水液相下α-丙氨酸Co（Ⅱ）旋光異構(gòu)的密度泛函理論研究

彭國(guó)強(qiáng)，劉 芳，張雪嬌，雷澤平，郝成欣，佟 華，叢建民，，3?，王佐成?

1. 白城醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)部，吉林白城137000；2. 白城師范學(xué)院理論計(jì)算中心，吉林白城137000；3. 白城師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，吉林 白城137000

0 引 言

α-丙氨酸（α-Ala）是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的手性氨基酸，按構(gòu)型分為S-α-Ala 和R-α-Ala，按其使平面偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的情況可分為左旋體（L-α-Ala）和右旋體（D-α-Ala）。α-Ala 的手性特征導(dǎo)致其金屬離子配合物也具有手性。生命體內(nèi)的α-Ala 多以左旋體存在，具有生物活性，也有微量右旋體存在，具有清除細(xì)胞毒性及促進(jìn)細(xì)菌孢子代謝的作用，右旋體過(guò)量對(duì)健康不利［1，2］。

鈷（cobalt，Co）是生物體必需的微量元素，對(duì)氨基酸代謝和造血有重要作用。鈷缺乏可誘發(fā)老年癡呆等疾?。?］。生命體通?？梢酝ㄟ^(guò)飲食攝取鈷，但若嚴(yán)重缺乏，則需利用藥物補(bǔ)充。利用無(wú)機(jī)鈷鹽補(bǔ)鈷會(huì)導(dǎo)致生命體在短時(shí)間內(nèi)鈷含量迅速增加，對(duì)生命體產(chǎn)生毒副作用。而利用氨基酸鹽補(bǔ)鈷不但具有可緩慢釋放金屬離子的優(yōu)點(diǎn)，還可補(bǔ)充氨基酸［4］。由于氨基酸金屬配合物具有手性，臨床使用氨基酸鹽補(bǔ)充金屬離子是否安全成為科研工作者重要的課題。目前，氨基酸金屬配合物的旋光異構(gòu)已有大量報(bào)道。文獻(xiàn)［5～10］基于密度泛函（DFT）理論研究了氣相α-Ala 與Cu2+和Ca2+等配合物以及脯氨酸Ca2+的旋光異構(gòu)，結(jié)果表明這些氨基酸金屬配合物在氣相下很難消旋，氨基酸金屬配合物在氣固相可安全地保存。由于生命體內(nèi)的氨基酸金屬配合物處在水環(huán)境，文獻(xiàn)［11～15］基于DFT 理論研究了水液相下α-Ala 與Ca2+、Zn2+、Fe2+和Mg2+以及脯氨酸與Ca2+配合物的旋光異構(gòu)，結(jié)果表明水液相下這些氨基酸金屬配合物只能極少量地消旋，說(shuō)明了生命體同補(bǔ)α-Ala 和鋅、鈣、鎂和鐵以及同補(bǔ)脯氨酸和鈣的安全性。

水液相下α-Ala 與Co2+配合物的旋光異構(gòu)尚未見報(bào)道。本文研究了水液相下α-Ala與Co2+的配合物的旋光異構(gòu)機(jī)理，從理論上探討了使用丙氨酸鈷（Ⅱ）為生命體同時(shí)補(bǔ)充α-Ala 與Co2+的安全性。

1 計(jì)算方法及模型選取

采用處理過(guò)渡金屬和弱作用有較高精度的雜化泛函M06 方法［16］，結(jié)合處理溶劑效應(yīng)有較好表現(xiàn)的SMD［17］模型方法，配體元素采用6-311+G（d，p）基組，考慮到相對(duì)論效應(yīng)，Co2+采用SDD 贗勢(shì)基組，優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程的四重態(tài)（計(jì)算表明本研究體系在四重態(tài)最穩(wěn)定）勢(shì)能面上的駐點(diǎn)結(jié)構(gòu)（自由能熱校正在1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，298.15 K 溫度下）；通過(guò)對(duì)反應(yīng)過(guò)渡態(tài)［18］虛頻振動(dòng)模式的分析及IRC（內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)）計(jì)算［19］，確認(rèn)過(guò)渡態(tài)的可靠性。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，采用雜化泛函MN15［20］方法。配 體 元 素采用6-311++G（2df，pd）高角動(dòng)量基組，計(jì)算駐點(diǎn)的單點(diǎn)能。駐點(diǎn)的總自由能是自由能熱校正和單點(diǎn)能之和，勢(shì)能曲線的零勢(shì)點(diǎn)為該曲線上各個(gè)駐點(diǎn)的相對(duì)勢(shì)能零點(diǎn)。

α-Ala 在氣相和水液相下分別是中性和兩性較穩(wěn)定［21，22］，故配合物S-α-Ala·Co2+的α-Ala 也有中性和兩性兩種情形。兩性S-α-Ala 與Co2+的配合物記作S-A·Co_1，其在a 和b 通道異構(gòu)得到的第3 個(gè)無(wú)手性過(guò)渡態(tài)記作T3_1a（b），在a 通道異構(gòu)得到的手性 對(duì) 映 體 產(chǎn)物記 作S-A·Co_1a；中 性S-α-Ala 與Co2+的配合物記作S-A·Co_2，在a 通道異構(gòu)得到的S-A·Co_1 記 作S-A·Co_1_2a；S-I2_1a（b）中 的Co2+與5 個(gè)H2O 配位，再與二聚水氫鍵作用的絡(luò)合物記作S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2，其 他 體 系 表 示 法 相似。絡(luò)合物結(jié)構(gòu)圖上的虛線表示氫鍵作用。計(jì)算工作采用Gaussian16 程序［23］。

2 結(jié)果與討論

計(jì)算表明，水液相下兩性Ala 分子的羧基下部的氧與Co2+單齒配位的構(gòu)象最穩(wěn)定，中性Ala 分子的氨基氮和羧基氧與Co2+雙齒配位的構(gòu)象最穩(wěn)定。優(yōu)化得到的水液相下兩對(duì)配合物的手性對(duì)映體見圖1。

圖1 α-Ala 和Co2+的兩性和中性配合物分子手性對(duì)映體的幾何構(gòu)型Fig.1 Geometric conformation of the molecule chiral enantiomer of α-Ala and Co2+ amphoteric and neutral complexes

文獻(xiàn)［11～15］的研究表明，非氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)，水分子（簇）與反應(yīng)物作用（氫鍵作用及配位作用）對(duì)反應(yīng)能壘影響較小，考慮隱性水溶劑效應(yīng)即可說(shuō)明相關(guān)的反應(yīng)機(jī)制。氫遷移反應(yīng)，水分子（簇）作氫轉(zhuǎn)移媒介以及水分子與Co2+配位會(huì)顯著改變反應(yīng)能壘，研究氫遷移反應(yīng)需同時(shí)考慮溶劑極性和水分子（簇）的共同作用，即顯性水溶劑效應(yīng)。為清晰地呈現(xiàn)水液相下丙氨酸鈷（Ⅱ）配合物旋光異構(gòu)的歷程以及水分子（簇）所起的作用，本文先討論隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co 的旋光異構(gòu)，然后再討論顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co 旋光異構(gòu)過(guò)程中的氫遷移反應(yīng)。

2.1 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co 配合物的旋光異構(gòu)

2.1.1S-A·Co_1 的旋光異構(gòu)

S-A·Co_1 可在4 個(gè)通道a、b、c 和d 實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)，反應(yīng)歷程見圖2，反應(yīng)的自由能勢(shì)能面見圖3。

圖2 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co_1 旋光異構(gòu)的反應(yīng)歷程Fig.2 Reaction process of S-A·Co_1 optical isomerism under the effect of recessive water solvent

圖3 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co_1 旋光異構(gòu)反應(yīng)的自由能勢(shì)能面Fig.3 The free energy potential surface of S-A·Co_1 optical isomerism reaction under the effect of recessive water solvent

2.1.1.1 a 和b 通 道

第1基元反應(yīng)（a和b通道共用）：反應(yīng)物S-A·Co_1經(jīng)6C—8O—14Co 剪式運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡態(tài)S-T1_1a（b），14Co 向羧基中部擺動(dòng)，異構(gòu)成中間體S-I1_1a（b）。從S-A·Co_1 到S-T1_1a（b），鍵角6C—8O—14Co 從115.5°減小至95.7°，改變鍵角所需能量很少，ST1_1a（b）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘僅10.8 kJ/mol。

第2基元反應(yīng)（a和b通道共用）：S-I1_1a（b）經(jīng)6C—7O—14Co 剪式運(yùn)動(dòng)的過(guò) 渡態(tài)S-T2_1a（b），14Co 向羧基上部擺動(dòng)，異構(gòu)成中間體S-I2_1a（b）。從S-I1_1a（b）到S-T2_1a（b），鍵 角6C—7O—14Co 從89.4°增 加 至112.1°，S-T2_1a（b）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘僅1.4 kJ/mol。

第3基元反應(yīng)（a和b通道共用）：中間體S-I2_1a（b）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T3_1a（b），9H 從1C 遷移至8O，異構(gòu)成中間體I3_1a（b）。從S-I2_1a（b）到T3_1a（b），1C—9H 鍵 長(zhǎng) 從0.109 2 nm 拉伸至0.156 0 nm，碳?xì)滏I斷裂；6C—8O 鍵長(zhǎng)從0.125 7 nm 拉伸至0.135 2 nm，骨架二面角2N—1C—10C—6C 從121.3°增加至127.3°；6C—1C 鍵右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)18.8°。這些變化使T3_1a（b）產(chǎn)生了283.1 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。

接下來(lái)的反應(yīng)歷程分為a 和b 兩個(gè)分通道。

1）a 通道專屬反應(yīng)第4 基元反應(yīng)：I3_1a（b）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T4_1a，9H 在紙面內(nèi)側(cè)從8O 遷移1C，異構(gòu)成R-型中間體R-I4_1a，S-A·Co_1 實(shí)現(xiàn)了旋光異構(gòu)。從I3_1a（b）到T4_1a，8O—9H 鍵 從0.097 9 nm 拉 伸 至0.120 7 nm，斷裂；6C—1C 右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)27.8°。這些變化使T4_1a產(chǎn)生了198.9 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。該能壘遠(yuǎn)小于T3_1a（b）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘（283.1 kJ/mol），原因是從I3_1a（b）到T4_1a，8O—9H鍵的拉伸幅度小，且此過(guò)程α-碳從空配向滿配（即從sp2雜化向sp3雜化）過(guò)渡時(shí)釋放了能量。

第5 基元反應(yīng)：R-I4_1a經(jīng)6C—7O—14Co 剪式運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡態(tài)R-T5_1a，14Co 向羧基中部擺動(dòng)，構(gòu)象異構(gòu)成雙齒的中間體配合物R-I5_1a。從R-I4_1a到R-T5_1a過(guò)程，鍵角6C—7O—14Co 從112.1°減小至89.4°，R-T5_1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為6.2 kJ/mol。

第6 基元反應(yīng)：R-I5_1a經(jīng)6C—8O—14Co 剪式運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡態(tài)R-T6_1a，14Co 向羧基底部擺動(dòng)，異構(gòu)成與S-A·Co_1 鏡像對(duì)稱的產(chǎn)物R-A·Co_1a，S-A·Co_1 在a 通道實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變。從R-I5_1a到R-T6_1a，鍵 角6C—8O—14Co 從95.7° 增 至115.5°，R-T6_1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為3.1 kJ/mol。

縱觀S-A·Co_1 在a 通道的駐點(diǎn)構(gòu)象和勢(shì)能面，所有駐點(diǎn)構(gòu)象及能量關(guān)于I3_1a（b）對(duì)稱。

2）b 通 道 專 屬 反 應(yīng) 第4 基 元 反 應(yīng)：I3_1a（b）經(jīng) 過(guò)渡態(tài)T4_1b，4H 在紙面內(nèi)從2N 遷移至1C，異構(gòu)成R-型中間體R-I4_1b，S-A·Co_1 在b 通道實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I3_1a（b）到T4_1b，2N—4H 鍵從0.102 9 nm拉伸至0.132 3 nm，2N—1C 鍵從0.142 9 nm 拉伸至0.152 7 nm。這些變化使T4b_1 產(chǎn)生了208.4 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。

第5 基 元 反 應(yīng)：R-I4_1b經(jīng)氨基上的3H 和5H 左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T5_1b，3H 和5H 從右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，形成中間體R-I5_1b。從R-I4_1b到R-T5_1b，二面角1C—2N—3H—5H 從131.6°增加至-170.2°，此二面角的變化所需能量很小，R-T5_1b僅產(chǎn)生3.9 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。

第6 基元反應(yīng)：R-I5_1b經(jīng)過(guò)渡態(tài)R-T6_1b，6C—1C 右視逆時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)、2N—1C 俯視逆時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)以及9H 從8O 向2N 遷移協(xié)同非同步進(jìn)行，異構(gòu)成R-A·Co_1b，S-A·Co_1 在b 通道實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變。 從R-I5_1b 到R-T6_1b，6C—1C 內(nèi)旋轉(zhuǎn)87.3°，1C—2N 內(nèi)旋轉(zhuǎn)50.1°，化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量很小，R-T6_1b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘僅4.1 kJ/mol。

2.1.1.2 c 和d 通 道

第1 基元反應(yīng)（c 和d 通道共用）：反應(yīng)物S-A·Co_1 經(jīng)過(guò)渡態(tài)T1_1c（d），9H 從1C 遷移至7O，異構(gòu)成中 間 體I1_1c（d）。從S-A·Co_1 到T1_1c（d），1C—9H鍵從0.109 2 nm 拉伸至0.161 0 nm，斷裂，6C—7O鍵從0.125 9 nm 拉伸至0.135 3 nm，8O—14Co 鍵從0.189 9 nm 拉伸至0.200 7 nm；二面角2N—1C—10C—6C 從120.0°增至125.3°；6C—1C 右視逆時(shí)針內(nèi) 旋 轉(zhuǎn)94.1°。這 些 變 化 使T1_1c（d）產(chǎn) 生 了295.8 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。接下來(lái)的反應(yīng)歷程分為c 和d兩個(gè)分通道。

1）c 通道專屬反應(yīng)第2 基元反應(yīng)：I1_1c（d）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T2_1c，9H 從紙面外側(cè)到翻轉(zhuǎn)到紙面內(nèi)側(cè)，異構(gòu)成中間體I2_1c。從I1_1c（d）到T2_1c，7O—6C 俯視逆時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)17.8°，8O—6C 仰視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)21.1°，化學(xué)鍵小角度的內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量很小，T2_1c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘僅1.3 kJ/mol。

第3 基元反應(yīng)：I2_1c經(jīng)過(guò)渡態(tài)T3_1c，9H 在紙面內(nèi)側(cè)從7O 遷移至1C，異構(gòu)產(chǎn)物R-A·Co_1c，S-A·Co_1在c通道完成旋光異構(gòu)。從I2_1c到T3_1c，7O—9H 鍵從0.098 1 nm 拉伸至0.118 3 nm，6C—1C 右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)90.6°。這些變化使T3_1c產(chǎn)生了202.0 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。

縱觀c 通道的駐點(diǎn)構(gòu)象和勢(shì)能面，所有駐點(diǎn)構(gòu)象及能量關(guān)于T2_1c對(duì)稱。

2）d 通 道 專 屬 反 應(yīng) 第2 基 元 反 應(yīng)：I1_1c（d）經(jīng) 過(guò)渡態(tài)T2_1d，4H 在紙面內(nèi)從2N 遷移至1C，異構(gòu)成中間 體R-I2_1d，S-A·Co_1 在d 通 道 實(shí)現(xiàn)旋 光 異 構(gòu)。從I1_1c（d）到T2_1d，2N—4H 鍵從0.103 0 nm 拉伸至0.132 3 nm，2N—1C 鍵從0.147 8 nm 拉伸至0.152 5 nm。這些變化使T2_1d產(chǎn)生了205.9 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。

第3 基元反應(yīng)：R-I2_1d經(jīng)氨基上的3H 和5H 左右翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T3_1d，3H 和5H 從右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，異構(gòu)成中間體R-I3_1d。此基元與b 通道的第5 基元 相 似，R-T3_1d產(chǎn) 生 了7.6 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘，不再贅述。

第4 基元反應(yīng)：R-I3_1d經(jīng)過(guò)渡態(tài)R-T4m_1d（或R-T4n_1d），7O—6C 右視順（或逆）時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)和9H 從7O 向2N 遷移協(xié)同非同步進(jìn)行，異構(gòu)成R-A·Co_1d，S-A·Co_1 在d 通道實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體 轉(zhuǎn)變。 從R-I3_1d到R-T4m_1d，7O—6C 內(nèi) 旋 轉(zhuǎn)89.5°，R-T4m_1d產(chǎn) 生 的 內(nèi) 稟 能 壘 為42.0 kJ/mol。相似的R-T4n_1d產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為41.9 kJ/mol，不再贅述。

結(jié)合圖2 和圖3 可知，α-Ala_1·Co2+在a 和b 通道的旋光異構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)，決速步是第3 基元反應(yīng)，決速步能壘為283.1 kJ/mol，來(lái)自α-氫從α-碳向羧基下部的氧（8O）遷移的過(guò)渡態(tài)。從圖3 還可看出，a通道第4 基元的能壘低于b 通道第4 基元的能壘，比較而言，在a 通道比b 通道略具優(yōu)勢(shì)。由于能壘小于40.0 kJ/mol 的反應(yīng)可通過(guò)分子間的碰撞實(shí)現(xiàn)［24］，因此水液相下反應(yīng)物應(yīng)是S-A·Co_1、S-I1_1a（b）和SI2_1a（b）共 存，S-A·Co_1 分 布 最 高，S-I2_1a（b）次 之，S-I1_1a（b）分 布 最 少；產(chǎn)物是R-I4_1a、R-I5_1a和RA·Co_1a共存，R-A·Co_1a分布最高，R-I4_1a次之，R-I5_1a分布最少。

2.1.2S-A·Co_2 的旋光異構(gòu)

S-A·Co_2 的旋光異構(gòu)有2 個(gè)通道a 和b，反應(yīng)歷程見圖4，反應(yīng)的自由能勢(shì)能面見圖5。

圖4 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co_2 旋光異構(gòu)的反應(yīng)歷程Fig.4 Reaction process of S-A·Co_2 optical isomerism under the effect of recessive water solvent

圖5 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co_2 旋光異構(gòu)反應(yīng)的自由能勢(shì)能面Fig.5 The free energy potential surface of S-A·Co_2 optical isomerism reaction under the effect of recessive water solvent

2.1.2.1 a 通道

第1 基元反應(yīng)：S-A·Co_2 經(jīng)過(guò)渡態(tài)S-T1m_2a（或S-T1n_2a），7O—5C 仰視逆時(shí)針（或順時(shí)針）內(nèi)旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)成中間體S-I1_2a。從S-A·Co_2 到ST1m_2a，7O—5C 仰視逆時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)92.1°，S-T1m_2a產(chǎn)生了39.8 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。相似地，ST1n_2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為39.2 kJ/mol，不再贅述。

第2 基元反應(yīng)：S-I1_2a經(jīng)過(guò)渡態(tài)S-T2_2a，螯合環(huán) 打 開 異 構(gòu) 成S-I2_2a。 從S-I1_2a到S-T2_2a，14Co—2N 斷 裂，S-T2_2a產(chǎn) 生 了54.0 kJ/mol 的 內(nèi)稟能壘。

第3 基元反應(yīng)：S-I2_2a經(jīng)過(guò)渡態(tài)S-T3m_2a（或S-T3n_2a），5C—1C 和2N—1C 鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)，8H 從7O遷移至2N，異構(gòu)成S-A·Co_1_2a。從S-I2_2a到ST3m_2a，5C—1C 右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)87.9°，2N—1C俯視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)54.1°，這兩個(gè)化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量很少，S-T3m_2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘僅6.0 kJ/mol。相似地，S-T3n_2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為11.1 kJ/mol。

結(jié)構(gòu)分析表明，S-A·Co_1_2a的結(jié)構(gòu)完全與SA·Co_1 相同。S-A·Co_1_2a接下來(lái)的異構(gòu)亦同SA·Co_1 的異構(gòu)，不再贅述。

2.1.2.2 b 通道

第1 基元反應(yīng)：S-A·Co_2 經(jīng)羧基內(nèi)H 遷移的過(guò)渡態(tài)S-T1_2b，8H 從7O 遷移至6O，異構(gòu)成中間體S-I1_2b。從S-A·Co_2 到S-T1_2b，7O—8H 鍵長(zhǎng)從0.098 6 nm 拉 伸 至0.135 7 nm，S-T1_2b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為172.9 kJ/mol。

第2 基 元 反 應(yīng)：S-I1_2b經(jīng) 過(guò) 渡 態(tài)T2_2b，9H 從1C 遷移 至7O，異構(gòu) 成 中 間體I2_2b。從S-I1_2b到T2_2b，1C—9H 鍵長(zhǎng)從0.109 7 nm 拉 伸 至0.155 3 nm，5C—7O 鍵長(zhǎng)從0.122 9 nm 拉伸至0.132 4 nm，二面角2N—1C—10C—5C 從125.0°增至139.6°。這些變化使T2_2b產(chǎn)生了218.2 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。

接下來(lái)I2_2b的異構(gòu)分為b1 和b2 兩個(gè)分路徑。

1）b1 分路徑專屬基元反應(yīng)第3 基元反應(yīng)：I2_2b經(jīng)9H 在紙面內(nèi)側(cè)從7O 向1C 遷移的過(guò)渡態(tài)T3_2b1，異構(gòu)成中間體R-I3_2b1，至此S-A·Co_2 在b 通道b1分路徑實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I2_2b到T3_2b1，7O—9H鍵長(zhǎng)從0.097 9 nm 拉伸至0.130 4 nm，T3_2b1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為259.1 kJ/mol。此基元的能壘高于第2 基元的能壘，主要原因是I2_2b的7O—9H 鍵的紅外伸縮振動(dòng)頻率3 751.8 cm-1比S-I1_2b的1C-9H鍵的紅外伸縮振動(dòng)頻率3 097.0 cm-1大，故I2_2b的7O—9H 比S-I1_2b的1C-9H 鍵的鈍化程度高。

第4 基元反應(yīng)：R-I3_2b1經(jīng)過(guò)渡態(tài)R-T4_2b1，8H從6O 回遷到7O，異構(gòu)成與S-A·Co_2 鏡像對(duì)稱的產(chǎn)物配合物R-A·Co_2b1，S-A·Co_2 在b 通道b1 路徑實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變。從R-I3_2b1到R-T4_2b1，6O—8H 鍵長(zhǎng)從0.098 3 nm 拉伸至0.131 9 nm，R-T5_2b1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為48.7 kJ/mol。此能壘比第一基元的能壘小很多，原因是此基元的質(zhì)子遷移是逆偶極矩方向，體系的電場(chǎng)力助力質(zhì)子遷移。

S-A·Co_2 在b 通道b1 路徑旋光異構(gòu)反應(yīng)的駐點(diǎn)構(gòu)象和駐點(diǎn)的能量關(guān)于T3_2b1對(duì)稱。

2）b2 路徑專屬基元反應(yīng)第3 基元反應(yīng)：I2_2b經(jīng)過(guò)渡態(tài)T3_2b2，11H 在紙面內(nèi)側(cè)從10C 遷移至1C，異構(gòu)成R-型中間體R-I3_2b2。從I2_2b到T3_2b2，10C—11H 鍵長(zhǎng)從0.109 7 nm 拉伸至0.163 6 nm，T3_2b2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為345.6 kJ/mol。

第4 基元反應(yīng)：R-I3_2b2經(jīng)過(guò)渡態(tài)R-T4_2b2，9H從7O 遷移至10C，異構(gòu)成中間體R-I4_2b2。從RI3_2b2到R-T4_2b2，7O—9H 鍵長(zhǎng)從0.090 8 nm 拉伸至0.119 1 nm，R-T4_2b2產(chǎn)生了82.6 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。結(jié)構(gòu)分析表明，R-I4_2b2與R-I3_2b1的結(jié)構(gòu)全同，接下來(lái)R-I4_2b2將按R-I3_2b1的方式異構(gòu)成RA·Co_2b2，記作R-A·Co_2b1（b2），不再贅述。

從圖5 可知，S-A·Co_1 相對(duì)于S-A·Co_2 的自由能是-41.1 kJ/mol，前者的穩(wěn)定性高于后者；在a通道，S-A·Co_2 向S-A·Co_1 異構(gòu)決速步的自由能壘為54.0 kJ/mol，低于溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ/mol［24］，反 應(yīng) 進(jìn) 行 較快；S-A·Co_1 向S-A·Co_2 異構(gòu)決速步的自由能壘為97.6 kJ/mol，高于溫和反應(yīng)能 壘83.6 kJ/mol［24］，反 應(yīng) 進(jìn) 行 較 慢。因 此 水 液 相下，S-A·Co_1 的分布會(huì)遠(yuǎn)高于S-A·Co_2。從圖5還可看出，S-A·Co_2 在b 通道旋光異構(gòu)決速步的能壘在259.1 kJ/mol 以上，b 通道是S-A·Co_2 異構(gòu)的劣勢(shì)通道。

2.2 顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co 旋光異構(gòu)過(guò)程中的氫遷移反應(yīng)

為節(jié)省篇幅，本文只討論S-A·Co_1 在優(yōu)勢(shì)通道a 和b 旋光異構(gòu)過(guò)程中的氫遷移反應(yīng)。

水分子多以水簇的形式存在，顯性水溶劑效應(yīng)下，水分子簇與14Co 形成配位鍵，同時(shí)水分子簇可與S-A·Co_1 的氫、氧和氮等氫鍵作用。已有研究［11～15］表明，水簇或單個(gè)水分子與金屬配位時(shí)，配合物異構(gòu)反應(yīng)能壘差別很小，二聚水和三聚水作為質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介時(shí)質(zhì)子轉(zhuǎn)移的能壘相差很小。因此為使問(wèn)題簡(jiǎn)便，僅討論單個(gè)水分子與14Co 配位，二聚水做質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介的情況。

Co2+最多配位數(shù)是6，在S-I2_1a（b）中Co2+已經(jīng)與1 個(gè)O 配位，再有5 個(gè)水分子與Co 配位，Co 便“滿配”，得到的中間體是S-I2_1a（b）←5H2O。再有二聚水與9H 和8O 氫鍵作用，同時(shí)和與Co2+配位的水分子氫鍵作用，形成具有穩(wěn)定氫鍵網(wǎng)絡(luò)的S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2m（此處m 表示二聚水在紙面外與S-I2_1a（b）氫鍵作用）。S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 旋光異構(gòu)歷程見圖6，勢(shì)能面見圖7。

圖6 顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co_1 旋光異構(gòu)的主要?dú)v程Fig.6 The main reaction process of S-A·Co_1 optical isomerism under the effect of explicit water solvent

圖7 顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co_1 旋光異構(gòu)主要?dú)v程的自由能勢(shì)能面Fig.7 The free energy potential surface of main reaction process of S-A·Co_1 optical isomerismunder the effect of explicit water solvent

第3 基 元 反 應(yīng)（a 和b 通 道 共 用）：S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 經(jīng)過(guò)渡態(tài)T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m，3 個(gè)質(zhì)子協(xié)同遷移，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從1C向8O的凈遷移，異構(gòu)成中間體I3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m。從S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 到T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m，1C—9H、30O—32H 和33O—35H 鍵 長(zhǎng) 分 別 從0.109 4、0.100 6 和0.099 2 nm 拉 伸 至0.142 6、0.146 4 和0.115 0 nm；二面角2N—1C—10C—6C從120.7°變?yōu)?32.7°。 這 些變化使T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 產(chǎn)生了120.3 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。此能壘低于T3_1a（b）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘283.1 kJ/mol，說(shuō)明水分子（簇）對(duì)此基元反應(yīng)起了很好的催化作用。原因是T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 的氫鍵角1C—9H—30O、30O—32H—33O 和33O—35H—8O分 別 是167.0°、156.2°和167.1°，3 個(gè)氫鍵較強(qiáng)；T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 的八元 環(huán)結(jié)構(gòu)共面程度較好，導(dǎo)致過(guò)渡態(tài)T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 的穩(wěn)定性較好。

a 通道 第4 基元反 應(yīng)：二聚水 在I3_1a←5H2O 的后面與9H 及α-碳?xì)滏I作用形成的中間體反應(yīng)物I3_1a←5H2O·（H2O）2n（n 表示二聚水在I2_1a（b）的后面，后面相似之處不再贅述）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T4_1a←5H2O·（H2O）2n，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子在紙面內(nèi)從8O 向1C 凈遷移，異構(gòu)成R-型中間體產(chǎn)物R-I4_1a←5H2O·（H2O）2n，S-A·Co_1 實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I3_1a←5H2O·（H2O）2n到T4_1a←5H2O·（H2O）2n，8O—9H、34O—33H 和30O—32H 鍵長(zhǎng)從0.102 9、0.099 5 和0.098 7 nm 分別拉伸至0.126 0、0.105 1 和0.120 3 nm，T4_1a←5H2O·（H2O）2n 產(chǎn) 生 的 內(nèi) 稟 能 壘 為30.3 kJ/mol。該能壘低于T4_1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘198.9 kJ/mol，說(shuō)明水分子（簇）對(duì)此基元反應(yīng)起了顯著的催化作用。原因之一是T4_1a←5H2O·（H2O）2n 的 氫 鍵 角8O—9H—32O、32O—33H—30O 和30O—32H—1C 分 別 是167.1°、156.2°和167.0°，3 個(gè)氫鍵較強(qiáng)，過(guò)渡態(tài)的八元環(huán)結(jié)構(gòu)共面程度較好，T2_1a（b）←6H2O·（H2O）2m的構(gòu)象較穩(wěn)定；原因之二是從I1_1a←4H2O·（H2O）2n 到T2_1a←4H2O·（H2O）2n，二面角2N—1C—6C—10C 從-168.8°變?yōu)?132.8°，1C 從sp2雜化向sp3雜化過(guò)渡，體系釋放能量。

b 通道第4 基元：I3_1b的Co 與5 個(gè)水分子配位，二聚水在紙面內(nèi)與4H 及1C 氫鍵作用，得到中間體反應(yīng)物I3_1b←5H2O·（H2O）2n。其經(jīng)過(guò)渡態(tài)T4_1b←5H2O·（H2O）2n，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子在紙面內(nèi)從2N 向1C 的凈遷移，異構(gòu)成中間體產(chǎn)物R-I4_1b←5H2O·（H2O）2n，S-A·Co_1 在b 通 道 實(shí) 現(xiàn) 旋 光 異 構(gòu)。從I3_1b←5H2O·（H2O）2n 到T4_1b←5H2O·（H2O）2n，2N—4H、34O—33H 和31O—30H 鍵長(zhǎng)從0.102 9、0.099 6 和0.098 0 nm 分別拉伸至0.133 0、0.105 7 和0.120 3 nm，T4_1b←5H2O·（H2O）2n 產(chǎn) 生 的 內(nèi) 稟 能 壘 為35.6 kJ/mol，遠(yuǎn)低于T4_1b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘208.4 kJ/mol，說(shuō)明水分子（簇）對(duì)此基元反應(yīng)起了顯著的催化作用。其原因相似于前面的水液相下S-A·Co_1 在a 通 道的第4 基元反應(yīng)。

結(jié)合圖7 和圖3 可知，顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co_1 在a 和b 通道旋光異構(gòu)的決速步能壘為120.3 kJ/mol。結(jié)合圖7 和5 可知，顯性水溶劑效應(yīng)下SA·Co_2 旋光異構(gòu)優(yōu)勢(shì)通道的決速步能壘也是120.3 kJ/mol。120.3 kJ/mol 高于溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ/mol［24］許多，S-A·Co 的消旋反應(yīng)只能很緩慢地進(jìn)行。這從理論上說(shuō)明丙氨酸鈷（Ⅱ）配合物用于生命體同補(bǔ)丙氨酸和Co2+比較安全。

3 結(jié) 論

本 文 在SMD/MN15/SDD/6-311++G（2df，pd）//SMD/M06/SDD/6-311+G（d，p）雙水平，研究了兩性及中性α-丙氨酸（α-Ala_1 和α-Ala_2）與Co2+配合物在水液相下的旋光異構(gòu)，得到如下結(jié)論：1）α-Ala·Co_2 向α-Ala·Co_1 異構(gòu)的決速步自由能壘為54.0 kJ/mol，逆反應(yīng)的決速步自由能壘為97.6 kJ/mol，水液相下α-Ala·Co_1 的分布遠(yuǎn)高于α-Ala·Co_2；2）α-Ala_1·Co2+旋光異構(gòu)有4 個(gè)通道a、b、c 和d，a 通道和b 通道是質(zhì)子向羧基底部的氧遷移，c 通道和d 通道是質(zhì)子向羧基上部的氧遷移；3）α-Ala_1·Co2+旋光異構(gòu)的優(yōu)勢(shì)通道是a 通道和b通道，隱性溶劑效應(yīng)下決速步能壘為283.1 kJ/mol，顯性溶劑效應(yīng)下該能壘降至120.3 kJ/mol，α-Ala_2·Co2+異構(gòu)到α-Ala_1·Co2+后再旋光異構(gòu)的通道具有優(yōu)勢(shì)，決速步能壘與α-Ala_1·Co2+旋光異構(gòu)的能壘相同。上述研究表明，水液相下丙氨酸鈷（Ⅱ）配合物的消旋反應(yīng)進(jìn)行緩慢，用于生命體同補(bǔ)丙氨酸和Co2+在理論上具有較好的安全性。