物碱性水解的速率常数要低。 第二章中我们综合运用分子对接、分子动力学和q m m m 计算研究p 1 吧与一些主要的农药 ( p a r a o x o n 与2 三甲基铵乙基甲基磷化氟p c h ) 和神经试剂( 塔曼、v x 、沙林和梭曼) 的结合。 p 1 e 能够以很快的速率水解大量的底物。鉴于f i e 的水解广谱性，研究它的催化机理显得尤为 重要。我们的计算结果表明，这些有机磷农药和神经试剂与p t e 的活性中心按照相同的方式来 结合，这些化合物的水解遵从相同的反应历程：即由氢氧根离子进攻磷原子开始整个反应。 第三章我们首先采用第一原理计算研究了甲酰胺及其它三种酰胺在气态中的碱性水解历 程，然后使用自洽反应场s c r f 方法和杂化超分子一极化连续介质方法进一步研究了溶液中这 些反应的历程，以及溶剂化效应对自由能垒的影响。我们讨论了甲酰胺碱性水解的三个反应体 系：不包含任何外在的水分子，包含四个水分子，包含五个水分子。当没有考虑外在水分子时， 第二步的自由能垒总是高于第一步，这与实验得出的第一步是决速步骤的观点是相违背的。在 博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e r i 1 0 n 使用超分子一连续介质方法后，首先考虑外在包含四个水分子的反应体系，我们发现对于反应 的第二步( 即四面体中间体的离解) 存在两个竞争历程：一个是直接的质子传递历程，这个历 程中第二步的自由能垒总是高于第一步。另一个是水分子辅助质子传递的历程，在四面体中间 体的离解过程中水分子辅助质子的传递使第二步的能垒下降了1 5 8k c a l m o l 。这样水分子的辅 助作用使第二步的能垒低于第一步。这与实验中的结论能够很好的吻合：即四面体中间体的形 成步骤是决速步骤。对于这个包含四个水分子的体系，我们计算出第一步的能垒是2 3 8 k c a l m o l ，与实验值2 1 2k c a l m o l 大致接近。我们进一步研究了在甲酰胺的碱性水解反应中包含 五个水分子的情况，这一次计算的自由能垒为2 1 6k c a l m o l ，与实验值2 1 2k c a l m o l 更吻合。 为了探究取代基效应对自由能垒的影响，我们还研究计算了其它几种代表性的酰胺 【c h 3 c o n h ( c h 3 ) ，d m f 和d i a l 的水解历程。d m f 和d m a 的自由能垒是2 3 1 和2 6 0 k c a l m o l ， 与实验值2 2 6 和2 4 1 k c a l m o l 接近。除外，实验自由能垒随取代基的变化趋势在 c c s d ( t ) a u g - c c - p v d z b 3 l y p 6 - 3 1 + g ( d ) 级别的计算中得到很好的体现。这些结果均表明，酰 基碳原子上的甲基或n 一甲基越少，碱性水解的速率就越快。 在最后一章中，我们研究了p d e 4 和p d e 5 活性中心里催化桥配体的形式。我们知道环状核 苷酸p d e 酶由一个超级家族组成，通过p d e 的催化水解，降解环状腺苷3 ，5 单磷酸酯c a m p 和 环状鸟菅3 ，5 单磷酸酯c g m p ，从而调节生理过程。人类很多选择性的抑制剂都以p d e 为靶标， 例如p d e 4 ( 新颖的降压药、增强记忆的药物、平喘药和消炎药的靶标) 、p d e 5 ( v i a g r a , l e v i t r a 和c i a l i s 的靶标) 。虽然p d e 4 和p d e 5 的三维晶体结构已经报道，但是由于氢原子在x 射线中无法 测出，因此在活性中心处有一个关键性的第二个桥配体b l 2 的形式到底是h 2 0 还是h o 。并未确 定。我们的m d 模拟和杂化q m m m 的计算考虑了整个蛋白质的环境，证实了我们以前基于一个 在活性位点简化模型基础上进行量子化学计算得出的结论：在p d e 4 的活性位点中第二个桥配体 应该是氢氧根离子，而不是水分子，氢氧根离子作为亲核试剂启动p d f a 催化c a m p 的水解。同 时应用m d 模拟和杂化q m m m 方法计算p d e 5 体系，第一次证明：在p d e 5 的活性位点中第二个 桥配体也应该是氢氧根离子，而不是象在报道的p d e 5 的晶体结构( n a t u r e2 0 0 3 ，4 2 5 ，9 8 1 0 2 ) 中提议的那样是水分子，氢氧根离子作为亲核试剂启动p d e 5 催化c g m p 的水解。这些基本的结 构知识为设计以p d e 家族的蛋白质为靶标的药物提供了合理的基础。 博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e r t a t i o n a b s t r a c t i nt h i sw o r k , as e r i e so ft h e o r e t i c a lm e t h o d sw e r ee m p l o y e dt oi n v e s t i g a t er e a c t i o nm e c h a n i s m s f o ra l k a l i n eh y d r o l y s i so fp h o s p h o e s t e r sa n da m i d e s ，t os t u d yb i n d i n go fp t ew i t ho r g a n o p h o s p h o r u s c o m p o u n d s ，a n dt od e t e r m i n eac r i t i c a lc a t a l y t i cl i g a n db r i d g i n gt w om e t a li o n si np h o s p h o d i e s t e r a s e s 4a n d5 t h et h e s i sc o n s i s t so ff o u rc h a p t e r s ，i n c l u d i n g ( 1 ) r e a c t i o np a t h w a y sa n df r e ee n e r g yb a r r i e r s f o ra l k a l i n e h y d r o l y s i s o fi n s e c t i c i d e 2 - t r i m e t h y l a m m o n i o e t h y lm e t h y l p h o s p h o n o f l u o r i d a t ea n d r e l a t e do r g a n o p h o s p h o r u sc o m p o u n d s ，( 2 ) m o l e c u l a rd o c k i n g ，m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n s ，a n d q u a n t u mm e c h a n i c a l m o l e c u l a rm e c h a n i c a l ( q m ，m m ) c a l c u l a t i o n so nm w i t ho r g a n o p h o s p h o r u s c o m p o u n d s ，( 3 ) r e a c t i o np a t h w a y sa n df r e ee n e r g yb a r r i e r sf o ra l k a l i n eh y d r o l y s i so fa m i d e s ，( 4 ) c h a r a c t e r i z a t i o no fac r i t i c a lc a t a l y t i cl i g a n db r i d g i n gt w om e t a li o n si np h o s p h o d i e s t e r a s e s4a n d5b y m o l e c u l a rd y n a 幽s i m u l a t i o n sa n dq i 】m mc a l c u l a t i o n s f o rt h es t u d i e sd e s c r i b e di nt h ef i r s tc h a p t e r , r e a c t i o np a t h w a y sa n df r e ee n e r g yb a m e r sf o r a l k a l i n e h y d r o l y s i s o f h i g l l l y n e u r o t o x i ci n s e c t i c i d e 2 - t r i m e t h y l a m m o n i o e t h y l m e t h y l p h o s p h o n o f l u o r i d a t ea n dr e l a t e do r g a n o p h o s p h o r u sc o m p o u n d sw e r es t u d i e db yp e r f o r m i n g f i r s t - p r i n c i p l e s e l e c t r o n i cs t r u c t u r ec a l c u l a t i o n so n r e p r e s e n t a t i v em e t h y l p h o s p h o n o f l u o r i d a t e s ， 僻0 ) ( 飓p ( o ) ei nw h i c hr = c h 3 ，c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 ，c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 ，c h 2 c h 2 c h ( c h 3 ) 2 ， c h ( c h 3 ) c h 2 1 旷( c h 3 ) 3 ，c h ( c h 3 ) c h 2 n ( c h 3 ) 2 n ed o m i n a n tr e a c t i o np a t h w a yw a sf o u n dt ob e a s s o c i a t e d 谢t hat r a n s i t i o ns t a t ei nw h i c ht h ea t t a c k i n gn u c l e o p h i l eo h a n dt h el e a v i n gg r o u pfa r e p o s i t i o n e do no p p o s i t es i d e so ft h ep l a n ef o r m e db yt h et h r e er e m a i n i n ga t o m sa t t a c h e dt ot h e p h o s p h o r u si no r d e rt om i n i m i z et h ee l e c t r o s t a t i cr e p u l s i o nb e t w e e nt h e s et w og r o u p s t h ef r e ee n e r g y b a r r i e r sc a l c u l a t e df o rt h er a t e - d e t e r m i n i n gs t e po ft h ed o m i n a n tp a t h w a yi s1 5 5k c a l m o lw h e nr = c h 3 ，1 7 9k c a l m o lw h e nr = c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 ，1 2 5k c a l m o lw h e nr = c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 ，1 6 5 k c a l m o lw h e nr = c h 2 c h 2 c h ( c h 3 ) 2 ，1 3 4 k c a l m o lw h e nr = c l - i ( c h 3 ) c h 2 n + ( c h 3 ) 3 ，a n d 1 8 7 k c a l m o lw h e nr = c h ( c h 3 ) c h 2 n ( c h 3 ) 2 t h ec a l c u l a t e df r e ee n e r g yb a r r i e r sa r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t ha v a i l a b l ee x p e r i m e n t a l l y - d e r i v e da c t i v a t i o nf r e ee n e r g i e s ，e 1 4 7k c a l m o lw h e nr ； c h 3 ，1 3 4k c a l m o lw h e nr = c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 ，a n d1 3 9k c a l m o lw h e nr = c h ( c h 3 ) c h 2 n + ( c h 3 ) 3 ad e t a i l e da n a l y s i so ft h ec a l c u l a t e de n e r g e t i cr e s u l t sa n da v a i l a b l ee x p e r i m e n t a ld a t as u g g e s t st h a tt h e n e tc h a r g eo ft h em o l e c u l e ( m ) b e i n gh y d r o l y z e di sap r o m i n e n tf a c t o ra f f e c t i n gt h ef r e ee n e r g y b a r r i e r ( g ) f o rt h ea l k a l i n eh y d r o l y s i so fp h o s p h o d i e s t e r s ，p h o s p h o n o f l u o r i d a t e s ，a n dr e l a t e d o r g a n o p h o s p h o r u sc o m p o u n d s t h ee l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ea t t a c k i n gn u c l e o p h i l eo h a n dt h em o l e c u l em b e i n gh y d r o l y z e df a v o rs u c ha no r d e ro ft h ef r e ee n e r g yb a r r i e r ：a g ( m + + o h ) 博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e r ，f a t i o n a g ( m o4 - o h 3 ( 3 3 )( 2 8 ) a h1 81 8i 3 f 2 1 ) f2 0 ) ( i 5 ) g 2 3 42 3 32 3 3 p a t hb 。 s t e p1 ( 7 8 )( 8 2 )( 8 3 ) a h1 3 31 3 21 3 2 ( 3 9 )( 4 3 )( 4 4 gl5 4 1 5 2 1 5 51 4 7 r 叫2 h 3p a t h os t e p1 ( 3 8 )( 3 9 ) ( 4 6 ， a h7 。0 6 77 1 f 2 1 )( 2 2 ) ( 2 9 ) g 1 7 91 7 71 7 9 r = c h 2 c h 2 c ( c h ；b p a t h 心 s t e pl ( 3 4 )( 3 7 )( 4 2 ) 日 7 87 67 8 f 1 4 ( 1 6 )( 2 1 ) g1 6 41 6 31 6 5 r h 2 c h 2 c h ( c h 3 ) 2 p a t h a b s t e pi 3 6 4 0 ) ( 4 5 ) h 6 66 56 7 f 1 8 f 2 1 )2 6 ) g1 3 21 3 4 1 3 41 3 9 r f f i ch ( c h 3 ) c h 2 n * ( c h 3 ) 3 p a t h 心 s t e pl f 2 i )( 2 4 )( 2 9 ) 酬3 。63 73 7 f o 4 )( o 8 )( i 2 ) g 1 8 71 8 61 8 7 r h ( c h 3 ) c h 2 n ( c h s h p a t h 心 s t e pi f 2 6 ) ( 3 o ) f 3 5 ) 磷8 88 78 9 ( o 7 )( 1 1 )( i 6 ) am e t h o du s e di nt h eg a sp h a s ee n e r g yc a l c u l a t i o n s t h eb a s i ss e t sb s l ，b s 2 ，a n db s 3u s e di nt h e m p 2 e n e r g y c a l c u l a t i o n sr e f e rt o 6 - 3 1 + g ( d ) ，6 - 3 1 + + g ( d ，p ) ， a n d 6 - 3 1 1 + + g ( d ，p ) ， r e s p e c t i v e l y z e r o - p o i n tv i b r a t i o na n dt h e r m a lc o r r e c t i o n sw e r ep e r f o r m e da tt h eh f 6 - 3 1 + g ( d ) l e v e l s o l v e n ts h i f t sw e r ed e t e r m i n e df r o mt h es v p ec a l c u l a t i o n sa tt h eh f 6 3 1 + g ( d ) l e v e l s e et e x tf o r t h ed e t a i l e dm e t h o d s 6 博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e r t a t i o n bp a t h w a yar e f e r st ot h er e a c t i o np a t h w a yt h a tt h ea t t a c k i n gn u c l e o p h i l eo h - a n dt h el e a v i n gg r o u p f - a l ep o s i t i o n e do no p p o s i t es i d e so ft h ep l a n ef o r m e db yt h et h r e er e m a i n i n ga t o m sa t t a c h e dt ot h e p h o s p h o r u s cp a t h w a ybr e f e r st ot h er e a c t i o np a t h w a yt h a tt h ea t t a c k i n gn u c l e o p h i l eo h - a n dt h el e a v i n gg r o u p fa r en o to no p p o s i t es i d e so ft h ep l a n ef o r m e db yt h et h r e er e m a i n i n ga t o m sa t t a c h e dt ot h e p h o s p h o r u s dg i b b sf r e ee n e r g yb a r r i e r sd e r i v e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lr a t ec o n s t a n t s ( m e a s u r e di nw a t e r ) a tt 音 2 9 8 1 5k ，9 3 5m 1 s - 1w h e nr = c h 2 c h 2 g ( c a 3 b ，3 8 1 m 1 s - 1w h e nr = c h ( c h 3 ) c h 2 n + ( c h 3 ) , ，a n d 1 0 6m - 。s w h e nr = c h 3f i e f 2 ) b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a l t r a n s i t i o ns t a t et h e o r y ( r e f 3 7 ) 1 3 2 其它甲基磷化氟的碱性水解 为了更好地理解甲基磷化氟化合物碱性水解的取代基效应，我们也计算了其它的甲基磷化氟化 合物( r o ) c h 3 p ( o ) f 的反应历程：这里r = c h 3 、c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 、r - - c h 2 c h 2 c h ( c h 3 ) 2 、r = c a ( c 8 3 ) c h 2 w ( c h 3 ) 3 和r = c h ( c h 3 ) c h 2 n ( c h 3 ) 2 。在f i g u r e l 2 署t l f i g u r e l 3 中画出了反应中优 化过的反应物和过渡态的几何构型。计算的自由能垒见t a b l e l 1 。从p 、f 矛 j o h - 的相对位置来看， f i g u r e l 2 季i i f i g u r e l 3 中的过渡态t s l - 2 a 至t s l - 6 a 的优化构型与f i g u r e l 1 中的t s l 1 a 十分相似。 特别是，t s l 1 a 中四个c - h o 氢键在t l s l 3 a 中也同样存在。在t s l - 3 a 中形成的三个与 c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 的氢键比t s l 1 a 中与c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 形成的氢键要弱，然而在t s l - 3 a 中与p 原子上的c h 3 形成的c - h o 氢键比t s l 1 a 中的要强。在t s l 2 a 中，羟基中的氧原子仅与两个c h 3 分别形成两个c - h o 氢键，但t s l - 2 a 中优化的h o 距离比t s l 3 a 中的要短得多。与t s l - 2 a 和 t s l 3 a 丰目对应的自由能垒分别为1 5 3 和1 7 9k c a t m o l 。对于t s l 2 a 来说，实验测得的速率常数 为1 0 6 衍1s 1 ( t = 2 9 8 1 5k ) ，这样推导出活化自由能为1 4 7 k c a l m o l ，计算的自由能垒1 5 3 k c a y m o l 与实验值相当吻合。2 对于t s l 5 a 来说。计算的自由能垒1 3 4k c a l m o l 与实验推导出的 活化自由能1 3 9k c a l m o l ( 速率常数为3 8 1m - 1s 1 ( t = 2 9 8 1 5k ) 1 相当吻合。 7 博士学位论工 j l t as 1 3 a f i g u f e1 2g e o m e t r i e so f e a c t a n t $ a n d t r a n s i t i o ns t a l e so p t i m i z e da i t h e h f 6 - 3 1 + g ( d l l e v e l f o r t h e h y d r o l y s i so f ( r o ) c h 3 p ( o ) f w h e nr = c h 3a n d c h 2 c h 2 c ( c h ) 3 博士学盘论王 。 _ 氟蔫 o i = 二，i 譬。 黎熟 i 觏砷嘧，“。黻 缝! 蜷筝 一、递囊b 飞1 ，l 豫t 溅掺鹣 麟撰 ，a 5 。6 f 。j t 4 辫 f i g u r e 13g e o m e l r i e so f r e a c c a n i s ，h y d r o g e nb o n d e dr e a c i 。i n tc o m p l e x e s a n di r a n s d i o ns l a t e s o p t i m i z e d a t t h eh f 6 - 3 1 + g ( d ) l e v e lf o rt h e h y d r o l y s i so f ( r o ) c h 3 p ( o ) fw h e n r = c i i z c l l 2 c i i ( c 1 1 3 ) 2 ，c h ( c h 3 ) c i l 2 n _ ( c i l 3 ) a n dc i i ( c h3 ) o h 2 n ( c i t l ) ， 1 3 3 静电与空间位阻效应 前瓜过第原理电子结构的掉得f l ：磷化氟化台物( r o ) c h 、p ( o ) f 碱性水解的ni h 能垒 为 当r = c h 时为1 55 k e a l m o l ，当r = c h 2 c h 2 c ( c h 】) l 寸为1 79k c a l m o l ，、1 1 r ： c h 。c h i n + ( c 凡b i 埘为j 25k c a u m o l 。这与韩 据实螗碰率常数推导出的活化门山能十分吻台? 当r 2c h 3 时力1 47k c a l m o l ，当r = c h ：c h 2 n + ( c h 3 b l 山1 34 k c a l h n o l ，当r = c e i ( u h 3 ) c h ：n + ( c h 3 ) 3 时为1 39 k c a l l m o l 返表月我n f 弹所顶洲的自由自e 垒是1 分川扉的。这样找们i , f 以撤捌我们 在t a b l e ll 中的汁算结粜米讨论( r o ) c 1 1 3 p ( o ) f 水舸的自山能垒。】缸代丝的犬糸。c i i ，自l |。蕊净 。 博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e r t a t l 0 n c h 2 c h 2 c ( c h 3 h 都是中性基团，与c h 3 相比，c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 的体积更大，对进攻p 原子的o h 应该会有更大的立体效应。的确，当r = c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 时计算的自由能垒比r = c h 3 的要高出 2 4k c a l m o l 。而c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 的体积基本与c h 2 c 1 r 1 2 c ( c h 3 ) 3 的相同，因此他们的立体效应 应该完全相同。它们主要的不同点在于c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 带正电荷， 面c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 是中性。 带正电荷的基团对进攻的o h 会存在更强的静电吸引作用，这样在t s l 1 a 中的o h 与 c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 j 髟成的三个c - h o 氢键i 七t s l - 3 a o h 与c h 2 c h 2 c ( a 3 ) 3 的三个氢键要强得 多。正由于这个额外的静电吸引作用，使得当r = c h 2 a 2 ( c 1 - 1 3 ) 3 的自由能垒比r = c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 时的要低5 4k c a l m o l 。 在( r o ) c h 3 p ( o ) f 中当r 从c h 3 变到c h 2 c h 2 n + ( c r l 3 ) 3 时涉及到立体效应和静电效应对自 由能垒的影响。这两种效应对自由能垒的影响是相反的。由于r 从c h 3 变到c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 时的自由能垒相差2 4k c a l m o l ，而c h 2 c h 2 c ( c i - 1 3 ) 3 与c h 2 c h 2 n 。t ( c h 3 ) 3 的体积基本相同，因此 r 从c h 3 变到c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 时立体效应造成的影响可以估计为2 4k c a l m 0 1 ) ；而由于从r = c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 到r = c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 时的自由能垒的差值为- 5 4k c a l m o l ，因此r 从c h 3 变 到c h 2 c h 2 n 4 ( c h 3 ) 3 时静电效应造成的影响可以估计为- 5 4k e a l m o l 。这样当r 从c i - 1 3 变到 c h 2 c i - h t 一 ( c h 3 ) 3 时总体的取代基效应对自由能垒的影响为2 44 - ( - 5 4 ) = - 3 0k c a l m o l 。说明静 电效应对自由能垒的影响要大。 这也就很好地解释了为什么当r = c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 时它的碱 性水解的速率大大快于r = c h 3 的情况。 这种空间位阻和静电效应也能够解释( r o ) c i - 1 3 p ( o ) f 水解反应中当r = c h 2 c h 2 c h ( c h 3 ) 2 ， c i - i ( c i g c h 2 n + ( c r i 3 ) 3 ，c h ( c h 3 ) c h 2 n ( c h 3 ) 2 时的自由能垒的相对大小。当r 的体积从 c h 2 c h 2 n 4 ( c h 3 ) 3 增大到c h ( c h 3 ) c h 2 t c ( c h 3 ) 3 ，计算的自由能垒从1 2 5 k c a l m o l 增大到 1 3 4 k c a l m o l ，而相应的实验值从1 3 4 k c a l m o l 增大到1 3 9 k c a l m o l 。当r = c h 2 c h 2 c h ( c h 3 ) 2 ， 由于它的体积居于c h 3 和c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 之间，因此它的自由能垒在r = c h 3 和r = c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 之间。另外，c h ( c h 3 ) c h 2 n ( c h 3 ) 2 的体积与c h 2 c h 2 c ( c n 3 ) 3 很接近，但是甲基 的位置不相同。它们的自由能垒分别为1 8 7 k c a l m o l 和1 7 9 k c a l m o l ，比较接近，这表明中性的 铵基取代基的立体效应与中性烷基的没有很大的区别。 除此之外，在过渡态中静电效应的概念能帮助我们理解为什么途径a 的自由能垒比途径b 的要低得多。对于一个磷化氟化合物( r o ) c h 3 p ( o ) f ，在它的过渡态中进攻亲核试剂o h 与离去 基团f - 带有负电荷，例如，根据n b o 布居分析，f 上的静电荷为- 0 6 6 5 ，o h 上的静电荷为- 0 2 7 8 ， 因此它们之间存在强烈的排斥作用。静电排斥作用使过渡态不稳定，从而增加自由能垒。如果 这两个基团位于p 原子与其它三个原子形成的平面的两侧，静电排斥作用会被大大的削弱。这 也就定性地解释了为什么t s l 1 a 对应的自由能垒比t s l 1 b 对应的自由能垒要低得多。计算 表明1 , 3 2 磷酸二酯碱性水解的主导历程是一步历程，进攻亲核试剂o h 与离去基团f - 位于p 原 1 0 博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e r i a t i o n 子与其它三个原子形成的平面的两侧。这也主要归因于这样的分布对于过渡态起到很大的稳定 作用。 过渡态中静电效应的概念也可以进一步解释为什么磷酸二酯( 例如：3 ，5 环核苷酸酯 c a m p 、二甲基磷酸酯d m p 、三甲基磷酸酯1 m p 3 1 , 3 2 的碱性水解的速率常数要比我们前面计算 的磷化氟以及相关磷酸三酯化合物碱性水解的速率常数要低。与我们前面研究的中性或带正 电荷的磷化氟以及相关磷酸三酯化合物相比较，由于磷酸二酯的p k a 很小，因此它们在溶液中 均以阴离子形式存在。这样阴离子与o h 之问的静电排斥作用是过渡态不稳定的一个主要因 素，当然会增大了自由能垒。c a m p , d m p 与t m p3 2 碱性水解的自由能垒的实验值分别为一2 9 、 一3 2 和旬2k c a l m o l ，它们比磷化氟以及相关磷酸三酯化合物的要高得多。综上所述，磷酸二酯、 磷酸三酯以及它们的结构变体碱性水解的自由能垒服从以下规律：g ( m + + o h 3 a gq 矿+ o h 3 a go 汀+ o h ) 。这里m + ，h i o ，a n dm 分别代表阳离子、中性分子和阴离子。 1 4 本章小结 我们运用第一原理电子结构的方法计算了农药分子2 三甲基铵乙基甲基磷化氟以及相关磷 化氟分子( r o ) c h 3 p ( o ) f 在溶液中碱性水解的反应历程和自由能垒。计算表明在碱性水解的主导 反应途径中的过渡态中，进攻亲核试剂o h 与离去基团f - 位于p 原子与其它三个原子形成的平 面的两侧，这样可以尽量减小这两个基团之间的静电排斥作用。其中决速步骤的自由能垒分别 为：当r 暑c h 2 c h 2 矿( 蚴时为1 2 5k c a l m o l ，当r = c h 3 时为1 5 5k c a l m o l ，当r = c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 时为1 7 9k c a l m o l ，当r = c h 2 c h 2 c h ( c h 3 ) 2 时为1 6 5k c a l m o l ，当r = c h ( c h 3 ) c h 2 n + ( c h 3 ) 3 时为1 3 4k c a l m o l ，当r = c h ( c h 3 ) c h 2 n ( c h 3 ) 2 时为1 8 7k c a l m o l 。这些 与实验值十分吻合：当r = c h 3 时为1 4 7k c a l m o l ，当r = c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 时为1 3 4k c a l m o l ， 当r = c h ( c h 3 ) c h 2 n + ( a 峨时为1 3 9k c a l m o l 。 计算结果表明立体效应和静电效应都对0 王o ) c h 3 p ( o ) f 碱性水解的的自由能垒造成很大的 影响。当( r o ) c h 3 p ( o ) f 的取代基r 从c h 3 改变为c h 2 c h 2 n + ( c i - 1 3 ) 3 时，取代基的影响与静电效 应和立体效应均有关系。但是这两种效应对自由能垒的影响刚好相反。 由于r 从c h 3 变到c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 时的自由能垒相差2 4k c a l m o l ，而c h 2 c h 2 c ( c h 3 ) 3 与 c h 2 c h 2 n + ( c h 3 ) 3 的体积基本相同，因此r 从c h 3 变到c h 2 c h 2 n * ( c h 3 ) 3 时立体效应造成的影 响可以估计为2 4k c a l m 0 1 ) ：而由于从r = c h 2 c h 2 c ( c h 3 )