α-丙氨酸Co3+配合物旋光異構及水溶劑效應的理論研究

彭國強，劉 軍，徐銳英，雷澤平，楊清薈，崔金玉，趙麗紅，郝成欣，王佐成，佟 華

(1. 白城醫(yī)學高等專科學校 基礎醫(yī)學部，吉林 白城 137000； 2. 白城師范學院 物理學院，吉林 白城 137000； 3. 營口理工學院 基礎教研部，遼寧 營口 115000)

氨基酸是構成蛋白質(zhì)、酶等生物大分子的基本單元，其金屬配合物是蛋白質(zhì)、酶等生物大分子的活性中心，參與生命體的代謝及生化過程.氨基酸金屬配合物的研究是生命科學和醫(yī)學等領域的科研熱點，具有重要的學術價值與應用價值[1].基于氨基酸金屬配合物的重要作用，學者對其結構特性進行了大量的研究.文獻[2-6]研究了氣相和液相下Na+,K+,Ca2+,Cu2+等金屬離子與幾種氨基酸配合物的分子內(nèi)質(zhì)子遷移機理，探討了不同構型的氨基酸金屬離子配合物的穩(wěn)定性，結果表明，在氣相和液相下都是氨基酸兩性離子與金屬離子的雙齒配位體最穩(wěn)定.

α-丙氨酸(α-Ala)是結構最簡單的手性氨基酸，按構型分為S-α-Ala和R-α-Ala，根據(jù)旋光性分為左旋體(L-α-Ala)和右旋體(D-α-Ala)，L-α-Ala在生命體內(nèi)具有生物活性[7].α-Ala的手性特征使其金屬配合物也具有手性，α-Ala金屬配合物的研究對研究其它氨基酸金屬配合物具有指導意義.

通常手性藥分子只是一種對映體有藥理活性，另一種對映體沒用甚至有副作用.研究手性氨基酸金屬配合物的旋光異構，對指導人們科學使用氨基酸金屬鹽進行氨基酸與金屬離子的同補有重要意義.基于此，學者們對氨基酸與金屬離子配合物的旋光異構進行了研究，文獻[8-16]研究表明，氣相下α-丙氨酸與Cu2+、Fe2+和Zn2+等配合物以及脯氨酸Ca2+配合物很難消旋，說明了這些氨基酸金屬配合物在氣固相可以安全地保存.文獻[17-23]研究表明，水液相下α-Ala與Zn2+、Ca2+、Mg2+和Fe2+配合物以及脯氨酸與Ca2+配合物只能微量或極少量的消旋，說明α-丙氨酸二價鋅(Zn)、鈣(Ca)、鎂(Mg)和鐵(Fe)鹽及脯氨酸二價鈣鹽用于生命體同補相關的氨基酸和金屬離子具有較好的安全性.

鈷是生物體必需的微量元素，它對氨基酸代謝、造血功能和甲狀腺腫大的防治有重要作用，鈷缺乏可誘發(fā)貧血和老年癡呆等疾病[24].生命體嚴重缺鈷需用藥物補鈷，目前，藥物補鈷的途徑主要是用無機鈷鹽.但無機鈷鹽補鈷會導致生命體在短時間內(nèi)鈷含量迅速增加，對生命體產(chǎn)生毒副作用.基于氨基酸鹽具有緩慢釋放金屬離子的優(yōu)點，用氨基酸鹽補鈷，還可以達到補充氨基酸的目的，人們開始考慮使用氨基酸鹽補鈷.生命體需要的是二價鈷(Co2+)和三價鈷(Co3+)，并且三價鈷更重要[25].關于α-丙氨酸Co3+配合物旋光異構的研究未見報道，為揭示使用丙氨酸三價鈷鹽同補α-Ala與Co3+是否安全，結合文獻[8-23]的研究經(jīng)驗，本工作對α-Ala·Co3+的旋光異構進行理論研究.

1 計算方法及模型選取

在M06[26]/6-311+G(d,p)水平優(yōu)化氣相反應過程單重態(tài)(計算表明本研究體系在單重態(tài)最穩(wěn)定)勢能面上的駐點結構(自由能熱校正在1個標準大氣壓298.15 K溫度下進行)；采用SMD[27]模型方法，在SMD/M06/6-311+G(d,p)水平優(yōu)化水液相下的駐點結構.通過對過渡態(tài)[28]內(nèi)稟反應坐標(IRC)的計算[29]，對過渡態(tài)的可靠性予以確認.為得到精確的反應勢能面，在MN15[30]/6-311++G(2df,pd)水平計算駐點的單點能.總自由能是自由能熱校正和單點能之和，勢能曲線的零勢點為該曲線上各個駐點的相對勢能零點.采用NBO 5.0程序(Theoretical Chemistry Institute, University of Wisconsin, USA, 2001)中的自然鍵軌道(NBO)方法和AIM 2000程序(Version 2.0, McMaster University, USA, 2002)中的分子中的原子(AIM)方法,計算并分析了主要駐點物種的NPA電荷、成鍵臨界點(BCP)、成環(huán)臨界點(RCP)的電荷密度(ρ)以及電荷密度的拉普拉斯值(?2ρ).氣相下S-α-Ala與Co3+的配合物S-α-Ala·Co3+記作S-A·Co(Ⅲ)，水相下各個駐點X記作X@W.S-A·Co(Ⅲ)在a、b和c通道異構的第1個公用的無手性過渡態(tài)記作T1a(b,c)，中間體記作T1a(b,c)；在a通道的手性對映體產(chǎn)物記作R-A·Co(Ⅲ)a.水相下4個H2O與T1a(b,c)的Co3+配位，2聚水與T1a(b,c)氫鍵作用的體系記作T1a(b,c)←4H2O·(H2O)2@W，其它體系表示法相似，絡合物內(nèi)的虛線表示分子間的氫鍵作用.文中計算工作采用Gaussian 16 Revision C.01程序.

2 結果與討論

計算表明，氣相和水液相下α-Ala·Co3+都是兩性α-Ala分子的羧基O與Co3+二配位的雙齒配合物構象最穩(wěn)定，并且氣相和水液相下雙齒配合物α-Ala·Co3+的幾何構象相差不明顯.為節(jié)省篇幅，先給出氣相下優(yōu)化的α-Ala·Co3+雙齒配合物的手性對映體幾何構型(圖1).

圖1 α-Ala和Co3+配合物分子手性對映體的幾何構型Fig.1 Geometric conformation of α-Ala and Co3+ complex molecule chiral enantiomer

對氣相體系的研究，既可獲得體系本質(zhì)的物理和化學性質(zhì)，揭示氣相下體系的穩(wěn)定性及變化規(guī)律，又可為進一步研究體系在其它復雜環(huán)境下的行為奠定基礎[31-32]，而生命體主要是水環(huán)境，因此，本工作先討論S-A·Co(Ⅲ)分子在氣相下的旋光異構，而后討論其在水液相下的旋光異構.

2.1 氣相S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構

研究表明，氣相S-A·Co(Ⅲ)可在質(zhì)子以羰基O為橋以及羰基O和甲基C聯(lián)合為橋遷移的2個通道a和b實現(xiàn)旋光異構，反應歷程見圖2，反應的自由能勢能面見圖3.氣相S-A·Co(Ⅲ)在質(zhì)子以羰基O和氨基N為橋以及質(zhì)子先從質(zhì)子化氨基向羰基O遷移的2個通道c和d上并沒有旋光異構，而是解離成2個和3個碎片.這不同于氣相S-A·Co(Ⅱ)以及氣相下α-丙氨酸與Cu2+、Ca2+、Na+、Zn2+和Mg2+等配合物在這兩個通道可以旋光異構[8-16].為了使讀者全面了解氣相S-A·Co(Ⅲ)的質(zhì)子反應機理，本工作對a、b、c和d通道分別給予討論.

圖2 氣相S-A·Co(Ⅲ)旋光異構及解離的反應歷程(鍵長單位： 納米)Fig.2 Reaction process of optical isomerism and dissociation of S-A·Co(Ⅲ) in the gas phase(Bond length unit： nanometer)

圖3 氣相S-A·Co(Ⅲ)旋光異構及解離反應的自由能勢能面Fig.3 The free energy potential surface of optical isomerism and dissociation of S-A·Co(Ⅲ) in the gas phase

a、b和c通道：

第1基元是a、b和c通道共用，十分重要，給予深入討論.S-A·Co(Ⅲ)經(jīng)過渡態(tài)T1a(b,c)，9H從1C遷移到8O，異構成I1a(b,c).從S-A·Co(Ⅲ)到T1a(b,c)，1C—9H從0.111 4 nm拉伸至0.141 7 nm，1C—9H的BCP電荷密度ρ從0.265 3 a.u.降到0.126 5 a.u.，拉普拉斯值(?2ρ)始終為負值，1C—9H的共價鍵由強變?nèi)酰?H—8O的ρ從0.0 a.u.變?yōu)?.106 5 a.u.?2ρ從0.0 a.u.變?yōu)檎担?H—8O從不成鍵到氫鍵作用；1C—9H—8O—6C的RCP電荷密度ρ從0.0 a.u.變?yōu)?.080 0 a.u.，?2ρ從0.0 a.u.變?yōu)檎?，從不成鍵到π鍵作用，環(huán)形過渡態(tài)形成；2N—1C的ρ從0.234 6 a.u.增加到0.249 5 a.u.，?2ρ始終為負值，2N—1C的共價鍵增強；6C—1C和10C—1C兩個共價鍵顯著增強、螯合環(huán)6C—8O—14Cu—7O的π鍵作用減弱，8O—6C共價鍵稍有變?nèi)?6C—8O從0.128 1 nm拉伸至0.129 8 nm)、配位鍵8O—14Cu和7O—14Cu稍有減弱(為節(jié)省篇幅ρ和?2ρ的數(shù)據(jù)變化從略)；二面角2N—1C—10C—6C從128.8°增加到155.4°；6C—1C鍵右視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)68.1°，這些變化使T1a(b,c)產(chǎn)生了113.2 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘遠小于S-A·Co(Ⅱ)旋光異構此基元反應的能壘271.7 kJ·mol-1[17]，原因有2個，一是S-A·Co(Ⅱ)的1C—9H鍵長為0.109 8 nm，紅外振動頻率是3 039.8 cm-1，而S-A·Co(Ⅲ)的1C—9H鍵長是0.111 4 nm，紅外振動頻率紅移到2 875.6 cm-1，S-A·Co(Ⅲ)的1C—9H鍵活化程度高得多；二是從S-A·Co(Ⅲ)到T1a(b,c)比從S-A·Co(Ⅱ)到T1a(b)過程1C—9H鍵的拉伸幅度[17]小很多.

從圖3勢能面可以看出，I1a(b,c)處在勢阱底部，比S -A·Co(Ⅲ)穩(wěn)定許多.原因主要有3個，一是I1a(b,c)的骨架原子以及5H、9H和12H形成了超共軛大π鍵；原因之二是從S -A·Co(Ⅲ)到I1a(b,c)，骨架原子間距1C—2N、1C—10C、1C—6C、6C—7O和6C—8O從0.150 9、0.150 8、0.152 8、0.127 5和0.128 1 nm分別縮小到0.145 6、0.142 0、0.149 5、0.125 1、0.127 1 nm，對應的共價鍵增強；三是8O—14Cu和7O—14Cu配位鍵增強(為節(jié)省篇幅，所有BCP電荷密度ρ的變化從略).

接下來的反應歷程分為3個分通道a、b和c.

a通道專屬的反應：

第2基元.I1a(b,c)經(jīng)過渡態(tài)T2a，9H在紙面里從8O向1C遷移，異構成R-A·Co(Ⅲ)a，S-A·Co(Ⅲ)實現(xiàn)旋光異構.從I1a(b,c)到T2a，8O—9H鍵從0.097 7 nm拉伸至0.141 6 nm斷裂；1C—2N、1C—10C、1C—6C、6C—7O和6C—8O分別從0.145 6、0.142 0、0.149 5和0.125 1 nm拉伸到0.148 6、0.147 0、0.150 4和0.129 1 nm；6C—1C右視逆時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)76.7°，這些變化使T2a產(chǎn)生了314.0 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘如此高的主要原因有兩個，一是I1a(b,c)的8O—9H鍵紅外振動頻率很大，達到了3 681.6 cm-1，8O—9H鍵鈍化程度高，二是I1a(b,c)形變要克服體系共軛大π鍵的作用.

b通道專屬的反應：

第2基元.I1a(b,c)經(jīng)過渡態(tài)T2b，11H在紙面里從10C遷移到1C，異構成中間體R-I2b，S-A·Co(Ⅲ)在b通道實現(xiàn)旋光異構.從I1a(b,c)到T2b，10C—11H鍵從0.112 4 nm拉伸至0.134 2 nm斷裂，T2b產(chǎn)生的能壘是20.1 kJ·mol-1.此過程能壘如此之小，原因之一是10C—11H鍵是0.112 4 nm，紅外振動頻率是2 784.4 cm-1，10C—11H鍵已經(jīng)被較好的活化；原因之二從I1a(b,c)到T2b，質(zhì)子逆著體系的偶極矩方向遷移，體系的電場力助力質(zhì)子遷移.

第3基元.R-I2b經(jīng)過渡態(tài)R-T3b，9H從8O遷移到10C，異構成產(chǎn)物R-A·Co(Ⅲ)b，結構分析表明，S-A·Co(Ⅲ)在b通道實現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變.從R-I2b到R-T3b，8O—9H鍵從0.097 8 nm拉伸至0.140 1 nm斷裂，R-T3b產(chǎn)生的能壘是201.8 kJ·mol-1.此過程能壘很大，原因之一是8O—9H鍵的紅外振動頻率是3 663.8 cm-1，8O—9H鍵比較鈍化；原因之二從R-I2b到R-T3b，質(zhì)子是順著偶極矩方向遷移，體系的電場力對質(zhì)子遷移過程做負功.

c通道專屬的反應：

第2基元.I1a(b,c)經(jīng)過渡態(tài)T2c，4H在紙面內(nèi)側(cè)從2N遷移到1C，解離成2個碎片產(chǎn)物P1c(NH2—CH—COOH—Co+2)和P2c(CH3+1).從I1a(b,c)到T2c，2N—4H鍵從0.104 6拉伸至0.159 1 nm斷裂，1C—10C鍵從0.142 0拉伸至0.148 5 nm，T2c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是257.8 kJ·mol-1.

d通道：

S-A·Co(Ⅲ)經(jīng)過渡態(tài)S-T1d，5H從2N遷移到7O，解離成3個碎片產(chǎn)物P1d(CH3—CH—NH2+)、P2d(OH—CO2+)和P3d(Co+).從S-A·Co(Ⅲ)到S -T1d，2N—5H鍵從0.103 5拉伸至0.151 2 nm斷裂，1C—6C鍵從0.152 8拉伸至0.165 0 nm，6C—7O鍵從0.127 5拉伸至0.131 8 nm，7O—14Co鍵從0.185 1拉伸至0.199 2 nm，這些變化使S -T1d產(chǎn)生了305.1 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

從圖3可以看出，S-A·Co(Ⅲ)在a和b通道旋光異構反應的活化能(氣相反應勢能面的表觀能壘)是113.2 kJ·mol-1，來自于過渡態(tài)T1a(b,c)；比較而言b通道比a通道具有優(yōu)勢.從圖3還可以看出，S-A·Co(Ⅲ)在c通道的解離反應的活化能也是113.2 kJ·mol-1，在d通道的解離反應的活化能是305.1 kJ·mol-1.由于能壘113.2 kJ·mol-1高于溫和反應能壘80.0 kJ·mol-1[33]不少，因此，S-A·Co(Ⅲ)在a和b通道的旋光異構以及在c通道的解離過程進行的比較緩慢.由于305.1 kJ·mol-1遠高于極限反應能壘167.0 kJ·mol-1[33]，因此S-A·Co(Ⅲ)在d通道的解離過程實際不可能發(fā)生.

2.2 水液相下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構

非氫轉(zhuǎn)移反應的能壘較小，水分子(簇)與反應物作用(氫鍵作用及配位作用)對能壘影響不明顯，考慮隱性水溶劑效應(亦即溶劑極性的作用)即可說明相關的反應機制[16,20].氫遷移反應能壘一般較高，水分子(簇)做氫轉(zhuǎn)移媒介以及水分子與金屬離子配位會顯著改變反應能壘，研究氫遷移反應要同時考慮溶劑極性和水分子(簇)的共同作用，即顯性水溶劑效應[14-23].為清晰地呈現(xiàn)水液相下S-A·Co(Ⅲ)旋光異構的歷程以及水分子(簇)所起的作用，先討論隱性水溶劑效應下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構，然后再討論顯性水溶劑效應下S-A·Co(Ⅲ)旋光異構過程中的氫遷移反應.

2.2.1 隱性水溶劑效應下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構

研究表明，水液相下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構可在氣相下的a和b通道以及質(zhì)子以羰基O和氨基N為橋遷移的c通道實現(xiàn)，反應歷程見圖4，反應的自由能勢能面見圖5(第612頁).水液相下S-A·Co(Ⅲ)的質(zhì)子化氨基上的質(zhì)子不能從氨基N向羰基O遷移，這不同于水液相下S-A·Co(Ⅱ)以及α-丙氨酸與Cu2+、Ca2+、Na+、Fe2+、Zn2+和Mg2+等配合物旋光異構[8-16]的情況.

圖4 隱性水溶劑效應下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構反應歷程(鍵長單位： 納米)Fig.4 Reaction process of S-A·Co(Ⅲ) optical isomerism under the effect of recessive water solvent(Bond length unit： nanometer)

圖5 隱性水溶劑效應下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構反應的自由能勢能面Fig.5 The free energy potential surface of S-A·Co(Ⅲ) optical isomerism reaction under the effect of recessive water solvent

a通道

第1基元，a、b和c通道共用.S-A·Co(Ⅲ)@W經(jīng)過渡態(tài)T1@Wa(b,c)，9H從1C遷移到8O，異構成I1@Wa(b,c).從S-A·Co(Ⅲ)@W到I1@Wa(b,c)，1C—9H從0.109 9 nm拉伸至0.154 4 nm，1C—9H的BCP電荷密度ρ從0.276 4 a.u.降到0.098 5 a.u.，拉普拉斯值(?2ρ)的符號由負變?yōu)橹担?C—9H由共價鍵變?yōu)闅滏I；9H—8O的ρ從0.0 a.u.變?yōu)?.171 0 a.u.?2ρ從0.0 a.u.變?yōu)樨撝担?H—8O從不成鍵到共價鍵作用；1C—9H—8O—6C的RCP電荷密度ρ從0.0 a.u.變?yōu)?.085 1 a.u.，?2ρ從0.0 a.u.變?yōu)檎担瑥牟怀涉I到π鍵作用，環(huán)過渡態(tài)形成；2N—1C的ρ從0.242 7 a.u.增加到0.262 4 a.u.，?2ρ始終為負值，2N—1C的共價鍵增強；6C—1C和10C—1C兩個共價鍵顯著增強、螯合環(huán)6C—8O—14Cu—7O的π鍵作用減弱、8O—6C共價鍵稍有變?nèi)?、配位鍵8O—14Cu和7O—14Cu稍有減弱(為節(jié)省篇幅ρ和?2ρ的數(shù)據(jù)變化從略).二面角2N—1C—10C—6C從123.4°增加到149.6°；6C—1C鍵右視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)53.5°，這些變化使T1@Wa(b,c)產(chǎn)生了235.6 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘遠大于T1a(b,c)的能壘113.2 kJ·mol-1，原因有3個，一是S-A·Co(Ⅲ)@W的1C—9H鍵長縮小到0.109 9 nm，紅外振動頻率藍移到3 053.1 cm-1，S-A·Co(Ⅲ)@W的1C—9H鍵鈍化了；二是從S-A·Co(Ⅲ)到T1a(b,c)，質(zhì)子遷移方向逆著體系的偶極矩矢量，體系的電場力助力質(zhì)子遷移，而從S-A·Co(Ⅲ)@W到T1@Wa(b,c)，質(zhì)子遷移方向與偶極矩矢量垂直，體系電場力不對質(zhì)子遷移做功；三是從S-A·Co(Ⅲ)到T1a(b,c)，1C—9H的共價鍵由強變?nèi)?，并未斷裂，而S-A·Co(Ⅲ)@W到T1@Wa(b,c)，1C—9H由共價鍵變?yōu)闅滏I，共價鍵斷裂.

第2基元，a和c通道共用.I1@Wa(b,c)經(jīng)9H左右翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)T2@Wa(c)(右視圖)，異構成I2@Wa(c).從I1@Wa(b,c)到T2@Wa(c)，二面角9H—8O—6C—1C從-34.7°變?yōu)?.0°，8O—6C鍵仰視逆時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)34.7°；二面角14Co—7O—6C—8O從-19.0°變?yōu)?.0°，7O—6C鍵俯視逆時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)19.0°.2個化學鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量很小，T2@Wa(c)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘僅有3.3 kJ·mol-1.

第3基元，a通道專屬的反應.

I2@Wa(c)經(jīng)過渡態(tài)T3@Wa，9H在紙面里從8O遷移到1C，異構成產(chǎn)物R-A·Co(Ⅲ)@Wa，S-A·Co(Ⅲ)@W實現(xiàn)旋光異構.從I2@Wa(c)到T3@Wa，8O—9H鍵從0.097 9 nm拉伸至0.121 6 nm；6C—1C右視逆時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)95.6°，這些變化使T3@Wa產(chǎn)生了175.3 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘比2.1節(jié)中氣相下此基元的能壘大幅下降，原因是I2@Wa(c)的偶極矩(3.923 3 D)很小，極性溶劑水的作用使其變得不穩(wěn)定，使其上升到勢能面較高的位置.

b通道專屬的反應：

第2基元.I1@Wa(b,c)經(jīng)過渡態(tài)T2@Wb，11H在紙面內(nèi)側(cè)從10C遷移到1C，異構成R-I2@Wb，S-A·Co(Ⅲ)在b通道實現(xiàn)旋光異構.從I1@Wa(b,c)到T2@Wb，10C—11H鍵從0.109 9 nm拉伸至0.149 2 nm斷裂，T2@Wb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是96.3 kJ·mol-1.該能壘較氣相下此基元的能壘大幅增加，原因是水液相下10C—11H鍵縮短，紅外振動頻率藍移到3 046.81 cm-1，10C—11H鍵鈍化了.

第3基元.R-I2@Wb經(jīng)過渡態(tài)R-T3@Wb，9H從8O遷移到10C，異構成產(chǎn)物R-A·Co(Ⅲ)@Wb，結構分析表明，S-A·Co(Ⅲ)@W在b通道實現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變.從R-I2@Wb到R-T3@Wb，8O—9H鍵從0.097 3 nm拉伸至0.107 5 nm，R-T3@Wb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是54.6 kJ·mol-1.此能壘較氣相下此基元的能壘大幅下降，原因是R-I2@Wb到R-T3@Wb比R-I2b到R-T3b過程8O—9H鍵的拉伸幅度小得多.

c通道專屬的反應：

第3基元.I2@Wa(c)經(jīng)過渡態(tài)T3@Wc，4H在紙面內(nèi)側(cè)從2N遷移到1C，異構成R-I3@Wc，S-A·Co(Ⅲ)在c通道實現(xiàn)了旋光異構.從I2@Wa(c)到T3@Wc，2N—4H鍵從0.1033拉伸至0.141 7 nm斷裂，T3@Wc產(chǎn)生的能壘是233.2 kJ·mol-1.該能壘小于2.1節(jié)中氣相下對應的此基元的能壘，原因是水液相下2N—4H鍵的拉伸幅度有所減小.

第4基元.R-I3@Wc經(jīng)6C—1C鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T4@Wc，6C—1C鍵右視逆時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)與9H從8O向2N遷移協(xié)同進行，異構成產(chǎn)物R-A·Co(Ⅲ)@Wc.結構分析表明，S-A·Co(Ⅲ)@W在c通道實現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變.從R-I3@Wc到R-T4@Wc，6C—1C鍵右視逆時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)94.2°，化學鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量很少，R-T4@Wc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有9.3 kJ·mol-1.

從圖5可以看出，隱性溶劑效應下S-A·Co(Ⅲ)在a、b和c通道旋光異構的活化能在233.2至235.6 kJ·mol-1之間，沒有哪個通道具有明顯地優(yōu)勢.考慮到b通道的第2和第3基元內(nèi)稟能壘明顯低于a和c通道的第3基元，也可以說比較而言b通道具有優(yōu)勢.233.2 kJ·mol-1高于極限反應能壘167.0 kJ·mol-1[33]許多，因此，只考慮隱性溶劑效應時α-丙氨酸Co(Ⅲ)配合物不能旋光異構.

2.2.2 顯性溶劑效應下的氫遷移反應

從圖5可以看出，水液相下S-A·Co(Ⅲ)在b通道旋光異構的第2和3基元(均為氫遷移反應)的內(nèi)稟能壘分別是96.3和54.6 kJ·mol-1，在常溫下就能進行.為節(jié)省篇幅，本節(jié)對這兩個基元不進行討論.只對a通道的H遷移反應以及c通道第3基元進行討論.

水分子多以水簇的形式存在，顯性水溶劑效應下，水分子簇與14Co形成配位鍵，同時水分子簇與S-A·Co(Ⅲ)的氫、氧和氮等氫鍵作用.以往的研究表明，水簇或單個水分子與金屬離子配位對反應能壘的影響很小[22-23]，2聚水和3聚水做質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介時質(zhì)子轉(zhuǎn)移的能壘相差很小[34-36]，只與底物分子氫鍵作用但沒參與反應的水分子(簇)對反應能壘影響較小[37].因此為使問題簡便，本工作只討論單個水分子與14Co配位，2聚水與S-A·Co(Ⅲ)的氫、氧和氮等氫鍵作用并做質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介的情況.

Co3+最多是6配位，在S-A·Co(Ⅲ)的Co3+已與2個O配位，再有4個H2O與Co配位，Co便“滿配”，得到的配合物是S-A·Co(Ⅲ)←4H2O.再有2聚水與α-H和羰基氧8O氫鍵作用，同時和與Co3+配位的H2O氫鍵作用，形成有氫鍵網(wǎng)絡的底物S-A·Co(Ⅲ)←4H2O·(H2O)2m@W(m表示2聚水在紙面外側(cè)與S-A·Co(Ⅲ)氫鍵作用).相似的形成中間體I2a←4H2O·(H2O)2n@W和I2c←4H2O·(H2O)2n@W(n表示2聚水在紙面內(nèi)).S-A·Co(Ⅲ)←4H2O·(H2O)2m@W在a通道旋光異構過程中的H遷移反應以及c通道第3基元I2c←4H2O·(H2O)2n@W的異構歷程見圖6(第614頁)，反應的自由能勢能面見圖7(第614頁).

圖6 顯性水溶劑效應下S-A·Co(Ⅲ)旋光異構的主要H遷移歷程Fig.6 The main H transfer reaction process of S-A·Co(Ⅲ) optical isomerism under the effect of explicit water solvent

圖7 顯性水溶劑效應下S-A·Co(Ⅲ)旋光異構主要H遷移歷程的自由能勢能面Fig.7 Potential energy surface of free energy of main H transfer reaction process of S-A·Co(Ⅲ) optical isomerism under the effect of explicit water solvent

共用的第1基元，此基元十分重要，給予全面深入的討論.

S-A·Co(Ⅲ)←4H2O·(H2O)2m@W經(jīng)過渡態(tài)T1a(b,c)←4H2O·(H2O)2m@W，9H、29H和32H協(xié)同遷移，實現(xiàn)了質(zhì)子從1C向8O凈遷移，異構成中間體I1a(b,c)←4H2O·(H2O)2m@W.

從S-A·Co(Ⅲ)←4H2O·(H2O)2m@W到T1a(b,c)←4H2O·(H2O)2m@W過程，1C—9H、27O—29H和30O—32H鍵長從0.109 6、0.100 9和0.098 0 nm分別拉伸至0.151 9、0.109 2和0.098 7 nm，它們的BCP電荷密度(ρ)分別從0.278 5、0.292 5和0.336 7 a.u.減小到0.098 0、0.228 6和0.326 6 a.u.，?2ρ始終為負值，1C—9H間的共價鍵顯著變?nèi)酰?7O—29H和30O—32H間的共價鍵有所變?nèi)酰?O—6C的BCP電荷密度(ρ)從0.341 1 a.u.減小到0.310 2 a.u.，?2ρ始終為負值，共價鍵顯著變?nèi)酰?C—9H—27O—29H—30O—32H—8O—6C的RCP電荷密度(ρ)從不存在到0.006 1 a.u.，?2ρ為正值，八元環(huán)從沒作用到π鍵作用，環(huán)形過渡態(tài)形成.二面角2N—1C—10C—6C從121.9°變?yōu)?42.9°，這些變化使T1a(b,c)←4H2O·(H2O)2m@W產(chǎn)生了143.5 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘遠遠低于T1a(b,c)@W產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘235.6 kJ·mol-1，說明水分子(簇)對此基元反應起了很好的催化作用.原因是T1a(b,c)←4H2O·(H2O)2m@W的氫鍵角1C—9H—27O、27O—29H—30O和30O—32H—8O分別是165.7°、161.6°和158.1°，3個氫鍵較強，并且T1a(b,c)←4H2O·(H2O)2m@W的八元環(huán)結構共面程度較高，導致過渡態(tài)T1a(b,c)←4H2O·(H2O)2m@W有較好的穩(wěn)定性.

a通道的第3基元.I2a←4H2O·(H2O)2n@W經(jīng)過渡態(tài)T3a←4H2O·(H2O)2n@W，9H、31H和28H協(xié)同遷移，實現(xiàn)了質(zhì)子在紙面里從8O向1C凈遷移，得到R-型產(chǎn)物R-A·Co(Ⅲ)a←4H2O·(H2O)2n@W，S-A·Co(Ⅲ)←4H2O·(H2O)2m@W實現(xiàn)旋光異構.從I2a←4H2O·(H2O)2n@W到T3a←4H2O·(H2O)2n@W，8O—9H、30O—31H和27O—28H鍵從0.104 1、0.102 3和0.097 7 nm拉伸斷裂，T3a←4H2O·(H2O)2n@W產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是58.5 kJ·mol-1.該能壘遠遠低于前面T3a@W產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘175.3 kJ·mol-1，說明水分子(簇)起了顯著的催化作用.原因有兩個，一是T3a←4H2O·(H2O)2n@W的氫鍵角8O—9H—30O、30O—31H—27O和27O—28H—1C分別是158.1°、161.6°和165.7°，3個氫鍵較強，且八元環(huán)結構共面程度較好，導致T3a←4H2O·(H2O)2n@W的構象較穩(wěn)定.二是從I2a←4H2O·(H2O)2n@W到T3a←4H2O·(H2O)2n@W是1C從sp2雜化向sp3雜化過渡，體系要釋放些能量.

c通道的第3基元.I2c←4H2O·(H2O)2n@W經(jīng)過渡態(tài)T3c←4H2O·(H2O)2n@W，實現(xiàn)質(zhì)子在紙面里從2N向1C的凈遷移，異構成R-I3c←4H2O·(H2O)2n@W，S-A·Co(Ⅲ)←4H2O·(H2O)2m@W在c通道實現(xiàn)旋光異構.從I2c←4H2O·(H2O)2n@W到T3c←4H2O·(H2O)2n@W，2N—4H、31O—30H和28O—27H鍵從0.108 3、0.100 5和0.097 5 nm分別拉伸至0.112 3、0.112 5和0.149 1 nm，T3c←4H2O·(H2O)2n@W產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是130.6 kJ·mol-1.這遠低于前面T3c@W產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘233.2 kJ·mol-1，水分子(簇)對此基元反應起了極顯著的催化作用，原因相似于從I2a←4H2O·(H2O)2n@W到T3a←4H2O·(H2O)2n@W過程，不再贅述.

圖7結合圖5可以看出，水液相下S-A·Co(Ⅲ)在a、b和c通道旋光異構反應的活化能(決速步能壘)是143.5 kJ·mol-1，來自于第一基元反應的過渡態(tài)T1a(b,c)←4H2O·(H2O)2m@W.考慮到各個通道后續(xù)基元反應的能壘可知，比較而言S-A·Co(Ⅲ)在a通道的旋光異構更具優(yōu)勢.143.5 kJ·mol-1高于溫和反應能壘80.0 kJ·mol-1[36]許多，比較接近極限反應能壘167.0 kJ·mol-1[36]，說明水液相下α-丙氨酸三價鈷的消旋反應只能極緩慢的進行，這從理論上說明α-丙氨酸三價鈷鹽用于生命體同補α-丙氨酸和三價鈷離子具有很好的安全性.

3 結 論

采用M06和MN15方法，結合SMD模型方法，研究了α-Ala·Co3+的旋光異構及水溶劑效應，得到如下結果： 氣相α-Ala·Co3+的旋光異構有2個通道，分別是羰基氧作質(zhì)子遷移媒介和羰基氧和甲基碳聯(lián)合作質(zhì)子遷移媒介；水液相下α-Ala·Co3+可在3個通道實現(xiàn)旋光異構，與氣相的情況相比，多了1個羰基氧和氨基氮聯(lián)合作質(zhì)子遷移媒介的反應通道.氣相α-Ala·Co3+旋光異構的活化能(表觀能壘)是113.2 kJ·mol-1，來自于質(zhì)子從手性碳向羰基氧遷移的過渡態(tài)；水液相下α-Ala·Co3+旋光異構的活化能(決速步內(nèi)稟能壘)是143.5 kJ·mol-1.

結果表明： 氣相的α-Ala·Co3+可以緩慢地消旋，氣相下α-Ala·Co3+不易保存；水液相下α-Ala·Co3+很難消旋，α-Ala·Co3+可以安全性用于生命體同補α-丙氨酸和三價鈷離子.