毛杰偉，佟 華,，徐亞華，劉 芳，楊清薈，雷澤平，張雪嬌，王佐成,

(1. 白城師范學(xué)院 物理學(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;3. 白城市中心醫(yī)院 心血管內(nèi)科，吉林 白城 137000)

α-Ala是結(jié)構(gòu)最簡單的手性氨基酸，有S-α-Ala和R-α-Ala兩種構(gòu)型，根據(jù)旋光性分為左旋體(L-α-Ala)和右旋體(D-α-Ala)。α-Ala是生物體內(nèi)的重要配體，其金屬離子配合物也具有手性。不同旋光性的α-Ala作用不同，L-α-Ala在生命體內(nèi)是蛋白質(zhì)的重要成分，D-α-Ala在生命體內(nèi)有微量存在，有清除細(xì)胞毒性及促進(jìn)細(xì)菌孢子代謝的作用，但過量的D-α-Ala會對健康不利[1-2]。

鈷是生物體必需的微量金屬元素，它對造血過程、氨基酸代謝、防治甲狀腺腫大均有積極作用，鈷缺乏會導(dǎo)致老年癡呆和貧血等疾病[3]。人體不能自己合成鈷，通常情況下可以通過飲食攝取，若生命體高度缺鈷，需通過藥物補(bǔ)鈷。利用無機(jī)鈷鹽補(bǔ)鈷會使生命體在短時間內(nèi)鈷含量迅速增加，對生命體產(chǎn)生毒副作用，利用其氨基酸鹽補(bǔ)充鈷，可以達(dá)到緩慢釋放鈷又補(bǔ)充必需氨基酸的目的。氨基酸Co(Ⅱ)配合物作為模型化合物來研究天然氧載體的載氧、貯氧過程及載氧機(jī)理，具有載氧活性好、可逆載氧周期長的優(yōu)點(diǎn)[4]。

手性分子的劣構(gòu)體在生命體內(nèi)或者無用，或者會產(chǎn)生消極的作用，因此，對氨基酸金屬配合物旋光異構(gòu)的研究具有重要意義?；诖耍瑢W(xué)者們對氨基酸金屬配合物的旋光異構(gòu)做了大量的工作，文獻(xiàn)[5-10]的密度泛函理論研究表明，氣相的α-Ala與Cu2+、Na+、Zn2+等金屬離子的配合物通常很難消旋。文獻(xiàn)[11]和[12]的密度泛函理論研究表明，α-Ala與Fe2+和Mg2+離子的配合物在氣相也難以消旋，水分子(簇)的作用下只能使它們痕量地消旋。

研究氣相體系，獲知?dú)庀嘞麦w系的變化規(guī)律，可為進(jìn)一步研究體系在復(fù)雜環(huán)境下的行為奠定基礎(chǔ)[13-14]。目前，對α-Ala與Co2+配合物的研究主要集中在催化性能和氧合性能上[15-16]，對其旋光異構(gòu)的研究未見報道?；诖?，考慮到大氣中有豐富的水分子[17]以水分子(簇)形式存在[18]，與其他分子形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)[19]；在生命體內(nèi)普遍存在水溶劑，為揭示在水汽環(huán)境下存儲和在生命體同補(bǔ)丙氨酸和二價鈷是否安全。結(jié)合文獻(xiàn)[5-12]的研究經(jīng)驗(yàn)，本工作研究了氣相下α-丙氨酸Co2+的旋光異構(gòu)機(jī)理、水分子(簇)的催化作用及水溶劑效應(yīng)。

1 研究與計(jì)算方法

采用處理過渡金屬和弱作用體系能量有較高精度的雜化泛函M06方法[20]，在SDD/6-311+G(d,p)基組(配體元素采用6-311+G(d,p)基組，考慮到相對論效應(yīng)，Co2+采用有效核勢贗勢基組SDD)水平優(yōu)化反應(yīng)過程中4重態(tài)(計(jì)算表明本研究體系在可能的自旋態(tài)2、4和6中，4重態(tài)最穩(wěn)定)勢能面上的駐點(diǎn)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)；通過對過渡態(tài)[21]的IRC(內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo))計(jì)算[22]和分析，確認(rèn)其可靠性。為計(jì)算出精確的反應(yīng)過程勢能面并考慮到計(jì)算成本，采用MN15[23]泛函，在SDD/6-311++G(2df,pd)基組下計(jì)算駐點(diǎn)的單點(diǎn)能。水溶劑效應(yīng)的構(gòu)象和單點(diǎn)能結(jié)合SMD[24]模型方法計(jì)算。駐點(diǎn)的總自由能是自由能熱校正和單點(diǎn)能之和，勢能曲線的零點(diǎn)為該曲線上各駐點(diǎn)的相對勢能零點(diǎn)。兩性S-型α-丙氨酸S-α-Ala_1與Co2+的配合物S-α-Ala_1·Co2+記作S-A·Co_1，其在b通道異構(gòu)得到的第2個無手性過渡態(tài)記作T2_1b，第2個R型中間體記作R-I2_1b，中性S-型α-丙氨酸S-A·Co_2在a通道異構(gòu)得到的S-A·Co_1記作S-A·Co_1_2a，a和b通道共用的第1個沒有手性的過渡態(tài)記作T1_1a(b)；4個H2O與S-A·Co_1的Co2+配位，同時2聚水與S-A·Co_1氫鍵作用得到的復(fù)合物記作S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2；水液相下的S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m記作S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m@W，其他體系表示法相似。計(jì)算工作采用Gaussian16程序[25]。

2 結(jié)果與討論

計(jì)算結(jié)果表明丙氨酸二價鈷螯合物存在兩種穩(wěn)定構(gòu)象，一是兩性Ala分子的羧基氧與Co2+雙齒配位，二是中性Ala分子的氨基氮和羧基氧與Co2+雙齒配位。優(yōu)化得到的兩對配合物手性對映體見圖1，計(jì)算結(jié)果表明，S-A·Co_1相對于S-A·Co_2的吉布斯自由能是-20.8 kJ·mol-1，前者更穩(wěn)定。首先討論S-A·Co_1和S-A·Co_2單分子的旋光異構(gòu)，然后討論水分子(簇)作用下它們的異構(gòu)。

圖1 Ala和Co2+配合物分子手性對映體的幾何構(gòu)型Fig.1 Geometric conformation of Ala and Co2+ complex molecule chiral enantiomer

2.1 單分子丙氨酸二價鈷的旋光異構(gòu)

2.1.1S-A·Co_1的旋光異構(gòu)

S-A·Co_1的旋光異構(gòu)反應(yīng)有2個通道a和b，反應(yīng)歷程及過渡態(tài)矢量見圖2，反應(yīng)的吉布斯自由能勢能剖面見圖3的_1線。

圖2 S-A·Co_1旋光異構(gòu)反應(yīng)的歷程(鍵長單位： 納米)Fig.2 Reaction process of S-A·Co_1 optical isomerism(Bond length unit： nm)

圖3 S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光異構(gòu)反應(yīng)的自由能勢能面Fig.3 The free energy potential surfaces of S-A·Co_1 and S-A·Co_2 optical isomerism

第1基元(公用的基元反應(yīng))。反應(yīng)物配合物S-A·Co_1，經(jīng)質(zhì)子遷移的過渡態(tài)T1_1a(b)，9H沿過渡態(tài)矢量的負(fù)向從1C遷移到羰基氧8O，構(gòu)型異構(gòu)，形成第一中間體配合物I1_1a(b)。從S-A·Co_1到T1_1a(b)過程，碳?xì)滏I斷裂，1C—9H鍵從0.109 8拉伸至0.159 6 nm；骨架形變，二面角2N—1C—10C—6C從121.8°增加到145.0°；6C—1C內(nèi)鍵旋轉(zhuǎn)，二面角7O—6C—1C—2N從2.5°變?yōu)?52.6°，這些變化使T1_1a(b)產(chǎn)生了271.7 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。從圖4可以看出，I1_1a(b)的構(gòu)象很穩(wěn)定，相對于S-A·Co_1的能量只有5.9 kJ·mol-1，原因是I1_1a(b)的骨架原子以及5H、9H和13H共面，形成了超共軛大π鍵。

接下來的反應(yīng)歷程分為a和b兩個分通道：

1) a通道專屬的反應(yīng)

第2基元。I1_1a(b)經(jīng)9H在紙面里從8O向1C遷移的過渡態(tài)T2_1a，構(gòu)型異構(gòu)，形成R-型產(chǎn)物配合物R-A·Co_1a，S-A_1實(shí)現(xiàn)了旋光異構(gòu)。從I1_1a(b)到T2_1a過程，8O—9H鍵從0.098 0拉伸至0.123 0 nm斷裂；6C—1C內(nèi)鍵旋轉(zhuǎn)，二面角7O—6C—1C—2N從0.0°變?yōu)?2.6°。這些變化使T2_1a產(chǎn)生了265.8 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

縱觀S-A·Co_1在a通道的駐點(diǎn)構(gòu)象和勢能面可以看出，S-A·Co_1手性對映體轉(zhuǎn)變的所有駐點(diǎn)構(gòu)象及各個駐點(diǎn)的能量關(guān)于I1_1a(b)對稱。

2) b通道專屬的反應(yīng)

第2基元。I1_1a(b)經(jīng)過渡態(tài)T2_1b，8H在紙面里沿過渡態(tài)矢量的正向從氨基N遷移到1C，構(gòu)型異構(gòu)，形成R-型中間體配合物R-I2_1b，S-A·Co_1在b通道實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I1_1a(b)到T2_1b過程，2N—4H鍵從0.103 4拉伸至0.137 3 nm斷裂，T2b_1產(chǎn)生了233.4 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第3基元。R-I2b_1經(jīng)1C—2N鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T3_1b，氨基俯視順時針旋轉(zhuǎn)，構(gòu)象異構(gòu)，形成中間體配合物R-I3_1b。從R-I2b_1到R-T3_1b過程，化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)，二面角5H—2N—1C—6C從-14.7°增加到-155.7°；5H和7O之間中等強(qiáng)度的氫鍵斷裂，這些變化使R-T3_1b產(chǎn)生了18.2 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第4基元。R-I3_1b經(jīng)6C—1C內(nèi)旋轉(zhuǎn)、1C—2N鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)、9H從8O向2N遷移協(xié)同進(jìn)行的過渡態(tài)R-T4_1b，6C—1C右視逆時針旋轉(zhuǎn)，1C—2N俯視逆時針旋轉(zhuǎn)，9H從8O遷移到2N，異構(gòu)成兩性丙氨酸與鈷的單齒配合物R-I4_1b。從R-I3_1b到R-T4_1b過程，6C—1C內(nèi)旋轉(zhuǎn)47.5°，1C—2N內(nèi)旋轉(zhuǎn)14.8°，化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量較小，R-T4_1b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是16.3 kJ·mol-1。IRC計(jì)算表明，R-T4_1b靠近反應(yīng)物R-I3_1b，是早期過渡態(tài)。

第5基元。R-I4_1b經(jīng)6C—7O—14Co鍵剪式運(yùn)動的過渡態(tài)R-T5_1b，構(gòu)象異構(gòu)，異構(gòu)成最穩(wěn)定的產(chǎn)物配合物R-A·Co_1b。結(jié)構(gòu)分析表明，R-A·Co_1b與S-A·Co_1鏡像對稱，至此S-A·Co_1在b通道實(shí)現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變。從R-I4_1b到R-T5_1b過程，6C—7O—14Co鍵角從145.8°縮小到114.9°，R-T5_1b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是13.7 kJ·mol-1。

2.1.2S-A·Co_2的旋光異構(gòu)

S-A·Co_2的旋光異構(gòu)反應(yīng)有2個通道a和b，反應(yīng)歷程及過渡態(tài)矢量見圖4，反應(yīng)的吉布斯自由能勢能剖面見圖3的_2線。

圖4 S-A·Co_2旋光異構(gòu)反應(yīng)的歷程(鍵長單位： 納米)Fig.4 Reaction process of S-A·Co_2 optical isomerism(Bond length unit： nanometer)

1) a通道

第1基元。S-A·Co_2經(jīng)7O—5C內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T1m_2a或S-T1n_2a，異構(gòu)成中間體S-I1_2a。從S-A·Co_2到S-T1m_2a，二面角8H—7O—5C—6O從0.9°增加到107.5°，7O—5C仰視逆時針旋轉(zhuǎn)106.6°，化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量不多，但此過程還需克服9H的空間位阻，使得S-T1m_2a產(chǎn)生了48.5 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。相似的S-T1n_2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是48.6 kJ·mol-1。

第2基元。S-I1_2a經(jīng)螯合環(huán)打開和5C—1C右視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)協(xié)同進(jìn)行的過渡態(tài)S-T2_2a，異構(gòu)成S-I2_2a。從S-I1_2a到S-T2_2a過程，14Co—2N斷裂，5C—1C旋轉(zhuǎn)33.1°，S-T2_2a產(chǎn)生了82.5 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第3基元。S-I2_2a經(jīng)5C—1C內(nèi)旋轉(zhuǎn)、2N—1C內(nèi)旋轉(zhuǎn)及8H從7O向2N遷移協(xié)同非同步進(jìn)行的過渡態(tài)S-T3_2a，異構(gòu)成S-I3_2a。從S-I2_2a到S-T3_2a過程，5C—1C右視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)，二面角7O—5C—1C—2N從106.3°變?yōu)?1.6°；2N—1C俯視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)，二面角3H—2N—1C—5C從-93.0°變?yōu)?113.2°，這些變化使S-T3_2a產(chǎn)生了11.1 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。IRC計(jì)算表明，S-T3_2a靠近反應(yīng)物S-I2_2a，是前期過渡態(tài)。

第4基元。相似于2.1.1節(jié)b通道的第5基元，S-I3_2a經(jīng)5C—6O—14Co鍵剪式運(yùn)動的過渡態(tài)S-T4_2a，異構(gòu)成兩性丙氨酸與鈷的配合物S-A·Co_1_2a，S-T4_2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是12.8 kJ·mol-1。

結(jié)構(gòu)分析表明，S-A·Co_1_2a與S-A·Co_1全同。S-A·Co_1_2a接下來的異構(gòu)亦即S-A·Co_1的異構(gòu)，見2.1.1節(jié)，不再贅述。

2) b通道

第1基元，S-A·Co_2經(jīng)過渡態(tài)S-T1_2b，8H從7O遷移到6O，異構(gòu)成第一中間體配合物S-I1_2b。從S-A·Co_2到S-T1_2b，7O—8H鍵長從0.099 1 nm拉伸至0.140 6 nm斷裂，S-T1_2b產(chǎn)生了242.7 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第2基元，S-I1_2b經(jīng)9H從1C向7O遷移的過渡態(tài)T2_2b，異構(gòu)成第二中間體配合物I2_2b。從S-I1_2b到T2_2b過程，1C-9H鍵長從0.110 0 nm拉伸至0.154 8 nm斷裂，骨架二面角2N—1C—10C—5C從124.1°增加到142.9°，5C—1C右視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)71.4°，14Co—2N和14Co—6O兩個配位鍵分別拉伸0.001 3和0.026 6 nm，這些變化需要較高的能量，T2_2b產(chǎn)生了264.1 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

接下來I2_2b的異構(gòu)分為b1和b2兩個路徑。

b1路徑專屬的基元反應(yīng)：

第3基元，I2_2b經(jīng)14Co在直面內(nèi)外翻轉(zhuǎn)(左視左右翻轉(zhuǎn))和2N—1C、10C—1C、7O—5O、6O—5O內(nèi)旋轉(zhuǎn)協(xié)同進(jìn)行的過渡態(tài)，異構(gòu)成與其鏡像對稱的中間體配合物I3_2b1。從I2_2b到T3_2b1過程，2N—1C俯視順時針、10C—1C左視逆時針、7O—5O仰視逆時針、6O—5O俯視順時針、5C—1C右視逆時針分別旋轉(zhuǎn)了55.1°、17.9°、10.1°、15.8°和6.8°，14Co從紙面內(nèi)翻轉(zhuǎn)到紙面上(結(jié)構(gòu)分析表明，T3_2b1的骨架原子及8H、9H、13H共面)，所有這些變化使S-T3_2b1產(chǎn)生了34.6 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第4基元，I3_2b1經(jīng)與T2_2b鏡像對稱的過渡態(tài)T4_2b1，9H在紙面里側(cè)從7O遷移到1C，異構(gòu)成中間體配合物R-I4_2b1，至此S-A·Co_2實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I3_2b1到T4_2b1，7O—9H鍵長從0.098 3 nm拉伸至0.138 4 nm斷裂，T4_2b1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是284.1 kJ·mol-1。此基元的能壘高于第2基元的能壘，主要原因是I3_2b1的7O—9C鍵的紅外伸縮振動頻率369 3.7 cm-1比S-I1_2b的1C—9H鍵的紅外伸縮振動頻率306 8.0 cm-1大，I3_2b1的7O—9C比S-I1_2b的1C—9H鍵的鈍化程度高。

第5基元，R-I4_2b1經(jīng)過與S-I1_2b鏡像對稱的過渡態(tài)R-T5_2b1，8H從6O回遷到7O，異構(gòu)成與S-A·Co_2鏡像對稱的產(chǎn)物配合物R-A·Co_2b1。至此，S-A·Co_2在b通道b1路徑實(shí)現(xiàn)了手性對映體轉(zhuǎn)變。從R-I4_2b1到R-T5_2b1過程，6O—8H鍵長從0.099 0 nm拉伸至0.130 8 nm斷裂，R-T5_2b1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是171.8 kJ·mol-1。此基元的能壘比第一基元的能壘小很多，原因有2個，一是此基元比第一基元O—H鍵的拉伸幅度小，二是此基元的質(zhì)子遷移是逆著偶極矩的方向，體系的電場力對質(zhì)子遷移做正功，可以減少外部給于的能量。

S-A·Co_2在b通道b1路徑旋光異構(gòu)反應(yīng)的駐點(diǎn)構(gòu)象和駐點(diǎn)的能量關(guān)于T3_2b1對稱！

b2路徑專屬的基元反應(yīng)：

第3基元。I2_2b經(jīng)11H在紙面內(nèi)側(cè)從5C向1C遷移的過渡態(tài)T3_2b2，異構(gòu)成第3中間體配合物R-I3_2b2。從I2_2b到T3_2b2過程，10C—11H鍵長從0.109 8 nm拉伸至0.145 5 nm斷裂，T3_2b2產(chǎn)生了187 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第4基元。R-I3_2b2經(jīng)9H從7O向10C遷移的過渡態(tài)R-T4_2b2，異構(gòu)成第4中間體配合物R-I4_2b2。從R-I3_2b2到R-T4_2b2過程，7O—9H鍵長從0.097 8 nm拉伸至0.125 4 nm斷裂，5C—1C右視順時針旋轉(zhuǎn)了28.3°。這些變化使R-T4_2b2產(chǎn)生了104.3 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。結(jié)構(gòu)分析表明，R-I4_2b2的構(gòu)象全同于R-I4_2b1，R-I4_2b2按著R-I4_2b1的異構(gòu)方式，異構(gòu)到R-A·Co_2b1，記作R-A·Co_2b1(b2)，不再贅述。

從圖3的_1線可以看出，S-A·Co_1旋光異構(gòu)的兩個通道具有相同的活化能(表觀能壘)271.7 kJ·mol-1，來自于共同的第一過渡態(tài)T1_1a(b)。b通道的第2勢壘比a通道的第2勢壘低，b通道比a通道的旋光異構(gòu)反應(yīng)具有優(yōu)勢。從圖3的_2線可以看出，S-A·Co_2在a通道上異構(gòu)到S-A·Co_1后，再按S-A·Co_1的異構(gòu)路徑異構(gòu)反應(yīng)通道具有優(yōu)勢，活化能(表觀能壘)是271.7-20.8=250.9 kJ·mol-1，來自于過渡態(tài)T1_1a(b)。綜合_1和_2線可以看出，S-A·Co_1比S-A·Co_2穩(wěn)定性好，S-A·Co_2向S-A·Co_1異構(gòu)到活化能是112.4 kJ·mol-1，來自于螯合環(huán)打開的過渡態(tài)S-T2_2a。112.4 kJ·mol-1高于溫和反應(yīng)能壘80.0 kJ·mol-1[26]許多，說明，S-A·Co_2只能很緩慢地向S-A·Co_1異構(gòu)。

2.2 水分子(簇)作用下S-A·Co的旋光異構(gòu)及水溶劑效應(yīng)

水汽環(huán)境下，首先水分子與Co配位，水分子簇作H遷移媒介時可以顯著地改變反應(yīng)能壘。從前面的討論可知，S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光異構(gòu)反應(yīng)優(yōu)勢通道的活化能(表觀能壘)均來自于過渡態(tài)T1_1a(b)，b通道的第2勢壘由H遷移過渡態(tài)T2b_1產(chǎn)生。因此，為說明水分子(簇)作用下S-A·Co旋光異構(gòu)的能壘情況以及a和b通道哪個更具有優(yōu)勢，本節(jié)討論水分子(簇)作用下S-A·Co_1在a通道的旋光異構(gòu)以及b通道的第二基元反應(yīng)。

1)S-A·Co_1在a通道的旋光異構(gòu)

水汽環(huán)境下水分子多以水簇的形式存在，水分子(簇)與14Co形成配位鍵，同時水分子簇與S-A·Co_1的氫、氧和氮等氫鍵作用。計(jì)算表明，水簇與14Co配位和單個水分子與14Co配位對反應(yīng)能壘影響很小，2聚水和3聚水做質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介是質(zhì)子轉(zhuǎn)移的能壘相差很小。為使問題簡便，只討論單個水分子與14Co配位，2聚水做質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介的情況。Co2+最多是6配位，在S-A·Co_1中Co2+已與羰基的2個O配位，再有4個水分子與14Co配位，14Co便達(dá)到“滿配”。如此得到的反應(yīng)物復(fù)合物是S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m(m表示(H2O)2在紙面前與S-A·Co_1氫鍵作用)。水汽相及水液相下S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m旋光異構(gòu)反應(yīng)歷程及過渡態(tài)矢量分別見圖5和圖6，反應(yīng)的自由能勢能面見圖7(第100頁)，@W曲線表示水溶劑效應(yīng)下反應(yīng)的自由能勢能面。

圖5 水分子(簇)作用下S-A·Co_1旋光異構(gòu)的主要?dú)v程Fig.5 The main reaction process of S-A·Co_1 optical isomerism with the effect of water molecules(clusters)

圖6 顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Co_1旋光異構(gòu)的主要?dú)v程Fig.6 The main reaction process of S-A·Co_1 optical isomerism under dominant water solvent effect

第1基元，S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m經(jīng)3質(zhì)子協(xié)同遷移的過渡態(tài)T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從1C向8O的凈遷移，異構(gòu)成中間體I1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m。從S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m到T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m過程，1C—9H、27O—29H和30O—32H鍵長從0.109 5、0.100 4和0.099 7 nm分別拉伸至0.143 7、0.143 8和0.109 6 nm 斷裂；骨架二面角2N—1C—10C—6C從120.0°變?yōu)?22.8°。這些變化使T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m產(chǎn)生了150.1 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。此能壘遠(yuǎn)低于T1_1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘271.7 kJ·mol-1，說明水分子(簇)對此基元反應(yīng)起了極好的催化作用。原因是T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m的氫鍵角1C—9H—27O、27O—29H—30O和30O—32H—8O分別是165.7°、159.1°和158.1°，3個氫鍵較強(qiáng)，八元環(huán)結(jié)構(gòu)過渡態(tài)T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m的穩(wěn)定性較好。

圖7 水分子(簇)及水溶劑作用下S-A·Co_1旋光異構(gòu)主要?dú)v程的自由能勢能面Fig.7 Potential energy surface of free energy of S-A·Co_1 optical isomerism in main reaction process with the effect of water molecules(clusters) and wate solvent

水溶劑效應(yīng)計(jì)算表明，水液相下T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是119.5 kJ·mol-1。與水汽相下T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘150.1 kJ·mol-1相比明顯降低，水溶劑起了催化作用。原因有2個，一是T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m的偶極矩(4.01 D)比S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m的偶極矩(1.13 D)大很多，極性水溶劑的作用使T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m變得相對穩(wěn)定；二是水溶劑的作用使S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m_W比S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m的α-C—H鍵長增加(從0.109 5 nm增加到0.109 6 nm，見圖5和圖6)，紅外振動頻率降低(從3 132.6 cm-1降到3 009.8 cm-1)，α-C—H鍵被活化。

第2基元，中間體反應(yīng)物I1_1a←4H2O·(H2O)2n(n表示(H2O)2在I2_1a(b)的后面)經(jīng)過渡態(tài)T2_1a←4H2O·(H2O)2n，質(zhì)子在紙面里從8O向1C凈遷移，異構(gòu)成R-型產(chǎn)物R-A·Co_1a←4H2O·(H2O)2n，S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I1_1a←4H2O·(H2O)2n到T2_1a←4H2O·(H2O)2n過程，8O—9H、30O—31H和27O—29H鍵長從0.102 9、0.099 6和0.098 0 nm分別拉伸至0.133 0、0.105 7和0.119 0 nm斷裂，3個化學(xué)鍵的拉伸斷裂需要一定的能量。但由于T2_1a←4H2O·(H2O)2n的氫鍵角8O—9H—30O、30O—31H—27O和27O—29H—1C分別是158.1°、159.1°和165.7°，3個氫鍵較強(qiáng)，八元環(huán)結(jié)構(gòu)的過渡態(tài)T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m較穩(wěn)定；從I1_1a←4H2O·(H2O)2n到T2_1a←4H2O·(H2O)2n過程，骨架二面角2N—1C—6C—10C從176.9°變?yōu)?31.6°，1C從sp2雜化向sp3雜化過渡，體系要釋放些能量。T2_1a←4H2O·(H2O)2n產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘不是很高，能壘值是39.6 kJ·mol-1。這遠(yuǎn)低于前面T2_1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘，說明水分子(簇)對此基元反應(yīng)起了極好的催化作用。

水溶劑化效應(yīng)計(jì)算表明，水液相下T2_1a←4H2O·(H2O)2n產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是24.2 kJ·mol-1。與水汽相下T2_1a←4H2O·(H2O)2n產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘39.6 kJ·mol-1相比較明顯降低，水溶劑起了催化作用。原因是相似于第1基元的情形，不再贅述。

2)S-A·Co_1在b通道的第二基元反應(yīng)

考慮到T2_1b和R-I2_1b是Co與羧基O是1配位以及Co2+最多是6配位，T2_1b的Co再與5個水分子與配位，Co達(dá)到“滿配”，再考2聚水做H遷移媒介，如此得到的中間體反應(yīng)物復(fù)合物應(yīng)是I1_1b←5H2O·(H2O)2n。I1_1b←5H2O·(H2O)2n的異構(gòu)歷程及過渡態(tài)矢量，見圖5的第3行，反應(yīng)的自由能勢能面，見圖6的b線，@W曲線表示水溶劑效應(yīng)下反應(yīng)的自由能勢能面。

I1_1b←5H2O·(H2O)2n經(jīng)過渡態(tài)T2_1b←5H2O·(H2O)2n，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子在紙面里從2N向1C的凈遷移，異構(gòu)成R-型中間體產(chǎn)物R-I2_1b←5H2O·(H2O)2n，S-A·Co_1在b通道實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)。從I1_1b←5H2O·(H2O)2n到T2_1b←5H2O·(H2O)2n過程，2N—4H、34O—33H和31O—30H鍵長從0.105 1、0.099 2和0.098 0 nm分別拉伸至0.118 1、0.125 1和0.146 8 nm斷裂，T2_1b←5H2O·(H2O)2n產(chǎn)生的能壘是103.0 kJ·mol-1。這遠(yuǎn)低于前面T2_1b產(chǎn)生的能壘，說明水分子(簇)對此基元反應(yīng)起了極好的催化作用，原因相似于前面討論的水汽環(huán)境下S-A·Co_1在a通道的第二基元反應(yīng)，不再贅述。

水溶劑效應(yīng)計(jì)算表明，水液相下T2_1b←5H2O·(H2O)2n產(chǎn)生能壘是67.9 kJ·mol-1。比水汽相T2_1b←5H2O·(H2O)2n產(chǎn)生的能壘103.0 kJ·mol-1明顯降低，水溶劑起了顯著的催化作用。原因之一是T2_1b←5H2O·(H2O)2n的偶極矩(20.50 D)比I1_1b←5H2O·(H2O)2n的偶極矩(4.36 D)大，水溶劑的作用使T2_1b←5H2O·(H2O)2n變得相對穩(wěn)定；二是從I1_1b←5H2O·(H2O)2n_W到T2_1b←5H2O·(H2O)2n_W比從I1_1b←5H2O·(H2O)2n到T2_1b←5H2O·(H2O)2n對應(yīng)的化學(xué)鍵拉伸顯著變小。

從圖7可以看出，水分子(簇)作用下S-A·Co_1旋光異構(gòu)反應(yīng)的活化能(氣相的表觀能壘)是150.1 kJ·mol-1；考慮到第2基元反應(yīng)，a通道比b通道略具優(yōu)勢。結(jié)合圖4可以看出，水分子(簇)作用下S-A·Co_2旋光異構(gòu)反應(yīng)優(yōu)勢通道的活化能是129.3 kJ·mol-1(150.1-20.8=129.3 kJ·mol-1)。129.3 kJ·mol-1高于溫和反應(yīng)能壘80.0 kJ·mol-1[26]許多，說明水汽環(huán)境下S-A·Co_2消旋很緩慢。150.1 kJ·mol-1接近極限反應(yīng)能壘160.0 kJ·mol-1[26]，說明水汽環(huán)境下S-A·Co_1只能痕量或微量地消旋。從圖7的@W曲線，結(jié)合水液相下反應(yīng)的活化能是決速步的內(nèi)稟能壘可以看出，水液相下S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光異構(gòu)反應(yīng)的活化能都是119.5 kJ·mol-1。119.5 kJ·mol-1在溫和反應(yīng)能壘80.0 kJ·mol-1[26]和極限反應(yīng)能壘160.0 kJ·mol-1[26]之間，說明水液相下S-A·Co2+消旋可以緩慢進(jìn)行。

3 結(jié) 論

在MN15/SDD/6-311++G(2df,pd)//M06/SDD/6-311+G(d,p)雙水平，研究了Co2+與兩性及中性α-Ala配合物的旋光異構(gòu)及水分子(簇)的作用，得到如下結(jié)論：

1)S-A·Co_1旋光異構(gòu)反應(yīng)的活化能是271.7 kJ·mol-1，S-α-Ala_2·Co2+旋光異構(gòu)反應(yīng)的活化能是250.9 kJ·mol-1，均來自于S-A·Co_1的α-H從手性C向氨基N遷移的過渡態(tài)。

2) 水分子(簇)的催化使S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光異構(gòu)反應(yīng)的活化能分別降到150.1和129.3 kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光異構(gòu)反應(yīng)的活化能降到119.5 kJ·mol-1。

3)S-A·Co_2可以緩慢地向S-A·Co_1異構(gòu)，S-A·Co_1比S-A·Co_2的穩(wěn)定性好，分布高。

結(jié)果表明： 氣相丙氨酸二價鈷不能消旋，水汽環(huán)境下只能微量或痕量地消旋，水液相下只能少量地消旋，用于生命體同補(bǔ)丙氨酸和二價鈷比較安全。