水液相下脯氨酸Cu2+配合物手性反轉的密度泛函理論研究

孫士紅,陳鳳清,高浩溟,王亞玲,姜春旭,王佐成

(1.白城醫(yī)學高等?？茖W校 基礎醫(yī)學院,吉林 白城 137000;2.白城師范學院理論計算中心,吉林白城 137000;3.解放軍第三二一醫(yī)院 眼科,吉林 白城 137000;4.白城醫(yī)學高等?？茖W校信息化學院,吉林白城 137000)

脯氨酸(Proline,Pro)是構成蛋白質的主要成分,按構型分為S-Pro和R-Pro,按旋光作用分為L-Pro(左旋體)和D-Pro(右旋體)。在生命體內L-Pro具有活性,可合成膠原蛋白,促進軟骨修復,可以起到治療骨關節(jié)炎、減輕持續(xù)性軟組織疼痛和慢性背痛等作用[1]。

銅(Cu)是人體健康不可缺少的微量營養(yǎng)素,氨基酸銅配合物具有抑制細菌生長、增強造血功能、清除超氧自由基(O2-)的功效,可作為防治癌癥、輻射病、免疫性疾病和心血管疾病等的藥物[2]。生命體內的銅是二價態(tài),Cu2+氨基酸配合物的形成可促進銅輸送到血清蛋白中[3]。Cu2+氨基酸配合物已部分用于臨床,為生命體同補氨基酸和金屬元素以及用于癌癥等疾病的治療[4]。

Pro的手性使其金屬配合物也具有手性,手性分子的不同對映異構體在代謝過程、活性及毒性等方面多數(shù)存在差異,往往是一個有效,而另一個有負作用[5-6]。藥物分子的優(yōu)構體是否會轉化成劣構體以及轉化的速率,會嚴重影響到優(yōu)構體的療效及人們的健康。L-脯氨酸二價銅手性反轉的研究,對安全利用脯氨酸銅為生命體補充脯氨酸和二價銅離子具有重要意義。

對脯氨酸鈣手性反轉的理論研究已經開展,文獻[7-8]的研究表明,氣相脯氨酸鈣難以消旋,水分子簇對其消旋反應有催化作用,水溶劑環(huán)境下脯氨酸鈣只能很少量地消旋。已有研究[9]表明水分子(簇)對α-丙氨酸金屬配合物的旋光異構有較好的催化作用。生命體無處不存在水環(huán)境,結合銅的重要作用及以往的相關研究[7-9]經驗,本工作對水液相下Pro·Cu2+配合物的手性反轉反應進行了理論研究。

1 計算方法及模型選取

2 結果與討論

計算表明,水液相下兩性、中性具有分子內單氫鍵(羧基是反式結構)和中性沒有分子內單氫鍵(羧基是順式結構)的Pro·Cu2+的相對能量分別是0.0、14.9和44.6 kJ·mol-1。兩性Pro·Cu2+構象最穩(wěn)定,其手性對映體見圖1。

圖1 水液相下Pro·Cu2+手性對映體的幾何構型Fig.1 Geometric conformation of Pro·Cu2+chiral enantiomer in water-liquid phase

研究發(fā)現(xiàn),S-Pro·Cu(Ⅱ)的對映異構由H質子(或H負離子)遷移以及二面角異構過程實現(xiàn)?？傮w分為兩種情況:一是氨基H遷移到羰基O后,α-H再以氨基N、羰基O和Cu為橋遷移,命名為a、b和c通道;二是α-H直接向羰基O遷移,命名為d和e通道。以往的研究表明,水簇或單個水分子與金屬離子配位對反應能壘的影響很小[18-19];二聚水和三聚水做質子轉移媒介時質子轉移的能壘相差很小[20-22];只與底物分子氫鍵作用但沒參與反應的水分子(簇)對反應能壘影響較小[23];水分子與金屬的配位對非氫遷移過程的能壘影響較小,對氫遷移過程的能壘影響可能較大[7-8]。因此,只對氫遷移過程討論水分子的配位作用,對非氫遷移過程不考慮水分子與金屬配位。水分子與氨基酸金屬配合物中金屬的作用是動態(tài)配位鍵,金屬滿配的配合物分布并不占優(yōu)勢[24]。計算表明,Pro·Cu2+的Cu2+與1個H2O配位時的配合物分布最高,因此,本工作只考察1個H2O與Pro·Cu2+的Cu2+配位。下文對S-Pro·Cu2+在a、b、c、d和e通道的對映異構分別進行討論。

2.1 S-Pro·Cu2+在a、b和c通道的對映異構

2.1.1 a、b和c通道公用的基元反應

S-Pro·Cu2+在a、b和c通道對映異構公用的反應歷程見圖2(見第 474頁),反應過程中各物種的相對吉布斯自由能面見圖3(見第 474頁)。

圖2 S-Pro·Cu2+在a、b和c通道手性反轉過程中公用的第1、2和3基元反應Fig.2 The common 1st,2nd and 3rd elementary reactions of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channels a,b,c

圖3 S-Pro·Cu2+在a和b通道手性反轉反應的自由能剖面(前3基元為a、b和c通道公用)Fig.3 The free energy surface of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channels a and b(the first three elements are common to channels a,b and c)

第1基元反應,水分子做媒介,氨基的H9向羰基氧O8遷移。計算表明,由于氨基與羰基間的空間較小,此H遷移過程是1個H2O比2個H2O做媒介的能壘小,只討論1個H2O分子做媒介的情況。

第2基元反應,羧羥基旋轉。S-I1a(b,c)經O8—H6俯視順時針旋轉的過渡態(tài)S-T2a(b,c),H9從羧基外側轉到內側,異構成第2中間體S-I2a(b,c)。從S-I1a(b,c)到S-T2a(b,c),二面角H9—O8—C6—O7從0.6°增加到88.8°,C6—C1右視順時針內旋轉15.2°,S-T2a(b,c)產生的內稟能壘是66.2 kJ·mol-1。

第3基元反應,亞氨基H在紙面內翻轉。S-I2a(b,c)經過渡態(tài)S-T3a(b,c),H10從外側翻轉到內側,異構成第3中間體S-I3a(b,c)。從S-I2a(b,c)到S-T3a(b,c)過程,二面角H10—N2—C3—C1從-121.1°變?yōu)?172.3°,二面角異構所需能量很少,S-T3a(b,c)產生的內稟能壘是8.6 kJ·mol-1。

2.1.2 a通道專屬的反應

a通道專屬的反應歷程見圖4,反應過程的吉布斯自由能面見圖3。

圖4 S-Pro·Cu2+在a通道手性反轉的專屬反應歷程Fig.4 Exclusive reaction course of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channel a

第4基元反應,二聚水做H遷移媒介,S-I3a(b,c)的α-H向N遷移。二聚水與S-I3a(b,c)←H2O的H11和N2氫鍵作用形成的絡合物S-I3←H2O·(H2O)2ma(N2—H23和O25—H11的成鍵臨界點電荷密度的拉普拉斯值?2ρ均為正值),經水分子間氫鍵斷裂、質子遷移和骨架形變協(xié)同進行的過渡態(tài)T4←H2O·(H2O)2ma,實現(xiàn)了質子從C1向N2的凈遷移,異構成中間體I4←H2O·(H2O)2ma。從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma過程,C1—H11從0.110 2 nm拉伸至0.126 8 nm,BCP電荷密度ρ從0.276 8 a.u.減小到0.186 1 a.u.,?2ρ始終為負值,C1—H11的共價鍵變弱;O25—H26從0.098 1 nm拉伸至0.168 3 nm,BCP電荷密度ρ從0.337 5 a.u.減小到0.047 1 a.u.,?2ρ從負值變?yōu)檎?O25—H26共價鍵斷裂變?yōu)闅滏I;O22—H23從0.098 9 nm拉伸至0.182 8 nm,BCP電荷密度(ρ)從0.327 5 a.u.減小到0.035 0 a.u.,?2ρ從負值變?yōu)檎?O22—H23共價鍵斷裂變?yōu)闅滏I;C1—H11—O25—H26—O22—H23—N2的RCP電荷密度ρ從0.004 4增加到0.007 6 a.u.,?2ρ為正值,七元環(huán)的π鍵作用顯著增強,T4←H2O·(H2O)2ma是環(huán)形過渡態(tài)。骨架二面角N2—C1—C5—C6從126.8°變?yōu)?30.3°。這些變化使T4←H2O·(H2O)2ma產生的內稟能壘是100.1 kJ·mol-1。IRC計算表明T4←H2O·(H2O)2ma是后過渡態(tài)。勢能面計算表明,I4←H2O·(H2O)2ma較S-I3←H2O·(H2O)2ma穩(wěn)定,原因是I4←H2O的骨架原子共面程度很好,形成了共軛大π鍵。

第5基元反應,I4a經亞甲基H14—C4—H15在紙面里外反轉(左視圖是左右翻轉)的過渡態(tài)T5a,異構成I5a。結構分析表明此基元完成了I4a的對映異構(I5a和I4a鏡像對稱)。從I4a到T5a,二面角N2—C3—C4—C5從37.7°變?yōu)?.0°,T5a產生的內稟能壘是13.4 kJ·mol-1。

第6基元反應,二聚水與I5a←H2O通過氫鍵和π氫鍵作用形成的絡合物I5←H2O·(H2O)2na,經過渡態(tài)T6←H2O·(H2O)2na,實現(xiàn)了質子從N2向C1的凈遷移,異構成R-型中間體R-I6←H2O·(H2O)2na,S-Pro·Cu2+在a通道實現(xiàn)手性轉變。從I5←H2O·(H2O)2na到T6←H2O·(H2O)2na,N2—H10從0.106 0 nm拉伸至0.104 3 nm,BCP電荷密度ρ從0.297 7 a.u.微增到0.315 3 a.u.,?2ρ始終為負值,N2—H10的共價鍵稍有增強;O22—H24從0.098 3 nm拉伸至0.100 1 nm,BCP電荷密度ρ從0.333 5 a.u.減小到0.314 1 a.u.,?2ρ始終為負值,O22—H24的共價鍵減弱;O25—H26從0.096 7 nm拉伸至0.136 9 nm,BCP電荷密度從0.352 6 a.u.減小到0.115 0 a.u.,?2ρ從負變?yōu)檎?O25—H26共價鍵斷裂變?yōu)闅滏I作用;N2—C10—O22—H24—O25—H26—C1的RCP電荷密度從0.004 1增加到0.007 6 a.u.,?2ρ始終為正值,七元環(huán)的π鍵作用顯著增強,T6←H2O·(H2O)2na是環(huán)形過渡態(tài),T6←H2O·(H2O)2na產生的內稟能壘是121.4 kJ·mol-1。T6←H2O·(H2O)2na比T4←H2O·(H2O)2ma產生的內稟能壘高出20%,主要原因之一是I5←H2O·(H2O)2na的O25—H26的紅外振動頻率(3 926.3 cm-1)大于S-I3←H2O·(H2O)2ma的C1—H11的紅外振動頻率(3 034.1 cm-1),從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma過程,C1—H11是共價鍵變弱(并未斷裂),而從I5←H2O·(H2O)2na到T6←H2O·(H2O)2na是O25—H26共價鍵斷裂;二是I5←H2O比S-I3←H2O的骨架共面程度高,形成了相對穩(wěn)定的大π鍵,體系I5←H2O·(H2O)2na比S-I3←H2O·(H2O)2ma穩(wěn)定,而它們面對的過渡態(tài)具有相同的能量。

第7基元反應,此基元與第3基元對稱。R-I6a經過渡態(tài)R-T7a,H11從外側翻轉到內側,異構成第7中間體R-I7a。從R-I6a到R-T7a過程,二面角H11—N2—C3—C1從-125.12°變?yōu)?179.1°,R-T7a產生的內稟能壘是7.8 kJ·mol-1。

第8基元反應,此基元與第2基元對稱。R-I7a經O8—H9俯視順時針旋轉的過渡態(tài)R-T8a,H9從羧基內側轉到外側,異構成第8中間體R-I8a。從R-I7a到R-T8a過程,二面角H9—O8—C6—O7從-0.6°變?yōu)?88.8°,O8—C6俯視順時針旋轉88.2°,同時C6—C1右視逆時針旋轉10.5°,R-T8a產生的內稟能壘是37.3 kJ·mol-1。此基元反應的能壘小于第2基元,原因是此基元反應的H9逆著體系的偶極矩矢量運動,體系的電場力做正功。

第9基元反應,此基元與第1基元對稱。R-I8←H2O·H2Oa過渡態(tài)R-T9←H2O·H2Oa,實現(xiàn)了H質子從羰基向氨基的凈遷移,異構成產物R-Pro·Au(Ⅱ)←H2O·H2Oa。結構分析表明,至此S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·H2Oa(b,c),在a通道實現(xiàn)了對映異構,亦即S-Pro·Cu(Ⅱ)實現(xiàn)了對映異構。從R-I8←H2O·H2Oa到R-T9←H2O·H2Oa過程,O8—H9鍵從0.099 6 nm拉伸至0.122 9 nm,關鍵點的?2ρ＜0,共價鍵減弱;O22—H23鍵從0.099 1 nm拉伸至0.104 5 nm,關鍵點的?2ρ＜0,共價鍵減弱;C1—N2—H23—O22—H9—8O—C1的RCP電荷密度顯著增加,且?2ρ＞0,R-T9←H2O·H2Oa為較穩(wěn)定的七元環(huán)過渡態(tài),R-T9←H2O·H2Oa產生的內稟能壘是8.1 kJ·mol-1。該能壘遠小于第1基元的能壘,原因是從S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·H2Oa(b,c)到S-T1←H2O·H2Oa(b,c),N2—H9共價鍵被拉伸斷裂。

2.1.3 b通道專屬的反應

b通道的主要反應過程是,經過第4和第5兩個基元反應實現(xiàn)了質子從α-C向羰基氧O7的遷移,經過第7和第8兩個基元反應實現(xiàn)了質子在紙面里從羰基氧O7向α-C的遷移,給予詳細討論。b通道專屬的反應歷程見圖5,反應過程的吉布斯自由能面見圖3。

圖5 S-Pro·Cu2+在b通道手性反轉的專屬反應歷程(鍵長單位:納米)Fig.5 Exclusive reaction course of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channel b (distances:nm)

第4基元反應,2聚水抽取α-H,形成具有雙水合質子的中間體絡合物。2聚水與S-I3a(b,c)←H2O的H11和O7氫鍵作用形成的中間體S-I3←H2O·(H2O)2mb,經過渡態(tài)T4←H2O·(H2O)2mb,實現(xiàn)了質子從C1向O22的遷移,異構成中間體I4←H2O·(H2O)2mb。從S-I3←H2O·(H2O)2mb到T4←H2O·(H2O)2mb,C1—H11從0.109 9 nm拉伸至0.127 7 nm,BCP電荷密度從0.278 1 a.u.減小到0.173 4 a.u.,?2ρ始終為負值,C1—H11的共價鍵變弱;C1—H11—O22—H24—O25—H27—O7—C6的RCP電荷密度從0.004 7增加到0.003 9 a.u.,?2ρ為正值,T4←H2O·(H2O)2ma的七元環(huán)π鍵作用較強,過渡態(tài)成環(huán)形。骨架二面角N2—C1—C5—C6從123.9°變?yōu)?37.7°,這些變化使T4←H2O·(H2O)2mb產生的內稟能壘是41.4 kJ·mol-1。該能壘小于從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma的能壘,主要原因是從S-I3←H2O·(H2O)2mb到T4←H2O·(H2O)2mb只是1個共價鍵變弱,而從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma是1個共價鍵變弱、2個共價鍵斷裂。

第5基元反應,I4←H2O·(H2O)2mb經過渡態(tài)T5←H2O·(H2O)2mb,實現(xiàn)了雙質子從O22向O25和O25向O7的遷移,異構成中間體I5←H2O·(H2O)2mb。從I4←H2O·(H2O)2mb到T5←H2O·(H2O)2mb,O22—H24從0.127 1 nm拉伸斷裂,O25—H27從0.099 2 nm變?yōu)?.145 2 nm,BCP電荷密度ρ從0.320 5變?yōu)?.116 3 a.u.,?2ρ始終為負值,共價鍵變弱;C1—H11—O22—H24—O25—H27—O7—C6的RCP電荷密度從0.003 8變?yōu)?.003 5 a.u.,?2ρ始終為正值,七元環(huán)π鍵作用改變較小;二面角N2—C1—C5—C6從123.9°變?yōu)?37.7°,T5←H2O·(H2O)2mb產生的內稟能壘是136.2 kJ·mol-1。

第6基元,此基元相似于a通道第5基元反應,I5b經甲基H14—C4—H15翻轉的過渡態(tài)T6b,異構成中間體I6b。此基元完成了I5b的對映異構,T6b產生的內稟能壘是4.8 kJ·mol-1。

第7基元,該基元是第5基元的逆反應。2聚水在紙面里與I6←H2O氫鍵作用形成的I6←H2O·(H2O)2nb,經過渡態(tài)T7←H2O·(H2O)2nb,異構成I7←H2O·(H2O)2nb。從I6←H2O·(H2O)2nb到T7←H2O·(H2O)2nb過程,O7—H11從0.103 0 nm拉伸至0.121 5 nm,BCP電荷密度ρ及?2ρ的計算表明,此過程是O7—H11共價鍵減弱,T7←H2O·(H2O)2nb產生的內稟能壘是54.2 kJ·mol-1。

獲取的兩組神經組織行20 μm橫斷切片，于明場顯微鏡將視野定位在切片上的神經組織，切換激光光源，激發(fā)波長為532 nm，暴露時間為50 s，累加50次，激光能量為50%，掃描范圍為100 cm-1～4 000 cm-1。以同樣的方法對實驗組股神經皮支和肌支經去細胞神經處理后行20 μm橫斷切片，于拉曼光譜儀下觀察并記錄各組神經組織的拉曼光譜。

第8基元,該基元是第4基元的逆反應。I7←H2O·(H2O)2nb經過渡態(tài)T8←H2O·(H2O)2nb,異構成R-型中間體R-I8←H2O·(H2O)2nb,至此S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·H2Oa(b,c)在b通道實現(xiàn)手性轉變。從I7←H2O·(H2O)2nb到T8←H2O·(H2O)2nb過程,O25—H26從0.114 4 nm拉伸至0.172 6 nm,O22—H24從0.097 1 nm拉伸至0.138 6 nm,電荷密度ρ及?2ρ的計算表明,此過程共價鍵O25—H26和O22—H24均被拉伸斷裂。T8←H2O·(H2O)2nb產生的內稟能壘是92.6 kJ·mol-1。

R-I8←H2O·(H2O)2nb脫去2聚水得到的R-I8b同于R-I6a,接下來的異構過程同于R-I6a的異構,最后得到S-Pro·Cu(Ⅱ)的手性對映體,見a通道的7、8、9基元。

從圖3(見第 474頁)可以看出,S-Pro·Cu(Ⅱ)在a通道實現(xiàn)手性對映體轉變的決速步是第6基元反應,能壘是121.4 kJ·mol-1。從前面的討論可知,該能壘來自于質子從氨基N向α-C遷移的過渡態(tài)。該能壘在溫和反應能壘83.6 kJ·mol-1和極限反應能壘160.7 kJ·mol-1[25]之間,S-Pro·Cu2+在該通道只能微量地消旋。

從圖3還可看出,S-Pro·Cu2+←H2O·H2O在b通道實現(xiàn)手性對映體轉變的決速步是第5基元反應,能壘是136.2 kJ·mol-1。該能壘高于溫和反應能壘83.6 kJ·mol-1[25]很多,距離極限反應能壘160.7 kJ·mol-1[25]近些,S-Pro·Cu2+在該通道只能痕量地消旋。從前面的討論可知,該能壘來自于雙水合質子中間體I4←H2O·(H2O)2mb的質子向羰基氧遷移的過渡態(tài)。

2.1.4 c通道專屬的反應

c通道的主要反應過程是,經過第5和第6兩個基元反應實現(xiàn)了質子從α-C向Cu18的遷移,經過第9和第10兩個基元反應實現(xiàn)了質子在紙面里從Cu18向α-C的遷移,給予詳細討論。c通道專屬的反應歷程見圖6,反應過程的吉布斯自由能面見圖7。

圖6 S-Pro·Cu2+在c通道手性反轉反應的專屬歷程(鍵長單位:納米)Fig.6 Exclusive reaction course of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channel c (distances:nm)

圖7 S-Pro·Cu2+在c通道手性反轉專屬反應的自由能剖面Fig.7 The free energy surface of S-Pro·Cu2+chiral inversion exclusive reaction in channel c

第4基元,S-I3a(b,c)經Cu18在羧基內外翻轉的過渡態(tài)S-T4c,Cu18從羧基內側翻轉到外側,異構成S-I4c。從S-I3a(b,c)到S-T4c只是鍵角改變所需能量很少,S-T4c產生的內稟能壘是43.5 kJ·mol-1。

第5基元,二聚水抽取α-H,形成具有雙水合質子的中間體絡合物。2聚水與S-I4c←H2O的H11和Cu18通過氫鍵和配位鍵作用形成的絡合物S-I4←H2O·(H2O)2c,經過渡態(tài)T5←H2O·(H2O)2c,實現(xiàn)了質子從C1向O22的遷移,異構成中間體I5←H2O·(H2O)2c。從S-I4←H2O·(H2O)2c到T5←H2O·(H2O)2c,C1—H11從0.109 9 nm拉伸至0.127 3 nm,BCP電荷密度ρ從0.278 0 a.u.減小到0.174 9 a.u.,?2ρ始終為負值,C1—H11的共價鍵變弱;C1—H11—O22—H24—O25—H27—Cu18的RCP電荷密度(ρ)從0.004 8變?yōu)?.003 7 a.u.,?2ρ為正值,T5←H2O·(H2O)2c的七元環(huán)π鍵作用較強,過渡態(tài)成環(huán)形;骨架二面角N2—C1—C5—C6從123.8°變?yōu)?36.6°,這些變化使T5←H2O·(H2O)2c產生的內稟能壘是80.0 kJ·mol-1。IRC計算表明T5←H2O·(H2O)2c是前過渡態(tài)。

第6基元,I5←H2O·(H2O)2c經過渡態(tài)T6←H2O·(H2O)2c,實現(xiàn)了H負離子H27(NBO電荷的自旋密度計算表明是H負離子遷移)從O25向Cu18的遷移,異構成中間體絡合物I6←H2O·(H2O)2c。從I5←H2O·(H2O)2c到T6←H2O·(H2O)2c過程,O22—H24從0.099 0 nm拉伸至0.176 9 nm,BCP電荷密度ρ從0.167 2 a.u.減小到0.035 7 a.u.,?2ρ從負值變?yōu)檎?O22—H24共價鍵斷裂;O25—H27從0.097 5 nm拉伸至0.172 6 nm,BCP電荷密度ρ從0.340 1 a.u.減小到0.049 1 a.u.,?2ρ從負值變?yōu)檎?O25—H27共價鍵斷裂;C1—C6從0.140 8 nm拉伸至0.144 6 nm,BCP電荷密度ρ從0.310 2 a.u.減小到0.296 0 a.u.,?2ρ始終為負值,C1—C6共價鍵變弱。這些變化使T6←H2O·(H2O)2c產生的內稟能壘是185.2 kJ·mol-1。IRC計算表明T6←H2O·(H2O)2c是后過渡態(tài)。

第7基元,I6←H2Oc經過渡態(tài)T7←H2Oc,H11從圖示的左側翻轉到右側,異構成I7←H2Oc。從I6←H2Oc到T7←H2Oc,二面角H11—Cu18—O7—C6從-58.3°變?yōu)?79.4°,這些變化使T7←H2Oc產生的內稟能壘是3.8 kJ·mol-1。

第8基元,I7←H2Oc經過渡態(tài)T8←H2Oc,H14—C4—C15從圖示的左側翻轉到右側,異構成I8←H2Oc。從I7←H2Oc到T8←H2Oc,二面角N2—C3—C4—C5從20.9°變?yōu)?.5°,這些變化使T8←H2Oc產生的內稟能壘是7.7 kJ·mol-1。結構分析表明,I8←H2Oc和I6←H2Oc鏡像對稱。

第9基元,此基元與第6基元鏡像對稱。2聚水與I8←H2Oc氫鍵作用形成的中間體反應物I8c←H2O·(H2O)2nc經過渡態(tài)T9←H2O·(H2O)2nc,H11遷移到O25,并與2聚水形成雙水合質子,異構成I9←H2O·(H2O)2nc。從I8c←H2O·(H2O)2nc到T9←H2O·(H2O)2nc過程,Cu18—H11從0.153 4 nm(ρ:0.118 4,?2ρ為正)拉伸至0.153 9 nm(ρ:0.116 0,?2ρ為負),Cu18—H11從離子鍵變?yōu)楣矁r鍵,相互作用減弱;O25—H26從0.098 1 nm拉伸至0.098 7 nm,電荷密度ρ及?2ρ的計算表明,O25—H26的共價鍵減弱,T9←H2O·(H2O)2nc產生的內稟能壘是86.1 kJ·mol-1。

第10基元,I9←H2O·(H2O)2nc經過渡態(tài)T10←H2O·(H2O)2nc,H24從O22遷移到C1,異構成R-型中間體R-I10←H2O·(H2O)2nc,S-Pro·Cu2+在c通道實現(xiàn)手性轉變。從I9c←H2O·(H2O)2nc到T10←H2O·(H2O)2nc,O22—H24從0.097 2 nm拉伸至0.138 2 nm,O25—H26從0.120 2 nm拉伸至0.171 1 nm。電荷密度ρ及?2ρ的計算表明,O22—H24共價鍵由強變弱,O25—H26共價鍵從較弱到斷裂。此過程所需能量不是很高,T10←H2O·(H2O)2nc產生的內稟能壘是85.8 kJ·mol-1。

第10基元,此基元與第4基元鏡像對稱。R-I10c經Cu18在羧基內外翻轉的過渡態(tài)R-T11c,Cu18從羧基外側翻轉到內側,異構成R-I11c。從R-I10c到R-T11c只是鍵角改變所需能量很少,R-T11c產生的內稟能壘是47.2 kJ·mol-1。

結構分析表明R-I11c同于R-I6a,接下來R-I11c的異構過程同于R-I6a的異構,最后得到S-Pro·Cu(Ⅱ)的手性對映體,見a通道的7、8、9基元。

從圖3(見第 474頁)和圖7(見第 479頁)的勢能面可以看出,S-Pro·Cu2+在c通道實現(xiàn)手性對映體轉變的決速步是第6基元反應,決速步能壘是179.4 kJ·mol-1。該能壘高于極限反應能壘160.7 kJ·mol-1[25],S-Pro·Cu2+在該通道不能消旋。從前面的討論可知,該能壘來自于質子從雙水合質子中間體I5←H2O·(H2O)2c向Cu遷移和C1—C6拉伸協(xié)同進行的過渡態(tài)。

2.2 S-Pro·Cu2+在d和e通道的對映異構

1個H2O與Cu(Ⅱ)配位,2聚水做H遷移媒介,α-H直接向羰基O遷移,S-Pro·Cu(Ⅱ)在d和e通道的對映異構的反應歷程見圖8,反應的勢能面見圖9(見第 482頁)。

圖8 S-Pro·Cu2+在d和e通道手性反轉的反應歷程(鍵長單位:納米)Fig.8 Exclusive reaction course of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channels d and e (distances:nm)

圖9 S-Pro·Cu2+在d和e通道手性反轉反應的自由能剖面Fig.9 The free energy surface of S-Pro·Cu2+chiral inversion reaction in channels d and e

2.2.1 d和e通道公用的基元反應

第1基元反應,二聚水抽取α-H。2聚水與S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O的C1和H11氫鍵作用形成的反應物絡合物S-Pro·Cu2+←H2O·(H2O)2md(e),經過渡態(tài)T1←H2O·(H2O)2md(e),實現(xiàn)了質子(NBO計算表明是質子遷移)從C1向O7的凈遷移,異構成中間體絡合物I1←H2O·(H2O)2md(e)。從S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·(H2O)2md(e)到T1←H2O·(H2O)2md(e),C1—H11從0.109 7 nm拉伸至0.129 0 nm,BCP電荷密度(ρ)從0.281 2 a.u.減小到0.173 9 a.u.,?2ρ始終為負值,共價鍵C1—H11減弱;O22—H24從0.098 1 nm拉伸至0.166 9 nm,BCP電荷密度(ρ)從0.337 3 a.u.減小到0.048 3 a.u.,?2ρ負值變?yōu)檎?O22—H24的共價鍵斷裂;O25—H27從0.098 0 nm拉伸至0.159 3 nm,BCP電荷密度(ρ)從0.337 8 a.u.減小到0.056 4 a.u.,?2ρ負值變?yōu)檎?C1—H11的共價鍵斷裂;C1—H11—O22—H24—O25—H27—O7—C6的RCP電荷密度(ρ)從0.003 6增加到0.006 5 a.u.,?2ρ始終為正值,T1←H2O·(H2O)2md(e)的八元環(huán)π鍵作用較強,過渡態(tài)成環(huán)形。共價鍵C6—O7從0.123 7 nm拉伸至0.130 5 nm,骨架二面角N2—C1—C5—C6微增2.4°,這些變化使T1←H2O·(H2O)2md(e)產生的內稟能壘是155.2 kJ·mol-1。該能壘遠大于b通道的第4基元反應2聚水抽取α-H的能壘41.4 kJ·mol-1,原因之一是此基元S-Pro·Cu2+←H2O·(H2O)2md(e)的C1—H11鍵比S-I3←H2O·(H2O)2mb的C1—H11鍵鈍化;原因之二是此基元的反應物到過渡態(tài)比b通道的第4基元的反應物到過渡態(tài)的C1—H11鍵拉伸幅度大,并且O22—H24和O25—H27均被拉伸斷裂。第2基元反應。I1d(e)經亞甲基H12—C3—H13和H14—C4—H15左右翻轉的過渡態(tài)T2d(e),異構成I2d(e),完成了I1d(e)的對映異構,T2d(e)產生的內稟能壘是13.2 kJ·mol-1。

2.2.2 d通道的專屬反應

第3基元。此基元與第1基元鏡像對稱,I2←H2O·(H2O)2nd經過渡態(tài)T3←H2O·(H2O)2nd,異構成產物絡合物R-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·(H2O)2nd,S-Pro·Cu(Ⅱ)實現(xiàn)手性對映體反轉異構。從I2←H2O·(H2O)2nd到T3←H2O·(H2O)2n過程,O7—H11鍵長從0.099 5 nm拉伸至0.102 0 nm,O25—H26從0.098 1 nm拉伸至0.100 5 nm,O22—H24從0.097 7 nm拉伸至0.133 2 nm,RCP電荷密度ρ及?2ρ分析表明,此過程主要是O22—H24共價鍵有所減弱,T3←H2O·(H2O)2n產生的能壘是55.9 kJ·mol-1。

2.2.3 e通道的專屬反應

第3基元反應。I2←H2O·(H2O)2ne經過渡態(tài)T3←H2O·(H2O)2ne,異構成R-I3←H2O·(H2O)2ne。從I2←H2O·(H2O)2ne到T3←H2O·(H2O)2ne過程,N2—H9鍵長0.104 3 nm沒變,O22—H24從0.098 2 nm拉伸至0.100 0 nm,O25—H26從0.096 8 nm拉伸至0.136 5 nm(RCP電荷密度(ρ)及?2ρ分析表明,此過程只是一個共價鍵拉伸),T3←H2O·(H2O)2ne產生的能壘是81.7 kJ·mol-1。

第4基元反應。R-I3e經C6—C1右視順時針旋轉的過渡態(tài)R-T4e,異構成R-I4e?；瘜W鍵旋轉所需能量不多,R-T4e產生的能壘是11.6 kJ·mol-1。

第5基元反應。結構分析表明,R-I4e同于R-I8a,R-I4←H2O·H2Oe同于R-I8←H2O·H2Oa,其經過與R-T9←H2O·H2Oa相同的過渡態(tài)R-T5←H2O·H2Oe,異構成R-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·H2Oe(a),不再贅述。

從圖9可以看出,S-Pro·Cu2+在d和e通道實現(xiàn)手性對映體轉變的決速步是第1基元反應,能壘是155.2 kJ·mol-1。該能壘接近極限反應能壘160.7 kJ·mol-1[25],S-Pro·Cu2+在該通道不能消旋。從前面的討論可知,該能壘來自于質子從α-C向羰基O遷移的過渡態(tài)。

3 結 論

在SMD/MN15/6-311++G(2df,pd)//SMD/M06/6-31+G(d,p)雙水平對水液相下S-Pro·Cu2+的對映體異構機制進行研究,得到如下結論:

1)Pro·Cu2+的手性反轉可以在氨基H遷移到羰基O后,α-H再以氨基N、羰基O和Cu為橋遷移的a、b和c通道實現(xiàn);還可以在α-H直接以羰基O為橋遷移的d通道以及羰基O和氨基N聯(lián)合做H遷移媒介的e通道實現(xiàn)。

2)反應通道a最具優(yōu)勢,決速步能壘是121.4 kJ·mol-1,能壘來自于質子從氨基N向α-C遷移的過渡態(tài);反應通道b為亞優(yōu)勢,決速步能壘是136.2 kJ·mol-1,該能壘來自于雙水合質子中間體的H質子向羰基O遷移的過渡態(tài)。c、d和e通道均為劣勢通道,決速步能壘均在155.0 kJ·mol-1以上,Pro·Cu(Ⅱ)不能在這3個通道實現(xiàn)手性反轉。

結果表明:水液相下的Pro·Cu2+只能微量的消旋,其可以安全的用于生命體同補脯氨酸和銅元素。