彭國強(qiáng)，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(xué)高等?？茖W(xué)校 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，吉林 白城 137000； 2. 白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林 白城 137000； 3. 營口理工學(xué)院 基礎(chǔ)教研部，遼寧 營口 115000)

氨基酸是構(gòu)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(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科研熱點，具有重要的學(xué)術(shù)價值與應(yīng)用價值[1].基于氨基酸金屬配合物的重要作用，學(xué)者對其結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了大量的研究.文獻(xiàn)[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(jī)理，探討了不同構(gòu)型的氨基酸金屬離子配合物的穩(wěn)定性，結(jié)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(jié)構(gòu)最簡單的手性氨基酸，按構(gòu)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(dǎo)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(gòu)，對指導(dǎo)人們科學(xué)使用氨基酸金屬鹽進(jìn)行氨基酸與金屬離子的同補(bǔ)有重要意義.基于此，學(xué)者們對氨基酸與金屬離子配合物的旋光異構(gòu)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(bǔ)相關(guān)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(yán)重缺鈷需用藥物補(bǔ)鈷，目前，藥物補(bǔ)鈷的途徑主要是用無機(jī)鈷鹽.但無機(jī)鈷鹽補(bǔ)鈷會導(dǎo)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(bǔ)鈷，還可以達(dá)到補(bǔ)充氨基酸的目的，人們開始考慮使用氨基酸鹽補(bǔ)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(guān)于α-丙氨酸Co3+配合物旋光異構(gòu)的研究未見報道，為揭示使用丙氨酸三價鈷鹽同補(bǔ)α-Ala與Co3+是否安全，結(jié)合文獻(xiàn)[8-23]的研究經(jīng)驗，本工作對α-Ala·Co3+的旋光異構(gòu)進(jìn)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(yīng)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(jié)構(gòu)(自由能熱校正在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓298.15 K溫度下進(jìn)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(jié)構(gòu).通過對過渡態(tài)[28]內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)的計算[29]，對過渡態(tài)的可靠性予以確認(rèn).為得到精確的反應(yīng)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(gòu)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(luò)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(jié)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(gòu)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(gòu)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(gòu)型(圖1).

圖1 α-Ala和Co3+配合物分子手性對映體的幾何構(gòu)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(xué)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(jìn)一步研究體系在其它復(fù)雜環(huán)境下的行為奠定基礎(chǔ)[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(gòu)，而后討論其在水液相下的旋光異構(gòu).

2.1 氣相S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構(gòu)

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(gòu)，反應(yīng)歷程見圖2，反應(yīng)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(gòu)，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(gòu)[8-16].為了使讀者全面了解氣相S-A·Co(Ⅲ)的質(zhì)子反應(yīng)機(jī)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(gòu)及解離的反應(yīng)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(gòu)及解離反應(yīng)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(gòu)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(fù)值，1C—9H的共價鍵由強(qiáng)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(fù)值，2N—1C的共價鍵增強(qiáng)；6C—1C和10C—1C兩個共價鍵顯著增強(qiáng)、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(yuǎn)小于S-A·Co(Ⅱ)旋光異構(gòu)此基元反應(yīng)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(yīng)的共價鍵增強(qiáng)；三是8O—14Cu和7O—14Cu配位鍵增強(qiáng)(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(yīng)歷程分為3個分通道a、b和c.

a通道專屬的反應(yīng)：

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(gòu)成R-A·Co(Ⅲ)a，S-A·Co(Ⅲ)實現(xiàn)旋光異構(gòu).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(dá)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(yīng)：

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(gòu)成中間體R-I2b，S-A·Co(Ⅲ)在b通道實現(xiàn)旋光異構(gòu).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(gòu)成產(chǎn)物R-A·Co(Ⅲ)b，結(jié)構(gòu)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(fù)功.

c通道專屬的反應(yīng)：

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(gòu)反應(yīng)的活化能(氣相反應(yīng)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(yīng)的活化能也是113.2 kJ·mol-1，在d通道的解離反應(yīng)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(yīng)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(gòu)以及在c通道的解離過程進(jìn)行的比較緩慢.由于305.1 kJ·mol-1遠(yuǎn)高于極限反應(yīng)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(gòu)

非氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)的能壘較小，水分子(簇)與反應(yīng)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(yīng)(亦即溶劑極性的作用)即可說明相關(guān)的反應(yīng)機(jī)制[16,20].氫遷移反應(yīng)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(yīng)能壘，研究氫遷移反應(yīng)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(yīng)[14-23].為清晰地呈現(xiàn)水液相下S-A·Co(Ⅲ)旋光異構(gòu)的歷程以及水分子(簇)所起的作用，先討論隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構(gòu)，然后再討論顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co(Ⅲ)旋光異構(gòu)過程中的氫遷移反應(yīng).

2.2.1 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構(gòu)

研究表明，水液相下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構(gòu)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(yīng)歷程見圖4，反應(yīng)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(gòu)[8-16]的情況.

圖4 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構(gòu)反應(yīng)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(yīng)下S-A·Co(Ⅲ)的旋光異構(gòu)反應(yīng)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(gòu)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(fù)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?fù)值，9H—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?，從不成鍵到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(fù)值，2N—1C的共價鍵增強(qiáng)；6C—1C和10C—1C兩個共價鍵顯著增強(qiáng)、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(yuǎn)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(lán)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(qiáng)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(gòu)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(xué)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(yīng).

I2@Wa(c)經(jīng)過渡態(tài)T3@Wa，9H在紙面里從8O遷移到1C，異構(gòu)成產(chǎn)物R-A·Co(Ⅲ)@Wa，S-A·Co(Ⅲ)@W實現(xiàn)旋光異構(gòu).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(yīng)：

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(gòu)成R-I2@Wb，S-A·Co(Ⅲ)在b通道實現(xiàn)旋光異構(gòu).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(lán)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(gòu)成產(chǎn)物R-A·Co(Ⅲ)@Wb，結(jié)構(gòu)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(yīng)：

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(gòu)成R-I3@Wc，S-A·Co(Ⅲ)在c通道實現(xiàn)了旋光異構(gòu).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(yīng)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(jìn)行，異構(gòu)成產(chǎn)物R-A·Co(Ⅲ)@Wc.結(jié)構(gòu)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(xué)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(yīng)下S-A·Co(Ⅲ)在a、b和c通道旋光異構(gòu)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(yīng)能壘167.0 kJ·mol-1[33]許多，因此，只考慮隱性溶劑效應(yīng)時α-丙氨酸Co(Ⅲ)配合物不能旋光異構(gòu).

2.2.2 顯性溶劑效應(yīng)下的氫遷移反應(yīng)

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

水分子多以水簇的形式存在，顯性水溶劑效應(yīng)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(yīng)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(yīng)的水分子(簇)對反應(yīng)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(luò)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(gòu)過程中的H遷移反應(yīng)以及c通道第3基元I2c←4H2O·(H2O)2n@W的異構(gòu)歷程見圖6(第614頁)，反應(yīng)的自由能勢能面見圖7(第614頁).

圖6 顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co(Ⅲ)旋光異構(gòu)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(yīng)下S-A·Co(Ⅲ)旋光異構(gòu)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(gòu)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(fù)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(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)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(qiáng)，并且T1a(b,c)←4H2O·(H2O)2m@W的八元環(huán)結(jié)構(gòu)共面程度較高，導(dǎo)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(gòu).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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)，且八元環(huán)結(jié)構(gòu)共面程度較好，導(dǎo)致T3a←4H2O·(H2O)2n@W的構(gòu)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(gòu)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(gòu).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(yuǎn)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(yīng)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(jié)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(gòu)反應(yīng)的活化能(決速步能壘)是143.5 kJ·mol-1，來自于第一基元反應(yīng)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(yīng)的能壘可知，比較而言S-A·Co(Ⅲ)在a通道的旋光異構(gòu)更具優(yōu)勢.143.5 kJ·mol-1高于溫和反應(yīng)能壘80.0 kJ·mol-1[36]許多，比較接近極限反應(yīng)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(yīng)只能極緩慢的進(jìn)行，這從理論上說明α-丙氨酸三價鈷鹽用于生命體同補(bǔ)α-丙氨酸和三價鈷離子具有很好的安全性.

3 結(jié) 論

采用M06和MN15方法，結(jié)合SMD模型方法，研究了α-Ala·Co3+的旋光異構(gòu)及水溶劑效應(yīng)，得到如下結(jié)果： 氣相α-Ala·Co3+的旋光異構(gòu)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(gòu)，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(yīng)通道.氣相α-Ala·Co3+旋光異構(gòu)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(gòu)的活化能(決速步內(nèi)稟能壘)是143.5 kJ·mol-1.

結(jié)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(bǔ)α-丙氨酸和三價鈷離子.