氣相環(huán)境下丙氨酸Ca2+配合物的手性轉(zhuǎn)變機理及水分子的催化作用

徐銳英，劉芳，馬宏源，張雪嬌，潘宇，楊曉翠*，王佐成*

（1.白城師范學院 理論計算中心，吉林 白城137000； 2.白城師范學院 傳媒學院，吉林 白城137000；3.白城師范學院 物理學院，吉林 白城137000）

0 引 言

丙氨酸（alanine, Ala）是結(jié)構(gòu)最簡單的手性氨基酸。根據(jù)旋光性可分為左-丙氨酸（L-Ala）和右-丙氨酸（D-Ala）；根據(jù)構(gòu)型可分為S-丙氨酸（S-Ala）和R-丙氨酸（R-Ala）。不同旋光性的Ala 作用不同，L-Ala 是蛋白質(zhì)的成分之一，D-Ala 在生命體內(nèi)微量存在，使氨基酸氧化酶(DAAO)在腫瘤細胞質(zhì)中異位表達，阻止體內(nèi)脂質(zhì)氧化損傷；在細菌孢子代謝過程中起重要作用；但過量的D-Ala 會誘發(fā)某些疾病或?qū)е滤ダ蟍1-4]。D-Ala 是生產(chǎn)維生素B6 的原料，可作為合成二肽甜味劑阿力甜的原料[5-6]。

研究Ala 的手性轉(zhuǎn)變具有重要意義，目前該領(lǐng)域已有很多研究成果。WANG 等[7]發(fā)現(xiàn)，光學純的Ala 分子可以消旋。文獻[8-11]采用密度泛函的B3LYP 方法研究了氣相單體Ala 的手性轉(zhuǎn)變及水分子的作用，結(jié)果表明，氣相下α-氫以氨基氮為橋遷移是其消旋的優(yōu)勢通道，總包能壘約為266.1 kJ·mol-1；α-氫以羰基氧為橋遷移時，其消旋的總包能壘約為381.4 kJ·mol-1；水分子簇對其消旋反應有較好的催化作用。文獻[12]采用量子力學與分子力學組合的方法研究了SWBNNT 對Ala 手性轉(zhuǎn)變的限域影響，結(jié)果表明，SWBNNT(5,5)對Ala的消旋具有明顯的限域催化作用。文獻[13]采用色散校正泛函的?B97X-D 方法，研究了氣相下Cu2+與α-Ala 配合物的手性轉(zhuǎn)變，結(jié)果表明，Cu2+對α-Ala 的消旋反應具有催化作用。

研究氣相的金屬離子-生物分子體系，可獲得相關(guān)體系最本質(zhì)的化學及物理性質(zhì)等信息，同時為深入研究溶劑等復雜環(huán)境下金屬與氨基酸的作用奠定基礎(chǔ)。Ca2+是動植物生長過程中必需的營養(yǎng)元素，參與細胞內(nèi)許多重要生理過程[14-15]。目前，學者們在氣相“鈣離子與氨基酸配合物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)”領(lǐng)域做了大量工作，文獻[16-20]的研究表明，鈣離子與很多金屬離子一樣會誘導甘氨酸、絲氨酸和組氨酸等發(fā)生分子內(nèi)質(zhì)子遷移，且金屬氨基酸兩性離子配合物構(gòu)象穩(wěn)定。目前，Ca2+對Ala 手性轉(zhuǎn)變影響的研究鮮見報道，通常氣相環(huán)境有水分子（簇）存在，基于此并結(jié)合以往的研究[13,21]，采用密度泛函理論對氣相丙氨酸Ca2+配合物的手性轉(zhuǎn)變機理及水分子的催化作用進行了研究，對進一步研究水溶劑環(huán)境下丙氨酸Ca2+配合物的手性轉(zhuǎn)變具有指導意義。

1 研究與計算方法

采用對處理含有金屬元素和弱鍵作用體系能量有較高精度的雜化泛函M06 方法[22]，在6-31++G(d, p)[23]基組下，通過優(yōu)化反應過程中單重態(tài)勢能面上的駐點結(jié)構(gòu)（本工作體系的自旋態(tài)可能是1，3，5和7，計算表明單重態(tài)最穩(wěn)定），計算了體系的自然鍵軌道（natural bond orbital，NBO）電荷。通過對過渡態(tài)[24]作的內(nèi)稟反應坐標（IRC）計算[25]，確認過渡態(tài)連接期望的穩(wěn)定點。為得到較高水平的反應過程勢能面，同時兼顧計算成本，在M06/6-311++G(2df, pd)高角動量基組水平上計算單點能?？偧妓棺杂赡苡肎total=Gtc+ESP計算(Gtc和ESP分別是吉布斯自由能熱校正和單點能)。S-Ala_1（丙氨酸穩(wěn)定構(gòu)象1）與Ca2+的配合物Ala_1·Ca2+記作S-A_1，S-A_1 在a 通道異構(gòu)的第1 個S-型過渡態(tài)配合物記作S-T1_1a，第1 個S-型中間體配合物記作S-I1_1a；a 和b 通道公用的結(jié)構(gòu)X 記作Xa(b)，6 個水分子與SAz_1a(b)的Ca2+配位，同時2 個水分子簇（二聚水）與S-Az_1a(b)形成氫鍵，記作S-Az_1a(b)←6H2O·(H2O)2，其他體系用相似方法表示。采用Gaussian 09[26]程序在白城師范學院理論計算中心完成計算工作。

2 結(jié)果與討論

將文獻[8-11]的氣相Ala 分子兩種穩(wěn)定構(gòu)型作為初始猜測，優(yōu)化的兩對手性對映體及Ca2+的幾何構(gòu)型見圖1。計算表明，S-Ala_1 相對于S-Ala_2 的自由能為3.0 kJ·mol-1，S-Ala_1 的穩(wěn)定性稍差。

圖1 Ala 分子手性對映體及Ca2+的幾何構(gòu)型Fig.1 Chiral enantiomer of Ala and geometric conformation of Ca2+

Ca2+可在不同位置與S-Ala_1 和S-Ala_2 的氮和氧配位形成配合物，優(yōu)化得到的最穩(wěn)定配合物SA_1 和S-A_2 的幾何構(gòu)型見圖2。

圖2 配合物S-A_1 和S-A_2 的幾何構(gòu)型Fig.2 Geometric configuration of S-A_1 complex and S-A_2 complex

2.1 S-A_1 的手性轉(zhuǎn)變

S-A_1 的手性轉(zhuǎn)變反應有a 和b 2 個通道，反應歷程及過渡態(tài)矢量見圖3（第1 和第2 基元反應為共用基元），反應的吉布斯自由能勢能剖面見圖4。

第1 基元：反應物S-A_1，經(jīng)1C—9C 鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T1_1a(b)，構(gòu)象異構(gòu)，形成兩性的中間體S-Az_1a(b)。從S-A_1 到S-T1_1a(b)，1C—9C 鍵 沿 過渡態(tài)矢量的正方向向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，同時質(zhì)子12H 從羧基氧10O 向氨基氮6N 遷移。二面角11O—9C—1C—6N 從94.1°變?yōu)?7.5°，小角度的 C—C 鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)只需很小的能量，S-T1_1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為3.7 kJ·mol-1。S-T1_1a(b)靠 近S-A_1，是 早 期 過 渡 態(tài)。該基元反應放熱148.5 kJ·mol-1，所放熱量可被后續(xù)的反應利用。兩性Ala 和Ca2+的配合物S-Az_1a(b)處于勢阱最深處，其構(gòu)象遠比S-A_1 穩(wěn)定。

第2 基元：S-Az_1a(b)經(jīng)α-氫13H 向羰基氧11O遷移的過渡態(tài)T2_1a(b)構(gòu)型異構(gòu)，形成兩性的中間體配合物I2_1a(b)。從S-Az_1a(b)到T2_1a(b)，13H 沿過渡態(tài)矢量正向遷移，1C—13H 鍵的鍵長從0.109 9 nm拉伸至0.151 9 nm，斷裂，二面角6N—1C—9C—4C從-123.9°變?yōu)?133.5°，C—H 鍵大幅拉伸斷裂及骨架的形變需要給予很高的能量，T2_1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為283.3 kJ·mol-1。較氣相環(huán)境下單體Ala在此過程的內(nèi)稟能壘316.3 kJ·mol-1[5]有明顯下降，說明Ca2+對氫遷移反應有催化作用。由于Ca2+與兩性Ala 羧基的2 個氧同時配位，α-氫的NBO 電荷從0.251 e 增至0.307 e，11O 的NBO 電荷從-0.619 e 增至-0.813 e，導 致 羰基氧11O 對α-氫13H 的庫侖引力明顯增加。由于前一基元的反應放熱148.5 kJ·mol-1可 被利 用，因此S-Az_1a(b)越過T2_1a(b)需要的能量只有134.8 kJ·mol-1（283.3-148.5）。I2_1a(b)較S-A_1 在勢能面上的位置低、穩(wěn)定性好，原因是I2_1a(b)的骨架原子基本共面，形成了共軛大π 鍵。

接下來的反應歷程分為a 和b 通道。

2.1.1 a 通道

第3 基元：I2_1a(b)經(jīng)13H 在紙面內(nèi)從11O 向1C遷移的過渡態(tài)T3_1a異構(gòu)成中性的R-型產(chǎn)物R-Az_1a，S-A_1 實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。從I2_1a(b)到T3_1a，11O—13H 鍵長從0.097 9 nm 拉伸至0.122 5 nm,斷裂，此處O—H 鍵拉伸幅度小于第2 基元的S-Az_1a(b)到T2_1a(b)的C—H 鍵拉伸幅度，又O—H 鍵較C—H 鍵易斷裂，因此T3_1a產(chǎn)生了181.4 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘，較T2_1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘小得多。結(jié)構(gòu)分析表明，T3_1a和R-Az_1a分別與T2_1a(b)和S-Az_1a(b)鏡像對稱。至此，S-Az_1a(b)實現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變。

第4 基元：R-Az_1a經(jīng)1C—9C 鍵向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T4_1a異構(gòu)成兩性的產(chǎn)物配合物R-A_1a。從R-Az_1a到R-T4_1a，二面角11O—9C—1C—6N從171.9°變?yōu)?97.5°，同時6N—12H 鍵斷裂，12H 從6N 遷移到羰基氧10O，大角度的C—C 鍵向內(nèi)旋轉(zhuǎn)以及12H 從6N 遷移到10O，需要一定的能量，RT4_1a產(chǎn)生的 內(nèi)稟能 壘為152.2 kJ·mol-1。R-T4_1a靠近R-A_1a，為晚期過渡態(tài)。結(jié)構(gòu)分析表明，R-A_1a與S-A_1 鏡像對稱。至此，S-A_1 實現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變。

縱觀S-A_1 在a 通道整個反應歷程的駐點構(gòu)象和勢能面，發(fā)現(xiàn)所有駐點構(gòu)象及各個駐點的能量關(guān)于I2_1a(b)對稱，體現(xiàn)了Ala 分子手性對映體轉(zhuǎn)變的過程美和內(nèi)在美！

2.1.2 b 通道

第3 基元：I2_1a(b)經(jīng)8H 在紙面內(nèi)從氨基向α-C遷移的過渡態(tài)T3_1b異構(gòu)成R-型中間體R-I3_1b，S-A_1 實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。從I2_1a(b)到T3_1b，6N—8H鍵長從0.102 9 拉伸至0.134 2 nm，斷裂，T3b_1 產(chǎn)生了199.3 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。較氣相環(huán)境下單體Ala 在此基元的內(nèi)稟能壘106.5 kJ·mol-1[6]有大幅提升，說明Ca2+與羧基氧的配位對此基元反應有極強的負催化作用。原因是Ca2+與羰基氧配位導致I2_1a(b)8H 的NBO 電荷從0.436 e 增至0.485 e，6N 的NBO 電 荷 從0.795 e 增 至0.796 e，1C 的NBO 電 荷從-0.245 e 驟降至-0.081 e，導致6N 對8H 的庫侖引力增加，1C 對8H 的庫侖引力顯著減小。

第4 基元：R-I3b_1 經(jīng)氨基氫左右翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T4_1b異構(gòu)成中間體配合物R-4_1b。從R-I3b_1到R-T4_1b， 二 面 角 7H—6N—1C—2H 從-147.7°變?yōu)?162.6°，非骨架二面角的小幅增加需要的能量很少，R-T4_1b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有0.4 kJ·mol-1，此基元幾乎是無勢壘反應。

第5 基元：R-I4_1b經(jīng)11O—14Ca 配位鍵斷裂和9C—10O—14Ca 剪式運動的過渡態(tài)R-T5_1b，異構(gòu)成14Ca 與6N 和10O 配位的R-I5_1b。從R-I4_1b到R-T5_1b，較弱的11O—14Ca 配位鍵（鍵長0.256 1 nm）斷裂，9C—10O—14Ca 從106.1°到119.3°小幅剪式運動，所需能量較少，R-T5_1b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為2.2 kJ·mol-1。R-T5_1b靠近R-I4_1b，是11O—14Ca配位鍵斷裂和9C—10O—14Ca 剪式運動協(xié)同非同步的早期過渡態(tài)。

第6 基元：R-I5_1b經(jīng)9C—11O 鍵向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)T6m_1b或T6n_1b，實現(xiàn)了13H 從羧基外側(cè)向羧基內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)成穩(wěn)定的產(chǎn)物配合物R-A_2_1b。至此實現(xiàn)了S-Ala_1 向R-Ala_2 的異構(gòu)。從R-I5_1b到T6m_1b，9C—11O 鍵 向 內(nèi) 旋 轉(zhuǎn)81.0°需 要 的 能 量 較 少，從R-I5_1b到T6n_1b，9C—11O 鍵向內(nèi)旋轉(zhuǎn)100.3°需要的能量也較少，因此，T6m_1b和T6n_1b產(chǎn)生的能壘較小，分別為37.7 和37.1 kJ·mol-1。

從圖4 中可以看出，S-A_1 手性轉(zhuǎn)變反應的a 通道具有優(yōu)勢，反應的總包能壘為134.8 kJ·mol-1（來自于過渡態(tài)T2_1a(b)），遠低于氣相環(huán)境下單體Ala 手性轉(zhuǎn)變優(yōu)勢通道的活化能266.0 kJ·mol-1[8]（本文理論水平下的計算值為257.5 kJ·mol-1），說明Ca2+對S-Ala_1 的手性轉(zhuǎn)變具有極好的催化作用。134.8 kJ·mol-1的能壘在通常情況下可以極緩慢地越過，亦即配合物S-A_1 在該通道可以微量地消旋。b 通道的總包能壘為152.7 kJ·mol-1，越過此能壘的概率很小，S-A_1 在此通道只能痕量地消旋。從圖4 中還可看出，反應物中S-Az_1a(b)的分布遠高于S-A_1，產(chǎn)物中主要為R-Az_1a，而R-A_2_1b極少。此外，S-A_1 手性轉(zhuǎn)變反應的優(yōu)勢通道a 是α-氫以羰基氧為橋遷移，而單體Ala 手性轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢通道是α-氫以氨基氮為橋遷移[8]，說明Ca2+的存在改變了S-Ala_1 手性轉(zhuǎn)變反應的機理。

2.2 S-A_2 的手性轉(zhuǎn)變

S-A_2 的手性轉(zhuǎn)變反應有a、b、c 和d 4 個通道，其中，a 和b 通道共用第1 和第2 基元，c 和d 通道也共用第1 和第2 基元，反應歷程、駐點構(gòu)象及過渡態(tài)矢量見圖5，反應的吉布斯自由能勢能剖面見圖6。

2.2.1 a 和b 通 道

第1 基元：S-A_2 經(jīng)羧基內(nèi)質(zhì)子遷移的過渡態(tài)S-T1_2a(b)，12H 沿 過 渡 態(tài)矢量的 負 方 向 從10O 遷 移到11O，異構(gòu)成中間體配合物S-I1_2a(b)。從S-A_2到S-T1_2a(b)，10O—12H 鍵的鍵 長 從0.097 7 nm 拉伸至0.135 0 nm，斷裂，10O—12H 鍵的大幅度拉伸使S-T1_2a(b)產(chǎn)生了188.2 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。這與氣相環(huán)境下單體Ala 在此基元反應的內(nèi)稟能壘195.1 kJ·mol-1[5]相差無幾，說明Ca2+的存在對此基元反應的影響很小。

第2 基 元：S-I1_2a(b)經(jīng)13H 從1C 向10O 遷移 的過渡態(tài)T2_2a(b)，異構(gòu)成中間體配合物I2_2a(b)。從SI1_2a(b)到T2_2a(b)，1C—13H 鍵 的 鍵 長 從0.110 3 nm拉伸至0.128 9 nm，斷裂，骨架二面角6N—1C—9C—4C 從-126.8°變?yōu)?140.0°，C—H 鍵的斷裂及骨架的形變需要較高的能量，T2_2a(b)產(chǎn)生了300.0 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。較氣相環(huán)境下單體Ala 在此基元反應的能壘316.3 kJ·mol-1[5]略有降低，說明Ca2+對此基元反應的催化作用很小。

2.2.2 a 通道

第3 基元：I2_2a(b)經(jīng)與T2_2a(b)鏡像對稱的過渡態(tài)T3_2a，實現(xiàn)了13H 在紙面內(nèi)側(cè)從10O 向α-碳1C的遷移，異構(gòu)成中間體配合物R-3a_2。至此，S-A_2實現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變。從I2_2a(b)到T3_2a，10O—13H 鍵的鍵長從0.096 9 nm 拉伸至0.128 6 nm，斷裂，T3_2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為258.0 kJ·mol-1。此基元與2.1 節(jié)中a 通道的第3 基元反應相似，不再贅述。

第4 基元：R-I3_2a經(jīng)過與S-T1_2a(b)鏡像對稱的過渡態(tài)R-TS4_2a，實現(xiàn)12H 在羧基內(nèi)的回遷，異構(gòu)成產(chǎn)物配合物R-A_2a。結(jié)構(gòu)分析表明，R-A_2a與S-A_2 鏡像對稱。至此，R-A_2a實現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變。從R-I3_2a到R-TS4_2a的過程中，11O—12H 鍵的鍵長從0.097 9 nm 拉伸至0.124 9 nm，斷裂，R-TS4_2a產(chǎn) 生 的 能 壘 為102.3 kJ·mol-1。此 基元反應的能壘小于第1 基元反應，原因是此基元反應比第1 基元反應O—H 鍵的拉伸幅度小。

圖3 Ca2+催化S-Ala_1 的手性轉(zhuǎn)變歷程（鍵長單位：nm）Fig.3 Reaction process of chiral transition of S-Ala_1 catalyzed by Ca2+（bond length unit：nm）

縱觀S-A_2 在a 通道反應歷程的駐點構(gòu)象和勢能面，發(fā)現(xiàn)所有駐點構(gòu)象及各個駐點的能量關(guān)于I2_2a(b)對稱，體現(xiàn)了Ala 分子手性對映體轉(zhuǎn)變的過程美和內(nèi)在美！

2.2.3 b 通道

第3 基元：I2_2a(b)經(jīng)8H 在紙面內(nèi)從氨基向α-碳遷移的過渡態(tài)T3_2b，異構(gòu)成R-型中間體R-I3_2b，S-A_2 實現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變。從I2_2a(b)到T3_2b，6N—8H 鍵的鍵長從0.102 6 nm 拉伸至0.142 2 nm，斷裂，T3b_2 產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為198.5 kJ·mol-1。較氣相環(huán)境下單體Ala 在此基元反應的內(nèi)稟能壘106.5 kJ·mol-1[6]有大幅提升，Ca2+與羧基氧的配位對此基元有極強的負催化作用。原因與a 通道第3 基元相似，不再贅述。

圖4 Ca2+催化S-Ala_1 手性轉(zhuǎn)變反應的吉布斯自由能勢能剖面Fig.4 Gibbs free energy surfaces of chiral transformation reaction of S-Ala_1 catalyzed by Ca2+

第4 基元：R-3_2b經(jīng)11O—9C 鍵俯視順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-TS4m_2b或R-TS4n_2b，異構(gòu)成中間體R-I4m_2b或R-I4n_2b。從R-I3_2b到R-TS4m_2b，二面角12H—11O—9C—10O 從0.2°變?yōu)?96.1°，二面角11O—9C—1C—6N 從2.4°變?yōu)?72.7°，二面角14Ca—6N—1C—9C 從3.6°變?yōu)?28.5°，11O—9C 鍵俯視順時針旋轉(zhuǎn)與9C—1C 鍵左視逆時針旋轉(zhuǎn)及1C—6N 鍵俯視逆時針旋轉(zhuǎn)協(xié)同進行。3 個化學鍵向內(nèi)旋轉(zhuǎn)使R-TS4m_2b產(chǎn)生了60.9 kJ·mol-1的 內(nèi) 稟 能 壘。同 樣，R-TS4n_2b產(chǎn) 生了70.8 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第5 基元：R-I4m_2b經(jīng)12H 從11O 向6N 遷移的過渡態(tài)R-T5m_2b，異構(gòu)成R-I5_2b(R-INT5_1b)。從R-I4m_2b到R-T5m_2b，11O—12H 鍵的鍵長從0.101 6 nm 拉伸至0.106 9 nm，O—H 鍵小幅拉伸需要的能量很少，R-T5m_2b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有0.3 kJ·mol-1。同 樣，R-T5n_2b產(chǎn) 生 的 內(nèi) 稟 能 壘 只 有1.8 kJ·mol-1。 結(jié) 構(gòu) 分 析 表 明，R-I5_2b同 于RINT5_1b，R-I5_2b的 異 構(gòu) 體 也 同 于R-INT5_1b（見2.1.2 節(jié)b 通道的第6 基元）。

2.2.4 c 和d 通 道

第1 基元：S-A_2 經(jīng)9C—10O 鍵向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T1m_2c(d)或S-T1n_2c(d)，羧基從順式平面結(jié)構(gòu)改變?yōu)榉词狡矫娼Y(jié)構(gòu)，異構(gòu)成中間體S-I1_2c(d)。從S-A_2 到S-T1m_2c(d)，9C—10O 鍵沿S-T1m_2c(d)虛頻的負向旋轉(zhuǎn)97.0°，S-T1m_2c(d)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為57.2 kJ·mol-1。同樣，S-T1n_2c(d)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為57.7 kJ·mol-1。

第2 基元：S-I1_2c(d)經(jīng)14Ca—6N 配位鍵斷裂與14Ca—11O—9C 做沿虛頻正向剪式運動協(xié)同進行的過渡態(tài)S-T2_2c(d)異構(gòu)成S-I2_2c(d)。從S-I1_2c(d)到S-T2_2c(d)，14Ca—6N 鍵 斷 裂 且14Ca 從 羧 基 的 外 側(cè)擺動到內(nèi)側(cè)，需要較多能量，S-T2_2c(d)產(chǎn)生了92.6 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

2.2.5 c 通道

第3 基元：S-I2_2c(d)經(jīng)氨基左右翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T3_2c，異 構(gòu) 成S-I3_2c。從S-I2_2c(d)到S-T3_2c，二面角7H—6N—1C—8H 從131.5°變?yōu)?162.6°，非骨架的形變所需能量很少，S-I3_2c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為7.8 kJ·mol-1。

第4 基元：S-I3_2c經(jīng)α-氫13H 從α-碳向氨基氮遷移的過渡態(tài)T4_2c，異構(gòu)成I4_2c[I2_1a(b)]。從S-I3_2c到T4_2c，1C—13H 鍵 長從0.110 5 nm 拉伸至0.123 3 nm，斷裂，C—H 鍵大幅拉伸需要的能量較高，T4_2c產(chǎn)生了136.6 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。該能壘較氣相環(huán)境下單體Ala_2 在此基元的能壘248.2 kJ·mol-1[10]大幅降低（本文理論值為248.2 kJ·mol-1，文獻[10]的理論值約為260.3 kJ·mol-1），說明Ca2+與羧基氧的配位對此基元有極好的催化作用。原因是Ca2+與羧基氧的配位導致α-氫的紅外伸縮振動頻率從3 052.1 Hz 降至2 997.7 Hz；1C—13H鍵長從0.109 9 nm 拉伸至0.110 5 nm，1C—13H 鍵被活化。結(jié)構(gòu)分析表明，I4_2c同于I2_1a(b)。I4_2c繼續(xù)的異構(gòu)同于I2_1a(b)之后的異構(gòu)。

2.2.6 d 通道

圖5 Ca2+催化S-Ala_2 的手性轉(zhuǎn)變歷程（鍵長單位：nm）Fig.5 Reaction process of chiral transition of S-Ala_2 catalyzed by Ca2+（bond length unit：nm）

第3 基元，S-2_2c(d)經(jīng)1C—9C 鍵沿過渡態(tài)矢量的負方向向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T3_2d異構(gòu)成S-I3_2d。從S-I2_2c(d)到S-T3_2d，二面角10O—9C—1C—6N 從153.9°變?yōu)?173.6°，S-T3_2d產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘 為6.9 kJ·mol-1。結(jié) 構(gòu) 分 析 表 明，S-I3_2d同 于SA_1。至此，完成了S-A_2 向S-A_1 的異構(gòu)。S-I3_2d繼續(xù)的異構(gòu)同于S-A_1 的異構(gòu)。

圖6 Ca2+催化S-Ala_2 手性轉(zhuǎn)變反應的吉布斯自由能勢能剖面Fig.6 Gibbs free energy surfaces of chiral transformation reaction of S-Ala_2 catalyzed by Ca2+

由圖6 并結(jié)合圖4 可知，S-A_2 手性轉(zhuǎn)變反應的d 通道具有優(yōu)勢，總包能壘為（100.5+134.8）kJ·mol-1=235.3 kJ·mol-1（來自于過渡態(tài)T2_1a(b)），低于單體Ala_2 手性轉(zhuǎn)變優(yōu)勢通道的總包能壘249.3 kJ·mol-1（本文理論值為249.3 kJ·mol-1，文獻[10]的理論值約為260.1 kJ·mol-1），說明Ca2+對SAla_2 的手性轉(zhuǎn)變具有催化作用。但235.3 kJ·mol-1的能壘已經(jīng)很高，通常難以逾越，說明S-Ala_2 的Ca2+配合物可以很好地保持其手性特征。從圖6 中還 可 以 看 出，S-A_2 比S-A_1 穩(wěn) 定 得 多，S-A_1 很容易 向S-A_2 異 構(gòu)，并且S-1_2c(d)與S-A_2 共存，只是S-A_2 的分布要高得多。由圖4 和圖6 知，在SAla 的Ca2+配合物中，兩性的S-Az_1a(b)最穩(wěn)定，然而在氣相環(huán)境下兩性的Ala 不存在[27]。

S-Ala_1 相對于S-Ala_2 的吉布斯自由能為3.0 kJ·mol-1，對于氣相環(huán)境下的S-Ala，S-Ala_1 的分布較S-Ala_2 少得多。由圖4 和圖6 知，Ca2+的存在使S-Ala 形成大量的S-A_2 和S-Az_1a(b)，旋光異構(gòu)后會得到少量的R-Az_1a和微量的R-A_2_1b。

2.3 水汽環(huán)境下水分子對S-A_1 和S-A_2 手性轉(zhuǎn)變的影響

由前述討論可知，S-A_1 和S-A_2 手性轉(zhuǎn)變反應優(yōu)勢通道的總包能壘均來自過渡態(tài)T2_1a(b)，因此，為節(jié)省篇幅，又不失對問題討論的完整性，只討論水分子對S-A_1 手性轉(zhuǎn)變優(yōu)勢通道的作用。

水分子對S-A_1 的作用有2 種，一是水分子會與20Ca 形成配位鍵，二是水分子（簇）會與S-A_1 的氫及氧形成氫鍵。由于配位鍵強于氫鍵，因此實際情況應是水分子與20Ca 充分配位后，再與S-A_1 的氫及氧形成氫鍵。參與配位的水分子個數(shù)取最大值6（Ca2+與O 最多可以八配位，在S-A_1 中Ca2+已經(jīng)與羰基氧二配位）。計算結(jié)果表明，6 個水分子與SA_1 的20Ca 配位后，1C—9C 鍵向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，形成與6N—1C—9C—10O—11O—20Ca 共 面 的S-Ala_1和6 個水分子與20Ca 配位的配合物S-A_1←6H2O，故本節(jié)討論的第1 基元反應是羧羥基氫從羧羥基氧向氨基氮遷移。

田子德等[11]的研究表明，不參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移的、與底物形成氫鍵的水分子，對質(zhì)子轉(zhuǎn)移能壘影響很??；文獻[9, 28-29]認為，對于質(zhì)子從丙氨酸的α-碳向羰基氧遷移，二聚水和三聚水的催化作用相差很小，但遠大于單個水分子；劉芳等[30]的研究表明，質(zhì)子從羧基向氨基遷移水分子作橋能壘改變很小，且此基元不是決速步?；谏鲜鲈颍瑸槭箚栴}簡便且節(jié)省篇幅，同時為了得到連續(xù)的反應過程勢能面，在S-A_1←6H2O 的前面植入二聚水與α-氫12H 和羰基氧10O 形成氫鍵，優(yōu)化得到反應物S-A_1←6H2O·(H2O)2m（m表示(H2O)2在S-A_1 之前，相似之處不再說明），見圖7。對于第1 基元，羧羥基氫從羧羥基氧向氨基氮遷移時不考慮水分子作媒介；對于第2 基元，只討論二聚水作為12H 從1C 向10O 遷移媒介的情況；對于第3 基元，只討論二聚水與I2_1a(b)的羧羥基氫16H 和α-碳1C 形成氫鍵，作為16H 從10O 向 1C 遷 移 媒 介 的 情 況 。S-A_1←6H2O·(H2O)2m的手性轉(zhuǎn)變反應歷程及過渡態(tài)見圖7，反應的吉布斯自由能勢能剖面見圖8。

第1 基元：S-A_1←6H2O·(H2O)2m經(jīng)過渡態(tài)ST1_1a(b)←6H2O·(H2O)2m，實現(xiàn)了13H 從11O 向6N 遷移，異構(gòu)成S-Az_1a(b)←6H2O·(H2O)2m。從S-A_1←6H2O·(H2O)2m到S-T1_1a(b)←6H2O·(H2O)2m，11O—13H 鍵長從0.101 2 nm 拉伸至0.127 7 nm ，斷裂，O—H 鍵較小的拉伸需要的能量不高。又二面角6N—13H—11O 為139.1°，6N—13H—11O 形成了中等強度的氫鍵，結(jié)構(gòu)分析表明，6N—13H—11O—9C—1C 基本共面，過渡態(tài)S-T1_1a(b)←6H2O·(H2O)2m的五元環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此S-T1_1a(b)←6H2O·(H2O)2m產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘很低，只有12.3 kJ·mol-1。

圖7 水分子作用下的S-A_1 手性轉(zhuǎn)變反應過程Fig.7 Chiral transition reaction process of S-A_1 under the action of water molecules

圖8 水分子作用下的S-A_1 手性轉(zhuǎn)變反應過程的吉布斯自由能勢能面Fig.8 Gibbs free energy surfaces of S-A_1 chiral transition reaction process under the action of water molecules

第2 基元：S-Az_1a(b)←6H2O·(H2O)2m經(jīng)過渡態(tài)T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m，實現(xiàn)了質(zhì)子從α-碳1C 向羰基氧10O 凈遷移，異構(gòu)成中間體I2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m。從S-Az_1a(b)←6H2O·(H2O)2m到T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m，1C—12H、14O—19H 和17O—16H鍵長從0.110 0 ，0.097 6 和0.097 5 nm 分別拉伸至0.156 3 ，0.121 0 和0.118 7 nm，斷裂；骨架二面角6N—1C—9C—4C 從-123.7°變?yōu)?128.9°。3 個化學鍵的拉伸斷裂，其中還有一個C—H 鍵斷裂，需要一定的能量，但結(jié)構(gòu)分析表明，T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m的氫鍵角1C—12H—14O、14O—19H—17O和17O—16H—10O 分別為163.2°，161.6°和164.1°，接近平角，3 個氫鍵較強，具有八元環(huán)結(jié)構(gòu)的過渡態(tài)T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m較 穩(wěn) 定。因 此，T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘不會很高，為159.3 kJ·mol-1，遠低于2.1 節(jié)中沒有水分子存在時T2_1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘283.3 kJ·mol-1，說明水分子簇對此基元反應起了極好的催化作用。

第3 基元：I2_1a(b)←6H2O·(H2O)2n（n表示(H2O)2在I2_1a(b)之后，相似之處不再說明）經(jīng)過渡態(tài)T3_1a(b)←6H2O·(H2O)2n，實現(xiàn)了質(zhì)子在紙面內(nèi)從10O 向1C的凈遷移，異構(gòu)成R-型產(chǎn)物R-Az_1a(b)←6H2O·(H2O)2n，S-Az_1a(b)←6H2O 實現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變。從I2_1a(b)←6H2O·(H2O)2n到T3_1a(b)←6H2O·(H2O)2n，10O—16H、17O—19H 和14O—12H 鍵 的鍵長從0.098 5 ，0.097 5 和0.097 8 nm 分別拉伸至0.121 3，0.119 3 和0.111 5 nm，斷裂，骨架二面角6N—1C—9C—4C 從150.7°變?yōu)?29.0°。3 個化學鍵的拉伸斷裂及骨架不小的形變需要一定的能量。結(jié)構(gòu)分析表明，T3_1a(b)←6H2O·(H2O)2n的氫鍵角10O—16H—17O、17O—19H—14O 和14O—12H—1C 分 別 為164.1°，161.6°和163.2°，接近平角，3 個氫鍵較強，八元環(huán)結(jié)構(gòu)的過渡態(tài)T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m較穩(wěn)定，并 且 從I2_1a(b)←6H2O·(H2O)2n到T3_1a(b)←6H2O·(H2O)2n斷裂的都是O—H 鍵。因此T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘不高，低于T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m產(chǎn) 生 的 內(nèi) 稟 能 壘，為50.8 kJ·mol-1，遠 低 于2.1 節(jié)中沒有水分子存在時T3_1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘181.4 kJ·mol-1，說明水分子（簇）對此基元反應起了極好的催化作用。

第4 基元：R-Az_1a(b)←6H2O·(H2O)2n經(jīng)與第1基元反應相似的逆過程，可以異構(gòu)成R-A_1←6H2O·(H2O)2n，反應能壘為130.8 kJ·mol-1。此基元反應很難進行，R-Az_1a(b)←6H2O·(H2O)2n是該反應通道的主要產(chǎn)物，為節(jié)省篇幅，省略了該基元的反應歷程及勢能。

從圖8 中可以看出，在水分子作用下，S-A_1 手性轉(zhuǎn)變反應優(yōu)勢通道a 的總包能壘為40.8 kJ·mol-1；由圖8 并結(jié)合圖6 發(fā)現(xiàn)，在水分子作用下，S-A_2 手性轉(zhuǎn)變反應優(yōu)勢通道d 的總包能壘為141.3 kJ·mol-1（100.5+40.8=141.3）。通常情況下40.8 kJ·mol-1的能壘容易越過，141.3 kJ·mol-1的能壘可以緩慢地越過，亦即在水汽環(huán)境下，S-A_1 可以較快地消旋，S-A_2 可以緩慢地消旋。

3 結(jié) 論

在M06/6-311++G(2df, pd)//M06/6-31++G(d,p)雙水平下，研究了Ca2+與2 種穩(wěn)定構(gòu)型Ala 配合物的手性轉(zhuǎn)變及水分子的作用，得到以下結(jié)論：

3.1S-A_1 手性轉(zhuǎn)變優(yōu)勢通道a 的總包能壘為134.8 kJ·mol-1，遠低于Ala_1 手性轉(zhuǎn)變的總包能壘257.5 kJ·mol-1；S-A_2 手性轉(zhuǎn)變優(yōu)勢通道d 的總包能壘為235.3 kJ·mol-1，低于Ala_2 手性轉(zhuǎn)變的總包能壘249.3 kJ·mol-1，Ca2+對Ala_1 和Ala_2 的手性轉(zhuǎn)變分別具有較強和較弱的催化作用。在氣相環(huán)境下，Ala_2 的分布遠高于Ala_1，Ca2+與Ala 的配合物只能微量消旋。

3.2 水分子（簇）的催化使S-A_1 和S-A_2 手性轉(zhuǎn)變反應優(yōu)勢通道的總包能壘分別降至40.8 和141.3 kJ·mol-1，在水汽環(huán)境下，Ala_1 與Ca2+的配合物可以很快消旋，Ala_2 與Ca2+的配合物可以緩慢消旋。

3.3 Ca2+對Ala 手性轉(zhuǎn)變反應的某些基元有正催化作用，對另一些基元則有負催化作用，對整個手性轉(zhuǎn)變過程起正催化作用，Ca2+的存在改變了Ala 手性轉(zhuǎn)變的反應機理。

3.4 Ca2+與Ala 配位后，使不同構(gòu)象Ala 的相對穩(wěn)定性發(fā)生了顯著變化。