水液相环境下两性脯氨酸分子旋光异构的理论研究

Theoretical Study on Optical Isomerization of Amphoteric Proline Molecule in Aqueous-Liquid Environment

摘要

采用密度泛函理论的M06-2X方法结合自洽反应场理论的SMD模型方法，研究水液相下两性脯氨酸（Pro）分子的旋光异构，考察了Pro以氨基氮和羰基氧为氢迁移桥梁的旋光异构反应通道。势能面计算表明：Pro异构成中性亚氨基酸，羧羟基再旋转后，以氨基氮为氢迁移桥梁的反应通道最具优势，决速步的自由能垒是237.8 kJ·mol^-1；Pro异构成中性亚氨基酸后，以氨基氮为氢迁移桥梁的反应通道是亚优势通道，决速步的自由能垒是245.9 kJ·mol^-1；Pro直接以羰基氧为氢迁移桥梁的反应通道是季优势通道，决速步的自由能垒是250.6 kJ·mol^-1；Pro异构成中性亚氨基酸，再以羰基氧为氢迁移桥梁的反应通道是劣势通道，决速步的自由能垒是306.0 kJ·mol^-1。二聚水的催化使优势通道的决速步能垒降到101.9 kJ·mol^-1。

Abstract

To investigate the optical isomerization reaction channels of amphoteric proline (Pro) molecule with amino nitrogen and carbonyl oxygen as hydrogen migration bridges, the optical isomerization of the amphoteric Pro in the aqueous environment has been studied using the M06-2X method combined with the Slovation Model Density (SMD) model method based on self consistent reaction field theory. The potential energy surface shows that the reaction channel that uses amino nitrogen as a hydrogen migration bridge has the most advantages when Pro is isomerized to the neutral amino acid and after the carboxyl hydroxyl group rotated again, and the free energy barrier of the rate-determining step is 237.8 kJ·mol^-1. The reaction channel using amino nitrogen as a hydrogen migration bridge is a sub-dominant channel when Pro is isomerized to the neutral amino acid, and the free energy barrier of the rate- determining step is 245.9 kJ·mol^-1. The reaction channel of Pro directly uses carbonyl oxygen as a hydrogen migration bridge is a third advantage channel, and the free energy barrier of the rate-determining step is 250.6 kJ·mol^-1. The reaction channel that uses carbonyl oxygen as a hydrogen migration bridge is a disadvantaged channel when Pro is isomerized to the neutral amino acid with the free energy barrier of the rate-determining step is 306.0 kJ·mol^-1. The catalysis of dimerized water reduced the rate-determining step of the dominant channel to 101.9 kJ·mol^-1.

Graphical abstract

关键词

脯氨酸 / 旋光异构 / 密度泛函理论 / 自洽反应场理论 / 过渡态 / 能垒

Key words

proline / optical isomerization / density functional theory / self consistent reaction field theory / transient state / energy barrier

0　 引 言

脯氨酸（proline，Pro）是构成蛋白质的重要氨基酸，根据其构象可分为S-型脯氨酸（S-Pro）和R-型脯氨酸（R-Pro），根据旋光性可分为左旋体（L-Pro）和右旋体（D-Pro）。L-Pro在生命体内具有活性，是优构体，对促进胶原蛋白的合成及软骨修复具有积极作用。D-Pro可用于生化研究及食品甜味添加剂。在动物体内有少量的D-Pro存在，过量的D-Pro会对健康不利，但其来源并不十分清楚，一部分可能来自于左旋体的消旋^［1~5］。脯氨酸具有很好的催化作用，L-Pro是环境友好且廉价的催化剂，可以催化分子内不对称羟醛缩合反应^［6］，也可以催化分子间直接进行Aldol和Michael等反应，不对称诱导效果很好^［7~10］。

基于不同旋光性Pro的不同作用，人们对它进行了比较广泛的研究。文献［11，12］研究了气相下中性Pro构象的结构特性和光谱特性，发现亚氨基氮和羧基为分子内单氢键时，中性Pro构象最稳定。文献［13］对L-Pro的消旋进行了实验研究，发现L-Pro在乙酸、丙酸和正丁酸中，随温度的升高，消旋速度增加，正丁醛对L-Pro的消旋具有一定的催化作用。文献［14］对气相环境下中性Pro的消旋机理及水分子的作用进行了理论研究，发现气相下中性Pro的构象稳定，水分子簇的催化可使中性Pro少量地消旋。

文献［15，16］研究表明，两性的甘氨酸和丙氨酸在液相中最稳定。本文计算也表明，水液相下两性Pro构象的稳定性优于中性Pro构象的稳定性，生命体内大量的Pro是以两性离子的形式存在。以往Pro旋光异构的研究^［14］主要针对中性分子，不能很好地说明生命体内水液相下Pro旋光异构的机制。基于此，本文对水液相环境下Pro两性离子的旋光异构进行研究。期望本工作能给出生命体内存在右旋Pro一种科学合理的解释，为进一步研究水液相下羟基负离子、质子、羟自由基、金属离子以及纳米限域环境对Pro旋光异构的影响提供依据，同时使人们认识到Pro分子手性对映体转变过程与内在的对称美。

1　 研究与计算方法

采用对处理主族元素弱键作用体系有较好表现的杂化泛函M06-2X方法^［17］，结合自洽反应场理论的SMD模型^［18］方法，在6-311+G（d， p）基组下全优化水液相下S-Pro旋光异构反应单重态势能面上的驻点结构；通过对过渡态^［19］进行内禀反应坐标（IRC）计算^［20］，确认过渡态连接期望的稳定点。为得到比较可靠的反应过程势能面，兼顾计算成本，在6-311++G（3df， 2pd）高角动量基组水平下计算单点能。总吉布斯自由能用G_total=G_tc+E_SP计算（G_tc和E_SP分别是自由能热校正和单点能，在298.15 K和101 325 Pa自由能校正）。S-Pro在a通道异构的第3个S-型过渡态记作S-T3^a，第3个S-型中间体记作S-I3^a，a、b和c通道共用的结构X记作X^a（b，c）；在d通道上二聚水与S-Pro氢键作用的体系，记作S-Pro·（H₂O）₂^d，其他体系表示法相似。文中计算工作采用Gaussian16程序^［21］完成。

2　 结果与讨论

综合文献［11，15，16］优化得到水液相下最稳定的两性脯氨酸手性对映体S-Pro和R-Pro的构象，见图1。结构分析表明，最稳定的两性脯氨酸构象中羰基氧与氨基的一个氢存在较强的氢键；正视图S-Pro五元环中与α-碳相对的碳处于凹陷状态，R-Pro五元环中与α-碳相对的碳处于凸起状态，五元环与羧基负离子存在π-氢键。势能面计算表明，图1所示最稳定的两性脯氨酸构象较次稳定构象（正视图S-Pro五元环中与α-碳相对的碳处于凸起状态，R-Pro五元环中与α-碳相对的碳处于凹陷状态）的能垒低0.3 kJ·mol^-1，最稳定构象与次稳定构象可以共存，相互转化的能垒大约是10.0 kJ·mol^-1，近乎无势垒。为节约篇幅，本工作以图1所示的S-Pro为反应物，研究水液相下两性脯氨酸的旋光异构。

水液相下有隐性和显性水溶剂效应两种情况，非H迁移反应只需考虑隐性水溶剂效应，而H迁移反应则要同时考虑隐性与显性水溶剂效应（水分子（簇）做H迁移媒介）。为了获得水液相下S-Pro简洁、全面而清晰的旋光异构机理，同时探究水分子（簇）对H迁移反应的影响，对隐性水溶剂效应和显性水溶剂效应分别讨论。

2.1　隐性水溶剂效应作用下的S-Pro旋光异构

由于S-Pro五元环的3个亚甲基翻转异构可以在不同的基元反应实现，故S-Pro的旋光异构反应可以有多个差别不是很大的通道。为了展示Pro旋光异构过程构象变化与体系能量变化的对称美，并说明Pro旋光异构的复杂性，同时节约篇幅，本工作仅讨论如下4个通道a、b、c和d。a通道是S-Pro异构成中性亚氨基酸，羧基异构成顺式结构后，再以氨基氮为氢迁移桥梁的反应；b通道是S-Pro异构成中性亚氨基酸后，以氨基氮为氢迁移桥梁的反应；c通道是S-Pro异构成中性亚氨基酸后，再以羰基氧为氢迁移桥梁的反应通道；d通道是S-Pro直接以羰基氧为氢迁移桥梁的反应通道。具体反应历程见图2~图5，对应反应过程的势能面见图6。为节省篇幅，对a通道a1分通道和d通道进行较详细的讨论，对其他通道做一般讨论。

2.1.1　a通道

a通道的反应历程见图2，反应过程的势能面见图6A。

第1基元反应，为a、b、c通道共用。反应物两性的S-Pro，经质子在氨基氮和羰基氧间迁移的过渡态S-T1^a（b，c），11H沿过渡态虚频的振动矢量的负向从2N迁移到7O，异构成中性的中间体S-I1^a（b，c）。从S-Pro到S-T1^a（b，c）过程，2N—11H键从0.103 1 nm拉伸至0.133 8 nm，断裂。1个氮氢键的拉伸断裂所需能量不多，S-T1^a（b，c）产生的内禀能垒是22.9 kJ·mol^-1。

以下为a通道专属的反应。

第2基元反应。S-I1^a（b，c）经7O—6C内旋转的过渡态S-T2m^a（或S-T2n^a），7O—6C俯视逆时针（或顺时针）旋转，实现了羧基从反式结构向顺势结构的异构，异构成中间体S-I2^a。从S-I1^a（b，c）到T2m^a（或S-T2n^a）过程，7O—6C内旋转90.4°（或91.6°），化学键内旋转所需能量不多，S-T2m^a（或S-T2n^a）产生的内禀能垒是50.1（或51.7）kJ·mol^-1。

第3基元反应。S-I2^a经亚氨基氢在纸面内外翻转的过渡态S-T3^a，10H沿虚频的正向从纸面外侧翻转到纸面内，异构成中间体S-I3^a。S-I3^a的2N正面基本裸露，负电荷密度增加，接收来自于正面的质子的能力增加，为α-氢9H向其迁移创造了条件。从S-I2^a到S-T3^a过程，非骨架二面角10H—2N—3C—1C从-118.8°增加到-178.7°，非骨架形变所需能量较少，S-T3^a产生的内禀能垒仅19.4 kJ·mol^-1。

第4基元反应。S-I3^a经质子在1C—2N间迁移的过渡态T4^a，9H沿过渡态矢量的负方向从α-碳迁移到亚氨基氮，异构成中间体I4^a。从S-I3^a到T4^a过程，1C—9H键从0.109 1 nm拉伸至0.131 1 nm，断裂，骨架二面角2N—5C—1C—6C从123.5°增加到139.5°，碳氢键的拉伸断裂及骨架形变需很多能量，而T4^a的三元环结构很不稳定，故T4^a产生的内禀能垒是237.8 kJ·mol^-1。

接下来根据五元环的3个亚甲基翻转异构所在的基元反应不同分成a1和a2两个分通道。

1） a1分通道

第5基元反应。I4^a经五元环3个亚甲基翻转的过渡态T5^a1，亚甲基14H—4C—15H从凹陷状态变为凸起状态，异构成与I4^a镜像对对称的中间体I5^a1。从I4^a到T5^a1过程，二面角2N—3C—4C—5C从40.6°减小到0.6°，T5^a1产生的内禀能垒仅9.4 kJ·mol^-1。此基元反应可视为无势垒过程，能通过碰撞过程自发实现。I5^a1的二面角2N—3C—4C—5C是-40.6°，经此基元反应I4^a实现了镜像对称的异构，为S-Pro的手性对映体转变迈出了重要的一步。

第6基元反应。I5^a1经质子在1C—2N间迁移的过渡态T6^a1，10H在纸面内侧沿过渡态矢量的正方向从氨基氮迁移到α-碳，异构成R-型中间体R-I6^a1。至此，S-Pro实现了旋光异构。从I5^a1到T6^a1过程，2N—10H键从0.102 3 nm拉伸至0.121 4 nm，断裂，需要一定的能量，T6^a1产生的内禀能垒是151.9 kJ·mol^-1。此基元反应能垒小于第4基元的能垒，原因是氮氢键较碳氢键更容易断裂，且二面角2N—5C—1C—6C从179.5°变为-139.5°，α-碳从sp²杂化向sp³杂化过渡，体系会释放部分能量。

第7基元反应。R-I6^a1经亚氨基氢在纸面内外翻转的过渡态R-T7^a1，9H沿虚频的正向从纸面外侧翻转到纸面内，异构成中间体R-I7^a1。从R-I6^a1到R-T7^a1过程，非骨架二面角9H—2N—3C—1C从-120.8°增加到178.7°。与第3基元相似，非骨架形变所需能量较少，R-T7^a1产生的内禀能垒仅17.7 kJ·mol^-1。

第8基元反应。R-I7^a1经7O—6C内旋转的过渡态R-T8m^a1（或R-T8n^a1），7O—6C俯视逆时针（或顺时针）旋转，实现了羧基从顺势结构向反式结构的异构，异构成中间体R-I8^a1。与第2基元相似，R-T8m^a1和R-T8n^a1产生的内禀能垒不高，分别是40.6 kJ·mol^-1和42.2 kJ·mol^-1。

第9基元反应。R-I8^a1经质子在羰基氧和间氨基氮迁移到过渡态R-T9^a1，11H从7O迁移到2N，异构成产物R-Pro^a1，至此S-Pro实现了手性对映体转变。从R-I8^a1到R-T9^a1过程，7O—11H键从0.099 4 nm拉伸至0.117 7 nm，断裂，氧氢键的小幅拉伸所需能量很少，R-T9^a1产生的内禀能垒仅3.7 kJ·mol^-1。此基元正反应能垒等于第1基元负反应能垒，远小于第1基元正反应能垒。原因有二，一是从R-I8^a1到R-T9^a1过程，7O—11H键的拉伸幅度0.018 3 nm小于从S-Pro到S-T1^a（b，c）过程2N—11H键拉伸幅度0.029 9 nm；二是R-I8^a1的7O—11H键的伸缩振动频率（3 271.67 cm^-1）小于S-Pro的2N—11H键的伸缩振动频率（3 343.41 cm^-1）。

S-Pro在a1通道上的驻点构象及势能面关于T5^a1对称，展现了手性对映体转变的旋光异构过程美与内在美。

2） a2分通道

a2分通道的第5、6、7、8基元与a1分通道的第6、7、8、9基元相似，第9基元反应与a1分通道的第5基元相似，进行3个亚甲基翻转异构。

第5基元反应。I4^a经过渡态T5^a2，10H在纸面内侧从2N迁移到1C，异构成R-I5^a2，至此S-Pro实现了旋光异构。T5^a2产生的内禀能垒是150.4 kJ·mol^-1。

第6基元反应。R-I5^a2经亚氨基氢在纸面内侧外翻转的过渡态R-T6^a2，9H从纸面外侧翻转到纸面内，异构成中间体R-I6^a2。R-T6^a2产生的内禀能垒是18.7 kJ·mol^-1。

第7基元反应。R-I6^a2经7O—6C内旋转的过渡态R-T7m^a2（或R-T7n^a2），7O—6C俯视逆时针（或顺时针）旋转，异构成中间体R-I7^a2。R-T7m^a2和R-T7n^a2产生的内禀能垒是38.9 kJ·mol^-1和35.2 kJ·mol^-1。

第8基元反应。R-I7^a2经过渡态R-T8^a2，11H从7O迁移到2N，异构成中间体R-I8^a2。R-T8^a2产生的内禀能垒是7.5 kJ·mol^-1。

第9基元反应。R-I8^a2经五元环的3个亚甲基翻转的过渡态R-T9^a2，亚甲基14H—4C—15H从凹陷状态变为凸起状态，旋光异构成与S-Pro镜像对称的最稳定的产物R-Pro^a2。R-T9^a2产生的内禀能垒是10.4 kJ·mol^-1。

2.1.2　b通道

b通道的反应历程见图3，反应过程的势能面见图6B。

第1基元反应为a、b、c通道共用，同2.1.1节。

第2基元反应。与a通道的第3基元相似，S-I1^a（b，c）经亚氨基氢在纸面内外翻转的过渡态S-T2^b，10H从纸面外侧翻转到纸面内，异构成S-I2^b。S-T2^b产生的内禀能垒是22.4 kJ·mol^-1，略大于S-T3^a产生的内禀能垒19.4 kJ·mol^-1。原因是从S-I1^a（b，c）到S-T2^b，要克服来自于11H的空间位阻，而从S-I2^a到S-T3^a，11H无空间位阻。

第3基元反应。与a通道的第4基元相似，S-I2^b经T3^b，9H从α-碳迁移到亚氨基氮，异构成中间体I3^b。T3^b产生的内禀能垒是245.9 kJ·mol^-1，略大于T4^a产生的内禀能垒237.8 kJ·mol^-1。原因是从S-I2^b到T3^b，还要克服来自于11H的空间位阻。

五元环的3个亚甲基翻转异构所在的基元反应可以分成b1和b2两个分通道。

1） b1分通道

第4基元反应。与a1通道的第5基元相似，I3^b经T4^b1，亚甲基14H—4C—15H从凹陷状态变为凸起状态，异构成I4^b1。T4^b1产生的内禀能垒是10.3 kJ·mol^-1。

第5基元反应。与a1通道的第6基元相似，I4^b1经T5^b1，10H在纸面内侧从氨基氮迁移到α-碳，异构成中间体R-I6^a1。T5^b1产生的内禀能垒是151.1 kJ·mol^-1。

第6基元反应。与a1通道的第7基元相似，R-I6^a1经过渡态R-T6^b1，9H从纸面外侧翻转到纸面内，异构成中间体R-I6^b1。R-T6^b1产生的内禀能垒是4.8 kJ·mol^-1。结构分析表明R-I6^b1与R-I8^a1相似，R-I6^b1接下来的异构与R-I8^a1的异构相似，经R-T7^b1（与R-T9^a1相似），11H从7O迁移到2N，异构成产物R-Pro^a1（b1），至此S-Pro在b1通道实现了手性对映体转变。

S-Pro在b1通道上的驻点构象及势能面关于T4^b1对称，展现了手性对映体转变的旋光异构过程美与内在美。

2） b2分通道

第4基元反应。与b1通道第5基元相似，I3^b经T4^b2，10H在纸面内侧从氨基氮迁移到α-碳，异构成中间体R-I4^b2。T4^b2产生的内禀能垒是150.0 kJ·mol^-1。

第5基元反应。R-I4^b2经6C—1C键内旋转的过渡态R-T5^b2，异构成R-I5^b2。从R-I4^b2到R-T5^b2过程，6C—1C键右视顺时针旋转36.2°，化学键内旋转所需能量很少，R-T5^b2产生的内禀能垒仅5.5 kJ·mol^-1。

第6基元反应。R-I5^b2经7O—6C内旋转的过渡态R-T6m^b2（或R-T6n^b2）异构成R-I6^b2。化学键内旋转所需能量不多，R-T6m^b2和R-T6n^b2产生的内禀能垒是33.7和32.5 kJ·mol^-1。

第7基元反应。R-I6^b2经羧基内氢迁移的过渡态R-T7^b2，异构成R-I7^b2。从R-I6^b2到R-T7^b2，7O—11H键从0.097 1 nm拉伸至0.129 4 nm，断裂，氧氢键断裂需要一定的能量，R-T7^b2产生的内禀能垒是146.5 kJ·mol^-1。

第8基元反应。与a通道第3基元相似，R-I7^b2经亚氨基氢在纸面内侧外翻转的过渡态R-T8^b2，9H从纸面外侧翻转到纸面内，异构成中间体R-I8^b2。R-T8^b2产生的内禀能垒是19.2 kJ·mol^-1。结构分析表明，R-I8^b2与R-I6^a2完全相同，R-I8^b2之后的异构与R-I6^a2的异构相同，经过3个过渡态异构成R-Pro^b2，不再赘述。

2.1.3　c通道

c通道的反应历程见图4及图2的第一基元反应，反应过程的势能面见图6C。

第1基元反应为a、b、c通道共用，同2.1.1节。

第2基元反应。S-I1^a（b，c）经过渡态T2^c，9H从1C迁移到8O，异构成中间体I2^c。从S-I1^a（b，c）到T2^c过程，1C—9H键从0.1091 nm拉伸至0.152 7 nm，断裂，骨架二面角2N—1C—5C—6C从118.4°增加到130.2°，这些变化需要很大的能量，T2^c产生的内禀能垒是306.0 kJ·mol^-1。

第3基元反应。I2^c经过渡态T3m^c（或T3n^c），8O—6C内旋转，异构成中间体I3^c。T3m^c和T3n^c产生的内禀能垒分别是1.8和4.1 kJ·mol^-1。此基元反应的羧羟基旋转能垒远小于前面讨论的所有的羧羟基旋转能垒，原因是此基元的羧羟基旋转没有来自其他氢原子的空间位阻。

接下来I3^c的异构分为3个分通道。

1） c1分通道

第4基元反应。I3^c经过渡态T4^c1，11H从7O迁移到2N，异构成I4^c1。I3^c到T4^c1过程，7O—9H键从0.096 6 nm拉伸至0.123 0 nm，断裂，T4^c1产生的内禀能垒是53.6 kJ·mol^-1。

第5基元反应。I4^c1经过渡态T5^c1，11H从2N迁移到1C，异构成R-I5^c1。I4^c1到T5^c1过程，2N—11H键从0.102 4 nm拉伸至0.121 8 nm，断裂，T5^c1产生的内禀能垒是141.3 kJ·mol^-1。结构分析表明，R-I5^c1与R-I6^b2相似，R-I5^c1按R-I6^b2的异构历程异构成R-Pro^a2。

2） c2分通道

第4基元反应。I3^c经过渡态T4^c2，11H从7O迁移到6C，异构成I4^c2。I3^c到T4^c2过程，7O—11H键从0.096 6 nm拉伸至0.128 4 nm，断裂，又T4^c2的三元环结构不稳定，T4^c2产生了较高的内禀能垒（214.0 kJ·mol^-1）。

第5基元反应。I4^c2经过渡态T5^c2，11H从6C迁移到1C，异构成R-I5^c2。I4^c到T5^c2过程，6C—11H键从0.110 9 nm拉伸至0.132 3 nm，断裂，T5^c2产生的内禀能垒是53.4 kJ·mol^-1。此基元反应能垒较小，原因是I4^c2的6C—11H键已经被活化。

第6基元反应。与a2通道第9基元反应相似，R-I5^c2经五元环的3个亚甲基翻转的过渡态R-T6^c2，亚甲基14H—4C—15H从凹陷状态变为凸起状态，旋光异构成R-I6^c2，R-T6^c2产生的内禀能垒是5.5 kJ·mol^-1。结构分析表明，R-I6^c2与R-I6^b2相似，R-I6^c2按R-I6^b2的异构历程异构成R-Pro^a2。

3） c3分通道

第4基元反应。I3^c经过渡态T4^c3，9H从8O迁移到1C，异构成R-I4^c3。I3^c到T4^c3过程，8O—9H键从0.096 8 nm拉伸至0.125 0 nm，断裂，T4^c3产生的内禀能垒是216.5 kJ·mol^-1。

第5基元反应。R-I4^c3经过渡态R-T5^c3，10H从纸面外侧翻转到纸面内侧1C，异构成R-I5^c3。R-I5^c3产生的内禀能垒是6.4 kJ·mol^-1。

结构分析表明，R-I5^c3与R-I6^a2相似，R-I5^c3按R-I6^a2的异构历程异构到R-Pro^a2。

2.1.4　d通道

d通道的反应历程见图5，反应过程的势能面见图6C。

第1基元反应。S-Pro经过渡态T1^d，9H从1C迁移到8O，异构成中间体I1^d。从S-Pro到T1^d过程，1C—9H键从0.108 8 nm拉伸至0.147 8 nm，断裂，骨架二面角2N—1C—5C—6C从117.6°增加到119.7°，这些变化需要很多的能量，T1^d产生的内禀能垒是250.6 kJ·mol^-1。该能垒小于与此基元相似的c通道第2基元T2^c产生的内禀能垒（306.0 kJ·mol^-1），原因是此基元反应物到过渡态比c通道第2基元1C—9H键的拉伸和骨架2N—1C—5C—6C的形变更小。

第2基元反应。I1^d经五元环的3个亚甲基翻转的过渡态T2^d，亚甲基14H—4C—15H从凹陷状态变为凸起状态，异构成与I1^d镜像对称的中间体I2^d。与a1分通道第5基元反应相似，T2^d产生的内禀能垒是8.5 kJ·mol^-1，不再赘述。

第3基元反应。与c3分通道的第4基元反应相似，I2^d经过渡态T3^d，9H从8O迁移到1C，异构成R-Pro^d，S-Pro实现了旋光异构。从I2^d到T3^d过程，8O—9H键从0.096 6 nm拉伸至0.121 2 nm，断裂，T3^d产生的内禀能垒是133.0 kJ·mol^-1。

S-Pro在d通道的驻点及势能面关于T2^d对称，展现了手性对映体转变旋光异构过程美与内在美。

综合图6可以看出，a通道是最具优势通道，决速步是第4基元，能垒为237.8 kJ·mol^-1；b通道是亚优势通道，决速步是第3基元，能垒为245.9 kJ·mol^-1；d通道是季优势通道，决速步是第1基元，能垒为250.6 kJ·mol^-1；c通道是劣势通道，决速步是第2基元，能垒为306.0 kJ·mol^-1。从图6A还可以看出，a通道的a1分通道比a2分通道具有优势。由于能垒低于40.0 kJ·mol^-1的反应可以通过分子碰撞实现^［22］，能垒为80.0 kJ·mol^-1的反应可以温和地进行^［22］，结合图6可以看出，反应物会是S-Pro、S-I1^a（b，c）、S-I2^a、S-I3^a和S-I2^b共存，S-Pro的分布最高；产物主要是R-I8^a1、R-I6^a2、R-I7^a2、R-I8^a2、R-I7^b2、R-Pro共存，R-Pro^a（b，d）的分布最高。但237.8 kJ·mol^-1的能垒远高于极限反应能垒160.7 kJ·mol^-1［22］，这说明通常的隐性水溶剂效应下Pro分子具有稳定性。与气相下中性脯氨酸的旋光异构^［14］相比较，水液相下两性脯氨酸的旋光异构多以羧基氧和羧基碳联合做质子转移桥梁的反应通道。

2.2　显性水溶剂效应作用下的S-Pro旋光异构

对于非氢迁移反应，水分子（簇）的弱作用对反应能垒的影响极小，但对于氢迁移反应，水分子（簇）作氢迁移媒介会严重影响反应能垒。已有研究^{［17，24］}表明，对于α-碳和氨基氮之间以及α-碳和羰基氧之间的氢转移，二聚水和三聚水的催化作用差别较小。a通道（图7）与d通道（图8）的决速步很相似，计算表明，水分子（簇）作用下决速步能垒相差不大，c通道是劣势通道。为节省篇幅，仅对a与d通道二聚水做氢迁移媒介的决速步进行讨论。

2.2.1　a通道

二聚水作用下a通道决速步的反应历程见图7，反应势能面见图9。二聚水与S-I3的1C和2N氢键作用形成复合物S-I3·（H₂O）₂^a，S-I3·（H₂O）₂^a经过渡态T4·（H₂O）₂^a，实现了质子从α-碳向氨基氮的净迁移，异构成I4·（H₂O）₂^a。从S-I3·（H₂O）₂^a到T4·（H₂O）₂^a过程，1C—9H键从0.109 9 nm拉伸至0.133 5 nm，断裂，20H从18O迁移到21O，23H从21O迁移到2N，骨架二面角2N—5C—1C—6C从126.9°增加到128.9°，T4·（H₂O）₂^a产生了101.9 kJ·mol^-1的内禀能垒。该能垒远小于隐性溶剂效应下T4^a产生的内禀能垒237.8 kJ·mol^-1，说明水分子簇起了极好的催化作用。原因有三，一是水分子簇作用下此基元反应物的1C—9H键从0.109 1 nm增加到0.109 9 nm，碳氢键被活化；二是水分子簇作用下此基元反应物到过渡态的骨架形变很小；三是结构分析表明，水分子簇作用下此基元反应的过渡态七元环结构存在3条较强的氢键（1C—9H—18O、18O—20H—21O和21O—23H—2N的键角分别是173.9°、167.4°、156.5°），且七元环结构共面程度较好（9H—18O—20H—21O、18O—20H—21O—23H和20H—21O—23H—2N分别是8.1°、0.8°、20.2°），使过渡态T4·（H₂O）₂^a结构相对稳定。

2.2.2　d通道

二聚水作用下d通道决速步的反应历程见图8，反应势能面见图9。二聚水与S-Pro的1C和8O氢键作用形成的复合物是S-Pro·（H₂O）₂^d，S-Pro·（H₂O）₂^d经过渡态T1·（H₂O）₂^d，实现了质子从α-碳向羰基氧8O的净迁移，异构成I1·（H₂O）₂^d。从S-Pro·（H₂O）₂^d到T1·（H₂O）₂^d过程，1C—9H键从0.108 9 nm拉伸至0.133 7 nm，断裂，19H从18O迁移到21O，22H从21O迁移到8O，骨架二面角2N—5C—1C—6C从117.7°增加到120.2°，所有这些变化使T1·（H₂O）₂^d产生了133.7 kJ·mol^-1的内禀能垒。该能垒远小于隐性溶剂效应下T1^d产生的内禀能垒250.6 kJ·mol^-1，水分子簇起了极好的催化作用。原因与二聚水作用下a通道决速步的反应相似，不再赘述。T1·（H₂O）₂^d比T4·（H₂O）₂^a产生的内禀能垒大很多，原因是从S-Pro·（H₂O）₂^d到T1·（H₂O）₂^d过程，1C—9H键的伸长量大些；与T4·（H₂O）₂^a相比较，T1·（H₂O）₂^d的八元环结构共面程度较差，氢键作用较弱。

从图9可以看出，二聚水作用下两性脯氨酸在a通道的旋光异构反应最具优势，决速步能垒是101.9 kJ·mol^-1，该能垒高出温和反应能垒80.0 kJ·mol^-1［22］许多，但远低于极限反应能垒160.7 kJ·mol^-1［22］，说明水分子簇的催化可使水液相下的两性脯氨酸缓慢地消旋。因此，在生命体内Pro可以少量地旋光异构。与水汽环境中二聚水作用下中性脯氨酸旋光异构的决速步能垒122.6 kJ·mol^-1［14］相比较，水溶剂对此基元反应起了催化作用。

3　 结 论

采用密度泛函理论的M06-2X方法结合自洽反应场理论的SMD模型方法，研究了两性Pro的旋光异构，得到如下结论：1） Pro分子可通过以氨基氮和羰基氧为氢迁移媒介实现旋光异构；2） Pro异构成中性亚氨基酸，羧羟基再旋转后，以氨基氮为氢迁移桥梁的反应通道最具优势；3） 决速步骤是α-氢从α-碳向亚氨基氮迁移，决速步的吉布斯自由能垒是237.8 kJ·mol^-1，二聚水的催化使决速步的能垒降到101.9 kJ·mol^-1。结果表明，水液相下的脯氨酸在水分子簇的催化作用下可缓慢地消旋。为使Pro旋光异构以较快的速率进行，尚需选择新的催化剂。为了安全地使用左旋Pro，需要降低左旋Pro的消旋速度，选择Pro消旋反应的负催化剂也是一项重要的工作，相关的研究正在进行中。

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基金资助

吉林省教育厅科学研究规划项目(JJKH20200002KJ)

吉林省大学生创新项目(202010206065)

吉林省科技发展计划自然科学基金(20130101308JC)