水液相下羥基負(fù)離子（水分子簇）催化脯氨酸旋光異構(gòu)的理論研究*

劉軍，唐曉文，潘宇，劉芳，張雪嬌，馬宏源，王佐成

1. 白城師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 137000

2. 中山大學(xué)藥學(xué)院，廣東 廣州 510275

3. 白城師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林 白城 137000

脯氨酸（Pro，proline）是手性氨基酸，構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分。按構(gòu)象分為S-型（S-Pro）和R-型（R-Pro），按旋光性分為左旋（L-Pro）和右旋（D-Pro）。L-Pro 在生命體內(nèi)具有活性，對(duì)促進(jìn)膠原蛋白的合成及軟骨修復(fù)具有積極作用［1］，可催化對(duì)硝基苯甲醛與丙酮不對(duì)稱Aldol 以及水楊醛與丙二酸二乙酯的Knoevenagel 等分子間縮合反應(yīng)［2-3］，還可催化分子內(nèi)不對(duì)稱羥醛的縮合反應(yīng)［4］。D-Pro 用于生物化學(xué)研究及甜味食品添加劑，但在生命體內(nèi)過量的D-Pro會(huì)對(duì)健康不利［5-7］。

由于不同旋光性的Pro 有不同的作用，人們對(duì)其旋光異構(gòu)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［8］對(duì)L-Pro 旋光異構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究表明，L-Pro 在乙酸和正丁醛水溶液中消旋比在水液相中快得多。文獻(xiàn)［9］對(duì)氣相Pro旋光異構(gòu)及水分子催化的理論研究表明，氣相中性Pro 的構(gòu)象穩(wěn)定，水分子對(duì)Pro 的旋光異構(gòu)有催化作用，水汽環(huán)境的Pro 可緩慢地消旋。文獻(xiàn)［10］的理論研究表明，水分子簇的催化使Pro 旋光異構(gòu)優(yōu)勢(shì)反應(yīng)的決速步能壘降到101.9 kJ·mol-1，水液相下的Pro可緩慢地實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。

已有研究表明，水液相下OH-對(duì)賴氨酸和α-丙氨酸等的旋光異構(gòu)有催化作用［11-15］，這些氨基酸的消旋能壘被降到63.0 kJ·mol-1以下。生命體內(nèi)有OH-存在，研究水液相下OH-對(duì)Pro 消旋的催化有重要意義。一是為實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)Pro 的旋光異構(gòu)在理論上提供一個(gè)新途徑，二是可為人們補(bǔ)充Pro 提供理論指導(dǎo)。然而，目前對(duì)水液相下OH-催化Pro旋光異的理論研究未見報(bào)道。文獻(xiàn)［10］的研究表明，水液相下兩性Pro 構(gòu)象穩(wěn)定，基于此，本工作對(duì)水液相下OH-催化兩性Pro 旋光異構(gòu)進(jìn)行理論研究。

1 研究與計(jì)算方法

采用雜化泛函M06-2X 方法［16］，結(jié)合處理溶劑效應(yīng)的SMD模型［17］選用6-311+G(d,p)基組，優(yōu)化水液相下OH-·(H2O)作用的S-Pro 旋光異構(gòu)的駐點(diǎn)；對(duì)過渡態(tài)［18］進(jìn)行IRC［19］計(jì)算以確認(rèn)其可靠性。為計(jì)算出精確的反應(yīng)勢(shì)能面，用高精度雜化泛函MN15 方法［20］結(jié)合6-311++G(3df,2pd)基組計(jì)算駐點(diǎn)單點(diǎn)能。總自由能Gtotal是自由能熱校正Gtc和單點(diǎn)能ESP之和，自由能校正在298.15 K和1.013 25×105Pa下進(jìn)行，勢(shì)能面上每條勢(shì)能曲線0.0 kJ·mol-1能量對(duì)應(yīng)的駐點(diǎn)為該段曲線上駐點(diǎn)的相對(duì)總自由能零點(diǎn)。S-Pro 在a 通道旋光異構(gòu)的第2 個(gè)S-型過渡態(tài)記作S-T2a，第2 個(gè)S-型中間體記作S-I2a，a、b 和c 通 道 共 用 結(jié) 構(gòu)X 記 作Xa（b，c）；在a 通 道S-I3a與OH-·H2O 氫鍵作用的體系記作S-I3a·（OH-·H2O）；a通道第4個(gè)沒有手性的中間體-碳負(fù)離子記作I4-a；I4-a與2個(gè)水分子簇氫鍵作用的體系記作I4-a·(H2O)2，其他體系表示法相似。文中計(jì)算工作采用Gaussian16程序［21］。

2 結(jié)果與討論

文獻(xiàn)［10］的水液相下最穩(wěn)定的兩性脯氨酸手性對(duì)映體S-Pro 和R-Pro 的構(gòu)象，見圖1。結(jié)構(gòu)分析表明，S-Pro 和R-Pro 存在一個(gè)較強(qiáng)的分子內(nèi)單氫鍵（氨基氫和羰基氧）以及2 個(gè)分子內(nèi)弱氫鍵（五元環(huán)氫與羰基氧）；S-Pro的五元環(huán)上與α-碳鄰對(duì)位的碳向內(nèi)側(cè)凹陷。計(jì)算表明，圖1所示最穩(wěn)定的兩性脯氨酸構(gòu)象較次穩(wěn)定構(gòu)象（S-Pro 五元環(huán)中與α-碳相對(duì)的碳處于凸起狀態(tài)）的能量低0.3 kJ·mol-1，最穩(wěn)定構(gòu)象與次穩(wěn)定構(gòu)象共存，相互轉(zhuǎn)化的能壘大約是10.0 kJ·mol-1。為節(jié)約篇幅，本工作以圖1 所示最穩(wěn)定的S-Pro 為反應(yīng)物，研究水液相下羥基負(fù)離子水分子簇催化的旋光異構(gòu)。

圖1 兩性脯氨酸手性對(duì)映體最穩(wěn)定的幾何構(gòu)象Fig.1 The most stable geometric conformation of the chiral enantiomers of amphoteric proline

水液相下OH-·(H2O)催化的S-Pro 旋光異構(gòu)，分為S-Pro 異構(gòu)成中性亞氨基酸后OH-·(H2O)抽取α-H 質(zhì)子和OH-·(H2O)直接抽取兩性S-Pro 的α-H質(zhì)子兩種情況。第1種情況分為3個(gè)通道a、b和c，a是S-Pro 異構(gòu)成中性亞氨基酸后，接羧羥基旋轉(zhuǎn)，再接亞氨基翻轉(zhuǎn)，而后，OH-·（H2O）抽取α-H 質(zhì)子；b 是S-Pro 異構(gòu)成中性亞氨基酸后，接亞氨基翻轉(zhuǎn)，而后，OH-·（H2O）抽取α-H 質(zhì)子；c 是SPro 異構(gòu)成中性亞氨基酸后，OH-·（H2O）便抽取α-H質(zhì)子。第2種情況只有1個(gè)通道d，是OH-·（H2O）直接抽取α-H 質(zhì)子。對(duì)于OH-·（H2O）抽取α-H 質(zhì)子，可以是OH-自己抽取α-H 質(zhì)子，也可以是OH-·H2O 抽取α-H 質(zhì)子。在水液相下，絕大多數(shù)是OH-和H2O 氫鍵作用形成OH-·H2O，因此，為節(jié)省篇幅，OH-自己抽取α-H 質(zhì)子的情況我們只在a通道討論。下面對(duì)S-Pro 在a、b、c 和d 通道的旋光異構(gòu)分別進(jìn)行討論。

2.1 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下S-Pro在a、b和c通道的旋光異構(gòu)

2.1.1 a 通道a 通道的反應(yīng)歷程1～4 基元見圖2，2～10 基元見圖3，反應(yīng)的勢(shì)能面見圖4。第1～3 基元反應(yīng)過程文獻(xiàn)［10］做了詳細(xì)討論。由于本文單點(diǎn)能計(jì)算采用MN15 方法，才使勢(shì)能面發(fā)生了較小的變化，這里只做一般討論。

圖2 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下脯氨酸在a通道旋光異構(gòu)的歷程（1～4基元）Fig.2 The process of optical isomerization of proline in channel a under the action of hydroxyl anion(water clusters)(1-4 primitives)

圖3 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下脯氨酸在a通道旋光異構(gòu)的歷程（5～10基元）Fig.3 The process of optical isomerization of proline in channel a under the action of hydroxyl anion(water clusters)(5-10 primitives)

圖4 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下脯氨酸在a通道旋光異構(gòu)反應(yīng)的自由能勢(shì)能面Fig.4 The free energy potential surfaces of optical isomerization of proline in channel a under the action of hydroxyl anion(water clusters)

第1 基元反應(yīng)，該基元為a、b、c 通道共用。S-Pro 經(jīng)過渡態(tài)S-T1a(b,c), 11H 從2N 遷移到7O,異構(gòu)成中間體S-I1a(b,c),S-T1a(b,c)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為21.6 kJ·mol-1。

第2 基元反應(yīng)。S-T1a(b,c)經(jīng)7O—6C 內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T2ma(或S-T2na)，異構(gòu)成S-I2a，S-T2ma和S-T2na產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為52.9和54.7 kJ·mol-1。

第3 基元反應(yīng)。S-I2a 經(jīng)亞氨基H 在紙面內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T3a，10H 從紙面外側(cè)翻轉(zhuǎn)到紙面內(nèi)，異構(gòu)成S-I3a，S-T3a 產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為15.0 kJ·mol-1。

第4 基元反應(yīng)。此基元是OH-·H2O 抽取S-I3a的α-H 質(zhì)子，得到I4-a的過程。分為OH-抽α-H 和OH-·H2O 抽α-H 兩種情形。其中OH-·H2O 抽α-H，根據(jù)OH-·H2O 與S-I3a氫鍵作用情況，分為OH-·H2O 與α-H 和N 氫鍵作用的p 情形和OH-·H2O與α-H和O氫鍵作用的q情形。

OH-抽α-H 的情形。OH-與S-I3a的α-H 氫鍵作用形成的S-I3a·OH-，經(jīng)OH-抽α-H 的過渡態(tài)T4a·OH-，異構(gòu)成I4-a與H2O 的絡(luò)合物I4-a·H2O。從S-I3a·OH-到T4a·OH-，1C—9H 鍵從0.109 2 nm 拉伸至0.134 2 nm，斷裂，T4a·OH-產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為46.9 kJ·mol-1。

OH-·H2O 抽α-H 的p 情形。OH-·H2O 與S-I3a的α-H 和N 作用形成S-I3a·（OH-·H2O）p，經(jīng)H2O 輔助OH-抽α-H 的過渡態(tài)T4a·（OH-·H2O）p，異構(gòu)成I4-a·（H2O）2p。從S-I3a·（OH-·H2O）p 到T4a·（OH-·H2O）p，1C—9H鍵從0.109 1 nm拉伸至0.136 8 nm，T4a·（OH-·H2O）p產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為54.4 kJ·mol-1。

OH-·H2O 抽α-H 的q 情形。OH-·H2O 與S-I3a的α-H 和O 作用形成S-I3a·（OH-·H2O）q，經(jīng)H2O 輔助OH-抽α-H 的過渡態(tài)T4a·（OH-·H2O）q，異構(gòu)成I4-a·（H2O）2q。從S-I3a·（OH-·H2O）q 到T4a·（OH-·H2O）q，1C—9H鍵從0.109 2 nm拉伸至0.136 2 nm，T4a·（OH-·H2O）q產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為59.1 kJ·mol-1。

T4a·OH-比T4a·（OH-·H2O）p 和T4a·（OH-·H2O）q 產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘低些，原因是從S-I3a·OH-到T4a·OH-過程比從S-I3a·（OH-·H2O）p 到T4a·（OH-·H2O）p 和從S-I3a·（OH-·H2O）q 到T4a·（OH-·H2O）q 過程1C—9H 鍵的拉伸幅度小些。T4a·（OH-·H2O）p 比T4a·（OH-·H2O）q產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘略低，原因是T4a·（OH-·H2O）p 比T4a·（OH-·H2O）q 的七元環(huán)結(jié)構(gòu)共面程度略好、氫鍵略強(qiáng)（結(jié)構(gòu)分析表明）。

I4-a·H2O、I4-a·（H2O）2p 和I4-a·（H2O）2q 經(jīng)過分子間的碰撞過程，解離得到I4-a、H2O和（H2O）2。

下面討論I4-a的鏡像對(duì)稱異構(gòu)過程。此過程有第5 和第6 兩個(gè)基元反應(yīng)，I4-a對(duì)稱異構(gòu)有2 個(gè)分路徑a1 和a2，a1 是先五元環(huán)準(zhǔn)對(duì)稱異構(gòu)，而后亞氨基翻轉(zhuǎn)異構(gòu)；a2 是先亞氨基翻轉(zhuǎn)異構(gòu)，而后五元環(huán)準(zhǔn)對(duì)稱異構(gòu)，得到的中間體產(chǎn)物I6-a1和I6-a2相同，記作I6-a。

分路徑a1。

第5 基元反應(yīng)。I4-a經(jīng)過渡態(tài)T5m-a1或T5n-a1，亞甲基12H—3C—11H 從左向右翻轉(zhuǎn)，異構(gòu)成與I4-a鏡像準(zhǔn)對(duì)稱的I5-a1。從I4-a到T5m-a1，二面角2N—3C—4C—5C 從37.3°變?yōu)?19.8°，T5m-a1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為10.2 kJ·mol-1。相似的T5n-a1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為13.4 kJ·mol-1。

第6 基元反應(yīng)。I5-a1經(jīng)過渡態(tài)T6-a1，9H 從左向右翻轉(zhuǎn)（左視圖），異構(gòu)成與I4-a鏡像對(duì)稱的I6-a。從I5-a1到T6-a1，二面角9H—2N—1C—3C 從-118.5°變?yōu)?77.4°，T6-a1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為17.3 kJ·mol-1。結(jié)構(gòu)分析表明，I6-a和I4-a鏡像對(duì)稱。

分路徑a2。

第5 基元反應(yīng)。與a1 分路徑的第6 基元反應(yīng)相似，I4-a經(jīng)過渡態(tài)T5-a2，9H從左向右翻轉(zhuǎn)（左視圖），異構(gòu)成I5-a2，T5-a2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為19.8 kJ·mol-1。

第6 基元反應(yīng)。與a1 分路徑的第5 基元反應(yīng)相似，I5-a2經(jīng)過渡態(tài)T6m-a2或T6n-a2，五元環(huán)的12H—3C—11H 從 左 向 右 翻 轉(zhuǎn)，異 構(gòu) 成I6-a，T6m-a2和T6n-a2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘分別是8.8和12.0 kJ·mol-1。

接下來的第7基元反應(yīng)。I6-a的α-碳1C 抽取紙面里側(cè)H2O 的質(zhì)子，形成R-型中間體。此基元與第4基元鏡像對(duì)稱，只做一般討論。

I6-a的α-碳抽取紙面里側(cè)水分子的質(zhì)子。I6-a·H2O 經(jīng)過渡態(tài)T7a·OH-，I6-a抽取H2O 中的質(zhì)子，異構(gòu)成R-I7a·OH-。至此S-Pro 的手性發(fā)生了變化，實(shí)現(xiàn)了旋光異構(gòu)。從I6-a·H2O 到T7a·OH-，18O—17H 鍵從0.097 8 nm 拉伸至0.128 3 nm，T7a·OH-產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為35.7 kJ·mol-1。

I6-a的α-碳抽取紙面里側(cè)2 個(gè)水分子簇的質(zhì)子的p 情 形。I6-a·(H2O)2p 經(jīng) 過 渡 態(tài)T7a·(OH-·H2O)p，I6-a抽取(H2O)2中的質(zhì)子,異構(gòu)成R-I7a·(OH-·H2O)p，S-Pro 實(shí) 現(xiàn) 旋 光 異 構(gòu)。從I6-a·(H2O)2p 到T7a·(OH-·H2O)p，18O—17H鍵從0.097 9 nm拉伸至0.126 5 nm,T7a·(OH-·H2O)p產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為35.7 kJ·mol-1。

I6-a的α-碳抽取紙面里側(cè)2 個(gè)水分子簇的質(zhì)子的q 情形。I6-a·(H2O)2q 經(jīng)過渡態(tài)T7a·(OH-·H2O)q，I6-a抽取(H2O)2中的質(zhì)子，異構(gòu)成R-I7a·(OH-·H2O)q，S-Pro 實(shí) 現(xiàn) 旋 光 異 構(gòu)。從I6-a·(H2O)2q 到T7a·(OH-·H2O)q，18O—17H 鍵 從0.0978 nm 拉 伸 至0.126 3 nm，T7a·(OH-·H2O)q 產(chǎn) 生 的 內(nèi) 稟 能 壘 為37.3 kJ·mol-1。

接下來是R-I7a·OH-、R-I7a·(OH-·H2O)p 和R-I7a·(OH-·H2O)q 經(jīng) 過 碰 撞 過 程，解 離 成R-I7a、OH-和OH-·H2O 后R-I7a的繼續(xù)異構(gòu)。R-I7a經(jīng)過第8、9、10三個(gè)基元反應(yīng)，異構(gòu)成S-Pro 的手性對(duì)映體，在文獻(xiàn)［10］中a1路徑的第7、8、9基元已經(jīng)討論。與1、2、3基元相似，只做一般討論。

第8基元反應(yīng)。R-I7a經(jīng)過渡態(tài)R-T8a，9H從紙面外翻轉(zhuǎn)到紙面內(nèi)，異構(gòu)成R-I7a1，R-T8a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為14.2 kJ·mol-1。

第9 基元反應(yīng)。R-I8a經(jīng)過渡態(tài)R-T9ma或R-T9na，7O—6C 俯視逆時(shí)針（或順時(shí)針）旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)成R-I9a。R-T9ma和R-T9na產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘分別為42.1和40.3 kJ·mol-1。

第10 基元反應(yīng)。R-I9a經(jīng)過渡態(tài)R-T10a，11H從7O 遷移到2N，異構(gòu)成產(chǎn)物R-Proa，S-Pro 實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變的旋光異構(gòu)。R-T10a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為4.7 kJ·mol-1。

S-Pro在a通道上的駐點(diǎn)構(gòu)象及勢(shì)能面關(guān)于I5-a1和I5-a2對(duì)稱，展現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變的對(duì)稱美。

從圖4 可看出，（OH-·H2O）作用下，脯氨酸在a 通道的旋光異構(gòu)有兩個(gè)決速步，分別是第2 基元和第4 基元，它們的內(nèi)稟能壘分別是52.9～54.7和46.9～59.1 kJ·mol-1。因此，脯氨酸在a 通道旋光異構(gòu)的決速步能壘為46.9～59.1 kJ·mol-1。從圖4還可以看出，鏡像對(duì)稱的第4 和第7 基元相比較，（OH-·H2O）抽取α-H 的能壘高于脯氨酸-碳負(fù)離子抽取H2O的質(zhì)子的能壘。由于正負(fù)反應(yīng)能壘小于40.0 kJ·mol-1時(shí)反應(yīng)物和產(chǎn)物可以共存［22］，因此，反應(yīng)物是S-Pro 和S-I1a共存，只是S-Pro 的分布高，產(chǎn)物是R-I9a和R-Proa共存，只是R-Proa的分布高。

2.1.2 b 通道與2.1.1 節(jié)相似，鏡像對(duì)稱的OH-·H2O 抽α-H 和脯氨酸-碳負(fù)離子抽取H2O 的質(zhì)子兩個(gè)基元反應(yīng)相比較，前者的能壘高，是反應(yīng)的決速步。因此，為節(jié)省篇幅，本通道只討論到OH-·H2O 抽α-H 的基元反應(yīng)。b 通道的主要反應(yīng)歷程見圖5，反應(yīng)過程的勢(shì)能面見圖6。

圖5 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下脯氨酸在b通道旋光異構(gòu)決速步的歷程Fig.5 The optical isomerization rate-determining process of proline in channel b under the action of hydroxyl anion(water clusters)

圖6 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下脯氨酸在b通道旋光異構(gòu)反應(yīng)主要過程的自由能勢(shì)能面Fig.6 The free energy potential surfaces of proline in the main process of optical isomerization in channel b under the action hydroxyl anion(water clusters)

第1基元反應(yīng)。同2.1.1節(jié)，從略。

第2 基元反應(yīng)。與2.1.1 節(jié)的第3 基元反應(yīng)相似，S-I1a(b,c)經(jīng)過渡態(tài)S-T2b，10H 從紙面外側(cè)翻轉(zhuǎn)到紙面內(nèi)，異構(gòu)成S-I2b，S-T2b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為19.7 kJ·mol-1。S-T2b比S-T3a產(chǎn)生的能壘高些，原因是從S-I1a(b,c)到S-T2b過程要克服來自11H 的空間位阻。

第3 基元反應(yīng)。與2.1.1 節(jié)第4 基元的OH-·H2O 抽α-H 的過程相似，也分為OH-·H2O 與α-H和氨基N氫鍵作用的p情形和OH-·H2O 與α-H 和羰基O氫鍵作用的q情形。

OH-·H2O 抽α-H 的p 情形。OH-·H2O 與S-I2b的α-H氫鍵和氨基N作用形成的S-I2b·(OH-·H2O)p,經(jīng)H2O 輔助OH-抽α-H 的過渡態(tài)T3b·(OH-·H2O)p,異 構(gòu) 成I3-b·(H2O)2p。從S-I2b·(OH-·H2O)p 到T3b·(OH-·H2O)p, 1C—9H 從0.109 9 nm 拉伸至0.137 0 nm,T3b·(OH-·H2O)p產(chǎn)生的能壘為48.8 kJ·mol-1。

OH-·H2O 抽α-H 的q 情形。OH-·H2O 與S-I2b的α-H和羰基O氫鍵作用形成的S-I2b·(OH-·H2O)q,經(jīng)H2O 輔助OH-抽α-H 的過渡態(tài)T3b·(OH-·H2O) q,異 構(gòu) 成I3-b·(H2O)2q。從S-I2b·(OH-·H2O)q 到T3b·(OH-·H2O) q, 1C—9H 從0.109 8 nm 拉伸至0.136 2 nm,T3b·(OH-·H2O)q產(chǎn)生的能壘為52.3 kJ·mol-1。

接下來是I3-b·(H2O)2p 和I3-b·(H2O)2q 的(H2O)2解離得到的I3-b的五元環(huán)和氨基氫9H 的翻轉(zhuǎn)異構(gòu)。這相似于2.1.1 節(jié)的第5、6 基元，能壘很低，不再贅述。再接下來是脯氨酸-碳負(fù)離子抽取(H2O)2的質(zhì)子，得到R-型中間體產(chǎn)物，S-Pro實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。相似于2.1.1 節(jié)的第7 基元，與本通道的第3基元鏡像對(duì)稱，正反應(yīng)能壘為本通道第3基元副反應(yīng)的能壘，分別為34.6 和36.8 kJ·mol-1，不再贅述。最后，R-型中間體產(chǎn)物經(jīng)與第2 和1 基元鏡像對(duì)稱的過程，異構(gòu)成與S-Pro鏡像對(duì)稱的產(chǎn)物R-Pro。

從圖6 及前面的討論可知，OH-·(H2O)作用下，脯氨酸在b 通道旋光異構(gòu)的決速步是第3 基元，決速步內(nèi)稟能壘為48.8～52.3 kJ·mol-1。由于正負(fù)反應(yīng)能壘小于40.0 kJ·mol-1時(shí)，反應(yīng)物和產(chǎn)物可以共存，因此，反應(yīng)物是S-Pro、S-I1a（b，c）和S-I2b三者共存，S-Pro的分布最高。

2.1.3 c通道與2.1.2節(jié)的討論相似，本通道只討論OH-·H2O 抽α-H 的基元反應(yīng)。c 通道的主要反應(yīng)歷程見圖7，反應(yīng)過程的勢(shì)能面見圖8。

圖7 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下脯氨酸在c通道旋光異構(gòu)決速步的歷程Fig.7 The optical isomerization rate-determining process of proline in channel c under the action of hydroxyl anion(water clusters)

第1基元反應(yīng)。同2.1.1節(jié)，從略。

第2 基元反應(yīng)，OH-·H2O 抽S-I1a(b,c)的α-H 的過程。本基元相似于2.1.2節(jié)的OH-·H2O抽α-H的q情形。OH-·H2O與S-I1c的α-H和羰基O氫鍵作用形 成S-I1c·（OH-·H2O），經(jīng) 過 渡 態(tài)T2c·（OH-·H2O），OH-抽取α-H，形成I2-c·(H2O)2。從S-I1c·(OH-·H2O)到T2c·(OH-·H2O)，1C—9H 鍵從0.109 2 nm 拉伸至0.139 0 nm，T2c·(OH-·H2O)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為58.9 kJ·mol-1。

I2-c·(H2O)2的(H2O)2解離得到的I2-c的異構(gòu)，與2.1.2節(jié)后面的討論相似，不再贅述。

從圖8 及前面的討論可知，OH-·(H2O)作用下，脯氨酸在c 通道旋光異構(gòu)的決速步是第2 基元，決速步的內(nèi)稟能壘為58.9 kJ·mol-1。由于正負(fù)反應(yīng)能壘小于40.0 kJ·mol-1時(shí)，反應(yīng)物和產(chǎn)物可以共存，因此，在c通道反應(yīng)物是S-Pro 和S-I1a(b,c)共存，SPro的分布高。

圖8 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下脯氨酸在c通道旋光異構(gòu)反應(yīng)主要過程的自由能勢(shì)能面Fig.8 The free energy potential surfaces of proline in the main process of optical isomerization in channel c under the action hydroxyl anion(water clusters)

2.2 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下S-Pro在d通道的旋光異構(gòu)

d 通道的反應(yīng)歷程見圖9，反應(yīng)過程的勢(shì)能面見圖10。

圖9 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下脯氨酸在d通道旋光異構(gòu)的歷程Fig.9 The process of optical isomerization of proline in channel d under the action of hydroxyl anion(water clusters)

圖10 羥基負(fù)離子（水分子簇）作用下脯氨酸在d通道旋光異構(gòu)反應(yīng)的自由能勢(shì)能面Fig.10 The free energy potential surfaces of optical isomerization of proline in channel d under the action of hydroxyl anion(water clusters)

第1 基元反應(yīng)。此基元與2.1.3 節(jié)的第2 基元相似，OH-·H2O 與S-Pro 的α-H 和羰基O 氫鍵作用形 成 的S-Prod·(OH-·H2O)，經(jīng) 過 渡 態(tài)T1d·(OH-·H2O), OH-抽取α-H, 9H 從1C 遷移到18O, 異構(gòu)成I1-d·(H2O)2。從S-Prod·(OH-·H2O)到T1d·(OH-·H2O),1C—9H 鍵從0.108 9 nm 拉伸至0.147 5 nm, 斷裂,T1d·(OH-·H2O)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為70.8 kJ·mol-1。

接下來的過程是I1-d·(H2O)2的2 聚水解離出去，形成I1-d五元環(huán)的異構(gòu)。

第2基元反應(yīng)。I1-d經(jīng)五元環(huán)的3個(gè)亞甲基翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)T2-d，亞甲基14H—4C—13H 從五元環(huán)左側(cè)異構(gòu)到右側(cè)，二面角2N—3C—4C—5C 從30.8°變?yōu)?39.3°，異構(gòu)成I2-d。從I1-d到T2-d，二面角2N—3C—4C—5C 從30.8°變?yōu)?9.9°，T2-d產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為6.6 kJ·mol-1。

第3 基元反應(yīng)。I2-d經(jīng)1C 左右翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)T3-d，1C向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)3個(gè)亞甲基團(tuán)從1C—6C—7O—8O 的左側(cè)翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，二面角1C—2N—5C—6C從-26.3°變?yōu)?9.3°，形成I3-d。從I2-d到T3-d，二面角1C—2N—5C—6C 從-26.3°變?yōu)?.8°，T3-d產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為7.8 kJ·mol-1。結(jié)構(gòu)分析表明，I3-d和I1-d鏡像對(duì)稱。

第4 基元反應(yīng)。I3-d_W 與(H2O)2氫鍵作用形成的絡(luò)合物I3-d·(H2O)2，經(jīng)與第一基元鏡像對(duì)稱的過程，異 構(gòu) 成 產(chǎn) 物 絡(luò) 合 物R-Prod·(OH-·H2O)。I3-d·(H2O)2經(jīng)I3-d抽(H2O)2的 質(zhì) 子 的 過 渡 態(tài)T4d·(OH-·H2O), 異 構(gòu) 成R-Prod·(OH-·H2O)。從I3-d·(H2O)2到T4d·(OH-·H2O), 18O—17H 鍵從0.104 6 nm 拉伸至0.115 7 nm, T4d·(OH-·H2O)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為6.7 kJ·mol-1。R-Prod·（OH-·H2O）的OH-·H2O 與R-Prod的氫鍵解離，得到R-Prod，S-Pro 在d 通道實(shí)現(xiàn)手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變的旋光異構(gòu)。

從圖10 可知，OH-·(H2O) 作用下，S-Pro 在d通道旋光異構(gòu)的決速步是第1基元反應(yīng)，決速步的內(nèi)稟能壘為70.8 kJ·mol-1。

綜合前面的討論可知，OH-·(H2O)抽取α-H 導(dǎo)致S-Pro旋光異構(gòu)的能壘為46.9～70.8 kJ·mol-1，比水液相下S-Pro旋光異構(gòu)優(yōu)勢(shì)通道的能壘101.9 kJ·mol-1大幅降低，說明OH-對(duì)脯氨酸的旋光異構(gòu)有很好的催化作用。46.9～70.8 kJ·mol-1的能壘小于溫和反應(yīng)能壘80.0 kJ·mol-1［22］，因此，水液相下OH-存在時(shí)脯氨酸很容易消旋。

3 結(jié) 論

采用密度泛函理論的M06-2X 和MN15 方法與自洽反應(yīng)場(chǎng)理論的SMD 模型方法，研究了OH-·（H2O）抽取α-H，而后脯氨酸-碳負(fù)離子抽取H2O的質(zhì)子，S-Pro旋光異構(gòu)的勢(shì)能面，得到如下結(jié)論：

1）S-Pro 異構(gòu)成中性亞氨基酸后，OH-·(H2O)抽取α-H，而后脯氨酸-碳負(fù)離子抽取H2O 的質(zhì)子的反應(yīng)通道具有優(yōu)勢(shì)，S-Pro 消旋反應(yīng)能壘在46.9至59.1 kJ·mol-1。

2）OH-·(H2O)直接抽取S-Pro 的α-H，而后脯氨酸-碳負(fù)離子抽取H2O 的質(zhì)子的反應(yīng)通道略具劣勢(shì)，S-Pro消旋反應(yīng)能壘為70.8 kJ·mol-1。

結(jié)果表明，水液相下OH-存在時(shí)脯氨酸很容易旋光異構(gòu)，堿性環(huán)境不利于生命體健康。