水液相环境脯氨酸Ca（Ⅱ）配合物旋光异构的密度泛函理论研究

Density Function Theoretical Study on the Optical Isomerism of Proline Ca（Ⅱ） Complex in Water-Liquid Phase Environment

摘要

采用基于密度泛函理论（DFT）的M06-2X和MN15方法结合自洽反应场理论的SMD模型方法，研究了水液相环境两性S-型脯氨酸（S-Pro）与Ca²⁺配合物（S-Pro·Ca²⁺）的旋光异构。考察了S-Pro·Ca²⁺在3个反应通道a、b和c的旋光异构过程：a通道是以羰基氧为质子迁移媒介；b通道是α-C上的质子先迁移至羰基氧，然后氨基氮上的质子在纸面内向α-C迁移；c通道是以羰基氧和氨基氮为质子迁移媒介。势能面研究表明：隐性溶剂效应下c通道明显具有优势，决速步能垒为221.4 kJ/mol；显性溶剂效应下c通道略具优势，决速步能垒降到131.2 kJ/mol。结果表明，脯氨酸钙在水液相环境只能很少量地消旋，其用于生命体同补脯氨酸和钙离子具有较好的安全性。

Abstract

The optical isomerism of amphoteric S-proline(S-Pro) and Ca²⁺ complexes(S-pro·Ca²⁺) has been studied in water- liquid phase environment by means of M06-2X and MN15 methods based on density functional theory and SMD model method of self-consistent reaction field theory. The optical isomerism of S-Pro·Ca²⁺ in three reaction channels has been investigated. Channel a uses the carbonyl O atom as the medium of protolysis. In channel b, the proton on α-C transfers to the carbonyl O atom, then the proton of amino group N atom transfers to α-C from inside the paper. Channel c uses the carbonyl O atom and the amino group N atom as the medium of protolysis. The potential energy surface shows that channel c has the most advantages under the effect of recessive solvent, and the energy barrier of the rate-determining step is 221.4 kJ/mol; channel c has the most advantages under the dominant solvent effect, and the energy barrier of the rate-determining step is reduced to 131.2 kJ/mol. The results show that S-Pro·Ca²⁺ can racemize with only a small amount in the water-liquid environment, and it is relatively safe to be used to supply proline and Ca²⁺ for life simultaneously.

Graphical abstract

关键词

氨基酸金属配合物 / 密度泛函理论 / 自洽反应场理论 / 旋光异构 / 过渡态 / 能垒

Key words

amino acid metal complex / density functional theory (DFT) / self-consistent reaction field theory / optical isomerism / transition state / energy barrier

0　 引 言

脯氨酸（proline，Pro）是蛋白质的重要成分，其手性特征使其金属配合物也具有手性。Pro有S-Pro和R-Pro两种构型，根据旋光作用分为左-脯氨酸（L-Pro）和右-脯氨酸（D-Pro）。L-Pro在生命体内具有生物活性，有促进软骨修复和合成胶原蛋白的作用^［1］，过量的D-Pro会影响健康^［2］。

钙是生命体重要的宏量元素，以二价钙的形式存在，对形成骨骼、保证心脏规律跳动及协调酸碱平衡都有重要作用^［3~5］。人体吸收食物中的钙是通过钙离子在小肠与氨基酸螯合后，再被整体吸收^［6］，因此，氨基酸钙用于补钙更易被生命体吸收，在临床、食品及畜牧业中已经被应用^［7］。

不同旋光性的手性分子对生命体作用迥异，氨基酸配合物，左旋体是优构体。因此，研究氨基酸及其金属配合物的旋光异构有重要意义。文献［8，9］对Pro旋光异构的研究表明，气相Pro不能消旋，水分子（簇）的催化可使其缓慢地消旋，碱性环境有利于Pro的消旋。文献［10~17］的研究表明，气相α-丙氨酸（α-Ala）与Fe²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Na⁺等形成的配合物很难消旋，水汽环境下水分子（簇）对丙氨酸金属配合物的消旋反应有催化作用，可使其痕量地消旋。文献［18］的理论研究表明，气相脯氨酸Ca²⁺不能旋光异构，水分子（簇）的催化能使脯氨酸钙痕量地消旋。

生命体内分子的反应多数在水环境下进行。文献［19~21］的研究表明，水液相环境α-Ala与Zn²⁺、Fe²⁺和Mg²⁺的配合物只能痕量或微量地消旋，可安全地用于生命体同补α-Ala与锌、铁、镁等。为了考察生命体同补脯氨酸和钙的安全性，本文研究了水液相环境的脯氨酸钙旋光异构。

1　 模型选取及计算方法

计算表明，水液相下两性Pro比中性Pro与Ca²⁺双齿配位构象稳定，前者相对后者的能量是-40.5 kJ/mol，后者向前者异构的能垒为36.5 kJ/mol。因此，将两性Pro与Ca²⁺双齿配合物作为反应底物，讨论其旋光异构。在SMD^［22］/M06-2X^［23］/6-311+G（d， p）水平全优化单重态势能面上的驻点结构（自旋多重度测算表明，本研究体系在单重态最稳定），通过对过渡态^［24］虚频振动模式的分析及内禀反应坐标（IRC）计算^［25］，对过渡态与稳定点的关联性给予确认。为计算出较精确的反应势能面，在SMD/ MN15^［26］/ 6-311++G（2df，pd）水平计算单点能，通过自由能热校正获得驻点的高水平自由能（自由能热校正在298.15 K及1个大气压下进行，总自由能是自由能热校正加上单点能）。S-Pro与Ca²⁺的配合物S-Pro·Ca²⁺记作S-P，6个水分子与I1^a（b）（a和b通道的第一个中间体产物）的钙配位得到的配合物记作I1^a（b）←6H₂O，I1^a（b）←6H₂O再与纸面外（内）的二聚水氢键作用的络合物记作I1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m（n）（配合物、络合物分子中的氢键用虚线表示，m和n分别表示2聚水（H₂O）₂在底物的前面和后面），其他体系标记法相似。计算采用Gaussian16程序^［27］完成。

2　 结果与讨论

将文献［18］的气相两性Pro与Ca²⁺双齿配位构象作为初始猜测，优化的水液相环境脯氨酸钙手性对映体见图1。分析图1可知，S-P向R-P异构有多种途径：可先进行α-H向羰基O迁移，然后分别进行质子从羰基O在纸面内向α-C迁移（a通道）和氨基H在纸面内向α-C迁移（b通道）；也可先进行氨基H向羰基O迁移，然后进行α-H以氨基N为桥迁移至α-C的另一侧（c通道）；还可先进行五元杂环在纸面内外侧翻转异构，然后进行质子迁移（d、e、f等通道）。计算表明，五元环翻转异构或先或后进行对质子迁移能垒影响很小，为节省篇幅，只考察先进行质子迁移的反应通道a、b和c。

对非质子转移反应，水分子（簇）与反应物的氢键作用对能垒影响不大，只需考虑隐性水溶剂效应（溶剂极性的作用）。对于质子迁移反应，水分子（簇）作为质子转移媒介可能会显著地改变反应能垒，水分子与Ca²⁺配位也可能会影响反应能垒，因此，研究质子转移要兼顾溶剂极性和水分子（簇）的共同作用，即显性水溶剂效应。为清晰地呈现水液相环境S-P向R-P异构的历程，得到水分子（簇）所起的作用及S-P向R-P异构的清晰路径，先讨论隐性水溶剂效应下S-P的旋光异构，然后再讨论显性水溶剂效应下S-P向R-P异构。

2.1　隐性溶剂效应下S-P的旋光异构

S-P旋光异构的历程见图2和图3，反应的势能面见图4。a、b通道具有共同的第1和第2基元反应，放在同一节讨论，而后讨论c通道。

2.1.1　a、b通道的旋光异构

共用的基元反应：

第1基元：反应底物S-P经9H从1C向8O迁移的过渡态T1^a（b），异构到第1中间体I1^a（b）。从S-P到T1^a（b），1C—9H键从0.108 8 nm拉伸至0.148 9 nm，断裂，二面角2N—1C—5C—6C从117.9°变为120.7°。这些变化使T1^a（b）产生了255.5 kJ/mol的内禀能垒。该能垒低于气相反应该基元的能垒279.4 kJ/mol^［18］，原因是水溶剂的作用使S-P异构到T1^a（b）过程中，C—H键的拉伸幅度及骨架形变减小（气相C—H键拉伸0.042 5 nm，骨架形变是14.8°^［18］）所导致。

第2基元：I1^a（b）经五元环的亚甲基14H—4C—15H翻转异构的过渡态T2^a（b），异构到第2中间体I2^a（b）。从I1^a（b）到T2^a（b），二面角4C—3C—2N—1C从-30.1°变为-21.9°，二面角较小的形变需要很少的能量，T2^a（b）产生的内禀能垒仅8.8 kJ/mol。

接下来的反应历程为a、b通道专属的基元反应。

2.1.1.1 a通道专属基元反应

第3基元：I2^a（b）经和T1^a（b）镜像对称的过渡态T3^a，异构成R-Pro与钙的配合物R-P^a。至此，S-P在a通道实现旋光异构。结构分析表明，R-P^a是S-P的手性对映体。从I2^a（b）到T3^a，8O—9H键从0.096 6 nm拉伸至0.120 9 nm，断裂，T3^a产生的内禀能垒为144.3 kJ/mol。该能垒比T2^a（b）产生的内禀能垒低很多，原因有两个：一是此基元O—H键的拉伸比第2基元C—H键的拉伸幅度小很多；二是从I2^a（b）到T3^a过程，1C从sp²杂化向sp³杂化过渡，体系释放能量。与气相的此基元反应（能垒为181.6 kJ/mol^［18］）比较可知，水溶剂对此基元反应起催化作用，其原因是，与文献［18］比较，水溶剂效应使从I2^a（b）到T3^a过程的O—H键拉伸幅度减小了。

2.1.1.2 b通道专属反应

第3基元：I2^a（b）经11H在纸面内侧从2N向1C迁移的过渡态T3^b，异构成R-I3^b，S-P在b通道实现旋光异构。从I2^a（b）到T3^b，2N—11H键从0.102 3拉伸至0.123 6 nm，断裂，T3^b产生的内禀能垒为158.5 kJ/mol。这与气相下此基元的内禀能垒224.0 kJ/mol^［18］相比显著降低，说明水溶剂对此基元有催化作用。原因之一是水溶剂效应使从I2^a（b）到T3^b过程的2N—11H的拉伸幅度减小许多，原因之二是I2^a（b）的偶极矩（19.528）小于T3^b的偶极矩（23.556），极性水溶剂的作用使T3^b变得相对稳定。

第4基元：R-I3^b经6C—1C右视逆时针旋转的过渡态R-T4^b，异构成R-I4^b。从R-I3^b到R-T4^b，二面角7O—6C—1C—2N从8.6°增加至104.5°，化学键内旋转所需能量很少，R-T4^b产生的内禀能垒为16.9 kJ/mol。

第5基元：R-I4^b经9H从8O向2N迁移的过渡态R-T5^b，异构成与S-P镜像对称的产物R-P^b。从R-I4^b到R-T5^b，8O—9H键从0.097 3 nm拉伸至0.126 4 nm，断裂，R-T5^b产生的内禀能垒为46.4 kJ/mol。此基元与a通道第3基元O—H键拉伸幅度基本相同，但此基元的能垒却低很多，原因是此基元的质子迁移方向是逆偶极矩方向，体系的电场力对质子迁移做正功。

2.1.2　c通道的旋光异构

第1基元：S-P经11H从2N向7O迁移的过渡态S-T1^c，异构成第1中间体S-I1^c。从S-P到S-T1^c，2N—11H键从0.102 9 nm拉伸至0.138 3 nm，断裂，S-T1^c产生了30.1 kJ/mol的内禀能垒。

第2基元：S-I1^c经7O—6C俯视逆（或顺）时针内旋转的过渡态S-T2m^c或S-T2n^c（m和n分别表示11H在纸面外和纸面内从羧基外侧旋转到内侧），异构到第2中间体S-I2^c。从S-I1^c到S-T2m^c，二面角11H—7O—6C—1C从0.2°增加至98.0°，化学键内旋转所需能量不多，S-T2m^c产生的内禀能垒为58.9 kJ/mol。与之相似，S-T2n^c产生的内禀能垒为59.3 kJ/mol。

第3基元：S-I2^c经亚氨基翻转的过渡态S-T3^c，10H从纸面外翻转到纸面内侧，异构成S-I3^c，从S-I2^c到S-T3^c，二面角10H—2N—3C—1C从-113.1°变为-179.1°，非骨架形变所需能量很少，S-T3^c产生的内禀能垒仅9.5 kJ/mol。

第4基元：S-I3^c经9H从1C向2N迁移的过渡态T4^c，异构成I4^c。从S-I3^c到T4^c，1C—9H键从0.109 1 nm拉伸至0.129 6 nm，断裂，二面角2N—1C—5C—6C从123.1°变为143.9°。这些变化使T4^c产生了221.4 kJ/mol的内禀能垒。该基元能垒小于a通道第1基元的能垒，原因是此基元中间体反应物到过渡态1C—9H键的拉伸幅度小。

第5基元：I4^c经与a通道第2基元相似的过渡态T5^c，亚甲基14H—4C—15H翻转异构，得到第5中间体I5^c。从I4^c到T5^c，二面角4C—3C—2N—1C从-32.5°变为-22.1°，T5^c产生的内禀能垒为15.3 kJ/mol。结构分析表明，此基元实现了I4^c的镜像对称异构。

下面的基元反应与前面的基元反应关于T5^c镜像对称，只做简单讨论。

第6基元：该基元与第4基元对称，I5^c经10H从2N向1C迁移的过渡态T6^c，异构到第6中间体R-I6^c。至此，S-P实现了旋光异构。从I5^c到T6^c，2N—10H键从0.102 3拉伸至0.123 3 nm，断裂，T6^c产生的内禀能垒为162.4 kJ/mol。

第7基元：该基元与第3基元对称，R-I6^c经亚氨基翻转的过渡态R-T7^c，9H从纸面外翻转到纸面内侧，异构成中间体R-I7^c，R-T7^c产生的内禀能垒为7.5 kJ/mol。

第8基元：该基元与第2基元对称，R-I7^c经7O—6C内旋转的过渡态R-T8m^c（或R-T8n^c），异构到中间体R-I8^c。R-T8m^c产生的内禀能垒为38.3 kJ/mol，R-T8n^c产生的内禀能垒为38.7 kJ/mol。

第9基元：该基元与第1基元对称，R-I8^c经11H从7O向2N迁移的过渡态R-T9^c，异构到产物配合物R-P^c。至此，S-P实现了手性对映体转变。R-T9^c产生的内禀能垒为3.4 kJ/mol，远小于第一基元的S-P经11H从2N向7O迁移的过渡态S-T1^c产生的能垒，原因是此基元的质子是逆偶极矩方向迁移，体系的电场力助力了质子的迁移。

从图4可以看出，S-P在c通道旋光异构具有优势，在a和b通道旋光异构处于劣势。比较而言，b通道比a通道第2决速步能垒高，最具劣势。优势通道的决速步能垒为221.4 kJ/mol，来自过渡态T4^c，该能垒远高于反应的极限能垒167.0 kJ/mol^［28］，说明隐性溶剂效应下S-P旋光异构反应不能发生。由于能垒小于40.0 kJ/mol时反应可通过分子间的碰撞实现^［28］，说明水液相下反应物是S-P和S-I1^c共存，前者分布高；产物是R-I8^c和R-P^c共存，后者分布高。图4结合图3可以看出，a和c通道展现了手性对映体转变的内在与外在美。

2.2　显性溶剂效应下S-P的旋光异构

水分子与底物的配位键强于氢键，水分子要先与Ca²⁺配位饱和，然后再与底物氢键作用。Ca²⁺的配位数最多是8，底物的Ca²⁺已与羰基O二配位，再与Ca²⁺配位的水分子数是6。计算表明，质子在α-C、羰基O或氨基N间迁移，二聚水和三聚水的催化作用相差很小，它们的催化作用远大于单个水分子，因此，仅讨论2个水分子簇作为H迁移媒介的情况。对于质子在氨基N和羰基O间的迁移，由于空间的限制，二聚水和三聚水作媒介，反应能垒会急剧升高，因此，仅讨论没有水分子和单个水分子作媒介的情况。对于五元环的异构，仅讨论水分子与Ca²⁺配位的情况。篇幅所限，对S-P在a通道旋光异构的完整过程进行讨论，在b和c通道的旋光异构仅讨论质子转移过程。

2.2.1　显性溶剂效应下S-P在a和b通道的旋光异构

水分子（簇）作用下，S-P在a和b通道旋光异构共同的基元反应及a通道专属基元反应历程见图5，b通道第3基元反应历程见图6，反应的自由能势能面见图7。

2.2.1.1 a通道

第1基元：S-P与6个水分子配位，二聚水在纸面外再与其α-C和8O氢键作用，得到反应物S-P^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m，经二聚水做质子转移媒介的过渡态T1_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m，实现了质子从1C向8O的净迁移，异构成I1_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m。从S-P^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m到T1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m，1C—9H键从0.108 9 nm拉伸至0.135 3 nm，断裂、37O—39H和40O—42H分别从0.097 6和0.097 9 nm拉伸断裂；二面角2N—1C—5C—6C从117.2°增加至119.9°。3个化学键的拉伸断裂需一定的能量，T1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m产生的内禀能垒为139.3 kJ/mol。对比水汽相此基元反应能垒149.1 kJ/mol^［18］，该能垒略有降低，说明水溶剂起到了较弱的催化作用。与前文T1^a（b）产生的内禀能垒255.5 kJ/mol相比较可知，水分子簇对此基元有较好的催化作用。其原因是T1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m的八元环存在较强的氢键且共面程度较好，导致八元环过渡态T1^a（b）←6H₂O·（H₂O）₂m相对稳定。

第2基元：I1^a（b）←6H₂O经五元环异构的过渡态T2^a（b）←6H₂O，二面角4C—3C—2N—1C从-30.7°变为30.7°，异构成I2^a（b）←6H₂O。从I1^a（b）←6H₂O到T2^a（b）←6H₂O，4C—3C—2N—1C从-30.7°增加至0.1°，T2^a（b）←6H₂O产生的内禀能垒10.6 kJ/mol，与T2^a（b）产生的内禀能垒8.8 kJ/mol相差不多，说明水分子与Ca²⁺的配位对R-基形变能垒的影响不大。与文献［19］比较可知，水溶剂对此基元反应基本无催化作用，原因是I1^a（b）←6H₂O和T2^a（b）←6H₂O的偶极矩基本相同，极性水溶剂效应不明显。

第3基元，I2^a←6H₂O的1C、42H和32H与二聚水氢键作用，形成的中间体I2^a←6H₂O·（H₂O）₂n，经二聚水作质子转移媒介的过渡态T3^a←6H₂O·（H₂O）₂n，实现了质子在纸面里从8O向1C的净迁移，异构成产物R-P^a←6H₂O·（H₂O）₂n，实现旋光异构。从I2^a←6H₂O·（H₂O）₂n到T3^a←6H₂O·（H₂O）₂n，8O—42H、40O—39H和37O—9H键长分别从0.098 5、0.097 3 和0.097 6 nm拉伸至0.102 2、0.101 0和0.126 1 nm。这些变化使T3^a←6H₂O·（H₂O）₂n产生了32.2 kJ/mol的内禀能垒。

结构分析表明，显性溶剂效应下，S-P在a通道的驻点构象关于T2^a（b）←6H₂O镜像对称。

2.2.1.2 b通道

第3基元：I2_1^b与6个水分子配位，二聚水与其α-C和氨基氮2N氢键作用，得到反应物复合物I2^b←6H₂O·（H₂O）₂n，再经二聚水做质子转移媒介的过渡态T3^b←6H₂O·（H₂O）₂n，实现质子从1C向2N的净迁移，异构成中间体R-I3^b←6H₂O·（H₂O）₂n。从I2^b←6H₂O·（H₂O）₂n到T3^b←6H₂O·（H₂O）₂n，2N—11H、37O—39H和40O—41H键长分别从0.103 1、0.097 2和0.097 0 nm拉伸至0.167 0、0.143 8和0.109 2 nm。3个化学键的拉伸、断裂使T3^b←6H₂O·（H₂O）₂n产生了100.9 kJ/mol的内禀能垒。与前文T3^b产生的158.5 kJ/mol的内禀能垒相比，水分子簇对此基元有较好的催化作用。

从图7可以看出，水分子（簇）作用下S-P在a、b通道旋光异构决速步的能垒为139.3 kJ/mol，远高于温和反应能垒80.0 kJ/mol^［28］，说明显性溶剂效应下S-P在a通道的旋光异构只能缓慢进行。

2.2.2　显性溶剂效应下S-P在c通道的质子迁移反应

显性溶剂效应下S-P在c通道的质子迁移反应是第1、4、6和9基元，根据计算，与隐性溶剂效应的情况相似，第6和第9基元分别与第4和第1基元镜像对称。为节省篇幅，此处仅讨论第1和4基元，反应历程见图8，反应的势能面见图9。

2.2.2.1 第1基元

第1基元反应分单质子迁移和水分子作媒介的质子迁移两种情形讨论。

1） 单质子迁移。S-P^c←6H₂O经11H从2N向7O迁移的过渡态S-T1^c←6H₂O，异构成S-I1^c←6H₂O。从S-P^c←6H₂O到S-T1^c←6H₂O，2N—11H键从0.103 4 nm拉伸至0.140 1 nm，断裂，产生了4.1 kJ/mol的内禀能垒。此能垒与没有水分子与Ca²⁺配位时S-T1^c的能垒30.1 kJ/mol相比大幅降低，说明水分子与Ca²⁺配位对此基元反应起到了极好的催化作用。原因是水分子的配位使S-P^c中2N—11H的伸缩振动频率从3 383.5 cm^-1红移至3 295.5 cm^-1，2N—11H键被很好地活化。

2） 水分子作媒介的质子迁移。S-P^c←6H₂O·H₂O经双质子迁移的过渡态S-T1^c←6H₂O·H₂O，实现了质子从5N向15O的净迁移，异构成S-I1^c←6H₂O·H₂O。从S-P^c←6H₂O·H₂O到S-T1^c←6H₂O·H₂O，2N—11H和37O—39H分别从0.102 7和0.097 2 nm拉伸至0.143 6和0.119 8 nm，断裂，产生了58.5 kJ/mol的内禀能垒。此能垒与单质子迁移时S-T1^c←6H₂O产生的能垒4.1 kJ/mol相比较极显著地增加，说明水分子做质子转移媒介对此基元反应有显著的负催化作用。原因是水分子与S-P^c←6H₂O氨基N的氢键作用使2N—11H的伸缩振动频率从3 295.5 cm^-1蓝移至3 416.7 cm^-1，严重钝化了2N—11H键。58.5 kJ/mol的能垒小于温和反应能垒80.0 kJ/mol^［28］许多，说明此基元反应容易进行。

计算表明，S-P^c←6H₂O·H₂O中H₂O与S-P^c←6H₂O的氢键能是12.4 kJ/mol，H₂O很容易通过碰撞过程从S-P^c←6H₂O·H₂O分子上解离，形成S-P^c←6H₂O。因此，S-P^c←6H₂O经S-T1^c←6H₂O异构成S-I1^c←6H₂O的单质子迁移过程占绝对优势。

2.2.2.2 第4基元

S-I3^c是Ca与1个O配位，再与7个H₂O配位形成S-I3^c←7H₂O，Ca³⁺满配后，（H₂O）₂再与α-H和N氢键作用，（H₂O）₂和与Ca配位的H₂O形成稳定的氢键网络，得到中间体反应物S-I3^c←7H₂O·（H₂O）₂m。S-I3^c←7H₂O·（H₂O）₂m经3质子协同非同步迁移的过渡态T4^c←7H₂O·（H₂O）₂m，实现了H从α-C向N净迁移，异构成I4^c←7H₂O·（H₂O）₂m。从S-I3^c←7H₂O·（H₂O）₂m到T4^c←7H₂O·（H₂O）₂m，1C—9H从0.109 3 nm拉伸至0.132 3 nm，40O—41H和43O—45H键断裂，水分子间的部分氢键断裂，这些变化使T4^c←7H₂O·（H₂O）₂m产生了131.2 kJ/mol的内禀能垒。该能垒与T4^c产生的内禀能垒221.4 kJ/mol相比显著下降，说明水分子（簇）的作用对此基元反应有极好的催化作用。

第6与第4基元镜像对称，第6基元正反应的能垒与第4基元负反应的能垒相同，为59.3 kJ/mol。第9与第1基元镜像对称，第9基元正反应能垒与第1基元负反应的能垒相同，为0.9 kJ/mol。结合图9可知，水分子（簇）作用下S-P在c通道旋光异构决速步的能垒为131.2 kJ/mol，远高于温和反应能垒80.0 kJ/mol^［28］，说明显性溶剂效应下S-P在c通道的旋光异构只能缓慢进行。结合图7和图9可知，显性溶剂效应下S-P在c通道的旋光异构只有微弱的优势。

3　 结 论

本文在SMD/MN15/6-311++G（2df，pd）//SMD/M06-2X/6-311+G（d，p）双水平，研究了Ca²⁺与两性Pro分子配合物在水液相环境的旋光异构，得到如下结论：1） 隐性溶剂效应下，以氨基N为H迁移桥梁的c通道具有优势，决速步能垒为221.4 kJ/mol；以羰基O为H迁移媒介的a通道以及α-C迁移至羰基O后，氨基N上的H再向α-C迁移的b通道处于劣势，决速步能垒为255.5 kJ/mol；2） 显性溶剂效应下c通道略具优势，决速步能垒降至131.2 kJ/mol；a和b通道略处于劣势，决速步能垒降到139.3 kJ/mol；3） 水分子（簇）对H迁移反应有正催化作用或有负催化作用。上述结果表明，脯氨酸钙在水液相环境消旋很缓慢，其用于生命体同补脯氨酸和钙具有较好的安全性。

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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(202010206066)

吉林省自然科学基金(20130101131JC)