水液相下兩性α-丙氨酸K+配合物旋光異構(gòu)的理論研究

趙麗紅，彭國強(qiáng)，姜 豐，郝成欣，劉 芳，叢建民，王佐成

(1. 白城醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，吉林 白城137000； 2. 那丹伯鎮(zhèn)中學(xué)，吉林 遼源 136000；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)

α-丙氨酸(α-Alanine, α-Ala)是結(jié)構(gòu)最簡單的手性氨基酸，在生命體內(nèi)是重要的配體.根據(jù)光學(xué)活性，分為左旋α-丙氨酸(L-α-Ala)和右旋α-丙氨酸(D-α-Ala)；根據(jù)構(gòu)型，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)是具有生物活性的優(yōu)構(gòu)體，蛋白質(zhì)的重要成分之一.D-α-Ala 有促進(jìn)細(xì)菌孢子代謝、阻止體內(nèi)脂質(zhì)氧化及清除細(xì)胞毒性的功能，可用作食品的甜味劑，但生命體內(nèi)D-α-Ala超標(biāo)時(shí)會導(dǎo)致很多疾病及衰老速度加快[1-4].

鉀(K)是主族堿金屬，是生命體必需的宏量元素，在生命體內(nèi)以一價(jià)態(tài)(K+)存在.其有調(diào)節(jié)生命體酸堿平衡以及細(xì)胞內(nèi)滲透壓的功能，還有降血壓及預(yù)防中風(fēng)的作用[5].目前補(bǔ)充鉀離子的主要方法是利用無機(jī)鹽氯化鉀、枸櫞酸鉀和醋酸鉀，有機(jī)鹽谷氨酸鉀和門冬氨酸鉀鎂等.氯化鉀等無機(jī)鹽進(jìn)入生命體內(nèi)，鉀離子會以較快的速度解離出來，會使生命體短時(shí)間內(nèi)鉀含量過高，導(dǎo)致血壓降低等問題發(fā)生.已有研究[6-7]表明，氨基酸鐵和氨基酸鋅等過渡金屬螯合物作為補(bǔ)充微量金屬元素產(chǎn)品，在臨床、食品及畜牧業(yè)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用.金屬離子與氨基酸配位緩沖了金屬離子在生命體內(nèi)的濃度，螯合物的緩慢解離保證了金屬離子質(zhì)量濃度的恒定，因此利用氨基酸鉀鹽進(jìn)行鉀與氨基酸同補(bǔ)具有重要意義.

如果生命體內(nèi)同時(shí)缺少α-Ala和K+，選擇α-Ala與K+的配合物可能是一個極好的選擇.然而，不同旋光性的手性分子一般具有不同的生物效應(yīng)，某種旋光性的手性分子對生命體具有生命活性，其手性對映體則無用甚至有嚴(yán)重的副作用.因此，α-Ala·K+在生命體內(nèi)旋光異構(gòu)的研究對指導(dǎo)人們科學(xué)地補(bǔ)充α-丙氨酸和鉀具有重要的實(shí)際意義.

人們對α-Ala及其金屬配合物的旋光異構(gòu)已經(jīng)做了大量的工作，文獻(xiàn)[8]的研究表明，納米孔道對α-Ala 的旋光異構(gòu)具有一定的限域催化作用；文獻(xiàn)[9-10]的研究表明，水液相下兩性的α-Ala分子構(gòu)象最穩(wěn)定，水分子簇做質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介可使其少量地消旋，酸堿的作用會加速其消旋反應(yīng)的速率.文獻(xiàn)[11-18]的研究表明，兩性α-Ala與K+、Ca2+、Cu2+等配合物在氣相下構(gòu)象穩(wěn)定，它們通常很難消旋.文獻(xiàn)[19-20]的研究表明，水液相下兩性的α-Ala與過渡金屬Zn2+以及堿土金屬M(fèi)g2+的配合物構(gòu)象穩(wěn)定，它們通常只能痕量或微量地消旋，可安全地用于生命體同補(bǔ)鋅和α-丙氨酸以及鎂和α-丙氨酸.

目前，對水液相下α-Ala·K+旋光異構(gòu)的研究鮮見報(bào)道.為說明α-丙氨酸與堿金屬鉀的配合物用于生命體是否安全，同時(shí)為研究復(fù)雜氨基酸鉀鹽的旋光異構(gòu)奠定基礎(chǔ)，基于以往的研究經(jīng)驗(yàn)[17,19-20]，本工作采用密度泛函理論研究了水液相下兩性α-丙氨酸與主族堿金屬鉀一價(jià)(K+)離子配合物的旋光異構(gòu).

1 模型選取及計(jì)算方法

水液相下α-丙氨酸分子以兩性離子形式存在[9]，計(jì)算表明，水液相下S-α-Ala與K+的雙齒配合物比單齒配合物穩(wěn)定，因此本工作把兩性α-Ala與K+的雙齒配合物作為反應(yīng)底物，討論其旋光異構(gòu).

采用對處理主族元素具有較好表現(xiàn)的雜化泛函M06-2X[21]，在6-311+G(d, p)基組下對單重態(tài)勢能面上的駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)(自旋多重度的測算表明，本研究體系在單重態(tài)最穩(wěn)定)進(jìn)行全參數(shù)優(yōu)化，通過對過渡態(tài)[22]進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)計(jì)算[23]，確認(rèn)過渡態(tài)與對應(yīng)的穩(wěn)定點(diǎn)存在關(guān)聯(lián)性，水溶劑效應(yīng)均采用SMD模型[24]方法處理.為計(jì)算出相對高水平的反應(yīng)過程勢能面，同時(shí)考慮到計(jì)算資源的有限，在SMD/M06-2X/6-311++G(3df, 2pd)理論水平計(jì)算各駐點(diǎn)物種的單點(diǎn)能，經(jīng)過吉布斯自由能熱校正獲得各駐點(diǎn)物種的高水平自由能(吉布斯自由能熱校正在298.15 K及1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行)，體系的總自由能等于自由能熱校正加上單點(diǎn)能.S-α-Ala與K+的配合物S-α-Ala·K+記作S-A·K，其在a通道第2個無手性的過渡態(tài)配合物記作T2a，S-A·K在b1通道異構(gòu)的第3個R型過渡態(tài)配合物記作R-T3b1，a和b通道共用的第1個無手性的中間體標(biāo)記為Ia(b)；5個水分子與S-I2c的K+配位，2個水分子與5個水分子中的若干個水分子形成氫鍵(分子間氫鍵用虛線表示)，同時(shí)2個水分子簇與S-I2c氫鍵作用的體系記作S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2，其他體系標(biāo)記法相似.計(jì)算采用Gaussian16[25]程序完成.

2 結(jié)果與討論

把氣相的兩性S-A·K雙齒構(gòu)型[17]作為初始猜測構(gòu)型，優(yōu)化得到水液相下雙齒的手性對映體S-A·K和R-A·K，見圖1.

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

對于非質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，水分子(簇)與底物的氫鍵作用對反應(yīng)能壘的絕對值影響不大，只需考慮溶劑極性的作用，即隱性水溶劑效應(yīng)；對于質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，水分子(簇)做媒介會顯著降低反應(yīng)能壘，并且與K+配位的水分子(簇)會與做質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介的水分子(簇)及其他原子形成復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而影響反應(yīng)能壘，因此，研究質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程既要考慮溶劑極性的作用，還要充分考慮水分子(簇)的存在，即顯性水溶劑效應(yīng).

為清晰地呈現(xiàn)水液相下S-A·K在可能的反應(yīng)通道旋光異構(gòu)的歷程，且節(jié)省篇幅，先討論隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·K的旋光異構(gòu)，然后討論顯性水溶劑效應(yīng)對質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的影響.

2.1 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·K的旋光異構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)，S-A·K的旋光異構(gòu)可在3個通道a、b和c實(shí)現(xiàn)，a和b通道共用第1基元反應(yīng)，為使討論過程層次清晰，將a和b通道放在一起討論，c通道單獨(dú)討論.

2.1.1S-A·K在a和b通道上的旋光異構(gòu)

S-A·K旋光異構(gòu)反應(yīng)在a、b通道的歷程見圖2(見第542頁)，反應(yīng)過程的勢能剖面見圖3的a線和b線.

圖2 S-A·K在a和b通道旋光異構(gòu)的歷程(鍵長單位： 納米)Fig.2 Reaction process of optical isomerization of S-A·K in channel a and b(Bond length unit： nanometer)

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

第1基元反應(yīng)(a、b通道共用)：S-A·K經(jīng)質(zhì)子在1C和11O之間遷移的過渡態(tài)T1a(b)，13H從1C遷移到11O，異構(gòu)成I1a(b).從S-A·K到T1a(b)，1C—13H從0.109 0 nm拉伸至0.151 8 nm斷裂；9C=11O雙鍵從0.125 3 nm拉伸至0.132 6 nm；14K和11O間的配位鍵略有伸長；二面角10O—9C—1C—6N從-3.0°變?yōu)?34.1°，9C—1C鍵右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)31.1°，這些變化導(dǎo)致T1b(a)產(chǎn)生了261.3 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘與氣相S-A·K旋光異構(gòu)此基元反應(yīng)的能壘242.3 kJ·mol-1[17]相比有所升高，說明水溶劑對此基元反應(yīng)有負(fù)催化作用.原因是S-A·K的偶極矩(5.553 7 D)大于T1a(c)的偶極矩(4.588 5 D)，水溶劑的強(qiáng)極性使S-A·K 變得相對更穩(wěn)定些.

接下來分為a和b兩個分通道.

a分通道：I1a(b)經(jīng)與T1a(b)鏡像對稱的過渡態(tài)T2a，13H在紙面內(nèi)側(cè)從11O遷移到1C，異構(gòu)成R-A·Ka，S-A·K在a通道實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu).從I1a(b)到T2a，11O—13H鍵從0.096 5 nm拉伸至0.118 6 nm斷裂，T2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是146.6 kJ·mol-1.T2a與T1a(b)在勢能面的同一高度處，但T2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘小于T1a(b)產(chǎn)生的能壘許多.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T2a，α-碳從sp2雜化向sp3雜化過渡時(shí)釋放了能量.結(jié)構(gòu)分析表明，R-A·Ka與S-A·K鏡像對稱.

從S-A·K在a通道的旋光異構(gòu)反應(yīng)歷程及勢能面可以看出，在a通道體系構(gòu)象及相對能量均關(guān)于I1a(b)對稱，展現(xiàn)了S-A·K在a通道旋光異構(gòu)外在與內(nèi)在的對稱美.

b分通道：第2基元，I1a(b)經(jīng)質(zhì)子在紙面里從質(zhì)子化氨基向α-碳遷移的過渡態(tài)T2b，8H從6N遷移到1C，異構(gòu)成R-I2b，S-A·K在b通道實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu).從I1a(b)到T2b，6N—8H從0.102 5 nm拉伸至0.123 2 nm斷裂，1C—6N從0.146 9 nm拉伸至0.153 1 nm，這些變化使T2b產(chǎn)生了164.2 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

接下來R-I2b沿b1和b2兩個分路徑異構(gòu)，分別得到更穩(wěn)定的產(chǎn)物配合物.

b1分路徑：第3基元，R-I2b經(jīng)9C—10O—14K做剪式運(yùn)動的過渡態(tài)R-T3b1，異構(gòu)成R-I3b1.從R-I2b到R-T3b1，鍵角9C—10O—14K從99.9°增加到137.3°，同時(shí)配位鍵10O—14K斷裂，這些變化使R-T3b2產(chǎn)生了11.8 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘；第4基元，R-I3b1經(jīng)14K在9C—10O兩側(cè)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動的過渡態(tài)R-T4b1，異構(gòu)成R-I4b1.從R-I3b1的R-T4b1，14K從9C—10O的右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，14K翻轉(zhuǎn)了24.6°，此過程所需能量很小，R-T4b1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有5.0 kJ·mol-1；第5基元，R-I4b1經(jīng)11O—9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T5mb1(或R-T5nb1)，13H繞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)成較穩(wěn)定的雙齒配合物R-A*·Kb1.從R-I4b1到R-T5mb1，11O—9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)94.5°，化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量不多，R-T5mb1產(chǎn)生了29.5 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.相似的R-T5nb1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是31.2 kJ·mol-1，不再贅述.

b2分路徑：第3基元，R-I2b經(jīng)1C—9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T3mb2(或R-T3nb2)，1C—19C右視順時(shí)針(或逆時(shí)針)內(nèi)旋轉(zhuǎn)152.0°(或192°)，異構(gòu)成R-I3b2.從R-I2b到R-T3mb2，10O—9C—1C—6N從23.8°變?yōu)?61.9°，1C—19C鍵旋轉(zhuǎn)85.7°，R-T3mb2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是16.9 kJ·mol-1.從R-I2b到R-T3nb2，9C—1C旋轉(zhuǎn)45.8°，比從R-I2b到R-T3mb2的9C—1C旋轉(zhuǎn)角小很多，R-T3nb2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是10.4 kJ·mol-1；第4基元，R-I3b2經(jīng)質(zhì)子在羧基和氨基間遷移的過渡態(tài)R-T4b2，13H從11O遷移到6N，異構(gòu)成與S-A·K鏡像對稱的R-A·Kb2，S-A·K在b2通道實(shí)現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變.

2.1.2S-A·K在c通道上的旋光異構(gòu)

S-A·K旋光異構(gòu)反應(yīng)在c通道上的歷程見圖4(見第544頁)，反應(yīng)過程的自由能勢能面見圖3的c線.

圖4 S-A·K在c通道旋光異構(gòu)的歷程(鍵長單位： 納米)Fig.4 Reaction process of optical isomerization of S-A·K in channel c(Bond length unit： nanometer)

第1基元：S-A·K經(jīng)質(zhì)子在氨基和羧基間遷移的過渡態(tài)S-T1c，12H從6N遷移到10O，異構(gòu)成中間體S-I1c.從S-A·K到S-T1c，6N—12H鍵從0.102 3 nm拉伸至0.136 0 nm斷裂，S-T1c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是30.5 kJ·mol-1.

第2基元：S-I1c經(jīng)9C—10O鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T2mc或S-T2nc，12H俯視逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，12H在紙面內(nèi)或紙面外從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，羧基與14K的螯合環(huán)打開，異構(gòu)成S-I2c.S-I2c的6N的正面已經(jīng)裸露，負(fù)電荷密度增大，為α-H從1C向其遷移創(chuàng)造了條件.從S-I1c到S-T2mc，二面角12H—10O—9C—11O從179.0°變?yōu)?7.7°；二面角10O—9C—1C—6N從8.8°變?yōu)?0.4°，配位鍵14K—11O從0.270 5 nm拉伸至0.290 1 nm，14K—11O從較強(qiáng)的配位鍵變?yōu)槿跖湮绘I，這些變化使S-T2mc產(chǎn)生了56.0 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.相似的S-T2nc也產(chǎn)生了56.0 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘，不再贅述.

第3基元：S-I2c經(jīng)質(zhì)子在紙面外從1C向6N遷移的過渡態(tài)T3c，異構(gòu)成I3c.從S-I2c到T3c，1C—13H從0.109 0拉伸至0.130 6 nm斷裂，1C—6N從0.146 1拉伸至0.153 1 nm，二面角4C—1C—6N—9C從-121.6°變?yōu)?155.1°，這些變化使T3c產(chǎn)生了241.7 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

第4基元： I3c經(jīng)質(zhì)子在紙面內(nèi)側(cè)在1C和6N間遷移的過渡態(tài)T4c，7H從6N遷移到1C，異構(gòu)成R-I4c，至此S-A·K在c通道實(shí)現(xiàn)了旋光異構(gòu).從I3c到T4c，6N—7H鍵從0.102 6 nm拉伸至0.122 7 nm斷裂，1C—6N鍵從0.147 0 nm拉伸至0.153 1 nm，T4c產(chǎn)生了157.4 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

第5基元：R-I4c經(jīng)10O—9C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)過渡態(tài)R-T5mc或R-T5nc，12H從羧基內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)到羧基外側(cè)，羧基與鉀的螯合環(huán)形成，異構(gòu)成R-I5c.從R-I4c到R-T5mc(或R-T5nc)，二面角12H—10O—9C—11O從-0.3°變?yōu)?7.7°(或從-0.3°變?yōu)?77.0°)；10O—9C俯視逆時(shí)針轉(zhuǎn)內(nèi)旋轉(zhuǎn)78.0°(或俯視順時(shí)針轉(zhuǎn)內(nèi)旋轉(zhuǎn)76.7°)，R-T5mc和R-T5nc產(chǎn)生的能壘都是42.0 kJ·mol-1.

結(jié)構(gòu)分析表明R-I5c同于R-I3b2，其接下來的異構(gòu)同于R-I3b2的異構(gòu)，最后異構(gòu)到與S-A·K鏡像對稱的R-A·Kc，S-A·K在c通道實(shí)現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變，見b2通道第4基元的討論，這里從略.

縱觀S-A·K在c通道的旋光異構(gòu)歷程及勢能面發(fā)現(xiàn)，體系構(gòu)象及相對能量均關(guān)于I3c對稱，展現(xiàn)了S-A·K在c通道旋光異構(gòu)的過程與內(nèi)在的對稱美.

由于正負(fù)反應(yīng)能壘小于等于40.0 kJ·mol-1以下時(shí)反應(yīng)物和產(chǎn)物可共存[26]，因此從圖3可知，反應(yīng)物是以兩性的S-A·K和中性的S-I1b(c)兩種構(gòu)象共存.由于S-A·K的相對能量低很多，所以S-A·K在反應(yīng)物中的分布要占絕大多數(shù).從圖3可以看出，S -A·K在c通道的旋光異構(gòu)略具優(yōu)勢，決速步能壘是241.7 kJ·mol-1.S-A·K在c通道旋光異構(gòu)的產(chǎn)物是中性的R-I5c與兩性的R-A·Kc共存，后者的分布占絕大多數(shù).S-A·K旋光異構(gòu)反應(yīng)的a和b通道略具劣勢，這兩個通道共同的決速步能壘是261.3 kJ·mol-1.S-A·K 在a和b通道旋光異構(gòu)的產(chǎn)物是兩性的R-A·Ka(b2)、中性的R-I3b2、R-I2b和中性的R-A*·Kb1，兩性R-A·K的分布占絕大多數(shù).

2.2 顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·K旋光異構(gòu)反應(yīng)的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程

為獲得可靠的反應(yīng)能壘，考慮水分子簇對質(zhì)子遷移的影響，同時(shí)還要考慮水分子(簇)與鉀配位、水分子簇間的氫鍵作用以及水分子簇與羧基氧等原子的氫鍵作用.計(jì)算表明，2個和3個水分子簇的催化作用差別較小，1個水分子的催化作用遠(yuǎn)小于2個和3個水分子簇，為使問題簡便并節(jié)省篇幅，做氫遷移媒介的水分子簇只考慮2個水分子簇.鉀離子的配位數(shù)是6[29]，S-A·K中鉀已經(jīng)與羰基氧2配位，再有4個水分子與鉀離子配位，鉀離子便達(dá)到滿配.水液相下水分子多以水簇的形式存在，基于此并且為了得到參與配位的水分子簇個數(shù)的不同對反應(yīng)能壘的影響，同時(shí)考慮計(jì)算成本和篇幅所限，僅對a和b通道的第1基元，對5、6和7個水分子簇參與配位的情況進(jìn)行討論.對于c通道，S-I2a中鉀已經(jīng)與羰基氧1配位，再有5個水分子與鉀配位，鉀便達(dá)到滿配，只對7個水分子簇參與配位的情況進(jìn)行討論.

2.2.1 顯性水溶劑效應(yīng)下a和b通道的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程

S-A·K在a和b通道的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程是第1和2基元.5、6和7個水分子簇參與配位時(shí)，形成S-A·K←4H2O·H2O、S-A·K←4H2O·2H2O和S-A·K←4H2O·3H2O.2個水分子簇再與S-A·K的α-氫13H及羰基氧11O形成氫鍵，同時(shí)和與鉀配位的水分子簇形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，得到氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系S-A·K←4H2O·H2O·(H2O)2m、S-A·K←4H2O·2H2O·(H2O)2m和S-A·K←4H2O·3H2O·(H2O)2m(m表示做H遷移媒介的水簇在底物的前面)等反應(yīng)物配合物絡(luò)合物.反應(yīng)歷程見圖5，反應(yīng)過程勢能面見圖6(見第546頁).為節(jié)省篇幅，對S-A·K←4H2O·H2O·(H2O)2m異構(gòu)的第1基元詳細(xì)討論，其他的基元做一般討論.

圖5 顯性溶劑效應(yīng)下S-A·K在a和b通道旋光異構(gòu)反應(yīng)的氫遷移過程(鍵長單位： 納米)Fig.5 Hydrogen migration process of S-A·K optically isomerized in channels a and b under the effect of explicit solvent(Bond length unit： nanometer)

圖6 顯性溶劑效應(yīng)下S-A·K在a和b通道旋光異構(gòu)的氫遷移反應(yīng)勢能面Fig.6 Potential energy surface of hydrogen migration reaction of S-A·K optically isomerized in channels a and b under the effect of explicit solvent

共用的第1基元反應(yīng)為：S-A·K←4H2O·H2O·(H2O)2m經(jīng)過渡態(tài)T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2m實(shí)現(xiàn)了13H從1C向11O的凈遷移，異構(gòu)成I1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2m.IRC表明，T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2m靠近產(chǎn)物是后過渡態(tài).從S-A·K←4H2O·H2O·(H2O)2m到T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2，1C—13H從0.109 2 nm拉伸至0.137 1 nm斷裂；30O—32H從0.097 2 nm拉伸斷裂，32H遷移到33O；33O—35H從0.098 0 nm拉伸斷裂，35H遷移到11O；33O—23H之間的氫鍵斷裂.這些變化使T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2m產(chǎn)生了136.6 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘與水液相下丙氨酸旋光異構(gòu)在此基元的能壘(大約是142.0 kJ·mol-1，工作理論水平下是137.3 kJ·mol-1)相差無幾，說明鉀離子對水液相下丙氨酸的旋光異構(gòu)幾乎沒影響.

相似的S-A·K←4H2O·2H2O·(H2O)2m經(jīng)T1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m到I1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m基元反應(yīng).從S-A·K←4H2O·2H2O·(H2O)2m到T1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m，1C—13H鍵從0.109 1 nm拉伸至0.137 2 nm斷裂；33O—35H鍵長從0.097 2 nm拉伸斷裂；36O—38H鍵長從0.098 2 nm拉伸斷裂；34O—24H之間的氫鍵斷裂，這些變化導(dǎo)致T1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m產(chǎn)生了140.8 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

相似的S-A·K←4H2O·3H2O·(H2O)2m經(jīng)T1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m到I1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m基元反應(yīng).從S-A·K←4H2O·3H2O·(H2O)2m到T1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m過程，1C—13H鍵長從0.109 0 nm拉伸至0.141 2 nm斷裂；36O—38H鍵長從0.098 0 nm拉伸斷裂；39O—40H鍵長從0.098 1 nm拉伸斷裂，這些變化導(dǎo)致T1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m產(chǎn)生了142.0 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)m2、T1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m和T1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m產(chǎn)生的能壘在誤差允許的范圍內(nèi)可認(rèn)為相同，這說明鉀滿配后，參與形成氫鍵的水分子個數(shù)的多少對此氫遷移反應(yīng)能壘的影響甚小.基于此，第2基元只討論5個水分子簇參與配位時(shí)，形成I1a←4H2O·H2O，紙面里的2個水分子簇再與I1a的1C及11O氫鍵作用，得到氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系I1a←4H2O·H2O·(H2O)2n(n表示做H遷移媒介的水簇在底物的后面，亦即紙面里)的異構(gòu).

a通道專屬的第2基元：I1a←4H2O·H2O·(H2O)2n經(jīng)過渡態(tài)T2a←4H2O·H2O·(H2O)2異構(gòu)成S-A·Ka←4H2O·H2O·(H2O)2，S-A·K實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu).從I1a←4H2O·H2O·(H2O)2n到T2a←4H2O·H2O·(H2O)2n，11O—13H鍵及34O—33H鍵斷裂，38O—31H鍵長從0.097 3 nm拉伸至0.124 9 nm斷裂，骨架形變，氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系的部分氫鍵或斷裂或變?nèi)?，這些變化導(dǎo)致T2a←4H2O·H2O·(H2O)2n產(chǎn)生了22.9 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘小于第1基元能壘，是因?yàn)閺腎1a←4H2O·H2O·(H2O)2n到T2a←4H2O·H2O·(H2O)2的過程，α-碳從sp2雜化向sp3雜化過渡時(shí)釋放了能量.

b通道專屬的第2基元：只討論4個水分子簇參與配位時(shí)，紙面里的2個水分子簇再與I1b的1C及6N氫鍵作用，得到氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系I1b←4H2O·(H2O)2n的異構(gòu).相似于a通道第2基元，I1b←4H2O·(H2O)2n經(jīng)過渡態(tài)T2b←4H2O·(H2O)2n異構(gòu)成S-A·Kb←4H2O·(H2O)2n.從I1b←4H2O·(H2O)2n到T2b←4H2O·(H2O)2n，化學(xué)鍵的拉伸及斷裂見圖5.T2b←4H2O·(H2O)2n產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是89.2 kJ·mol-1，該能壘不是很高的原因同于a通道專屬的第2基元，不再贅述.

2.2.2 顯性水溶劑效應(yīng)下c通道的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程

S-A·K在c通道的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程是第3和4基元反應(yīng).考慮7個水分子簇參與和14K的配位，2個水分子簇傳遞質(zhì)子從1C向6N遷移的情況，反應(yīng)歷程見圖7，反應(yīng)過程的勢能面見圖8.

圖7 顯性溶劑效應(yīng)下S-A·K在c通道旋光異構(gòu)反應(yīng)的氫遷移過程(鍵長單位： 納米)Fig.7 Hydrogen migration process of S-A·K optically isomerized in channel c under the effect of explicit solvent(Bond length unit： nanometer)

圖8 顯性溶劑效應(yīng)下S-A·K在c通道旋光異構(gòu)的氫遷移反應(yīng)勢能面Fig.8 Potential energy surface of hydrogen migration reaction of S-A·K optically isomerized in channel c under the effect of explicit solvent

第3基元反應(yīng)： 5個水分子直接與S-I2c的14K配位，又有2個水分子與5個水分子氫鍵作用，形成S-I2c←5H2O·2H2O.二聚水再與6N和13H氫鍵作用，形成中間體反應(yīng)物S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2m.S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2m經(jīng)過渡態(tài)T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m，13H、38H和40H協(xié)同非同步遷移，實(shí)現(xiàn)了α-H從1C向6N的凈遷移，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物I3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m.IRC路徑計(jì)算表明，T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m是前過渡態(tài).從S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2m到T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m，1C—13H從0.109 5 nm拉伸至0.156 8 nm斷裂，36O—38H從0.097 3 nm拉伸至0.099 6 nm，39O—40H鍵長從0.098 7 nm拉伸至0.099 3 nm；二面角6N—1C—4C—9C從126.6°變?yōu)?59.6°；36O—28H間的強(qiáng)氫鍵斷裂，21O—26H之間的強(qiáng)氫鍵變?yōu)槿鯕滏I，這些變化使T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m產(chǎn)生了141.5 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘與T3c產(chǎn)生的能壘241.7 kJ·mol-1相比較顯著降低，說明水分子(簇)對此基元反應(yīng)起了很好的催化作用.T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m產(chǎn)生的能壘與水液相下丙氨酸旋光異構(gòu)過程在此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘(約110.0 kJ·mol-1[10])相比較顯著增加，說明K+的配位對此基元反應(yīng)有負(fù)催化作用.原因是從S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2m到T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m的過程，氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系部分被破壞需要一定的能量.

第4基元反應(yīng)：相似于第3基元，I3c的14K與5個水分子簇配位，2個水分子與其中的3個水分子氫鍵作用，形成I3c←5H2O·2H2O.二聚水再與6N和1C氫鍵作用，形成中間體反應(yīng)物I3c←5H2O·2H2O·(H2O)2n.I3c←5H2O·2H2O·(H2O)2n經(jīng)過渡態(tài)T4c←5H2O·2H2O·(H2O)2n，7H、39H和36H協(xié)同非同步遷移，實(shí)現(xiàn)了H從6N向1C的凈遷移，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物R-I4c←5H2O·2H2O·(H2O)2n.從I3c←5H2O·2H2O·(H2O)2n到T4c←5H2O·2H2O·(H2O)2n，6N—7H和36O—38H分別從0.103 9和0.097 5 nm大幅拉伸斷裂，37O—36H鍵長從0.097 0 nm拉伸至0.111 6 nm，這些變化使T4c←5H2O·2H2O·(H2O)2n產(chǎn)生了70.5 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘不是很高的原因同于a通道的第2基元，不再贅述.

從圖6和圖8可以看到，水液相下的水分子(簇)作用使S-A·K旋光異構(gòu)反應(yīng)通道孰優(yōu)孰劣變得不明顯，在誤差允許的范圍內(nèi)，S-A·K在a、b和c通道上旋光異構(gòu)的決速步能壘大約在140.0 kJ·mol-1左右(或者說在136.6至142.0 kJ·mol-1之間).140.0 kJ·mol-1的能壘只能極緩慢地越過[26]，說明水液相下S-A·K的旋光異構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行得極緩慢.因此在生命體內(nèi)α-丙氨酸的一價(jià)鉀鹽只能微量地消旋，α-丙氨酸鉀用于生命體同補(bǔ)K+和丙氨酸具有較好的安全性.

3 結(jié) 論

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

1)S-α-Ala·K+的旋光異構(gòu)可在質(zhì)子以羰基O為橋、羰基O和氨基N聯(lián)合為橋、氨基N為橋遷移3個通道a、b、c實(shí)現(xiàn).反應(yīng)物以兩性的S-A·K和中性的S-I1b(c)兩種構(gòu)象共存，S-A·K的分布占絕對優(yōu)勢.

2) 隱性水溶劑效應(yīng)下，S-α-Ala·K+在c通道的旋光異構(gòu)具有優(yōu)勢，決速步能壘是241.7 kJ·mol-1，來自于α-H從α-C向氨基N遷移的過渡態(tài)；a和b通道處于劣勢，決速步能壘是261.3 kJ·mol-1，來自于α-H從α-C向羰基O遷移的過渡態(tài).

3) 顯性水溶劑效應(yīng)下，S-α-Ala·K+在各個反應(yīng)通道旋光異構(gòu)的決速步能壘基本相同，大約在136.6至142.0 kJ·mol-1之間.

結(jié)果表明： 水液相下S-α-Ala·K+旋光異構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行得極其緩慢，在生命體內(nèi)S-α-Ala·K+用于K+和丙氨酸同補(bǔ)具有較好的安全性.