近年来,随着对生命科学和手性药物发展的深入研究,之前被认为对人体毫无作用的D型氨基酸在生命活动和药物制备中具有L-氨基酸所不能替代的作用,以D-氨基酸作为手性源合成的一系列手性药物具有特殊的治疗功效。因此,D-氨基酸的制备和应用逐渐成为当前研究的热点。针对当前D-氨基酸制备中的消旋转化率低,消旋速率较慢等问题,本文以常见的过渡金属为催化剂,在有机酸中对L-氨基酸进行催化消旋,并以Gaussian 03程序对其做出理论模拟研究,揭示消旋反应的规律性。全文主要内容如下：首先,考虑到氨基酸R-基的形状(直链或环状)、吸斥电子性以及酸碱性等因素对消旋反应的影响,从19种具有旋光性的氨基酸中选取了4种具有代表性的氨基酸—色氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸和赖氨酸作为研究对象。其次,从经济角度及催化效果上考虑,选取了锰、铁、锌、镉四种金属的乙酸盐作为催化剂。实验部分,首先考查较高温度(乙酸沸点,117.9℃)下4种氨基酸的消旋。发现在此温度下氨基酸基本不会发生消旋反应,进而可以排除温度对氨基酸消旋的影响；然后在同一温度下,4种金属分别催化4种氨基酸消旋。对比锰、铁、锌、镉离子的催化消旋率,可以发现4种金属催化氨基酸的催化效果为：Mn2+>Fe2+>Zn2+>Cd2+,其中Mn2+对色氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸和赖氨酸消旋转化率分别达到了49.7%,60.1%,81.1%和70.8%,高于文献中强碱条件下消旋率。在消旋反应的速率方面,Fe2+催化速率最快,1～1.5小时即可完成消旋,Mn2+与Cd2+速度相对较慢,2.5～3小时完成消旋,这相对于强碱或醛催化的时间—5～8小时,具有很大的优势。由于侧链R-基吲哚环和苯环吸电子效应的的影响,色氨酸与苯丙氨酸的消旋率虽有明显提高但仍旧难以达到完全消旋。理论研究部分,色氨酸的消旋研究中,首先以晶体数据库中4种金属与色氨酸配合物的晶体结构为基础,使用Gaussian 03程序在B3LYP、LANL2DZ水平上进行结构优化和频率分析。根据频率计算得到各配合物的热力学数据,进而获得消旋反应的标准生成自由能ΡrG(?),说明在热力学上金属离子催化氨基酸消旋的转化率α:αFe2+>αMn2+>αCd2+>αZn2+;根据获得的消旋反应的ΔrHF,说明金属离子的催化速率r为：rFe2+>rMn2+>rCd2+>rZn2+。通过对比消旋反应前后各原子的Mulliken电荷,发现L-Trp中手性碳原子上的负电荷在消旋反应之后减少,根据四种配合物中手性碳原子上的负电荷规律知,金属离子催化消旋转化率α为：αFe2+>αMn2+>αCd2+>αZn2+。最后,根据自然键轨道理论方法,对色基酸及配合物进行NBO分析,对比移向和由手性碳原子移出电子的二阶稳定化能ΔE(2)知,金属离子催化消旋转化率α为：αMn2+>αFe2+>αZn2+>αCd2+。综合三种理论分析结果知4种金属离子催化消旋转化率α为：αMn2+>αFe2+>αZn2+>αCd2+；消旋反应的速率r为：rFe2+>rMn2+>rCd2+>rZn2+,这与实验结果具有很好的一致性。对于未取得晶体数据的苯丙氨酸、谷氨酸和赖氨酸,本文采用GaussView程序在色氨酸金属配合物优化后的结构基础上作出相应氨基酸与金属配合物的初始构型,进而进行结构优化和频率计算。然后按照色氨酸消旋规律的研究方法首先进行热力学分析,结果显示,金属催化三种氨基酸的消旋转化率比较一致：消旋反应的标准生成自由能ΔrG(?)说明在热力学上,金属离子催化氨基酸消旋反应的转化率为：αFe2+>αZn2+>αMn2+>αCd2+;从原子电荷角度分析知,金属离子催化氨基酸消旋反应的转化率为：αMn2+>αFe2+>αZn2+>αCd2+;由NBO分析统计出的二阶稳定化能ΔE(2)知,消旋反应的转化率为：αMn2+>αFe2+>αZn>αCd2+。所以,综合以上三种分析方法,不同金属对三种氨基酸消旋的催化效果比较一致,消旋反应的转化率为：αMm2+>αFe2+>αZn2+>αCd2+,这与实验结果相吻合。而金属催化氨基酸消旋的速率略有不同,但与对色氨酸的催化效果相似,Fe2+的催化速率最快,Cd2+的催化速率最慢。综上,本文以4种氨基酸为代表,既通过化学实验找到了氨基酸快速消旋的方法,又在理论水平上以统计热力学手段、原子电荷分析、NBO分析等方法揭示了氨基酸消旋的规律。对具有广泛应用前景的D型氨基酸的制备具有一定的指导意义。