α-丙氨酸Cr（Ⅲ）配合物手性反转及水溶剂效应的理论研究

Theoretical Study on Chiral Reverse and Aqueous Solvent Effect of α-Alanine Cr（Ⅲ） Complexes

摘要

在M06/6-311++G(d,p)和MN15/6-311++G(2df,pd)双水平，研究了α-丙氨酸（α-Ala）与Cr³⁺的配合物S-α-Ala·Cr³⁺的手性反转，结合极化连续介质的SMD模型方法研究了水溶剂的作用。S-α-Ala·Cr³⁺的手性反转有3个通道：a通道是氨基N作质子转移媒介；b通道是羰基O和氨基N联合作质子转移媒介；c通道是羰基O作质子转移媒介。势能面研究表明：气相S-α-Ala·Cr³⁺在a、b、c通道手性反转的活化能分别是295.6、305.5、123.6 kJ/mol；水液相S-α-Ala·Cr³⁺在a通道的活化能降至95.8 kJ/mol，在b通道和c通道的活化能降至108.0 kJ/mol。结果表明：气相α-Ala·Cr³⁺能缓慢消旋，因此光学纯的α-Ala·Cr³⁺不能在气固相下长期保存；水液相下α-Ala·Cr³⁺能缓慢消旋，α-Ala·Cr³⁺只能短期且少量的用于生命体同补α-Ala和Cr³⁺。

Abstract

The chiral reversal mechanism of α-alanine (α-Ala) and trivalent chromium(Cr³⁺) complexes is investigated at the M06/6-311++G(d,p) and MN15/6-311++G(2df,pd) double level. The effect of aqueous solvent is investigated by using the SMD model method of polarized continuum. The chiral reverse of S-α-Ala·Cr³⁺ has 3 channels, and the amino group N atom acts as the medium for proton transfer in channel a; the combination of carbonyl group O atom and amino group N atom acts as the medium for proton transfer in channel b; the carbonyl group O atom acts as a medium for proton transfer in channel c. The research on potential energy surface shows: under the gas phase, the chiral reverse activation energies of S-α-Ala·Cr³⁺ in channel a, b and c are 295.6, 305.5 and 123.6 kJ/mol, respectively; Under the aqueous liquid phase the activation energy of S-α-Ala·Cr³⁺ decreases to 95.8 kJ/mol in channel a and it decreases to 108.0 kJ/mol in channel b and c. The results show that α-Ala·Cr³⁺ can be racemized slowly in the gas phase, and the optically pure α-Ala·Cr³⁺ cannot be preserved for a long time in the gas-solid phase; The racemization rate of α-Ala·Cr³⁺ is not very slow in aqueous liquid phase, and α-Ala·Cr³⁺ can be racemated slowly and minimally for supplementing α-Ala and Cr³⁺ to living organisms.

Graphical abstract

关键词

α-丙氨酸 / 三价铬 / 密度泛函理论 / 手性反转 / 水溶剂效应 / 能垒

Key words

α-alanine / trivalent chromium / density functional theory / chiral reverse / water solvent effect / energy barrier

0　 引 言

铬（chromium，Cr）是生命体必需的微量元素，可作为葡萄糖耐受因子的成分，还有促进生长和增强免疫的功能^[1]。铬有+2、+3、+6多种价态，+2和+6价铬有毒性，+3价铬是参与人体糖和脂质代谢的微量元素，对人体健康有重要作用^[2]。无机铬在动物胃肠道中很难被吸收，而低分子有机铬配合物能够通过肠黏膜进入血液^[3]，因此有机铬的吸收率远高于无机铬^[4]。氨基酸铬中的氨基酸和铬都是人体必需的营养成分，氨基酸铬易溶解、吸收，生物学效价高，有同补氨基酸和铬的双重功效^[5]。其中，结构最简单的手性氨基酸α-丙氨酸（α-alanine, α-Ala）与铬的配合物是生命体同补氨基酸和铬的首选方案。

α-Ala依据其旋光性分为L-α-Ala（左旋）和D-α-Ala（右旋），依据其构型分为S-α-Ala和R-α-Ala。L-α-Ala在生命体内有生物活性；微量D-α-Ala对生命体有积极作用，但过多D-α-Ala对生命体有害^[6，7]。通常手性分子只有一种对映体有所要求的药理活性，另一种对映体无作用甚至有害。因此，研究氨基酸金属配合物的手性反转，对指导人们科学地使用氨基酸金属盐具有重要意义。α-Ala与多种金属离子配合物的手性反转理论研究表明：气相下α-Ala与Zn²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Na⁺、K⁺、Co²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等的配合物^[8]不能手性反转，而α-Ala与Co³⁺和Cu²⁺等的配合物^[8]可以缓慢地实现手性反转；水液相下α-Ala与Na⁺、K⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Co³⁺、Fe²⁺、Mn²⁺的配合物^[8~10]只能微量或痕量地手性反转，而α-Ala与Co²⁺的配合物可以少量地手性反转^[11]。文献[12]的实验研究表明，α-丙氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸等与Cu²⁺的配合物手性反转的反应速率不尽相同，能够少量、微量或痕量地消旋，文献[13，14]的研究从理论上佐证了该实验。

结合已有的研究，本课题组对气相α-Ala与Cr³⁺配合物的手性反转及水溶剂的作用进行了研究，期望对人们科学地使用α-Ala·Cr³⁺给予参考。

1　 计算方法

在M06^[15]/6-311+G(d,p)水平优化四重态（本研究体系在四重态最稳定）势能面上的驻点结构；水溶剂效应采用SMD模型^[16]处理。在相同的理论水平对过渡态^[17]进行内禀反应坐标（IRC）计算^[18]，确认相关驻点与过渡态的关联性。为得到精确的反应势能面，采用高精度泛函MN15方法^[19]，在高角动量劈裂价键基组6-311++G(2df,pd)下计算单点能，对驻点的总能进行自由能热校正，势能曲线的零势点为该曲线上各个驻点的相对势能零点。气相下Cr³⁺与S-α-Ala的配合物S-α-Ala·Cr³⁺记作S-A·Cr³⁺，水相下的物种X记作X@W；S-A·Cr³⁺在a通道异构的第1个S-型过渡态记作S-TS1^a，在b、c通道共用的第1个无手性中间体记作INT1^b(c)；水相下5个H₂O与INT4^a ·Cr³⁺配位，二聚水与INT4^a氢键作用的体系记作INT4^a←5H₂O·(H₂O)₂@W，其他体系表示法相似。文中的计算采用Gaussian16程序^[20]。

2　 结果与讨论

计算表明，气相和水液相下α-A·Cr³⁺均以Cr³⁺与两性α-Ala的羧基O双齿配位构象最稳定，两种环境的α-A·Cr³⁺构型差异并不明显。优化后的气相α-A·Cr³⁺配合物的手性对映体见图1。本文先讨论气相S-A·Cr³⁺的手性反转，而后讨论水液相S-A·Cr³⁺的手性反转。

2.1　气相S-A·Cr³⁺的手性反转

基于以往的研究^{[9，10，13，14]}，本文讨论S-A·Cr³⁺在相对具有优势的3个通道（分别以氨基N、羰基O和氨基N联合、羰基O作质子转移媒介）的手性反转，3个通道分别命名为a、b和c，反应历程见图2，反应的势能面见图3。以羰基O和甲基C为桥质子转移的通道处于劣势，不予以讨论。

2.1.1　a通道

第1基元反应：S-A·Cr³⁺经过渡态S-TS1^a，5H从2N迁移至7O，异构成中间体S-INT1^a。从S-A·Cr³⁺到S-TS1^a，2N—5H键从0.103 1 nm拉伸至0.126 8 nm，产生了143.9 kJ/mol的能垒。

第2基元反应：S-INT1^a经过渡态S-TS2m^a（或S-TS2n^a），7O—5H逆（或顺）时针旋转，异构至中间体S-INT2^a。从S-INT1^a到S-TS2m^a，二面角5H—7O—6C—8O从173.8°减小至97.7°。由于5H的运动方向与体系偶极矩矢量的夹角是锐角，羧羟基的旋转要抵抗体系的静电场力做功，因而从S-INT1^a越过S-TS2m^a需要跨越101.9 kJ/mol的能垒。S-T2n^a产生的能垒是99.1 kJ/mol。

第3基元反应：S-INT2^a经过渡态TS3^a，α-H从α-C和迁移至氨基N，异构成INT3^a。从S-INT2^a到TS3^a，1C—9H键从0.109 7 nm拉伸至0.128 1 nm，二面角2N—1C—5C—6C从122.4°增加至161.7°，产生了246.8 kJ/mol的能垒。

第4基元反应：INT3^a经过渡态TS4^a，纸面内侧的H质子从氨基N迁移至α-C，异构为R-INT4^a，S-A·Cr³⁺实现了手性反转。从INT3^a到TS4^a，2N—4H键从0.104 0 nm拉伸至0.138 6 nm，TS4^a产生的能垒是239.7 kJ/mol。该能垒低于TS3^a产生的能垒246.8 kJ/mol，原因是从INT3^a到TS4^a，α-C从sp²杂化状态向sp³杂化状态过渡，体系释放能量。

第5基元反应：R-INT4^a经过渡态R-TS5m^a（或R-TS5n^a），5H从羧基内旋转到羧基外（羟基从顺式结构变为反式结构），异构至中间体R-INT5^a。R-TS5m^a和R-TS5n^a产生的能垒分别是192.4、189.6 kJ/mol。这两个能垒均较大，是因为5H从羧基内向羧基外旋转过程中要克服氨基H的位阻。

第6基元反应：R-INT5^a经过渡态R-TS6^a，5H从7O迁移至2N，异构至产物R-A·Cr^3+a，S-A·Cr³⁺实现了手性对映反转。从R-INT5^a到R-TS6^a，7O—5H键从0.097 9 nm拉伸至0.125 6 nm，仅产生8.3 kJ/mol的能垒。由于此基元的质子迁移是逆体系偶极矩方向，体系的电场力做正功，故该质子迁移过程的能垒如此之小。

2.1.2　b通道和c通道

第1基元反应为b通道和c通道共用。反应物S-A·Cr³⁺经过渡态TS1^b(c)，α-H从α-碳迁移至羰基氧8O，异构为中间体INT1^b(c)。从S-A·Cr³⁺到TS1^b(c)，1C—9H键从0.110 5 nm拉伸至0.136 8 nm，二面角6C—1C—2N—10C从124.6°增加至154.3°；6C—1C键右视顺时针内旋转111.6°，这些变化产生了123.6 kJ/mol的内禀能垒。该能垒小于S-TS1^a产生的能垒，远小于TS3^a产生的能垒。

接下来分别是b通道和c通道的专属反应。

2.1.2.1 b通道专属反应

第2基元反应：INT1^b(c)经过渡态TS2^b，3H在纸面内侧从3N迁移至手性C，异构为R-INT2^b，S-A·Cr³⁺实现手性反转。从INT1^b(c)到TS2^b，2N—3H键从0.103 8 nm拉伸至0.137 3 nm，N—H键的大幅拉伸使TS2^b产生了247.9 kJ/mol的内禀能垒。

第3基元反应：R-INT2^b经过渡态R-TS3^b，6C—1C右视逆时针和2N—1C键俯视顺时针内旋转协同进行，异构为R-I3^b。两个化学键的内旋转产生了90.3 kJ/mol的内禀能垒。该能垒主要用于克服来自3H的空间位阻和7O与5H之间的库仑引力。

第4基元反应：R-INT3^b经过渡态R-TS4^b，9H从7O迁移至2N，异构为产物R-A·Cr^3+b，实现了手性对映体的反转。从R-INT3^b到R-TS4^b，7O—9H键从0.097 9 nm拉伸至0.125 6 nm，产生了8.3 kJ/mol的能垒。该基元反应与a通道第一基元反应镜像对称，但R-TS4^b产生的正向能垒远低于S-TS1^a产生的正向能垒，也就是说，质子从7O向2N迁移比其从2N向7O迁移容易得多。

2.1.2.2 c通道专属反应

第2基元反应：INT1^b(c)经与TS1^b(c)镜像对称的过渡态TS2^c，9H从8O迁移至α-碳，异构为产物R-A·Cr^3+c，实现了手性对映体的反转。从INT1^b(c)到TS2^c，8O—9H键从0.097 8 nm拉伸至0.137 3 nm，产生的内禀能垒是66.0 kJ/mol。该基元的质子转移能垒较低，原因是从INT1^b(c)到过渡态TS2^c过程，α-碳1C从sp²杂化向sp³杂化过渡，体系释放能量。

气相反应的活化能来自总包能垒，因此从图3可以看出，S-A·Cr³⁺在c通道的手性反转反应最具优势，反应的活化能为123.6 kJ/mol，来自过渡态TS1^b(c)。S-A·Cr³⁺在a和b通道的手性反转反应处于劣势，反应的活化能分别是295.6和305.5 kJ/mol（在误差允许的范围内可认为相同），分别来自过渡态TS3^a、TS4^a和TS2^b。c通道的能垒明显高于温和反应能垒80.0 kJ/mol^[21]，低于极限反应能垒160.0 kJ/mol^[21]，因此，S-A·Cr³⁺在c通道会发生极缓慢的手性反转。

2.2　水液相下S-A·Cr³⁺的手性反转

水液相下S-A·Cr³⁺的手性反转采用显性溶剂模型，既考虑水的极性，同时考虑水分子的作用。液相水分子绝大多数以水簇的形式存在，极少数以单个水分子的形式存在。水分子（簇）能够与Cr³⁺配位，同时与H、O和N等产生氢键作用，从而传递质子。

已有研究表明^[11~13]，对于H在α-碳和氨基N以及α-碳和羰基O间的迁移反应，水簇或单个水分子与金属离子配位对反应能垒影响较小；二聚水和三聚水作质子转移媒介时H转移的能垒相差很小^[22]，与底物分子有氢键作用但未参与反应的水分子（簇）对反应能垒影响较小^[21]。为使问题简便并节省篇幅，对于H在α-碳和氨基N以及α-碳和羰基O间的迁移反应，只讨论单个水分子与Cr³⁺配位和二聚水与H、O和N等氢键作用并作质子转移媒介的情况。

2.2.1　a通道

水液相下S-A·Cr³⁺在a通道手性反转的反应历程见图4，反应的自由能势能面见图5。

第1基元反应：螯合环打开。Cr³⁺最多可以6配位，S-A·Cr³⁺中Cr³⁺与O是2配位，再有4个H₂O与Cr³⁺配位，Cr³⁺便达到“满配”，得到配合物S-A·Cr³⁺←4H₂O@W。S-A·Cr³⁺←4H₂O@W经26Cr—12O—10C剪式振动的过渡态S-TS1^a←4H₂O@W，螯合环打开，异构为S-INT1^a←4H₂O@W。从S-A·Cr³⁺←4H₂O@W到S-TS1^a←4H₂O@W，11O—26Cr配位键断裂，26Cr—12O—10C从90.0°增加至112.3°，产生的能垒是15.6 kJ/mol。

第2基元反应：质子从氨基N和羰基O迁移。S-INT1^a←4H₂O@W的Cr³⁺是5配位，1个H₂O再与Cr³⁺配位形成S-INT1^a←5H₂O@W，使Cr³⁺达到满配状态（见图S1，附加材料）。后进入体系的H₂O与Cr³⁺的配位键能为77.8 kJ/mol（见图S2，附加材料），水液相下S-INT1^a←4H₂O@W和S-INT1^a←5H₂O@W可以共存，只是S-INT1^a←5H₂O@W的分布较高。下面对(H₂O)₂、H₂O 做媒介的质子迁移及单质子直接转移的3种情形分别进行讨论：

1） 二聚水作媒介的三质子转移。二聚水与9H和11O氢键作用，形成S-INT1^a←5H₂O·(H₂O)₂@W。S-INT1^a←5H₂O·(H₂O)₂@W经过渡态S-TS2^a←5H₂O·(H₂O)₂@W，实现了H从6N到11O的净迁移，异构为S-INT2^a←5H₂O·(H₂O)₂@W。从S-INT1^a←5H₂O·(H₂O)₂@W到S-TS2^a←5H₂O·(H₂O)₂@W，6N—9H和30O—31H键分别从0.104 3 nm和0.097 8 nm拉伸，共价键断裂；33O—35H键从0.097 2 nm拉伸至0.131 9 nm，共价键变弱，产生了77.5 kJ/mol的能垒。计算表明，二聚水与S-INT1^a←5H₂O@W的氢键结合能为30.6 kJ/mol，S-INT2^a←5H₂O·(H₂O)₂@W解离成S-INT2^a←5H₂O@W和(H₂O)₂@W的解离能为32.2 kJ/mol（见图S2）。

2） 1个H₂O作媒介的双质子协同转移。1个H₂O与9H和11O氢键作用（结合能为20.4 kJ/mol，见图S2），形成S-INT1^a←5H₂O·H₂O@W，此过程的反应历程见图S1。S-INT1^a←5H₂O·H₂O@W经过渡态S-TS2^a←5H₂O·(H₂O)@W，9H从6N迁移至30O，31H从30O迁移至11O，实现了H从N到11O的净迁移，异构为S-INT2^a←5H₂O·H₂O@W。从S-INT1^a←5H₂O·H₂O@W到S-TS2^a←5H₂O·H₂O@W，6N—9H和30O—31H键从0.104 3 nm和0.096 4 nm拉伸断裂，产生了73.2 kJ/mol的能垒。S-INT2^a←5H₂O·H₂O@W解离成S-INT2^a←5H₂O@W和H₂O @W的解离能为25.4 kJ/mol（见图S2）。

3） 单质子转移。此过程的反应历程见图S1。S-INT1^a←5H₂O@W经过渡态S-TS2^a←5H₂O@W，9H从6N迁移至11O，异构为中间体S-INT2^a←5H₂O@W。S-INT2^a←5H₂O@W解离成S-INT2^a←4H₂O@W和H₂O@W的解离能为76.4 kJ/mol（见图S2），从S-INT1^a←5H₂O@W到S-TS2^a←5H₂O@W，6N—9H键从0.102 4 nm拉伸至0.146 9 nm，产生了78.1 kJ/mol的能垒。

1个H₂O与S-INT1^a←4H₂O@W中Cr³⁺配位形成S-INT1^a←5H₂O@W，再接S-INT1^a←5H₂O@W的异构；1个H₂O与S-INT1^a←5H₂O@W氢键作用形成S-INT1^a←5H₂O·(H₂O)@W，再接S-INT1^a←5H₂O·(H₂O)@W向S-INT2^a←5H₂O·(H₂O)@W异构等反应历程及势能面（见图S1和S2；对图5第2基元和图S2的同一性说明见附加材料）。

上述3种情形的反应能垒基本相同，水分子（簇）作H迁移媒介并没有使该基元反应能垒降低。这是由于水分子（簇）作媒介时过渡态环形结构共面性极差，导致过渡态的不稳定抵消了水分子（簇）对6N—9H键的活化作用，抵消了过渡态环形结构内的氢键作用导致的过渡态稳定因素。

第3基元反应：羧基从反式结构变成顺式结构。为简便起见，仅考虑S-INT2^a←5H₂O@W的羧基从反式结构变成顺式结构的异构。计算表明，S-INT2^a←5H₂O·(H₂O)₂@W的(H₂O)₂与S-INT2^a←5H₂O@W之间的解离能在32.2 kJ/mol左右，S-INT2^a←5H₂O·(H₂O)@W的H₂O与S-INT2^a←5H₂O@W的解离能在26.8 kJ/mol左右，这两个解离过程通过分子间的碰撞很容易实现，因此可认为S-INT2^a←5H₂O@W的羧基从反式结构变成顺式结构具有合理性。

从S-INT2^a←5H₂O@W开始，经S-TS3m^a←5H₂O@W，羧羟基俯视逆时针旋转，异构成S-INT3^a←5H₂O@W，S-TS3m^a←5H₂O@W产生的能垒是68.2 kJ/mol。该能垒低于气相下S-TS2m^a产生的能垒，说明水分子的配位及水溶剂效应对此基元反应产生了极好的催化作用。与之相似，S-INT2^a←5H₂O@W经S-TS3n^a←5H₂O@W，羧羟基俯视逆时针旋转，异构成S-INT3^a←5H₂O@W，S-TS3n^a←5H₂O@W，产生的能垒是72.4 kJ/mol。为节省篇幅，S-INT2^a←5H₂O@W经S-TS3n^a←5H₂O@W异构成S-INT3^a←5H₂O@W的历程未给出。

第4基元反应：H质子从α-C向氨基N迁移。二聚水与13H、6N和27H氢键作用，形成S-INT3^a←5H₂O·(H₂O)₂m@W（m表示二聚水在正面与S-INT3^a←5H₂O氢键作用）。S-INT3^a←5H₂O·(H₂O)₂m@W经过渡态TS4^a←5H₂O·(H₂O)₂m@W，实现了H从1C到6N的净迁移，异构为INT4^a←5H₂O·(H₂O)₂m@W。从S-INT3^a←5H₂O·(H₂O)₂m@W到TS4^a←5H₂O·(H₂O)₂m@W，1C—9H键从0.109 8 nm拉伸至0.123 8 nm，29O—31H和32O—33H键从0.097 9 nm 和0.099 1 nm拉伸断裂，产生了95.8 kJ/mol的内禀能垒。该能垒较气相下此基元的能垒250.5 kJ/mol显著降低，原因是水液相下六元环过渡态稳定，且从反应物到过渡态骨架形变微小。

第5基元反应：H从N在纸面内侧向α-碳迁移，S-A·Cr³⁺←4H₂O@W实现手性反转。此基元与第4基元反应镜像对称。二聚水在INT4^a←5H₂O的后面与INT4^a←5H₂O氢键作用，形成INT4^a←5H₂O·(H₂O)₂n@W（n表示二聚水在后面与NT3^a←5H₂O氢键作用）。INT4^a←5H₂O·(H₂O)₂n@W经过渡态TS5^a←5H₂O·(H₂O)₂n@W，实现了H在纸面内侧从6N到1C的净迁移，异构为R-INT5^a←5H₂O·(H₂O)₂n@W，S-A·Cr³⁺←4H₂O@W实现了手性反转，亦即S-A·Cr³⁺实现了手性反转。从INT4^a←5H₂O·(H₂O)₂n@W到TS5^a←5H₂O·(H₂O)₂n@W，化学键29O—30H从0.097 5 nm拉伸至0.135 2 nm，6N—8H和32O—33H的共价键断裂，产生了77.1 kJ/mol的内禀能垒。

研究表明，接下来的第6、7、8基元反应与第3、2、1基元反应镜像对称，第6、7、8基元的内禀能垒分别是50.9（或55.1）、7.8~8.1、2.4 kJ/mol，最后的产物是S-A·Cr³⁺←4H₂O@W的手性对映体R-A·Cr³⁺←4H₂O@W。为节省篇幅，不再赘述。

2.2.2　b通道和c通道

b通道和c通道反应历程见图6，反应的自由能势能面见图7，下面分别讨论。

b通道和c通道共用的第1基元反应：H质子从α-碳向羰基氧7O迁移。二聚水与9H、7O和24H氢键作用，形成反应物S-A·Cr³⁺←4H₂O·(H₂O)₂m@W。经过渡态TS1^b(c)←4H₂O·(H₂O)₂m@W，实现H从1C到7O的净迁移，异构为INT1^b(c)←4H₂O·(H₂O)₂m@W。从S-A·Cr³⁺←4H₂O·(H₂O)₂m@W到TS1^b(c)←4H₂O·(H₂O)₂m@W，1C—9H、26O—28H和29O—31H键从0.109 6、0.102 0、0.098 5 nm分别拉伸至0.152 0、0.110 5、0.099 2 nm；二面角2N—1C—10C—6C从121.7°增加至157.2°，这些变化产生了108.0 kJ/mol的内禀能垒。

2.2.2.1 b通道专属反应

第2基元反应：二聚水在INT1^b(c)←4H₂O@W的后面与4H和1C氢键作用，形成INT1^b←5H₂O·(H₂O)₂n@W。INT1^b←5H₂O·(H₂O)₂n@W经过渡态TS2^b←5H₂O·(H₂O)₂n@W，实现了H从2N到1C的迁移，异构为R-INT2^b←5H₂O·(H₂O)₂n@W，S-A·Cr³⁺实现手性反转。从INT1^b←5H₂O·(H₂O)₂n@W到TS2^b←5H₂O·(H₂O)₂n@W，2N—4H、32O—33H和29O—31H从0.107 3、0.100 4、0.097 5 nm拉伸至0.107 5、0.105 2、0.142 4 nm，产生了87.2 kJ/mol的内禀能垒。

第3基元反应：氨基翻转。为简便起见，考虑R-INT2^b←5H₂O·(H₂O)₂n@W的(H₂O)₂n解离后的情况。计算表明，(H₂O)₂n从R-INT2^b←5H₂O·(H₂O)₂n@W的解离能在40.0 kJ/mol左右，可以通过碰撞过程实现。此基元是R-INT2^b←5H₂O@W经过渡态R-TS3^b←5H₂O@W，氨基氢8H和7H从侧翻转到右侧偏前面的位置，异构为R-INT3^b←5H₂O@W。二面角翻转所需能量较小，R-TS3^b←5H₂O@W产生的内禀能垒是21.6 kJ/mol。

第4基元反应：R-INT3^b←5H₂O@W经过渡态R-TS4^b←5H₂O@W，10C—1C键右视逆时针和6N—1C俯视顺时针内旋转协同进行，异构为R-INT4^b←5H₂O@W。此基元反应两个化学键的内旋转所需能量很小，R-TS4^b←5H₂O@W产生的内禀能垒是6.8 kJ/mol。R-INT4^b←5H₂O@W的构型全同于R-INT6^a←5H₂O@W，其接下来的异构同于R-INT6^a←5H₂O@W的异构，最终得到产物R-A·Cr³⁺←4H₂O@W，S-A·Cr³⁺←4H₂O@W在b通道实现手性对映体转变。

2.2.2.2 c通道专属反应

第2基元反应：与第1基元反应镜像对称。二聚水在INT1^c←4H₂O@W的后面与31H和1C发生氢键作用，形成INT1^c←4H₂O·(H₂O)₂n@W，再经过渡态TS2^c←4H₂O·(H₂O)₂n@W，实现H从7O到1C的净迁移，异构为R-A·Cr^3+c←4H₂O·(H₂O)₂n@W，S-A·Cr³⁺（或S-A·Cr³⁺←4H₂O）实现了手性对映体的转变。从INT1^c←4H₂O·(H₂O)₂n@W到TS2^c←4H₂O·(H₂O)₂n@W，7O—31H、29O—28H和26O—29H键从0.101 1、0.100 6和0.097 7 nm拉伸断裂，产生了36.5 kJ/mol的内禀能垒。该能垒较气相下此基元的能垒66.0 kJ/mol显著降低，原因是TS2^c←4H₂O·(H₂O)₂n@W的八元环结构中存在3条强氢键且存在相对稳定的氢键网络体系，TS2^c←4H₂O·(H₂O)₂n@W相对INT1^c←4H₂O·(H₂O)₂n@W有较好的稳定性。

从图5和图7可以看出，水液相下S-A·Cr³⁺手性反转反应在a通道的活化能为95.8 kJ/mol，来自H从α-碳向氨基N迁移的过渡态，在b通道和c通道的活化能都是108.0 kJ/mol，来自H从α-碳向羰基O迁移的过渡态，a通道具有优势。与气相反应相比较，水溶剂改变了反应通道的优劣顺序：气相的劣势通道a变成了优势通道；气相的b通道决速步骤变成了非决速步。95.8 kJ/mol略高于温和反应能垒80.0 kJ/mol^[21]，但远低于极限反应能垒167.0 kJ/mol^[21]，因此水液相下α-A·Cr³⁺配合物会发生缓慢的手性对映转变。

3　 结 语

在M06/6-311++G(d,p)和MN15/6-311++G(2df,pd)双水平，结合极化连续介质的SMD模型方法，研究了气相和水液相α-A·Cr³⁺的手性反转及水溶剂效应，得到如下结论：1） S-α-A·Cr³⁺可以在氨基N、羰基O和氨基N联合、羰基O作H转移媒介的a、b、c通道上实现手性反转；2） 气相下在c通道的手性反转具有优势，活化能为123.6 kJ/mol；在a和b通道手性反转的活化能分别是295.6和305.5 kJ/mol；3） 水溶剂改变了反应通道的优劣顺序，水液相下a通道的反应活化能降至95.8 kJ/mol， b通道和c通道的活化能降至108.0 kJ/mol。因此，α-A·Cr³⁺在气相下不能长期保存，且不宜长期、大量地用于生命体同补α-Ala和Cr³⁺。寻找安全的用于生命体同补氨基酸和三价铬的配合物具有的一定挑战性，相关工作正在进行中。

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基金资助

吉林省教育厅科学研究规划项目(JJKH20210010KJ)

吉林省自然科学基金(20130101131JC)