水液相下α-丙氨酸Co（Ⅱ）旋光异构的密度泛函理论研究

Density Functional Theory Study on the Optical Isomerism of α-Alanine Co（Ⅱ） in Water-Liquid Phase Environment

摘要

采用密度泛函理论的M06和MN15方法，结合自洽反应场理论的SMD模型方法，研究了两性及中性α-丙氨酸（α-Ala_1和α-Ala_2）与Co²⁺配合物在水液相下的旋光异构。α-Ala_1·Co²⁺可在4个通道（a、b、c和d）实现旋光异构：a通道是质子以羧基底部的氧为桥迁移；b通道是α-氢迁移至羧基底部的氧后，质子在纸面内从氨基向α-碳迁移；c通道是质子以羧基上部的氧为桥迁移；d通道是α-氢迁移至羧基上部的氧后，质子在纸面内从氨基向α-碳迁移。α-Ala_2·Co²⁺的旋光异构有2个通道（a和b）：a通道是其异构成α-Ala_1·Co²⁺后，再按α-Ala_1·Co²⁺异构的方式进一步异构；b通道是质子以羰基氧和甲基碳为桥迁移。势能面计算表明：α-Ala_1·Co²⁺在a和b通道的旋光异构具有优势，隐性溶剂效应下决速步能垒为283.1 kJ/mol，显性溶剂效应下该能垒降至120.3 kJ/mol；α-Ala_2·Co²⁺在a通道的旋光异构具有优势，决速步能垒与α-Ala_1·Co²⁺在a和b通道旋光异构的能垒相同。结果表明，水液相下α-丙氨酸Co（Ⅱ）很难发生旋光异构。

Abstract

The optical isomerism of amphoteric and neutral α-alanine (α-Ala_1 and α-Ala_2) and Co²⁺ complexes was studied in water-liquid phase environment by means of M06 and MN15 methods based on density functional theory and SMD model method of self consistent reaction field theory. The study shows that the optical isomerization of α-Ala_1·Co²⁺ has four channels a,b,c and d. In channel a, the proton transfers with the oxygen at the bottom of the carboxyl group as a bridge. In channel b, the proton transfers to α-C from amino group inside the paper after α-H is transferred to the oxygen at the bottom of the carboxyl group. In channel c, the proton transfers with the oxygen on the upper part of the carboxyl group as a bridge. In channel d, the proton transfers to α-C from amino group inside the paper after α-H is transferred to the oxygen on the upper part of the carboxyl group. The optical isomerization of α-Ala_2·Co²⁺ has two channels a and b. In channel a, α-Ala_2·Co²⁺ isomerizes to α-Ala_1·Co²⁺ followed by the isomerization of α-Ala_1·Co²⁺. In channel b, the protons transfer with carbonyl oxygen and methyl carbon as bridges. The potential energy surface shows that the optical isomerization of α-Ala_1·Co²⁺ in channel a and b has the most advantage. Under the recessive solvent effect, the energy barrier of the rate-determining step is 283.1 kJ/mol. The energy barrier drops to 120.3 kJ/mol under the effect of explicit solvent. The optical isomerization of α-Ala_2·Co²⁺ in channel a has the most advantage.The energy barrier of the rate-determining step is the same as that of α-Ala_1·Co²⁺ in channel a and b. The results show that α-alanine Co(Ⅱ) is difficult to racemize in water-liquid phase.

Graphical abstract

关键词

α-丙氨酸 / 二价钴离子（Co（Ⅱ）） / 密度泛函理论 / SMD模型 / 旋光异构 / 能垒

Key words

α-alanine / cobalt ion(Co(Ⅱ)) / density functional theory / SMD model / optical isomerization / energy barrier

0　 引 言

α-丙氨酸（α-Ala）是结构最简单的手性氨基酸，按构型分为S-α-Ala和R-α-Ala，按其使平面偏振光振动面旋转的情况可分为左旋体（L-α-Ala）和右旋体（D-α-Ala）。α-Ala的手性特征导致其金属离子配合物也具有手性。生命体内的α-Ala多以左旋体存在，具有生物活性，也有微量右旋体存在，具有清除细胞毒性及促进细菌孢子代谢的作用，右旋体过量对健康不利^［1，2］。

钴（cobalt， Co）是生物体必需的微量元素，对氨基酸代谢和造血有重要作用。钴缺乏可诱发老年痴呆等疾病^［3］。生命体通常可以通过饮食摄取钴，但若严重缺乏，则需利用药物补充。利用无机钴盐补钴会导致生命体在短时间内钴含量迅速增加，对生命体产生毒副作用。而利用氨基酸盐补钴不但具有可缓慢释放金属离子的优点，还可补充氨基酸^［4］。由于氨基酸金属配合物具有手性，临床使用氨基酸盐补充金属离子是否安全成为科研工作者重要的课题。目前，氨基酸金属配合物的旋光异构已有大量报道。文献［5~10］基于密度泛函（DFT）理论研究了气相α-Ala与Cu²⁺和Ca²⁺等配合物以及脯氨酸Ca²⁺的旋光异构，结果表明这些氨基酸金属配合物在气相下很难消旋，氨基酸金属配合物在气固相可安全地保存。由于生命体内的氨基酸金属配合物处在水环境，文献［11~15］基于DFT理论研究了水液相下α-Ala与Ca²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺和Mg²⁺以及脯氨酸与Ca²⁺配合物的旋光异构，结果表明水液相下这些氨基酸金属配合物只能极少量地消旋，说明了生命体同补α-Ala和锌、钙、镁和铁以及同补脯氨酸和钙的安全性。

水液相下α-Ala与Co²⁺配合物的旋光异构尚未见报道。本文研究了水液相下α-Ala与Co²⁺的配合物的旋光异构机理，从理论上探讨了使用丙氨酸钴（Ⅱ）为生命体同时补充α-Ala与Co²⁺的安全性。

1　 计算方法及模型选取

采用处理过渡金属和弱作用有较高精度的杂化泛函M06方法^［16］，结合处理溶剂效应有较好表现的SMD^［17］模型方法，配体元素采用6-311+G（d，p）基组，考虑到相对论效应，Co²⁺采用SDD赝势基组，优化反应过程的四重态（计算表明本研究体系在四重态最稳定）势能面上的驻点结构（自由能热校正在1个标准大气压，298.15 K温度下）；通过对反应过渡态^［18］虚频振动模式的分析及IRC（内禀反应坐标）计算^［19］，确认过渡态的可靠性。为计算出相对精确的反应过程势能面，兼顾计算成本，采用杂化泛函MN15^［20］方法。配体元素采用6-311++G（2df， pd）高角动量基组，计算驻点的单点能。驻点的总自由能是自由能热校正和单点能之和，势能曲线的零势点为该曲线上各个驻点的相对势能零点。

α-Ala在气相和水液相下分别是中性和两性较稳定^{［21，22］}，故配合物S-α-Ala·Co²⁺的α-Ala也有中性和两性两种情形。两性S-α-Ala与Co²⁺的配合物记作S-A·Co_1，其在a和b通道异构得到的第3个无手性过渡态记作T3_1^a（b），在a通道异构得到的手性对映体产物记作S-A·Co_1^a；中性S-α-Ala与Co²⁺的配合物记作S-A·Co_2，在a通道异构得到的S-A·Co_1记作S-A·Co_1_2^a； S-I2_1^a（b）中的Co²⁺与5个H₂O配位，再与二聚水氢键作用的络合物记作S-I2_1^a（b）←5H₂O·（H₂O）₂，其他体系表示法相似。络合物结构图上的虚线表示氢键作用。计算工作采用Gaussian16程序^［23］。

2　 结果与讨论

计算表明，水液相下两性Ala分子的羧基下部的氧与Co²⁺单齿配位的构象最稳定，中性Ala分子的氨基氮和羧基氧与Co²⁺双齿配位的构象最稳定。优化得到的水液相下两对配合物的手性对映体见图1。

文献［11~15］的研究表明，非氢转移反应，水分子（簇）与反应物作用（氢键作用及配位作用）对反应能垒影响较小，考虑隐性水溶剂效应即可说明相关的反应机制。氢迁移反应，水分子（簇）作氢转移媒介以及水分子与Co²⁺配位会显著改变反应能垒，研究氢迁移反应需同时考虑溶剂极性和水分子（簇）的共同作用，即显性水溶剂效应。为清晰地呈现水液相下丙氨酸钴（Ⅱ）配合物旋光异构的历程以及水分子（簇）所起的作用，本文先讨论隐性水溶剂效应下S-A·Co的旋光异构，然后再讨论显性水溶剂效应下S-A·Co旋光异构过程中的氢迁移反应。

2.1　隐性水溶剂效应下S-A·Co配合物的旋光异构

2.1.1　 S-A·Co_1的旋光异构

S-A·Co_1可在4个通道a、b、c和d实现旋光异构，反应历程见图2，反应的自由能势能面见图3。

2.1.1.1　a和b通道

第1基元反应（a和b通道共用）：反应物S-A·Co_1经6C—8O—14Co剪式运动的过渡态S-T1_1^a（b），14Co向羧基中部摆动，异构成中间体S-I1_1^a（b）。从S-A·Co_1到S-T1_1^a（b），键角6C—8O—14Co从115.5°减小至95.7°，改变键角所需能量很少，S-T1_1^a（b）产生的内禀能垒仅10.8 kJ/mol。

第2基元反应（a和b通道共用）：S-I1_1^a（b）经6C—7O—14Co剪式运动的过渡态S-T2_1^a（b），14Co向羧基上部摆动，异构成中间体S-I2_1^a（b）。从S-I1_1^a（b）到S-T2_1^a（b），键角6C—7O—14Co从89.4°增加至112.1°，S-T2_1^a（b）产生的内禀能垒仅1.4 kJ/mol。

第3基元反应（a和b通道共用）：中间体S-I2_1^a（b）经过渡态T3_1^a（b），9H从1C迁移至8O，异构成中间体I3_1^a（b）。从S-I2_1^a（b）到T3_1^a（b），1C—9H键长从0.109 2 nm拉伸至0.156 0 nm，碳氢键断裂；6C—8O键长从0.125 7 nm拉伸至0.135 2 nm，骨架二面角2N—1C—10C—6C从121.3°增加至127.3°；6C—1C键右视顺时针内旋转18.8°。这些变化使T3_1^a（b）产生了283.1 kJ/mol的内禀能垒。

接下来的反应历程分为a和b两个分通道。

1） a通道专属反应第4基元反应：I3_1^a（b）经过渡态T4_1^a，9H在纸面内侧从8O迁移1C，异构成R-型中间体R-I4_1^a，S-A·Co_1实现了旋光异构。从I3_1^a（b）到T4_1^a，8O—9H键从0.097 9 nm拉伸至0.120 7 nm，断裂；6C—1C右视顺时针内旋转27.8°。这些变化使T4_1^a产生了198.9 kJ/mol的内禀能垒。该能垒远小于T3_1^a（b）产生的内禀能垒（283.1 kJ/mol），原因是从I3_1^a（b）到T4_1^a，8O—9H键的拉伸幅度小，且此过程α-碳从空配向满配（即从sp²杂化向sp³杂化）过渡时释放了能量。

第5基元反应：R-I4_1^a经6C—7O—14Co剪式运动的过渡态R-T5_1^a，14Co向羧基中部摆动，构象异构成双齿的中间体配合物R-I5_1^a。从R-I4_1^a到R-T5_1^a过程，键角6C—7O—14Co从112.1°减小至89.4°，R-T5_1^a产生的内禀能垒为6.2 kJ/mol。

第6基元反应：R-I5_1^a经6C—8O—14Co剪式运动的过渡态R-T6_1^a，14Co向羧基底部摆动，异构成与S-A·Co_1镜像对称的产物R-A·Co_1^a，S-A·Co_1在a通道实现了手性对映体转变。从R-I5_1^a到R-T6_1^a，键角6C—8O—14Co从95.7°增至115.5°，R-T6_1^a产生的内禀能垒为3.1 kJ/mol。

纵观S-A·Co_1在a通道的驻点构象和势能面，所有驻点构象及能量关于I3_1^a（b）对称。

2） b通道专属反应第4基元反应：I3_1^a（b）经过渡态T4_1^b，4H在纸面内从2N迁移至1C，异构成R-型中间体R-I4_1^b， S-A·Co_1在b通道实现旋光异构。从I3_1^a（b）到T4_1^b，2N—4H键从0.102 9 nm拉伸至0.132 3 nm，2N—1C键从0.142 9 nm拉伸至0.152 7 nm。这些变化使T4^b_1产生了208.4 kJ/mol的内禀能垒。

第5基元反应：R-I4_1^b经氨基上的3H和5H左右翻转的过渡态R-T5_1^b，3H和5H从右侧翻转到左侧，形成中间体R-I5_1^b。从R-I4_1^b到R-T5_1^b，二面角1C—2N—3H—5H从131.6°增加至-170.2°，此二面角的变化所需能量很小，R-T5_1^b仅产生3.9 kJ/mol的内禀能垒。

第6基元反应：R-I5_1^b经过渡态R-T6_1^b，6C—1C右视逆时针内旋转、2N—1C俯视逆时针内旋转以及9H从8O向2N迁移协同非同步进行，异构成R-A·Co_1^b，S-A·Co_1在b通道实现了手性对映体转变。从R-I5_1^b到R-T6_1^b，6C—1C内旋转87.3°，1C—2N内旋转50.1°，化学键内旋转所需能量很小，R-T6_1^b产生的内禀能垒仅4.1 kJ/mol。

2.1.1.2 c和d通道

第1基元反应（c和d通道共用）：反应物S-A·Co_1经过渡态T1_1^c（d），9H从1C迁移至7O，异构成中间体I1_1^c（d）。从S-A·Co_1到T1_1^c（d），1C—9H键从0.109 2 nm拉伸至0.161 0 nm，断裂，6C—7O键从0.125 9 nm拉伸至0.135 3 nm，8O—14Co键从0.189 9 nm拉伸至0.200 7 nm；二面角2N—1C—10C—6C从120.0°增至125.3°；6C—1C右视逆时针内旋转94.1°。这些变化使T1_1^c（d）产生了295.8 kJ/mol的内禀能垒。接下来的反应历程分为c和d两个分通道。

1） c通道专属反应第2基元反应：I1_1^c（d）经过渡态T2_1^c，9H从纸面外侧到翻转到纸面内侧，异构成中间体I2_1^c。从I1_1^c（d）到T2_1^c，7O—6C俯视逆时针内旋转17.8°，8O—6C仰视顺时针内旋转21.1°，化学键小角度的内旋转所需能量很小，T2_1^c产生的内禀能垒仅1.3 kJ/mol。

第3基元反应：I2_1^c经过渡态T3_1^c，9H在纸面内侧从7O迁移至1C，异构产物R-A·Co_1^c，S-A·Co_1在c通道完成旋光异构。从I2_1^c到T3_1^c，7O—9H键从0.098 1 nm拉伸至0.118 3 nm，6C—1C右视顺时针内旋转90.6°。这些变化使T3_1^c产生了202.0 kJ/mol的内禀能垒。

纵观c通道的驻点构象和势能面，所有驻点构象及能量关于T2_1^c对称。

2） d通道专属反应第2基元反应：I1_1^c（d）经过渡态T2_1^d，4H在纸面内从2N迁移至1C，异构成中间体R-I2_1^d，S-A·Co_1在d通道实现旋光异构。从I1_1^c（d）到T2_1^d，2N—4H键从0.103 0 nm拉伸至0.132 3 nm，2N—1C键从0.147 8 nm拉伸至0.152 5 nm。这些变化使T2_1^d产生了205.9 kJ/mol的内禀能垒。

第3基元反应：R-I2_1^d经氨基上的3H和5H左右翻转的过渡态R-T3_1^d，3H和5H从右侧翻转到左侧，异构成中间体R-I3_1^d。此基元与b通道的第5基元相似，R-T3_1^d产生了7.6 kJ/mol的内禀能垒，不再赘述。

第4基元反应：R-I3_1^d经过渡态R-T4m_1^d（或R-T4n_1^d），7O—6C右视顺（或逆）时针内旋转和9H从7O向2N迁移协同非同步进行，异构成R-A·Co_1^d， S-A·Co_1在d通道实现了手性对映体转变。从R-I3_1^d到R-T4m_1^d，7O—6C内旋转89.5°，R-T4m_1^d产生的内禀能垒为42.0 kJ/mol。相似的R-T4n_1^d产生的内禀能垒为41.9 kJ/mol，不再赘述。

结合图2和图3可知，α-Ala_1·Co²⁺在a和b通道的旋光异构具有优势，决速步是第3基元反应，决速步能垒为283.1 kJ/mol，来自α-氢从α-碳向羧基下部的氧（8O）迁移的过渡态。从图3还可看出，a通道第4基元的能垒低于b通道第4基元的能垒，比较而言，在a通道比b通道略具优势。由于能垒小于40.0 kJ/mol的反应可通过分子间的碰撞实现^［24］，因此水液相下反应物应是S-A·Co_1、S-I1_1^a（b）和S-I2_1^a（b）共存，S-A·Co_1分布最高，S-I2_1^a（b）次之，S-I1_1^a（b） 分布最少；产物是R-I4_1^a、R-I5_1^a和R-A·Co_1^a共存，R-A·Co_1^a分布最高，R-I4_1^a次之，R-I5_1^a分布最少。

2.1.2　 S-A·Co_2的旋光异构

S-A·Co_2的旋光异构有2个通道a和b，反应历程见图4，反应的自由能势能面见图5。

2.1.2.1 a通道

第1基元反应：S-A·Co_2经过渡态S-T1m_2^a（或S-T1n_2^a），7O—5C仰视逆时针（或顺时针）内旋转，异构成中间体S-I1_2^a。从S-A·Co_2到S-T1m_2^a，7O—5C仰视逆时针内旋转92.1°，S-T1m_2^a产生了39.8 kJ/mol的内禀能垒。相似地，S-T1n_2^a产生的内禀能垒为39.2 kJ/mol，不再赘述。

第2基元反应：S-I1_2^a经过渡态S-T2_2^a，螯合环打开异构成S-I2_2^a。从S-I1_2^a到S-T2_2^a，14Co—2N断裂，S-T2_2^a产生了54.0 kJ/mol的内禀能垒。

第3基元反应：S-I2_2^a经过渡态S-T3m_2^a（或S-T3n_2^a），5C—1C和2N—1C键内旋转，8H从7O迁移至2N，异构成S-A·Co_1_2^a。从S-I2_2^a到S-T3m_2^a，5C—1C右视顺时针内旋转87.9°，2N—1C俯视顺时针内旋转54.1°，这两个化学键内旋转所需能量很少，S-T3m_2^a产生的内禀能垒仅6.0 kJ/mol。相似地，S-T3n_2^a产生的内禀能垒为11.1 kJ/mol。

结构分析表明，S-A·Co_1_2^a的结构完全与S-A·Co_1相同。S-A·Co_1_2^a接下来的异构亦同S-A·Co_1的异构，不再赘述。

2.1.2.2 b通道

第1基元反应：S-A·Co_2经羧基内H迁移的过渡态S-T1_2^b，8H从7O迁移至6O，异构成中间体S-I1_2^b。从S-A·Co_2到S-T1_2^b，7O—8H键长从0.098 6 nm拉伸至0.135 7 nm，S-T1_2^b产生的内禀能垒为172.9 kJ/mol。

第2基元反应：S-I1_2^b经过渡态T2_2^b，9H从1C迁移至7O，异构成中间体I2_2^b。从S-I1_2^b到T2_2^b，1C—9H键长从0.109 7 nm拉伸至0.155 3 nm，5C—7O键长从0.122 9 nm拉伸至0.132 4 nm，二面角2N—1C—10C—5C从125.0°增至139.6°。这些变化使T2_2^b产生了218.2 kJ/mol的内禀能垒。

接下来I2_2^b的异构分为b1和b2两个分路径。

1） b1分路径专属基元反应第3基元反应：I2_2^b经9H在纸面内侧从7O向1C迁移的过渡态T3_2^b1，异构成中间体R-I3_2^b1，至此S-A·Co_2在b通道b1分路径实现旋光异构。从I2_2^b到T3_2^b1，7O—9H键长从0.097 9 nm拉伸至0.130 4 nm，T3_2^b1产生的内禀能垒为259.1 kJ/mol。此基元的能垒高于第2基元的能垒，主要原因是I2_2^b的7O—9H键的红外伸缩振动频率3 751.8 cm^-1比S-I1_2^b的1C-9H键的红外伸缩振动频率3 097.0 cm^-1大，故I2_2^b的7O—9H比S-I1_2^b的1C-9H键的钝化程度高。

第4基元反应：R-I3_2^b1经过渡态R-T4_2^b1，8H从6O回迁到7O，异构成与S-A·Co_2镜像对称的产物配合物R-A·Co_2^b1，S-A·Co_2在b通道b1路径实现了手性对映体转变。从R-I3_2^b1到R-T4_2^b1，6O—8H键长从0.098 3 nm拉伸至0.131 9 nm，R-T5_2^b1产生的内禀能垒为48.7 kJ/mol。此能垒比第一基元的能垒小很多，原因是此基元的质子迁移是逆偶极矩方向，体系的电场力助力质子迁移。

S-A·Co_2在b通道b1路径旋光异构反应的驻点构象和驻点的能量关于T3_2^b1对称。

2） b2路径专属基元反应第3基元反应：I2_2^b经过渡态T3_2^b2，11H在纸面内侧从10C迁移至1C，异构成R-型中间体R-I3_2^b2。从I2_2^b到T3_2^b2，10C—11H键长从0.109 7 nm拉伸至0.163 6 nm，T3_2^b2产生的内禀能垒为345.6 kJ/mol。

第4基元反应：R-I3_2^b2经过渡态R-T4_2^b2，9H从7O迁移至10C，异构成中间体R-I4_2^b2。从R-I3_2^b2到R-T4_2^b2，7O—9H键长从0.090 8 nm拉伸至0.119 1 nm，R-T4_2^b2产生了82.6 kJ/mol的内禀能垒。结构分析表明，R-I4_2^b2与R-I3_2^b1的结构全同，接下来R-I4_2^b2将按R-I3_2^b1的方式异构成R-A·Co_2^b2，记作R-A·Co_2^b1（b2），不再赘述。

从图5可知，S-A·Co_1相对于S-A·Co_2的自由能是-41.1 kJ/mol，前者的稳定性高于后者；在a通道，S-A·Co_2向S-A·Co_1异构决速步的自由能垒为54.0 kJ/mol，低于温和反应能垒83.6 kJ/mol^［24］，反应进行较快；S-A·Co_1向S-A·Co_2异构决速步的自由能垒为97.6 kJ/mol，高于温和反应能垒83.6 kJ/mol^［24］，反应进行较慢。因此水液相下，S-A·Co_1的分布会远高于S-A·Co_2。从图5还可看出，S-A·Co_2在b通道旋光异构决速步的能垒在259.1 kJ/mol以上，b通道是S-A·Co_2异构的劣势通道。

2.2　显性水溶剂效应下S-A·Co旋光异构过程中的氢迁移反应

为节省篇幅，本文只讨论S-A·Co_1在优势通道a和b旋光异构过程中的氢迁移反应。

水分子多以水簇的形式存在，显性水溶剂效应下，水分子簇与14Co形成配位键，同时水分子簇可与S-A·Co_1的氢、氧和氮等氢键作用。已有研究^［11~15］表明，水簇或单个水分子与金属配位时，配合物异构反应能垒差别很小，二聚水和三聚水作为质子转移媒介时质子转移的能垒相差很小。因此为使问题简便，仅讨论单个水分子与14Co配位，二聚水做质子转移媒介的情况。

Co²⁺最多配位数是6，在S-I2_1^a（b）中Co²⁺已经与1个O配位，再有5个水分子与Co配位，Co便“满配”，得到的中间体是S-I2_1^a（b）←5H₂O。再有二聚水与9H和8O氢键作用，同时和与Co²⁺配位的水分子氢键作用，形成具有稳定氢键网络的S-I2_1^a（b）←5H₂O·（H₂O）₂m（此处m表示二聚水在纸面外与S-I2_1^{a （b）}氢键作用）。S-I2_1^a（b）←5H₂O·（H₂O）₂m旋光异构历程见图6，势能面见图7。

第3基元反应（a和b通道共用）：S-I2_1^{a （b）}←5H₂O·（H₂O）₂m经过渡态T3_1^a（b）←5H₂O·（H₂O）₂m，3个质子协同迁移，实现了质子从1C向8O的净迁移，异构成中间体I3_1^{a （b）}←5H₂O·（H₂O）₂m。从S-I2_1^{a （b）}←5H₂O·（H₂O）₂m到T3_1^{a （b）}←5H₂O·（H₂O）₂m，1C—9H、30O—32H和33O—35H键长分别从0.109 4、0.100 6和0.099 2 nm拉伸至0.142 6、0.146 4和0.115 0 nm；二面角2N—1C—10C—6C从120.7°变为132.7°。这些变化使T3_1^a（b）←5H₂O·（H₂O）₂m产生了120.3 kJ/mol的内禀能垒。此能垒低于T3_1^a（b）产生的内禀能垒283.1 kJ/mol，说明水分子（簇）对此基元反应起了很好的催化作用。原因是T3_1^a（b）←5H₂O·（H₂O）₂m的氢键角1C—9H—30O、30O—32H—33O和33O—35H—8O分别是167.0°、156.2°和167.1°，3个氢键较强；T3_1^a（b）←5H₂O·（H₂O）₂m的八元环结构共面程度较好，导致过渡态T3_1^a（b）←5H₂O·（H₂O）₂m的稳定性较好。

a通道第4基元反应：二聚水在I3_1^a←5H₂O的后面与9H及α-碳氢键作用形成的中间体反应物I3_1^a←5H₂O·（H₂O）₂n（n表示二聚水在I2_1^a（b）的后面，后面相似之处不再赘述）经过渡态T4_1^a←5H₂O·（H₂O）₂n，实现了质子在纸面内从8O向1C净迁移，异构成R-型中间体产物R-I4_1^a←5H₂O·（H₂O）₂n，S-A·Co_1实现旋光异构。从I3_1^a←5H₂O·（H₂O）₂n到T4_1^a←5H₂O·（H₂O）₂n，8O—9H、34O—33H和30O—32H键长从0.102 9、0.099 5 和0.098 7 nm分别拉伸至0.126 0、0.105 1和0.120 3 nm，T4_1^a←5H₂O·（H₂O）₂n产生的内禀能垒为30.3 kJ/mol。该能垒低于T4_1^a产生的内禀能垒198.9 kJ/mol，说明水分子（簇）对此基元反应起了显著的催化作用。原因之一是T4_1^a←5H₂O·（H₂O）₂n的氢键角8O—9H—32O、32O—33H—30O和30O—32H—1C分别是167.1°、156.2°和167.0°，3个氢键较强，过渡态的八元环结构共面程度较好，T2_1^a（b）←6H₂O·（H₂O）_2m的构象较稳定； 原因之二是从I1_1^a←4H₂O·（H₂O）₂n到T2_1^a←4H₂O·（H₂O）₂n，二面角2N—1C—6C—10C从-168.8°变为-132.8°，1C从sp²杂化向sp³杂化过渡，体系释放能量。

b通道第4基元：I3_1^b的Co与5个水分子配位，二聚水在纸面内与4H及1C氢键作用，得到中间体反应物I3_1^b←5H₂O·（H₂O）₂n。其经过渡态T4_1^b←5H₂O·（H₂O）₂n，实现质子在纸面内从2N向1C的净迁移，异构成中间体产物R-I4_1^b←5H₂O·（H₂O）₂n，S-A·Co_1在b通道实现旋光异构。从I3_1^b←5H₂O·（H₂O）₂n到T4_1^b←5H₂O·（H₂O）₂n，2N—4H、34O—33H和31O—30H键长从0.102 9、0.099 6和0.098 0 nm分别拉伸至0.133 0、0.105 7和0.120 3 nm，T4_1^b←5H₂O·（H₂O）₂n产生的内禀能垒为35.6 kJ/mol，远低于T4_1^b产生的内禀能垒208.4 kJ/mol，说明水分子（簇）对此基元反应起了显著的催化作用。其原因相似于前面的水液相下S-A·Co_1在a通道的第4基元反应。

结合图7和图3可知，显性水溶剂效应下S-A·Co_1在a和b通道旋光异构的决速步能垒为120.3 kJ/mol。结合图7和5可知，显性水溶剂效应下S-A·Co_2旋光异构优势通道的决速步能垒也是120.3 kJ/mol。120.3 kJ/mol高于温和反应能垒83.6 kJ/mol^［24］许多，S-A·Co的消旋反应只能很缓慢地进行。这从理论上说明丙氨酸钴（Ⅱ）配合物用于生命体同补丙氨酸和Co²⁺比较安全。

3　 结 论

本文在SMD/MN15/SDD/6-311++G（2df，pd）//SMD/M06/SDD/6-311+G（d， p）双水平，研究了两性及中性α-丙氨酸（α-Ala_1和α-Ala_2）与Co²⁺配合物在水液相下的旋光异构，得到如下结论：1） α-Ala·Co_2向α-Ala·Co_1异构的决速步自由能垒为54.0 kJ/mol，逆反应的决速步自由能垒为97.6 kJ/mol，水液相下α-Ala·Co_1的分布远高于α-Ala·Co_2； 2） α-Ala_1·Co²⁺旋光异构有4个通道a、b、c和d，a通道和b通道是质子向羧基底部的氧迁移，c通道和d通道是质子向羧基上部的氧迁移；3） α-Ala_1·Co²⁺旋光异构的优势通道是a通道和b通道，隐性溶剂效应下决速步能垒为283.1 kJ/mol，显性溶剂效应下该能垒降至120.3 kJ/mol，α-Ala_2·Co²⁺异构到α-Ala_1·Co²⁺后再旋光异构的通道具有优势，决速步能垒与α-Ala_1·Co²⁺旋光异构的能垒相同。上述研究表明，水液相下丙氨酸钴（Ⅱ）配合物的消旋反应进行缓慢，用于生命体同补丙氨酸和Co²⁺在理论上具有较好的安全性。

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基金资助

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全国大学生创新项目(202110206019)

吉林省科技发展计划自然科学基金(20130101131JC)