气相脯氨酸Ca（Ⅱ）配合物的旋光异构及水分子（簇）的催化机制

Optical Isomerism of Proline Ca（Ⅱ） Complex in Gas Phase and Catalytic Mechanism of Water Molecules（Clusters）

摘要

采用密度泛函理论的M06-2X和MN15方法，在6-31++G（d，p）和6-311++G（2df，pd）基组水平下，研究了气相S-型两性脯氨酸（S-Pro_1）和中性脯氨酸（S-Pro_2）与Ca²⁺配合物的旋光异构及水分子（簇）的催化作用。反应通道研究发现：S-Pro_1·Ca²⁺的旋光异构有2个通道a和b，a通道是α-氢以氧为桥迁移，b通道是α-氢从α-碳迁移至氧后，再从氮向α-碳迁移；S-Pro_2·Ca²⁺的旋光异构也有2个通道a和b，a通道是螯合环打开后向S-Pro_1·Ca²⁺异构，b通道是羧基内质子迁移后，α-氢再以羰基氧为桥迁移，向R-Pro_2·Ca²⁺异构。势能面计算表明：S-Pro_1·Ca²⁺旋光异构的a通道最具优势，反应活化能为279.4 kJ/mol，水分子（簇）的催化作用使反应活化能降至149.1 kJ/mol；S-Pro_2·Ca²⁺旋光异构的a通道也最具优势，反应活化能为217.5 kJ/mol。结果表明，气相脯氨酸钙配合物很难发生旋光异构，水分子存在时脯氨酸钙能痕量地消旋。

Abstract

We have studied the optical isomerism of S-amphoteric proline (S-Pro_1) Ca²⁺ complexes and neutral proline (S-Pro_2) Ca²⁺ complexes in gas phase and the catalytic action of water molecules(clusters) using the methods of M06-2X and MN15 based on the density functional theory at 6-31++G(d,p) and 6-311++G(2df,pd) basis set level. It is identified that the optical isomerism of S-Pro_1·Ca²⁺ occurs in two pathways a and b. α-H is transferred using the O atom in pathway a. In pathway b, α-H is transferred to O atom from α-C and then it is transferred to α-C from the N atom. The optical isomerism of S-Pro_2·Ca²⁺ also occurs in two pathways a and b. In pathway a, the chelate ring is broken and S-Pro_2·Ca²⁺ isomerizes to S-Pro_1·Ca²⁺. In pathway b, α-H is transferred using carbonyl O atom as a bridge after the transition of proton on the carboxyl group, and then it isomerizes to R-Pro_2·Ca²⁺. The calculations of potential energy surface show that the optical isomerism of S-Pro_1·Ca²⁺ is the most advantageous one in the pathway a, and the activation energy of the reaction is 279.4 kJ/mol. The activation energy of the reaction is reduced to 149.1 kJ/mol under the catalytic action of water molecules (clusters); the optical isomerism of S-Pro_2·Ca²⁺ is the most advantageous in the pathway a, and the activation energy of the reaction is 217.5 kJ/mol. The results show that the optical isomerism of S-Pro·Ca²⁺ complexes are difficult to occur in gas phase, and S-Pro·Ca²⁺ can only racemize at an extreme trace when water molecules are there.

Graphical abstract

关键词

脯氨酸钙 / 水分子 / 密度泛函理论 / 旋光异构

Key words

amino acid metal complex / water molecules / density functional theory / optical isomerism

0　 引 言

氨基酸金属配合物（amino acid metal complex）是蛋白质、酶等生物大分子的活性中心，参与生命体的代谢及生化过程，在生命过程中扮演着重要的角色，是生命科学、医学和农业等领域的研究热点^［1］。Marino等^［2］和Lamsabhi等^［3］研究了Cu²⁺、Ca²⁺分别与丙氨酸和丝氨酸的配合物的结构稳定性；Nidhi等^［4］研究了丙氨酸与Ca²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺的配合物由于质子转移诱导而发生的构型变化（非手性变化）。手性氨基酸是生物体内的重要配体，其手性特征使其金属离子配合物也具有手性。手性药物的药理作用是药物分子通过与体内的大分子之间严格的手性识别和匹配实现的，通常手性分子只有一种对映体具有所要求的药理活性，而另一种对映体没有药理作用甚至有严重的副作用^［5，6］。“反应停”惨剧^［7］给予了科研工作者一个重要的警示：手性药物使用前必须明确其旋光异构机制，优构体必须能较好地保持其手性特征。因此，研究手性氨基酸金属配合物的旋光异构，对于指导人们科学地选择使用氨基酸金属盐进行氨基酸与金属离子同补具有重要意义。基于此，王佐成课题组已采用密度泛函理论，研究了孤立条件下α-Ala（丙氨酸，结构最简单的手性氨基酸）与生命体必需的Cu^2+［8］、Na^+［9］、Zn^2+［10］、Mn^2+［11］、K^+［12］、Fe^2+［13］、Mg^{2+ ［14］}和Ca^2+［15］等金属离子配合物的旋光异构。结果表明，这些配合物消旋能垒分别为123.9、253.3、197.2、247.1、254.7、233.5、283.9和297.5 kJ/mol，除α-Ala·Cu²⁺可以缓慢消旋，其他均不能消旋。文献［14，15］的密度泛函理论研究还表明，水分子（簇）对α-Ala与Ca²⁺和Mg²⁺配合物的手性转变有很好的催化作用，消旋能垒分别降至159.3和157.9 kJ/mol，表明水汽环境下α-Ala与Ca²⁺、Mg²⁺的配合物均不能消旋，故两种配合物均易于保存。

脯氨酸（proline，Pro）是构成蛋白质的主要成分，按其构型分为S-Pro和R-Pro，按旋光作用分为L-Pro（左旋体）和D-Pro（右旋体）。在生命体内，L-Pro具有生物活性，可合成胶原蛋白，促进软骨修复，具有治疗骨关节炎、减轻持续性软组织疼痛和慢性背痛的作用^［16］。以往研究^{［17，18］}表明，单体脯氨酸在生命体内可以缓慢消旋，单独用于生命体会产生一定的副作用。钙是生命体必需的宏量元素，在生命体内以2价态存在，对维持骨骼的构成、心脏的规律跳动以及协调酸碱平衡等均有重要作用^［19~21］。食物中的钙被人体吸收过程为：食物分解出的钙离子在小肠处与氨基酸及短肽链螯合，形成手性氨基酸钙，再以配合物的形式被整体吸收^［22］。氨基酸螯合钙作为补钙产品更容易被吸收，在临床、食品及畜牧业中已经被应用^［23］。因此，考察脯氨酸螯合钙用于生命体同补脯氨酸和钙是否安全具有重要意义。

对孤立体系的研究，可获得体系本质的物理和化学性质，可以为深入研究该体系在复杂环境下的行为奠定基础^{［24，25］}。基于此，考虑到大气中的水分子^［26］多以水分子（簇）形式存在^［27］，并与其他分子形成氢键网络^［28］，结合文献［8~15］的经验，研究了S-Pro·Ca²⁺配合物在气相及水分子（簇）作用下的手性旋光异构。本文详细讨论了水分子（簇）的作用下S-Pro·Ca²⁺在优势通道上完整的旋光异构过程及其他反应通道重要的质子迁移过程，以探讨水分子（簇）对质子迁移反应的催化作用。

1　 研究与计算方法

采用基于第一原理的色散校正泛函M06-2X方法^［29］，结合基组6-31++G（d， p）计算单重态（该体系的最稳定态）反应势能面上的驻点结构（自由能热校正温度为298.15 K）；采用NBO（natural bond orbital）自然键轨道理论计算NPA（natural population analysis）电荷；对搜索的过渡态^［30］计算了内禀反应坐标（IRC）^［31］，证明过渡态可以信赖。采用具有更高精度的泛函方法MN15^［32］，结合更高级别基组6-311++G（2df， pd）计算驻点的单点能。总自由能为自由能热校正和单点能之和，势能面上势能曲线的零势点为该曲线上驻点相对的势能零点。S-Pro构型1与Ca²⁺的配合物记作S-P_1；S-P_1在反应通道b的第4个R-型过渡态用R-T4_1^b表示，第4个R-型中间体用R-I4_1^b表示；在反应通道a和b共用的第1个没有手性的过渡态用T1_1^a（b）表示，S-P_2在a1通道异构得到的S-P_1用S-P_1_2^a1表示；6个H₂O与S-P_1中的Ca²⁺配位，同时2个H₂O与S-P_1氢键作用的配合物络合物用S-P_1←6H₂O·（H₂O）₂表示，其他体系表示法相似。文中计算由Gaussian16程序^［33］完成。

2　 结果与讨论

Pro与Ca²⁺配位有两性和中性两种配合物。计算表明两性Pro与Ca²⁺配位相对稳定，优化的两对手性对映体见图1。下文对气相S-P_1和S-P_2的旋光异构以及水分子（簇）的催化作用分别进行讨论。

2.1　 S-P_1的旋光异构

S-P_1旋光异构有2个通道a和b，反应历程和驻点构象见图2，反应历程的势能面见图3。

第1基元反应：反应物S-P_1经过渡态T1_1^a（b），α-氢13H从4C迁移至16O，异构成中间体I1_1^a（b）。从S-P_1到T1_1^a（b），13H—4C从0.109 1 nm拉伸至0.151 6 nm，断裂，二面角5N—4C—3C—14C从118.5°增至133.3°，C—H键的断裂和骨架的形变使T1_1^a（b）产生了279.4 kJ/mol的内禀能垒。

第2基元反应：I1_1^a（b）经过渡态T2_1^a（b），五元环形变异构，得到第2中间体I2_1^a（b）。从I1_1^a（b）到T2_1^a（b），二面角2C—1C—5N—4C从-33.3°变为-21.9°，二面角3C—4C—14C—15O从-178.3°变为-170.5°，二面角形变需要能量很少，T2_1^a（b）产生的内禀能垒只有13.1 kJ/mol。接下来分别介绍a和b通道专属的反应历程。

2.1.1　a通道专属反应

第3基元反应：I2_1^a（b）经和T1_1^a（b）镜像对称的过渡态T3_1^a，异构成两性的R-型产物R-P_1^a，S-P_1实现旋光异构。结构分析表明，R-P_1^a是S-P_1的手性对映体。从I2_1^a（b）到T3_1^a，13H—16O从0.096 8 nm拉伸到0.124 0 nm，T3_1^a产生了181.6 kJ/mol的内禀能垒。该能垒小于T2_1^a（b）产生的内禀能垒，原因是此基元O—H键拉伸幅度小于第2基元C—H键拉伸幅度，且从I2_1^a（b）到T3_1^a，α-碳从sp²杂化向sp³杂化过渡，体系释放能量。

从a通道上S-P_1的驻点构象和势能面可以看出，T2_1^a（b）是对称点。

2.1.2　b通道专属反应

第3基元反应：I2_1^a（b）经过渡态T3_1^b，17H在纸面内侧从N向α-碳迁移，得到R-I3_1^b，S-P_1在b通道实现旋光异构。从I2_1^a（b）到T3_1^b，5N—17H键从0.102 5 nm拉伸至0.139 3 nm，断裂，T3_1^b产生了224.0 kJ/mol的内禀能垒，与孤立的Pro构型反转在此基元的内禀能垒111.2 kJ/mol^［17］相比升高显著，Ca²⁺表现了极强的负催化作用。这是由于Ca²⁺与O配位使I2_1^a（b）中17H的电荷从0.398 e（1 e=1.602×10^-19 C）大幅增加至0.435 e，5N的电荷从0.763 e增加至0.785 e，4C的电荷量从-0.256 e急剧下降至-0.093 e，从而N对17H的库仑引力大幅增加，4C对17H的库仑引力大幅减小。

第4基元反应：R-I3^b_1经14C—4C右视顺时针内旋转的过渡态R-T4_1^b，异构到两性产物R-P_1^b。从R-I3^b_1到R-T4_1^b，二面角15O—14C—4C—5N从20.2°增加至67.8°，化学键的内旋转需要的能量很小，R-T4_1^b产生的内禀能垒仅10.4 kJ/mol。结构分析表明，R-P_1^b是S-P_1的手性对映体。

从图3可以看出，S-P_1在a通道的旋光异构具有优势，在b通道的异构处于劣势。优势反应通道的总包能垒（气相反应的活化能为总包能垒）为279.4 kJ/mol，来自过渡态T1_1^a（b），该能垒远高于极限反应能垒167.0 kJ/mol ^［34］，说明孤立的S-P_1不能消旋；劣势通道的总包能垒为321.8 kJ/mol，来自过渡态T3_1^b。

2.2　 S-P_2的旋光异构

S-P_2的旋光异构在a和b两个通道实现，反应历程见图4，反应历程的自由能势能面见图5。

2.2.1　a通道

第1基元反应：S-P_2经16O—14C内旋转的过渡态S-T1m_2^a或S-T1n_2^a，羧羟基氢17H从羧基内侧转到外侧，异构成中间体S-I1_2^a。从S-P_2到S-T1m_2^a，二面角17H—16O—14C—15O从1.1°增加至98.1°，S-T1m_2^a产生了53.7 kJ/mol的内禀能垒，相似地，S-T1n_2^a产生了55.8 kJ/mol的内禀能垒。

第2基元反应：S-I1_2^a经18Ca—15O—14C做翻转运动的过渡态S-T2_2^a，异构成S-I2_2^a。从S-I1_2^a到S-T2_2^a，Ca—N配位键断裂，Ca离子从羧基外转到羧基内，S-T2_2^a产生了107.9 kJ/mol的内禀能垒。接着S-I2_2^a在两个分路径a1和a2上异构。

2.2.1.1 a1路径专属反应

第3基元反应：S-I2_2^a经过渡态S-T3_2^a1，14C—4C右视逆时针内旋转，异构成S-P_1_2^a1。此基元与2.1节b通道的第4基元相似，S-T3_2^a1产生了10.1 kJ/mol的内禀能垒，不再赘述。结构分析表明，S-P_1_2^a1与S-P_1完全相同，S-P_1_2^a1的异构与S-P_1的异构完全相同，见2.1节。

2.2.1.2 a2路径专属的反应

第3基元反应：S-I2_2^a经氨基在纸面内侧外翻转的过渡态S-T3_2^a2，异构成S-I3_2^a2。从S-I2_2^a到S-T3_2^a2，二面角6H—5N—1C—4C从-130.6°变为164.6°，二面角异构所需能量很少，S-T3_2^a2产生的内禀能垒为7.0 kJ/mol。

第4基元反应：S-I3_2^a2经13H从4C向5N迁移的过渡态T4_2^a2，异构成I4_2^a2。从S-I3_2^a2到T4_2^a2，13H—4C从0.110 2 nm拉伸至0.122 5 nm，断裂，二面角5N—4C—3C—14C从123.9°增加至165.8°，T4_2^a2产生了123.8 kJ/mol的内禀能垒。与孤立的Pro_2此基元反应的内禀能垒246.0 kJ/mol^［17］相比有较大幅度下降，表明Ca²⁺的配位产生了极好的催化作用。原因是Ca²⁺与O配位导致13H—4C从0.100 1 nm拉伸至0.110 2 nm，α-氢的红外伸缩振动频率从3 029.1 cm^-1降至2 890.3 cm^-1，C—H键被活化。I4_2^a2与I2_1^a（b）构象相同，其与I2_1^a（b）的异构相同。

2.2.2　b通道

第1基元反应：S-P_2经过渡态S-T1_2^b，17H在羧基内迁移，异构成S-I1_2^b。从S-P_2到S-T1_2^b，17H—16O从0.097 5 nm被拉伸了0.037 5 nm，S-T1_2^b产生了183.9 kJ/mol的内禀能垒。

第2基元反应：S-I1_2^b经质子在4C和16O间迁移的过渡态T2_2^b，α-氢从4C向16O迁移，异构成I2_2^b。从S-I1_2^b到T2_2^b，4C—113H键从0.109 4 nm拉伸至0.152 1 nm，断裂，二面角5N—4C—3C—14C从120.4°变为137.3°，化学键断裂及骨架形变需较大能量，产生了287.2 kJ/mol的内禀能垒。

第3基元反应：I2_2^b经16O—14H内旋转的过渡态T3_2^b，13H绕16O—14H仰视逆时针旋转到纸面内侧，异构成I3_2^b。从I2_2^b到T3_2^b，化学键内旋转所需能量不多，T3_2^b产生的内禀能垒为71.8 kJ/mol。

第4基元反应：I3_2^b经过渡态T4_2^b，13H在纸面内侧从16O迁移至4C，异构成R-I4_2^b，S-P_2实现旋光异构。从I3_2^b到T4_2^b，16O—13H键从0.096 9 nm拉伸至0.135 5 nm，断裂，T4_2^b产生的内禀能垒为301.1 kJ/mol。此基元反应的内禀能垒较高，原因之一是I3_2^b分子中的13H距离4C较远，原因之二是16O—13H键很稳定（键长较短，红外伸缩振动频率很大，是3 796.6 cm^-1）。

第5基元反应：R-I4_2^b经过渡态R-T5_2^b，实现了17H从15O向16O的迁移，异构成产物R-P_2^b。从R-I4_2^b到R-T5_2^b，17H—15O从0.097 6 nm拉伸至0.126 4 nm，导致R-T5_2^b产生了107.7 kJ/mol的内禀能垒。此基元反应比第1基元反应的内禀能垒小很多，原因之一是R-I4_2^b分子中的15O—17H比S-P_2的16O—17H键的活化程度高（前者比后者键长），原因之二是此基元O—H键的拉伸幅度较小，原因之三是此基元的质子迁移是逆偶极矩方向，体系的电场力会助力该过程的质子迁移。

结合图5和图3可以看出，S-P_2在a1通道向S-P_1异构后，接S-P_1的a通道的旋光异构具有优势，总包能垒为279.4-61.9=217.5 kJ/mol（来自过渡态T1_1^a（b））。该能垒高于化学反应的极限能垒167.0 kJ/mol^［34］很多，说明通常情况下气相S-P_2的消旋能垒难以逾越。从图5还可以看出，S-P_1比S-P_2稳定，S-P_2向S-P_1异构的总包能垒为131.2 kJ/mol，来自羧基钙基团旋转的过渡态S-T3_2^a1。该能垒高于温和反应能垒80.0 kJ/mol^［34］很多，距离极限反应能垒167.0 kJ/mol^［34］不大，故S-P_2向S-P_1的异构也十分缓慢。从图5还可以看出，S-P_1向S-P_2异构的总包能垒为131.2+61.9=193.1 kJ/mol，该能垒高于极限反应能垒167.0 kJ/mol^［34］，表明通常情况下S-P_1向S-P_2的异构难以进行。结合图5和图3还可以看出，S-P_2在a2通道向S-P_1的异构为亚优势通道，S-P_2在a2通道向S-P_1异构的活化能为250.5 kJ/mol，来自过渡态T4_2^a2。

2.3　水分子（簇）对旋光异构的影响

S-P_2在a1通道向S-P_1异构的所有基元反应均为非质子迁移反应，而对于非质子迁移反应，水分子簇的作用很小，可以不予考虑。篇幅所限，本文仅对S-P_1在a通道旋光异构的整个过程、S-P_1在b通道旋光异构的决速步骤、S-P_2在a2通道向S-P_1异构的决速步骤进行讨论。

2.3.1　水分子（簇）作用下S-P_1在a通道的旋光异构

水分子（簇）与底物配合物作用，配位键强于氢键，所以水分子优先与Ca“配位饱和”，再与底物氢键作用。Ca²⁺与O最多是八配位，底物的Ca²⁺已与羰基O二配位，故再与钙配位的水分子数取最大值6。计算表明，质子在α-碳和O或N之间迁移时，二聚水和三聚水的催化作用基本相同，均远大于单个水分子做质子转移媒介的情形，因此只讨论2个水分子簇作为H迁移媒介的情况。对于第2基元杂环异构，水分子（簇）的氢键作用对能垒影响很小，只讨论水分子与Ca²⁺配位的情况。水分子（簇）作用下S-P_1在a通道旋光异构历程及过渡态见图6，反应的自由能势能面见图7。

第1基元反应：S-P_1与6个水分子配位，二聚水再与其α-碳和羰基O氢键作用并与和Ca²⁺配位的水分子形成稳定的氢键网络，得到较稳定的反应物络合物S-P_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m（m表示与底物氢键作用的二聚水在纸面外侧，相似之处不再说明）。S-P_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m经过渡态T1_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m，实现了氢质子从α-碳向羰基O的迁移，异构成I1_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m。

从S-P_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m到T1_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m过程，4C—13H键从0.109 0 nm拉伸至0.133 3 nm，断裂、36O—38H和39O—41H分别从0.097 5和0.097 3 nm拉伸断裂；骨架二面角5N—4C—3C—14C从116.5°增加至121.6°。3个化学键的拉伸断裂及骨架的形变需要一定的能量，T1_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m产生的内禀能垒为149.1 kJ/mol，远低于T1_1^a（b）产生的内禀能垒279.4 kJ/mol，水分子（簇）对此基元反应起到了极好的催化作用。其原因有三：一是T1_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m的氢键角4C—13H—36O、36O—38H—39O和39O—41H—46O分别为164.7°、158.2°和156.2°，接近平角，3个氢键均较强；二是水分子（簇）作用下S-P_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m到T1_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m过程骨架5N—4C—3C—14C形变显著减小；三是过渡态的八元环结构共面程度较好，过渡态的水分子形成了比较稳定的氢键网络。T1_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m靠近产物中间体，是晚期过渡态。

第2基元反应：I1^a（b）←6H₂O经过渡态T2_1^a（b）←6H₂O，五元杂环异构，二面角5N—1C—2C—3C从40.3°变为-40.3°，构象异构成I2_1^a（b）←6H₂O。从I1^a（b）←6H₂O到T2_1^a（b）←6H₂O过程，5N—4C—3C—14C从40.3°增加至-0.5°，二面角异构所需能量不多，T2_1^a（b）←6H₂O产生的内禀能垒为12.6 kJ/mol，与T2_1^a（b）产生的内禀能垒13.1 kJ/mol相差无几，可以认为没改变。这说明水分子与Ca²⁺配位对R-基杂环的形变能垒影响微乎其微。

第3基元反应：I2_1^a（b）←6H₂O的4C、13H、20H和32H与二聚水氢键作用，形成络合物I2_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂n（n表示（H₂O）₂在纸面内侧与底物氢键作用）经3质子协同迁移的过渡态T3_1^a←6H₂O·（H₂O）₂n，实现了质子在纸面内侧从O向α-碳净迁移，异构成产物复合物R-P_1^a←6H₂O·（H₂O）₂n。至此，S-P_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m实现了手性对映体转变。

从I2_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂n到反应的过渡态T3_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂n，16O—13H、41O—40H和37O—39H键长分别从0.097 6、0.097 2和0.097 9 nm拉伸至0.100 8、0.100 9 和0.128 5 nm。两个很小的化学键拉伸及1个化学键小幅拉伸断裂，T3_1^a←6H₂O·（H₂O）₂n产生的能垒仅35.8 kJ/mol，远低于T3_1^a产生的能垒181.6 kJ/mol，二聚水起了极好的催化作用。原因有三：一是T3_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂n的水分子间存在稳定的氢键网络；二是八元环存在3个较强的氢键；三是从I2_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂n到T3_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂n过程，4C从sp²杂化向sp³杂化过渡（从空配向满配），体系释放能量。T3_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂n靠近中间体反应物，是早期过渡态。

从图7可以看出，水分子（簇）作用下S-P_1在a通道旋光异构的自由能垒为149.1 kJ/mol，距反应的极限能垒167.0 kJ/mol^［34］较近，说明水分子簇作用下S-P_1的旋光异构只能极其缓慢地进行。

2.3.2　水分子（簇）作用下S-P_1在b通道旋光异构的决速步骤

S-P_1在b通道旋光异构的决速步骤是I2_1^b经过渡态T3_1^b异构成R-I3_1^b。水分子（簇）存在时，I2_1^b与6个水分子配位，在其α-碳和氨基氢17H与纸面内侧二聚水氢键作用同时与和钙配位的水分子形成稳定的氢键网络，得到稳定的中间体反应物复合物I2_1^b←6H₂O·（H₂O）₂n。I2_1^b←6H₂O·（H₂O）₂n经过渡态T3_1^b←6H₂O·（H₂O）₂n，实现了质子从氨基N向α-碳的净迁移，异构成中间体产物复合物R-I3_1^b←6H₂O·（H₂O）₂n。

该基元的反应历程见图8，自由能势能面见图9。

从I2_1^b←6H₂O·（H₂O）₂n到T3_1^b←6H₂O·（H₂O）₂n，5N—17H断裂，37O—39H和40O—41H键长从0.097 5 nm分别拉伸至0.136 4和0.112 7 nm，需要一些能量。但由于4C从sp²杂化向sp³杂化过渡，体系释放能量，并且T3_1^b←6H₂O·（H₂O）₂n的七元环存在较强的氢键，构象相对稳定。因此，过渡态T3_1^b←6H₂O·（H₂O）₂n产生的能垒不是很高，是107.3 kJ/mol。I2_1^b在势能面的位置是97.8 kJ/mol，因此在水分子（簇）作用下，S-P_1在b通道旋光异构的活化能（总包能垒）变为107.3 + 97.8=205.1 kJ/mol。该能垒高于水分子（簇）作用下S-P_1在a通道旋光异构的自由能垒149.1 kJ/mol，因此，水分子（簇）作用下S-P_1旋光异构的优势通道仍然是a通道。T3_1^b←6H₂O·（H₂O）₂n靠近中间体反应物，是早期过渡态。

2.3.3　水分子（簇）作用下S-P_2在a2通道向S-P_1异构的决速步骤

S-P_2在a2通道向S-P_1异构的决速步骤是S-I3_2^a2经T4_2^a2向I4_2^a2异构。水分子（簇）存在时，S-I3_2^a2与6个水分子配位，其α-氢和氨基N与纸面外侧2个水分子簇氢键作用并与和钙配位的水分子形成稳定的氢键网络，得到中间体反应物复合物S-I3_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m。S-I3_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m经3个质子协同迁移的过渡态T4_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m，质子从α-碳向N净迁移，异构成产物中间体复合物I4_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m。该基元的反应历程见图10，自由能势能面见图11。

从S-I3_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m到T4_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m过程，4C—13H、40O—41H和37O—38H键长从0.109 4、0.097 7和0.100 1 nm分别拉伸至0.153 1、0.107 5和0.100 3 nm，需要一些能量；骨架二面角5N—4C—3C—14C从121.4°增加至147.5°；水分子间的氢键网络被破坏。这些变化使T4_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m产生了151.5 kJ/mol的内禀能垒，比T4_2^a2产生的内禀能垒123.8 kJ/mol高22.3%，水分子（簇）表现出较显著的负催化作用。这有三个方面的原因：一是水分子（簇）的作用使4C—13H键的键长变小（从0.110 2 nm变为0.109 4 nm），共价键作用增强，变得不易断裂；二是使4C—13H的拉升幅度显著增加（从0.012 3 nm增加至0.043 7 nm）；三是从S-I3_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m到T4_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m过程破坏了水分子间的氢键网络。因为S-I3_2^a2在势能面的位置是126.7 kJ/mol，因此在水分子（簇）作用下，S-P_2在a2通道向S-P_1异构的活化能（总包能垒）变为126.7+151.5=278.2 kJ/mol，S-P_2在a2通道向S-P_1异构的劣势进一步增加。T4_2^a2←6H₂O·（H₂O）₂m靠近中间体反应物，是早期过渡态。

3　 结 论

采用密度泛函理论的M06-2X和MN15方法，在6-311+G（d，p）和6-311++G（2df，pd）基组水平，研究了两性和中性的Pro与Ca²⁺配合物的旋光异构及水分子（簇）的催化作用，得到如下结论： 1） S-Pro_1·Ca²⁺旋光异构优势通道的总包能垒为279.4 kJ/mol（来自质子从α-碳向羰基O迁移的过渡态）；S-Pro_2·Ca²⁺先越过131.2 kJ/mol的能垒（来自羧基钙基团旋转的过渡态）向S-Pro_1·Ca²⁺异构，然后再实现旋光异构的通道具有优势； 2） 水分子（簇）的催化使S-Pro_1·Ca²⁺旋光异构反应的总包能垒降至149.1 kJ/mol；3） 水分子（簇）对质子迁移反应有正催化作用或负催化作用。结果表明，S-Pro_2·Ca²⁺向S-Pro_1·Ca²⁺的异构很缓慢，气相脯氨酸钙的手性难以改变，水汽相下脯氨酸钙只能痕量地消旋，因此脯氨酸钙在气固相储存具有安全性。Pro分子中的R-基为五元杂环，其金属配合物手性对映体异构的研究远比α-Ala的对映异构研究复杂，因此本研究可望为水液相下S-Pro·Ca²⁺及更复杂的氨基酸金属配合物对映异构研究提供借鉴。

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基金资助

吉林省教育厅科学研究规划项目(JJKH20200002KJ)

吉林省自然科学基金(20130101131JC)