水液相下两性α-丙氨酸Mg2+配合物旋光异构的理论研究

钱 研，张雪娇，刘 芳，陈静思，丛建民，马宏源，王佐成

(1.白城师范学院 传媒学院，吉林 白城 137000；2.白城师范学院 物理学院，吉林 白城 137000；3.白城医学高等专科学校 临床医学系，吉林 白城 137000；4.白城师范学院 生命科学学院，吉林 白城 137000)

α-丙氨酸(α-alanine,α-Ala)是蛋白质的基本单元，生物体内的重要配体.根据旋光性分为左α-丙氨酸(L-α-Ala)和右α-丙氨酸(D-α-Ala)，根据构型可分为S型α-丙氨酸(S-α-Ala)和R型α-丙氨酸(R-α-Ala).生命体内L-α-Ala是优构体，有生物活性，D-α-Ala是劣构体，过量的D-α-Ala存在于生命体会导致衰老以及某些疾病[1-3].镁是生命体内宏量金属元素，常以二价阳离子Mg2+的形式存在，氨基酸Mg2+螯合物参与蛋白质的合成和多种酶促反应[4-5].有研究[6]表明，氨基酸Mg2+螯合物具有很好的稳定性，水液相下的两性氨基酸与Mg2+螯合物的稳定性好于中性氨基酸Mg2+螯合物.

α-Ala的手性特征使其金属离子配合物也具有手性，旋光性不同的手性分子可能具有截然不同的生物效应.某种旋光性的手性分子对生命体具有生物活性，但其手性对映体则无用甚至有害，因此，对手性分子消旋反应的研究极为重要.

基于手性分子旋光异构的重要性，课题组对α-Ala的稳定性及其金属配合物旋光异构进行了大量的研究.密度泛函理论研究表明，气相α-Ala中性的构象稳定，具有氨基和羧基间单氢键的α-Ala构象最稳定，通常不能消旋；水分子(簇)的催化可使气相α-Ala微量消旋；水液相环境下两性α-Ala构象最稳定，分布占优势，可少量地消旋；氢氧根离子对水液相下两性α-Ala消旋反应有促进作用，质子的存在会加速其消旋[7-11].量子力学与分子力学的研究表明，氮化硼纳米管对α-Ala消旋的限域催化作用随管径的减小而增加，限域在MOR分子筛内的α-Ala在羟自由基水分子簇的作用下可缓慢的消旋[12-13].密度泛函理论研究[14-22]表明，气相的α-Ala与Cu2+、Ca2+、Na+、Zn2+、Mg2+及Fe2+的配合物很难消旋，可以很好地保持它们的手性特征；水液相下两性α-Ala与Zn2+配合物只能痕量地消旋，可安全地用于生命体，实现锌与丙氨酸同补.目前对水液相下α-Ala·Mg2+旋光异构的研究鲜见报道，为揭示α-Ala·Mg2+在水液相下的旋光异构机理，说明α-丙氨酸镁用于生命体补镁与丙氨酸是否安全，基于以往的研究经验[14-22]，采用密度泛函理论研究了水液相环境下α-Ala·Mg2+配合物的旋光异构.

1 研究与计算方法

采用对处理含主族金属和弱作用体系具有较高精度的杂化泛函M06-2X[23]，水溶剂效应采用SMD模型[24]方法处理，在6-311+G(d,p)基组下优化了单重态(计算表明本研究体系在单重态最稳定)势能面上的稳定点和过渡态的结构(吉布斯自由能热校正温度是298.15K，压强是1个大气压)；对搜索的过渡态[25]进行IRC(内禀反应坐标)计算[26]，以确认过渡态的可靠性.为得到可靠的反应过程自由能势能面并兼顾计算成本，在SMD/M06-2X/6-311++G(3df,2pd)水平计算单点能.总吉布斯自由能是吉布斯自由能热校正和单点能之和.S-α-Ala与Mg2+的配合物S-α-Ala·Mg2+记作S-A·Mg；S-A·Mg在c通道异构的第2个S-型过渡态配合物记作S-T2c，第2个S-型中间体配合物记作S-I2c，a和b通道共用的结构X标记为Xa(b)，5个水分子与S-I3c的Mg2+配位同时2聚水与S-I3c氢键作用的体系记作S-I3c←5H2O·(H2O)2，其它体系标记法相似.计算采用Gaussian16[27]程序.

2 结果与讨论

气相下两性α-丙氨酸Mg2+的构象最稳定[19]，水液相下α-丙氨酸两性离子最稳定[11]，本工作计算表明，水液相下两性丙氨酸与Mg2+配合物的稳定性也好于中性丙氨酸Mg2+配合物(后者相对于前者的能量是13.6kJ·mol-1)，并且它们之间可以相互转化.因此，本工作只讨论两性丙氨酸Mg2+配合物在水液相环境下的旋光异构.优化的两性α-Ala与Mg2+配合物的手性对映体S-A·Mg和R-A·Mg见图1.

研究表明，S-A·Mg可通过羰基氧和氨基氮联合为桥、只以羰基氧为桥、质子从质子化氨基迁移到羰基氧后再以氨基氮为桥的氢迁移3种途径实现旋光异构，分别命名为a、b和c通道.水溶剂效应有隐性水溶剂效应和显性水溶剂效应两种情况，对于H迁移反应，既要考虑隐性水溶剂效应，还要考虑显性水溶剂效应{水分子(簇)做H迁移媒介，同时水分子还要与Mg配位}.为了获得水液相下S-A·Mg全面而清晰的旋光异构机理，下面对隐性水溶剂效应和显性水溶剂效应分别经行讨论.

2.1 隐性水溶剂效应下S-A·Mg的旋光异构

a和b通道共用第1基元反应，为使讨论过程清晰，a和b通道放在一起讨论，c通道单独讨论.

2.1.1S-A·Mg在a和b通道上的旋光异构

a、b通道的反应历程见图2，反应过程的吉布斯自由能势能面见图3(第772页)的a线和b线.

第1基元反应(a、b通道共用)，S-A·Mg经质子在α-碳和羰基氧(11O)之间迁移的过渡态T1a(b)，13H沿过渡态矢量的正向从1C迁移到11O，构象异构成中间体I1a(b).从S-A·Mg到T1a(b)过程，1C—13H键长从0.1091nm拉伸至0.1531nm，碳氢键1C—13H断裂，骨架二面角6N—1C—4C—9C从120.8°变为132.0°，9C—1C键右视顺时针内旋转13.8°，这些变化需要很多的能量，导致T1a(b)产生了297.1kJ·mol-1的内禀能垒.该能垒与气相S-A·Mg旋光异构此基元反应的内禀能垒297.5kJ·mol-1[19]相差无几，在误差允许的范围内可以认为相等，说明水溶剂对此基元反应影响甚小.原因是S-A·Mg的偶极矩(9.0981D)与T1a(b)的偶极矩(10.9155D)基本相同，极性水溶剂对它们稳定性的影响也基本相同.

接下来分为a和b两个分通道.

a通道:

第2基元反应，I1a(b)经质子在氨基氮和α-碳之间迁移的过渡态T2a，8H沿过渡态矢量的正向在纸面内侧从6N迁移到1C，构象异构成中间体R-I2a，至此S-A·Mg在a通道实现了旋光异构.从I1a(b)到T2a过程，6N—8H键长从0.1026nm拉伸至0.1286nm，氮氢键6N—8H断裂，需要较多的能量；骨架二面角6N—1C—4C—9C从180.0°变为-158.5°，α-碳1C从sp2杂化向sp3杂化过渡要释放些能量，降低了T2a的能垒，最终T2a产生了190.5kJ·mol-1的内禀能垒.

接下来R-I2a的异构分为a1和a2两个分路径，分别得到中性和两性的R-型丙氨酸与Mg2+配合物.

a1分路径:

第3基元反应，R-I2a经14Mg在羧基内外翻转的过渡态R-T3a1，14Mg沿过渡态矢量的正向从羧基内侧翻到羧基外侧，构型异构成中间体R-I3a1.从R-I2a到T3a1过程，键角14Mg—10O—9C从98.2°变为177.0°，R-I2a和R-T3a1相对于S-A·Mg的能量分别是100.1kJ·mol-1和99.8kJ·mol-1，在误差允许的范围内可以认为相等，R-T3a1产生的内禀能垒可认为是0.0kJ·mol-1，此基元反应是无势垒反应.

第4基元反应，R-I3a1经11O—9C内旋转的过渡态R-T4ma1或R-T4na1，11O—9C仰视顺时针或逆时针旋转，13H从羧基外侧转到内侧，构型异构成产物R-A*a1.从R-I3a到R-T4ma1过程，二面角13H—11O—9C—10O从-178.8°变为92.1°，化学键内旋转所需能量很少，R-T4ma1产生的内禀能垒是38.9kJ·mol-1.相似的R-T4na1产生的内禀能垒是39.8kJ·mol-1，不再赘述.

a2分路径:

第3基元反应，R-I2a经9C—1C过渡态R-T3ma2或R-T3na2，9C—1C右视逆时针或顺时针旋转，异构成中间体R-I3a2.从R-I2a到R-T3ma2过程，二面角10O—9C—1C—6N从-0.6°变为88.7°，9C—1C键右视逆时针旋转89.3°，所需能量很少，R-T3ma2产生的内禀能垒是9.2kJ·mol-1.相似的R-T3na2产生的内禀能垒是12.1kJ·mol-1，不再赘述.

第4基元反应，R-I3a2经质子在11O和6N之间迁移的过渡态R-T4a2，13H沿过渡态矢量的正向从11O迁移到6N，异构成两性丙氨酸二价镁中间体配合物R-I4a2.从R-I3a2到R-T4a2，11O—13H从0.1007nm拉伸至0.1133nm断裂，拉伸幅度很小，R-I3a2的11O—13H键已经被活化(键长是0.1007nm)，13H是逆着体系偶极矩的方向运动，体系的电场力还会助力13H向6N迁移，所以R-T4a2产生的内禀能垒很微小，只有1.7kJ·mol-1，此基元反应可视为无势垒反应.

第5基元反应，R-I4a2经14Mg—10O—9C剪式运动的过渡态R-T5a2，14Mg沿过渡态矢量的负向运动，异构成产物R-A·Mga2.从R-I4a2到R-T5a2，键角14Mg—10O—9C从123.8°减小到115.9°，所需能量很少，R-T5a2产生的内禀能垒只有2.7kJ·mol-1，此基元反应可视为无势垒反应.结构分析表明，R-A·Mga2与S-A·Mg镜像对称，S-A·Mg在a2分通道完成了旋光异构，并且实现了手性对映体转变.

b通道:

I1a(b)经与T1a(b)镜像对称的过渡态T2b，13H在纸面内侧沿过渡态矢量的正向从11O迁移到1C，异构成R-A·Mgb.从I1a(b)到T2b，11O—13H从0.0966nm拉伸至0.1214nm，11O—13H键断裂，T2b产生的内禀能垒是182.3kJ·mol-1.该能垒小于T1a(b)产生的内禀能垒，原因之一是氧氢键较碳氢键容易断裂，原因之二是从I1a(b)到T2b过程，骨架二面角6N—1C—4C—9C从180.0°变为-132.0°，α-碳从sp2杂化向sp3杂化过渡要释放些能量，降低了T2b的能垒.

从S-A·Mg在b通道的反应历程及势能面可以看出，体系构象及相对能量均关于I1a(b)对称，展现了S-A·Mg在b通道旋光异构的对称美.

2.1.2S-A·Mg在c通道上的旋光异构

c通道的反应历程见图4，反应过程的吉布斯自由能势能面见图3的c线.

第1基元反应:S-A·Mg经与R-T5a2镜像对称的过渡态S-T1c，14Mg沿过渡态矢量的正向运动，异构成中间体S-I1c.从S-A·Mg到S-T1c，配位键14Mg—11O断裂，键角14Mg—11O—9C从88.0°增加到115.9°，这些变化使S-T1c产生了26.9kJ·mol-1的内禀能垒.

第2基元反应:S-I1c经质子在6N—10O间迁移的过渡态S-T2c，12H沿过渡态矢量的负向从6N迁移到10O，构象异构成为中间体S-I2c.从S-I1c到S-T2c，6N—12H键从0.1024nm拉伸至0.1409nm断裂，氮氢键拉伸幅度不是很大，所需能量不多，S-T2c产生的内禀能垒是47.4kJ·mol-1.

第3基元反应:S-I2c经10O—9C内旋转的过渡态S-T3mc或S-T3nc，12H俯视逆时针(或顺时针)从羧基外侧转到内侧，异构成中间体S-I3c.此时氨基氮的正面裸露出来，电子云密度增大，为α-氢向其迁移创造了条件.从S-I2c到S-T3mc，二面角12H—10O—9C—11O从-179.2°变为-89.6°，10O—9C内旋转89.6°，S-T3mc产生的内禀能垒是65.3kJ·mol-1，相似的S-T3nc产生的内禀能垒是68.4kJ·mol-1.化学键内旋转所需能量不多，但S-T3mc和S-T3nc产生了65.3kJ·mol-1和68.4kJ·mol-1的内禀能垒，原因之一是此基元反应的12H是顺着体系偶极矩的方向运动，体系的电场力会阻碍12H从羧基外侧向内侧旋转，原因之二是此基元反应12H的旋转还要克服来自6N的库仑引力作用.

第4基元反应:S-I3c经质子在1C和6N间迁移的过渡态T4c，13H沿过渡态矢量的负方向在纸面外侧从α-C迁移到氨基N，异构成中间体I4c.从S-I3c到T4c，1C—13H键从0.1091nm拉伸至0.1282nm断裂，骨架二面角6N—1C—4C—9C从124.1°变为159.7°.化学键拉伸断裂及骨架形变需要一定的能量，使T4c产生了218.2kJ·mol-1的内禀能垒.

第5基元反应:I4c经14Mg和12H在纸面内外翻转的过渡态T5c，14Mg从纸面外翻转到纸面内(右侧视图是从左侧翻转到右侧)，12H从纸面内翻转到纸面外(右侧视图是从右侧翻转到左侧)，异构成与I4c镜像对称的中间体I5c.14Mg和11H在纸面内外翻转所需能量很小，T5c产生的正负反应内禀能垒都是3.5kJ·mol-1，此基元反应可视为无势垒反应，I4c和I5c可以无阻碍的相互转变.

第6基元反应:I5c经质子在1C和6N间迁移的过渡态T6c，7H沿过渡态矢量的负方向在纸面内侧从氨基N迁移到α-C，异构成中间体R-I6c.从I5c到T6c，6N—7H键从0.1026nm拉伸至0.1263nm断裂，化学键拉伸断裂需要一定的能量，T6c产生了181.7kJ·mol-1的内禀能垒.该能垒小于T4c产生的内禀能垒，原因有二，一是氮氢键较碳氢键易断裂，二是从I5c到T6c，6N—1C—4C—9C从179.4°变为-159.7°，α-碳从sp2杂化向sp3杂化过渡要释放些能量，降低了T6c的能垒.

第7基元反应:R-I6c经过渡态R-T7mc(或R-T7nc)，实现了12H从羧基内侧向外侧旋转，异构成中间体R-I7c.从R-I6c到R-T7mc(或R-T7nc)，10O—9C内旋转89.3°(或88.2°)，所需能量较少，R-T7mc和R-T7nc产生的能垒分别是39.3kJ·mol-1和42.4kJ·mol-1.此能垒低于第3基元反应的能垒，原因是此基元反应的12H是逆着体系偶极矩的方向运动，体系的电场力会助力12H从羧基内侧向外侧旋转，原因之二是此基元反应6N的库仑引力作用还会助力12H从羧基内侧向外侧旋转.

结构分析表明，R-I7c全同于R-I3a2，其接下来的异构同于R-I3a2的异构，最终得到的旋光异构产物R-Ac(a2)与S-A·Mg镜像对称，见2.1.1节a2路径的讨论，这里不再赘述.

纵观S-A·Mg在c通道的旋光异构历程及势能面，体系构象及相对能量均关于T5c对称，展现了S-A·Mg在c通道旋光异构的过程与内在的对称美.

从图3可以看出，S-A·Mg旋光异构反应的c通道具有优势，决速步骤的内禀能垒是218.1kJ·mol-1(来自于过渡态T4c)，这低于气相环境下S-A·Mg旋光异构反应的能垒297.5kJ·mol-1[19]，说明水溶剂对S-A·Mg的旋光异构具有很好的催化作用.S-A·Mg旋光异构反应的a和b通道处于劣势，具有共同的决速步骤(第1基元反应)，决速步内禀能垒是297.1kJ·mol-1(来自于过渡态T1a(b)).218.1kJ·mol-1已经远高于化学反应的极限能垒160.0kJ·mol-1[28]，这说明隐性水溶剂效应下S-A·Mg不能消旋.

2.2 显性水溶剂效应下S-A·Mg的旋光异构

显性水溶剂效应是除了考虑水作为极性溶剂的作用，还要考虑水分子(簇)对体系的作用.对于质子转移反应，水分子(簇)可以作为传递质子的媒介，会严重影响反应的能垒.而对于非质子转移反应，水分子(簇)与底物的氢键和配位键的作用对反应能垒的影响极小.为节省篇幅本节只讨论水分子(簇)对各个反应通道决速步骤的影响，为获得可靠的决速步骤的反应能垒，同时考虑水分子与镁离子的配位作用.计算表明，2聚水和3聚水的催化作用差别较小，1个水分子的催化作用远小于2聚水和3聚水，为使问题简便并节省篇幅，本节只对2聚水做氢迁移媒介的决速步骤进行讨论.

2.2.1 水分子(簇)对a和b通道决速步骤的影响

S-A·Mg在a和b通道旋光异构决速步骤第1基元反应.水分子(簇)与底物S-A·Mg的作用有两种，一是水分子与Mg2+形成配位键(为使问题简便，不考虑水簇与Mg2+配位)，二是2聚水与S-A·Mg的13H及11O形成氢键.由于配位键强于氢键，水分子优先与Mg2+形成配位键，配位饱和后，水簇再与S-A·Mg氢键作用.Mg2+的配位数最多可以是6，S-A·Mg的Mg2+与羰基O已经是2配位，Mg2+再与4个水分子配位，形成S-A·Mg←4H2O.2聚水与S-A·Mg←4H2O的13H和11O氢键作用，同时与S-A·Mg←4H2O的水分子形成氢键网络，记作S-A·Mg←4H2O·(H2O)2.2个水分子簇传递13H从1C向11O迁移的反应历程见图5，反应过程的势能面见图6的a线和b线.

S-A·Mg←4H2O·(H2O)2经过渡态S-T1a(b)←4H2O·(H2O)2，水分子之间的氢键网络破裂、质子迁移和骨架形变协同进行，实现了质子从1C向11O的净迁移，异构成中间体I1a(b)←4H2O·(H2O)2.从S-T1a(b)←4H2O·(H2O)2的IRC可看出，S-T1a(b)←4H2O·(H2O)2是前过渡态.从S-A·Mg←4H2O·(H2O)2到T1a(b)←4H2O·(H2O)2过程，1C—13H键长从0.1092nm拉伸至0.1706nm断裂，27O—29H键长从0.0976nm拉伸至0.1216nm断裂，30O—32H键长从0.0973nm拉伸至0.1028nm断裂；骨架二面角6N—1C—4C—9C从121.4°变为140.9°；水分子29H—27O—28H与水分子25H—24O—26H之间的氢键网络断裂.这些变化使T1a(b)←4H2O·(H2O)2产生了148.7kJ·mol-1的内禀能垒，该能垒远远小于T1a(b)产生的内禀能垒297.1kJ·mol-1，说明水分子簇起了极好的催化作用.原因是过渡态T1a(b)←4H2O·(H2O)2八元环结构的三条氢键的键角接近平角，氢键较强，导致过T1a(b)←4H2O·(H2O)2构象的稳定性较好.

2.2.2 水分子(簇)对c通道决速步骤的影响

S-A·Mg在c通道旋光异构决速步骤是第4基元反应，相似于前面的讨论，首先S-I3c的14Mg与5个水分子配位(14Mg已与一个O配位)，配位饱和，形成S-I3c←5H2O.然后2个水分子簇再与6N和13H氢键作用，形成中间体反应物配合物S-I3c←5H2O·(H2O)2.2聚水传递质子从1C向6N迁移的历程见图7，反应过程的势能面见图6的c线.

S-I3c←5H2O·(H2O)2经过渡态T4c←5H2O·(H2O)2，3个质子13H、32H和34H协同非同步迁移，实现了质子从1C向6N的净迁移，异构成中间体I4c←5H2O·(H2O)2.从T4c←5H2O·(H2O)2的构象及其IRC路径可以看出，T4c←5H2O·(H2O)2靠近反应物，是前过渡态.

从S-I3c←5H2O·(H2O)2到T4c←5H2O·(H2O)2，1C—13H键从0.1098nm拉伸至0.1695nm断裂，30O—32H键从0.0981nm拉伸至0.1026nm断裂，33O—34H键长从0.0991nm拉伸至0.0997nm；骨架二面角6N—1C—2C—10C从125.9°变为165.9°；30O—23H及30O—20H间的氢键断裂.多个共价键和氢键拉伸断裂及骨架形变需要一定的能量，T4c←5H2O·(H2O)2产生的内禀能垒是145.1kJ·mol-1.与前面隐性溶剂效应下此基元过渡态T4c产生的内禀能垒218.1kJ·mol-1相比显著降低，说明二聚水对此基元起了极好的催化作用.T4c←5H2O·(H2O)2产生的内禀能垒与水液相下丙氨酸旋光异构过程此基元(决速步骤)的内禀能垒(约110.0kJ·mol-1[10])相比显著增加，说明Mg2+的配位对此基元反应有负催化作用.

从图6可以得到:水液相下的水分子(簇)作用下，理论上S-A·Mg在c通道上的旋光异构略具优势，决速步的吉布斯自由能垒是143.0kJ·mol-1，a和b通道上的旋光异构略显逊色，决速步的吉布斯自由能垒是148.7kJ·mol-1(在误差允许的范围内可以认为相等).S-A·Mg消旋反应的决速步能垒143.0kJ·mol-1，接近化学反应不能实现的极限能垒167.0kJ·mol-1[28]，远高于温和反应能垒80.0kJ·mol-1[28]，通常水液相下S-A·Mg的旋光异构反应进行的极其缓慢，因此在生命体内α-丙氨酸的二价镁盐只能微量或痕量地消旋，可安全地用于生命体补充Mg2+和丙氨酸.

3 结 论

在SMD/M06-2X/6-311++G(3df,2pd)∥SMD/M06-2X/6-311+G(d,p)双水平，研究了水液相下两性α-Ala(丙氨酸)与Mg2+配合物的旋光异构，得到如下结论:

1) α-Ala·Mg2+的旋光异构反应可在质子分别以羰基氧和氨基氮为桥迁移、质子只以羰基氧为桥迁移和质子以氨基氮为桥迁移的3个通道a、b、c实现.

2) 隐性水溶剂效应下α-Ala·Mg2+在c通道的旋光异构具有明显优势，决速步能垒是218.1kJ·mol-1，a和b通道处于劣势，具有共同的决速步能垒297.1kJ·mol-1.

3) 显性水溶剂效应(考虑水分子的作用)下各个通道的决速步能垒基本相同，大概在143.0至148.7kJ·mol-1之间.

结果表明:水液相下S-A·Mg的旋光异构进行的极其缓慢，在生命体内α-丙氨酸的二价镁盐只能微量或痕量地消旋，可安全地用于生命体补充Mg2+和丙氨酸.