水液相環(huán)境下α-丙氨酸二價(jià)鋅配合物的手性轉(zhuǎn)變機(jī)理*

蘇丹，孫玉鋒，郝成欣，姜春旭，張雪嬌，叢建民，王佐成

1. 白城醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校藥學(xué)系，吉林白城 137000

2. 白城市傳染病醫(yī)院質(zhì)量控制科，吉林白城 137000

3. 白城師范學(xué)院理論計(jì)算中心，吉林白城 137000

4. 白城師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，吉林白城 137000

過(guò)渡金屬鋅是生命的重要微量元素，在生命體內(nèi)以二價(jià)鋅離子（Zn2+）形式存在，參與蛋白質(zhì)的代謝過(guò)程，對(duì)骨骼和皮膚的發(fā)育及消化和代謝具有重要作用。其氨基酸配合物參與生命體內(nèi)的多種代謝及生理生化過(guò)程，又可用于治療疾病，與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)鹽相比，具有生物學(xué)價(jià)值高、利于吸收、污染少等優(yōu)點(diǎn)，還具備某些特別的生理和藥理作用［1-3］。

α-丙氨酸（α-alanine，α-Ala）是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的手性氨基酸，是蛋白質(zhì)和酶的基本單元，是生物體內(nèi)的重要配體。根據(jù)旋光性可分為左-丙氨酸（L-α-Ala）和右-丙氨酸（D-α-Ala），根據(jù)構(gòu)型可分為S-α-丙氨酸（S-Ala）和R-丙氨酸（R-α-Ala）。旋光性不同的α-Ala 具有不同的生理作用，生命體內(nèi)L-α-Ala 有活性，D-α-Ala 過(guò)量會(huì)導(dǎo)致某些疾病或衰老［4-6］。金屬離子α-Ala 配合物也具有手性，不同旋光性的手性分子對(duì)生命體具有迥然不同的作用，某種手性對(duì)生命體具有積極的作用，而其手性對(duì)映體則無(wú)用甚至有害。因此，光學(xué)純的手性氨基酸及其金屬配合物是否容易消旋對(duì)生命的健康極為重要。

基于手性氨基酸及其金屬配合物消旋反應(yīng)的重要性，人們對(duì)氨基酸及其金屬配合物的手性轉(zhuǎn)變做了大量的研究。文獻(xiàn)［7-12］研究表明，α-Ala 在氣相不能消旋，在水汽環(huán)境下可微量消旋，在水液相下可少量地消旋，酸堿性環(huán)境能使消旋速度大幅增加。文獻(xiàn)［13］的研究發(fā)現(xiàn)，絲氨酸的旋光異構(gòu)可以在水分子簇的催化與水溶劑的助催化作用下實(shí)現(xiàn)，羥自由基的存在可以加速絲氨酸的旋光異構(gòu)，也可以導(dǎo)致絲氨酸損傷。文獻(xiàn)［14］研究表明，SWBNNT（5，5）對(duì)Ala 的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)具有明顯的限域催化作用。文獻(xiàn)［15］研究表明，羥自由基水分子簇與MOR 分子篩的共催化可使Ala 極緩慢地消旋。文獻(xiàn)［16-19］的研究表明，氣相環(huán)境下α-Ala 的Cu2+、K+、Ca2+及Zn2+配合物的消旋反應(yīng)難以實(shí)現(xiàn)。

目前，關(guān)于氨基酸鋅的研究?jī)H限于鋅離子及水分子的配位對(duì)甘氨酸和兩性離子甘氨酸結(jié)構(gòu)的影響、鋅離子對(duì)甘氨酸的配位能力、甘氨酸鋅分子內(nèi)的H 遷移以及氣相環(huán)境下α-丙氨酸鋅的消旋反應(yīng)［19-22］，對(duì)水液相下α-丙氨酸鋅旋光異構(gòu)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為揭示α-丙氨酸鋅給生命體補(bǔ)鋅及丙氨酸是否安全，本工作采用密度泛函理論研究了水液相下丙氨酸鋅的手性轉(zhuǎn)變。

1 研究與計(jì)算方法

采用對(duì)處理含過(guò)渡金屬和弱鍵作用體系具有較高精度的雜化泛函M06 方法［23-24］，結(jié)合自洽反應(yīng)場(chǎng)理論的SMD 模型［25］方法。在6-31++G（d，p）基組下優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程中單重態(tài)（計(jì)算表明本工作研究的體系在可能的自旋態(tài)1、3、5、7 中，單重態(tài)最穩(wěn)定）勢(shì)能面上的駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)，同時(shí)獲得吉布斯自由能熱校正；采用自然鍵軌道NBO（natural bond orbital）方法計(jì)算了相關(guān)體系的NPA（natural population analysis）電荷；通過(guò)對(duì)過(guò)渡態(tài)［26］進(jìn)行IRC（內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)）計(jì)算［27］，確認(rèn)過(guò)渡態(tài)的可靠性。為得到較高精度的反應(yīng)過(guò)程勢(shì)能面，采用描述過(guò)渡金屬有較好表現(xiàn)的MN15［28］泛函，在6-311++G（3df，2pd）高角動(dòng)量基組下計(jì)算單點(diǎn)能?？傋杂赡苡肎total=Gtc+ESP計(jì)算（Gtc和ESP分別是自由能熱校正和單點(diǎn)能，自由能校正溫度是298.15 K）。水液相下S-型Ala與Zn2+的配合物Ala·Zn2+@W記作S-A@W，S-A@W 在a 通道異構(gòu)的第1 個(gè)S-型過(guò)渡態(tài)記作S-T1@Wa，第1 個(gè)S-型中間體記作SI1@Wa；a 和b 通道共用的結(jié)構(gòu)X 記作Xa（b）@W；在a 通道5 個(gè)H2O 分子 與S-A 的Zn 配位，同 時(shí)2 個(gè) 水分子簇與S-A 氫鍵作用的體系，記作S-A_1←5H2O·（H2O）2@Wa，其他體系表示法相似。文中計(jì)算工作采用Gaussian16［29］程序。

2 結(jié)果與討論

把文獻(xiàn)［19］的兩種穩(wěn)定構(gòu)型的Ala·Zn2+配合物在水液相下優(yōu)化，得到S-A_1@W 和S-A_2@W及其手性對(duì)映體見(jiàn)圖1。

圖1 水液相下兩種丙氨酸二價(jià)鋅配合物的幾何構(gòu)型Fig.1 Geometric configuration of two alanine divalent zinc complexes in water/liquid phase

計(jì)算表明，S-A_1@W 相對(duì)于S-A_2@W 的吉布斯自由能是-22.7 kJ·mol-1，S-A_1@W 比S-A_2@W 的穩(wěn)定性好。文獻(xiàn)［19］研究表明，S-A_2@W 經(jīng)過(guò)10O—9C 內(nèi)旋轉(zhuǎn)和螯合環(huán)打開(kāi)的過(guò)渡態(tài)向S-A_1@W 異構(gòu)，然后再向R-A_1@W 異構(gòu)，是其手性轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢(shì)通道。因此為節(jié)省篇幅，本工作只討論S-A_1@W 的手性轉(zhuǎn)變（在下文將S-A_1@W簡(jiǎn)單的標(biāo)記為S-A@W）。

文獻(xiàn)［19］研究表明，S-A 可通過(guò)以氧為橋、氮為橋、鋅為橋、氧與氮聯(lián)合為橋以及氧與甲基碳聯(lián)合為橋等多種途徑進(jìn)行氫遷移，實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。其中只以氧為橋的通道為第2優(yōu)勢(shì)通道；螯合環(huán)打開(kāi)與質(zhì)子從質(zhì)子化氨基向羰基氧遷移協(xié)同完成后，α-氫分別以鋅和氮為橋遷移的通道為第1優(yōu)勢(shì)通道和第3優(yōu)勢(shì)通道。其他通道無(wú)法通過(guò)水分子做H 遷移橋梁降低決速步能壘變?yōu)閮?yōu)勢(shì)通道，因此為節(jié)省篇幅，水溶劑環(huán)境下S-A 的手性轉(zhuǎn)變只討論以氧、鋅和氮為H 遷移橋梁的3個(gè)通道，分別命名為a、b和c通道。在水液相下，對(duì)于非H遷移反應(yīng)，只需考慮隱性水溶劑效應(yīng)，顯性水溶劑效應(yīng)可以忽略；對(duì)于H 遷移反應(yīng)，除了要考慮隱性水溶劑效應(yīng)，通常還要考慮顯性水溶劑效應(yīng)，即水分子（簇）做H 遷移媒介的情況。下面對(duì)a、b和c 通道分別進(jìn)行討論，a、b 和c 通道的反應(yīng)歷程分別見(jiàn)圖2、圖3 和圖4，反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能剖面分別見(jiàn)圖5A、圖5B的b線、圖5B和圖5C的c線。

2.1 水溶劑環(huán)境下S-A在a通道的手性轉(zhuǎn)變

該通道的2 個(gè)基元反應(yīng)都是水分子（簇）做H遷移媒介的情況。Zn配位數(shù)的最大值是6，反應(yīng)物S-A 的14Zn 已與2 個(gè)O 配位，考慮到水分子的作用，14Zn還要與4個(gè)水分子配位。計(jì)算表明，對(duì)于本體系單個(gè)水分子及3個(gè)水分子簇做媒介時(shí)H 遷移反應(yīng)能壘高于2水分子簇做媒介，為節(jié)省篇幅，本小節(jié)只討論2個(gè)水分子簇做媒介的H 遷移反應(yīng)（單個(gè)水分子及3個(gè)水分子簇做媒介時(shí)，過(guò)渡態(tài)構(gòu)象相對(duì)不穩(wěn)定）。因此我們研究2 個(gè)水分子簇在S-A 的前面與1C 和10O 氫鍵作用，形成的反應(yīng)物配合物復(fù)合物S-A←4H2O·（H2O）2m@Wa（m 表示2 聚水在S-A的前面）的異構(gòu)。反應(yīng)歷程及過(guò)渡態(tài)矢量見(jiàn)圖2，反應(yīng)的吉布斯自由能勢(shì)能剖面見(jiàn)圖5A。

圖2 水液相下S-A在a通道的手性轉(zhuǎn)變歷程（鍵長(zhǎng)單位：nm）Fig.2 The chiral transition process of S-A in pathway a in water/liquid phase(Bond length unit:nm)

第1基元反應(yīng)，是S-A的α-氫13H在水分子簇作用下從1C 向羰基氧10O 遷移。而后S-A←4H2O·(H2O)2m@Wa經(jīng)過(guò)渡態(tài)T1←4H2O·(H2O)2m@Wa,異構(gòu)成中 間 體I1←4H2O· (H2O)2m@Wa。 從S-A←4H2O·(H2O)2m@Wa到T1←4H2O· (H2O)2m@Wa過(guò) 程, 1C—13H、 15O—20H 和 10O—17H 鍵 從 0.109 9、0.097 5 和0.097 2 nm 分 別 拉 伸 至0.177 8、0.130 6和0.102 4 nm 斷裂，骨架二面角6N—1C—4C—9C 從121.5°變 為133.4°，15O 和31H 以 及18O 和29H 之間的氫鍵斷裂。多個(gè)化學(xué)鍵的拉伸斷裂、骨架的形變以及氫鍵的斷裂需要一定的能量。由于過(guò)渡態(tài)的氫鍵角1C—13H—15O、15O—20H—18O 和18O—17H—10O 分別是159.0°、159.9°和155.7°，接近平角，氫鍵較強(qiáng)，導(dǎo)致過(guò)渡態(tài)相對(duì)較穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)分析表明過(guò)渡態(tài)八元環(huán)結(jié)構(gòu)偏離平面,又導(dǎo)致過(guò)渡態(tài)不穩(wěn)定。因此T1←4H2O·(H2O)2m@Wa產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘不很高又不很低，能壘值是159.9 kJ·mol-1。與2.1 節(jié)中氣相的此基元反應(yīng)過(guò)渡態(tài)T1_1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘305.9 kJ·mol-1相比較，水分子(簇)及水溶劑效應(yīng)的共同作用使該基元的內(nèi)稟能壘大幅降低。

第2 基元反應(yīng)，為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，中間體I1←4H2O·(H2O)2m@Wa的繼續(xù)異構(gòu)，考慮其(H2O)2m與體系的氫鍵解離，(H2O)2在紙面里與I1←4H2O@Wa通過(guò)氫鍵作用形成與I1←4H2O·(H2O)2m@Wa鏡像對(duì)稱的中間體反應(yīng)物I1←4H2O·(H2O)2n@Wa( n 表示2 聚水在S-A 的前面) 。I1←4H2O·(H2O)2n@Wa向R-型產(chǎn)物的異構(gòu)與第1 基元反應(yīng)鏡像對(duì)稱，I1←4H2O·（H2O)2n@Wa經(jīng)過(guò)渡態(tài)T2←4H2O·(H2O)2n@Wa，異構(gòu)得到產(chǎn)物配合物復(fù)合物R-A←4H2O·(H2O)2@Wa，S-A@W 實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變。從I1←4H2O·(H2O)2n@Wa到T2←4H2O·(H2O)2n@Wa過(guò) 程，15O—13H、 18O—20H 和 10O—17H 鍵 從 0.097 8、0.097 8 和0.098 9 nm 分 別 拉 伸 至0.104 6、0.112 1 和0.154 8 nm 斷裂，3 個(gè)O—H 鍵幅度不大的拉伸所需能量不是很多，小于3 個(gè)C—H 鍵斷裂所需能量，并且過(guò)渡態(tài)的八元環(huán)存在3條較強(qiáng)的氫鍵，導(dǎo)致過(guò)渡態(tài)較穩(wěn)定,因此T2←4H2O·(H2O)2n@Wa產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘不高，只有54.2 kJ·mol-1。

2.2 水溶劑環(huán)境下S-A在b和b*通道的手性轉(zhuǎn)變

文獻(xiàn)［12］的研究表明，水分子（簇）做H 遷移媒介會(huì)使氨基和羧基間的H 遷移能壘升高，因此對(duì)于氨基和羧基間的H 遷移不討論水分子的作用。計(jì)算表明，水分子存在時(shí)水分子的O 優(yōu)先與S-I2b的14Zn 配位，水分子（簇）無(wú)法在α-C 和14Zn之間傳遞H，因此，對(duì)于α-C 和14Zn 之間的H 遷移不討論顯性水溶劑效應(yīng)。水液相下S-A 在b通道的手性轉(zhuǎn)變歷程見(jiàn)圖3，反應(yīng)勢(shì)能面見(jiàn)圖5B 的b線。水液相下從S-I1@Wb還可以直接實(shí)現(xiàn)13H 向14Zn 遷移，命名為b*分通道，反應(yīng)勢(shì)能面見(jiàn)圖5B的b*線。

圖3 水液相下S-A在b通道的手性轉(zhuǎn)變歷程（鍵長(zhǎng)單位：nm）Fig.3 The chiral transition process of S-A in pathway b in water/liquid phase(Bond length unit:nm)

第1 基元反應(yīng)（b 和b*共用），S-A@W 經(jīng)11O—9C 內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)S-T1@W（b，b*），14Zn從去質(zhì)子羧 基 內(nèi) 側(cè) 轉(zhuǎn) 到 外 側(cè)，異 構(gòu) 成S-I1@W（b，b*），ST1@W（b，b*）。S-T1@W（b，b*）產(chǎn) 生 的 內(nèi) 稟 能 壘 是24.2 kJ·mol-1。

第2 基 元 反 應(yīng)，S-I1@W（b，b*）經(jīng)8H 從 質(zhì) 子 化氨基向羰基氧10O 遷移的過(guò)渡態(tài)S-T2@Wb，異構(gòu)成S-I2@Wb。S-T2@Wb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是40.4 kJ·mol-1。

第3 基元反應(yīng)，S-I2@Wb經(jīng)13H 從1C 向14Zn遷移的過(guò)渡態(tài)T3@Wb，異構(gòu)成I3@Wb。從S-I2@Wb到T3@Wb，1C—13H 鍵 長(zhǎng) 從0.109 9 nm 拉 伸 至0.197 1 nm 斷裂，11O—14Zn 鍵長(zhǎng)從0.196 2 nm 拉伸 至0.232 9 nm；二 面 角6N—1C—4C—9C 從119.2°變?yōu)?53.6°，骨架形變明顯；二面角6N—1C—9C—10O 從-6.8°變?yōu)?59.5°，9C—1C 鍵右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)。因此從S-I2@Wb越過(guò)T3@Wb需很多能量，T3@Wb產(chǎn)生了177.2 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。該能壘遠(yuǎn)高于氣相下此基元的內(nèi)稟能壘1.1 kJ·mol-1［19］，說(shuō)明水溶劑對(duì)此基元反應(yīng)起了極顯著的負(fù)催化作用。原因有兩個(gè)，一是S-I2@Wb與S-I2b相比較，1C 的電荷從-0.025 e 增加到-0.183 e，13H 的電荷從0.007 e 增加到0.286 e，1C—13H 鍵長(zhǎng)從0.127 0 nm 縮短到0.109 9 nm，1C 對(duì)13H 的庫(kù)侖引力顯著增加；振動(dòng)頻率分析表明，1C—13H鍵的伸縮振動(dòng)頻率從1 281.6 cm-1增加到3 062.3 cm-1，發(fā)生了極顯著的藍(lán)移。二是從S-I2 @ Wb到T3_1@Wb，雖然13H 的電荷從0.286 e 逐漸變?yōu)?0.51 e，但1C 的電荷從-0.183 e 逐漸變?yōu)?.341 e，對(duì)13H負(fù)離子具有庫(kù)侖引力作用。

第4基元反應(yīng)，I3@Wb經(jīng)13H 相對(duì)于14Zn左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)T4@Wb，異構(gòu)成I4@Wb。T4@Wb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘很小，只有2.4 kJ·mol-1。

第5 基元反應(yīng)，I4@Wb經(jīng)6N—1C 和9C—1C 鍵協(xié)同內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)T5@Wb，異構(gòu)成與I4@Wb鏡像對(duì)稱的中間體配合物I5@Wb。從I4@Wb到T5@Wb過(guò)程，9C—1C鍵右視逆時(shí)針轉(zhuǎn)內(nèi)旋轉(zhuǎn)45.0°，還要克服來(lái)自12H 的很大的空間位阻，同時(shí)6N—1C 鍵俯視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)127.0°，需要很高的能量，因此T5@Wb產(chǎn)生了197.2 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第6基元反應(yīng)，I5@Wb經(jīng)13H 相對(duì)于14Zn左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)T6@Wb，異構(gòu)成I6@Wb。T6@Wb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘很小很小，只有1.6 kJ·mol-1。

第7 基元反應(yīng)，I6@Wb經(jīng)過(guò)渡態(tài)T7@Wb，13H 從14Zn 向1C 遷移，異構(gòu)成R-I7@Wb。從I6@Wb到T7@Wb，13H—14Zn 鍵 從0.154 9 nm 拉伸至0.159 9 nm，T7@Wb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是32.5 kJ·mol-1。

第8 基元反應(yīng)，R-I7@Wb經(jīng)8H 從羧基氧10O向氨基氮6N 遷移的過(guò)渡態(tài)R-T8@Wb，異構(gòu)成RI8@Wb。R-T8@Wb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有1.1 kJ·mol-1，該基元反應(yīng)幾乎無(wú)勢(shì)壘。

第9 基元反應(yīng)，R-I8@Wb經(jīng)11O—9C 內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T9@Wb，14Zn 從去質(zhì)子羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，異構(gòu)成R-A@Wb，R-T9@Wb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是12.9 kJ·mol-1。結(jié)構(gòu)分析表明，R-A@Wb與SA@W 鏡像對(duì)稱，S-A@W 在b 通道實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變。

S-A@W 在b 通道的反應(yīng)歷程及勢(shì)能面，展現(xiàn)了S-A@W 在b 通道手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變的過(guò)程與內(nèi)在美。

b*分通道。

第2 基元，S-I1@W（b，b*）經(jīng)13H 從1C 向14Zn 遷移的過(guò)渡態(tài)T2@Wb*，異構(gòu)成S-I2@Wb*。T2@Wb*產(chǎn)生的能壘是345.6 kJ·mol-1。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于T3@Wb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘，原因是從S-I1@W（b，b*）到T2@Wb*，1C—13H 鍵長(zhǎng)從0.109 5 nm 拉伸至0.199 0 nm，斷裂， 11O—14Zn 鍵 長(zhǎng) 從0.192 2 nm 拉 伸 至0.300 2 nm，斷裂；二面角6N—1C—4C—9C 從119.5°變?yōu)?61.7°，二面角6N—1C—9C—10O從－9.7°變?yōu)椋?9.3°。1C—13H鍵的拉伸、11O—14Zn 鍵的拉伸、9C—1C 鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)及骨架的形變均大于從S-I2@Wb到T3@Wb過(guò)程許多。此基元能壘太高，反應(yīng)通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)，接下來(lái)的異構(gòu)不予討論。

2.3 水溶劑環(huán)境下S-A在c通道的手性轉(zhuǎn)變

S-A 在c 通道的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)歷程及過(guò)渡態(tài)見(jiàn)圖4，反應(yīng)的自由能勢(shì)能面見(jiàn)圖5B和圖5C的c線。

圖4 水液相下S-A在c通道的手性轉(zhuǎn)變歷程（鍵長(zhǎng)單位：nm）Fig.4 The chiral transition process of S-A in pathway c in water/liquid phase(Bond length unit:nm)

第1、2 基元反應(yīng)b、c 通道公用，氣相第3 基元氨基翻轉(zhuǎn)與羧基旋轉(zhuǎn)協(xié)同進(jìn)行的過(guò)程在水液相下變成了分步進(jìn)行的過(guò)程，分為第3、4 基元，原來(lái)氣相的13H 從1C 向6N 遷移的第4 基元現(xiàn)在變?yōu)榈?基元反應(yīng)，是該路徑的決速步。計(jì)算表明，水溶劑環(huán)境下水分子（簇）考慮與否對(duì)非H 遷移反應(yīng)的能壘影響不大，對(duì)H 遷移反應(yīng)的能壘影響較大。因此對(duì)第3、4 基元只考慮水溶劑效應(yīng)，而對(duì)第5 基元（H 遷移反應(yīng)）相似于c 通道，既考慮水分子與14Zn 配位、水分子簇作H 遷移媒介，同時(shí)又考慮水溶劑效應(yīng)。為節(jié)省篇幅，突出重點(diǎn)，并兼顧反應(yīng)的連續(xù)性，本節(jié)對(duì)第3、4 基元做一般討論，對(duì)第5基元進(jìn)行詳細(xì)討論，對(duì)后面的過(guò)程只做簡(jiǎn)單說(shuō)明。

第3 基元反應(yīng)，S-I2@W（b，c）經(jīng)7H 與2H 左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)S-T3@Wc，7H 與2H 從左側(cè)翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，異構(gòu)成S-I3@Wc。7H 與2H 左右翻轉(zhuǎn)所需能量很少，S-T3@Wc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有15.0 kJ·mol-1。

第4 基元反應(yīng)，S-I3@Wc經(jīng)10O—9C 鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)S-T4m@Wc（或S-T4n@Wc），羧羥基俯視逆時(shí)針轉(zhuǎn)（或順時(shí)針）旋轉(zhuǎn)，8H 從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，異構(gòu)成S-I4@Wc?；瘜W(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量不多，S-T4m@Wc和S-T4n@Wc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘分別是48.6和48.9 kJ·mol-1。

第5 基元反應(yīng)，是S-I4@Wc的α-氫在水分子簇作用下從1C向6N遷移。首先14Zn與5個(gè)水分子配位(Zn 配位數(shù)的最大值是6,14Zn 已與一個(gè)O 配位），2 個(gè)水分子簇與6N、13H、28H 以及23H 氫鍵作用，形成中間體反應(yīng)物S-I4←5H2O·(H2O)2m@Wc。而后S-I4←5H2O·(H2O)2m@Wc經(jīng)過(guò)渡態(tài)T5←5H2O·(H2O)2m@Wc,異構(gòu)成中間體I5←5H2O·(H2O)2m@Wc。 從S-I4←5H2O· (H2O)2m@Wc到T5←5H2O·(H2O)2m@Wc，1C—13H 鍵 從0.110 0 nm 拉 伸 至0.151 8 nm，斷裂，30O—32H 鍵從0.100 1 nm 拉伸至0.102 9 nm，斷裂，33O—34H鍵從0.098 2 nm拉伸至0.098 5 nm；二面角6N—1C—4C—9C 從127.5°變?yōu)?57.5°；二面角14Zn—11O—9C—10O從178.3°變?yōu)?65.1°，14Zn←5H2O 集團(tuán)向紙面里大幅翻轉(zhuǎn)；30O—23H 及30O—28H 間的氫鍵斷裂。多個(gè)共價(jià)鍵和氫鍵斷裂、骨架形變、及14Zn←5H2O集團(tuán)的大幅翻轉(zhuǎn)需一定的能量，T5←5H2O·（H2O）2m@Wc產(chǎn) 生 的 內(nèi) 稟 能 壘 較 高， 是140.7 kJ·mol-1。

第6 基元是羧羥基H 和Zn 在紙面里外翻轉(zhuǎn)過(guò)程。羧羥基H 和Zn 在紙面里外翻的能壘與水分子簇是否與質(zhì)子化氨基上的H 有氫鍵作用影響甚微，為使問(wèn)題簡(jiǎn)便，此基元反應(yīng)物不考慮I5←5H2O·（H2O）2m@Wc的（H2O）2m。但由于配位鍵較強(qiáng)，且Zn在紙面里外翻轉(zhuǎn)所需能量的多少與是否有水分子與其配位密切相關(guān)，此基元仍考慮有5個(gè)水分子與I5 配位。因此，把此基元的反應(yīng)物視為I5←5H2O@Wc。I5←5H2O·（H2O）2m@Wc經(jīng)10O—9C 和11O—9C 協(xié)同內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)T6←5H2O@Wc，8H從紙面外轉(zhuǎn)到紙面里，Zn與5個(gè)水集團(tuán)從紙面里轉(zhuǎn)到紙面外，異構(gòu)成I6←5H2O@Wc。此基元是2 個(gè)化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所需能量很少，T6←5H2O@Wc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘大約是6.5 kJ·mol-1。

第7 基元反應(yīng)與本小節(jié)第5 基元反應(yīng)鏡像對(duì)稱。I6←5H2O@Wc的質(zhì)子化氨基的7H 與紙面里的2 個(gè)水分子簇氫鍵作用，形成此基元的反應(yīng)物I6←5H2O·（H2O）2n@Wc。I6←5H2O·（H2O）2n@Wc經(jīng)3 質(zhì)子協(xié)同遷移的過(guò)渡態(tài)T7←5H2O·（H2O）2n@Wc，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物R-I7←5H2O·（H2O）2n@Wc，S-A@W 實(shí)現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變。從I6←5H2O·（H2O）2n@Wc到T7←5H2O·（H2O）2n@Wc，6N—7H、33O—32H 和30O—13H 鍵拉伸斷裂所需能量不是很多，且T7←5H2O·（H2O）2n@Wc的七元環(huán)結(jié)構(gòu)存在較強(qiáng)的氫鍵，構(gòu)象相對(duì)穩(wěn)定，因此T7←5H2O·（H2O）2n@Wc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘不高，是83.2 kJ·mol-1。

第8 基元反應(yīng)與本小節(jié)第4 基元反應(yīng)鏡像對(duì)稱，羧羥基H 的旋轉(zhuǎn)能壘與Zn 是否與水分子配位關(guān)系不大，為使問(wèn)題簡(jiǎn)便，將R-I7@Wc視為此基元反應(yīng)物。R-I7@Wc經(jīng)10O—9C 鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T8m@Wc或R-T8n@Wc，8H 在紙面外（或紙面內(nèi)）從羧基內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)到外側(cè)，異構(gòu)成R-I8@Wc。R-T8m@Wc和R-T8n@Wc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘分別是46.1和45.9 kJ·mol-1。

第9基元反應(yīng)與本小節(jié)第3基元反應(yīng)鏡像對(duì)稱。R-I8@Wc經(jīng)氨基氫左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T9@Wc，7H 和12H 從6N 的右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，異構(gòu)成RI9@Wc。R-T9@Wc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是4.0 kJ·mol-1。

R-I9@Wc同于R-I7@Wb，其接下來(lái)的第10 和11基元，同于R-I7@Wb的異構(gòu)，見(jiàn)2.1.2小節(jié)S-A在b 通道手性轉(zhuǎn)變的第8 和9 基元。最終得到產(chǎn)物R-A@Wc，S-A@W在c通道實(shí)現(xiàn)手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變。

S-A@W 在c 通道的反應(yīng)歷程及勢(shì)能面，同樣展現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變的過(guò)程美與內(nèi)在美。

從圖5 可以看出，S-A@W 手性轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢(shì)通道是c，第5 基元是決速步驟，能壘是140.7 kJ·mol-1。亞優(yōu)勢(shì)通道是a，決速步是第1 基元，能壘是159.9 kJ·mol-1。氣相反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)通道b 在水液相下變?yōu)榱觿?shì)通道，第5 基元是決速步，能壘是194.2 kJ·mol-1。從前面的討論可知，此能壘來(lái)自α-H 從α-C 向Zn 遷移的過(guò)渡態(tài)，然而氣相下該通道的決速步能壘來(lái)自第2 基元9C—1C 鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)［19］。溶劑效應(yīng)改變了反應(yīng)通道優(yōu)劣的排序及決速步驟。140.7 kJ·mol-1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫和反應(yīng)能壘80.0 kJ·mol-1［30］，距離化學(xué)反應(yīng)極限能壘167.0 kJ·mol-1［30］不算太遠(yuǎn)，說(shuō)明通常水液相下S-A 只能微量地消旋。

圖5 水液相下S-A手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)的吉布斯自由能勢(shì)能面Fig.5 Gibbs free energy potential energy surface of S-A chiral transition reaction in water/liquid phase

3 結(jié) 論

在SMD/MN15/6-311++G （3df， 2pd）//SMD/M06/6-31++G（d， p）雙水平，對(duì)兩性丙氨酸二價(jià)鋅配合物S-A 在水液相下手性轉(zhuǎn)變的研究得到如下結(jié)論：

1）S-A@W 在c 通道的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)最具優(yōu)勢(shì)，決速步自由能壘是140.7 kJ·mol-1，來(lái)自α-H從α-C向氨基N遷移的過(guò)渡態(tài)。

2）S-A@W 在a 通道的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)是亞優(yōu)勢(shì)通道，決速步自由能壘是159.9 kJ·mol-1，來(lái)自α-H從α-C向羰基O遷移的過(guò)渡態(tài)。

3）S-A@W 在b 通道的手性轉(zhuǎn)變反應(yīng)為劣勢(shì)通道，決速步自由能壘是194.2 kJ·mol-1，來(lái)自α-H從α-C向Zn遷移的過(guò)渡態(tài)。

結(jié)果表明，丙氨酸鋅在水液相下較難消旋，其用于生命體補(bǔ)鋅及丙氨酸具有比較好的安全性。