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(jì)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)高等專科學(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(zhǎng)-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(jìn)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(yíng)養(yǎng)素,氨基酸銅配合物具有抑制細(xì)菌生長(zhǎng)、增強(qiáng)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(jià)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[3]。Cu2+氨基酸配合物已部分用于臨床,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[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(duì)映異構(gòu)體在代謝過(guò)程、活性及毒性等方面多數(shù)存在差異,往往是一個(gè)有效,而另一個(gè)有負(fù)作用[5-6]。藥物分子的優(yōu)構(gòu)體是否會(huì)轉(zhuǎn)化成劣構(gòu)體以及轉(zhuǎn)化的速率,會(huì)嚴(yán)重影響到優(yōu)構(gòu)體的療效及人們的健康。L-脯氨酸二價(jià)銅手性反轉(zhuǎn)的研究,對(duì)安全利用脯氨酸銅為生命體補(bǔ)充脯氨酸和二價(jià)銅離子具有重要意義。

對(duì)脯氨酸鈣手性反轉(zhuǎn)的理論研究已經(jīng)開(kāi)展,文獻(xiàn)[7-8]的研究表明,氣相脯氨酸鈣難以消旋,水分子簇對(duì)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(duì)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(wú)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(yàn),本工作對(duì)水液相下Pro·Cu2+配合物的手性反轉(zhuǎn)反應(yīng)進(jìn)行了理論研究。

1 計(jì)算方法及模型選取

2 結(jié)果與討論

計(jì)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(méi)有分子內(nèi)單氫鍵(羧基是順式結(jié)構(gòu))的Pro·Cu2+的相對(duì)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(duì)映體見(jiàn)圖1。

圖1 水液相下Pro·Cu2+手性對(duì)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(duì)映異構(gòu)由H質(zhì)子(或H負(fù)離子)遷移以及二面角異構(gòu)過(guò)程實(shí)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(gè)水分子與金屬離子配位對(duì)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(shí)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(méi)參與反應(yīng)的水分子(簇)對(duì)反應(yīng)能壘影響較小[23];水分子與金屬的配位對(duì)非氫遷移過(guò)程的能壘影響較小,對(duì)氫遷移過(guò)程的能壘影響可能較大[7-8]。因此,只對(duì)氫遷移過(guò)程討論水分子的配位作用,對(duì)非氫遷移過(guò)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(dòng)態(tài)配位鍵,金屬滿配的配合物分布并不占優(yōu)勢(shì)[24]。計(jì)算表明,Pro·Cu2+的Cu2+與1個(gè)H2O配位時(shí)的配合物分布最高,因此,本工作只考察1個(gè)H2O與Pro·Cu2+的Cu2+配位。下文對(duì)S-Pro·Cu2+在a、b、c、d和e通道的對(duì)映異構(gòu)分別進(jìn)行討論。

2.1 S-Pro·Cu2+在a、b和c通道的對(duì)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(duì)映異構(gòu)公用的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖2(見(jiàn)第 474頁(yè)),反應(yīng)過(guò)程中各物種的相對(duì)吉布斯自由能面見(jiàn)圖3(見(jiàn)第 474頁(yè))。

圖2 S-Pro·Cu2+在a、b和c通道手性反轉(zhuǎn)過(guò)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(jì)算表明,由于氨基與羰基間的空間較小,此H遷移過(guò)程是1個(gè)H2O比2個(gè)H2O做媒介的能壘小,只討論1個(gè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)的過(guò)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(shí)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(guò)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(guò)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(jiàn)圖4,反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能面見(jiàn)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(diǎn)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(jìn)行的過(guò)渡態(tài)T4←H2O·(H2O)2ma,實(shí)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(guò)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(fù)值,C1—H11的共價(jià)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(fù)值變?yōu)檎?O25—H26共價(jià)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(fù)值變?yōu)檎?O22—H23共價(jià)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(qiáng),T4←H2O·(H2O)2ma是環(huán)形過(guò)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(jì)算表明T4←H2O·(H2O)2ma是后過(guò)渡態(tài)。勢(shì)能面計(jì)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(guò)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(duì)映異構(gòu)(I5a和I4a鏡像對(duì)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(guò)氫鍵和π氫鍵作用形成的絡(luò)合物I5←H2O·(H2O)2na,經(jīng)過(guò)渡態(tài)T6←H2O·(H2O)2na,實(shí)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(shí)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(fù)值,N2—H10的共價(jià)鍵稍有增強(qiáng);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(fù)值,O22—H24的共價(jià)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(fù)變?yōu)檎?O25—H26共價(jià)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(qiáng),T6←H2O·(H2O)2na是環(huán)形過(guò)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(dòng)頻率(3 926.3 cm-1)大于S-I3←H2O·(H2O)2ma的C1—H11的紅外振動(dòng)頻率(3 034.1 cm-1),從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma過(guò)程,C1—H11是共價(jià)鍵變?nèi)?并未斷裂),而從I5←H2O·(H2O)2na到T6←H2O·(H2O)2na是O25—H26共價(jià)鍵斷裂;二是I5←H2O比S-I3←H2O的骨架共面程度高,形成了相對(duì)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(duì)的過(guò)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(duì)稱。R-I6a經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)稱。R-I7a經(jīng)O8—H9俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的過(guò)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(guò)程,二面角H9—O8—C6—O7從-0.6°變?yōu)?88.8°,O8—C6俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)88.2°,同時(shí)C6—C1右視逆時(shí)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(yùn)動(dòng),體系的電場(chǎng)力做正功。

第9基元反應(yīng),此基元與第1基元對(duì)稱。R-I8←H2O·H2Oa過(guò)渡態(tài)R-T9←H2O·H2Oa,實(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)映異構(gòu),亦即S-Pro·Cu(Ⅱ)實(shí)現(xiàn)了對(duì)映異構(gòu)。從R-I8←H2O·H2Oa到R-T9←H2O·H2Oa過(guò)程,O8—H9鍵從0.099 6 nm拉伸至0.122 9 nm,關(guān)鍵點(diǎn)的?2ρ＜0,共價(jià)鍵減弱;O22—H23鍵從0.099 1 nm拉伸至0.104 5 nm,關(guān)鍵點(diǎn)的?2ρ＜0,共價(jià)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(guò)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(yuǎn)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(jià)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(guò)程是,經(jīng)過(guò)第4和第5兩個(gè)基元反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從α-C向羰基氧O7的遷移,經(jīng)過(guò)第7和第8兩個(gè)基元反應(yīng)實(shí)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(xì)討論。b通道專屬的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖5,反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能面見(jiàn)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(zhǎng)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(guò)渡態(tài)T4←H2O·(H2O)2mb,實(shí)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(fù)值,C1—H11的共價(jià)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(qiáng),過(guò)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(gè)共價(jià)鍵變?nèi)?而從S-I3←H2O·(H2O)2ma到T4←H2O·(H2O)2ma是1個(gè)共價(jià)鍵變?nèi)酢?個(gè)共價(jià)鍵斷裂。

第5基元反應(yīng),I4←H2O·(H2O)2mb經(jīng)過(guò)渡態(tài)T5←H2O·(H2O)2mb,實(shí)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(fù)值,共價(jià)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(guò)渡態(tài)T6b,異構(gòu)成中間體I6b。此基元完成了I5b的對(duì)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(guò)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(guò)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(jì)算表明,此過(guò)程是O7—H11共價(jià)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(chǎng)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(zhǎng)為532 nm，暴露時(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)組股神經(jīng)皮支和肌支經(jīng)去細(xì)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(guò)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(shí)現(xiàn)手性轉(zhuǎn)變。從I7←H2O·(H2O)2nb到T8←H2O·(H2O)2nb過(guò)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(jì)算表明,此過(guò)程共價(jià)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(lái)的異構(gòu)過(guò)程同于R-I6a的異構(gòu),最后得到S-Pro·Cu(Ⅱ)的手性對(duì)映體,見(jiàn)a通道的7、8、9基元。

從圖3(見(jiàn)第 474頁(yè))可以看出,S-Pro·Cu(Ⅱ)在a通道實(shí)現(xiàn)手性對(duì)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(lái)自于質(zhì)子從氨基N向α-C遷移的過(guò)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(shí)現(xiàn)手性對(duì)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(lái)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(guò)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(guò)程是,經(jīng)過(guò)第5和第6兩個(gè)基元反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子從α-C向Cu18的遷移,經(jīng)過(guò)第9和第10兩個(gè)基元反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子在紙面里從Cu18向α-C的遷移,給予詳細(xì)討論。c通道專屬的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖6,反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能面見(jiàn)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(zhǎng)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(guò)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(guò)氫鍵和配位鍵作用形成的絡(luò)合物S-I4←H2O·(H2O)2c,經(jīng)過(guò)渡態(tài)T5←H2O·(H2O)2c,實(shí)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(fù)值,C1—H11的共價(jià)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(qiáng),過(guò)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(jì)算表明T5←H2O·(H2O)2c是前過(guò)渡態(tài)。

第6基元,I5←H2O·(H2O)2c經(jīng)過(guò)渡態(tài)T6←H2O·(H2O)2c,實(shí)現(xiàn)了H負(fù)離子H27(NBO電荷的自旋密度計(jì)算表明是H負(fù)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(guò)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(fù)值變?yōu)檎?O22—H24共價(jià)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(fù)值變?yōu)檎?O25—H27共價(jià)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(fù)值,C1—C6共價(jià)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(jì)算表明T6←H2O·(H2O)2c是后過(guò)渡態(tài)。

第7基元,I6←H2Oc經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)稱。

第9基元,此基元與第6基元鏡像對(duì)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(guò)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(guò)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(fù)),Cu18—H11從離子鍵變?yōu)楣矁r(jià)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(jì)算表明,O25—H26的共價(jià)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(guò)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(shí)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(jì)算表明,O22—H24共價(jià)鍵由強(qiáng)變?nèi)?O25—H26共價(jià)鍵從較弱到斷裂。此過(guò)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(duì)稱。R-I10c經(jīng)Cu18在羧基內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的過(guò)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(lái)R-I11c的異構(gòu)過(guò)程同于R-I6a的異構(gòu),最后得到S-Pro·Cu(Ⅱ)的手性對(duì)映體,見(jiàn)a通道的7、8、9基元。

從圖3(見(jiàn)第 474頁(yè))和圖7(見(jiàn)第 479頁(yè))的勢(shì)能面可以看出,S-Pro·Cu2+在c通道實(shí)現(xiàn)手性對(duì)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(lái)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(jìn)行的過(guò)渡態(tài)。

2.2 S-Pro·Cu2+在d和e通道的對(duì)映異構(gòu)

1個(gè)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(duì)映異構(gòu)的反應(yīng)歷程見(jiàn)圖8,反應(yīng)的勢(shì)能面見(jiàn)圖9(見(jiàn)第 482頁(yè))。

圖8 S-Pro·Cu2+在d和e通道手性反轉(zhuǎn)的反應(yīng)歷程(鍵長(zhǎng)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(guò)渡態(tài)T1←H2O·(H2O)2md(e),實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子(NBO計(jì)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(fù)值,共價(jià)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(fù)值變?yōu)檎?O22—H24的共價(jià)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(fù)值變?yōu)檎?C1—H11的共價(jià)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(qiáng),過(guò)渡態(tài)成環(huán)形。共價(jià)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(yuǎn)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(guò)渡態(tài)比b通道的第4基元的反應(yīng)物到過(guò)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(guò)渡態(tài)T2d(e),異構(gòu)成I2d(e),完成了I1d(e)的對(duì)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(duì)稱,I2←H2O·(H2O)2nd經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)手性對(duì)映體反轉(zhuǎn)異構(gòu)。從I2←H2O·(H2O)2nd到T3←H2O·(H2O)2n過(guò)程,O7—H11鍵長(zhǎng)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(guò)程主要是O22—H24共價(jià)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(guò)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(guò)程,N2—H9鍵長(zhǎng)0.104 3 nm沒(méi)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(guò)程只是一個(gè)共價(jià)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(shí)針旋轉(zhuǎn)的過(guò)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(guò)與R-T9←H2O·H2Oa相同的過(guò)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(shí)現(xiàn)手性對(duì)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(lái)自于質(zhì)子從α-C向羰基O遷移的過(guò)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(duì)水液相下S-Pro·Cu2+的對(duì)映體異構(gòu)機(jī)制進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)。

2)反應(yīng)通道a最具優(yōu)勢(shì),決速步能壘是121.4 kJ·mol-1,能壘來(lái)自于質(zhì)子從氨基N向α-C遷移的過(guò)渡態(tài);反應(yīng)通道b為亞優(yōu)勢(shì),決速步能壘是136.2 kJ·mol-1,該能壘來(lái)自于雙水合質(zhì)子中間體的H質(zhì)子向羰基O遷移的過(guò)渡態(tài)。c、d和e通道均為劣勢(shì)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(gè)通道實(shí)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(bǔ)脯氨酸和銅元素。