錢(qián) 研，張雪嬌，劉 芳，陳靜思，叢建民，馬宏源，王佐成

(1.白城師范學(xué)院 傳媒學(xué)院，吉林 白城 137000；2.白城師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林 白城 137000；3.白城醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校 臨床醫(yī)學(xué)系，吉林 白城 137000；4.白城師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 137000)

α-丙氨酸(α-alanine,α-Ala)是蛋白質(zhì)的基本單元，生物體內(nèi)的重要配體.根據(jù)旋光性分為左α-丙氨酸(L-α-Ala)和右α-丙氨酸(D-α-Ala)，根據(jù)構(gòu)型可分為S型α-丙氨酸(S-α-Ala)和R型α-丙氨酸(R-α-Ala).生命體內(nèi)L-α-Ala是優(yōu)構(gòu)體，有生物活性，D-α-Ala是劣構(gòu)體，過(guò)量的D-α-Ala存在于生命體會(huì)導(dǎo)致衰老以及某些疾病[1-3].鎂是生命體內(nèi)宏量金屬元素，常以二價(jià)陽(yáng)離子Mg2+的形式存在，氨基酸Mg2+螯合物參與蛋白質(zhì)的合成和多種酶促反應(yīng)[4-5].有研究[6]表明，氨基酸Mg2+螯合物具有很好的穩(wěn)定性，水液相下的兩性氨基酸與Mg2+螯合物的穩(wěn)定性好于中性氨基酸Mg2+螯合物.

α-Ala的手性特征使其金屬離子配合物也具有手性，旋光性不同的手性分子可能具有截然不同的生物效應(yīng).某種旋光性的手性分子對(duì)生命體具有生物活性，但其手性對(duì)映體則無(wú)用甚至有害，因此，對(duì)手性分子消旋反應(yīng)的研究極為重要.

基于手性分子旋光異構(gòu)的重要性，課題組對(duì)α-Ala的穩(wěn)定性及其金屬配合物旋光異構(gòu)進(jìn)行了大量的研究.密度泛函理論研究表明，氣相α-Ala中性的構(gòu)象穩(wěn)定，具有氨基和羧基間單氫鍵的α-Ala構(gòu)象最穩(wěn)定，通常不能消旋；水分子(簇)的催化可使氣相α-Ala微量消旋；水液相環(huán)境下兩性α-Ala構(gòu)象最穩(wěn)定，分布占優(yōu)勢(shì)，可少量地消旋；氫氧根離子對(duì)水液相下兩性α-Ala消旋反應(yīng)有促進(jìn)作用，質(zhì)子的存在會(huì)加速其消旋[7-11].量子力學(xué)與分子力學(xué)的研究表明，氮化硼納米管對(duì)α-Ala消旋的限域催化作用隨管徑的減小而增加，限域在MOR分子篩內(nèi)的α-Ala在羥自由基水分子簇的作用下可緩慢的消旋[12-13].密度泛函理論研究[14-22]表明，氣相的α-Ala與Cu2+、Ca2+、Na+、Zn2+、Mg2+及Fe2+的配合物很難消旋，可以很好地保持它們的手性特征；水液相下兩性α-Ala與Zn2+配合物只能痕量地消旋，可安全地用于生命體，實(shí)現(xiàn)鋅與丙氨酸同補(bǔ).目前對(duì)水液相下α-Ala·Mg2+旋光異構(gòu)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，為揭示α-Ala·Mg2+在水液相下的旋光異構(gòu)機(jī)理，說(shuō)明α-丙氨酸鎂用于生命體補(bǔ)鎂與丙氨酸是否安全，基于以往的研究經(jīng)驗(yàn)[14-22]，采用密度泛函理論研究了水液相環(huán)境下α-Ala·Mg2+配合物的旋光異構(gòu).

1 研究與計(jì)算方法

采用對(duì)處理含主族金屬和弱作用體系具有較高精度的雜化泛函M06-2X[23]，水溶劑效應(yīng)采用SMD模型[24]方法處理，在6-311+G(d,p)基組下優(yōu)化了單重態(tài)(計(jì)算表明本研究體系在單重態(tài)最穩(wěn)定)勢(shì)能面上的穩(wěn)定點(diǎn)和過(guò)渡態(tài)的結(jié)構(gòu)(吉布斯自由能熱校正溫度是298.15K，壓強(qiáng)是1個(gè)大氣壓)；對(duì)搜索的過(guò)渡態(tài)[25]進(jìn)行IRC(內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo))計(jì)算[26]，以確認(rèn)過(guò)渡態(tài)的可靠性.為得到可靠的反應(yīng)過(guò)程自由能勢(shì)能面并兼顧計(jì)算成本，在SMD/M06-2X/6-311++G(3df,2pd)水平計(jì)算單點(diǎn)能.總吉布斯自由能是吉布斯自由能熱校正和單點(diǎn)能之和.S-α-Ala與Mg2+的配合物S-α-Ala·Mg2+記作S-A·Mg；S-A·Mg在c通道異構(gòu)的第2個(gè)S-型過(guò)渡態(tài)配合物記作S-T2c，第2個(gè)S-型中間體配合物記作S-I2c，a和b通道共用的結(jié)構(gòu)X標(biāo)記為Xa(b)，5個(gè)水分子與S-I3c的Mg2+配位同時(shí)2聚水與S-I3c氫鍵作用的體系記作S-I3c←5H2O·(H2O)2，其它體系標(biāo)記法相似.計(jì)算采用Gaussian16[27]程序.

2 結(jié)果與討論

氣相下兩性α-丙氨酸Mg2+的構(gòu)象最穩(wěn)定[19]，水液相下α-丙氨酸兩性離子最穩(wěn)定[11]，本工作計(jì)算表明，水液相下兩性丙氨酸與Mg2+配合物的穩(wěn)定性也好于中性丙氨酸Mg2+配合物(后者相對(duì)于前者的能量是13.6kJ·mol-1)，并且它們之間可以相互轉(zhuǎn)化.因此，本工作只討論兩性丙氨酸Mg2+配合物在水液相環(huán)境下的旋光異構(gòu).優(yōu)化的兩性α-Ala與Mg2+配合物的手性對(duì)映體S-A·Mg和R-A·Mg見(jiàn)圖1.

研究表明，S-A·Mg可通過(guò)羰基氧和氨基氮聯(lián)合為橋、只以羰基氧為橋、質(zhì)子從質(zhì)子化氨基遷移到羰基氧后再以氨基氮為橋的氫遷移3種途徑實(shí)現(xiàn)旋光異構(gòu)，分別命名為a、b和c通道.水溶劑效應(yīng)有隱性水溶劑效應(yīng)和顯性水溶劑效應(yīng)兩種情況，對(duì)于H遷移反應(yīng)，既要考慮隱性水溶劑效應(yīng)，還要考慮顯性水溶劑效應(yīng){水分子(簇)做H遷移媒介，同時(shí)水分子還要與Mg配位}.為了獲得水液相下S-A·Mg全面而清晰的旋光異構(gòu)機(jī)理，下面對(duì)隱性水溶劑效應(yīng)和顯性水溶劑效應(yīng)分別經(jīng)行討論.

2.1 隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Mg的旋光異構(gòu)

a和b通道共用第1基元反應(yīng)，為使討論過(guò)程清晰，a和b通道放在一起討論，c通道單獨(dú)討論.

2.1.1S-A·Mg在a和b通道上的旋光異構(gòu)

a、b通道的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖2，反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面見(jiàn)圖3(第772頁(yè))的a線(xiàn)和b線(xiàn).

第1基元反應(yīng)(a、b通道共用)，S-A·Mg經(jīng)質(zhì)子在α-碳和羰基氧(11O)之間遷移的過(guò)渡態(tài)T1a(b)，13H沿過(guò)渡態(tài)矢量的正向從1C遷移到11O，構(gòu)象異構(gòu)成中間體I1a(b).從S-A·Mg到T1a(b)過(guò)程，1C—13H鍵長(zhǎng)從0.1091nm拉伸至0.1531nm，碳?xì)滏I1C—13H斷裂，骨架二面角6N—1C—4C—9C從120.8°變?yōu)?32.0°，9C—1C鍵右視順時(shí)針內(nèi)旋轉(zhuǎn)13.8°，這些變化需要很多的能量，導(dǎo)致T1a(b)產(chǎn)生了297.1kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘與氣相S-A·Mg旋光異構(gòu)此基元反應(yīng)的內(nèi)稟能壘297.5kJ·mol-1[19]相差無(wú)幾，在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為相等，說(shuō)明水溶劑對(duì)此基元反應(yīng)影響甚小.原因是S-A·Mg的偶極矩(9.0981D)與T1a(b)的偶極矩(10.9155D)基本相同，極性水溶劑對(duì)它們穩(wěn)定性的影響也基本相同.

接下來(lái)分為a和b兩個(gè)分通道.

a通道:

第2基元反應(yīng)，I1a(b)經(jīng)質(zhì)子在氨基氮和α-碳之間遷移的過(guò)渡態(tài)T2a，8H沿過(guò)渡態(tài)矢量的正向在紙面內(nèi)側(cè)從6N遷移到1C，構(gòu)象異構(gòu)成中間體R-I2a，至此S-A·Mg在a通道實(shí)現(xiàn)了旋光異構(gòu).從I1a(b)到T2a過(guò)程，6N—8H鍵長(zhǎng)從0.1026nm拉伸至0.1286nm，氮?dú)滏I6N—8H斷裂，需要較多的能量；骨架二面角6N—1C—4C—9C從180.0°變?yōu)?158.5°，α-碳1C從sp2雜化向sp3雜化過(guò)渡要釋放些能量，降低了T2a的能壘，最終T2a產(chǎn)生了190.5kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

接下來(lái)R-I2a的異構(gòu)分為a1和a2兩個(gè)分路徑，分別得到中性和兩性的R-型丙氨酸與Mg2+配合物.

a1分路徑:

第3基元反應(yīng)，R-I2a經(jīng)14Mg在羧基內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T3a1，14Mg沿過(guò)渡態(tài)矢量的正向從羧基內(nèi)側(cè)翻到羧基外側(cè)，構(gòu)型異構(gòu)成中間體R-I3a1.從R-I2a到T3a1過(guò)程，鍵角14Mg—10O—9C從98.2°變?yōu)?77.0°，R-I2a和R-T3a1相對(duì)于S-A·Mg的能量分別是100.1kJ·mol-1和99.8kJ·mol-1，在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為相等，R-T3a1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘可認(rèn)為是0.0kJ·mol-1，此基元反應(yīng)是無(wú)勢(shì)壘反應(yīng).

第4基元反應(yīng)，R-I3a1經(jīng)11O—9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)R-T4ma1或R-T4na1，11O—9C仰視順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，13H從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，構(gòu)型異構(gòu)成產(chǎn)物R-A*a1.從R-I3a到R-T4ma1過(guò)程，二面角13H—11O—9C—10O從-178.8°變?yōu)?2.1°，化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量很少，R-T4ma1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是38.9kJ·mol-1.相似的R-T4na1產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是39.8kJ·mol-1，不再贅述.

a2分路徑:

第3基元反應(yīng)，R-I2a經(jīng)9C—1C過(guò)渡態(tài)R-T3ma2或R-T3na2，9C—1C右視逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)成中間體R-I3a2.從R-I2a到R-T3ma2過(guò)程，二面角10O—9C—1C—6N從-0.6°變?yōu)?8.7°，9C—1C鍵右視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)89.3°，所需能量很少，R-T3ma2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是9.2kJ·mol-1.相似的R-T3na2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是12.1kJ·mol-1，不再贅述.

第4基元反應(yīng)，R-I3a2經(jīng)質(zhì)子在11O和6N之間遷移的過(guò)渡態(tài)R-T4a2，13H沿過(guò)渡態(tài)矢量的正向從11O遷移到6N，異構(gòu)成兩性丙氨酸二價(jià)鎂中間體配合物R-I4a2.從R-I3a2到R-T4a2，11O—13H從0.1007nm拉伸至0.1133nm斷裂，拉伸幅度很小，R-I3a2的11O—13H鍵已經(jīng)被活化(鍵長(zhǎng)是0.1007nm)，13H是逆著體系偶極矩的方向運(yùn)動(dòng)，體系的電場(chǎng)力還會(huì)助力13H向6N遷移，所以R-T4a2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘很微小，只有1.7kJ·mol-1，此基元反應(yīng)可視為無(wú)勢(shì)壘反應(yīng).

第5基元反應(yīng)，R-I4a2經(jīng)14Mg—10O—9C剪式運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡態(tài)R-T5a2，14Mg沿過(guò)渡態(tài)矢量的負(fù)向運(yùn)動(dòng)，異構(gòu)成產(chǎn)物R-A·Mga2.從R-I4a2到R-T5a2，鍵角14Mg—10O—9C從123.8°減小到115.9°，所需能量很少，R-T5a2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘只有2.7kJ·mol-1，此基元反應(yīng)可視為無(wú)勢(shì)壘反應(yīng).結(jié)構(gòu)分析表明，R-A·Mga2與S-A·Mg鏡像對(duì)稱(chēng)，S-A·Mg在a2分通道完成了旋光異構(gòu)，并且實(shí)現(xiàn)了手性對(duì)映體轉(zhuǎn)變.

b通道:

I1a(b)經(jīng)與T1a(b)鏡像對(duì)稱(chēng)的過(guò)渡態(tài)T2b，13H在紙面內(nèi)側(cè)沿過(guò)渡態(tài)矢量的正向從11O遷移到1C，異構(gòu)成R-A·Mgb.從I1a(b)到T2b，11O—13H從0.0966nm拉伸至0.1214nm，11O—13H鍵斷裂，T2b產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是182.3kJ·mol-1.該能壘小于T1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘，原因之一是氧氫鍵較碳?xì)滏I容易斷裂，原因之二是從I1a(b)到T2b過(guò)程，骨架二面角6N—1C—4C—9C從180.0°變?yōu)?132.0°，α-碳從sp2雜化向sp3雜化過(guò)渡要釋放些能量，降低了T2b的能壘.

從S-A·Mg在b通道的反應(yīng)歷程及勢(shì)能面可以看出，體系構(gòu)象及相對(duì)能量均關(guān)于I1a(b)對(duì)稱(chēng)，展現(xiàn)了S-A·Mg在b通道旋光異構(gòu)的對(duì)稱(chēng)美.

2.1.2S-A·Mg在c通道上的旋光異構(gòu)

c通道的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖4，反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能勢(shì)能面見(jiàn)圖3的c線(xiàn).

第1基元反應(yīng):S-A·Mg經(jīng)與R-T5a2鏡像對(duì)稱(chēng)的過(guò)渡態(tài)S-T1c，14Mg沿過(guò)渡態(tài)矢量的正向運(yùn)動(dòng)，異構(gòu)成中間體S-I1c.從S-A·Mg到S-T1c，配位鍵14Mg—11O斷裂，鍵角14Mg—11O—9C從88.0°增加到115.9°，這些變化使S-T1c產(chǎn)生了26.9kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

第2基元反應(yīng):S-I1c經(jīng)質(zhì)子在6N—10O間遷移的過(guò)渡態(tài)S-T2c，12H沿過(guò)渡態(tài)矢量的負(fù)向從6N遷移到10O，構(gòu)象異構(gòu)成為中間體S-I2c.從S-I1c到S-T2c，6N—12H鍵從0.1024nm拉伸至0.1409nm斷裂，氮?dú)滏I拉伸幅度不是很大，所需能量不多，S-T2c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是47.4kJ·mol-1.

第3基元反應(yīng):S-I2c經(jīng)10O—9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)S-T3mc或S-T3nc，12H俯視逆時(shí)針(或順時(shí)針)從羧基外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)，異構(gòu)成中間體S-I3c.此時(shí)氨基氮的正面裸露出來(lái)，電子云密度增大，為α-氫向其遷移創(chuàng)造了條件.從S-I2c到S-T3mc，二面角12H—10O—9C—11O從-179.2°變?yōu)?89.6°，10O—9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)89.6°，S-T3mc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是65.3kJ·mol-1，相似的S-T3nc產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是68.4kJ·mol-1.化學(xué)鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所需能量不多，但S-T3mc和S-T3nc產(chǎn)生了65.3kJ·mol-1和68.4kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘，原因之一是此基元反應(yīng)的12H是順著體系偶極矩的方向運(yùn)動(dòng)，體系的電場(chǎng)力會(huì)阻礙12H從羧基外側(cè)向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，原因之二是此基元反應(yīng)12H的旋轉(zhuǎn)還要克服來(lái)自6N的庫(kù)侖引力作用.

第4基元反應(yīng):S-I3c經(jīng)質(zhì)子在1C和6N間遷移的過(guò)渡態(tài)T4c，13H沿過(guò)渡態(tài)矢量的負(fù)方向在紙面外側(cè)從α-C遷移到氨基N，異構(gòu)成中間體I4c.從S-I3c到T4c，1C—13H鍵從0.1091nm拉伸至0.1282nm斷裂，骨架二面角6N—1C—4C—9C從124.1°變?yōu)?59.7°.化學(xué)鍵拉伸斷裂及骨架形變需要一定的能量，使T4c產(chǎn)生了218.2kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.

第5基元反應(yīng):I4c經(jīng)14Mg和12H在紙面內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的過(guò)渡態(tài)T5c，14Mg從紙面外翻轉(zhuǎn)到紙面內(nèi)(右側(cè)視圖是從左側(cè)翻轉(zhuǎn)到右側(cè))，12H從紙面內(nèi)翻轉(zhuǎn)到紙面外(右側(cè)視圖是從右側(cè)翻轉(zhuǎn)到左側(cè))，異構(gòu)成與I4c鏡像對(duì)稱(chēng)的中間體I5c.14Mg和11H在紙面內(nèi)外翻轉(zhuǎn)所需能量很小，T5c產(chǎn)生的正負(fù)反應(yīng)內(nèi)稟能壘都是3.5kJ·mol-1，此基元反應(yīng)可視為無(wú)勢(shì)壘反應(yīng)，I4c和I5c可以無(wú)阻礙的相互轉(zhuǎn)變.

第6基元反應(yīng):I5c經(jīng)質(zhì)子在1C和6N間遷移的過(guò)渡態(tài)T6c，7H沿過(guò)渡態(tài)矢量的負(fù)方向在紙面內(nèi)側(cè)從氨基N遷移到α-C，異構(gòu)成中間體R-I6c.從I5c到T6c，6N—7H鍵從0.1026nm拉伸至0.1263nm斷裂，化學(xué)鍵拉伸斷裂需要一定的能量，T6c產(chǎn)生了181.7kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘.該能壘小于T4c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘，原因有二，一是氮?dú)滏I較碳?xì)滏I易斷裂，二是從I5c到T6c，6N—1C—4C—9C從179.4°變?yōu)?159.7°，α-碳從sp2雜化向sp3雜化過(guò)渡要釋放些能量，降低了T6c的能壘.

第7基元反應(yīng):R-I6c經(jīng)過(guò)渡態(tài)R-T7mc(或R-T7nc)，實(shí)現(xiàn)了12H從羧基內(nèi)側(cè)向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，異構(gòu)成中間體R-I7c.從R-I6c到R-T7mc(或R-T7nc)，10O—9C內(nèi)旋轉(zhuǎn)89.3°(或88.2°)，所需能量較少，R-T7mc和R-T7nc產(chǎn)生的能壘分別是39.3kJ·mol-1和42.4kJ·mol-1.此能壘低于第3基元反應(yīng)的能壘，原因是此基元反應(yīng)的12H是逆著體系偶極矩的方向運(yùn)動(dòng)，體系的電場(chǎng)力會(huì)助力12H從羧基內(nèi)側(cè)向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，原因之二是此基元反應(yīng)6N的庫(kù)侖引力作用還會(huì)助力12H從羧基內(nèi)側(cè)向外側(cè)旋轉(zhuǎn).

結(jié)構(gòu)分析表明，R-I7c全同于R-I3a2，其接下來(lái)的異構(gòu)同于R-I3a2的異構(gòu)，最終得到的旋光異構(gòu)產(chǎn)物R-Ac(a2)與S-A·Mg鏡像對(duì)稱(chēng)，見(jiàn)2.1.1節(jié)a2路徑的討論，這里不再贅述.

縱觀(guān)S-A·Mg在c通道的旋光異構(gòu)歷程及勢(shì)能面，體系構(gòu)象及相對(duì)能量均關(guān)于T5c對(duì)稱(chēng)，展現(xiàn)了S-A·Mg在c通道旋光異構(gòu)的過(guò)程與內(nèi)在的對(duì)稱(chēng)美.

從圖3可以看出，S-A·Mg旋光異構(gòu)反應(yīng)的c通道具有優(yōu)勢(shì)，決速步驟的內(nèi)稟能壘是218.1kJ·mol-1(來(lái)自于過(guò)渡態(tài)T4c)，這低于氣相環(huán)境下S-A·Mg旋光異構(gòu)反應(yīng)的能壘297.5kJ·mol-1[19]，說(shuō)明水溶劑對(duì)S-A·Mg的旋光異構(gòu)具有很好的催化作用.S-A·Mg旋光異構(gòu)反應(yīng)的a和b通道處于劣勢(shì)，具有共同的決速步驟(第1基元反應(yīng))，決速步內(nèi)稟能壘是297.1kJ·mol-1(來(lái)自于過(guò)渡態(tài)T1a(b)).218.1kJ·mol-1已經(jīng)遠(yuǎn)高于化學(xué)反應(yīng)的極限能壘160.0kJ·mol-1[28]，這說(shuō)明隱性水溶劑效應(yīng)下S-A·Mg不能消旋.

2.2 顯性水溶劑效應(yīng)下S-A·Mg的旋光異構(gòu)

顯性水溶劑效應(yīng)是除了考慮水作為極性溶劑的作用，還要考慮水分子(簇)對(duì)體系的作用.對(duì)于質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，水分子(簇)可以作為傳遞質(zhì)子的媒介，會(huì)嚴(yán)重影響反應(yīng)的能壘.而對(duì)于非質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，水分子(簇)與底物的氫鍵和配位鍵的作用對(duì)反應(yīng)能壘的影響極小.為節(jié)省篇幅本節(jié)只討論水分子(簇)對(duì)各個(gè)反應(yīng)通道決速步驟的影響，為獲得可靠的決速步驟的反應(yīng)能壘，同時(shí)考慮水分子與鎂離子的配位作用.計(jì)算表明，2聚水和3聚水的催化作用差別較小，1個(gè)水分子的催化作用遠(yuǎn)小于2聚水和3聚水，為使問(wèn)題簡(jiǎn)便并節(jié)省篇幅，本節(jié)只對(duì)2聚水做氫遷移媒介的決速步驟進(jìn)行討論.

2.2.1 水分子(簇)對(duì)a和b通道決速步驟的影響

S-A·Mg在a和b通道旋光異構(gòu)決速步驟第1基元反應(yīng).水分子(簇)與底物S-A·Mg的作用有兩種，一是水分子與Mg2+形成配位鍵(為使問(wèn)題簡(jiǎn)便，不考慮水簇與Mg2+配位)，二是2聚水與S-A·Mg的13H及11O形成氫鍵.由于配位鍵強(qiáng)于氫鍵，水分子優(yōu)先與Mg2+形成配位鍵，配位飽和后，水簇再與S-A·Mg氫鍵作用.Mg2+的配位數(shù)最多可以是6，S-A·Mg的Mg2+與羰基O已經(jīng)是2配位，Mg2+再與4個(gè)水分子配位，形成S-A·Mg←4H2O.2聚水與S-A·Mg←4H2O的13H和11O氫鍵作用，同時(shí)與S-A·Mg←4H2O的水分子形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，記作S-A·Mg←4H2O·(H2O)2.2個(gè)水分子簇傳遞13H從1C向11O遷移的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖5，反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面見(jiàn)圖6的a線(xiàn)和b線(xiàn).

S-A·Mg←4H2O·(H2O)2經(jīng)過(guò)渡態(tài)S-T1a(b)←4H2O·(H2O)2，水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)破裂、質(zhì)子遷移和骨架形變協(xié)同進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從1C向11O的凈遷移，異構(gòu)成中間體I1a(b)←4H2O·(H2O)2.從S-T1a(b)←4H2O·(H2O)2的IRC可看出，S-T1a(b)←4H2O·(H2O)2是前過(guò)渡態(tài).從S-A·Mg←4H2O·(H2O)2到T1a(b)←4H2O·(H2O)2過(guò)程，1C—13H鍵長(zhǎng)從0.1092nm拉伸至0.1706nm斷裂，27O—29H鍵長(zhǎng)從0.0976nm拉伸至0.1216nm斷裂，30O—32H鍵長(zhǎng)從0.0973nm拉伸至0.1028nm斷裂；骨架二面角6N—1C—4C—9C從121.4°變?yōu)?40.9°；水分子29H—27O—28H與水分子25H—24O—26H之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)斷裂.這些變化使T1a(b)←4H2O·(H2O)2產(chǎn)生了148.7kJ·mol-1的內(nèi)稟能壘，該能壘遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于T1a(b)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘297.1kJ·mol-1，說(shuō)明水分子簇起了極好的催化作用.原因是過(guò)渡態(tài)T1a(b)←4H2O·(H2O)2八元環(huán)結(jié)構(gòu)的三條氫鍵的鍵角接近平角，氫鍵較強(qiáng)，導(dǎo)致過(guò)T1a(b)←4H2O·(H2O)2構(gòu)象的穩(wěn)定性較好.

2.2.2 水分子(簇)對(duì)c通道決速步驟的影響

S-A·Mg在c通道旋光異構(gòu)決速步驟是第4基元反應(yīng)，相似于前面的討論，首先S-I3c的14Mg與5個(gè)水分子配位(14Mg已與一個(gè)O配位)，配位飽和，形成S-I3c←5H2O.然后2個(gè)水分子簇再與6N和13H氫鍵作用，形成中間體反應(yīng)物配合物S-I3c←5H2O·(H2O)2.2聚水傳遞質(zhì)子從1C向6N遷移的歷程見(jiàn)圖7，反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面見(jiàn)圖6的c線(xiàn).

S-I3c←5H2O·(H2O)2經(jīng)過(guò)渡態(tài)T4c←5H2O·(H2O)2，3個(gè)質(zhì)子13H、32H和34H協(xié)同非同步遷移，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從1C向6N的凈遷移，異構(gòu)成中間體I4c←5H2O·(H2O)2.從T4c←5H2O·(H2O)2的構(gòu)象及其IRC路徑可以看出，T4c←5H2O·(H2O)2靠近反應(yīng)物，是前過(guò)渡態(tài).

從S-I3c←5H2O·(H2O)2到T4c←5H2O·(H2O)2，1C—13H鍵從0.1098nm拉伸至0.1695nm斷裂，30O—32H鍵從0.0981nm拉伸至0.1026nm斷裂，33O—34H鍵長(zhǎng)從0.0991nm拉伸至0.0997nm；骨架二面角6N—1C—2C—10C從125.9°變?yōu)?65.9°；30O—23H及30O—20H間的氫鍵斷裂.多個(gè)共價(jià)鍵和氫鍵拉伸斷裂及骨架形變需要一定的能量，T4c←5H2O·(H2O)2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘是145.1kJ·mol-1.與前面隱性溶劑效應(yīng)下此基元過(guò)渡態(tài)T4c產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘218.1kJ·mol-1相比顯著降低，說(shuō)明二聚水對(duì)此基元起了極好的催化作用.T4c←5H2O·(H2O)2產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘與水液相下丙氨酸旋光異構(gòu)過(guò)程此基元(決速步驟)的內(nèi)稟能壘(約110.0kJ·mol-1[10])相比顯著增加，說(shuō)明Mg2+的配位對(duì)此基元反應(yīng)有負(fù)催化作用.

從圖6可以得到:水液相下的水分子(簇)作用下，理論上S-A·Mg在c通道上的旋光異構(gòu)略具優(yōu)勢(shì)，決速步的吉布斯自由能壘是143.0kJ·mol-1，a和b通道上的旋光異構(gòu)略顯遜色，決速步的吉布斯自由能壘是148.7kJ·mol-1(在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為相等).S-A·Mg消旋反應(yīng)的決速步能壘143.0kJ·mol-1，接近化學(xué)反應(yīng)不能實(shí)現(xiàn)的極限能壘167.0kJ·mol-1[28]，遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)能壘80.0kJ·mol-1[28]，通常水液相下S-A·Mg的旋光異構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行的極其緩慢，因此在生命體內(nèi)α-丙氨酸的二價(jià)鎂鹽只能微量或痕量地消旋，可安全地用于生命體補(bǔ)充Mg2+和丙氨酸.

3 結(jié) 論

在SMD/M06-2X/6-311++G(3df,2pd)∥SMD/M06-2X/6-311+G(d,p)雙水平，研究了水液相下兩性α-Ala(丙氨酸)與Mg2+配合物的旋光異構(gòu)，得到如下結(jié)論:

1) α-Ala·Mg2+的旋光異構(gòu)反應(yīng)可在質(zhì)子分別以羰基氧和氨基氮為橋遷移、質(zhì)子只以羰基氧為橋遷移和質(zhì)子以氨基氮為橋遷移的3個(gè)通道a、b、c實(shí)現(xiàn).

2) 隱性水溶劑效應(yīng)下α-Ala·Mg2+在c通道的旋光異構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)，決速步能壘是218.1kJ·mol-1，a和b通道處于劣勢(shì)，具有共同的決速步能壘297.1kJ·mol-1.

3) 顯性水溶劑效應(yīng)(考慮水分子的作用)下各個(gè)通道的決速步能壘基本相同，大概在143.0至148.7kJ·mol-1之間.

結(jié)果表明:水液相下S-A·Mg的旋光異構(gòu)進(jìn)行的極其緩慢，在生命體內(nèi)α-丙氨酸的二價(jià)鎂鹽只能微量或痕量地消旋，可安全地用于生命體補(bǔ)充Mg2+和丙氨酸.