水分子（簇）和水溶劑對(duì)脯氨酸銅（Ⅱ）對(duì)映異構(gòu)的影響*

劉芳，辛志榮，范艷潔，李心雨，潘宇，楊清薈，姜春旭，王佐成

白城師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林 白城 137000

氨基酸銅配合物有抑細(xì)菌、造血、清除超氧自由基（O2-）的功效，成為防治癌癥、輻射病、免疫病和心血管疾病的藥物［1-3］。銅氨基酸配合物可作為天然氧載體血紅蛋白、肌紅蛋白及血藍(lán)蛋白等理想的模型配合物［4］，銅是人體健康不可缺少的微量營(yíng)養(yǎng)素。生命體內(nèi)的銅是二價(jià)態(tài)，Cu2+氨基酸配合物的形成可促進(jìn)銅輸送到血清蛋白中，參與體內(nèi)的代謝及生化過(guò)程［4］。Cu2+氨基酸配合物已部分用于臨床，可為生命體同補(bǔ)氨基酸和金屬元素，以及用于癌癥等疾病的治療［5-6］。

脯氨酸（Pro）是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分，按構(gòu)型分為S-Pro和R-Pro，按旋光作用分為L(zhǎng)-Pro（左旋體）和D-Pro（右旋體）。在生命體內(nèi)L-Pro 有活性，可合成膠原蛋白，促進(jìn)軟骨修復(fù)，具有治療骨關(guān)節(jié)炎、減輕持續(xù)性軟組織疼痛和慢性背痛的作用［7］。

Pro 的手性特征使其金屬配合物具有手性。手性藥物分子的不同對(duì)映異構(gòu)體在活性、代謝過(guò)程及毒性等方面存在差異，往往是一個(gè)有效，另一個(gè)有負(fù)作用［8-9］。如“沙利度胺”的右旋體有鎮(zhèn)靜和止吐作用，左旋體則有致畸作用，其右旋體的消旋導(dǎo)致“沙利度胺”事件［10-11］。研究手性分子對(duì)映異構(gòu)對(duì)人們安全使用手性藥，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)劣構(gòu)體向優(yōu)構(gòu)體轉(zhuǎn)變均有重要意義?；诖?，學(xué)者們對(duì)α-丙氨酸金屬配合物的對(duì)映異構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，文獻(xiàn)［12］報(bào)道了氣相下α-Ala 與Zn2+、Fe2+、Mn2+、Na+、K+、Co2+、Ca2+和Mg2+等配合物的手性不能反轉(zhuǎn)；氣相下α-Ala 與Co3+和Cu2+的配合物可以緩慢地實(shí)現(xiàn)手性反轉(zhuǎn)；水液相下α-Ala 與Na+、K+、Cu2+、Zn2+、Ca2+、Mg2+、Co3+、Fe2+和Mn2+配合物只能微量或痕量地手性反轉(zhuǎn)，用于生命體同補(bǔ)α-Ala 和相應(yīng)的金屬元素具有安全性，水液相下α-Ala 與Co2+的配合物可以少量地手性反轉(zhuǎn)，其不能長(zhǎng)期用于生命體同補(bǔ)α-Ala 和Co2+。文獻(xiàn)［13］表明，α-丙氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸等與Cu（Ⅱ）配合物的手性對(duì)映體異構(gòu)反應(yīng)速率不盡相同，或少量、或微量、或痕量消旋。

脯氨酸金屬配合物對(duì)映異構(gòu)的研究工作已經(jīng)開(kāi)展。黃煜純等［14］研究表明，氣相脯氨酸鈣的手性難以改變，水分子存在時(shí)脯氨酸鈣只能痕量地消旋；孟雪飛等［15］研究表明，脯氨酸鈣在水液相環(huán)境只能很少量地消旋，其用于生命體同補(bǔ)脯氨酸和鈣具有較好的安全性。目前，關(guān)于脯氨酸二價(jià)銅對(duì)映異構(gòu)的理論研究未見(jiàn)報(bào)道，為說(shuō)明在氣相、水汽相及水液相下手性脯氨酸銅（Ⅱ）是否容易保存，利用脯氨酸銅（Ⅱ）為生命體同補(bǔ)脯氨酸和二價(jià)銅是否安全，本工作對(duì)標(biāo)題反應(yīng)進(jìn)行了理論研究。

1 模型選取及計(jì)算方法

Pro·Cu2+是Cu2+與Pro的O單齒配位、羧基為順式結(jié)構(gòu)、五元雜環(huán)共面程度較大的最穩(wěn)定構(gòu)象（在討論部分給予了說(shuō)明），將S-Pro·Cu2+作反應(yīng)物，研究其向?qū)τ丑wR-Pro·Cu2+的異構(gòu)。對(duì)孤立體系、水汽環(huán)境下水分子簇輔助的體系及水分子簇輔助體系的水溶劑效應(yīng)分別進(jìn)行研究。

采用密度泛函理論的M06［16］方法，在6-311+G（d，p）基組水平優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程在雙重態(tài)勢(shì)能面上駐點(diǎn)物種的結(jié)構(gòu)，吉布斯自由能熱校正在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.33 kPa）298.15 K溫度下進(jìn)行。通過(guò)對(duì)過(guò)渡態(tài)［17］進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）計(jì)算［18］，確認(rèn)其在勢(shì)能面上與期望的穩(wěn)定點(diǎn)相連。在MN15［19］/6-311++G（2df，pd）理論水平計(jì)算單點(diǎn)能，總自由能用自由能熱校正與單點(diǎn)能相加獲得，勢(shì)能曲線的零勢(shì)點(diǎn)為該曲線上各個(gè)駐點(diǎn)物種的相對(duì)勢(shì)能零點(diǎn)。水溶劑效應(yīng)是在優(yōu)化和單點(diǎn)能計(jì)算兩個(gè)階段都采用SMD模型處理［20］。采用NBO 5.0程序［21］中的自然鍵軌道（NBO）理論和AIM 2000 程序［22］中的分子中的原子理論（AIM），計(jì)算主要駐點(diǎn)物種的NPA 電荷、成鍵臨界點(diǎn)（BCP）的電荷密度（ρBCP）、成環(huán)臨界點(diǎn)（RCP）的電荷密度（ρRCP）以及電荷密度的拉普拉斯值（?2ρ）。S-Pro·Cu2+在c、d 和e 通道異構(gòu)的第1 個(gè)公用的S-手性過(guò)渡態(tài)記作ST1c（d，e），中間體記作S-I1c（d，e）；在c通道的手性對(duì)映體產(chǎn)物記作R-Pro·Cu（Ⅱ）c。5 個(gè)H2O 與T4d（e）的Cu2+配位，2 聚 水 與T4d（e）氫 鍵 作 用 的 體 系 記 作T4d（e）←5H2O·（H2O）2，其他體系表示法相似。文中計(jì)算工作采用Gaussian 16程序［23］。

2 結(jié)果與討論

優(yōu)化的孤立S-Pro·Cu2+配合物的手性對(duì)映體見(jiàn)圖1。圖1（b）所示的R-Pro Cu（Ⅱ）與圖1（a）S-Pro Cu（Ⅱ）關(guān)于與紙面垂直的平面對(duì)稱放置，圖1（c）所示的R-Pro Cu（Ⅱ）與圖1（a）S-Pro Cu（Ⅱ）關(guān)于紙面平面對(duì)稱放置。

圖1 Pro·Cu（Ⅱ）手性對(duì)映體的幾何構(gòu)型Fig.1 Geometric conformation of Pro·Cu(Ⅱ)chiral enantiomer

首先討論孤立脯氨酸銅（Ⅱ）的對(duì)映異構(gòu)，然后討論水分子（簇）的作用及水溶劑效應(yīng)。

2.1 孤立脯氨酸銅（Ⅱ）的對(duì)映異構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)，S-Pro·Cu2+的對(duì)映異構(gòu)可在α-H 直接以與銅配位的O、Cu 和N 為橋遷移的通道實(shí)現(xiàn)，也可以在Cu2+與羰基O 雙齒配位后，α-H 以O(shè) 以及O 和N 聯(lián)合為橋遷移的5 個(gè)主要通道實(shí)現(xiàn)，這5 個(gè)通道分別命名為a、b、c、d 和e。S-Pro·Cu2+的對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)歷程見(jiàn)圖2（a和b通道）和圖3（c、d和e通道），反應(yīng)過(guò)程中各物種的相對(duì)吉布斯自由能面見(jiàn)圖4。下面分別進(jìn)行討論。

圖2 S-Pro·Cu（Ⅱ）在a和b通道的對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)歷程（鍵長(zhǎng)單位：nm）Fig.2 Reaction process of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization in channel a and b(bond length unit:nm)

圖3 S-Pro·Cu（Ⅱ）在c、d和e通道的對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)歷程（鍵長(zhǎng)單位：nm）Fig.3 Reaction process of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization in channel c,d and e(bond length unit:nm)

圖4 S-Pro·Cu（Ⅱ）對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)駐點(diǎn)物種的相對(duì)自由能勢(shì)能面Fig.4 Relative free energy potential energy surface of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization stagnation point species

2.1.1 a 通道 第1 基元反應(yīng)。S-Pro·Cu（Ⅱ）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T1a，α-氫質(zhì)子9H（NPA 電荷計(jì)算表明遷移的9H 是質(zhì)子）從α-碳1C 遷移到8O，異構(gòu)成I1a。從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1a，1C—9H 鍵從0.111 1 nm 拉伸至0.150 7 nm，ρBCP分別從0.267 5 a.u.銳減到0.100 2 a.u.（?2ρ<0，仍為共價(jià)鍵）；6C—8O 鍵從0.122 1 nm 拉伸至0.130 1 nm，8O—18Cu 鍵從0.196 3 nm 拉伸至0.203 4 nm；1C—9H—8O—6C的ρRCP從0 a.u.增加到0.084 1 a.u.（?2ρ＞0，成四元環(huán)）；二面角2N—1C—5C—6C 從125.9°增加到154.3°，6C—1C鍵右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)42.2°，這些變化使T1a產(chǎn)生了221.0 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第2 基元反應(yīng)。I1a經(jīng)過(guò)渡態(tài)T2a，18Cu、11H和9H左右協(xié)同翻轉(zhuǎn)，分別從骨架原子N、C、O所在的準(zhǔn)平面右側(cè)、左側(cè)和左側(cè)翻轉(zhuǎn)到對(duì)稱的左側(cè)、右側(cè)和右側(cè)，異構(gòu)成I2a。從I1a到T2a，7O—6C 內(nèi)旋轉(zhuǎn)60.7°，T2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有9.1 kJ·mol-1。

第3 基元反應(yīng)。I2a經(jīng)與T1a鏡像對(duì)稱的過(guò)渡態(tài)T3a，9H 在紙面里從8O 遷移到1C，異構(gòu)成R-Pro·Cu（Ⅱ）a，S-Pro·Cu（Ⅱ）實(shí)現(xiàn)對(duì)映異構(gòu)。從I2a到T3a，8O—9H鍵從0.097 2 nm拉伸至0.131 8 nm，T3a產(chǎn)生了215.4 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

此通道的駐點(diǎn)物種構(gòu)象及能量關(guān)于T2a鏡像對(duì)稱。

從I2a向R-Pro·Cu（Ⅱ）a異構(gòu)，也可通過(guò)11H 從7O 向1C 的遷移實(shí)現(xiàn)，計(jì)算表明此過(guò)程能壘高于9H 從8O 向1C 的遷移（原因是11H 距離1C 較遠(yuǎn)），為節(jié)省篇幅，本文不予討論。

2.1.2 b 通道 第1 基元反應(yīng)。S-Pro·Cu（Ⅱ）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T1b， 9H 從1C 遷移到18Cu（NPA 電荷計(jì)算表明此過(guò)程遷移的是H 負(fù)離子，T1b的9H 電荷量是-0.075 e），異構(gòu)成I1b。從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1b，1C—9H 鍵從0.111 1 nm 拉伸至0.166 1 nm，ρBCP分別從0.267 5 a.u.銳減到0.069 4 a.u.（?2ρ＞0），1C—9H 變?yōu)榉兜氯A作用；1C—9H—18Cu—8O—6C 的ρRCP從0 a.u.增加到0.024 6 a.u.（?2ρ＞0，形成五元環(huán)）；二面角2N—1C—5C—6C 從125.9°增加到151.5°，6C—1C 鍵右視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)70.6°，18Cu從羧基內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)到外側(cè)，這些變化使T1b產(chǎn)生了153.4 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。T1b比T1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘低很多，主要是由于以下5 個(gè)原因：①前者是1C—9H—18Cu—8O—6C 成五元環(huán)，后者是1C—9H—8O—6C成四元環(huán)，五元環(huán)比四元環(huán)張力小，更穩(wěn)定；②鍵角1C—9H—18Cu 比1C—9H—8O 小，并且1C—9H—18Cu—8O—6C 的共面性遠(yuǎn)好于1C—9H—8O—6C；③2N—1C 和8O—6C 的ρBCP分別從0.322 2、0.337 3 a.u.顯著增加到0.346 3、0.390 6 a.u.，R-基雜環(huán)的ρRCP從0.040 0 a.u.增加到0.041 8 a.u.；④從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1b是H 負(fù)離子從α-C 向18Cu 遷移，Cu（Ⅱ）的空軌道接收電子的能力較強(qiáng)；⑤從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1b的1C—9H 鍵是從共價(jià)鍵的庫(kù)侖引力作用向非共價(jià)鍵（范德華弱作用）變化，拉伸1C—9H所需的能量會(huì)顯著減小。

第2 基元反應(yīng)。I1b經(jīng)過(guò)渡態(tài)T2b，亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從原子N、C、O 所在平面的右側(cè)對(duì)稱地翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，異構(gòu)成I2b。從I1b到T2b，二面角2N—3C—4C—5C 從18.2°減小到0.1°，二面角微小改變所需能量很小，T2b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有3.2 kJ·mol-1。

第3 基元。I2b經(jīng)與T1b鏡像對(duì)稱的過(guò)渡態(tài)T3b，9H 在紙面里側(cè)從18Cu 遷移到1C，異構(gòu)成R-Pro·Cu（Ⅱ）b，S-Pro·Cu（Ⅱ）實(shí)現(xiàn)對(duì)映異構(gòu)。從I2b到T3b，18Cu—9H 鍵從0.149 4 nm 拉伸至0.163 5 nm，T3b產(chǎn)生了97.5 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

b 通道的駐點(diǎn)物種構(gòu)象及能量關(guān)于T2b鏡像對(duì)稱。

2.1.3 c、d、e 通道 第1 基元反應(yīng)（公用）。S-Pro·Cu（Ⅱ）經(jīng)過(guò)渡態(tài)S-T1c（d，e），亞甲基15H—4C—14H左右翻轉(zhuǎn)，從圖3 可知，2N、1C、5C 所在平面的右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，異構(gòu)成S-I1c（d，e）。從S-Pro·Cu（Ⅱ）到S-T1c（d，e），二面角2N—1C—4C—5C 從-27.6°增加到6.7°，S-T1c（d，e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有

14.4 kJ·mol-1。

1）c通道專屬的反應(yīng)。

第2 基元反應(yīng)。S-I1c（d，e）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T2c，9H 從1C 遷移到2N（NPA 電荷計(jì)算表明此過(guò)程遷移的是質(zhì)子），異構(gòu)成I2c。從S-I1c（d，e）到T2c，1C—9H 鍵從0.110 0 nm 拉伸至0.129 8 nm，二面角2N—1C—5C—6C從119.6°增加到158.7°，6C—1C鍵右視逆時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)20.3°，T2c產(chǎn)生了155.7 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。T2c比T1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘低很多，原因 有3 個(gè)： ①S-I1c（d，e）的9H 與2N 的 庫(kù) 侖 引 力比S-Pro·Cu（Ⅱ）的9H 與8O 的庫(kù)侖引力大（計(jì)算表明大2 倍多）；②從S-I1c（d，e）到T2c過(guò)程1C—9H 的拉伸幅度（0.019 8 nm）明顯小于從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1a過(guò)程1C—9H 鍵的拉伸（0.039 6 nm）；③T2c與T1a相比，T2c的骨架原子基本共面，形成了離域的大π 鍵，構(gòu)象較穩(wěn)定。然而T2c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘并不是很低，原因是T2c的1C—9H 鍵已經(jīng)斷裂（計(jì)算表明ρBCP已不存在），1C—2N—9H 不成環(huán)（計(jì)算表明ρRCP已不存在），導(dǎo)致T2c不穩(wěn)定。

第3 基元反應(yīng)。I2c經(jīng)過(guò)渡態(tài)T3c，亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從骨架原子N、C、O所在平面的左側(cè)對(duì)稱地翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，異構(gòu)成I3c。從I2c到T3c，二面角2N—1C—5C—6C 從37.6°減小到0.3°，T3c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是11.5 kJ·mol-1。

第4 基元反應(yīng)。I3c經(jīng)過(guò)渡態(tài)T4c，10H 質(zhì)子在紙面內(nèi)從2N遷移到1C，異構(gòu)成R-I4c，S-Pro·Cu（Ⅱ）實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。從I3c到T4c，2N—10H 鍵從0.102 8 nm 拉伸至0.129 9 nm，T4c產(chǎn)生了192.5 kJ·mol-1的能量。該能壘高于第2 基元的正反應(yīng)能壘許多，原因有2 個(gè)： ①I3c的穩(wěn)定性好于S-I1c（d，e），T4c和T2c在勢(shì)能面的同一高度；②S-I1c（d，e）的1C—9H 紅外伸縮振動(dòng)頻率（3 052.7 cm-1）小于I3c的2N—10H紅外伸縮振動(dòng)頻率（3 474.5 cm-1）許多，S-I1c（d，e）的1C—9H活化程度好于I3c的2N—10H。

第5 基元反應(yīng)。R-I4c經(jīng)過(guò)渡態(tài)R-T5c，亞甲基15H—4C—14H左右翻轉(zhuǎn)，從圖示2N、1C、5C所在平面的右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，異構(gòu)成產(chǎn)物R-Pro·Cu（Ⅱ）c。從R-I4c到R-T5c過(guò)程只是二面角異構(gòu)，所需能量很小，R-T5c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有9.8 kJ·mol-1。

駐點(diǎn)物種構(gòu)象及能量關(guān)于T3c鏡像對(duì)稱，S-Pro·Cu（Ⅱ）在c 通道的異構(gòu)也展現(xiàn)了對(duì)映異構(gòu)的內(nèi)在美和過(guò)程美。

SPX-250B-Z生化培養(yǎng)箱，YXQ-LS-18SI手提式壓力蒸汽滅菌器，SW-CJ-2FD潔凈工作臺(tái)，SQP電子天平，BCD-402WDBA海爾冰箱。

2）d、e通道公用的2、3、4、5基元。

第2 基元反應(yīng)。S-I1c（d，e）經(jīng)過(guò)渡態(tài)S-T2md（e）或S-T2nd（e），11H 在紙面外（或內(nèi)）從羧基內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)到外側(cè)，異 構(gòu) 成S-I2d（e）。從S-I1c（d，e）到S-T2md（e），7O—6C 鍵俯視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)98.9°，S-T2md（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是54.0 kJ·mol-1。相似的S-T2nd（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是52.9 kJ·mol-1，不再贅述。

第3 基元反應(yīng)。S-I2d（e）經(jīng)過(guò)渡態(tài)S-T3d（e），質(zhì)子11H 從7O 遷移到2N，異構(gòu)成S-I3d（e）。從S-I2d（e）到S-T3d（e）， 7O—11H 鍵 從0.097 3 nm 拉 伸 至0.118 7 nm，S-T3d（e）產(chǎn) 生 了128.5 kJ·mol-1的 內(nèi) 稟能壘。該基元質(zhì)子遷移能壘小于前面討論的質(zhì)子遷移的能壘，原因有2 個(gè)： ①?gòu)腟-I2d（e）到S-T3d（e）過(guò)程7O—11H的拉伸幅度較小，ρBCP從0.341 3 a.u.變?yōu)?.185 9 a. u.，其?2ρ始終為負(fù)值，7O—11H始終是共價(jià)鍵；②S-T3d（e）的2N—1C—6C—7O—11H 的ρRCP是0.044 0 a.u.，其?2ρ始 終 為 正 值，2N—1C—6C—7O—11H 成 環(huán)，過(guò) 渡 態(tài)S-T3d（e）較穩(wěn)定。

第4 基 元 反 應(yīng)。S-I3d（e）經(jīng) 過(guò) 渡 態(tài)T4d（e），質(zhì) 子9H從1C遷移到8O，構(gòu)型異構(gòu)成I4d（e）。從S-I3d（e）到T4d（e），1C—9H鍵從0.109 8 nm拉伸至0.135 1 nm，6C—8O 鍵 從0.127 4 nm 拉 伸 至0.130 0 nm，8O—18 Cu 鍵斷裂，二面角2N—1C—5C—6C 從119.6°增加到148.0°，6C—1C 鍵右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)70.9°，T4d（e）產(chǎn)生了151.3 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。該能壘小于T1a產(chǎn)生的能壘許多，主要原因有2個(gè)：①T4d（e）比T1a的1C—9H—8O—6C 的ρRCP大（前者是0.088 0 a.u.，后者是0.084 1 a.u.），五元環(huán)穩(wěn)定；②從S-I3d（e）到T4d（e）比S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1a，1C—9H 鍵的拉伸幅度小，T4d（e）比T1a的1C—9H 鍵ρRCP大（前者是0.147 9 a.u.，后者是0.100 2 a.u.），1C—9H鍵拉伸所需能量要少些。

第5 基元反應(yīng)。相似于c 通道第3 基元，I4d（e）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T5d（e），亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從N、C、O 所在平面的左側(cè)對(duì)稱地翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，異構(gòu)成I5d（e），T5d（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是10.2 kJ·mol-1。

接下來(lái)I5d（e）的異構(gòu)分成兩個(gè)通道d和e。

3）d通道專屬的反應(yīng)。

第6基元。I5d（e）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T6d，9H從8O在紙面里遷移到1C，異構(gòu)成R-I6d，S-Pro·Cu（Ⅱ）在d 通道實(shí) 現(xiàn) 手 性 轉(zhuǎn) 變。從I5d（e）到T6d，8O—9H 鍵 從0.097 3 nm 拉伸至0.134 4 nm，T6d產(chǎn)生了233.0 kJ·mol-1的能壘。此能壘遠(yuǎn)高于第4 基元正反應(yīng)能壘，原因是I5d（e）的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于S-I3d（e）。

第8 基元。R-I7d經(jīng)過(guò)渡態(tài)R-T8md或R-T8nd，10H在紙面外（或內(nèi)）從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，異構(gòu)成R-I8d。從R-I7d到R-T8md，7O—6C 鍵俯視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)89.6°，R-T8md產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是23.3 kJ·mol-1。相似的R-T8nd產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是22.2 kJ·mol-1。R-T8md和R-T8nd比S-T2md（e）和S-T2nd（e）產(chǎn)生的能壘小很多，原因是從R-I7d到R-T8md和R-T8nd過(guò)程，10H質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)方向逆著偶極矩矢量，體系電場(chǎng)力做正功。相反，從S-INT1c（d，e）到S-T2md（e）和S-T2nd（e），體系電場(chǎng)力對(duì)質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)做負(fù)功。

結(jié)構(gòu)分析表明，R-I8d同于R-I4c，其以R-I4c的異構(gòu)方式構(gòu)型異構(gòu)成R-Pro·Cu（Ⅱ）d（c），S-Pro·Cu（Ⅱ）在d通道實(shí)現(xiàn)了對(duì)映異構(gòu)，這里從略。

駐點(diǎn)物種構(gòu)象及能量關(guān)于T5d（e）鏡像對(duì)稱，S-Pro·Cu（Ⅱ）在d 通道的異構(gòu)歷程同樣展現(xiàn)了對(duì)映異構(gòu)的內(nèi)在美和過(guò)程美。

4）e通道專屬的反應(yīng)。

第6 基 元。I5d（e）經(jīng) 過(guò) 渡 態(tài)T6e，質(zhì) 子11H 在 紙面內(nèi)從2N 遷移到1C，異構(gòu)成R-I6e，S-Pro·Cu（Ⅱ）實(shí)現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變。從I5d（e）到T6e，2N—11H 鍵從0.103 0 nm 拉 伸 至0.130 8 nm， T6e產(chǎn) 生 了193.7 kJ·mol-1的能壘。該能壘較高的原因相似于前面討論的T4c產(chǎn)生了較高的能壘。

第7 基元。R-I6e經(jīng)過(guò)渡態(tài)R-T7me（或R-T7ne），6C—1C 鍵右視順（或逆）時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)成R-I7e。從R-I6e到R-T7me（或R-T7ne），6C—1C 鍵右視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)129.2°（或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)137.2°），R-T7me和R-T7ne產(chǎn)生的能壘分別是20.2和21.7 kJ·mol-1。

結(jié)構(gòu)分析表明，R-I7e同于R-I7d，R-I7e接下來(lái)的異構(gòu)同于R-I7d的異構(gòu)，最后異構(gòu)成S-Pro·Cu（Ⅱ）的手性對(duì)映體R-Pro·Cu（Ⅱ）e。

從圖4可以看出，S-Pro·Cu2+在b通道的對(duì)映異構(gòu)最具優(yōu)勢(shì)，c 通道為亞優(yōu)勢(shì)通道，這兩個(gè)通道的反應(yīng)活化能（氣相反應(yīng)是勢(shì)能面的總包能壘，亦即表觀能壘）分別是153.4 和160.3 kJ·mol-1（在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為相同）；a、d 和e 通道為劣勢(shì)通道，反應(yīng)活化能是221.1 和211.3 kJ·mol-1（在誤差允許的范圍內(nèi)也可以認(rèn)為相同）。153.4 kJ·mol-1已 經(jīng) 接 近 極 限 反 應(yīng) 能 壘167.0 kJ·mol-1［24］，氣相S-Pro·Cu2+不能實(shí)現(xiàn)對(duì)映異構(gòu)，亦即脯氨酸銅（Ⅱ）在干燥的環(huán)境下可以保持其手性特征。由于反應(yīng)能壘低于40.0 kJ·mol-1的反應(yīng)可以通過(guò)分子間的碰撞過(guò)程實(shí)現(xiàn)［24］，因此反應(yīng)物應(yīng)是以S-Pro·Cu2+和S-I1c（d，e）兩種構(gòu)象存在，只是前者的分布高些。

從圖4 還可看出，I2c和I3c的穩(wěn)定性明顯好于S-I1c（d，e）和S-Pro·Cu（Ⅱ），原因是I2c和I3c的骨架原子基本共面性，形成了離域的大π 鍵，而S-I1c（d，e）和S-Pro·Cu（Ⅱ）則不然。

從圖4 還可看出，單齒配位的S-Pro·Cu（Ⅱ）比雙齒配位的S-I3d（e）構(gòu)象穩(wěn)定性好許多，原因之一是S-Pro·Cu（Ⅱ）的骨架原子共面性程度好于S-I3d（e）；原因之二是S-Pro·Cu（Ⅱ）比S-I3d（e）的18Cu的NPA電荷少許多（分別是0.975 e和1.327 e），S-Pro·Cu（Ⅱ）的18Cu的空軌道被占據(jù)得多，導(dǎo)致體系更穩(wěn)定。

2.2 水分子（簇）對(duì)脯氨酸銅（Ⅱ）對(duì)映異構(gòu)主要過(guò)程的影響及水溶劑效應(yīng)

文獻(xiàn)［15］研究表明，水分子（簇）對(duì)非氫遷移過(guò)程的能壘影響較小，對(duì)氫遷移過(guò)程的能壘影響可能較大，因此主要討論水分子（簇）作用下的氫遷移過(guò)程。綜合前面的討論可知，S-Pro·Cu2+對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)的最優(yōu)勢(shì)通道b、亞優(yōu)勢(shì)通道c、季優(yōu)勢(shì)通道d 和e、最劣勢(shì)通道a 的表觀能壘分別來(lái)自過(guò)渡態(tài)T1b、T2c、T4d（e）和T1a，這些過(guò)渡態(tài)所在的基元反應(yīng)均為氫遷移反應(yīng)?；谖墨I(xiàn)［25］的研究經(jīng)驗(yàn)可知，18Cu 會(huì)與S-Pro 的羰基氧8O 及水分子的O 配位飽和，α-氫原子不能以水分子（簇）為媒介從α-碳向18Cu 遷移，水汽環(huán)境下S-Pro·Cu2+不能在氣相的優(yōu)勢(shì)通道b 實(shí)現(xiàn)對(duì)映異構(gòu)。因此，為節(jié)省篇幅，同時(shí)考慮到給讀者呈現(xiàn)出鏡像對(duì)稱的手性轉(zhuǎn)變過(guò)程，對(duì)水分子（簇）作用下過(guò)渡態(tài)T2c、T3c、T4c和T4d（e）、T5d（e）、T6d所在的基元反應(yīng)進(jìn)行討論。而對(duì)于d 和e 通道公用的第2 決速步（質(zhì)子遷移反應(yīng)，第3 和第7 基元），計(jì)算表明，水分子的作用使S-T3d（e）和R-T7d產(chǎn)生的能壘降到了溫和反應(yīng)能壘84.0 kJ·mol-1［24］以下，本文不給予討論。

Cu2+的配位數(shù)是6，反應(yīng)過(guò)程中的相關(guān)氣相物種是Cu2+與1 個(gè)羰基O 配位，水液相下會(huì)有5 個(gè)水分子再與Cu2+配位。考慮到配位鍵較強(qiáng)，水分子與Cu2+配位后很難解離，水汽環(huán)境下的反應(yīng)物及中間體等都是氣相的單體物種與水分子配位的配合物；水分子（簇）與相關(guān)物種分子的氫鍵可以通過(guò)分子的碰撞過(guò)程解離。為科學(xué)地揭示水分子（簇）對(duì)氫遷移反應(yīng)能壘的影響，對(duì)水分子（簇）與主要物種的氫鍵作用一并進(jìn)行討論。

2.2.1 水分子（簇）對(duì)T2c、T3c和T4c所在基元反應(yīng)的影響及水溶劑效應(yīng) 計(jì)算表明，對(duì)T2c和T4c所在基元反應(yīng)，3 個(gè)水分子簇作H 遷移媒介并不比2個(gè)水分子簇作媒介具有優(yōu)勢(shì)，為節(jié)省篇幅并使問(wèn)題簡(jiǎn)便，只討論2個(gè)水分子簇作質(zhì)子遷移媒介的情況，反應(yīng)歷程見(jiàn)圖5，勢(shì)能面見(jiàn)圖6，括號(hào)內(nèi)的能量是水溶劑效應(yīng)下的值。

圖5 水分子（簇）作用下S-Pro·Cu（Ⅱ）在c通道對(duì)映異構(gòu)的主要過(guò)程Fig.5 The main process of S-Pro·Cu（Ⅱ）enantiomerization in channel c under the action of water molecule（cluster）

圖6 水分子（簇）及水溶劑效應(yīng)作用下S-Pro·Cu（Ⅱ）在c通道對(duì)映異構(gòu)主要過(guò)程的自由能勢(shì)能面Fig.6 The free energy potential energy surface of the main process of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization in channel c under the effect of water molecule(cluster)and aqueous solvent

第2基元，（H2O）2與S-I1·5H2Oc（d，e）的α-H和N氫鍵作用形成的中間體反應(yīng)物S-I1·5H2O·（H2O）2mc（d，e），經(jīng)3質(zhì)子協(xié)同非同步遷移的過(guò)渡態(tài)T2·5H2O·（H2O）2mc，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從α-C 向氨基N 的凈遷移，異構(gòu)成I2·5H2O·（H2O）2mc。從S-I1·5H2O·（H2O）2mc（d，e）到T2·5H2O·（H2O）2mc，鍵長(zhǎng)1C—9H、37O—38H 和34O—35H 分別從0.109 6、0.100 8 和0.099 5 nm拉伸至0.142 7、0.103 0 和0.099 9 nm，二面角2N—1C—5C—6C 從125.3° 增 加 到151.9° ，T2·5H2O·（H2O）2mc產(chǎn)生了139.1 kJ·mol-1的能壘。這與T2c產(chǎn)生的能壘155.7 kJ·mol-1相比明顯減小，說(shuō)明水分子起了很好的催化作用。原因有3 個(gè)：①過(guò)渡 態(tài)T2·5H2O·（H2O）2mc的1C、9H、37O、38H、34O、35H、2N 七單元成環(huán)，形成較穩(wěn)定的大π 鍵（計(jì) 算 表 明 其ρRCP是0.008 1 a.u.，?2ρ＞0）；②T2·5H2O·（H2O）2mc的7 元環(huán)存在3 條較強(qiáng)的氫鍵（結(jié)構(gòu)分析表明），增加了過(guò)渡態(tài)的穩(wěn)定性；③從S-I1·5H2O·（H2O）2mc（d，e）到T2·5H2O·（H2O）2mc，1C—9H 從0.109 6拉伸至0.142 7 nm，其ρBCP是0.121 5 a.u.，?2ρ為負(fù)值，仍是共價(jià)鍵作用，另兩個(gè)化學(xué)鍵拉伸可以忽略（而T2c的1C—9H已經(jīng)斷裂，且過(guò)渡態(tài)不成環(huán)）。

水溶劑效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算表明，駐點(diǎn)物種的結(jié)構(gòu)變化不大，為節(jié)省篇幅，從略。勢(shì)能面計(jì)算表明，此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘驟降到89.9 kJ·mol-1。此基元反應(yīng)內(nèi)稟能壘顯著減小的原因是過(guò)渡態(tài)比穩(wěn)定點(diǎn)的偶極矩大很多，在強(qiáng)極性水溶劑的作用下過(guò)渡態(tài)變得相對(duì)穩(wěn)定。

第3 基元，I2·5H2Oc經(jīng)過(guò)渡態(tài)T3·5H2Oc，亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從N、C、O 所在平面的左側(cè)對(duì)稱地翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，異構(gòu)成I3·5H2Oc。從I2·5H2Oc到T3·5H2Oc，二面角2N—3C—4C—5C 從39.6°減小到1.0°，T3·5H2Oc產(chǎn)生的能壘是9.6 kJ·mol-1。這與T3c產(chǎn)生的能壘11.5 kJ·mol-1比較，相對(duì)值變化很小，水分子與Cu2+的配位對(duì)R-基的形變能壘影響可以忽略。

水溶劑化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化表明，駐點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變化不大，從略。勢(shì)能面計(jì)算表明，此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘小幅下降到8.7 kJ·mol-1。能壘減小的原因是過(guò)渡態(tài)比穩(wěn)定點(diǎn)的偶極矩稍大，在強(qiáng)極性水溶劑的作用下過(guò)渡態(tài)變得相對(duì)穩(wěn)定。

第4基元，與第2基元對(duì)稱，I3·5H2O·（H2O）2nc經(jīng)過(guò)渡態(tài)T4·5H2O·（H2O）2nc，質(zhì)子從N凈遷移到α-C，異構(gòu)成R-I4·5H2O·（H2O）2nc，S-I1·5H2O·（H2O）2mc（d，e）實(shí)現(xiàn)對(duì)映異構(gòu)。T4·5H2O·（H2O）2nc產(chǎn)生的能壘是160.8 kJ·mol-1。

水溶劑化計(jì)算表明，此基元反應(yīng)的能壘驟降到62.0 kJ·mol-1，能壘驟降的原因是過(guò)渡態(tài)比反應(yīng)物的偶極矩大很多，在強(qiáng)極性水溶劑的作用下過(guò)渡態(tài)變得相對(duì)穩(wěn)定。

結(jié)合勢(shì)能面圖6 和圖4 可知，水分子（簇）的作用使S-Pro·Cu（Ⅱ）在c 通道對(duì)映異構(gòu)的活化能降到143.7 kJ·mol-1（139.1 kJ·mol-1+4.6 kJ·mol-1=143.7 kJ·mol-1），水液相下S-Pro·Cu（Ⅱ）在c 通道對(duì)映異構(gòu)的活化能是89.9 kJ·mol-1（水液相下反應(yīng)的活化能是決速步的內(nèi)稟能壘）。

2.2.2 水分子（簇）對(duì)T4d（e）、T5d（e）和T6d所在基元反應(yīng)的影響及水溶劑效應(yīng) 水分子（簇）作用下

T4d（e）、T5d（e）和T6d所在基元反應(yīng)的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖7，勢(shì)能面見(jiàn)圖8，括號(hào)內(nèi)的能量是水溶劑效應(yīng)下的值。

圖7 水分子（簇）作用下S-Pro·Cu（Ⅱ）在d通道對(duì)映異構(gòu)的主要過(guò)程Fig.7 The main process of S-Pro·Cu（Ⅱ）enantiomerization in channel d under the action of water molecule（cluster）

第4 基元，（H2O）2與S-I3·5H2Od（e）的α-H 和8O氫鍵作用形成的S-I3·5H2O·（H2O）2md（e），經(jīng)過(guò)渡態(tài)T4·5H2O·（H2O）2md（e），實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從1C 向8O 的凈遷移，異構(gòu)成I4·5H2O·（H2O）2md（e）。從S-I3·5H2O·（H2O）2md（e）到T4·5H2O·（H2O）2md（e），鍵長(zhǎng)1C—9H、34O—36H 和37O—30H 分別從0.109 7、0.098 8 和0.096 9 nm 拉伸至0.170 7、0.133 2 和0.103 2 nm，二面角2N—1C—5C—6C 從120.8°增加到126.6°，T4·5H2O·（H2O）2md（e）產(chǎn)生了162.3 kJ·mol-1的能壘。該能壘高于T4d（e）產(chǎn)生的能壘151.3 kJ·mol-1，說(shuō)明水分子（簇）對(duì)此基元產(chǎn)生了負(fù)催化作用。原因是：T4·5H2O·（H2O）2md（e）的1C—9H（ρBCP是0.065 0 a.u.，?2ρ為正值）的化學(xué)鍵已經(jīng)斷裂，其八元環(huán)結(jié)構(gòu)1C—9H—34O—36H—37O—30H—8O—6C 雖 已 成環(huán)，但其ρRCP僅有0.007 0 a.u.，大π 鍵強(qiáng)度很??；T4d（e）的1C—9H（ρBCP是0.147 9 a.u.，?2ρ為負(fù)值）的共價(jià)鍵尚未斷裂，其4元環(huán)結(jié)構(gòu)1C—9H—8O—6C的ρRCP是0.088 0 a.u.，π 鍵強(qiáng)度較大。但T4·5H2O·（H2O）2md（e）產(chǎn)生的能壘并沒(méi)比T4d（e）產(chǎn)生的能壘高很多，原因是過(guò)渡態(tài)八元環(huán)結(jié)構(gòu)存在3 條氫鍵1C—9H—34O、34O—36H—37O和37O—30H—8O。

計(jì)算表明，水溶劑效應(yīng)使此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘小幅下降到153.1 kJ·mol-1，原因同于2.2.1的討論。

第5 基 元，I4·5H2Od（e）經(jīng) 過(guò) 渡 態(tài)T5·5H2Od（e），亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從N、C、O 所在平面的左側(cè)對(duì)稱地翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，異構(gòu)成I5·5H2Od（e）。從I2·5H2Oc到T3·5H2Oc，二面角2N—3C—4C—5C 從40.2°減小到-0.4°，T5·5H2Od（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是9.0 kJ·mol-1。這與T5d（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘10.2 kJ·mol-1比較，變化很小，水分子與Cu2+的配位對(duì)R-基的形變能壘影響可以忽略。

計(jì)算表明，水溶劑化效應(yīng)使此基元反應(yīng)的能壘 小 幅 下 降 到8.2 kJ·mol-1，原 因 同 于2.2.1 的討論。

第6基元，與第4基元對(duì)稱，I5·5H2O·（H2O）2nd（e）經(jīng)過(guò)渡態(tài)T6·5H2O·（H2O）2nd，質(zhì)子在紙面里側(cè)從8O 凈遷移到1C，異構(gòu)成R-I6·5H2O·（H2O）2nd，S-I3·5H2Od（e）實(shí)現(xiàn)對(duì)映異構(gòu)。T6·5H2O·（H2O）2nd產(chǎn)生的能壘是88.8 kJ·mol-1。

計(jì)算表明，水溶劑效應(yīng)使此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘小幅下降到60.9 kJ·mol-1，原因同于2.2.1 的討論。

結(jié)合勢(shì)能面圖8 和圖4 可知，水分子（簇）的作用使S-Pro·Cu（Ⅱ）在d 通道對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)的活化能升高到222.3 kJ·mol-1（162.3 kJ·mol-1+60.0 kJ·mol-1=222.3 kJ·mol-1），水溶劑效應(yīng)使S-Pro·Cu（Ⅱ）在d通道對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)的活化能降到153.1 kJ·mol-1。

圖8 水分子（簇）及水溶劑效應(yīng)作用下S-Pro·Cu（Ⅱ）在d通道對(duì)映異構(gòu)主要過(guò)程的勢(shì)能面Fig.8 The potential energy surface of the main process of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization in channel d under the effect of water molecule(cluster)and aqueous solvent

綜合前面的討論可知，水汽相下c 通道最具優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)活化能是143.7 kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使活化能降到89.9 kJ·mol-1；d 為亞優(yōu)勢(shì)通道，反應(yīng)活化能是222.3 kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使活化能降到153.0 kJ·mol-1。143.7 kJ·mol-1接近極限反應(yīng)能壘160.0 kJ·mol-1［24］，89.9 kJ·mol-1接近溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ·mol-1［24］，說(shuō)明水汽相環(huán)境下S-Pro·Cu2+不容易對(duì)映異構(gòu)，水液相環(huán)境下S-Pro·Cu2+容易對(duì)映異構(gòu)。

3 結(jié)論與展望

在MN15/6-311++G（2df，pd）// M06/6-311+G（d，p）和MN15/SMD/6-311++G（2df，pd）// M06/SMD/ 6-311+G（d，p）雙水平對(duì)氣相Pro·Cu2+的穩(wěn)定構(gòu)象、對(duì)映異構(gòu)機(jī)制、水分子（簇）的作用及水溶劑效應(yīng)進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）Cu2+與羰基O 單齒配位的Pro·Cu2+構(gòu)象最穩(wěn)定。

（2）Pro·Cu2+的對(duì)映異構(gòu)可在α-H 直接以O(shè)、Cu2+、N 為橋遷移和Cu2+與羰基O 雙齒配位后α-H以O(shè) 為橋、O 和N 聯(lián)合為橋遷移5 個(gè)通道a、b、c、d和e實(shí)現(xiàn)。

（3）孤立的Pro·Cu2+在b 和c 通道的對(duì)映異構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)活化能分別是153.4 和160.3 kJ·mol-1。

（4）水汽環(huán)境下c 通道最具優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)活化能是143.7 kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使反應(yīng)活化能降到89.9 kJ·mol-1。

結(jié)果表明：Pro·Cu2+在氣固相及水汽相能很好地保持其手性特征，在水液相下容易對(duì)映異構(gòu)，不能用于生命體同補(bǔ)脯氨酸和二價(jià)銅離子。

期待雙脯氨酸及三脯氨酸螯合二價(jià)銅在水液相下能較好地保持其手性特征，可安全地用于生命體同補(bǔ)脯氨酸和二價(jià)銅離子，相關(guān)工作正在進(jìn)行中。