水溶液環(huán)境下手性配合物Phe·Ca2+對(duì)映異構(gòu)機(jī)理的DFT研究*

趙麗紅， 彭國強(qiáng)， 郝成欣， 蘇丹， 姜春旭， 王佐成

1.白城醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)院，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

主族金屬鈣是生命體的宏量元素，其在生命體的化合價(jià)是正二價(jià)。其對(duì)骨骼的形成、正常的心臟跳動(dòng)以及調(diào)節(jié)生命體內(nèi)酸性和堿性物質(zhì)的平衡有著極其重要的作用（李銘等，2018；陳瑞儀等，2011）。目前的補(bǔ)鈣產(chǎn)品有葡萄糖酸鈣和碳酸鈣等，臨床上的研究表明，使用這些補(bǔ)鈣產(chǎn)品會(huì)誘發(fā)腎結(jié)石，還會(huì)使腸胃器官產(chǎn)生不良的反應(yīng)（蔣寧南，2020）。機(jī)體組織吸收來自于食物中的鈣元素是鈣離子（Ca2+），其先在小腸處與氨基酸配位螯合，而后氨基酸鈣螯合物被吸收（梁媛等，2016）。利用氨基酸鈣直接為生命體補(bǔ)充鈣元素更容易被機(jī)體吸收，同時(shí)還可為生命體補(bǔ)充氨基酸（薛榮濤等，2014）。

苯丙氨酸（Phe，phenylalanine）是生命體的必需氨基酸，是蛋白質(zhì)的重要成分。根據(jù)構(gòu)型分為S-Phe 和R-Phe，根據(jù)旋光性分為左旋體（L-Phe）和右旋體（D-Phe）。在生命體內(nèi)L-Phe 具有活性，在控制腫瘤轉(zhuǎn)移方面有一定作用（Gueron et al.，2018；方巖雄等，2000）。苯丙氨酸（S-Phe 或R-Phe）的手性特征使苯丙氨酸與Ca2+的配合物也具有了手性，手性藥對(duì)生命體的藥理作用，是通過與生命體內(nèi)發(fā)生病變的分子（具有手性的）之間的手性匹配及手性識(shí)別實(shí)現(xiàn)的。同一種藥物分子，若手性不同（左手性或右手性）則其在生命體內(nèi)的代謝過程、生物活性及毒性等方面差異較大，通常一個(gè)有效，另一個(gè)有負(fù)作用（Hay et al.，1981；杜燦屏等，2002）。比如，右旋的沙利度胺具有鎮(zhèn)靜和止吐的作用，但左旋體卻會(huì)使胎兒畸形（琚端等，2019；Tian et al.，2012）發(fā)生。具有積極作用的手性藥的優(yōu)勢(shì)構(gòu)型是否會(huì)像劣勢(shì)構(gòu)型異構(gòu)，以及異構(gòu)的快慢會(huì)嚴(yán)重地影響手性藥的藥效，因此對(duì)手性分子的對(duì)應(yīng)體異構(gòu)（手性轉(zhuǎn)變）機(jī)制的研究對(duì)人們科學(xué)的使用它們具有極其重要的意義。

基于不同手性Phe 的作用迥異，人們對(duì)Phe 的手性轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究。張新等（2017）采用DFT 的B3LYP 和后HF 的MP2 方法，研究了氣相中性Phe分子的手性轉(zhuǎn)變，結(jié)果表明，通常氣相的Phe具有穩(wěn)定性。潘宇等（2019）采用DFT 的WB97X-D 和后HF 的MP2 方法，研究了水汽環(huán)境下二聚水對(duì)Phe分子手性轉(zhuǎn)變的催化作用，結(jié)果表明，水分子簇的催化可使Phe 分子緩慢地手性轉(zhuǎn)變。孟雪飛等（2021）、劉芳等（2022）和柳國洪等（2022）采用密度泛函理論分別進(jìn)行了水溶液中脯氨酸、丙氨酸和賴氨酸與鈣配合物手性轉(zhuǎn)變的機(jī)理研究，揭示了脯氨酸、丙氨酸和賴氨酸與鈣的配合物可以用于生命體同補(bǔ)脯氨酸、丙氨酸、賴氨酸和鈣元素。然而，目前關(guān)于水溶液中Phe·Ca2+手性轉(zhuǎn)變的研究未見報(bào)道，本研究對(duì)指導(dǎo)人們科學(xué)地使用Phe·Ca2+同補(bǔ)苯丙氨酸和鈣元素具有重要意義，同時(shí)對(duì)于研究其他金屬的苯丙氨酸配合物對(duì)映異構(gòu)具有借鑒意義，基于此，結(jié)合以往的研究經(jīng)驗(yàn)（孟雪飛等，2021；劉芳等，2022；柳國洪等，2022）對(duì)標(biāo)題反應(yīng)進(jìn)行了研究。

1 計(jì)算方法及模型選取

采用雜化泛函的處理主族元素及氫鍵和范德華等弱作用較理想的M06-2X（Wang et al.，2020）方法，結(jié)合處理水溶劑效應(yīng)較理想的SMD 模型（Aleksandr et al.，2009）方法，基組采用6-311+G（d，p），在101.325 kPa 和310.15 K 的生命體內(nèi)環(huán)境下，優(yōu)化反應(yīng)過程單重態(tài)勢(shì)能面（計(jì)算表明本研究體系在單態(tài)最穩(wěn)定）上的駐點(diǎn)；對(duì)所有過渡狀態(tài)（局部極大值）（Garrett et al.，1979）做IRC 路徑（內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)）計(jì)算（Hratchian et al.，2005），對(duì)優(yōu)化的過渡狀態(tài)是否可靠進(jìn)行驗(yàn)證。為獲得相對(duì)可靠的反應(yīng)勢(shì)能面，采用更高精度的MN15泛函（Yu et al.，2016）方法，在高角動(dòng)量劈裂彌散基組6-311++G（3df，2pd）水平計(jì)算所有駐點(diǎn)物種的高水平單點(diǎn)能量，對(duì)物種的總自由能進(jìn)行自由能熱校正。采用自然鍵軌道理論利用NBO（natural bond orbital）程序（Glendening et al.，2001）計(jì)算主要物種的NPA（natural population analysis）電荷；采用分子中的原子理論（AIM，atoms in molecules），利用AIM 2000 程序（Biegler-K?nig et al.，2002）計(jì)算成鍵臨界點(diǎn)（BCP，bonding critical point）的電荷密度（ρBCP），成環(huán)臨界點(diǎn)（RCP，ring critical point）的電荷密度（ρRCP），及ρBCP和ρRCP的梯度平方?2ρ（拉普拉斯值）。

本工作以Ca2+與S-Phe 的配合物作為底物反應(yīng)物，記作S-Phe·Ca2+，其異構(gòu)過程中在a 通道的第1 個(gè)S-手性過渡態(tài)用S-T1a表示，S-手性中間體用S-I1a表示；在b 和c 通道共用的第3 個(gè)無手性過渡態(tài)用T3b（c）表示，中間體用I3b（c）表示；在a通道對(duì)映異構(gòu)的最終產(chǎn)物記作R-Phe·Ca2+a；6 個(gè)H2O 與S-I3a的Ca2+配位的體系記作S-I3←6H2Oa，二聚水與S-I3←6H2Oa氫鍵作用的體系記作S-I3←6H2O·（H2O）2a；其他體系表示法相似。文中駐點(diǎn)及單點(diǎn)能計(jì)算采用Gaussian16（Frisch et al.，2019）程序。

2 結(jié)果與討論

水溶液中兩性氨基酸的金屬配合物構(gòu)象穩(wěn)定（孟雪飛等，2021；劉芳等，2022；柳國洪等，2022），對(duì)兩性Phe 與Ca2+的配合物進(jìn)行全勢(shì)能面掃描得到的手性對(duì)映體見圖1。

圖1 水溶液中Phe·Ca2+的手性對(duì)映體構(gòu)象Fig.1 Conformation of Phe·Ca2+ chiral enantiomers in aqueous solution

水溶液中S-Phe·Ca2+的對(duì)映異構(gòu)是在極性水溶劑以及水分子（簇）的共同作用下進(jìn)行的。先討論隱性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+的對(duì)映異構(gòu)，而后討論顯性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+對(duì)映異構(gòu)?？紤]到水溶液中的水分子有單分子及水簇，沒參加反應(yīng)的水分子（簇）（只是與底物氫鍵和范德華等作用）對(duì)體系的反應(yīng)能壘基本無影響（田子德等，2018），水分子與金屬是否配位對(duì)非質(zhì)子轉(zhuǎn)移能壘的影響很小（孟雪飛等，2021；劉芳等，2022）。為節(jié)省篇幅，對(duì)顯性水溶劑效應(yīng)只討論S-Phe·Ca2+在每個(gè)通道對(duì)映異構(gòu)的決速步。

2.1 隱性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+的對(duì)映異構(gòu)

Phe·Ca2+的對(duì)映異構(gòu)可在α-H 質(zhì)子只以氨基N為橋遷移的a 通道、α-H 質(zhì)子只以羰基O 作橋遷移的b 通道以及α-H 質(zhì)子遷移到羰基O 后質(zhì)子再從氨基N 向α-C 遷移的c 通道上實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)歷經(jīng)的過程參見圖2 和圖3，勢(shì)能面參見圖4。下面對(duì)a通道進(jìn)行單獨(dú)討論，b、c通道公用3個(gè)基元反應(yīng)，放在一起討論。

圖2 隱性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+在a通道的對(duì)映異構(gòu)（鍵長(zhǎng)單位： nm）Fig.2 The enantiomerism of S-Phe·Ca2+ in channel a under the effect of recessive solvent (Bond length unit: nm)

圖3 隱性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+在b、c通道的對(duì)映異構(gòu)（鍵長(zhǎng)單位： nm）Fig.3 The enantiomerism of S-Phe·Ca2+ in channel b and c under the effect of recessive solvent (Bond length unit: nm)

圖4 隱性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+ 對(duì)映異構(gòu)的自由能勢(shì)能面Fig.4 The free energy potential surface of enantiomerism of S-Phe·Ca2+ under the effect of recessive solvent

2.1.1 a通道

第1基元。S-Phe·Ca2+經(jīng)Ca24—O8—C7剪式振動(dòng)的過渡態(tài)S-T1a，Ca24 沿過渡態(tài)矢量的正向運(yùn)動(dòng)，螯合環(huán)打開，構(gòu)型異構(gòu)成S-I1a。從S-Phe·Ca2+到S-T1a過程，Ca24—O8—C7 鍵角從92.0°增加到107.1°，O9—Ca24鍵長(zhǎng)從0.251 0 nm 增加到0.297 8 nm，ρBCP及?2ρ分別從0.025 4 a.u.和0.127 1減小到0 a.u.和0，配位鍵斷裂；O8—Ca24—O9—C7 的ρRCP及?2ρ分別從0.018 5 a.u.和0.096 6減小到0 a.u.和0，S-T1a產(chǎn)生的能壘是1.0 kJ/mol，可視為無勢(shì)壘過程。該基元反應(yīng)的能壘如此之低，原因是從S-Phe·Ca2+到S-T1a過程，O8—Ca24 的ρBCP及?2ρ分別從0.026 5 a.u.和0.132 5 增加到0.033 7 a.u.和0.177 6，O8—Ca24的配位鍵增強(qiáng)。

第2 基元。S-I1a中間體反應(yīng)物經(jīng)H3 質(zhì)子在N1和O9 之間遷移反應(yīng)的過渡狀態(tài)S-T2a，質(zhì)子從N1向O9 遷移，異構(gòu)成S-I2a。電荷NPA 的計(jì)算表明，從S-I1a經(jīng)S-T2a到S-I2a，H3 的電荷量從0.464 e 變?yōu)?.497 e，再變?yōu)?.542 e，是質(zhì)子轉(zhuǎn)移，相似之處，下文不再贅述。從S-I1a到S-T2a，N1—H3鍵 長(zhǎng) 從0.102 6 nm 拉 伸 至0.133 7 nm，ρBCP從0.321 2 a.u.減小到0.138 8 a.u.，其?2ρ從-1.721 0變?yōu)?0.111 4，共價(jià)鍵減弱；C7—O9—H3—N1—C5 的ρRCP從0 a.u.增加到0.045 7 a.u.，?2ρ從0變?yōu)?.295 3，過渡態(tài)存在大π 鍵作用。過渡態(tài)成環(huán)較穩(wěn)定，S-T2a產(chǎn)生的能壘只有23.7 kJ/mol。

第3 基元。S-I2a中間體反應(yīng)物經(jīng)O9—C7 化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡狀態(tài)S-T3ma或S-T3na，羧羥基O9—H6 繞O9—C7 俯視逆（或順）時(shí)針旋轉(zhuǎn)，構(gòu)象異構(gòu)成S-I3a。從S-I2a中間體反應(yīng)物到S-T3ma過渡態(tài)，二面角C3—O9—C7—O8 鍵角從-178.2°變?yōu)?88.0°，S-T3ma過渡態(tài)產(chǎn)生了51.5 kJ/mol 的能壘。相似地，S-T3na過渡態(tài)產(chǎn)生了52.2 kJ/mol 的能壘。這兩個(gè)化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能壘較高，原因是從S-I2a到S-T3ma和S-T3na過程要克服來自N1 的庫侖引力和Ca2+的庫侖斥力。

第4 基元。S-I3a經(jīng)質(zhì)子在α-C 和N 間遷移反應(yīng)的過渡狀態(tài)T4a，H6 從C5 遷移到N1，異構(gòu)成I4a。從S-I3a到T4a，C5—H6 鍵 長(zhǎng) 從0.109 1 nm 拉 伸 至0.129 8 nm，其ρBCP從0.282 2 a.u.減小到0 a.u.，其?2ρ從-0.971 5 變?yōu)?，共價(jià)鍵斷裂；C5—N1 鍵長(zhǎng)從0.145 5 nm拉伸至0.152 7 nm，其ρBCP從0.269 4 a.u.減小到0.220 1 a.u.，?2ρ從-0.710 7變?yōu)?.413 0，共價(jià)鍵減弱；二面角N1—C5—C10—C7 鍵角從125.6°增加到153.0°，C7—C5 右視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)26.8°，T4a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是227.5 kJ/mol。

第5 基元。I4a經(jīng)R-基（亞甲基和苯環(huán)）左視左右翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)T5a，異構(gòu)成I5a。從I4a到T5a，C10—C5 左視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)64.9°，C13—C10 左視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)50.5°，T5a過渡態(tài)產(chǎn)生了15.3 kJ/mol 的能壘。

第6 基元。I5a經(jīng)質(zhì)子在N 和α-C 間遷移反應(yīng)的過渡狀態(tài)T6a，H4 從N1 遷移到C5，異構(gòu)成R手性的中間體R-I6a，S-Phe·Ca2+實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I5a到T6a，N1—H4鍵長(zhǎng)從0.102 5 nm拉伸至0.123 7 nm，C5—C7 鍵 長(zhǎng) 從0.135 8 nm 拉 伸 至0.140 5 nm，N1—C5 鍵長(zhǎng)從0.146 9 nm 拉伸至0.152 7 nm；ρBCP及?2ρ計(jì)算表明這3個(gè)共價(jià)鍵不同程度地減弱；T6a產(chǎn)生了163.8 kJ/mol的內(nèi)稟能壘。

第7 基元。R-I6a經(jīng)O9—C7 共價(jià)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過 渡 態(tài)R-T7ma或R-T7na，O9—H3 繞O9—C7 俯視順（或逆）時(shí)針旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)成R-I7a。從R-I6a中間體到R-T7ma過渡態(tài)，O9—C7 鍵旋轉(zhuǎn)88.3°，R-T7ma產(chǎn)生了36.1 kJ/mol的內(nèi)稟能壘。相似地，R-T7na產(chǎn)生了36.8 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。這兩個(gè)能壘比同是O9—C7 鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)過渡態(tài)S-T3ma和S-T3na產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘（分別為51.5 和52.2 kJ/mol）小很多，原因是從R-I6a到R-T7ma或R-T7na過程H3 的運(yùn)動(dòng)方向與體系偶極矩方向相反，體系電場(chǎng)做正功。

第8 基元。R-I7a經(jīng)R-T8a過渡態(tài)，H3 從O9 遷移到N1，異構(gòu)成R-I8a。從R-I7a到R-T8a，O9—H3鍵長(zhǎng)從0.099 2 nm 拉伸至0.118 0 nm，ρBCP及?2ρ計(jì)算表明，O9—H3共價(jià)鍵減弱；ρBCP及?2ρ計(jì)算表明過渡態(tài)R-T8a成五元環(huán)，R-T8a產(chǎn)生的能壘只有2.5 kJ/mol。

第9 基元。R-I8a經(jīng)Ca24—O8—C7 剪式振動(dòng)的過渡態(tài)R-T9a，螯合環(huán)閉合，O9—Ca24成鍵，異構(gòu)成R-Phe·Ca2+a，得到了S-Phe·Ca2+的對(duì)映體產(chǎn)物。從R-I8a到R-T9a，O8—Ca24鍵長(zhǎng)從0.237 8 nm 增加到0.239 0 nm，ρBCP及?2ρ計(jì)算表明，O8—Ca24 配位鍵少許減弱，R-T9a產(chǎn)生的能壘只有0.5 kJ/mol，R-I8a向R-Phe·Ca2+a的異構(gòu)可視為無勢(shì)壘。

2.1.2 b和c通道

1) b和c通道公用的基元反應(yīng)

第1 基元。該基元相似于a 通道的第1 基元，S-Phe·Ca2+經(jīng)Ca24—O9—C7 剪式振動(dòng)的過渡態(tài)ST1b（c），Ca24 沿過渡態(tài)矢量的負(fù)向運(yùn)動(dòng)，螯合環(huán)打開，構(gòu) 型 異 構(gòu)成S-I1b（c）。從S-Phe·Ca2+到S-T1b（c），Ca24—O9—C7 鍵角從91.2°增加到107.0°，O8—Ca24 鍵長(zhǎng)從0.249 4 nm 增加到0.298 9 nm，ρBCP及?2ρ的計(jì)算表明，配位鍵O8—Ca24 斷裂，S-T1b（c）產(chǎn)生的能壘是1.8 kJ/mol。

第2 基元。S-I1b（c）經(jīng)α-H 在α-C 和羰基O 間遷移的過渡態(tài)T2b（c），質(zhì)子H6沿過渡態(tài)矢量的負(fù)向從C5 遷 移 到O8，異 構(gòu) 成 中 間 體I2b（c）。從S-I1b（c）到T2b（c）， C5—H6 鍵 長(zhǎng) 從0.108 9 nm 拉 伸 至0.149 5 nm，其ρBCP從0.284 8 a.u.減小到0.103 6 a.u.，?2ρ從-0.991 9 變 為-0.022 2，共 價(jià) 鍵 減 弱；C7—O8 鍵長(zhǎng)從0.124 2 nm 拉伸至0.131 5 nm，其ρBCP從0.381 2 a.u.減小到0.327 7 a.u.，?2ρ從-0.217 5變?yōu)?0.213 8，共價(jià)鍵減弱；C5—H6—O8—C7 的ρRCP從0 a.u.增 加 到0.087 9 a.u.， ?2ρ從0 變 為0.296 3，T2b（c）成環(huán)；二面角N6—C1—C10—C7 鍵角微增2.8°，C7—C1 右視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)43.1°，T2b（c）產(chǎn)生了249.1 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。該能壘高于T4a產(chǎn)生的能壘227.5 kJ/mol，原因有2個(gè)：一是S-I1b（c）的C5—H6鍵長(zhǎng)是0.108 9 nm，S-I3a的C5—H6鍵長(zhǎng)是0.109 1 nm，前者鈍化程度高；二是從S-I1b（c）到T2b（c），C5—H6 鍵 長(zhǎng) 拉 伸0.040 6 nm，從S-I3a到T4a，C5—H6 鍵長(zhǎng)拉伸0.020 7 nm，前者拉伸幅度大。

第3 基元。I2b（c）經(jīng)R-基（亞甲基和苯環(huán)）左視左右 翻 轉(zhuǎn) 的 過 渡 態(tài)T3b（c），異 構(gòu) 成I3b（c）。從I2b（c）到T3b（c），C10—C5 左視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)72.8°，C13—C10左視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)31.2°，T3b（c）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是18.8 kJ/mol。接下 來I3b（c）沿著2 個(gè) 通 道b 和c 向RPhe·Ca2+異構(gòu)。

2) b通道專屬的反應(yīng)

第4 基元。I3b（c）經(jīng)質(zhì)子在羰基O 和α-C 間遷移的過渡態(tài)T4b，H6 從O8 遷移到C5，構(gòu)型異構(gòu)到R-型 中 間 體 產(chǎn) 物R-I4b，S-Phe·Ca2+在b 通道通道實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 映 異 構(gòu)。從I3b（c）到T4b，O8—H6 鍵 長(zhǎng) 從0.096 5 nm 拉 伸 至0.120 2 nm，C5—C7 鍵 長(zhǎng) 從0.135 9 nm 拉伸至0.149 3 nm，ρBCP及?2ρ計(jì)算表明，這兩個(gè)共價(jià)鍵不同程度地減弱；C5—H6—O8—C7的ρBCP及?2ρ計(jì) 算 表 明T4b成 環(huán)，T4b產(chǎn) 生 了150.7 kJ/mol的內(nèi)稟能壘。

第5 基元。R-I4b經(jīng)Ca24—O9—C7 剪式振動(dòng)的過渡態(tài)R-T5b，螯合環(huán)閉合，異構(gòu)成R-Phe·Ca2+b，在b通道得到了S-Phe·Ca2+對(duì)映異構(gòu)的對(duì)映體產(chǎn)物。從R-I4b到R-T5b，O9—Ca24鍵長(zhǎng)從0.236 3 nm拉伸到0.240 8 nm，R-T5b產(chǎn)生的能壘是0.8 kJ/mol，此基元可視為無勢(shì)壘過程。

3) c通道專屬的反應(yīng)

第4 基元。I3b（c）經(jīng)質(zhì)子在氨基N 和α-C 間遷移的過渡態(tài)T4c，H3 在紙面外（后視圖）從N1 遷移到C5，異構(gòu)成R-型中間體R-I4c，S-Phe·Ca（Ⅱ）在c 通道實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I3b（c）到T4c，N1—H3 鍵長(zhǎng)從0.102 6 nm 拉 伸 至0.123 7 nm，N1—C5 鍵 長(zhǎng) 從0.146 8 nm 拉 伸 至0.153 0 nm，C5—C7 鍵 長(zhǎng) 從0.135 9 nm 拉伸至0.140 9 nm，ρBCP及?2ρ計(jì)算表明，這3 個(gè)共價(jià)鍵不同程度地減弱，T4c產(chǎn)生了163.9 kJ/mol的內(nèi)稟能壘。

第5 基元。R-I4c中間體反應(yīng)物經(jīng)過渡狀態(tài)RT5c，H2和H4從左側(cè)翻轉(zhuǎn)到右側(cè)（后視圖），異構(gòu)成R-I5c。從R-I4c中間體到R-T5c過渡態(tài)，二面角H2—N1—C5—H4 鍵角從118.0°變?yōu)?73.3°，R-T5c產(chǎn)生的能壘是14.4 kJ/mol。

第6 基元。R-I5c經(jīng)C7—C1 化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)的過渡狀態(tài)R-T6mc（或者R-T6nc），C7—C1 右視順（或逆）時(shí)針旋轉(zhuǎn)72.8°（或74.6°），異構(gòu)成R-I6c。R-T6mc和R-T6nc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘分別是20.6 和28.8 kJ/mol。計(jì)算表明R-I6c同于R-I7a，其接下來接R-T8a的異構(gòu)，得到對(duì)映異構(gòu)體產(chǎn)物R-Phe·Ca2+。

從圖4 可以看出，隱性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+在a 通道的對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)具有優(yōu)勢(shì)，決速步驟是第4 基元，決速步能壘是227.5 kJ/mol。從前面的討論可知，該能壘來自于α-H 從α-C 向氨基N 遷移的過渡態(tài)。b 和c 通道稍具劣勢(shì)，決速步驟均是第2 基元，決速步能壘是249.1 kJ/mol。227.5 kJ/mol 遠(yuǎn)高于極限反應(yīng)能壘167.3 kJ/mol（Gorb et al.，1998），說明隱性水溶劑效應(yīng)下Phe·Ca2+不能消旋。從圖3 和圖4 還可以看出，T5a和T3b（c）分別是a 和b通道的對(duì)稱點(diǎn)，S-Phe·Ca2+在a和b通道對(duì)映異構(gòu)的駐點(diǎn)和駐點(diǎn)能量分別關(guān)于T5a和T3b（c）對(duì)稱。

由于正負(fù)反應(yīng)能壘在40.0 kJ/mol 以下時(shí)反應(yīng)物和產(chǎn)物可以共存（Gorb et al.，1998），從圖4 還可以看出，反應(yīng)物是S-Phe·Ca2+S-I1a、S-I2a和S-I1b（c）共存，S-Phe·Ca2+的分布最高；產(chǎn)物是R-I7a、R-I8a和R-Phe·Ca2+a共存，R-Phe·Ca2+的分布最高。

2.2 顯性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+的決速步驟

隱性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+在a和b（c）通道對(duì)映異構(gòu)的決速步分別是S-I3a→T4a→I4a和S-I1b（c）→T2b（c）→I2b（c）。顯性水溶劑效應(yīng)下，水分子（簇）除了與駐點(diǎn)的鈣原子配位鍵作用，同時(shí)還與駐點(diǎn)氫鍵作用。計(jì)算表明單個(gè)水分子或水簇與Ca2+配位以及二聚水和三聚水做H 遷移媒介時(shí)，質(zhì)子在α-C 和羰基O 以及α-C 和氨基N 間遷移的能壘相差很小，為使問題簡(jiǎn)便并節(jié)省篇幅，只考慮單個(gè)水分子與鈣離子配位，傳遞質(zhì)子的水簇考慮二聚水的情形。

Ca2+最高配位數(shù)是8，H2O 分子與配合物體系S-I1b（c）解離能的計(jì)算表明，S-I1b（c）的Ca2+與6、7個(gè)水配位時(shí)H2O 與體系的解離能最大，S-I1b（c）←nH2O在n=6，7 的分布最高。相似的S-I3a←nH2O 也是n=6，7 的分布最高。因此下文只討論S-I3a←nH2O（n=6，7）和S-I1b（c）←nH2O（n=6，7）在（H2O）2作H 轉(zhuǎn)移媒介的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，反應(yīng)過程和勢(shì)能面分別見圖5和圖6。

圖5 顯性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+在a、b、c通道對(duì)映異構(gòu)的決速步歷程（鍵長(zhǎng)單位： nm）Fig.5 The rate-determining step process of S-Phe·Ca2+ enantiomerism in channel a, b, and c in the effect of dominant solvent (Bond length unit: nm)

圖6 顯性溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+在a、b、c通道對(duì)映異構(gòu)決速步的自由能勢(shì)能面Fig.6 The free energy potential surface of S-Phe·Ca2+ enantiomerism rate-determining step in channel a, b, and c under the effect of dominant solvent

2.2.1 a通道的S-I3a→T4a→I4a過程

1) 6個(gè)配位水的情況

二聚水在S-I3←（H2O）6a的左側(cè)（右偏俯視圖）與N1、H6、H30、H36 和O37 作用形成了氫鍵網(wǎng)絡(luò)S-I3←6H2O·（H2O）2a，其經(jīng)具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)的過渡態(tài)T4←6H2O·（H2O）2a實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從C5 向N1 的凈遷移，異構(gòu)成I4←6H2O·（H2O）2a。IRC 計(jì)算表明，此基元反應(yīng)的過渡態(tài)是晚期過渡態(tài)。從中間體到過渡態(tài)，C5—H6 鍵長(zhǎng)從0.109 2 nm 拉伸至0.138 0 nm，ρBCP從0.281 5 a.u.減小到0.137 3 a.u.，?2ρ從-0.961 0 變?yōu)?0.258 1，共價(jià)鍵減弱；O43—H45 和O46—H48 兩個(gè)共價(jià)鍵斷裂；七元環(huán)O46—H48—N1—C5—H6—O43—H45 的ρRCP從0 a.u.增 加 到0.007 8 a.u.，?2ρ從0 增加到0.036 0，七元環(huán)結(jié)構(gòu)的大π 鍵作用增強(qiáng)，過渡態(tài)成環(huán)；C7—C5 右視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)34.3°，二面角N1—C5—C10—C7 鍵角微增5.9°，T4←6H2O·（H2O）2a產(chǎn)生了112.3 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。

T4←6H2O·（H2O）2a比T4a產(chǎn)生的能壘大幅降低，水分子（簇）起了較好的催化作用，主要原因有3 個(gè)：一是（H2O）2做H 轉(zhuǎn)移媒介的過渡態(tài)T4←6H2O·（H2O）2a形成較穩(wěn)定的七元環(huán)， T4a則沒成環(huán)；二是與S-I3a氫鍵作用的（H2O）2和配位水6H2O共同作用使S-I3a的C5—H6 鍵的ρBCP從0.282 2 a.u.減小到0.281 5 a.u.，紅外振動(dòng)頻率從3 122.8 cm-1減小到3 114.7 cm-1，C5—H6 鍵被活化；三是（H2O）2和配位水6H2O 的共同作用使中間體反應(yīng)物到過渡態(tài)的骨架N1—C5—C10—C7形變減小。

2） 7個(gè)配位水的情況

7 個(gè)配位水相似于6 個(gè)配位水的情況，只做一般討 論。二 聚 水在S-I3←（H2O）7a的 左 側(cè) 與N1、H6、H32、H42以及O28氫鍵作用形成中間體反應(yīng)物S-I3←7H2O·（H2O）2a，其經(jīng)T4←7H2O·（H2O）2a過渡態(tài)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從C5 向N1 的凈遷移，異構(gòu)成

I4←7H2O·（H2O）2a中間體產(chǎn)物。從中間體反應(yīng)物到過 渡 態(tài)， C5—H6 鍵 長(zhǎng) 從0.109 1 nm 拉 伸 至0.136 4 nm，ρBCP及?2ρ的計(jì)算表明共價(jià)鍵減弱；O46—H47 和O49—H51 共價(jià)鍵斷裂；ρRCP和?2ρ的計(jì)算表明C5—H6—O46—H47—O49—H51—N1 成環(huán)；C7—C5 右視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)38.1°，二面角N1—C5—C10—C7 鍵角微增6.2°，T4←7H2O·（H2O）2a過渡態(tài)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是117.6 kJ/mol。T4←7H2O·（H2O）2a比T4a產(chǎn)生的能壘低很多，水分子（簇）起了較好的催化作用，原因同于前面6個(gè)配位水的討論，不再贅述。7 個(gè)配位水的過渡態(tài)［T4←7H2O·（H2O）2a］比6 個(gè)配位水的過渡態(tài)［T4←6H2O·（H2O）2a］產(chǎn)生的能壘稍高，原因是前者比后者對(duì)應(yīng)的反應(yīng)物的C5—H6鍵長(zhǎng)稍短，活化程度稍低。

2.2.2 b、c通道的S-I1b（c）→T2b（c）→I2b（c）過程

1) 6個(gè)配位水的情況

二 聚 水 在S-I1←6H2Ob（c）的 前 面 與O8、H6 作用，同時(shí)O8 與H29 和H38 氫鍵作用形成中間體S-I1·（H2O）2←6H2Ob（c），其經(jīng)過渡態(tài)T2·（H2O）2←6H2Ob（c），實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從C5 向O8 的凈遷移，異構(gòu)成中間體I2·（H2O）2←6H2Ob（c）。IRC 路徑計(jì)算說明此基元的過渡態(tài)是晚期過渡態(tài)。從S-I1·（H2O）2←6H2Ob（c）到T2·（H2O）2←6H2Ob（c），C5—H6 鍵 長(zhǎng) 從0.109 0 nm 拉伸至0.136 7 nm，ρBCP從0.284 5 a.u.減小到0.141 5 a.u.，?2ρ從-0.9917 變?yōu)?0.202 5，共價(jià)鍵減弱；O43—H44 和O46—H47 兩個(gè)共價(jià)鍵斷裂；八元環(huán)C5—H6—O43—H44—O46—H47—O8—C7 的ρRCP從0.002 3 a.u.增加到0.007 6 a.u.，?2ρ從0.010 9增加到0.033 6，八元環(huán)結(jié)構(gòu)的大π鍵作用增強(qiáng)，過渡態(tài)成環(huán)；C7—C5 右視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)10.1°，過渡態(tài)產(chǎn)生了151.7 kJ/mol的能壘。這比T2b（c）產(chǎn)生的能壘大幅降低，相似于前面T4←6H2O·（H2O）2a比T4a產(chǎn)生的能壘大幅降低的討論，不再贅述。

151.7 kJ/mol 的能壘比T4←6H2O·（H2O）2a產(chǎn)生的能壘112.3 kJ/mol 高很多，原因有3 個(gè)：一是S-I1←6H2O·（H2O）2b（c）的C5—H6 的 鍵 長(zhǎng) 比S-I3←6H2O·（H2O）2a的短，ρBCP大，活化程度低；二是T2←6H2O·（H2O）2b（c）的八元環(huán)與T4←6H2O·（H2O）2a的七元環(huán)相比大π 鍵弱，T2←6H2O·（H2O）2b（c）相 對(duì) 于T4←6H2O·（H2O）2a的穩(wěn)定性差；三是S-I1←6H2O·（H2O）2b（c）存在 八 元 環(huán)，其 穩(wěn) 定 性 比 沒 成 環(huán) 的S-I3←6H2O·（H2O）2a好。

2) 7個(gè)配位水的情況

7 個(gè)配位水相似于6 個(gè)配位水的情況。二聚水在S-I1←7H2Ob（c）的前面與H6、O8 氫鍵作用形成中間 體 反 應(yīng) 物S-I1←7H2O·（H2O）2b（c），其 經(jīng)T2←7H2O·（H2O）2b（c）過渡態(tài)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從C5向O8的凈遷移，異構(gòu)成產(chǎn)物中間體I2←7H2O·（H2O）2b（c）。從中間體反應(yīng)物到過渡態(tài)，C5—H6 鍵長(zhǎng)從0.108 9 nm 拉伸至0.136 9 nm，ρBCP及?2ρ的計(jì)算表明共價(jià)鍵減弱；O46—H47 和O49—H50 共價(jià)鍵斷裂；ρRCP計(jì)算表明C5—H6—O46—H47—O49—H50—O8—C7 成環(huán)；C7—C5 右視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)14.3°，二面角N1—C5—C10—C7 鍵 角 微 增1.3°， T2←7H2O·（H2O）2b（c）產(chǎn)生了157.7 kJ/mol 的內(nèi)稟能壘。T2←7H2O·（H2O）2b（c）比T2b（c）產(chǎn)生的能壘大幅降低，水分子（簇）起了較好的催化作用，原因同于前面6個(gè)配位水的討論，不再贅述。T2←7H2O·（H2O）2b（c）比T2←6H2O·（H2O）2b（c）產(chǎn) 生 的 能 壘 稍 高，原 因 是S-I1←7H2O·（H2O）2b（c）的C5—H6 鍵 長(zhǎng) 比S-I1←6H2O·（H2O）2b（c）的C5—H6 鍵 長(zhǎng) 稍 短，鈍 化 程 度稍高。

從圖6 可以看出，顯性水溶劑效應(yīng)下S-Phe·Ca2+的對(duì)映異構(gòu)在a 通道具有優(yōu)勢(shì)，決速步能壘為112.3～117.6 kJ/mol（6、7 個(gè)H2O 與S-I2a的Ca2+配位的情況）。該能壘在溫和反應(yīng)能壘83.4 kJ/mol 和極限反應(yīng)能壘160.5 kJ/mol（Gorb et al.，1998）之間，說明顯性水溶劑效應(yīng)下Phe·Ca（Ⅱ）能緩慢地在a 通道消旋。b、c 通道的決速步能壘在151.7 至157.7 kJ/mol 之間，該能壘接近極限反應(yīng)能壘160.5 kJ/mol（Gorb et al.，1998），說明顯性水溶劑效應(yīng)下Phe·Ca2+不能在b、c通道消旋。顯式溶劑效應(yīng)的結(jié)果科學(xué)真實(shí)地反映了水溶液中S-Phe·Ca2+的對(duì)映異構(gòu)。

3 結(jié) 論

在MN15/SMD/6-311++G（3df，2pd）//M06-2X/SMD/6-311+G（d，p）雙水平研究了水溶液中Phe·Ca2+的對(duì)映異構(gòu)，得到如下結(jié)果：

1）Phe·Ca2+的對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)有3個(gè)通道a、b、c，分別是α-H 質(zhì)子只以氨基N 為橋遷移、α-H 質(zhì)子只以羰基O 作橋遷移以及α-H 質(zhì)子遷移到羰基O 后質(zhì)子再從氨基N向α-C遷移；

2） 在只考慮水極性作用時(shí)，對(duì)映異構(gòu)反應(yīng)通道a具有優(yōu)勢(shì)，決速步能壘是227.5 kJ/mol；

3） 顯性溶劑效應(yīng)下水溶液中Phe·Ca2+對(duì)映異構(gòu)優(yōu)勢(shì)通道的決速步能壘降至108.0～117.6 kJ/mol。

顯性溶劑效應(yīng)下的結(jié)果揭示了水溶液中Phe·Ca2+對(duì)映異構(gòu)的真實(shí)情況，研究結(jié)果表明，手性Phe·Ca2+在水溶液中能緩慢消旋，可短期用于生命體同補(bǔ)苯丙氨酸和鈣元素。