孫士紅,陳鳳清,高浩溟,王亞玲,姜春旭,王佐成

(1.白城醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,吉林 白城 137000;2.白城師范學(xué)院理論計算中心,吉林白城 137000;3.解放軍第三二一醫(yī)院 眼科,吉林 白城 137000;4.白城醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校信息化學(xué)院,吉林白城 137000)

脯氨酸(Proline,Pro)是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分,按構(gòu)型分為S-Pro和R-Pro,按旋光作用分為L-Pro(左旋體)和D-Pro(右旋體)。在生命體內(nèi)L-Pro具有活性,可合成膠原蛋白,促進軟骨修復(fù),可以起到治療骨關(guān)節(jié)炎、減輕持續(xù)性軟組織疼痛和慢性背痛等作用[1]。

銅(Cu)是人體健康不可缺少的微量營養(yǎng)素,氨基酸銅配合物具有抑制細菌生長、增強造血功能、清除超氧自由基(O2-)的功效,可作為防治癌癥、輻射病、免疫性疾病和心血管疾病等的藥物[2]。生命體內(nèi)的銅是二價態(tài),Cu2+氨基酸配合物的形成可促進銅輸送到血清蛋白中[3]。Cu2+氨基酸配合物已部分用于臨床,為生命體同補氨基酸和金屬元素以及用于癌癥等疾病的治療[4]。

Pro的手性使其金屬配合物也具有手性,手性分子的不同對映異構(gòu)體在代謝過程、活性及毒性等方面多數(shù)存在差異,往往是一個有效,而另一個有負作用[5-6]。藥物分子的優(yōu)構(gòu)體是否會轉(zhuǎn)化成劣構(gòu)體以及轉(zhuǎn)化的速率,會嚴重影響到優(yōu)構(gòu)體的療效及人們的健康。L-脯氨酸二價銅手性反轉(zhuǎn)的研究,對安全利用脯氨酸銅為生命體補充脯氨酸和二價銅離子具有重要意義。

對脯氨酸鈣手性反轉(zhuǎn)的理論研究已經(jīng)開展,文獻[7-8]的研究表明,氣相脯氨酸鈣難以消旋,水分子簇對其消旋反應(yīng)有催化作用,水溶劑環(huán)境下脯氨酸鈣只能很少量地消旋。已有研究[9]表明水分子(簇)對α-丙氨酸金屬配合物的旋光異構(gòu)有較好的催化作用。生命體無處不存在水環(huán)境,結(jié)合銅的重要作用及以往的相關(guān)研究[7-9]經(jīng)驗,本工作對水液相下Pro·Cu2+配合物的手性反轉(zhuǎn)反應(yīng)進行了理論研究。

1 計算方法及模型選取

2 結(jié)果與討論

計算表明,水液相下兩性、中性具有分子內(nèi)單氫鍵(羧基是反式結(jié)構(gòu))和中性沒有分子內(nèi)單氫鍵(羧基是順式結(jié)構(gòu))的Pro·Cu2+的相對能量分別是0.0、14.9和44.6 kJ·mol-1。兩性Pro·Cu2+構(gòu)象最穩(wěn)定,其手性對映體見圖1。

圖1 水液相下Pro·Cu2+手性對映體的幾何構(gòu)型Fig.1 Geometric conformation of Pro·Cu2+chiral enantiomer in water-liquid phase

研究發(fā)現(xiàn),S-Pro·Cu(Ⅱ)的對映異構(gòu)由H質(zhì)子(或H負離子)遷移以及二面角異構(gòu)過程實現(xiàn)?？傮w分為兩種情況:一是氨基H遷移到羰基O后,α-H再以氨基N、羰基O和Cu為橋遷移,命名為a、b和c通道;二是α-H直接向羰基O遷移,命名為d和e通道。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[18-19];二聚水和三聚水做質(zhì)子轉(zhuǎn)移媒介時質(zhì)子轉(zhuǎn)移的能壘相差很小[20-22];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[23];水分子與金屬的配位對非氫遷移過程的能壘影響較小,對氫遷移過程的能壘影響可能較大[7-8]。因此,只對氫遷移過程討論水分子的配位作用,對非氫遷移過程不考慮水分子與金屬配位。水分子與氨基酸金屬配合物中金屬的作用是動態(tài)配位鍵,金屬滿配的配合物分布并不占優(yōu)勢[24]。計算表明,Pro·Cu2+的Cu2+與1個H2O配位時的配合物分布最高,因此,本工作只考察1個H2O與Pro·Cu2+的Cu2+配位。下文對S-Pro·Cu2+在a、b、c、d和e通道的對映異構(gòu)分別進行討論。

2.1 S-Pro·Cu2+在a、b和c通道的對映異構(gòu)

2.1.1 a、b和c通道公用的基元反應(yīng)

S-Pro·Cu2+在a、b和c通道對映異構(gòu)公用的反應(yīng)歷程見圖2(見第 474頁),反應(yīng)過程中各物種的相對吉布斯自由能面見圖3(見第 474頁)。

圖2 S-Pro·Cu2+在a、b和c通道手性反轉(zhuǎn)過程中公用的第1、2和3基元反應(yīng)Fig.2 The common 1st,2nd and 3rd elementary reactions of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channels a,b,c

圖3 S-Pro·Cu2+在a和b通道手性反轉(zhuǎn)反應(yīng)的自由能剖面(前3基元為a、b和c通道公用)Fig.3 The free energy surface of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channels a and b(the first three elements are common to channels a,b and c)

第1基元反應(yīng),水分子做媒介,氨基的H9向羰基氧O8遷移。計算表明,由于氨基與羰基間的空間較小,此H遷移過程是1個H2O比2個H2O做媒介的能壘小,只討論1個H2O分子做媒介的情況。

第2基元反應(yīng),羧羥基旋轉(zhuǎn)。S-I1a(b,c)經(jīng)O8—H6俯視順時針旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T2a(b,c),H9從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè),異構(gòu)成第2中間體S-I2a(b,c)。從S-I1a(b,c)到S-T2a(b,c),二面角H9—O8—C6—O7從0.6°增加到88.8°,C6—C1右視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)15.2°,S-T2a(b,c)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是66.2 kJ·mol-1。

第3基元反應(yīng),亞氨基H在紙面內(nèi)翻轉(zhuǎn)。S-I2a(b,c)經(jīng)過渡態(tài)S-T3a(b,c),H10從外側(cè)翻轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè),異構(gòu)成第3中間體S-I3a(b,c)。從S-I2a(b,c)到S-T3a(b,c)過程,二面角H10—N2—C3—C1從-121.1°變?yōu)?172.3°,二面角異構(gòu)所需能量很少,S-T3a(b,c)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是8.6 kJ·mol-1。

2.1.2 a通道專屬的反應(yīng)

a通道專屬的反應(yīng)歷程見圖4,反應(yīng)過程的吉布斯自由能面見圖3。

圖4 S-Pro·Cu2+在a通道手性反轉(zhuǎn)的專屬反應(yīng)歷程Fig.4 Exclusive reaction course of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channel a

第4基元反應(yīng),二聚水做H遷移媒介,S-I3a(b,c)的α-H向N遷移。二聚水與S-I3a(b,c)←H2O的H11和N2氫鍵作用形成的絡(luò)合物S-I3←H2O·(H2O)2ma(N2—H23和O25—H11的成鍵臨界點電荷密度的拉普拉斯值?2ρ均為正值),經(jīng)水分子間氫鍵斷裂、質(zhì)子遷移和骨架形變協(xié)同進行的過渡態(tài)T4←H2O·(H2O)2ma,實現(xiàn)了質(zhì)子從C1向N2的凈遷移,異構(gòu)成中間體I4←H2O·(H2O)2ma。從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma過程,C1—H11從0.110 2 nm拉伸至0.126 8 nm,BCP電荷密度ρ從0.276 8 a.u.減小到0.186 1 a.u.,?2ρ始終為負值,C1—H11的共價鍵變?nèi)?O25—H26從0.098 1 nm拉伸至0.168 3 nm,BCP電荷密度ρ從0.337 5 a.u.減小到0.047 1 a.u.,?2ρ從負值變?yōu)檎?O25—H26共價鍵斷裂變?yōu)闅滏I;O22—H23從0.098 9 nm拉伸至0.182 8 nm,BCP電荷密度(ρ)從0.327 5 a.u.減小到0.035 0 a.u.,?2ρ從負值變?yōu)檎?O22—H23共價鍵斷裂變?yōu)闅滏I;C1—H11—O25—H26—O22—H23—N2的RCP電荷密度ρ從0.004 4增加到0.007 6 a.u.,?2ρ為正值,七元環(huán)的π鍵作用顯著增強,T4←H2O·(H2O)2ma是環(huán)形過渡態(tài)。骨架二面角N2—C1—C5—C6從126.8°變?yōu)?30.3°。這些變化使T4←H2O·(H2O)2ma產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是100.1 kJ·mol-1。IRC計算表明T4←H2O·(H2O)2ma是后過渡態(tài)。勢能面計算表明,I4←H2O·(H2O)2ma較S-I3←H2O·(H2O)2ma穩(wěn)定,原因是I4←H2O的骨架原子共面程度很好,形成了共軛大π鍵。

第5基元反應(yīng),I4a經(jīng)亞甲基H14—C4—H15在紙面里外反轉(zhuǎn)(左視圖是左右翻轉(zhuǎn))的過渡態(tài)T5a,異構(gòu)成I5a。結(jié)構(gòu)分析表明此基元完成了I4a的對映異構(gòu)(I5a和I4a鏡像對稱)。從I4a到T5a,二面角N2—C3—C4—C5從37.7°變?yōu)?.0°,T5a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是13.4 kJ·mol-1。

第6基元反應(yīng),二聚水與I5a←H2O通過氫鍵和π氫鍵作用形成的絡(luò)合物I5←H2O·(H2O)2na,經(jīng)過渡態(tài)T6←H2O·(H2O)2na,實現(xiàn)了質(zhì)子從N2向C1的凈遷移,異構(gòu)成R-型中間體R-I6←H2O·(H2O)2na,S-Pro·Cu2+在a通道實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。從I5←H2O·(H2O)2na到T6←H2O·(H2O)2na,N2—H10從0.106 0 nm拉伸至0.104 3 nm,BCP電荷密度ρ從0.297 7 a.u.微增到0.315 3 a.u.,?2ρ始終為負值,N2—H10的共價鍵稍有增強;O22—H24從0.098 3 nm拉伸至0.100 1 nm,BCP電荷密度ρ從0.333 5 a.u.減小到0.314 1 a.u.,?2ρ始終為負值,O22—H24的共價鍵減弱;O25—H26從0.096 7 nm拉伸至0.136 9 nm,BCP電荷密度從0.352 6 a.u.減小到0.115 0 a.u.,?2ρ從負變?yōu)檎?O25—H26共價鍵斷裂變?yōu)闅滏I作用;N2—C10—O22—H24—O25—H26—C1的RCP電荷密度從0.004 1增加到0.007 6 a.u.,?2ρ始終為正值,七元環(huán)的π鍵作用顯著增強,T6←H2O·(H2O)2na是環(huán)形過渡態(tài),T6←H2O·(H2O)2na產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是121.4 kJ·mol-1。T6←H2O·(H2O)2na比T4←H2O·(H2O)2ma產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘高出20%,主要原因之一是I5←H2O·(H2O)2na的O25—H26的紅外振動頻率(3 926.3 cm-1)大于S-I3←H2O·(H2O)2ma的C1—H11的紅外振動頻率(3 034.1 cm-1),從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma過程,C1—H11是共價鍵變?nèi)?并未斷裂),而從I5←H2O·(H2O)2na到T6←H2O·(H2O)2na是O25—H26共價鍵斷裂;二是I5←H2O比S-I3←H2O的骨架共面程度高,形成了相對穩(wěn)定的大π鍵,體系I5←H2O·(H2O)2na比S-I3←H2O·(H2O)2ma穩(wěn)定,而它們面對的過渡態(tài)具有相同的能量。

第7基元反應(yīng),此基元與第3基元對稱。R-I6a經(jīng)過渡態(tài)R-T7a,H11從外側(cè)翻轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè),異構(gòu)成第7中間體R-I7a。從R-I6a到R-T7a過程,二面角H11—N2—C3—C1從-125.12°變?yōu)?179.1°,R-T7a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是7.8 kJ·mol-1。

第8基元反應(yīng),此基元與第2基元對稱。R-I7a經(jīng)O8—H9俯視順時針旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T8a,H9從羧基內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)到外側(cè),異構(gòu)成第8中間體R-I8a。從R-I7a到R-T8a過程,二面角H9—O8—C6—O7從-0.6°變?yōu)?88.8°,O8—C6俯視順時針旋轉(zhuǎn)88.2°,同時C6—C1右視逆時針旋轉(zhuǎn)10.5°,R-T8a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是37.3 kJ·mol-1。此基元反應(yīng)的能壘小于第2基元,原因是此基元反應(yīng)的H9逆著體系的偶極矩矢量運動,體系的電場力做正功。

第9基元反應(yīng),此基元與第1基元對稱。R-I8←H2O·H2Oa過渡態(tài)R-T9←H2O·H2Oa,實現(xiàn)了H質(zhì)子從羰基向氨基的凈遷移,異構(gòu)成產(chǎn)物R-Pro·Au(Ⅱ)←H2O·H2Oa。結(jié)構(gòu)分析表明,至此S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·H2Oa(b,c),在a通道實現(xiàn)了對映異構(gòu),亦即S-Pro·Cu(Ⅱ)實現(xiàn)了對映異構(gòu)。從R-I8←H2O·H2Oa到R-T9←H2O·H2Oa過程,O8—H9鍵從0.099 6 nm拉伸至0.122 9 nm,關(guān)鍵點的?2ρ＜0,共價鍵減弱;O22—H23鍵從0.099 1 nm拉伸至0.104 5 nm,關(guān)鍵點的?2ρ＜0,共價鍵減弱;C1—N2—H23—O22—H9—8O—C1的RCP電荷密度顯著增加,且?2ρ＞0,R-T9←H2O·H2Oa為較穩(wěn)定的七元環(huán)過渡態(tài),R-T9←H2O·H2Oa產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是8.1 kJ·mol-1。該能壘遠小于第1基元的能壘,原因是從S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·H2Oa(b,c)到S-T1←H2O·H2Oa(b,c),N2—H9共價鍵被拉伸斷裂。

2.1.3 b通道專屬的反應(yīng)

b通道的主要反應(yīng)過程是,經(jīng)過第4和第5兩個基元反應(yīng)實現(xiàn)了質(zhì)子從α-C向羰基氧O7的遷移,經(jīng)過第7和第8兩個基元反應(yīng)實現(xiàn)了質(zhì)子在紙面里從羰基氧O7向α-C的遷移,給予詳細討論。b通道專屬的反應(yīng)歷程見圖5,反應(yīng)過程的吉布斯自由能面見圖3。

圖5 S-Pro·Cu2+在b通道手性反轉(zhuǎn)的專屬反應(yīng)歷程(鍵長單位:納米)Fig.5 Exclusive reaction course of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channel b (distances:nm)

第4基元反應(yīng),2聚水抽取α-H,形成具有雙水合質(zhì)子的中間體絡(luò)合物。2聚水與S-I3a(b,c)←H2O的H11和O7氫鍵作用形成的中間體S-I3←H2O·(H2O)2mb,經(jīng)過渡態(tài)T4←H2O·(H2O)2mb,實現(xiàn)了質(zhì)子從C1向O22的遷移,異構(gòu)成中間體I4←H2O·(H2O)2mb。從S-I3←H2O·(H2O)2mb到T4←H2O·(H2O)2mb,C1—H11從0.109 9 nm拉伸至0.127 7 nm,BCP電荷密度從0.278 1 a.u.減小到0.173 4 a.u.,?2ρ始終為負值,C1—H11的共價鍵變?nèi)?C1—H11—O22—H24—O25—H27—O7—C6的RCP電荷密度從0.004 7增加到0.003 9 a.u.,?2ρ為正值,T4←H2O·(H2O)2ma的七元環(huán)π鍵作用較強,過渡態(tài)成環(huán)形。骨架二面角N2—C1—C5—C6從123.9°變?yōu)?37.7°,這些變化使T4←H2O·(H2O)2mb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是41.4 kJ·mol-1。該能壘小于從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma的能壘,主要原因是從S-I3←H2O·(H2O)2mb到T4←H2O·(H2O)2mb只是1個共價鍵變?nèi)?而從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma是1個共價鍵變?nèi)酢?個共價鍵斷裂。

第5基元反應(yīng),I4←H2O·(H2O)2mb經(jīng)過渡態(tài)T5←H2O·(H2O)2mb,實現(xiàn)了雙質(zhì)子從O22向O25和O25向O7的遷移,異構(gòu)成中間體I5←H2O·(H2O)2mb。從I4←H2O·(H2O)2mb到T5←H2O·(H2O)2mb,O22—H24從0.127 1 nm拉伸斷裂,O25—H27從0.099 2 nm變?yōu)?.145 2 nm,BCP電荷密度ρ從0.320 5變?yōu)?.116 3 a.u.,?2ρ始終為負值,共價鍵變?nèi)?C1—H11—O22—H24—O25—H27—O7—C6的RCP電荷密度從0.003 8變?yōu)?.003 5 a.u.,?2ρ始終為正值,七元環(huán)π鍵作用改變較小;二面角N2—C1—C5—C6從123.9°變?yōu)?37.7°,T5←H2O·(H2O)2mb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是136.2 kJ·mol-1。

第6基元,此基元相似于a通道第5基元反應(yīng),I5b經(jīng)甲基H14—C4—H15翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)T6b,異構(gòu)成中間體I6b。此基元完成了I5b的對映異構(gòu),T6b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是4.8 kJ·mol-1。

第7基元,該基元是第5基元的逆反應(yīng)。2聚水在紙面里與I6←H2O氫鍵作用形成的I6←H2O·(H2O)2nb,經(jīng)過渡態(tài)T7←H2O·(H2O)2nb,異構(gòu)成I7←H2O·(H2O)2nb。從I6←H2O·(H2O)2nb到T7←H2O·(H2O)2nb過程,O7—H11從0.103 0 nm拉伸至0.121 5 nm,BCP電荷密度ρ及?2ρ的計算表明,此過程是O7—H11共價鍵減弱,T7←H2O·(H2O)2nb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是54.2 kJ·mol-1。

獲取的兩組神經(jīng)組織行20 μm橫斷切片，于明場顯微鏡將視野定位在切片上的神經(jīng)組織，切換激光光源，激發(fā)波長為532 nm，暴露時間為50 s，累加50次，激光能量為50%，掃描范圍為100 cm-1～4 000 cm-1。以同樣的方法對實驗組股神經(jīng)皮支和肌支經(jīng)去細胞神經(jīng)處理后行20 μm橫斷切片，于拉曼光譜儀下觀察并記錄各組神經(jīng)組織的拉曼光譜。

第8基元,該基元是第4基元的逆反應(yīng)。I7←H2O·(H2O)2nb經(jīng)過渡態(tài)T8←H2O·(H2O)2nb,異構(gòu)成R-型中間體R-I8←H2O·(H2O)2nb,至此S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·H2Oa(b,c)在b通道實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。從I7←H2O·(H2O)2nb到T8←H2O·(H2O)2nb過程,O25—H26從0.114 4 nm拉伸至0.172 6 nm,O22—H24從0.097 1 nm拉伸至0.138 6 nm,電荷密度ρ及?2ρ的計算表明,此過程共價鍵O25—H26和O22—H24均被拉伸斷裂。T8←H2O·(H2O)2nb產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是92.6 kJ·mol-1。

R-I8←H2O·(H2O)2nb脫去2聚水得到的R-I8b同于R-I6a,接下來的異構(gòu)過程同于R-I6a的異構(gòu),最后得到S-Pro·Cu(Ⅱ)的手性對映體,見a通道的7、8、9基元。

從圖3(見第 474頁)可以看出,S-Pro·Cu(Ⅱ)在a通道實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變的決速步是第6基元反應(yīng),能壘是121.4 kJ·mol-1。從前面的討論可知,該能壘來自于質(zhì)子從氨基N向α-C遷移的過渡態(tài)。該能壘在溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ·mol-1和極限反應(yīng)能壘160.7 kJ·mol-1[25]之間,S-Pro·Cu2+在該通道只能微量地消旋。

從圖3還可看出,S-Pro·Cu2+←H2O·H2O在b通道實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變的決速步是第5基元反應(yīng),能壘是136.2 kJ·mol-1。該能壘高于溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ·mol-1[25]很多,距離極限反應(yīng)能壘160.7 kJ·mol-1[25]近些,S-Pro·Cu2+在該通道只能痕量地消旋。從前面的討論可知,該能壘來自于雙水合質(zhì)子中間體I4←H2O·(H2O)2mb的質(zhì)子向羰基氧遷移的過渡態(tài)。

2.1.4 c通道專屬的反應(yīng)

c通道的主要反應(yīng)過程是,經(jīng)過第5和第6兩個基元反應(yīng)實現(xiàn)了質(zhì)子從α-C向Cu18的遷移,經(jīng)過第9和第10兩個基元反應(yīng)實現(xiàn)了質(zhì)子在紙面里從Cu18向α-C的遷移,給予詳細討論。c通道專屬的反應(yīng)歷程見圖6,反應(yīng)過程的吉布斯自由能面見圖7。

圖6 S-Pro·Cu2+在c通道手性反轉(zhuǎn)反應(yīng)的專屬歷程(鍵長單位:納米)Fig.6 Exclusive reaction course of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channel c (distances:nm)

圖7 S-Pro·Cu2+在c通道手性反轉(zhuǎn)專屬反應(yīng)的自由能剖面Fig.7 The free energy surface of S-Pro·Cu2+chiral inversion exclusive reaction in channel c

第4基元,S-I3a(b,c)經(jīng)Cu18在羧基內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)S-T4c,Cu18從羧基內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)到外側(cè),異構(gòu)成S-I4c。從S-I3a(b,c)到S-T4c只是鍵角改變所需能量很少,S-T4c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是43.5 kJ·mol-1。

第5基元,二聚水抽取α-H,形成具有雙水合質(zhì)子的中間體絡(luò)合物。2聚水與S-I4c←H2O的H11和Cu18通過氫鍵和配位鍵作用形成的絡(luò)合物S-I4←H2O·(H2O)2c,經(jīng)過渡態(tài)T5←H2O·(H2O)2c,實現(xiàn)了質(zhì)子從C1向O22的遷移,異構(gòu)成中間體I5←H2O·(H2O)2c。從S-I4←H2O·(H2O)2c到T5←H2O·(H2O)2c,C1—H11從0.109 9 nm拉伸至0.127 3 nm,BCP電荷密度ρ從0.278 0 a.u.減小到0.174 9 a.u.,?2ρ始終為負值,C1—H11的共價鍵變?nèi)?C1—H11—O22—H24—O25—H27—Cu18的RCP電荷密度(ρ)從0.004 8變?yōu)?.003 7 a.u.,?2ρ為正值,T5←H2O·(H2O)2c的七元環(huán)π鍵作用較強,過渡態(tài)成環(huán)形;骨架二面角N2—C1—C5—C6從123.8°變?yōu)?36.6°,這些變化使T5←H2O·(H2O)2c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是80.0 kJ·mol-1。IRC計算表明T5←H2O·(H2O)2c是前過渡態(tài)。

第6基元,I5←H2O·(H2O)2c經(jīng)過渡態(tài)T6←H2O·(H2O)2c,實現(xiàn)了H負離子H27(NBO電荷的自旋密度計算表明是H負離子遷移)從O25向Cu18的遷移,異構(gòu)成中間體絡(luò)合物I6←H2O·(H2O)2c。從I5←H2O·(H2O)2c到T6←H2O·(H2O)2c過程,O22—H24從0.099 0 nm拉伸至0.176 9 nm,BCP電荷密度ρ從0.167 2 a.u.減小到0.035 7 a.u.,?2ρ從負值變?yōu)檎?O22—H24共價鍵斷裂;O25—H27從0.097 5 nm拉伸至0.172 6 nm,BCP電荷密度ρ從0.340 1 a.u.減小到0.049 1 a.u.,?2ρ從負值變?yōu)檎?O25—H27共價鍵斷裂;C1—C6從0.140 8 nm拉伸至0.144 6 nm,BCP電荷密度ρ從0.310 2 a.u.減小到0.296 0 a.u.,?2ρ始終為負值,C1—C6共價鍵變?nèi)?。這些變化使T6←H2O·(H2O)2c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是185.2 kJ·mol-1。IRC計算表明T6←H2O·(H2O)2c是后過渡態(tài)。

第7基元,I6←H2Oc經(jīng)過渡態(tài)T7←H2Oc,H11從圖示的左側(cè)翻轉(zhuǎn)到右側(cè),異構(gòu)成I7←H2Oc。從I6←H2Oc到T7←H2Oc,二面角H11—Cu18—O7—C6從-58.3°變?yōu)?79.4°,這些變化使T7←H2Oc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是3.8 kJ·mol-1。

第8基元,I7←H2Oc經(jīng)過渡態(tài)T8←H2Oc,H14—C4—C15從圖示的左側(cè)翻轉(zhuǎn)到右側(cè),異構(gòu)成I8←H2Oc。從I7←H2Oc到T8←H2Oc,二面角N2—C3—C4—C5從20.9°變?yōu)?.5°,這些變化使T8←H2Oc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是7.7 kJ·mol-1。結(jié)構(gòu)分析表明,I8←H2Oc和I6←H2Oc鏡像對稱。

第9基元,此基元與第6基元鏡像對稱。2聚水與I8←H2Oc氫鍵作用形成的中間體反應(yīng)物I8c←H2O·(H2O)2nc經(jīng)過渡態(tài)T9←H2O·(H2O)2nc,H11遷移到O25,并與2聚水形成雙水合質(zhì)子,異構(gòu)成I9←H2O·(H2O)2nc。從I8c←H2O·(H2O)2nc到T9←H2O·(H2O)2nc過程,Cu18—H11從0.153 4 nm(ρ:0.118 4,?2ρ為正)拉伸至0.153 9 nm(ρ:0.116 0,?2ρ為負),Cu18—H11從離子鍵變?yōu)楣矁r鍵,相互作用減弱;O25—H26從0.098 1 nm拉伸至0.098 7 nm,電荷密度ρ及?2ρ的計算表明,O25—H26的共價鍵減弱,T9←H2O·(H2O)2nc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是86.1 kJ·mol-1。

第10基元,I9←H2O·(H2O)2nc經(jīng)過渡態(tài)T10←H2O·(H2O)2nc,H24從O22遷移到C1,異構(gòu)成R-型中間體R-I10←H2O·(H2O)2nc,S-Pro·Cu2+在c通道實現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。從I9c←H2O·(H2O)2nc到T10←H2O·(H2O)2nc,O22—H24從0.097 2 nm拉伸至0.138 2 nm,O25—H26從0.120 2 nm拉伸至0.171 1 nm。電荷密度ρ及?2ρ的計算表明,O22—H24共價鍵由強變?nèi)?O25—H26共價鍵從較弱到斷裂。此過程所需能量不是很高,T10←H2O·(H2O)2nc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是85.8 kJ·mol-1。

第10基元,此基元與第4基元鏡像對稱。R-I10c經(jīng)Cu18在羧基內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T11c,Cu18從羧基外側(cè)翻轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè),異構(gòu)成R-I11c。從R-I10c到R-T11c只是鍵角改變所需能量很少,R-T11c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是47.2 kJ·mol-1。

結(jié)構(gòu)分析表明R-I11c同于R-I6a,接下來R-I11c的異構(gòu)過程同于R-I6a的異構(gòu),最后得到S-Pro·Cu(Ⅱ)的手性對映體,見a通道的7、8、9基元。

從圖3(見第 474頁)和圖7(見第 479頁)的勢能面可以看出,S-Pro·Cu2+在c通道實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變的決速步是第6基元反應(yīng),決速步能壘是179.4 kJ·mol-1。該能壘高于極限反應(yīng)能壘160.7 kJ·mol-1[25],S-Pro·Cu2+在該通道不能消旋。從前面的討論可知,該能壘來自于質(zhì)子從雙水合質(zhì)子中間體I5←H2O·(H2O)2c向Cu遷移和C1—C6拉伸協(xié)同進行的過渡態(tài)。

2.2 S-Pro·Cu2+在d和e通道的對映異構(gòu)

1個H2O與Cu(Ⅱ)配位,2聚水做H遷移媒介,α-H直接向羰基O遷移,S-Pro·Cu(Ⅱ)在d和e通道的對映異構(gòu)的反應(yīng)歷程見圖8,反應(yīng)的勢能面見圖9(見第 482頁)。

圖8 S-Pro·Cu2+在d和e通道手性反轉(zhuǎn)的反應(yīng)歷程(鍵長單位:納米)Fig.8 Exclusive reaction course of S-Pro·Cu2+chiral inversion in channels d and e (distances:nm)

圖9 S-Pro·Cu2+在d和e通道手性反轉(zhuǎn)反應(yīng)的自由能剖面Fig.9 The free energy surface of S-Pro·Cu2+chiral inversion reaction in channels d and e

2.2.1 d和e通道公用的基元反應(yīng)

第1基元反應(yīng),二聚水抽取α-H。2聚水與S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O的C1和H11氫鍵作用形成的反應(yīng)物絡(luò)合物S-Pro·Cu2+←H2O·(H2O)2md(e),經(jīng)過渡態(tài)T1←H2O·(H2O)2md(e),實現(xiàn)了質(zhì)子(NBO計算表明是質(zhì)子遷移)從C1向O7的凈遷移,異構(gòu)成中間體絡(luò)合物I1←H2O·(H2O)2md(e)。從S-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·(H2O)2md(e)到T1←H2O·(H2O)2md(e),C1—H11從0.109 7 nm拉伸至0.129 0 nm,BCP電荷密度(ρ)從0.281 2 a.u.減小到0.173 9 a.u.,?2ρ始終為負值,共價鍵C1—H11減弱;O22—H24從0.098 1 nm拉伸至0.166 9 nm,BCP電荷密度(ρ)從0.337 3 a.u.減小到0.048 3 a.u.,?2ρ負值變?yōu)檎?O22—H24的共價鍵斷裂;O25—H27從0.098 0 nm拉伸至0.159 3 nm,BCP電荷密度(ρ)從0.337 8 a.u.減小到0.056 4 a.u.,?2ρ負值變?yōu)檎?C1—H11的共價鍵斷裂;C1—H11—O22—H24—O25—H27—O7—C6的RCP電荷密度(ρ)從0.003 6增加到0.006 5 a.u.,?2ρ始終為正值,T1←H2O·(H2O)2md(e)的八元環(huán)π鍵作用較強,過渡態(tài)成環(huán)形。共價鍵C6—O7從0.123 7 nm拉伸至0.130 5 nm,骨架二面角N2—C1—C5—C6微增2.4°,這些變化使T1←H2O·(H2O)2md(e)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是155.2 kJ·mol-1。該能壘遠大于b通道的第4基元反應(yīng)2聚水抽取α-H的能壘41.4 kJ·mol-1,原因之一是此基元S-Pro·Cu2+←H2O·(H2O)2md(e)的C1—H11鍵比S-I3←H2O·(H2O)2mb的C1—H11鍵鈍化;原因之二是此基元的反應(yīng)物到過渡態(tài)比b通道的第4基元的反應(yīng)物到過渡態(tài)的C1—H11鍵拉伸幅度大,并且O22—H24和O25—H27均被拉伸斷裂。第2基元反應(yīng)。I1d(e)經(jīng)亞甲基H12—C3—H13和H14—C4—H15左右翻轉(zhuǎn)的過渡態(tài)T2d(e),異構(gòu)成I2d(e),完成了I1d(e)的對映異構(gòu),T2d(e)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是13.2 kJ·mol-1。

2.2.2 d通道的專屬反應(yīng)

第3基元。此基元與第1基元鏡像對稱,I2←H2O·(H2O)2nd經(jīng)過渡態(tài)T3←H2O·(H2O)2nd,異構(gòu)成產(chǎn)物絡(luò)合物R-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·(H2O)2nd,S-Pro·Cu(Ⅱ)實現(xiàn)手性對映體反轉(zhuǎn)異構(gòu)。從I2←H2O·(H2O)2nd到T3←H2O·(H2O)2n過程,O7—H11鍵長從0.099 5 nm拉伸至0.102 0 nm,O25—H26從0.098 1 nm拉伸至0.100 5 nm,O22—H24從0.097 7 nm拉伸至0.133 2 nm,RCP電荷密度ρ及?2ρ分析表明,此過程主要是O22—H24共價鍵有所減弱,T3←H2O·(H2O)2n產(chǎn)生的能壘是55.9 kJ·mol-1。

2.2.3 e通道的專屬反應(yīng)

第3基元反應(yīng)。I2←H2O·(H2O)2ne經(jīng)過渡態(tài)T3←H2O·(H2O)2ne,異構(gòu)成R-I3←H2O·(H2O)2ne。從I2←H2O·(H2O)2ne到T3←H2O·(H2O)2ne過程,N2—H9鍵長0.104 3 nm沒變,O22—H24從0.098 2 nm拉伸至0.100 0 nm,O25—H26從0.096 8 nm拉伸至0.136 5 nm(RCP電荷密度(ρ)及?2ρ分析表明,此過程只是一個共價鍵拉伸),T3←H2O·(H2O)2ne產(chǎn)生的能壘是81.7 kJ·mol-1。

第4基元反應(yīng)。R-I3e經(jīng)C6—C1右視順時針旋轉(zhuǎn)的過渡態(tài)R-T4e,異構(gòu)成R-I4e。化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)所需能量不多,R-T4e產(chǎn)生的能壘是11.6 kJ·mol-1。

第5基元反應(yīng)。結(jié)構(gòu)分析表明,R-I4e同于R-I8a,R-I4←H2O·H2Oe同于R-I8←H2O·H2Oa,其經(jīng)過與R-T9←H2O·H2Oa相同的過渡態(tài)R-T5←H2O·H2Oe,異構(gòu)成R-Pro·Cu(Ⅱ)←H2O·H2Oe(a),不再贅述。

從圖9可以看出,S-Pro·Cu2+在d和e通道實現(xiàn)手性對映體轉(zhuǎn)變的決速步是第1基元反應(yīng),能壘是155.2 kJ·mol-1。該能壘接近極限反應(yīng)能壘160.7 kJ·mol-1[25],S-Pro·Cu2+在該通道不能消旋。從前面的討論可知,該能壘來自于質(zhì)子從α-C向羰基O遷移的過渡態(tài)。

3 結(jié) 論

在SMD/MN15/6-311++G(2df,pd)//SMD/M06/6-31+G(d,p)雙水平對水液相下S-Pro·Cu2+的對映體異構(gòu)機制進行研究,得到如下結(jié)論:

1)Pro·Cu2+的手性反轉(zhuǎn)可以在氨基H遷移到羰基O后,α-H再以氨基N、羰基O和Cu為橋遷移的a、b和c通道實現(xiàn);還可以在α-H直接以羰基O為橋遷移的d通道以及羰基O和氨基N聯(lián)合做H遷移媒介的e通道實現(xiàn)。

2)反應(yīng)通道a最具優(yōu)勢,決速步能壘是121.4 kJ·mol-1,能壘來自于質(zhì)子從氨基N向α-C遷移的過渡態(tài);反應(yīng)通道b為亞優(yōu)勢,決速步能壘是136.2 kJ·mol-1,該能壘來自于雙水合質(zhì)子中間體的H質(zhì)子向羰基O遷移的過渡態(tài)。c、d和e通道均為劣勢通道,決速步能壘均在155.0 kJ·mol-1以上,Pro·Cu(Ⅱ)不能在這3個通道實現(xiàn)手性反轉(zhuǎn)。

結(jié)果表明:水液相下的Pro·Cu2+只能微量的消旋,其可以安全的用于生命體同補脯氨酸和銅元素。