生命起源前手性對映體富集與放大的數學規律與實驗

朱華結,李志偉,賈云靜,朱玉俊,Charles U.Pittman,Jr.

(1.河北科技大學化學與制藥工程學院,河北石家莊 050018;2.河北大學生命科學學院,河北保定 071002;3.安徽醫科大學藥學院,安徽合肥 230012;4.密西西比州立大學化學系,Starkville,MS 39762)

化學是生命起源的源頭,尤其是有機立體化學[1-4]。據報道,有很多種途徑生成具有微小%ee值的L-氨基酸[5-13]。例如:由圓偏振光誘導的外消旋氨基酸的選擇性分解D-氨基酸[14-16]、手性對稱性破缺等[17-19]。實際上,有2種可能的途徑來增加原始海洋(池)中的(R)-或(S)-對映異構體含量。一種是化學方法,另一種是物理途徑?；瘜W方法包括手性放大(擴增)[20-25],如在手性催化劑存在下將二乙基鋅添加到醛中觀察到的手性擴增[21],這也被稱為非線性效應[22-24],其包含正非線性效應(不對稱放大)和負非線性效應(非對稱耗盡)。那些較小%ee1值的手性物質(如L-氨基酸),也可能由于自身催化(autocatalysis)[25]或者手性助劑的作用[20-24,26],最終的對映體含量得到提高。顯然,非線性效應并不能保證那些具有較小%ee值的手性化合物的手性放大。另外,也有不需要手性催化劑來增加%ee值的研究。例如:通過在惰性氣氛下加熱固體絲氨酸的非外消旋樣品至175～230 ℃的溫度,可以富集絲氨酸的%ee值[27]。這也可能是一個方法,在原始海洋(池)中不存在任何其他手性催化劑的情況下,L-氨基酸的%ee值可以得到增加。(1)有關生命起源方面的研究論文有上千篇之多,由于篇幅限制,本文無法引用更多的文獻,請讀者理解。

物理方法包括利用D-和L-氨基酸的外消旋體的鹽在水中較低溶解度而被分離出來。例如,相同摩爾的D-和L-氨基酸可以形成相應的鹽晶體,這些鹽晶體具有較低的溶解度。因此,如果L-氨基酸在溶液中有一點過量,這些晶體沉淀下來后,L-氨基酸的%ee值會得到提高[28]。事實上,作為最古老的問題之一,雖然有非常多關于生命起源的報道[29],但是人們的研究興趣依然不減。(2)在使用HPLC進行手性對映體含量分析的過程中,其含量分析的誤差主要來自相對誤差,即分析過程中使用積分的時間區間。因此,在分析過程中,對每一對樣品的分析,其積分區間的時間嚴格保持在幾乎相等的時間段。在這種情況下,相對誤差可以控制在最小的范圍。本文中大部分%ee值的差異在1%以上,極少數在1%ee以下。因此,對于這部分極小的%ee差值,可能存在相對較大的誤差。但是,縱觀全部數據,可以看到其手性放大的大趨勢變化與理論值的變化趨勢一致。為了更直觀地了解HPLC譜圖的分析結果,將6個典型的原始HPLC及分析結果的截屏圖總結在表2中。如果需要,讀者可來信索要。本文在給《河北科技大學學報》投稿前給Molecules投稿的英文稿件和英文支持信息中有更多英文文獻和詳細的實驗和計算結果,如絕對構型鑒定、不同立體構型異構體的能量、產物的理論產率、實驗和計算的ECD光譜、OR數據等。

任何能提高L-氨基酸%ee值的理論和/或實驗方法都值得重視。在史前時代、生命起源之前,低%ee值化合物的混合物可能存在并且持續存在了很長一段時間。因此,最初微小的%ee值的非外消旋化合物如何在某個階段生成較高%ee值,并在進一步的演化過程中,生成相關的多肽等與生命起源有重要作用的物質,就構成了一個研究的重點內容。在有機化學反應中,例如使用手性催化劑催化二乙基鋅與苯甲醛反應生成手性醇,其反應起始的%ee值與反應后產物的%ee值,與手性催化劑的%ee值等因素有直接的關系。這方面已經有不少報道[23]。然而,在沒有手性催化劑作用下,那些小%ee值的非消旋化合物在通過某類反應后,其留存在溶液中的手性對映體%ee值的變化與反應中的哪些因素有關?基于早期的實驗結果[30],本文將探討提高具有較小%ee值的非消旋化合物的%ee值的理論方法,并在系列實驗中證實了初始的%ee值(%ee1)和最終%ee值(%ee2)之間的關系。

1 實驗部分和計算部分

1.1 實驗部分

通過混合已知對映體含量的L-色氨酸甲酯(L-TME)和D-TME商業樣品,制備出L-TME的%ee1值在1.0%左右。由于初始%ee1值非常小,因此采用了3種測定方法對%ee1進行測定。第1種方法直接測定其特征旋光(OR)值并將其與99%ee的L-TME樣品的OR值進行比較。第2種方法是使用手性柱進行HPLC分析L-TME的含量。第3種方法是讓L-TME與苯甲酰氯進行反應得到相應的苯甲酰胺,測量獲得的(S)-苯甲酰氯的OR數值并用HPLC分析方法測定%ee1。例如:使用Chiralcel-IA柱用于分析其%ee值,用石油和異丙醇(體積比為60∶40)進行洗脫。這3種方法所得出的結果幾乎相同。相關的HPLC分析和數據處理見注解②。

將5.0 g含量為0.7%～1.0%ee的L-TME的原料溶解在CH2Cl2中并將其冷卻至接近0 ℃,加入丁二酮(其摩爾量是D-TME的90%)。將混合物攪拌10 h,加入0.01%三氟乙酸(TFA),然后加入少量分子篩(4?),該Pictet-Spengler反應在0 ℃條件下反應14 h,然后回收未反應的原料。在相同反應條件下,將所回收的未反應的起始原料用于第2次的Pictet-Spengler反應(丁二酮與D-TME摩爾比為0.90∶1)。在第2次Pictet-Spengler反應后,回收未反應的原料,利用手性HPLC分析未反應物的%ee2值。通過2次Pictet-Spengler反應,%ee2/%ee1的值在2.7～3.2之間。

將具有不同%ee1值的L-TME樣品與草酰氯反應,在零下80 ℃的條件下加入三乙胺(TEA)后,維持零下80 ℃反應24 h。反應結束后,將未反應的L-TME粗品通過硅膠柱進行純化,然后通過手性HPLC分析回收純TME樣品的%ee值。

由于部分產物的%ee值較小,因此在使用HPLC分析過程中,需要對每個分析樣品的積分區間進行嚴格控制。對于同一批次的樣品分析,每一組的積分區間幾乎都是相同的。使用石油醚和異丙醇(體積比為80∶20)進行淋洗。

1.2 計算部分

使用構象搜索軟件對相關分子進行構象搜索,對相對能量為0～25 kJ/mol的構象進行再次計算(B3LYP/6-311++G(2d,P))。使用Gaussian09軟件進行相關分子不同構型的計算,相對能量為零的結構為最優結構。通過計算該分子的電子圓二色譜并與實驗值進行比較,鑒定相關分子的絕對構型(本文報道的結構即為已經鑒定出來的絕對構型)[31-32]。

2 結果與討論

2.1 不含手性源手性富集/放大的理論研究

有研究表明,在加熱條件下,沒有反應的絲氨酸的對映體含量出現了明顯增大(手性放大或富集)[27]。在使用乙二醛與L-TME進行反應時,發現L-TME傾向于與D-TME反應[30]。這表明在沒有任何手性催化劑的情況下手性放大(富集)是有可行性的。因此,首先從數學上研究起始%ee值與最終%ee值之間的對應關系。

生命起源前的化合物中,最早形成的手性化合物(包括L-氨基酸)的%ee值會非常小(見圖1)。在史前階段,這些非常小%ee值的非外消旋化合物可能需要一種更有效和可靠的方法來提高%ee值,以便用于后期合成單一手性的多肽等物質。在第Ⅱ階段,手性化合物具有確定的%ee值后,其%ee值的提高可能涉及各種方法,如手性放大或自催化等方法。在最后階段,隨著L-氨基酸含量的增加,可能形成相應的單一手性肽或其他用于生命起源的生物活性化合物,或者充當手性源用于其他手性化合物的合成。然而,第Ⅰ階段(最早階段)可能需要更可靠的方法來保證將%ee值提高到合理的水平,以便后期使用。本文報道一種可以提高手性化合物(如L-氨基酸)%ee值的普適性方法,該方法可以100%將其初始%ee值提高到一個合適的程度。

圖1 具有小%ee值的非外消旋性手性化合物在生命起源前的史前時期3個可能階段的手性富集/放大

例如,當一個(R)-M(1)及其對映體(S)-M(2)可以與含雙官能團的反應物(bis-FG)反應(見方案1),其中丁二酮是雙官能試劑。反應在0～5 ℃的二氯甲烷溶液中進行[33-34]。方案1中,TME與丁二酮反應后,其過量的(S)對映體(L-TME)留存在溶液中。反應生成化合物3(外消旋體3(1)和3(2))及化合物4(外消旋物(4(1)和4(2))[31,35-38]。分離得到的化合物3的產率為18%,化合物4的產率為35%,總產率為52%。通過計算其電子圓二色譜并與實驗圓二色譜進行比較,鑒定得到化合物3和4的絕對構型[39-42]。該反應將進一步用于推導相關的方程,以確定反應后TME對映異構體的%ee2值與其初始%ee1之間的關系。

2.2 4種反應情況

在第1種情況下,一個分子的1和一個分子的2與bis-FG反應生成產物(R,S)-3(i) (i=1～n),這里i是基團化合物3的第i個產物,n是3的第n個產物。例如,第1個化合物(i=1),被定義為(R,S)-3(1);第2個化合物被定義為(R,S)-3(2);第2種情況,反應發生在1和2與bis-FG反應生成(S,R)-3(i)。這樣,(R,S)-3(i)是其對映體。第3種情況是2個分子1與一個bis-FG反應生成化合物(R,R)-4(j) (j=1～m),其中j表示4的第j個產物,m是4最后一個化合物。在第4種情況中,2的2個分子與bis-FG反應生成(S,S)-4(j) (j=1～m)。因此,這4種情況下,產物3的總數為(R,S)-3(i)和(S,R)-3(i)的總和。同樣,4的所有化合物數量也是如此。見方案2。

方案2 4種反應情況的簡化表達式

化合物4生成的總量為 (100-p)×y/100,這樣,Δx和Δy似乎可以在3和4形成后,按照下式計算:

(1)

(2)

這樣,其最終%ee2為

(3)

這顯然表明%ee2與產率 (p) 和3無關。但是,這個推導出來的式(3)是錯誤的。這是因為反應中生成的(R,R)-4和(S,S)-4的量不同。由于生成(R,R)-4和(S,S)-4具有相同的過渡態能壘,因此生成的(R,R)-4和(S,S)-4的數量一定取決于3生成后溶液中剩余的1和2的數量之比。因此,當初始x>y時,1和2的消耗量與生成3的數量相同。這樣,Δx一定大于Δy。生成(R,R)-4的量不等于(S,S)-4。1和2在4的形成過程中,所消耗的量不同。因此在這種情況下,用4的總量[(100-p)×y/100]代替式(2)和式(3)中的1和2的量來計算Δx和Δy不正確。下面推導在形成3后溶液中剩余的1和2的量。

形成(y×p/100)摩爾3后,生成4的數量為(100-p)×y/100。由于(R,R)-和(S,S)-4系列化合物必須有相同的過渡態壘,因此,溶液中(R,R)-4與(S,S)-4的比值取決于溶液中剩余的1和2的比值。也就是說,溶液中(R,R)-4與(S,S)-4比例和溶液中1和2的數量成正比。如果1多,則(R,R)-4生成數量多。因此,在(y×p/100)摩爾3形成后,1消耗掉QR,R用于4的合成,可表示為式(4)。

(4)

同樣,2用于合成系列(S,S)-4的數量為QS,S。

(5)

這樣,生成3和4后,1和2剩余量分別為Δx和Δy:

(6)

(7)

因此,1在溶液中剩余的對映體量(%ee2)可以用式(8)計算:

(8)

將x和y代入式(8)后,可用下式計算:

(8A)

它與%ee1的關系也可以表示為

(8B)

因此,對于任意初始值%ee1,%ee2主要是化合物3產率(p)的函數。

2.3 x,y和p之間的關系

這里討論由式(8)得出的3個主要特征。圖2 a)為1的%ee2與%ee1的關系,圖2 b)表明%ee值的增量Δ%ee=%ee2-%ee1與%ee1的關系,圖2 c)描述了 %ee2與%ee1比值與%ee1的關系。分別計算了9種不同產率(p)時%ee的變化情況,從10%開始,每步增量為10%,直到90%。

圖2 %ee1,%ee2,Δ%ee與%ee2/%ee1之間的關系

圖2 a)中所有9條%ee1vs %ee2曲線位于45°對角線(黑線)之上,3的產率(p)越高,溶液中的對映體增量Δ%ee就越大;圖2 b)表明,3的產率越大,達到Δ%ee的最大增量所需的初始%ee1就越小;圖2 c)顯示富集/放大倍數不是線性的,%ee1值越小,%ee2/%ee1比值富集/放大倍數就越大,當p接近90%時,放大倍數為10。為了更清楚地說明p在大于95%時%ee1,以及Δ%ee和%ee2/%ee1之間的關系,本文計算并繪出了相關聯系,見圖3。從最低到最高的4條曲線分別表示產率(p)從95%,97%,99%到99.99%的變化情況。

圖3 基于式(8A)的3種理論關系(式(8A)中的x>y)

當產率(p)從95%變化到99.99%時,且當%ee1為極小值0.005%時,其理論上的放大倍數分別接近20,33,99和6 667。當產率接近100%時,則放大倍數%ee2/%ee1達到20 000(見圖3 c),限定y軸為50)。初始%ee1越低,放大倍數越大。這表明了一種極其重要的可能性,即1具有極小初始值%ee1時,都可能與bis-FG試劑反應,并快速提高其%ee2的值。

2.4 手性富集(放大)實驗

2.4.1 使用TME和2,3-丁二酮反應進行的手性富集/放大

對映體過量的L-氨基酸或其酯對生命起源具有重要意義。為此,選用D-TME (1)和L-TME(2)作為手性原料,丁二酮作為雙功能試劑,參見方案3。3的合成與4的合成是競爭性反應,因為中間體羥基胺在亞胺形成和環化發生之前與試劑處于平衡?；衔?生成的越多,溶液中L-TME的%ee2值就越高。因此,反應中的平衡時間分別選擇2,10,36 h。反應結束后,分別測量溶液中L-TME的%ee2值,如圖4所示?？梢钥吹?所有實驗得到的L-%ee2值都處于傳統手性放大的區域。根據不同的理論計算方法,得到化合物3和4之間的能量差值,由此計算出3的相對理論產率(p值分別為21.7%,31.2%,33.3%)。將這些產率代入式(8)計算得到相應的%ee2。實驗數據用方形、三角形、叉號繪制。

方案3 對映體1和2與丁二酮反應生成產物3和4

初始%ee1值與反應后的%ee2值及其增量等實驗數據見表1。

表1 初始%ee1值與反應后的%ee2值以及其增量等實驗數據*

在這個反應后,L-TME的%ee值得到了提高,觀察到的手性富集(放大)是該反應的必然結果。采用量子化學計算方法,分別計算3和4的最穩定構象,并分別計算出二者的相對能量。例如,計算采用B3LYP理論,使用6-311+G(d)和6-311++G(2d,p)基組,在氣相或者在二氯甲烷中使用PCM模型進行計算[36-42]。計算表明,4比3更穩定,二者之間的能量差分別為2.174,1.906,2.829 kJ/mol。由此計算得到3的產率為21.7%或31.2%或33.3%。實驗測定的L-TME對映體過剩率大部分位于計算得到產率為21.7%的曲線附近(見圖4 b))。這些實驗結果證實,L-和D-TME溶液中較低的最初始%ee1值在反應后得到了提高(%ee2值增大)。

2.4.2L-TME的初始0.7%ee提高到大約3%ee

配置了初始%ee1在0.7～1.0%ee之間的樣品,可使用OR或者通過HPLC方法測定其%ee1值。第1次反應后,其放大倍數(%ee2/%ee1)為1.3～1.4。在回收未反應的樣品并再次進行反應后,采用不同方法進行測定,得到L-TME的%ee2值在2.7～3.3之間,其放大倍數平均約為3.5。

用11.50 g的0.8%eeL-TME重復該過程,采用HPLC分析發現其反應后的溶液中產物的%ee2值為3.3,使用OR的數據為3.0%ee。該%ee2值比原始%ee1值大了約4.2倍,與使用5.00 gL-TME的第1次試驗中獲得的結果(平均值3.5)接近。

2.4.3 使用乙二醛與L-TME反應

在前述反應中,通過2次Pictet-Spengler反應可提高%ee值,但是%ee值的增量并不是太大。原因可能是丁二酮的2個甲基的空間位阻導致3的生成產率偏低。為此,進一步用空間位阻小的乙二醛進行反應(3)乙二醛在與TME反應中,由于商品乙二醛中含有少量甲醛( 0.5%),而甲醛也能與TME反應,關鍵問題是該產物的極性與TME極為接近。因此在回收的反應TME中,含有少量該產物。而這影響了回收TME的純度,不方便用于進一步反應。尤其在配置1%ee或以下的非外消旋樣品用于2次或以上的Pictet-Spengler反應時,最后發現回收的產物全是甲醛與TME的反應產物。因此配置小%ee值的樣品用于多次Pictet-Spengler反應,不適合用乙二醛作雙功能基試劑。(見方案4),生成了化合物5(2個外消旋體5(1)和5(2))和6(1個外消旋體6(1))。理論計算得到5(1)的相對能量低于6(1)的相對能量(5.47 kJ/mol)(計算在B3LYP/6-311++G(2d,p)基組上進行(PCM模型,溶劑是CH2Cl2))(4)通常,為了測定3和4在反應中的比例,通常要計算化合物3和4在形成前的中間體不同構象的能量差。然而,由于構象實在太多,且也需要考慮不同構型的構象分布,因此,一個簡化的處理方法就是計算化合物3和4不同構型的相對能量。該化合物有64種不同的可能構型,因此,所有的構型一半,即所有的32個對映體的構型用于分析,采用 FFMM94S 分子力場進行構象分析。然后,采用2種不同的量子計算方法用于計算。從所有的計算中,獲得最低的和次低的2個穩定構型結構用于分析?；衔锏慕^對構型鑒定的詳細信息,可來信免費提供。。同時利用這個能量差數據和式(8)進行理論計算得到%ee2值并與實驗值進行對比,如圖5所示。

方案4 L-TME(%ee1)與乙二醛反應得到5(1),5(2)和6(1)

圖5 方案4中反應時%ee1,%ee2,Δ%ee與%ee2/%ee1之間的關系(圖中虛線由式(8)計算得到,其中的產率p由計算二者的能量差(5.47 kJ/mol)得到)

利用式(8)計算%ee2值隨%ee1值的變化關系并與實驗值進行比較,其中以5(1)和6(1)之間5.463 kJ/mol的能量差計算得到(R,S)-5的產率p為90%,符號“×”表示實驗值。

乙二醛與D-TME的摩爾比為0.90∶1,L-TME的最初%ee1值從6.1%增加到89.6%。典型的HPLC分析圖列于表2(為清晰起見,僅將對映體的2個信號附近區間截圖),發現最大的放大倍數是1.92(參見表3)。當%ee1值變為89.6%時,放大倍數僅為1.03。%ee1越小,放大倍數越大。%ee增量最大值為12.3%。大多數%ee1值從將近22%到64%時,其增量在10%左右。

表2 不同濃度下測試的HPLC譜圖和反應后回收物質的譜圖截圖以及分析結果(總結在表3)*

表3 L-TME在方案4反應中%ee值的富集/放大(部分HPLC分析截圖見表2)*

最后,將30.6%ee的L-TME與不同比例的乙二醛/D-TME(摩爾比為0.7～1.5)反應,得到%ee2值與不同摩爾比的實驗結果(見圖6)。隨著乙二醛與D-TME比例的增加,%ee2變化值從5.0%上升到12.1%,見表4。

表4 起初原料%ee1值不變且乙二醛與D-TME物質的量比從0.7提高到1.3時,%ee2值變化趨勢

圖6 反應后原料的%ee2值隨乙二醛與D-TME摩爾比變化情況(%ee1=30.6%)

2.4.4L-苯丙氨酸手性富集

前面研究了丁二酮與TME反應中對映體過剩率的富集/放大問題。然而,在非平衡條件和低溫下,這個結論是否依舊成立呢?為此,本文選擇草酰氯作為雙官能團試劑(見式(9))。在零下80 ℃溫度下,與三乙胺(TEA)共存24 h。當L-苯丙氨酸甲酯的%ee1值從22.0%變為26.8%,46.6%和56.0%時,L-苯丙氨酸甲酯%ee值的增加量(Δ%ee)分別為1.8%,2.3%,3.9%和0.8%。由于草酰氯在TEA催化下具有非常高的反應活性,因此,當63.9%的L-苯丙氨酸(%ee1)用于反應時,%ee值的增加量(Δ%ee)僅僅為0.3%。

(9)

2.4.5 通過環狀二肽二聚富集L-氨基酸

氨基酸可能也參與了生命起源前的縮合反應生成環肽。其中L-氨基酸與另一種L-或D-氨基酸反應,得到相應的L,L-和D,L-環二肽(見式(10))。剩余未聚合的L-氨基酸,如果最初以微小的%ee1存在,反應后可能會被放大到更高的%ee。選擇6種典型的氨基酸進行計算,研究%ee的放大,分別是最小的手性氨基酸丙氨酸、含有雙立體中心的異亮氨酸、帶有異丙基的纈氨酸、含有硫醇的半胱氨酸、帶有雜環部分的組氨酸和帶有2個羧酸基團的天冬氨酸。采用B3LYP和MPW1PW91理論方法在6-311++G(2d,p)基組上計算在水中(PCM模型)的能量,得到L,L-和D,L-環二聚體的能量差,用于計算環二聚體產率(p)下,%ee1=0.50%時的L-氨基酸值的%ee2值、增加量(Δ%ee)和%ee2/%ee1的值(見表5)[43]。

表5 6個氨基酸形成的L,L-和D,L-環二肽之間的能量差及用該數據計算得到的%ee2和Δ%ee值

(10)

由表5可知,半胱氨酸(17)和組氨酸(19),在水中形成的D,L-環二肽比它們在水中對應的L,L-產物具有更低的能量。例如,D,L-產物分別降低0.075和2.616 kJ/mol。半胱氨酸形成的環二肽結構中未發現分子內氫鍵。但是,在仔細檢查這些低能量D,L-環二肽幾何結構后,發現組氨酸的最低能量結構中有分子內氫鍵,而水很可能通過溶劑化作用破壞分子內氫鍵。因此,進一步選擇有沒有分子內氫鍵的構象來進行能量分析。

當能量計算中不包含具有氫鍵的幾何結構時,組氨酸酯的D,L-環二聚體的能量比L,L-產物低4.288 kJ/mol。類似地,天冬氨酸酯在這些條件下的D,L-和L,L-產物之間的能量差為2.286 kJ/mol。因此,如果所有原始氨基酸都轉化為L,L-和D,L-環肽(見式(10)),則形成的最多產物的產率(在D-對映體完全轉化時)將取決于2種產物之間的相對能量。環二聚體產物的相對能量越高,該產物的產率就越小。大多數D,L-環二聚體的能量低于它們的L,L-產物的能量。因此,L-和D-氨基酸傾向于形成D,L-環二肽為主要產物。形成的D,L產物越多,溶液中未反應的L-氨基酸就越多。根據B3LYP計算的能量,得到式(10)中D,L-環二肽的產率(p)(對應于(R,S)-產物),%ee1,%ee2,Δ%ee和放大倍數%ee2/%ee1之間的關系(利用式8)),見表4。理論上,剩余L-氨基酸的%ee值將增加。

2.5 相關化合物數據

化合物3(1):(6R,7aR,12bS,14S,15aS,15bR)-15a,15b-dimethyl-5,6,7a,8,13,14,15,15a,15b,16-decahydropyrrolo[2′,3′:1,2]indolizino[3,2-b:8,7-b′]diindole-6,14-dicarboxylate。[α]D+32 (c3.25,CH2Cl2)。HR-MS-ESIm/z,計算得到 C28H30N4O4[M+H]+487.234 5,實驗值為487.235 6。1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ9.85(s,1H),7.39(d,J=7.8 Hz,1H),7.31(d,J=7.86 Hz,1H),7.05(t,J=7.2 Hz,1H),6.99(m,2H),6.88(d,J=7.2 Hz,1H),6.63(t,J=7.2 Hz,1H),6.49(d,J=8.4 Hz,1H),5.10(s,1H),4.45(dd,J=12,7.2 Hz,1H),4.12(dd,J=12.0,5.1 Hz,1H),3.76(s,3H),3.39(s,3H),3.27(dd,J=15.6,12.0 Hz,1H),2.88(dd,J=15.6,4.8 Hz,1H),2.15(m,1H),1.38(s,3H),1.30(m,1H),1.11(s,3H)。13C NMR(150 MHz,CDCl3)δ173.4,172.8,149.2,138.2,135.4,129.9,127.5,125.7,122.8,120.4,118.0,116.8,116.6,110.7,108.2,104.5 80.0,74.2,66.9,63.7,60.8,51.3,51.0,42.0,23.3,21.1,19.2。

化合物4(2):(6S,7aS,12bR,14S,15aR,15bR)-15a,15b-dimethyl-5,6,7a,8,13,14,15,15a,15b,16-decahydropyrrolo[2′,3′:1,2]indolizino[3,2-b:8,7-b′]diindole-6,14-dicarboxylate。[α]D-104.76(c,5.25,CHCl3)。HR-MS-ESIm/z,計算得到 C28H30N4O4[M+H]+487.234 5,實驗值為487.235 4。1H NMR(600 MHz,CDCl3) δ 7.88(s,1H),7.44(d,J=7.8 Hz,1 H,),7.24(d,J=7.8 Hz,1 H),7.06(m,2 H,),7.02(m,2 H),6.65(t,J=7.2 Hz,1 H,),6.54(d,J=7.8 Hz,1 H,),4.78(s,1 H),4.29(t,J=5.4 Hz,1 H),3.89(dd,J=10.2,4.8 Hz,1 H),3.62(s,3 H),3.58(s,3 H),3.27(dd,J=15,6.0 Hz,1 H,),3.12(dd,J= 15,5.4 Hz,1 H),2.51～2.41(dd,J=14.4,4.8 Hz,2 H),1.43(s,3 H),1.04(s,3H)。13C NMR(150 MHz,CDCl3) δ 175.5,175.0,150.7,136.3,136.0,129.7,128.7,126.6,124.1,122.0,119.6,118.4,118.0,111.2,109.7,107.8,89.7,77.7,66.6,65.3,59.6,57.3,52.3,52.2,43.3,26.2,26.2,23.4。

在%ee值分析中,回收的色氨酸甲酯需要與苯甲酰氯反應生成相應的苯甲酰胺,用于分析其%ee2。該苯甲酰胺的NMR數據:1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ8.26(s,1 H),7.68(d,J= 7.9 Hz,2 H),7.55(d,J= 7.9 Hz,1 H),7.47(t,J= 7.4 Hz,1 H),7.40～7.32(m,3 H),7.18(t,J= 7.6 Hz,1 H),7.08(t,J= 7.5 Hz,1 H),6.99(d,J= 2.1 Hz,1 H),6.69(d,J= 7.4 Hz,1 H),5.15(dt,J= 7.5,5.3 Hz,1 H),3.71(s,3 H),3.45(t,J= 5.8 Hz,2 H)。13C NMR(151 MHz,CDCl3)δ172.42(s),166.96(s),136.17(s),133.89(s),131.71(s),128.55(s),127.69(s),127.09(s),122.84(s),122.30(s),119.74(s),118.68(s),111.32(s),110.06(s),53.50(s),52.43(s),27.69(s)。13C NMR(151 MHz,CDCl3) δ 172.42(s),166.96(s),136.17(s),133.89(s),131.71(s),128.55(s),127.69(s),127.09(s),122.84(s),122.30(s),119.74(s),118.68(s),111.32(s),110.06(s),53.50(s),52.43(s),27.69(s)。

3 結 語

通過數學理論推導結合有機反應原理,發現在沒有手性催化劑或額外手性試劑存在的情況下,可以實現將較低%ee值的任何對映體的過剩率通過合適的化學反應來實現放大。實驗研究證實了這些結論。采用這種實驗方法,將低%ee值的手性對映體含量提高(超過10%ee或更高)后,這些%ee值高的對映體可以作為種子在生命起源前的原始海洋(池)內促進或催化其他手性化合物的合成,例如,L-氨基酸催化D-糖的合成。

生命的誕生說明在自然界中手性分子的相互作用有其自身的規律。概率論的結論是生命來自偶然。但是本文中的數學公式說明,哪怕L-氨基酸稍微過量一點,數學和化學的原則就保證了這些稍微過量一點的L-氨基酸能夠在溫和的條件下(這也是生命起源所需要的),其%ee值可以得到有效提高。這與非線性效應(non-linear effect)的結論完全不同(手性可能放大也可能被耗盡)。最新報道的實驗和理論計算也表明:L-氨基酸能催化D型四碳糖合成,而L-氨基酸和D-糖恰恰是構成生命最基本的兩類物質。因此,生命起源的過程中,概率論也許是其中的一個可能性。但是本文的研究表明,手性的放大是化學上的必然事件。雖然現在有關生命起源(手性放大/富集)中化學部分的研究已經不再是某些雜志的熱點,但是對其深入研究,挖掘其背后的必然性,在生命起源研究中發現更多的必然因素和規律,也許是化學家、物理學家和生物學家,包括天文學家的使命之一。

致謝：感謝河北大學超級計算中心給予計算支持;感謝中科院北京微生物所李二偉博士、任俊偉博士提供部分NMR分析和旋光測量。

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