劉芳，辛志榮，范艷潔，李心雨，潘宇，楊清薈，姜春旭，王佐成

白城師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林 白城 137000

氨基酸銅配合物有抑細(xì)菌、造血、清除超氧自由基（O2-）的功效，成為防治癌癥、輻射病、免疫病和心血管疾病的藥物［1-3］。銅氨基酸配合物可作為天然氧載體血紅蛋白、肌紅蛋白及血藍(lán)蛋白等理想的模型配合物［4］，銅是人體健康不可缺少的微量營養(yǎng)素。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(jìn)銅輸送到血清蛋白中，參與體內(nèi)的代謝及生化過程［4］。Cu2+氨基酸配合物已部分用于臨床，可為生命體同補(bǔ)氨基酸和金屬元素，以及用于癌癥等疾病的治療［5-6］。

脯氨酸（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 有活性，可合成膠原蛋白，促進(jìn)軟骨修復(fù)，具有治療骨關(guān)節(jié)炎、減輕持續(xù)性軟組織疼痛和慢性背痛的作用［7］。

Pro 的手性特征使其金屬配合物具有手性。手性藥物分子的不同對映異構(gòu)體在活性、代謝過程及毒性等方面存在差異，往往是一個有效，另一個有負(fù)作用［8-9］。如“沙利度胺”的右旋體有鎮(zhèn)靜和止吐作用，左旋體則有致畸作用，其右旋體的消旋導(dǎo)致“沙利度胺”事件［10-11］。研究手性分子對映異構(gòu)對人們安全使用手性藥，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)劣構(gòu)體向優(yōu)構(gòu)體轉(zhuǎn)變均有重要意義?；诖?，學(xué)者們對α-丙氨酸金屬配合物的對映異構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，文獻(xiàn)［12］報道了氣相下α-Ala 與Zn2+、Fe2+、Mn2+、Na+、K+、Co2+、Ca2+和Mg2+等配合物的手性不能反轉(zhuǎn)；氣相下α-Ala 與Co3+和Cu2+的配合物可以緩慢地實(shí)現(xiàn)手性反轉(zhuǎn)；水液相下α-Ala 與Na+、K+、Cu2+、Zn2+、Ca2+、Mg2+、Co3+、Fe2+和Mn2+配合物只能微量或痕量地手性反轉(zhuǎn)，用于生命體同補(bǔ)α-Ala 和相應(yīng)的金屬元素具有安全性，水液相下α-Ala 與Co2+的配合物可以少量地手性反轉(zhuǎn)，其不能長期用于生命體同補(bǔ)α-Ala 和Co2+。文獻(xiàn)［13］表明，α-丙氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸等與Cu（Ⅱ）配合物的手性對映體異構(gòu)反應(yīng)速率不盡相同，或少量、或微量、或痕量消旋。

脯氨酸金屬配合物對映異構(gòu)的研究工作已經(jīng)開展。黃煜純等［14］研究表明，氣相脯氨酸鈣的手性難以改變，水分子存在時脯氨酸鈣只能痕量地消旋；孟雪飛等［15］研究表明，脯氨酸鈣在水液相環(huán)境只能很少量地消旋，其用于生命體同補(bǔ)脯氨酸和鈣具有較好的安全性。目前，關(guān)于脯氨酸二價銅對映異構(gòu)的理論研究未見報道，為說明在氣相、水汽相及水液相下手性脯氨酸銅（Ⅱ）是否容易保存，利用脯氨酸銅（Ⅱ）為生命體同補(bǔ)脯氨酸和二價銅是否安全，本工作對標(biāo)題反應(yīng)進(jìn)行了理論研究。

1 模型選取及計(jì)算方法

Pro·Cu2+是Cu2+與Pro的O單齒配位、羧基為順式結(jié)構(gòu)、五元雜環(huán)共面程度較大的最穩(wěn)定構(gòu)象（在討論部分給予了說明），將S-Pro·Cu2+作反應(yīng)物，研究其向?qū)τ丑wR-Pro·Cu2+的異構(gòu)。對孤立體系、水汽環(huán)境下水分子簇輔助的體系及水分子簇輔助體系的水溶劑效應(yīng)分別進(jìn)行研究。

采用密度泛函理論的M06［16］方法，在6-311+G（d，p）基組水平優(yōu)化反應(yīng)過程在雙重態(tài)勢能面上駐點(diǎn)物種的結(jié)構(gòu)，吉布斯自由能熱校正在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.33 kPa）298.15 K溫度下進(jìn)行。通過對過渡態(tài)［17］進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）計(jì)算［18］，確認(rèn)其在勢能面上與期望的穩(wěn)定點(diǎn)相連。在MN15［19］/6-311++G（2df，pd）理論水平計(jì)算單點(diǎn)能，總自由能用自由能熱校正與單點(diǎn)能相加獲得，勢能曲線的零勢點(diǎn)為該曲線上各個駐點(diǎn)物種的相對勢能零點(diǎn)。水溶劑效應(yīng)是在優(yōu)化和單點(diǎn)能計(jì)算兩個階段都采用SMD模型處理［20］。采用NBO 5.0程序［21］中的自然鍵軌道（NBO）理論和AIM 2000 程序［22］中的分子中的原子理論（AIM），計(jì)算主要駐點(diǎn)物種的NPA 電荷、成鍵臨界點(diǎn)（BCP）的電荷密度（ρBCP）、成環(huán)臨界點(diǎn)（RCP）的電荷密度（ρRCP）以及電荷密度的拉普拉斯值（?2ρ）。S-Pro·Cu2+在c、d 和e 通道異構(gòu)的第1 個公用的S-手性過渡態(tài)記作ST1c（d，e），中間體記作S-I1c（d，e）；在c通道的手性對映體產(chǎn)物記作R-Pro·Cu（Ⅱ）c。5 個H2O 與T4d（e）的Cu2+配位，2 聚 水 與T4d（e）氫 鍵 作 用 的 體 系 記 作T4d（e）←5H2O·（H2O）2，其他體系表示法相似。文中計(jì)算工作采用Gaussian 16程序［23］。

2 結(jié)果與討論

優(yōu)化的孤立S-Pro·Cu2+配合物的手性對映體見圖1。圖1（b）所示的R-Pro Cu（Ⅱ）與圖1（a）S-Pro Cu（Ⅱ）關(guān)于與紙面垂直的平面對稱放置，圖1（c）所示的R-Pro Cu（Ⅱ）與圖1（a）S-Pro Cu（Ⅱ）關(guān)于紙面平面對稱放置。

圖1 Pro·Cu（Ⅱ）手性對映體的幾何構(gòu)型Fig.1 Geometric conformation of Pro·Cu(Ⅱ)chiral enantiomer

首先討論孤立脯氨酸銅（Ⅱ）的對映異構(gòu)，然后討論水分子（簇）的作用及水溶劑效應(yīng)。

2.1 孤立脯氨酸銅（Ⅱ）的對映異構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)，S-Pro·Cu2+的對映異構(gòu)可在α-H 直接以與銅配位的O、Cu 和N 為橋遷移的通道實(shí)現(xiàn)，也可以在Cu2+與羰基O 雙齒配位后，α-H 以O(shè) 以及O 和N 聯(lián)合為橋遷移的5 個主要通道實(shí)現(xiàn)，這5 個通道分別命名為a、b、c、d 和e。S-Pro·Cu2+的對映異構(gòu)反應(yīng)歷程見圖2（a和b通道）和圖3（c、d和e通道），反應(yīng)過程中各物種的相對吉布斯自由能面見圖4。下面分別進(jìn)行討論。

圖2 S-Pro·Cu（Ⅱ）在a和b通道的對映異構(gòu)反應(yīng)歷程（鍵長單位：nm）Fig.2 Reaction process of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization in channel a and b(bond length unit:nm)

圖3 S-Pro·Cu（Ⅱ）在c、d和e通道的對映異構(gòu)反應(yīng)歷程（鍵長單位：nm）Fig.3 Reaction process of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization in channel c,d and e(bond length unit:nm)

圖4 S-Pro·Cu（Ⅱ）對映異構(gòu)反應(yīng)駐點(diǎn)物種的相對自由能勢能面Fig.4 Relative free energy potential energy surface of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization stagnation point species

2.1.1 a 通道 第1 基元反應(yīng)。S-Pro·Cu（Ⅱ）經(jīng)過渡態(tài)T1a，α-氫質(zhì)子9H（NPA 電荷計(jì)算表明遷移的9H 是質(zhì)子）從α-碳1C 遷移到8O，異構(gòu)成I1a。從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1a，1C—9H 鍵從0.111 1 nm 拉伸至0.150 7 nm，ρBCP分別從0.267 5 a.u.銳減到0.100 2 a.u.（?2ρ<0，仍為共價鍵）；6C—8O 鍵從0.122 1 nm 拉伸至0.130 1 nm，8O—18Cu 鍵從0.196 3 nm 拉伸至0.203 4 nm；1C—9H—8O—6C的ρRCP從0 a.u.增加到0.084 1 a.u.（?2ρ＞0，成四元環(huán)）；二面角2N—1C—5C—6C 從125.9°增加到154.3°，6C—1C鍵右視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)42.2°，這些變化使T1a產(chǎn)生了221.0 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

第2 基元反應(yīng)。I1a經(jīng)過渡態(tài)T2a，18Cu、11H和9H左右協(xié)同翻轉(zhuǎn)，分別從骨架原子N、C、O所在的準(zhǔn)平面右側(cè)、左側(cè)和左側(cè)翻轉(zhuǎn)到對稱的左側(cè)、右側(cè)和右側(cè)，異構(gòu)成I2a。從I1a到T2a，7O—6C 內(nèi)旋轉(zhuǎn)60.7°，T2a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有9.1 kJ·mol-1。

第3 基元反應(yīng)。I2a經(jīng)與T1a鏡像對稱的過渡態(tài)T3a，9H 在紙面里從8O 遷移到1C，異構(gòu)成R-Pro·Cu（Ⅱ）a，S-Pro·Cu（Ⅱ）實(shí)現(xiàn)對映異構(gòu)。從I2a到T3a，8O—9H鍵從0.097 2 nm拉伸至0.131 8 nm，T3a產(chǎn)生了215.4 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

此通道的駐點(diǎn)物種構(gòu)象及能量關(guān)于T2a鏡像對稱。

從I2a向R-Pro·Cu（Ⅱ）a異構(gòu)，也可通過11H 從7O 向1C 的遷移實(shí)現(xiàn)，計(jì)算表明此過程能壘高于9H 從8O 向1C 的遷移（原因是11H 距離1C 較遠(yuǎn)），為節(jié)省篇幅，本文不予討論。

2.1.2 b 通道 第1 基元反應(yīng)。S-Pro·Cu（Ⅱ）經(jīng)過渡態(tài)T1b， 9H 從1C 遷移到18Cu（NPA 電荷計(jì)算表明此過程遷移的是H 負(fù)離子，T1b的9H 電荷量是-0.075 e），異構(gòu)成I1b。從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1b，1C—9H 鍵從0.111 1 nm 拉伸至0.166 1 nm，ρBCP分別從0.267 5 a.u.銳減到0.069 4 a.u.（?2ρ＞0），1C—9H 變?yōu)榉兜氯A作用；1C—9H—18Cu—8O—6C 的ρRCP從0 a.u.增加到0.024 6 a.u.（?2ρ＞0，形成五元環(huán)）；二面角2N—1C—5C—6C 從125.9°增加到151.5°，6C—1C 鍵右視順時針旋轉(zhuǎn)70.6°，18Cu從羧基內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)到外側(cè)，這些變化使T1b產(chǎn)生了153.4 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。T1b比T1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘低很多，主要是由于以下5 個原因：①前者是1C—9H—18Cu—8O—6C 成五元環(huán)，后者是1C—9H—8O—6C成四元環(huán)，五元環(huán)比四元環(huán)張力小，更穩(wěn)定；②鍵角1C—9H—18Cu 比1C—9H—8O 小，并且1C—9H—18Cu—8O—6C 的共面性遠(yuǎn)好于1C—9H—8O—6C；③2N—1C 和8O—6C 的ρBCP分別從0.322 2、0.337 3 a.u.顯著增加到0.346 3、0.390 6 a.u.，R-基雜環(huán)的ρRCP從0.040 0 a.u.增加到0.041 8 a.u.；④從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1b是H 負(fù)離子從α-C 向18Cu 遷移，Cu（Ⅱ）的空軌道接收電子的能力較強(qiáng)；⑤從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1b的1C—9H 鍵是從共價鍵的庫侖引力作用向非共價鍵（范德華弱作用）變化，拉伸1C—9H所需的能量會顯著減小。

第2 基元反應(yīng)。I1b經(jīng)過渡態(tài)T2b，亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從原子N、C、O 所在平面的右側(cè)對稱地翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，異構(gòu)成I2b。從I1b到T2b，二面角2N—3C—4C—5C 從18.2°減小到0.1°，二面角微小改變所需能量很小，T2b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有3.2 kJ·mol-1。

第3 基元。I2b經(jīng)與T1b鏡像對稱的過渡態(tài)T3b，9H 在紙面里側(cè)從18Cu 遷移到1C，異構(gòu)成R-Pro·Cu（Ⅱ）b，S-Pro·Cu（Ⅱ）實(shí)現(xiàn)對映異構(gòu)。從I2b到T3b，18Cu—9H 鍵從0.149 4 nm 拉伸至0.163 5 nm，T3b產(chǎn)生了97.5 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。

b 通道的駐點(diǎn)物種構(gòu)象及能量關(guān)于T2b鏡像對稱。

2.1.3 c、d、e 通道 第1 基元反應(yīng)（公用）。S-Pro·Cu（Ⅱ）經(jīng)過渡態(tài)S-T1c（d，e），亞甲基15H—4C—14H左右翻轉(zhuǎn)，從圖3 可知，2N、1C、5C 所在平面的右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，異構(gòu)成S-I1c（d，e）。從S-Pro·Cu（Ⅱ）到S-T1c（d，e），二面角2N—1C—4C—5C 從-27.6°增加到6.7°，S-T1c（d，e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有

14.4 kJ·mol-1。

1）c通道專屬的反應(yīng)。

第2 基元反應(yīng)。S-I1c（d，e）經(jīng)過渡態(tài)T2c，9H 從1C 遷移到2N（NPA 電荷計(jì)算表明此過程遷移的是質(zhì)子），異構(gòu)成I2c。從S-I1c（d，e）到T2c，1C—9H 鍵從0.110 0 nm 拉伸至0.129 8 nm，二面角2N—1C—5C—6C從119.6°增加到158.7°，6C—1C鍵右視逆時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)20.3°，T2c產(chǎn)生了155.7 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。T2c比T1a產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘低很多，原因 有3 個： ①S-I1c（d，e）的9H 與2N 的 庫 侖 引 力比S-Pro·Cu（Ⅱ）的9H 與8O 的庫侖引力大（計(jì)算表明大2 倍多）；②從S-I1c（d，e）到T2c過程1C—9H 的拉伸幅度（0.019 8 nm）明顯小于從S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1a過程1C—9H 鍵的拉伸（0.039 6 nm）；③T2c與T1a相比，T2c的骨架原子基本共面，形成了離域的大π 鍵，構(gòu)象較穩(wěn)定。然而T2c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘并不是很低，原因是T2c的1C—9H 鍵已經(jīng)斷裂（計(jì)算表明ρBCP已不存在），1C—2N—9H 不成環(huán)（計(jì)算表明ρRCP已不存在），導(dǎo)致T2c不穩(wěn)定。

第3 基元反應(yīng)。I2c經(jīng)過渡態(tài)T3c，亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從骨架原子N、C、O所在平面的左側(cè)對稱地翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，異構(gòu)成I3c。從I2c到T3c，二面角2N—1C—5C—6C 從37.6°減小到0.3°，T3c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是11.5 kJ·mol-1。

第4 基元反應(yīng)。I3c經(jīng)過渡態(tài)T4c，10H 質(zhì)子在紙面內(nèi)從2N遷移到1C，異構(gòu)成R-I4c，S-Pro·Cu（Ⅱ）實(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。從I3c到T4c，2N—10H 鍵從0.102 8 nm 拉伸至0.129 9 nm，T4c產(chǎn)生了192.5 kJ·mol-1的能量。該能壘高于第2 基元的正反應(yīng)能壘許多，原因有2 個： ①I3c的穩(wěn)定性好于S-I1c（d，e），T4c和T2c在勢能面的同一高度；②S-I1c（d，e）的1C—9H 紅外伸縮振動頻率（3 052.7 cm-1）小于I3c的2N—10H紅外伸縮振動頻率（3 474.5 cm-1）許多，S-I1c（d，e）的1C—9H活化程度好于I3c的2N—10H。

第5 基元反應(yīng)。R-I4c經(jīng)過渡態(tài)R-T5c，亞甲基15H—4C—14H左右翻轉(zhuǎn)，從圖示2N、1C、5C所在平面的右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，異構(gòu)成產(chǎn)物R-Pro·Cu（Ⅱ）c。從R-I4c到R-T5c過程只是二面角異構(gòu)，所需能量很小，R-T5c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有9.8 kJ·mol-1。

駐點(diǎn)物種構(gòu)象及能量關(guān)于T3c鏡像對稱，S-Pro·Cu（Ⅱ）在c 通道的異構(gòu)也展現(xiàn)了對映異構(gòu)的內(nèi)在美和過程美。

SPX-250B-Z生化培養(yǎng)箱，YXQ-LS-18SI手提式壓力蒸汽滅菌器，SW-CJ-2FD潔凈工作臺，SQP電子天平，BCD-402WDBA海爾冰箱。

2）d、e通道公用的2、3、4、5基元。

第2 基元反應(yīng)。S-I1c（d，e）經(jīng)過渡態(tài)S-T2md（e）或S-T2nd（e），11H 在紙面外（或內(nèi)）從羧基內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)到外側(cè)，異 構(gòu) 成S-I2d（e）。從S-I1c（d，e）到S-T2md（e），7O—6C 鍵俯視逆時針旋轉(zhuǎn)98.9°，S-T2md（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是54.0 kJ·mol-1。相似的S-T2nd（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是52.9 kJ·mol-1，不再贅述。

第3 基元反應(yīng)。S-I2d（e）經(jīng)過渡態(tài)S-T3d（e），質(zhì)子11H 從7O 遷移到2N，異構(gòu)成S-I3d（e）。從S-I2d（e）到S-T3d（e）， 7O—11H 鍵 從0.097 3 nm 拉 伸 至0.118 7 nm，S-T3d（e）產(chǎn) 生 了128.5 kJ·mol-1的 內(nèi) 稟能壘。該基元質(zhì)子遷移能壘小于前面討論的質(zhì)子遷移的能壘，原因有2 個： ①從S-I2d（e）到S-T3d（e）過程7O—11H的拉伸幅度較小，ρBCP從0.341 3 a.u.變?yōu)?.185 9 a. u.，其?2ρ始終為負(fù)值，7O—11H始終是共價鍵；②S-T3d（e）的2N—1C—6C—7O—11H 的ρRCP是0.044 0 a.u.，其?2ρ始 終 為 正 值，2N—1C—6C—7O—11H 成 環(huán)，過 渡 態(tài)S-T3d（e）較穩(wěn)定。

第4 基 元 反 應(yīng)。S-I3d（e）經(jīng) 過 渡 態(tài)T4d（e），質(zhì) 子9H從1C遷移到8O，構(gòu)型異構(gòu)成I4d（e）。從S-I3d（e）到T4d（e），1C—9H鍵從0.109 8 nm拉伸至0.135 1 nm，6C—8O 鍵 從0.127 4 nm 拉 伸 至0.130 0 nm，8O—18 Cu 鍵斷裂，二面角2N—1C—5C—6C 從119.6°增加到148.0°，6C—1C 鍵右視順時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)70.9°，T4d（e）產(chǎn)生了151.3 kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘。該能壘小于T1a產(chǎn)生的能壘許多，主要原因有2個：①T4d（e）比T1a的1C—9H—8O—6C 的ρRCP大（前者是0.088 0 a.u.，后者是0.084 1 a.u.），五元環(huán)穩(wěn)定；②從S-I3d（e）到T4d（e）比S-Pro·Cu（Ⅱ）到T1a，1C—9H 鍵的拉伸幅度小，T4d（e）比T1a的1C—9H 鍵ρRCP大（前者是0.147 9 a.u.，后者是0.100 2 a.u.），1C—9H鍵拉伸所需能量要少些。

第5 基元反應(yīng)。相似于c 通道第3 基元，I4d（e）經(jīng)過渡態(tài)T5d（e），亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從N、C、O 所在平面的左側(cè)對稱地翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，異構(gòu)成I5d（e），T5d（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是10.2 kJ·mol-1。

接下來I5d（e）的異構(gòu)分成兩個通道d和e。

3）d通道專屬的反應(yīng)。

第6基元。I5d（e）經(jīng)過渡態(tài)T6d，9H從8O在紙面里遷移到1C，異構(gòu)成R-I6d，S-Pro·Cu（Ⅱ）在d 通道實(shí) 現(xiàn) 手 性 轉(zhuǎn) 變。從I5d（e）到T6d，8O—9H 鍵 從0.097 3 nm 拉伸至0.134 4 nm，T6d產(chǎn)生了233.0 kJ·mol-1的能壘。此能壘遠(yuǎn)高于第4 基元正反應(yīng)能壘，原因是I5d（e）的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于S-I3d（e）。

第8 基元。R-I7d經(jīng)過渡態(tài)R-T8md或R-T8nd，10H在紙面外（或內(nèi)）從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，異構(gòu)成R-I8d。從R-I7d到R-T8md，7O—6C 鍵俯視逆時針旋轉(zhuǎn)89.6°，R-T8md產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是23.3 kJ·mol-1。相似的R-T8nd產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是22.2 kJ·mol-1。R-T8md和R-T8nd比S-T2md（e）和S-T2nd（e）產(chǎn)生的能壘小很多，原因是從R-I7d到R-T8md和R-T8nd過程，10H質(zhì)子的運(yùn)動方向逆著偶極矩矢量，體系電場力做正功。相反，從S-INT1c（d，e）到S-T2md（e）和S-T2nd（e），體系電場力對質(zhì)子的運(yùn)動做負(fù)功。

結(jié)構(gòu)分析表明，R-I8d同于R-I4c，其以R-I4c的異構(gòu)方式構(gòu)型異構(gòu)成R-Pro·Cu（Ⅱ）d（c），S-Pro·Cu（Ⅱ）在d通道實(shí)現(xiàn)了對映異構(gòu)，這里從略。

駐點(diǎn)物種構(gòu)象及能量關(guān)于T5d（e）鏡像對稱，S-Pro·Cu（Ⅱ）在d 通道的異構(gòu)歷程同樣展現(xiàn)了對映異構(gòu)的內(nèi)在美和過程美。

4）e通道專屬的反應(yīng)。

第6 基 元。I5d（e）經(jīng) 過 渡 態(tài)T6e，質(zhì) 子11H 在 紙面內(nèi)從2N 遷移到1C，異構(gòu)成R-I6e，S-Pro·Cu（Ⅱ）實(shí)現(xiàn)了手性轉(zhuǎn)變。從I5d（e）到T6e，2N—11H 鍵從0.103 0 nm 拉 伸 至0.130 8 nm， T6e產(chǎn) 生 了193.7 kJ·mol-1的能壘。該能壘較高的原因相似于前面討論的T4c產(chǎn)生了較高的能壘。

第7 基元。R-I6e經(jīng)過渡態(tài)R-T7me（或R-T7ne），6C—1C 鍵右視順（或逆）時針內(nèi)旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)成R-I7e。從R-I6e到R-T7me（或R-T7ne），6C—1C 鍵右視順時針旋轉(zhuǎn)129.2°（或逆時針旋轉(zhuǎn)137.2°），R-T7me和R-T7ne產(chǎn)生的能壘分別是20.2和21.7 kJ·mol-1。

結(jié)構(gòu)分析表明，R-I7e同于R-I7d，R-I7e接下來的異構(gòu)同于R-I7d的異構(gòu)，最后異構(gòu)成S-Pro·Cu（Ⅱ）的手性對映體R-Pro·Cu（Ⅱ）e。

從圖4可以看出，S-Pro·Cu2+在b通道的對映異構(gòu)最具優(yōu)勢，c 通道為亞優(yōu)勢通道，這兩個通道的反應(yīng)活化能（氣相反應(yīng)是勢能面的總包能壘，亦即表觀能壘）分別是153.4 和160.3 kJ·mol-1（在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為相同）；a、d 和e 通道為劣勢通道，反應(yīng)活化能是221.1 和211.3 kJ·mol-1（在誤差允許的范圍內(nèi)也可以認(rèn)為相同）。153.4 kJ·mol-1已 經(jīng) 接 近 極 限 反 應(yīng) 能 壘167.0 kJ·mol-1［24］，氣相S-Pro·Cu2+不能實(shí)現(xiàn)對映異構(gòu)，亦即脯氨酸銅（Ⅱ）在干燥的環(huán)境下可以保持其手性特征。由于反應(yīng)能壘低于40.0 kJ·mol-1的反應(yīng)可以通過分子間的碰撞過程實(shí)現(xiàn)［24］，因此反應(yīng)物應(yīng)是以S-Pro·Cu2+和S-I1c（d，e）兩種構(gòu)象存在，只是前者的分布高些。

從圖4 還可看出，I2c和I3c的穩(wěn)定性明顯好于S-I1c（d，e）和S-Pro·Cu（Ⅱ），原因是I2c和I3c的骨架原子基本共面性，形成了離域的大π 鍵，而S-I1c（d，e）和S-Pro·Cu（Ⅱ）則不然。

從圖4 還可看出，單齒配位的S-Pro·Cu（Ⅱ）比雙齒配位的S-I3d（e）構(gòu)象穩(wěn)定性好許多，原因之一是S-Pro·Cu（Ⅱ）的骨架原子共面性程度好于S-I3d（e）；原因之二是S-Pro·Cu（Ⅱ）比S-I3d（e）的18Cu的NPA電荷少許多（分別是0.975 e和1.327 e），S-Pro·Cu（Ⅱ）的18Cu的空軌道被占據(jù)得多，導(dǎo)致體系更穩(wěn)定。

2.2 水分子（簇）對脯氨酸銅（Ⅱ）對映異構(gòu)主要過程的影響及水溶劑效應(yīng)

文獻(xiàn)［15］研究表明，水分子（簇）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，因此主要討論水分子（簇）作用下的氫遷移過程。綜合前面的討論可知，S-Pro·Cu2+對映異構(gòu)反應(yīng)的最優(yōu)勢通道b、亞優(yōu)勢通道c、季優(yōu)勢通道d 和e、最劣勢通道a 的表觀能壘分別來自過渡態(tài)T1b、T2c、T4d（e）和T1a，這些過渡態(tài)所在的基元反應(yīng)均為氫遷移反應(yīng)。基于文獻(xiàn)［25］的研究經(jīng)驗(yàn)可知，18Cu 會與S-Pro 的羰基氧8O 及水分子的O 配位飽和，α-氫原子不能以水分子（簇）為媒介從α-碳向18Cu 遷移，水汽環(huán)境下S-Pro·Cu2+不能在氣相的優(yōu)勢通道b 實(shí)現(xiàn)對映異構(gòu)。因此，為節(jié)省篇幅，同時考慮到給讀者呈現(xiàn)出鏡像對稱的手性轉(zhuǎn)變過程，對水分子（簇）作用下過渡態(tài)T2c、T3c、T4c和T4d（e）、T5d（e）、T6d所在的基元反應(yīng)進(jìn)行討論。而對于d 和e 通道公用的第2 決速步（質(zhì)子遷移反應(yīng)，第3 和第7 基元），計(jì)算表明，水分子的作用使S-T3d（e）和R-T7d產(chǎn)生的能壘降到了溫和反應(yīng)能壘84.0 kJ·mol-1［24］以下，本文不給予討論。

Cu2+的配位數(shù)是6，反應(yīng)過程中的相關(guān)氣相物種是Cu2+與1 個羰基O 配位，水液相下會有5 個水分子再與Cu2+配位?？紤]到配位鍵較強(qiáng)，水分子與Cu2+配位后很難解離，水汽環(huán)境下的反應(yīng)物及中間體等都是氣相的單體物種與水分子配位的配合物；水分子（簇）與相關(guān)物種分子的氫鍵可以通過分子的碰撞過程解離。為科學(xué)地揭示水分子（簇）對氫遷移反應(yīng)能壘的影響，對水分子（簇）與主要物種的氫鍵作用一并進(jìn)行討論。

2.2.1 水分子（簇）對T2c、T3c和T4c所在基元反應(yīng)的影響及水溶劑效應(yīng) 計(jì)算表明，對T2c和T4c所在基元反應(yīng)，3 個水分子簇作H 遷移媒介并不比2個水分子簇作媒介具有優(yōu)勢，為節(jié)省篇幅并使問題簡便，只討論2個水分子簇作質(zhì)子遷移媒介的情況，反應(yīng)歷程見圖5，勢能面見圖6，括號內(nèi)的能量是水溶劑效應(yīng)下的值。

圖5 水分子（簇）作用下S-Pro·Cu（Ⅱ）在c通道對映異構(gòu)的主要過程Fig.5 The main process of S-Pro·Cu（Ⅱ）enantiomerization in channel c under the action of water molecule（cluster）

圖6 水分子（簇）及水溶劑效應(yīng)作用下S-Pro·Cu（Ⅱ）在c通道對映異構(gòu)主要過程的自由能勢能面Fig.6 The free energy potential energy surface of the main process of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization in channel c under the effect of water molecule(cluster)and aqueous solvent

第2基元，（H2O）2與S-I1·5H2Oc（d，e）的α-H和N氫鍵作用形成的中間體反應(yīng)物S-I1·5H2O·（H2O）2mc（d，e），經(jīng)3質(zhì)子協(xié)同非同步遷移的過渡態(tài)T2·5H2O·（H2O）2mc，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從α-C 向氨基N 的凈遷移，異構(gòu)成I2·5H2O·（H2O）2mc。從S-I1·5H2O·（H2O）2mc（d，e）到T2·5H2O·（H2O）2mc，鍵長1C—9H、37O—38H 和34O—35H 分別從0.109 6、0.100 8 和0.099 5 nm拉伸至0.142 7、0.103 0 和0.099 9 nm，二面角2N—1C—5C—6C 從125.3° 增 加 到151.9° ，T2·5H2O·（H2O）2mc產(chǎn)生了139.1 kJ·mol-1的能壘。這與T2c產(chǎn)生的能壘155.7 kJ·mol-1相比明顯減小，說明水分子起了很好的催化作用。原因有3 個：①過渡 態(tài)T2·5H2O·（H2O）2mc的1C、9H、37O、38H、34O、35H、2N 七單元成環(huán)，形成較穩(wěn)定的大π 鍵（計(jì) 算 表 明 其ρRCP是0.008 1 a.u.，?2ρ＞0）；②T2·5H2O·（H2O）2mc的7 元環(huán)存在3 條較強(qiáng)的氫鍵（結(jié)構(gòu)分析表明），增加了過渡態(tài)的穩(wěn)定性；③從S-I1·5H2O·（H2O）2mc（d，e）到T2·5H2O·（H2O）2mc，1C—9H 從0.109 6拉伸至0.142 7 nm，其ρBCP是0.121 5 a.u.，?2ρ為負(fù)值，仍是共價鍵作用，另兩個化學(xué)鍵拉伸可以忽略（而T2c的1C—9H已經(jīng)斷裂，且過渡態(tài)不成環(huán)）。

水溶劑效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算表明，駐點(diǎn)物種的結(jié)構(gòu)變化不大，為節(jié)省篇幅，從略。勢能面計(jì)算表明，此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘驟降到89.9 kJ·mol-1。此基元反應(yīng)內(nèi)稟能壘顯著減小的原因是過渡態(tài)比穩(wěn)定點(diǎn)的偶極矩大很多，在強(qiáng)極性水溶劑的作用下過渡態(tài)變得相對穩(wěn)定。

第3 基元，I2·5H2Oc經(jīng)過渡態(tài)T3·5H2Oc，亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從N、C、O 所在平面的左側(cè)對稱地翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，異構(gòu)成I3·5H2Oc。從I2·5H2Oc到T3·5H2Oc，二面角2N—3C—4C—5C 從39.6°減小到1.0°，T3·5H2Oc產(chǎn)生的能壘是9.6 kJ·mol-1。這與T3c產(chǎn)生的能壘11.5 kJ·mol-1比較，相對值變化很小，水分子與Cu2+的配位對R-基的形變能壘影響可以忽略。

水溶劑化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化表明，駐點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變化不大，從略。勢能面計(jì)算表明，此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘小幅下降到8.7 kJ·mol-1。能壘減小的原因是過渡態(tài)比穩(wěn)定點(diǎn)的偶極矩稍大，在強(qiáng)極性水溶劑的作用下過渡態(tài)變得相對穩(wěn)定。

第4基元，與第2基元對稱，I3·5H2O·（H2O）2nc經(jīng)過渡態(tài)T4·5H2O·（H2O）2nc，質(zhì)子從N凈遷移到α-C，異構(gòu)成R-I4·5H2O·（H2O）2nc，S-I1·5H2O·（H2O）2mc（d，e）實(shí)現(xiàn)對映異構(gòu)。T4·5H2O·（H2O）2nc產(chǎn)生的能壘是160.8 kJ·mol-1。

水溶劑化計(jì)算表明，此基元反應(yīng)的能壘驟降到62.0 kJ·mol-1，能壘驟降的原因是過渡態(tài)比反應(yīng)物的偶極矩大很多，在強(qiáng)極性水溶劑的作用下過渡態(tài)變得相對穩(wěn)定。

結(jié)合勢能面圖6 和圖4 可知，水分子（簇）的作用使S-Pro·Cu（Ⅱ）在c 通道對映異構(gòu)的活化能降到143.7 kJ·mol-1（139.1 kJ·mol-1+4.6 kJ·mol-1=143.7 kJ·mol-1），水液相下S-Pro·Cu（Ⅱ）在c 通道對映異構(gòu)的活化能是89.9 kJ·mol-1（水液相下反應(yīng)的活化能是決速步的內(nèi)稟能壘）。

2.2.2 水分子（簇）對T4d（e）、T5d（e）和T6d所在基元反應(yīng)的影響及水溶劑效應(yīng) 水分子（簇）作用下

T4d（e）、T5d（e）和T6d所在基元反應(yīng)的反應(yīng)歷程見圖7，勢能面見圖8，括號內(nèi)的能量是水溶劑效應(yīng)下的值。

圖7 水分子（簇）作用下S-Pro·Cu（Ⅱ）在d通道對映異構(gòu)的主要過程Fig.7 The main process of S-Pro·Cu（Ⅱ）enantiomerization in channel d under the action of water molecule（cluster）

第4 基元，（H2O）2與S-I3·5H2Od（e）的α-H 和8O氫鍵作用形成的S-I3·5H2O·（H2O）2md（e），經(jīng)過渡態(tài)T4·5H2O·（H2O）2md（e），實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從1C 向8O 的凈遷移，異構(gòu)成I4·5H2O·（H2O）2md（e）。從S-I3·5H2O·（H2O）2md（e）到T4·5H2O·（H2O）2md（e），鍵長1C—9H、34O—36H 和37O—30H 分別從0.109 7、0.098 8 和0.096 9 nm 拉伸至0.170 7、0.133 2 和0.103 2 nm，二面角2N—1C—5C—6C 從120.8°增加到126.6°，T4·5H2O·（H2O）2md（e）產(chǎn)生了162.3 kJ·mol-1的能壘。該能壘高于T4d（e）產(chǎn)生的能壘151.3 kJ·mol-1，說明水分子（簇）對此基元產(chǎn)生了負(fù)催化作用。原因是：T4·5H2O·（H2O）2md（e）的1C—9H（ρBCP是0.065 0 a.u.，?2ρ為正值）的化學(xué)鍵已經(jīng)斷裂，其八元環(huán)結(jié)構(gòu)1C—9H—34O—36H—37O—30H—8O—6C 雖 已 成環(huán)，但其ρRCP僅有0.007 0 a.u.，大π 鍵強(qiáng)度很??；T4d（e）的1C—9H（ρBCP是0.147 9 a.u.，?2ρ為負(fù)值）的共價鍵尚未斷裂，其4元環(huán)結(jié)構(gòu)1C—9H—8O—6C的ρRCP是0.088 0 a.u.，π 鍵強(qiáng)度較大。但T4·5H2O·（H2O）2md（e）產(chǎn)生的能壘并沒比T4d（e）產(chǎn)生的能壘高很多，原因是過渡態(tài)八元環(huán)結(jié)構(gòu)存在3 條氫鍵1C—9H—34O、34O—36H—37O和37O—30H—8O。

計(jì)算表明，水溶劑效應(yīng)使此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘小幅下降到153.1 kJ·mol-1，原因同于2.2.1的討論。

第5 基 元，I4·5H2Od（e）經(jīng) 過 渡 態(tài)T5·5H2Od（e），亞甲基15H—4C—14H 左右翻轉(zhuǎn)，從N、C、O 所在平面的左側(cè)對稱地翻轉(zhuǎn)到右側(cè)，異構(gòu)成I5·5H2Od（e）。從I2·5H2Oc到T3·5H2Oc，二面角2N—3C—4C—5C 從40.2°減小到-0.4°，T5·5H2Od（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是9.0 kJ·mol-1。這與T5d（e）產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘10.2 kJ·mol-1比較，變化很小，水分子與Cu2+的配位對R-基的形變能壘影響可以忽略。

計(jì)算表明，水溶劑化效應(yīng)使此基元反應(yīng)的能壘 小 幅 下 降 到8.2 kJ·mol-1，原 因 同 于2.2.1 的討論。

第6基元，與第4基元對稱，I5·5H2O·（H2O）2nd（e）經(jīng)過渡態(tài)T6·5H2O·（H2O）2nd，質(zhì)子在紙面里側(cè)從8O 凈遷移到1C，異構(gòu)成R-I6·5H2O·（H2O）2nd，S-I3·5H2Od（e）實(shí)現(xiàn)對映異構(gòu)。T6·5H2O·（H2O）2nd產(chǎn)生的能壘是88.8 kJ·mol-1。

計(jì)算表明，水溶劑效應(yīng)使此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘小幅下降到60.9 kJ·mol-1，原因同于2.2.1 的討論。

結(jié)合勢能面圖8 和圖4 可知，水分子（簇）的作用使S-Pro·Cu（Ⅱ）在d 通道對映異構(gòu)反應(yīng)的活化能升高到222.3 kJ·mol-1（162.3 kJ·mol-1+60.0 kJ·mol-1=222.3 kJ·mol-1），水溶劑效應(yīng)使S-Pro·Cu（Ⅱ）在d通道對映異構(gòu)反應(yīng)的活化能降到153.1 kJ·mol-1。

圖8 水分子（簇）及水溶劑效應(yīng)作用下S-Pro·Cu（Ⅱ）在d通道對映異構(gòu)主要過程的勢能面Fig.8 The potential energy surface of the main process of S-Pro·Cu(Ⅱ)enantiomerization in channel d under the effect of water molecule(cluster)and aqueous solvent

綜合前面的討論可知，水汽相下c 通道最具優(yōu)勢，反應(yīng)活化能是143.7 kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使活化能降到89.9 kJ·mol-1；d 為亞優(yōu)勢通道，反應(yīng)活化能是222.3 kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使活化能降到153.0 kJ·mol-1。143.7 kJ·mol-1接近極限反應(yīng)能壘160.0 kJ·mol-1［24］，89.9 kJ·mol-1接近溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ·mol-1［24］，說明水汽相環(huán)境下S-Pro·Cu2+不容易對映異構(gòu)，水液相環(huán)境下S-Pro·Cu2+容易對映異構(gòu)。

3 結(jié)論與展望

在MN15/6-311++G（2df，pd）// M06/6-311+G（d，p）和MN15/SMD/6-311++G（2df，pd）// M06/SMD/ 6-311+G（d，p）雙水平對氣相Pro·Cu2+的穩(wěn)定構(gòu)象、對映異構(gòu)機(jī)制、水分子（簇）的作用及水溶劑效應(yīng)進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）Cu2+與羰基O 單齒配位的Pro·Cu2+構(gòu)象最穩(wěn)定。

（2）Pro·Cu2+的對映異構(gòu)可在α-H 直接以O(shè)、Cu2+、N 為橋遷移和Cu2+與羰基O 雙齒配位后α-H以O(shè) 為橋、O 和N 聯(lián)合為橋遷移5 個通道a、b、c、d和e實(shí)現(xiàn)。

（3）孤立的Pro·Cu2+在b 和c 通道的對映異構(gòu)具有優(yōu)勢，反應(yīng)活化能分別是153.4 和160.3 kJ·mol-1。

（4）水汽環(huán)境下c 通道最具優(yōu)勢，反應(yīng)活化能是143.7 kJ·mol-1，水溶劑效應(yīng)使反應(yīng)活化能降到89.9 kJ·mol-1。

結(jié)果表明：Pro·Cu2+在氣固相及水汽相能很好地保持其手性特征，在水液相下容易對映異構(gòu)，不能用于生命體同補(bǔ)脯氨酸和二價銅離子。

期待雙脯氨酸及三脯氨酸螯合二價銅在水液相下能較好地保持其手性特征，可安全地用于生命體同補(bǔ)脯氨酸和二價銅離子，相關(guān)工作正在進(jìn)行中。