水液相下两性α-Ala与Na+配合物旋光异构的理论研究*

赵宇，刘芳，柯卓锋，刘军，高峰，马宏源，王佐成

1. 白城师范学院计算机科学学院，吉林白城 137000

2. 白城师范学院物理学院，吉林白城 137000

3. 中山大学材料科学与工程学院，广东广州 510275

α-丙氨酸（α-Ala，α-alanine） 是手性氨基酸，是生物体内的重要配体，其金属离子配合物也具有手性。根据旋光性可分为左旋α-丙氨酸（L-α-Ala） 和右旋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）。L-α-Ala在生命体内是优构体，具有生物活性，是蛋白质的重要成分。D-α-Ala具有清除细胞毒性和阻止体内脂质氧化损伤的功能，可促进细菌孢子代谢，还可用作甜味剂，过量的D-α-Ala会导致疾病及衰老［1-4］。

钠是生命体必需的金属元素，有调节体内水分、维持酸碱平衡和维持血压正常的作用。钠缺乏会导致呕吐、心率过速、休克乃至肾衰竭致死［5］。目前补钠的方法主要是食用无机盐NaCl，但NaCl 进入生命体内会迅速解离成氯离子和钠离子，这会导致血压暂时升高等问题。已有研究表明，氨基酸钙、锌、锰、铜和铁等螯合物作为补充金属元素产品，已在临床、食品及畜牧业中被广泛应用［6-9］。金属离子和氨基酸的配位缓冲了金属离子在生命体内的浓度，螯合物的缓慢解离保证了金属离子质量浓度的恒定，因此利用氨基酸钠盐补充钠具有重要意义。

某种手性分子对生命体有活性，但其对映体则有害，因此氨基酸钠配合物的消旋研究对科学地补钠有实际意义。人们对α-Ala及其金属配合物的旋光异构做了大量的工作，文献［10］ 研究表明，纳米孔道对α-Ala 旋光异构有一定的催化作用；文献［11-12］ 研究表明，水液相下水分子簇做质子转移媒介可使α-Ala少量地消旋，氢氧根离子与质子的作用会加速其消旋反应；文献［13-20］ 研究表明，气相α-Ala 与Cu2+、Ca2+以及Fe2+等配合物，可以很好地保持其固有的手性；文献［21-22］ 研究表明，水环境下α-Ala 与Zn2+和Fe2+配合物旋光异构的能垒远远高于温和反应能垒，通常只能微量地消旋。

目前，水环境下钠与α-Ala 配合物的消旋研究未见报道。为说明α-丙氨酸钠补钠是否安全，同时为研究其他复杂的氨基酸钠盐的旋光异构奠定基础，基于文献［15，21-22］ 的经验，研究了水液相下两性α-丙氨酸与钠配合物（α-Ala·Na+） 的旋光异构机理。

1 计算方法及反应物模型选取

水液相下的α-丙氨酸分子是以两性离子形式存在［11］，水液相下两性α-Ala 的Na+配合物比中性α-Ala 的Na+配合物分子稳定（前者相对后者的能量是-22. 2 kJ·mol-1），并且它们之间可以相互异构。因此本工作把两性α-Ala 的Na+配合物作为底物，讨论其在水液相环境下的旋光异构。

采用杂化泛函M06-2X［23］，在6-311+G（d，p）基组下优化单重态势能面上的驻点（自旋多重度的测算表明，体系的单重态最稳定）；通过对过渡态［24］进行IRC 计算［25］，确认过渡态与相应稳定点的关联性。为计算出可靠的反应过程势能面，采用高角动量基组6-311++G （3df，2pd） 计算各驻点物种的单点能，并经过自由能热校正获得反应过程势能面［吉布斯自由能热校正在298. 15 K及1个标准大气压（101. 325 kPa） 下进行］。水溶剂效应采用处理溶剂效应有很好表现的SMD 模型［26］方法处理。总自由能是自由能热校正与单点能之和。S-α-Ala 与Na+的配合物S-α-Ala·Na+记作S-A·Na，S-A·Na 在a 通道异构的第1 个S-型过渡态记作ST1a，第3 个无手性的中间体记作I3a，b 和c 通道共用的结构X 标记为Xb（c）；8个水分子（簇） 与S-I2a作用，其中5 个H2O 与S-I2a的Na+配位，1 个H2O与前面的5 个H2O 中的某几个H2O 氢键作用形成水簇，同时2 个水分子簇与S-I2a氢键作用的体系记作S-I2c←5H2O·H2O·（H2O）2，其他体系标记法相似。计算采用Gaussian16［27］程序。

2 结果与讨论

把文献［15］ 气相的两性S-A·Na 构型作为初始猜，优化得到水环境下的S-A·Na 和R-A·Na，见图1。

图1 配合物分子S-A·Na及其手性对映体的几何构型Fig. 1 Geometric configuration of complex molecule S-A·Na and its chiral enantiomer

对于非氢迁移反应，只考虑隐性水溶剂效应；对H 迁移反应，要考虑水分子（簇）做媒介、水分子（簇）与Na+的配位、水分子簇之间以及水分子与其他原子间复杂的氢键作用，即显性水溶剂效应。

为了呈现清晰的水液相下S-A·Na 旋光异构机理，并且尽量节省篇幅，先讨论隐性水溶剂的SA·Na 的旋光异构，后讨论显性水溶剂的S-A·Na的异构反应过程中的质子迁移过程。

2.1 隐性水溶剂效应下S-A·Na的旋光异构

研究发现，S-A·Na 可在3 个通道a、b 和c 实现旋光异构，b和c通道共用第1基元反应。

2.1.1 S-A·Na在a通道的异构S-A·Na在a 通道上的异构历程见图2，势能面见图3的a线。

图2 S-A·Na在a通道旋光异构的历程（键长单位：nm）Fig. 2 Reaction process of optical isomerization of S-A·Na in channel a (Bond length unit:nm)

图3 隐性溶剂效应下S-A·Na旋光异构反应的吉布斯自由能势能面Fig. 3 Potential energy surface of Gibbs free energy of S-A·Na optical isomerization reaction under the effect of recessive solvent

第1基元反应：S-A·Na 经过渡态S-T1a，12H 从6N 迁移到10O，质子化氨基去质子化，异构成中性丙氨酸与钠的中间体配合物S-I1a。从S-A·Na 到S-T1a的 过 程， 6N—12H 键 从0. 102 3 nm 伸长到0. 138 7 nm，S-T1a产生的内禀能垒是37. 6 kJ·mol-1。

第2基元反应：S-I1a经10O—9C键内旋转的过渡态S-T2ma或S-T2na，12H 俯视逆时针（或顺时针） 旋转，从羧基外侧转到内侧，羧基10O—9C—11O 与14Na 的螯合环打开，异构成中间体配合物S-I2a。S-I2a的氨基氮6N 的正面已经裸露，负电荷密度增大，有利于α-氢从1C 向氨基N 迁移。从SI1a到S-T2ma， 二 面 角12H—10O—9C—11O 从178. 6° 变 为-75. 2°， 10O—9C 键 内 旋 转76. 6°；二 面 角10O—9C—1C—6N 从9. 7° 变 为57. 4° ，9C—1C 键内旋转55. 9°，这些变化使S-T2ma产生了57. 7 kJ·mol-1的内禀能垒。相似的S-T2na也产生了57. 7 kJ·mol-1的内禀能垒。

第3 基元反应：S-I2a经质子在1C 和6N 间迁移的过渡态T3a，13H 从1C 向6N 迁移，异构成中间体配合物I3a。 从S-I2a到T3a过程， 1C—13H 从0. 109 1 nm 伸长到0. 130 2 nm，二面角6N—1C—4C—9C 从124. 1°变为153. 9°，碳氢键断裂及骨架形变使T3a产生了234. 8 kJ·mol-1的内禀能垒。

第4 基元反应：I3a经与T3a镜像对称的过渡态T4a，7H 在纸面内侧从6N 迁移到1C，异构成中间体配合物R-I4a，至此S-A·Na实现了旋光异构。从I3a到T4a过程，6N—7H 从0. 102 5 nm 拉伸至0. 123 1 nm，T4a产生了164. 9 kJ·mol-1的内禀能垒。此能垒小于T3a产生的能垒，原因是从I3a到T4a，6N—1C—4C—9C 从180. 0° 变 为-153. 9°， 体 系 释 放能量。

第5 基元反应：R-I4a经与S-T2ma或S-T2na镜像对称的过渡态R-T5ma或R-T5na，12H 从羧基内侧旋转到外侧，异构成中间体配合物R-I5a。从RI4a到R-T5ma（或R-T5na） 过程，10O—9C 俯视逆时针转74. 9°（或顺时针转74. 2°），R-T5ma和RT5na产生的能垒都是38. 9 kJ·mol-1。

第6 基元反应：R-I5a经与S-T1a镜像对称的过渡态R-T6a，12H 从10O 迁移到6N，此时氨基质子化，异构成两性丙氨酸与钠的产物配合物R-A·Naa。至此S-A·Na 在a 通道完成了向其手性对映体转变的旋光异构，得到了最稳定的旋光异构产物。从R-I5a到R-T6a过程，10O—12H 键从0. 099 2 nm拉伸至0. 114 3 nm 断裂，R-T6a产生的内禀能垒是0. 8 kJ·mol-1。该基元反应能垒远小于第1基元的能垒，原因之一是从R-I5a到R-T6a过程，10O—12H键拉伸幅度小；原因之二是从R-I5a到R-T6a过程，12H的迁移逆着体系偶极矩的方向，体系电场力做正功。

S-A·Na 在a 通道的旋光异构历程及势能面显示，体系构象及相对能量均关于I3a 对称，展现了S-A·Na在a通道旋光异构的过程与内在的对称美。

2.1.2 S-A·Na 在b 和c 通道的异构S-A·Na 在b 和c 通道的异构历程见图4，反应的势能面见图3的b线和c线。

图4 S-A·Na在b和c通道旋光异构的历程（键长单位：nm）.Fig. 4 Reaction process of optical isomerization of S-A·Na in channel b and c (Bond length unit:nm)

第1基元反应（b、c通道共用），S-A·Na经质子在1C和11O 间迁移的过渡态T1b（c），α-氢13H 从1C 迁移到11O，异构成中间体配合物I1b（c）。从SA·Na 到T1b（c）过程，1C—13H 键长从0. 109 0 nm拉伸至0. 152 4 nm 断裂；二面角4C—6N—1C—9C从122. 7°变为123. 0°， 骨架基本无形变； 二面角6N—1C—9C—11O 从177. 1°变为145. 0°，9C—1C 键右视顺时针内旋转32. 1°。碳氢键的拉伸断裂及碳碳键的内旋转导致T1c（b）产生了267. 9 kJ·mol-1的内禀能垒。该能垒与气相S-A·Na 异构此基元的能垒247. 7 kJ·mol-1［15］相比较略有升高，说明水溶剂有负催化作用， 原因是S-A·Na 的偶极矩（5. 222 9 D） 大于T1b（c）的偶极矩（4. 524 1 D），水溶剂的强极性使S-A·Na变得相对稳定。

接下来分为b和c两个分通道。

1） b分通道。

I1b（c）经过渡态T2b，13H 在纸面内从11O 迁移到1C，异构成产物配合物R-型丙氨酸钠R-A·Nab，S-A·Na 实现旋光异构。从I1b（c）到T2b过程，11O—13H 键 从0. 096 4 nm 拉伸 至0. 118 6 nm 断裂，T2b的能垒是152. 9 kJ·mol-1。T2b与T1b（c）镜像对称，但T2b的能垒远小于T1c（b）的能垒，原因之一是氧氢键较碳氢键易裂，原因之二是从I1b（c）到T2b过程，α-碳从sp2杂化向sp3杂化过渡释放能量，降低了越过T2b所需的能量。分析表明，R-A·Nab与S-A·Na 镜像对称，S-A·Na 在此通道实现了对映体转变。

从S-A·Na 的反应历程及势能面可以看出，在b 通道上，体系构象及相对能量均关于I1b（c）对称，展现了S-A·Na旋光异构的对称美。

2） c分通道。

第2 基 元 反应，I1b（c）经过渡态T2c，8H 从6N迁移到1C，氨基去质子化，异构成中间体配合物R-I2c，至此，S-A·Na 在c 通道旋光异构。从I1b（c）到T2c过程， 6N—8H 键长从0. 102 6 nm 拉伸至0. 124 0 nm，T2c产生了170. 9 kJ·mol-1的能垒。该能垒远小于T1c（b）产生的内禀能垒，原因是二面角4C—6N—1C—9C 从180. 0°变为-156. 1°，体系释放能量，氮氢键又比碳氢键容易断裂。

接下来R-I2c的异构分为c1和c2两个分路径。

①c1 分路径。第3 基元反应，R-I2c经9C—1C右视逆（或顺） 时针旋转的过渡态R-T3mc1（或RT3nc1），9C—1C 右视逆（或顺） 时针旋转152. 0°（或192°），异构成中间体R-I3c1。从R-I2c到RT3mc1，9C—1C 键旋转49. 2°，R-T3mc1产生的内禀能垒是8. 6 kJ·mol-1。从R-I2c到R-T3nc1，9C—1C键旋转角有所增加，导致R-T3nc1产生的内禀能垒增加到13. 5 kJ·mol-1。结构分析表明，R-I3c1同于R-I5a，接下来R-I3c1的异构同于R-I5a的异构，得到 两性丙氨酸钠产物配合物R-A·Nac1（a）， 不再赘述。

②c2 分路径。第3 基元反应，R-I2c经14Na 在羧基内外翻转的过渡态R-T3c2，14Na 从羧基内侧翻到外侧，异构成中间体配合物R-I3c2。从R-I2c到R-T3c2过程，键角14Na—10O—9C 从96. 8°增加到175. 5°，R-T3c2产生的内禀能垒是7. 5 kJ·mol-1。

第4 基元反应，R-I3c2经11O—9C 内旋转的过渡态R-T4mc2（或R-T4nc2），11O—9C 仰视顺（或逆） 时针旋转，13H从羧基外侧转到内侧，羧基从反式结构变为顺式结构，异构成R-型中性丙氨酸与钠的产物配合物R-A*·Nac2。从R-I3c2到R-T4mc2过程， 11O—9C 内旋转93. 9°，R-T4mc2产生了37. 6 kJ·mol-1的内禀能垒。相似的R-T4nc2产生的内禀能垒是36. 7 kJ·mol-1。

由图3 结合正负反应能垒在40. 0 kJ·mol-1以下反应物和产物可以共存［28］可知，反应物以S-A·Na 和S-I1a两种形式共存，只是两性丙氨酸钠的配合物S-A·Na 的分布占大多数。从图3 可看出，SA·Na 在a 通道异构具有优势，决速步骤能垒是234. 8 kJ·mol-1，S-A·Na 在a 通道旋光异构的产物是中性的R-I5a与两性的R-A·Na 共存，后者的分布占大多数。S-A·Na 在b 和c 通道异构处于劣势，共同的决速步能垒是267. 9 kJ·mol-1，S-A·Na 在b和c 通道旋光异构的产物是两性R-A·Na、中性RI3c2和中性R-A*·Nac2，两性R-A·Na 的分布占绝大多数（分别来自b通道和c1分通道）。

2.2 水分子（簇）对S-A·Na 旋光异构过程中质子迁移基元反应的作用

为获得可靠的相关基元反应能垒，充分考虑水分子的作用，既考虑水分子簇作质子迁移媒介，又考虑水簇与钠离子的配位作用。计算表明，2 聚水和3聚水作质子迁移媒介，质子迁移的能垒的改变不明显。1 个水分子作媒介时，质子迁移的能垒较高，并且水溶剂中的水分子多以水簇的形式存在。因此，为使问题简便，做氢迁移媒介的水分子簇只考虑2聚水的情况，与钠离子的配位对水分子和水簇的配位分别给予讨论。

2.2.1 水分子（簇）对a 通道质子迁移基元反应的影响第1 基元反应。从S-A·Na 经S-T1a到S-I1a，12H迁移距离很近，水分子（簇） 作媒介的过渡态共面程度较差，过渡态的氢键也很弱，导致水分子（簇） 作媒介的过渡态产生的能垒比12H 直接迁移的过渡态产生的能垒高。因此，此基元反应主要是单质子迁移，水分子（簇） 作媒介的情形不给予讨论。

第3 基元反应。Na+通常是6 配位，S-I2a是钠离子与羰基氧1 配位，5 个水分子与钠离子配位以及4 个水分子和2 个水分子簇与钠离子配位，2 个水分子簇传递质子从α-C向氨基氮N迁移的历程见图5，反应过程的势能面见图6 的a 线。对前者详细讨论，后者只作一般讨论。

图5 水分子（簇） 作用下S-A·Na在a通道旋光异构决速步骤的反应历程Fig. 5 The reaction process of the rate-determining step of S-A·Na optical isomerization in channel a under the action of water molecules (clusters)

图6 水分子（簇） 作用下S-A·Na旋光异构反应决速步骤的吉布斯自由能势能面Fig. 6 Gibbs free energy surfaces of the rate-determining step of S-A·Na optical isomerism reaction under the action of water molecules (clusters)

对于5 个水分子与14Na 配位的情形，首先SI2a的Na 与5 个水分子配位，形成S-I2a←5H2O。然后2个水分子簇再与氨基氮6N、α-氢13H、28H和21O氢键作用，形成了具有稳定的氢键网络的中间体S-I2a←5H2O·（H2O）2。S-I2a←5H2O·（H2O）2经13H、32H 和34H 协同迁移及骨架形变的过渡态T3a←5H2O·（H2O）2，实现了质子从1C向6N 的净迁移，异构成具有稳定的氢键网络的中间体产物配合物I3a←5H2O·（H2O）2。 IRC计算表明， T3a←7H2O·（H2O）2靠近反应物，是早期过渡态。从S-I2a←5H2O·（H2O）2到T3a←5H2O·（H2O）2过程，1C—13H键从0. 109 3 nm 拉伸至0. 178 5 nm 断裂，30O—32H 键从0. 097 7 nm 拉伸至0. 104 3 nm， 33O—34H 键从0. 098 9 nm 拉伸至0. 100 7 nm；骨架二面角6N—1C—4C—9C 从127. 1°增加到168. 8°；30O和28H 间的氢键断裂， 所以这些变化使T3a←5H2O·（H2O）2产生了155. 9 kJ·mol-1的内禀能垒。该能垒与隐性溶剂效应下T3a的能垒234. 8 kJ·mol-1相比低很多，说明水分子簇起了催化作用。原因是T3a←5H2O·（H2O）2的七元环结构具有3 条较强的氢键， 并且七元环结构共面性较好， 导致T3a←5H2O·（H2O）2的七元环结构比较稳定，降低了T3a←5H2O·（H2O）2的势垒。

相似地从S-I2a←5H2O·H2O·（H2O）2经T3a←5H2O·H2O·（H2O）2到I3a←5H2O·H2O·（H2O）2过程，只是多了1 个H2O 与5H2O 氢键作用，键的断裂与生成过程差别不是很明显，T3a←5H2O·H2O·（H2O）2产生的内禀能垒是156. 5 kJ·mol-1。

T3a←5H2O·（H2O）2和T3a←5H2O·H2O·（H2O）2的能垒与水液相下丙氨酸异构此基元能垒（约110. 0 kJ·mol-1［12］）相比显著增加，说明Na+对此基元有负催化作用。

第4 基元反应。由于第4 基元反应和第3 基元反应关于I3a对称，第4基元的正反应能垒和第3基元的负反应能垒相同。因此，第4基元的正反应能垒，T4a←5H2O·（H2O）2和T4a←5H2O·H2O·（H2O）2产生的能垒分别为79. 7和67. 9 kJ·mol-1。

结合前面2. 1. 1 节对隐性水溶剂效应下S-A·Na 的旋光异构的讨论可知，显性水溶剂效应下SA·Na旋光异构反应b通道的决速步骤仍是第3基元反应，决速步能垒为155. 9～156. 5 kJ·mol-1。

2.2.2 水分子（簇）对b和c通道质子迁移基元反应的影响b 和c 通道的第1 基元反应。水分子（簇）与底物S-A·Na 的作用有两种，一是水分子（簇）与Na+形成配位键，二是2个水分子簇与S-A·Na的13H 及11O 氢键作用。Na+的配位数一般是6，SA·Na 的Na+与羰基O 已经是2 配位，再考虑Na+与4个水分子配位，以及再有一个水分子与4个水分子中的2个水分子氢键作用，形成水簇的情况。

4个水分子与Na+配位时，形成S-A·Na←4H2O，2 聚水再与它们的13H 和11O 氢键作用，形成反应物复合物，记作S-A·Na←4H2O·（H2O）2。结构分析表明，S-A·Na←4H2O·（H2O）2是具有相对稳定的氢键网络体系（虚线表示氢键作用）。2 聚水传递13H从1C向11O迁移的反应历程见图7，反应的势能面见图6 的b （c） 线。这里详细讨论S-A·Na←4H2O·（H2O）2的异构，对S-A·Na←4H2O·H2O（H2O）2的异构只给出反应能垒。

图7 水分子（簇） 作用下S-A·Na在b和c通道旋光异构反应决速步骤的历程Fig. 7 The rate-determining step process of S-A·Na optical isomerization reaction in channel b and c under the action of water molecules (clusters)

S-A·Na←4H2O·（H2O）2经3 质子协同非同步迁移的过渡态S-T1b（c）←4H2O·（H2O）2，实现了质子从1C 向11O 的净迁 移，异 构成中 间体I1b（c）←4H2O·（H2O）2。从S-T1b（c）←4H2O·（H2O）2的IRC 可看出，S-T1b（c）←4H2O·（H2O）是晚期过渡态。从S-A·Na←4H2O·（H2O）2到T1b（c）←4H2O·（H2O）2过程， 1C—13H 键长从0. 109 0 nm 拉伸至0. 138 2 nm 断裂；27O—29H 键断裂，29H 迁移到30O；30O—32H 键断裂，32H 迁移到11O；骨架二面角6N—1C—4C—9C 从119. 8°变为125. 5°，骨架形变较小；30O—23H 及12H—24O 之间的氢键断裂，这些变化使T1b（c）←4H2O·（H2O）2产生了138. 6 kJ·mol-1的内禀能垒。

相似地从S-A·Na←4H2O·H2O·（H2O）2经T1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2到I1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2过程，T1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2产生的能垒是132. 2 kJ·mol-1。在误差允许范围内可认为T1b（c）←4H2O·（H2O）2和T1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2产生的能垒相同，该能垒远小于T1b（c）产生的内禀能垒267. 9 kJ·mol-1，说明水分子（簇）起了催化作用。原因之一是T1b（c）←4H2O·（H2O）2和T1b（c）←4H2O·H2O·（H2O）2八元环结构的3 条氢键较强；原因之二是水分子（簇） 的作用减小了反应物到过渡态的骨架形变。

与2.2.1 节的讨论相似，b 通道的第2 基元反应与第1 基元反应关于I1b（c）镜像对称，T1b（c）与T2b关于I1b（c）镜像对称。 T2b←4H2O·（H2O）2和T2b←4H2O·H2O·（H2O）2产生的能垒是第1 基元负反应的能垒，分别是27. 2 和23. 1 kJ·mol-1。因此，显性水溶剂效应下S-A·Na 旋光异构反应b 通道的决速步骤仍是第1 基元反应，决速步能垒为132. 2～138. 6 kJ·mol-1。

c通道的第2基元与a通道的第4基元相似，反应能垒不会偏离79. 7 和67. 9 kJ·mol-1很远，显性水溶剂效应下S-A·Na 旋光异构反应c 和b 通道具有共同的决速步骤，仍是第1基元反应，决速步能垒为132. 2～138. 6 kJ·mol-1。

从图6 和图4 及前面的讨论可知，水分子（簇）的作用改变了S-A·Na 旋光异构反应通道的优劣顺序，水分子（簇）作用下，在a 通道由优势变为劣势，决速步自由能垒为155. 9～156. 5 kJ·mol-1；在b和c 通道上的旋光异构由劣势变为优势，决速步自由能垒为132. 2～138. 6 kJ·mol-1。155. 9 kJ·mol-1已经接近反应的极限能垒160. 0 kJ·mol-1［28］，说明S-A·Na 在a 通道上的旋光异构很难进行；132. 2 kJ·mol-1远高于温和反应能垒80. 0 kJ·mol-1［28］，说明S-A·Na 在b 和c 通道上只能极其缓慢地旋光异构。因此水液相下α-丙氨酸的钠盐只能微量消旋，可安全地用于生命体补充Na+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S-α-Ala 与Na+配合物在单重态势能面上的旋光异构，得到如下结论：

1）S-α-Ala·Na+的旋光异构可在H 分别以氨基N为桥迁移，以羰基O为桥迁移，以及α-H迁移到羰基O后，质子再从N迁移到α-碳的3个通道a、b、c 实现。产物有两种，分别是两性R-α-Ala 和中性R-α-Ala与Na+的配合物。

2） 隐性溶剂效应下，a 通道具有优势，决速步能垒是234. 8 kJ·mol-1，来自H 从α-C 向氨基N迁移的过渡态；b 和c 通道处于劣势，决速步能垒是267. 9 kJ·mol-1，来自H 从α-C 向羰基O 迁移的过渡态。

3） 水分子（簇） 的作用改变了反应通道的优劣，b 和c 变为优势通道，决速步能垒为132. 2～138. 6 kJ·mol-1；a 变为劣势通道，决速步能垒为155. 9～156. 5 kJ·mol。

结果表明：水液相下α-Ala·Na+消旋反应进行得极缓慢，在生命体内α-丙氨酸钠盐可安全地用于生命体补充Na+和α-Ala。