水液相下兩性α-Ala與Na+配合物旋光異構(gòu)的理論研究*

趙宇，劉芳，柯卓鋒，劉軍，高峰，馬宏源，王佐成

1. 白城師范學(xué)院計算機科學(xué)學(xué)院，吉林白城 137000

2. 白城師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林白城 137000

3. 中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510275

α-丙氨酸（α-Ala，α-alanine） 是手性氨基酸，是生物體內(nèi)的重要配體，其金屬離子配合物也具有手性。根據(jù)旋光性可分為左旋α-丙氨酸（L-α-Ala） 和右旋α-丙氨酸（D-α-Ala），根據(jù)構(gòu)型可分為S型α-丙氨酸（S-α-Ala）和R型α-丙氨酸（R-α-Ala）。L-α-Ala在生命體內(nèi)是優(yōu)構(gòu)體，具有生物活性，是蛋白質(zhì)的重要成分。D-α-Ala具有清除細(xì)胞毒性和阻止體內(nèi)脂質(zhì)氧化損傷的功能，可促進(jìn)細(xì)菌孢子代謝，還可用作甜味劑，過量的D-α-Ala會導(dǎo)致疾病及衰老［1-4］。

鈉是生命體必需的金屬元素，有調(diào)節(jié)體內(nèi)水分、維持酸堿平衡和維持血壓正常的作用。鈉缺乏會導(dǎo)致嘔吐、心率過速、休克乃至腎衰竭致死［5］。目前補鈉的方法主要是食用無機鹽NaCl，但NaCl 進(jìn)入生命體內(nèi)會迅速解離成氯離子和鈉離子，這會導(dǎo)致血壓暫時升高等問題。已有研究表明，氨基酸鈣、鋅、錳、銅和鐵等螯合物作為補充金屬元素產(chǎn)品，已在臨床、食品及畜牧業(yè)中被廣泛應(yīng)用［6-9］。金屬離子和氨基酸的配位緩沖了金屬離子在生命體內(nèi)的濃度，螯合物的緩慢解離保證了金屬離子質(zhì)量濃度的恒定，因此利用氨基酸鈉鹽補充鈉具有重要意義。

某種手性分子對生命體有活性，但其對映體則有害，因此氨基酸鈉配合物的消旋研究對科學(xué)地補鈉有實際意義。人們對α-Ala及其金屬配合物的旋光異構(gòu)做了大量的工作，文獻(xiàn)［10］ 研究表明，納米孔道對α-Ala 旋光異構(gòu)有一定的催化作用；文獻(xiàn)［11-12］ 研究表明，水液相下水分子簇做質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介可使α-Ala少量地消旋，氫氧根離子與質(zhì)子的作用會加速其消旋反應(yīng)；文獻(xiàn)［13-20］ 研究表明，氣相α-Ala 與Cu2+、Ca2+以及Fe2+等配合物，可以很好地保持其固有的手性；文獻(xiàn)［21-22］ 研究表明，水環(huán)境下α-Ala 與Zn2+和Fe2+配合物旋光異構(gòu)的能壘遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)能壘，通常只能微量地消旋。

目前，水環(huán)境下鈉與α-Ala 配合物的消旋研究未見報道。為說明α-丙氨酸鈉補鈉是否安全，同時為研究其他復(fù)雜的氨基酸鈉鹽的旋光異構(gòu)奠定基礎(chǔ)，基于文獻(xiàn)［15，21-22］ 的經(jīng)驗，研究了水液相下兩性α-丙氨酸與鈉配合物（α-Ala·Na+） 的旋光異構(gòu)機理。

1 計算方法及反應(yīng)物模型選取

水液相下的α-丙氨酸分子是以兩性離子形式存在［11］，水液相下兩性α-Ala 的Na+配合物比中性α-Ala 的Na+配合物分子穩(wěn)定（前者相對后者的能量是-22. 2 kJ·mol-1），并且它們之間可以相互異構(gòu)。因此本工作把兩性α-Ala 的Na+配合物作為底物，討論其在水液相環(huán)境下的旋光異構(gòu)。

采用雜化泛函M06-2X［23］，在6-311+G（d，p）基組下優(yōu)化單重態(tài)勢能面上的駐點（自旋多重度的測算表明，體系的單重態(tài)最穩(wěn)定）；通過對過渡態(tài)［24］進(jìn)行IRC 計算［25］，確認(rèn)過渡態(tài)與相應(yīng)穩(wěn)定點的關(guān)聯(lián)性。為計算出可靠的反應(yīng)過程勢能面，采用高角動量基組6-311++G （3df，2pd） 計算各駐點物種的單點能，并經(jīng)過自由能熱校正獲得反應(yīng)過程勢能面［吉布斯自由能熱校正在298. 15 K及1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101. 325 kPa） 下進(jìn)行］。水溶劑效應(yīng)采用處理溶劑效應(yīng)有很好表現(xiàn)的SMD 模型［26］方法處理?？傋杂赡苁亲杂赡軣嵝Ｕc單點能之和。S-α-Ala 與Na+的配合物S-α-Ala·Na+記作S-A·Na，S-A·Na 在a 通道異構(gòu)的第1 個S-型過渡態(tài)記作ST1a，第3 個無手性的中間體記作I3a，b 和c 通道共用的結(jié)構(gòu)X 標(biāo)記為Xb（c）；8個水分子（簇） 與S-I2a作用，其中5 個H2O 與S-I2a的Na+配位，1 個H2O與前面的5 個H2O 中的某幾個H2O 氫鍵作用形成水簇，同時2 個水分子簇與S-I2a氫鍵作用的體系記作S-I2c←5H2O·H2O·（H2O）2，其他體系標(biāo)記法相似。計算采用Gaussian16［27］程序。

2 結(jié)果與討論

把文獻(xiàn)［15］ 氣相的兩性S-A·Na 構(gòu)型作為初始猜，優(yōu)化得到水環(huán)境下的S-A·Na 和R-A·Na，見圖1。

圖1 配合物分子S-A·Na及其手性對映體的幾何構(gòu)型Fig. 1 Geometric configuration of complex molecule S-A·Na and its chiral enantiomer

對于非氫遷移反應(yīng)，只考慮隱性水溶劑效應(yīng)；對H 遷移反應(yīng)，要考慮水分子（簇）做媒介、水分子（簇）與Na+的配位、水分子簇之間以及水分子與其他原子間復(fù)雜的氫鍵作用，即顯性水溶劑效應(yīng)。

為了呈現(xiàn)清晰的水液相下S-A·Na 旋光異構(gòu)機理，并且盡量節(jié)省篇幅，先討論隱性水溶劑的SA·Na 的旋光異構(gòu)，后討論顯性水溶劑的S-A·Na的異構(gòu)反應(yīng)過程中的質(zhì)子遷移過程。

2.1 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Na的旋光異構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)，S-A·Na 可在3 個通道a、b 和c 實現(xiàn)旋光異構(gòu)，b和c通道共用第1基元反應(yīng)。

2.1.1 S-A·Na在a通道的異構(gòu)S-A·Na在a 通道上的異構(gòu)歷程見圖2，勢能面見圖3的a線。

圖2 S-A·Na在a通道旋光異構(gòu)的歷程（鍵長單位：nm）Fig. 2 Reaction process of optical isomerization of S-A·Na in channel a (Bond length unit:nm)

圖3 隱性溶劑效應(yīng)下S-A·Na旋光異構(gòu)反應(yīng)的吉布斯自由能勢能面Fig. 3 Potential energy surface of Gibbs free energy of S-A·Na optical isomerization reaction under the effect of recessive solvent

第1基元反應(yīng)：S-A·Na 經(jīng)過渡態(tài)S-T1a，12H 從6N 遷移到10O，質(zhì)子化氨基去質(zhì)子化，異構(gòu)成中性丙氨酸與鈉的中間體配合物S-I1a。從S-A·Na 到S-T1a的 過 程， 6N—12H 鍵 從0. 102 3 nm 伸長到0. 138 7 nm，S-T1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是37. 6 kJ·mol-1。

第2基元反應(yīng)：S-I1a經(jīng)10O—9C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T2ma或S-T2na，12H 俯視逆時針（或順時針） 旋轉(zhuǎn)，從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，羧基10O—9C—11O 與14Na 的螯合環(huán)打開，異構(gòu)成中間體配合物S-I2a。S-I2a的氨基氮6N 的正面已經(jīng)裸露，負(fù)電荷密度增大，有利于α-氫從1C 向氨基N 遷移。從SI1a到S-T2ma， 二 面 角12H—10O—9C—11O 從178. 6° 變 為-75. 2°， 10O—9C 鍵 內(nèi) 旋 轉(zhuǎn)76. 6°；二 面 角10O—9C—1C—6N 從9. 7° 變 為57. 4° ，9C—1C 鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)55. 9°，這些變化使S-T2ma產(chǎn)生了57. 7 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。相似的S-T2na也產(chǎn)生了57. 7 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第3 基元反應(yīng)：S-I2a經(jīng)質(zhì)子在1C 和6N 間遷移的過渡態(tài)T3a，13H 從1C 向6N 遷移，異構(gòu)成中間體配合物I3a。 從S-I2a到T3a過程， 1C—13H 從0. 109 1 nm 伸長到0. 130 2 nm，二面角6N—1C—4C—9C 從124. 1°變?yōu)?53. 9°，碳?xì)滏I斷裂及骨架形變使T3a產(chǎn)生了234. 8 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第4 基元反應(yīng)：I3a經(jīng)與T3a鏡像對稱的過渡態(tài)T4a，7H 在紙面內(nèi)側(cè)從6N 遷移到1C，異構(gòu)成中間體配合物R-I4a，至此S-A·Na實現(xiàn)了旋光異構(gòu)。從I3a到T4a過程，6N—7H 從0. 102 5 nm 拉伸至0. 123 1 nm，T4a產(chǎn)生了164. 9 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。此能壘小于T3a產(chǎn)生的能壘，原因是從I3a到T4a，6N—1C—4C—9C 從180. 0° 變 為-153. 9°， 體 系 釋 放能量。

第5 基元反應(yīng)：R-I4a經(jīng)與S-T2ma或S-T2na鏡像對稱的過渡態(tài)R-T5ma或R-T5na，12H 從羧基內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)到外側(cè)，異構(gòu)成中間體配合物R-I5a。從RI4a到R-T5ma（或R-T5na） 過程，10O—9C 俯視逆時針轉(zhuǎn)74. 9°（或順時針轉(zhuǎn)74. 2°），R-T5ma和RT5na產(chǎn)生的能壘都是38. 9 kJ·mol-1。

第6 基元反應(yīng)：R-I5a經(jīng)與S-T1a鏡像對稱的過渡態(tài)R-T6a，12H 從10O 遷移到6N，此時氨基質(zhì)子化，異構(gòu)成兩性丙氨酸與鈉的產(chǎn)物配合物R-A·Naa。至此S-A·Na 在a 通道完成了向其手性對映體轉(zhuǎn)變的旋光異構(gòu)，得到了最穩(wěn)定的旋光異構(gòu)產(chǎn)物。從R-I5a到R-T6a過程，10O—12H 鍵從0. 099 2 nm拉伸至0. 114 3 nm 斷裂，R-T6a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是0. 8 kJ·mol-1。該基元反應(yīng)能壘遠(yuǎn)小于第1基元的能壘，原因之一是從R-I5a到R-T6a過程，10O—12H鍵拉伸幅度?。辉蛑菑腞-I5a到R-T6a過程，12H的遷移逆著體系偶極矩的方向，體系電場力做正功。

S-A·Na 在a 通道的旋光異構(gòu)歷程及勢能面顯示，體系構(gòu)象及相對能量均關(guān)于I3a 對稱，展現(xiàn)了S-A·Na在a通道旋光異構(gòu)的過程與內(nèi)在的對稱美。

2.1.2 S-A·Na 在b 和c 通道的異構(gòu)S-A·Na 在b 和c 通道的異構(gòu)歷程見圖4，反應(yīng)的勢能面見圖3的b線和c線。

圖4 S-A·Na在b和c通道旋光異構(gòu)的歷程（鍵長單位：nm）.Fig. 4 Reaction process of optical isomerization of S-A·Na in channel b and c (Bond length unit:nm)

第1基元反應(yīng)（b、c通道共用），S-A·Na經(jīng)質(zhì)子在1C和11O 間遷移的過渡態(tài)T1b（c），α-氫13H 從1C 遷移到11O，異構(gòu)成中間體配合物I1b（c）。從SA·Na 到T1b（c）過程，1C—13H 鍵長從0. 109 0 nm拉伸至0. 152 4 nm 斷裂；二面角4C—6N—1C—9C從122. 7°變?yōu)?23. 0°， 骨架基本無形變； 二面角6N—1C—9C—11O 從177. 1°變?yōu)?45. 0°，9C—1C 鍵右視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)32. 1°。碳?xì)滏I的拉伸斷裂及碳碳鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致T1c（b）產(chǎn)生了267. 9 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。該能壘與氣相S-A·Na 異構(gòu)此基元的能壘247. 7 kJ·mol-1［15］相比較略有升高，說明水溶劑有負(fù)催化作用， 原因是S-A·Na 的偶極矩（5. 222 9 D） 大于T1b（c）的偶極矩（4. 524 1 D），水溶劑的強極性使S-A·Na變得相對穩(wěn)定。

接下來分為b和c兩個分通道。

1） b分通道。

I1b（c）經(jīng)過渡態(tài)T2b，13H 在紙面內(nèi)從11O 遷移到1C，異構(gòu)成產(chǎn)物配合物R-型丙氨酸鈉R-A·Nab，S-A·Na 實現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I1b（c）到T2b過程，11O—13H 鍵 從0. 096 4 nm 拉伸 至0. 118 6 nm 斷裂，T2b的能壘是152. 9 kJ·mol-1。T2b與T1b（c）鏡像對稱，但T2b的能壘遠(yuǎn)小于T1c（b）的能壘，原因之一是氧氫鍵較碳?xì)滏I易裂，原因之二是從I1b（c）到T2b過程，α-碳從sp2雜化向sp3雜化過渡釋放能量，降低了越過T2b所需的能量。分析表明，R-A·Nab與S-A·Na 鏡像對稱，S-A·Na 在此通道實現(xiàn)了對映體轉(zhuǎn)變。

從S-A·Na 的反應(yīng)歷程及勢能面可以看出，在b 通道上，體系構(gòu)象及相對能量均關(guān)于I1b（c）對稱，展現(xiàn)了S-A·Na旋光異構(gòu)的對稱美。

2） c分通道。

第2 基 元 反應(yīng)，I1b（c）經(jīng)過渡態(tài)T2c，8H 從6N遷移到1C，氨基去質(zhì)子化，異構(gòu)成中間體配合物R-I2c，至此，S-A·Na 在c 通道旋光異構(gòu)。從I1b（c）到T2c過程， 6N—8H 鍵長從0. 102 6 nm 拉伸至0. 124 0 nm，T2c產(chǎn)生了170. 9 kJ·mol-1的能壘。該能壘遠(yuǎn)小于T1c（b）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘，原因是二面角4C—6N—1C—9C 從180. 0°變?yōu)?156. 1°，體系釋放能量，氮氫鍵又比碳?xì)滏I容易斷裂。

接下來R-I2c的異構(gòu)分為c1和c2兩個分路徑。

①c1 分路徑。第3 基元反應(yīng)，R-I2c經(jīng)9C—1C右視逆（或順） 時針旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T3mc1（或RT3nc1），9C—1C 右視逆（或順） 時針旋轉(zhuǎn)152. 0°（或192°），異構(gòu)成中間體R-I3c1。從R-I2c到RT3mc1，9C—1C 鍵旋轉(zhuǎn)49. 2°，R-T3mc1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是8. 6 kJ·mol-1。從R-I2c到R-T3nc1，9C—1C鍵旋轉(zhuǎn)角有所增加，導(dǎo)致R-T3nc1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘增加到13. 5 kJ·mol-1。結(jié)構(gòu)分析表明，R-I3c1同于R-I5a，接下來R-I3c1的異構(gòu)同于R-I5a的異構(gòu)，得到 兩性丙氨酸鈉產(chǎn)物配合物R-A·Nac1（a）， 不再贅述。

②c2 分路徑。第3 基元反應(yīng)，R-I2c經(jīng)14Na 在羧基內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T3c2，14Na 從羧基內(nèi)側(cè)翻到外側(cè)，異構(gòu)成中間體配合物R-I3c2。從R-I2c到R-T3c2過程，鍵角14Na—10O—9C 從96. 8°增加到175. 5°，R-T3c2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是7. 5 kJ·mol-1。

第4 基元反應(yīng)，R-I3c2經(jīng)11O—9C 內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T4mc2（或R-T4nc2），11O—9C 仰視順（或逆） 時針旋轉(zhuǎn)，13H從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，羧基從反式結(jié)構(gòu)變?yōu)轫樖浇Y(jié)構(gòu)，異構(gòu)成R-型中性丙氨酸與鈉的產(chǎn)物配合物R-A*·Nac2。從R-I3c2到R-T4mc2過程， 11O—9C 內(nèi)旋轉(zhuǎn)93. 9°，R-T4mc2產(chǎn)生了37. 6 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。相似的R-T4nc2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是36. 7 kJ·mol-1。

由圖3 結(jié)合正負(fù)反應(yīng)能壘在40. 0 kJ·mol-1以下反應(yīng)物和產(chǎn)物可以共存［28］可知，反應(yīng)物以S-A·Na 和S-I1a兩種形式共存，只是兩性丙氨酸鈉的配合物S-A·Na 的分布占大多數(shù)。從圖3 可看出，SA·Na 在a 通道異構(gòu)具有優(yōu)勢，決速步驟能壘是234. 8 kJ·mol-1，S-A·Na 在a 通道旋光異構(gòu)的產(chǎn)物是中性的R-I5a與兩性的R-A·Na 共存，后者的分布占大多數(shù)。S-A·Na 在b 和c 通道異構(gòu)處于劣勢，共同的決速步能壘是267. 9 kJ·mol-1，S-A·Na 在b和c 通道旋光異構(gòu)的產(chǎn)物是兩性R-A·Na、中性RI3c2和中性R-A*·Nac2，兩性R-A·Na 的分布占絕大多數(shù)（分別來自b通道和c1分通道）。

2.2 水分子（簇）對S-A·Na 旋光異構(gòu)過程中質(zhì)子遷移基元反應(yīng)的作用

為獲得可靠的相關(guān)基元反應(yīng)能壘，充分考慮水分子的作用，既考慮水分子簇作質(zhì)子遷移媒介，又考慮水簇與鈉離子的配位作用。計算表明，2 聚水和3聚水作質(zhì)子遷移媒介，質(zhì)子遷移的能壘的改變不明顯。1 個水分子作媒介時，質(zhì)子遷移的能壘較高，并且水溶劑中的水分子多以水簇的形式存在。因此，為使問題簡便，做氫遷移媒介的水分子簇只考慮2聚水的情況，與鈉離子的配位對水分子和水簇的配位分別給予討論。

2.2.1 水分子（簇）對a 通道質(zhì)子遷移基元反應(yīng)的影響第1 基元反應(yīng)。從S-A·Na 經(jīng)S-T1a到S-I1a，12H遷移距離很近，水分子（簇） 作媒介的過渡態(tài)共面程度較差，過渡態(tài)的氫鍵也很弱，導(dǎo)致水分子（簇） 作媒介的過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘比12H 直接遷移的過渡態(tài)產(chǎn)生的能壘高。因此，此基元反應(yīng)主要是單質(zhì)子遷移，水分子（簇） 作媒介的情形不給予討論。

第3 基元反應(yīng)。Na+通常是6 配位，S-I2a是鈉離子與羰基氧1 配位，5 個水分子與鈉離子配位以及4 個水分子和2 個水分子簇與鈉離子配位，2 個水分子簇傳遞質(zhì)子從α-C向氨基氮N遷移的歷程見圖5，反應(yīng)過程的勢能面見圖6 的a 線。對前者詳細(xì)討論，后者只作一般討論。

圖5 水分子（簇） 作用下S-A·Na在a通道旋光異構(gòu)決速步驟的反應(yīng)歷程Fig. 5 The reaction process of the rate-determining step of S-A·Na optical isomerization in channel a under the action of water molecules (clusters)

圖6 水分子（簇） 作用下S-A·Na旋光異構(gòu)反應(yīng)決速步驟的吉布斯自由能勢能面Fig. 6 Gibbs free energy surfaces of the rate-determining step of S-A·Na optical isomerism reaction under the action of water molecules (clusters)

對于5 個水分子與14Na 配位的情形，首先SI2a的Na 與5 個水分子配位，形成S-I2a←5H2O。然后2個水分子簇再與氨基氮6N、α-氫13H、28H和21O氫鍵作用，形成了具有穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)的中間體S-I2a←5H2O·（H2O）2。S-I2a←5H2O·（H2O）2經(jīng)13H、32H 和34H 協(xié)同遷移及骨架形變的過渡態(tài)T3a←5H2O·（H2O）2，實現(xiàn)了質(zhì)子從1C向6N 的凈遷移，異構(gòu)成具有穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)的中間體產(chǎn)物配合物I3a←5H2O·（H2O）2。 IRC計算表明， T3a←7H2O·（H2O）2靠近反應(yīng)物，是早期過渡態(tài)。從S-I2a←5H2O·（H2O）2到T3a←5H2O·（H2O）2過程，1C—13H鍵從0. 109 3 nm 拉伸至0. 178 5 nm 斷裂，30O—32H 鍵從0. 097 7 nm 拉伸至0. 104 3 nm， 33O—34H 鍵從0. 098 9 nm 拉伸至0. 100 7 nm；骨架二面角6N—1C—4C—9C 從127. 1°增加到168. 8°；30O和28H 間的氫鍵斷裂， 所以這些變化使T3a←5H2O·（H2O）2產(chǎn)生了155. 9 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。該能壘與隱性溶劑效應(yīng)下T3a的能壘234. 8 kJ·mol-1相比低很多，說明水分子簇起了催化作用。原因是T3a←5H2O·（H2O）2的七元環(huán)結(jié)構(gòu)具有3 條較強的氫鍵， 并且七元環(huán)結(jié)構(gòu)共面性較好， 導(dǎo)致T3a←5H2O·（H2O）2的七元環(huán)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，降低了T3a←5H2O·（H2O）2的勢壘。

相似地從S-I2a←5H2O·H2O·（H2O）2經(jīng)T3a←5H2O·H2O·（H2O）2到I3a←5H2O·H2O·（H2O）2過程，只是多了1 個H2O 與5H2O 氫鍵作用，鍵的斷裂與生成過程差別不是很明顯，T3a←5H2O·H2O·（H2O）2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是156. 5 kJ·mol-1。

T3a←5H2O·（H2O）2和T3a←5H2O·H2O·（H2O）2的能壘與水液相下丙氨酸異構(gòu)此基元能壘（約110. 0 kJ·mol-1［12］）相比顯著增加，說明Na+對此基元有負(fù)催化作用。

第4 基元反應(yīng)。由于第4 基元反應(yīng)和第3 基元反應(yīng)關(guān)于I3a對稱，第4基元的正反應(yīng)能壘和第3基元的負(fù)反應(yīng)能壘相同。因此，第4基元的正反應(yīng)能壘，T4a←5H2O·（H2O）2和T4a←5H2O·H2O·（H2O）2產(chǎn)生的能壘分別為79. 7和67. 9 kJ·mol-1。

結(jié)合前面2. 1. 1 節(jié)對隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Na 的旋光異構(gòu)的討論可知，顯性水溶劑效應(yīng)下SA·Na旋光異構(gòu)反應(yīng)b通道的決速步驟仍是第3基元反應(yīng)，決速步能壘為155. 9～156. 5 kJ·mol-1。

2.2.2 水分子（簇）對b和c通道質(zhì)子遷移基元反應(yīng)的影響b 和c 通道的第1 基元反應(yīng)。水分子（簇）與底物S-A·Na 的作用有兩種，一是水分子（簇）與Na+形成配位鍵，二是2個水分子簇與S-A·Na的13H 及11O 氫鍵作用。Na+的配位數(shù)一般是6，SA·Na 的Na+與羰基O 已經(jīng)是2 配位，再考慮Na+與4個水分子配位，以及再有一個水分子與4個水分子中的2個水分子氫鍵作用，形成水簇的情況。

4個水分子與Na+配位時，形成S-A·Na←4H2O，2 聚水再與它們的13H 和11O 氫鍵作用，形成反應(yīng)物復(fù)合物，記作S-A·Na←4H2O·（H2O）2。結(jié)構(gòu)分析表明，S-A·Na←4H2O·（H2O）2是具有相對穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系（虛線表示氫鍵作用）。2 聚水傳遞13H從1C向11O遷移的反應(yīng)歷程見圖7，反應(yīng)的勢能面見圖6 的b （c） 線。這里詳細(xì)討論S-A·Na←4H2O·（H2O）2的異構(gòu)，對S-A·Na←4H2O·H2O（H2O）2的異構(gòu)只給出反應(yīng)能壘。

圖7 水分子（簇） 作用下S-A·Na在b和c通道旋光異構(gòu)反應(yīng)決速步驟的歷程Fig. 7 The rate-determining step process of S-A·Na optical isomerization reaction in channel b and c under the action of water molecules (clusters)

S-A·Na←4H2O·（H2O）2經(jīng)3 質(zhì)子協(xié)同非同步遷移的過渡態(tài)S-T1b（c）←4H2O·（H2O）2，實現(xiàn)了質(zhì)子從1C 向11O 的凈遷 移，異 構(gòu)成中 間體I1b（c）←4H2O·（H2O）2。從S-T1b（c）←4H2O·（H2O）2的IRC 可看出，S-T1b（c）←4H2O·（H2O）是晚期過渡態(tài)。從S-A·Na←4H2O·（H2O）2到T1b（c）←4H2O·（H2O）2過程， 1C—13H 鍵長從0. 109 0 nm 拉伸至0. 138 2 nm 斷裂；27O—29H 鍵斷裂，29H 遷移到30O；30O—32H 鍵斷裂，32H 遷移到11O；骨架二面角6N—1C—4C—9C 從119. 8°變?yōu)?25. 5°，骨架形變較小；30O—23H 及12H—24O 之間的氫鍵斷裂，這些變化使T1b（c）←4H2O·（H2O）2產(chǎn)生了138. 6 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

相似地從S-A·Na←4H2O·H2O·（H2O）2經(jīng)T1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2到I1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2過程，T1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2產(chǎn)生的能壘是132. 2 kJ·mol-1。在誤差允許范圍內(nèi)可認(rèn)為T1b（c）←4H2O·（H2O）2和T1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2產(chǎn)生的能壘相同，該能壘遠(yuǎn)小于T1b（c）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘267. 9 kJ·mol-1，說明水分子（簇）起了催化作用。原因之一是T1b（c）←4H2O·（H2O）2和T1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2八元環(huán)結(jié)構(gòu)的3 條氫鍵較強；原因之二是水分子（簇） 的作用減小了反應(yīng)物到過渡態(tài)的骨架形變。

與2.2.1 節(jié)的討論相似，b 通道的第2 基元反應(yīng)與第1 基元反應(yīng)關(guān)于I1b（c）鏡像對稱，T1b（c）與T2b關(guān)于I1b（c）鏡像對稱。 T2b←4H2O·（H2O）2和T2b←4H2O·H2O·（H2O）2產(chǎn)生的能壘是第1 基元負(fù)反應(yīng)的能壘，分別是27. 2 和23. 1 kJ·mol-1。因此，顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Na 旋光異構(gòu)反應(yīng)b 通道的決速步驟仍是第1 基元反應(yīng)，決速步能壘為132. 2～138. 6 kJ·mol-1。

c通道的第2基元與a通道的第4基元相似，反應(yīng)能壘不會偏離79. 7 和67. 9 kJ·mol-1很遠(yuǎn)，顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Na 旋光異構(gòu)反應(yīng)c 和b 通道具有共同的決速步驟，仍是第1基元反應(yīng)，決速步能壘為132. 2～138. 6 kJ·mol-1。

從圖6 和圖4 及前面的討論可知，水分子（簇）的作用改變了S-A·Na 旋光異構(gòu)反應(yīng)通道的優(yōu)劣順序，水分子（簇）作用下，在a 通道由優(yōu)勢變?yōu)榱觿?，決速步自由能壘為155. 9～156. 5 kJ·mol-1；在b和c 通道上的旋光異構(gòu)由劣勢變?yōu)閮?yōu)勢，決速步自由能壘為132. 2～138. 6 kJ·mol-1。155. 9 kJ·mol-1已經(jīng)接近反應(yīng)的極限能壘160. 0 kJ·mol-1［28］，說明S-A·Na 在a 通道上的旋光異構(gòu)很難進(jìn)行；132. 2 kJ·mol-1遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)能壘80. 0 kJ·mol-1［28］，說明S-A·Na 在b 和c 通道上只能極其緩慢地旋光異構(gòu)。因此水液相下α-丙氨酸的鈉鹽只能微量消旋，可安全地用于生命體補充Na+和丙氨酸。

3 結(jié) 論

在SMD/M06-2X/6-311++G （3df，2pd）//SMD/M06-2X/6-311+G（d，p）雙水平，研究了水液相下兩性S-α-Ala 與Na+配合物在單重態(tài)勢能面上的旋光異構(gòu)，得到如下結(jié)論：

1）S-α-Ala·Na+的旋光異構(gòu)可在H 分別以氨基N為橋遷移，以羰基O為橋遷移，以及α-H遷移到羰基O后，質(zhì)子再從N遷移到α-碳的3個通道a、b、c 實現(xiàn)。產(chǎn)物有兩種，分別是兩性R-α-Ala 和中性R-α-Ala與Na+的配合物。

2） 隱性溶劑效應(yīng)下，a 通道具有優(yōu)勢，決速步能壘是234. 8 kJ·mol-1，來自H 從α-C 向氨基N遷移的過渡態(tài)；b 和c 通道處于劣勢，決速步能壘是267. 9 kJ·mol-1，來自H 從α-C 向羰基O 遷移的過渡態(tài)。

3） 水分子（簇） 的作用改變了反應(yīng)通道的優(yōu)劣，b 和c 變?yōu)閮?yōu)勢通道，決速步能壘為132. 2～138. 6 kJ·mol-1；a 變?yōu)榱觿萃ǖ?，決速步能壘為155. 9～156. 5 kJ·mol。

結(jié)果表明：水液相下α-Ala·Na+消旋反應(yīng)進(jìn)行得極緩慢，在生命體內(nèi)α-丙氨酸鈉鹽可安全地用于生命體補充Na+和α-Ala。