水液相下兩性α-丙氨酸Ca(Ⅱ)配合物旋光異構(gòu)的理論研究

劉 芳，張雪嬌，劉 軍，閆紅彥，姜春旭**，王佐成**

(1. 白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林 白城 137000；2. 白城師范學(xué)院 傳媒學(xué)院，吉林 白城 137000；3. 白城師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 白城 137000)

α-丙氨酸（α-Alanine,α-Ala）是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的手性氨基酸，是生物體內(nèi)的重要配體，其手性特征使其金屬離子配合物也具有手性. 根據(jù)光學(xué)活性的不同分為左旋α-丙氨酸（L-α-Ala）和右旋α-丙氨酸（Dα-Ala）；根據(jù)構(gòu)型的不同分為S型α-丙氨酸（S-α-Ala）和R型α-丙氨酸（R-α-Ala）.L-α-Ala在生命體內(nèi)具有活性，是蛋白質(zhì)的重要成分；D-α-Ala可以使氨基酸氧化酶在腫瘤細(xì)胞質(zhì)中異位表達(dá)，具有清除細(xì)胞毒性和阻止體內(nèi)脂質(zhì)氧化損傷的功能，還可促進(jìn)細(xì)菌孢子代謝，但過(guò)量的D-α-Ala在生命體內(nèi)存在則會(huì)導(dǎo)致某些疾病的發(fā)生和機(jī)體衰老[1-4]. 主族金屬元素Ca是生命體所必需的宏量元素，在生命體內(nèi)以正二價(jià)態(tài)存在. 其在骨骼的形成、協(xié)調(diào)酸堿平衡、維持心臟規(guī)律的跳動(dòng)等方面具有重要作用，缺乏鈣會(huì)導(dǎo)致多種生理功能障礙[5-8].

人體吸收食物中的鈣的過(guò)程是：首先，食物經(jīng)過(guò)胃酸分解生成鈣離子，然后在小腸處與小腸分泌出的氨基酸或短肽鏈發(fā)生螯合反應(yīng)，形成手性氨基酸鈣配合物，以配合物的形式被整體吸收[9]. 氨基酸螯合鈣作為補(bǔ)鈣產(chǎn)品，易吸收且環(huán)保，在臨床、食品及畜牧業(yè)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[10]. 不同旋光性的手性分子可能具有截然不同的生物效應(yīng)，某種旋光性的手性分子對(duì)生命體具有生命活性，但其手性對(duì)映體則無(wú)用甚至有害. 因此，手性氨基酸鈣在生命體內(nèi)消旋的研究對(duì)指導(dǎo)人們科學(xué)地補(bǔ)鈣具有重要意義.

基于手性分子消旋反應(yīng)的重要性，人們對(duì)α-Ala及其金屬配合物的旋光異構(gòu)做了大量的工作.文獻(xiàn)[11-12]的理論研究表明，氣相環(huán)境下α-Ala以中性的形式存在，通常難以消旋. 文獻(xiàn)[13-14]的理論研究表明，水溶劑環(huán)境下α-Ala主要以?xún)尚缘男问酱嬖冢肿哟氐拇呋墒蛊渖倭康叵?，羥基負(fù)離子與質(zhì)子的存在會(huì)進(jìn)一步加速其消旋反應(yīng)的進(jìn)行. 文獻(xiàn)[15]的理論研究表明，納米管的限域?qū)Ζ?Ala旋光異構(gòu)具有催化作用. 文獻(xiàn)[16-23]的理論研究表明，氣相環(huán)境下兩性α-Ala與Cu2+、Ca2+以及Fe2+等金屬離子的配合物構(gòu)象穩(wěn)定，通常不能消旋，氣相下α-丙氨酸鹽可以很好地保持它們的手性特征. 文獻(xiàn)[24]的理論研究表明，水液相下兩性的α-Ala與過(guò)渡金屬Zn2+和Fe2+的配合物構(gòu)象穩(wěn)定，只能痕量地消旋，它們可以安全地用于生命體，實(shí)現(xiàn)鋅和鐵等金屬元素與α-丙氨酸同補(bǔ).

目前，關(guān)于水液相下鈣與α-丙氨酸配合物的旋光異構(gòu)研究鮮見(jiàn)報(bào)道. 為揭示α-丙氨酸及鈣離子在生命體內(nèi)的代謝過(guò)程，說(shuō)明α-丙氨酸鈣長(zhǎng)期用于生命體補(bǔ)鈣是否安全可靠，基于以往的研究經(jīng)驗(yàn)[17,24-25]，采用密度泛函理論研究了水液相下兩性α-丙氨酸與二價(jià)鈣配合物（S-Ala·Ca2+）的旋光異構(gòu).

1 研究與計(jì)算方法

采用對(duì)處理主族金屬及弱相互作用有較高精度的雜化泛函M06-2X[25-26]，在6-311+G(d,p)基組下全參數(shù)優(yōu)化單重態(tài)（本工作研究的體系在單重態(tài)最穩(wěn)定）勢(shì)能面上的駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)，吉布斯自由能熱校正在298.15 K及1.013×105Pa下進(jìn)行. 紅外振動(dòng)頻率分析表明，穩(wěn)定點(diǎn)無(wú)虛頻，過(guò)渡態(tài)有且只有一個(gè)虛頻. 為了確認(rèn)過(guò)渡態(tài)連接期望的極小點(diǎn)，對(duì)過(guò)渡態(tài)[27]進(jìn)行IRC（內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)）計(jì)算[28]. 為計(jì)算出相對(duì)精確的反應(yīng)過(guò)程勢(shì)能面，兼顧計(jì)算成本，在6-311++G(3df, 2pd)基組下計(jì)算單點(diǎn)能. 水溶劑效應(yīng)采用SMD模型[29]方法處理. 總吉布斯自由能是自由能熱校正與單點(diǎn)能之和.S-α-Ala與Ca2+的配合物S-α-Ala·Ca2+記作S-A·Ca；S-A·Ca在b通道異構(gòu)的第2個(gè)過(guò)渡態(tài)配合物記作T2b，第2個(gè)中間體配合物記作I2b，a和b通道共用的結(jié)構(gòu)X標(biāo)記為Xa(b)，7個(gè)水分子與S-I2c的Ca2+配位同時(shí)2聚水與S-I2c氫鍵作用的體系記作S-I2c←7H2O·(H2O)2，其它體系標(biāo)記法相似. 計(jì)算采用Gaussian16[30]程序.

2 結(jié)果與討論

水液相下α-丙氨酸兩性離子最穩(wěn)定[13]，計(jì)算表明，水液相下兩性α-Ala與Ca2+配合物分子相對(duì)于中性α-Ala與Ca2+配合物分子的能量是-27.5 kJ·mol-1，它們之間可以相互異構(gòu). 為節(jié)省篇幅，只討論兩性α-Ala與Ca2+配合物在水液相環(huán)境下的旋光異構(gòu).把文獻(xiàn)[17]中的氣相兩性S-α-Ala分子與Ca2+配合物構(gòu)型作為初始猜測(cè)，優(yōu)化得到水液相下的手性對(duì)映體S-A·Ca和R-A·Ca，見(jiàn)圖1.

圖1 配合物S-A·Ca分子及其手性對(duì)映體的幾何構(gòu)型Fig. 1 Geometric configuration of complex S-A·Ca and chiral enantiomer

水溶劑效應(yīng)有隱性和顯性水溶劑效應(yīng)兩種情況. 對(duì)于非氫遷移反應(yīng)，水分子的作用對(duì)反應(yīng)能壘影響不大，只需考慮溶劑的極性作用，即隱性水溶劑效應(yīng)；對(duì)于H遷移反應(yīng)，既要考慮溶劑極性的作用，還要考慮水分子（簇）做H遷移媒介以及水分子與Ca2+的配位.

研究發(fā)現(xiàn)，S-A·Ca可在3個(gè)通道a、b和c實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu). 為了清晰地呈現(xiàn)水液相下S-A·Ca旋光異構(gòu)機(jī)理，并且盡可能地節(jié)省篇幅，首先詳細(xì)討論隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Ca的旋光異構(gòu)，然后再討論顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Ca旋光異構(gòu)反應(yīng)的決速步驟.

2.1 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Ca的旋光異構(gòu)a和b通道共用第1基元，為使討論層次清晰，將a和b通道放在一起討論，c通道單獨(dú)討論.

2.1.1S-A·Ca在a和b通道上的旋光異構(gòu) a、b通道共用的第一基元是α-氫向羰基氧遷移，而后分為質(zhì)子從質(zhì)子化氨基向α-碳遷移的a通道和質(zhì)子從羰基氧向α-碳遷移的b通道，反應(yīng)歷程見(jiàn)圖2，反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能剖面見(jiàn)圖3的a線和b線.

圖2 S-A·Ca在a和b通道旋光異構(gòu)的歷程（鍵長(zhǎng)單位：nm）.Fig. 2 Reaction process of optical isomerism of S-A·Ca in channel a and b (Bond length unit: nm)

圖3 隱性溶劑效應(yīng)下S-A·Ca旋光異構(gòu)反應(yīng)的吉布斯自由能勢(shì)能面（298.15 K）Fig. 3 Gibbs free energy surfaces of optical isomerism of S-A·Ca under the effect of recessive solvent (298.15 K)

第1基元反應(yīng).S-A·Ca經(jīng)質(zhì)子在α-碳1C和羰基氧11O間遷移的過(guò)渡態(tài)T1a(b)，α-氫13H沿過(guò)渡態(tài)虛頻振動(dòng)矢量的正向從1C遷移到11O，異構(gòu)成中間體I1a(b). 從S-A·Ca到T1a(b)過(guò)程，1C―13H鍵長(zhǎng)從0.108 9 nm拉伸至0.152 5 nm斷裂；二面角6N―1C―4C―9C從120.1°變?yōu)?22.2°，骨架微小形變2.1°；二面角11O―9C―1C―6N從171.0°變?yōu)?44.4°，9C―1C鍵右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)26.6°. 這些變化導(dǎo)致T1a(b)產(chǎn)生了268.6 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘. 該能壘與氣相S-A·Ca旋光異構(gòu)此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘283.3 kJ·mol-1[19]相比較略有降低，說(shuō)明水溶劑對(duì)此基元反應(yīng)有較弱的催化作用，原因是SA·Ca的偶極矩（10.602 4 D）小于T1a(b)的偶極矩（14.416 9 D），極性水溶劑的作用使T1a(b)變得相對(duì)穩(wěn)定.

接下來(lái)分析a和b兩個(gè)分通道.

（1）a分通道第2基元反應(yīng). I1a(b)經(jīng)質(zhì)子在6N和1C間遷移的過(guò)渡態(tài)T2a，8H沿過(guò)渡態(tài)虛頻振動(dòng)矢量的正向在紙面內(nèi)側(cè)從6N遷移到1C，異構(gòu)成中間體R-I2a，S-A·Ca在a通道實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu). 從I1a(b)到T2a過(guò)程，6N―8H鍵長(zhǎng)從0.102 5 nm拉伸至0.123 6 nm斷裂，需要較多的能量. 但二面角6N―1C―4C―9C從179.3°變?yōu)?150.8°，1C從sp2雜化向sp3雜化（從空配向滿配）過(guò)渡會(huì)釋放一些能量，氮?dú)滏I又較碳?xì)滏I容易斷裂，T2a產(chǎn)生了161.3 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘，遠(yuǎn)小于T1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘.

第3基元反應(yīng).R-I2a經(jīng)7H和12H左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T3a，7H和12H沿過(guò)渡態(tài)虛頻振動(dòng)矢量的正向從右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)偏里的位置，異構(gòu)成中間體R-I3a. 這為9C―1C鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)以及14Ca從羧基內(nèi)側(cè)向外側(cè)翻轉(zhuǎn)創(chuàng)造了空間條件（減小了空間位阻）.

接下來(lái)R-I3a的異構(gòu)分為a1和a2兩個(gè)分路徑，分別得到兩性和中性的R-型丙氨酸與Ca2+配合物.

(i)a1分路徑. 第4基元反應(yīng).R-I3a經(jīng)9C―1C內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T4ma1或R-T4na1，9C―1C右視逆時(shí)針（R-T4ma1虛頻振動(dòng)矢量的負(fù)向）或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（R-T3na1虛頻振動(dòng)矢量的負(fù)向），異構(gòu)成中間體R-I4a1. 從R-I3a到R-T4ma1，二面角10O―9C―1C―6N從11.9°變?yōu)?0.9°，9C―1C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)70.0°，化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量很少，R-T4ma1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是5.7 kJ·mol-1. 相似的R-T4na1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是7.6 kJ·mol-1.

第5基元反應(yīng).R-I4a1經(jīng)質(zhì)子在11O和6N之間遷移的過(guò)渡態(tài)R-T5a1，13H從11O遷移到6N，異構(gòu)成兩性丙氨酸與二價(jià)鈣的配合物R-A·Caa1.RA·Caa1與S-A·Ca鏡像對(duì)稱(chēng)，S-A·Ca在a1分通道完成了旋光異構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變. 從R-I4a1到R-T5a1，11O―13H從0.099 3 nm拉伸至0.117 8 nm斷裂，拉伸幅度很小，13H逆著體系偶極矩的方向運(yùn)動(dòng)，體系的電場(chǎng)力對(duì)13H的遷移做正功，所以RT5a1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘很小，只有2.6 kJ·mol-1.RI4a1經(jīng)R-T5a1向R-A·Caa1的異構(gòu)可視為無(wú)勢(shì)壘過(guò)程.

(ii)a2分路徑. 第4基元反應(yīng).R-I3a經(jīng)14Ca在羧基內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T4a2，14Ca沿過(guò)渡態(tài)矢量的正向從羧基內(nèi)側(cè)翻到羧基外側(cè)，異構(gòu)成中間體R-I4a2. 從R-I3a到R-T4a2過(guò)程，鍵角9C―10O―14Ca從122.2°變?yōu)?67.5°，R-T4a2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有1.3 kJ·mol-1，此基元反應(yīng)可視為無(wú)勢(shì)壘反應(yīng).

第5基元反應(yīng).R-I4a2經(jīng)11O―9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T5ma2或R-T5na2，11O―9C仰視順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，13H從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，異構(gòu)成中性丙氨酸與二價(jià)鈣產(chǎn)物配合物R-A*·Caa2. 從R-I4a到R-T5ma2過(guò)程，11O―9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)91.7°，R-T5ma2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是29.6 kJ·mol-1. 相似的R-T5na2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘也是29.6 kJ·mol-1.

（2）b分通道I1a(b)經(jīng)質(zhì)子在11O和1C間遷移的過(guò)渡態(tài)T2b，13H在紙面內(nèi)側(cè)沿過(guò)渡態(tài)矢量的正向從11O遷移到1C，異構(gòu)成產(chǎn)物配合物RA·Cab，S-A·Ca實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu). 結(jié)構(gòu)分析表明，RA·Cab與S-A·Ca鏡像對(duì)稱(chēng)，S-A·Ca在此通道實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變. 從I1a(b)到T2b過(guò)程，11O―13H鍵從0.096 5 nm拉伸至0.118 4 nm斷裂，T2b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是153.8 kJ·mol-1. T2b與T1a(b)鏡像對(duì)稱(chēng)，但T2b產(chǎn)生的能壘小于T1a(b)產(chǎn)生的能壘，原因之一是氧氫鍵較碳?xì)滏I容易斷裂，原因之二是從I1a(b)到T2b過(guò)程，α-碳從sp2雜化向sp3雜化（從空配向滿配）過(guò)渡釋放能量，降低了T2b的能壘.

從S-A·Ca在b通道的反應(yīng)歷程及勢(shì)能面可以看出，體系構(gòu)象及相對(duì)能量均關(guān)于I1a(b)對(duì)稱(chēng)，展現(xiàn)了S-A·Ca在b通道旋光異構(gòu)的對(duì)稱(chēng)美.

2.1.2S-A·Ca在c通道上的旋光異構(gòu) c通道是質(zhì)子從質(zhì)子化氨基遷移到羰基氧后，α-氫再以氨基氮為橋遷移，反應(yīng)歷程見(jiàn)圖4，反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面見(jiàn)圖3的c線.

第1基元反應(yīng).S-A·Ca經(jīng)質(zhì)子在6N―10O間遷移的過(guò)渡態(tài)S-T1c，12H沿過(guò)渡態(tài)矢量的負(fù)向從6N遷移到10O，異構(gòu)成中性丙氨酸與鈣的配合物中間體S-I1c. 從S-A·Ca到S-T1c過(guò)程，6N―12H鍵從0.102 4 nm拉 伸 至0.133 9 nm斷 裂，S-T1c產(chǎn) 生 了29.0 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘. 結(jié)構(gòu)分析表明，該基元反應(yīng)與a1路徑第5基元鏡像對(duì)稱(chēng)，然而S-T1c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘遠(yuǎn)大于R-T5a1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘. 原因是從S-A·Ca到S-T1c過(guò)程，12H是順著體系偶極矩的方向運(yùn)動(dòng)，體系的電場(chǎng)力對(duì)12H的遷移做負(fù)功，還需要提供額外的能量抵抗電場(chǎng)力做功.

圖4 S-A·Ca在c通道旋光異構(gòu)的歷程（鍵長(zhǎng)單位：nm）.Fig. 4 Reaction process of optical isomerism of S-A·Ca in channel c (Bond length unit: nm)

第2基元反應(yīng).S-I1c經(jīng)10O-9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)S-T2mc或S-T2nc，12H俯視逆時(shí)針（或順時(shí)針）旋轉(zhuǎn)，從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，異構(gòu)成中間體S-I2c.SI2c的氨基氮正面裸露，電子云密度大，為α-氫從1C向其遷移創(chuàng)造了條件. 從S-I1c到S-T2mc，10O―9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)89.3°，S-T2mc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是52.2 kJ·mol-1，相似的S-T2nc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是49.4 kJ·mol-1. 化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量不多，但ST2mc和S-T2nc產(chǎn)生了較高的能壘，原因是此基元反應(yīng)的12H是順著體系偶極矩的方向運(yùn)動(dòng)，體系的電場(chǎng)力會(huì)阻礙12H從羧基外側(cè)向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn).

第3基元反應(yīng).S-I2c經(jīng)質(zhì)子在1C和6N間遷移的過(guò)渡態(tài)T3c，13H在紙面外側(cè)從1C遷移到6N，異構(gòu)成中間體I3c. 從S-I2c到T3c過(guò)程，1C―13H鍵從0.109 3 nm拉伸至0.130 0 nm 斷裂，骨架二面角6N―1C―4C―9C從125.9°變?yōu)?54.8°，這些變化使T3c產(chǎn)生了232.8 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

第4基元反應(yīng). I3c經(jīng)過(guò)渡態(tài)T4c，14Ca從紙面內(nèi)翻轉(zhuǎn)到紙面外（右側(cè)視圖是從右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)），12H從紙面外翻轉(zhuǎn)到紙面內(nèi)（右側(cè)視圖是從左側(cè)翻轉(zhuǎn)到右側(cè)），異構(gòu)成與I3c鏡像對(duì)稱(chēng)的中間體I4c.從I3c到T4c，2個(gè)二面角小角度的翻轉(zhuǎn)所需能量很小，T4c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘僅有1.2 kJ·mol-1（此基元正負(fù)反應(yīng)能壘相同），此基元正負(fù)反應(yīng)均可視為無(wú)勢(shì)壘過(guò)程，I3c和I4c可以無(wú)阻礙地相互轉(zhuǎn)變.

第5基元反應(yīng). I4c經(jīng)過(guò)渡態(tài)T5c，7H從6N遷移到1C，異構(gòu)成中間體R-I5c. 從I4c到T5c，6N―7H鍵從0.102 6 nm拉伸至0.123 4 nm 斷裂，T5c產(chǎn)生了167.5 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘. 該能壘遠(yuǎn)小于T3c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘，原因之一是氮?dú)滏I較碳?xì)滏I易斷裂，原因之二是從I4c到T5c，6N―1C―4C―9C從-179.2°變?yōu)?154.8°，α-碳從sp2雜化向sp3雜化過(guò)渡要釋放一些能量，降低了越過(guò)T5c所需的能量.

第6基元反應(yīng).R-I5c經(jīng)10O―9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T6mc（或R-T6nc），實(shí)現(xiàn)了12H從羧基內(nèi)側(cè)向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)成中間體R-I6c. 從R-I5c到R-T6mc（或R-T6nc），10O―9C俯視順時(shí)針轉(zhuǎn)內(nèi)旋轉(zhuǎn)90.2°（或俯視逆時(shí)針轉(zhuǎn)內(nèi)旋轉(zhuǎn)88.0°），所需能量較少，RT6mc和R-T6nc產(chǎn)生的能壘分別是31.5 kJ·mol-1和28.8 kJ·mol-1. 此基元與第2基元鏡像對(duì)稱(chēng)，但此基元的能壘低于第2基元反應(yīng)的能壘，原因是此基元反應(yīng)的12H是逆著體系偶極矩的方向運(yùn)動(dòng)，體系的電場(chǎng)力會(huì)助力12H從羧基內(nèi)側(cè)向外側(cè)旋轉(zhuǎn).

結(jié)構(gòu)分析表明，R-I6c全同于R-I4a1，其接下來(lái)的異構(gòu)同于R-I4a1的異構(gòu)，得到的旋光異構(gòu)產(chǎn)物RAc(a1)與S-A·Ca鏡像對(duì)稱(chēng)，見(jiàn)2.1.1節(jié)a1路徑的討論，不再贅述.

S-A·Ca在c通道的旋光異構(gòu)歷程及勢(shì)能面顯示，體系構(gòu)象及相對(duì)能量均關(guān)于T5c對(duì)稱(chēng)，展現(xiàn)了SA·Ca在c通道旋光異構(gòu)的過(guò)程與內(nèi)在的對(duì)稱(chēng)美.

從圖3可以看出，S-A·Ca在c通道的旋光異構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)決速步能壘是232.8 kJ·mol-1（來(lái)自于過(guò)渡態(tài)T3c），低于氣相環(huán)境下兩性S-Ala與Ca2+配合物旋光異構(gòu)的能壘283.3 kJ·mol-1[17]，說(shuō)明水溶劑效應(yīng)對(duì)S-A·Ca的旋光異構(gòu)具有一定的催化作用.S-A·Ca在a和b通道的旋光異構(gòu)反應(yīng)處于劣勢(shì)，這2個(gè)通道具有共同的決速步驟，內(nèi)稟能壘是268.6 kJ·mol-1（均來(lái)自于過(guò)渡態(tài)T1a(b)）. 232.8 kJ·mol-1已經(jīng)遠(yuǎn)高于化學(xué)反應(yīng)的極限能壘160.0 kJ·mol-1[30]，說(shuō)明隱性水溶劑效應(yīng)作用下S-A·Ca不能消旋.

2.2 水分子（簇）對(duì)S-A·Ca旋光異構(gòu)反應(yīng)決速步驟的作用為獲得可靠的決速步驟的反應(yīng)能壘，既考慮水分子簇對(duì)質(zhì)子遷移反應(yīng)的影響，同時(shí)考慮水分子簇與鈣離子的配位作用. 計(jì)算表明，2個(gè)水分子簇和3個(gè)水分子簇的催化作用差別較小，1個(gè)水分子的催化作用遠(yuǎn)小于2個(gè)和3個(gè)水分子簇. 因此，為使問(wèn)題簡(jiǎn)便并節(jié)省篇幅，做氫遷移媒介的水分子簇只考慮2個(gè)水分子簇的情況，與鈣離子的配位只考慮水分子的情況.

2.2.1 水分子（簇）對(duì)a和b通道決速步驟的影響S-A·Ca在a和b通道旋光異構(gòu)的決速步驟是第一基元. 水分子（簇）與底物S-A·Ca的作用有2種，一是水分子與Ca2+形成配位鍵，二是2個(gè)水分子簇與S-A·Ca的13H及11O形成氫鍵. 水分子優(yōu)先與Ca2+形成配位鍵，配位飽和后，水簇再與SA·Ca氫鍵作用. Ca2+的配位數(shù)是6至8，S-A·Ca的Ca2+與羰基O已經(jīng)是2配位. 為節(jié)省篇幅，并使討論的結(jié)果不失一般性，考慮Ca2+再與4個(gè)和6個(gè)水分子配位，形成S-A·Ca←4H2O和S-A·Ca←6H2O. 2個(gè)水分子簇再與它們的13H和11O氫鍵作用，同時(shí)與S-A·Ca←4H2O和S-A·Ca←6H2O的水分子形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，記作S-A·Ca←4H2O·(H2O)2和S-A·Ca←6H2O·(H2O)2. 2個(gè)水分子簇傳遞13H從1C向11O遷移的歷程見(jiàn)圖5，反應(yīng)過(guò)程勢(shì)能面見(jiàn)圖6的a(b)線. 詳細(xì)討論S-A·Ca←6H2O·(H2O)2的異構(gòu)，對(duì)S-A·Ca←4H2O·(H2O)2的異構(gòu)只給出反應(yīng)能壘.

S-A·Ca←6H2O·(H2O)2經(jīng) 過(guò) 渡 態(tài)S-T1a(b)←6H2O·(H2O)2，水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)不同程度地破裂、3個(gè)質(zhì)子13H、35H和37H遷移及骨架形變協(xié)同進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從1C向11O的凈遷移，異構(gòu)成中間體I1a(b)←6H2O·(H2O)2. 從S-T1a(b)←6H2O·(H2O)2的IRC可看出，S-T1a(b)←6H2O·(H2O)2靠近產(chǎn)物，是晚期過(guò)渡態(tài). 從S-A·Ca←6H2O·(H2O)2到T1a(b)←6H2O·(H2O)2，1C―13H鍵 長(zhǎng) 從0.109 3 nm拉伸至0.135 2 nm斷裂；33O―35H鍵長(zhǎng)從0.097 2 nm拉伸斷裂，35H遷移到36O；36O―37H鍵長(zhǎng)從0.097 6 nm拉伸斷裂，37H遷移到11O；骨架二面角6N―1C―4C―9C從123.2°變?yōu)?25.3°，骨架形變較?。唤Y(jié)構(gòu)分析表明，水分子37H―36O―38H與水分子25H―24O―26H及17H―15O―16H之間的氫鍵作用被削弱. 這些變化使T1a(b)←6H2O·(H2O)2產(chǎn)生了141.3 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘. 相似地從S-A·Ca←4H2O·(H2O)2經(jīng)T1a(b)←4H2O·(H2O)2到I1a(b)←4H2O·(H2O)2，T1a(b)←4H2O·(H2O)2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是145.0 kJ·mol-1.

在誤差允許的范圍內(nèi)，可認(rèn)為T(mén)1a(b)←4H2O·(H2O)2和T1a(b)←6H2O·(H2O)2產(chǎn)生的能壘相同，該能壘遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于T1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘268.6 kJ·mol-1，說(shuō)明水分子（簇）對(duì)a和b通道旋光異構(gòu)反應(yīng)的決速步起了極好的催化作用. 原因之一是過(guò)渡態(tài)T1a(b)←4H2O·(H2O)2和T1a(b)←6H2O·(H2O)2的 八元環(huán)結(jié)構(gòu)的3條氫鍵的鍵角接近平角，氫鍵較強(qiáng)，導(dǎo) 致T1a(b)←4H2O·(H2O)2和T1a(b)←6H2O·(H2O)2的穩(wěn)定性較好；原因之二是水分子（簇）的作用顯著地減小了反應(yīng)物復(fù)合物到過(guò)渡態(tài)復(fù)合物的骨架形變.

圖5 水分子（簇）作用下S-A·Ca在a和b通道旋光異構(gòu)反應(yīng)決速步驟的歷程（鍵長(zhǎng)單位：nm）Fig. 5 The rate-determining step process of S-A·Ca optical isomerism reaction in channel a and b under the action of water molecules (clusters) (Bond length unit: nm)

圖6 水分子（簇）作用下S-A·Ca旋光異構(gòu)反應(yīng)決速步驟的吉布斯自由能勢(shì)能面（298.15 K）Fig. 6 Gibbs free energy surfaces of the rate-determining step of S-A·Ca optical isomerism reaction under the action of water molecules (clusters) (298.15 K)

2.2.2 水分子（簇）對(duì)c通道決速步驟的影響SA·Ca在c通道旋光異構(gòu)決速步驟是第3基元反應(yīng).相似于前面的討論，為節(jié)省篇幅，只考慮14Ca八配位和六配位的情況，亦即考慮7個(gè)和5個(gè)水分子與14Ca配位，2個(gè)水分子簇傳遞質(zhì)子從1C向6N遷移的情況. 歷程見(jiàn)圖7，反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面見(jiàn)圖6的c線. 對(duì)前者詳細(xì)討論，后者只給出結(jié)果.

對(duì)于7個(gè)水分子與14Ca配位的情形，首先SI2c的14Ca與7個(gè)水分子配位（14Ca已與1個(gè)O配位），配位飽和，形成S-I3c←7H2O. 然后2個(gè)水分子簇再與6N和13H氫鍵作用，形成中間體反應(yīng)物配合物S-I2c←7H2O·(H2O)2.S-I2c←7H2O·(H2O)2經(jīng)過(guò)渡態(tài)T3c←7H2O·(H2O)2，3個(gè)質(zhì)子13H、32H和34H協(xié)同非同步遷移，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從1C向6N的凈遷移，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物配合物I3c←7H2O·(H2O)2. 從T3c←7H2O·(H2O)2的IRC路徑可以看出，T3c←7H2O·(H2O)2靠近反應(yīng)物，是早期過(guò)渡態(tài). 從S-I2c←7H2O·(H2O)2到T3c←7H2O·(H2O)2過(guò) 程，1C―13H鍵從0.109 2 nm拉伸至0.162 4 nm斷裂，30O―32H鍵從0.097 6 nm拉伸至0.105 3 nm斷裂，33O―34H鍵長(zhǎng)從0.098 8 nm拉伸至0.107 7 nm；骨架二面角6N―1C―2C―10C從125.6°變?yōu)?62.7°.這些變化使T3c←7H2O·(H2O)2產(chǎn)生了161.0 kJ·mol-1的 內(nèi) 稟 能 壘. 相 似 的 從S-I2c←5H2O·(H2O)2經(jīng)T3c←5H2O·(H2O)2到I3c←5H2O·(H2O)2過(guò)程，T3c←5H2O·(H2O)2產(chǎn)生了153.1 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

在誤差允許的范圍內(nèi)，可認(rèn)為T(mén)3c←7H2O·(H2O)2和T3c←5H2O·(H2O)2產(chǎn)生的能壘相同，該能壘與前面隱性溶劑效應(yīng)下此基元反應(yīng)T3c產(chǎn)生的能壘232.8 kJ·mol-1相比較顯著降低，說(shuō)明水分子簇對(duì)此基元反應(yīng)起了極好的催化作用，原因相似于2.2.1的討論，這里從略. T3c←7H2O·(H2O)2和T3c←5H2O·(H2O)2產(chǎn)生的能壘與水液相下丙氨酸旋光異構(gòu)過(guò)程此基元反應(yīng)（決速步驟）的內(nèi)稟能壘（約110.0 kJ·mol-1[14]）相比較顯著增加，說(shuō)明Ca2+的配位對(duì)此基元反應(yīng)有負(fù)催化作用.

圖7 水分子（簇）作用下S-A·Ca在c通道旋光異構(gòu)決速步驟的反應(yīng)歷程（鍵長(zhǎng)單位：nm）Fig. 7 The reaction process of the rate-determining step of S-A·Ca optical isomerism in channel c under the action of water molecules (clusters) (Bond length unit: nm)

從圖6可以得到，水液相下的水分子（簇）作用改變了S-A·Ca旋光異構(gòu)反應(yīng)通道的優(yōu)劣順序，水分子（簇）作用下，S-A·Ca在a和b通道上的旋光異構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)，決速步驟的吉布斯自由能壘在141.3～145.0 kJ·mol-1之間，在c通道上的旋光異構(gòu)處于劣勢(shì)，決速步驟的吉布斯自由能壘在153.0～161.0 kJ·mol-1之間. 141.3 kJ·mol-1比 較接近 化 學(xué)反應(yīng)的極限能壘160.0 kJ·mol-1[31]，遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)能壘80.0 kJ·mol-1[31]，說(shuō)明通常水液相下S-A·Ca的旋光異構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行得極其緩慢. 因此在生命體內(nèi)α-丙氨酸的二價(jià)鈣鹽只能微量地或少量地消旋，可安全地用于生命體補(bǔ)充Ca2+和丙氨酸.

3 結(jié)論

在SMD/ M06-2X/6-311++G(3df, 2pd)//SMD/M06-2X/6-311+G(d, p)雙水平，研究了水液相下兩性S-α-Ala（丙氨酸）與Ca2+配合物S-α-Ala·Ca2+的旋光異構(gòu)，得到如下結(jié)論：

(1)S-α-Ala·Ca2+的旋光異構(gòu)反應(yīng)可在質(zhì)子分別以羰基氧和氨基氮為橋遷移、質(zhì)子只以羰基氧為橋遷移和質(zhì)子以氨基氮為橋遷移的3個(gè)通道a、b、c實(shí)現(xiàn). 產(chǎn)物有2種，分別是兩性R-α-Ala和中性Rα-Ala與Ca2+的配合物.

(2)S-α-Ala·Ca2+在c通道的旋光異構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)，決速步驟能壘是232.8 kJ·mol-1，來(lái)自于質(zhì)子從α-C向氨基N遷移的過(guò)渡態(tài)；a和b通道處于劣勢(shì)，決速步驟能壘是297.1 kJ·mol-1，來(lái)自于質(zhì)子從α-C向羰基O遷移的過(guò)渡態(tài)；

(3) 水分子（簇）作用改變了S-α-Ala·Ca2+旋光異構(gòu)反應(yīng)通道的優(yōu)劣順序，a和b變?yōu)閮?yōu)勢(shì)通道，決速步驟能壘在141.3～145.0 kJ·mol-1之間，c變?yōu)榱觿?shì)通道，決速步驟能壘在153.0～161.0 kJ·mol-1之間.

結(jié)果表明, 水液相下α-丙氨酸鈣的旋光異構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行得很緩慢，在生命體內(nèi)α-丙氨酸的二價(jià)鈣鹽只能微量地消旋，可安全地用于生命體補(bǔ)充Ca2+和丙氨酸.