水环境下MOR分子筛对α-丙氨酸旋光异构的限域催化

姜春旭，高 峰，佟 华，杨晓翠，丛建民，王佐成

(1.白城师范学院 理论计算中心，吉林 白城 137000; 2.白城师范学院 传媒学院，吉林 白城 137000; 3.白城师范学院 物理学院，吉林 白城 137000; 4.白城师范学院 生命科学学院，吉林 白城 137000)

根据旋光性不同，α-丙氨酸(α-Ala)分为左旋体(S-α-Ala)和右旋体(R-α-Ala).在生命体内S-α-Ala具有活性，S-α-Ala具有预防肾结石和缓和低血糖的作用，R-α-Ala可以抑菌并使皮肤保湿.由于丙氨酸有重要作用，很多学者对其做了比较广泛的研究.文献[1]报道了水环境下α-Ala分子的两性离子结构、振动圆二色性和偏振拉曼散射强度.文献[2]用基于密度泛函的B3LYP方法，优化计算了α-Ala分子的最稳几何构象与红外和拉曼光谱.文献[3]的实验研究，确认了α-Ala在295K和60K时手性对映体的几何构象以及S-α-Ala可以旋光异构.文献[4-5]报道了有微量的α-Ala右旋体存在于生命体，并猜测其部分来源是α-Ala左旋体的旋光异构.文献[6-8]的理论研究发现： 气相α-Ala分子的旋光异构可以在4个通道实现，决速步内禀能垒分别是266.1kJ·mol-1、326.6kJ·mol-1、316.3kJ·mol-1和337.4kJ·mol-1.文献[9]的研究表明，水溶剂环境下，2个和3个水分子簇催化的α-Ala分子旋光异构反应在优势通道上的决速能垒分别是138.6和122.5kJ·mol-1.文献[10]的研究表明，扶手椅型单臂氮化硼纳米管(5,5)对α-Ala分子的旋光异构具有明显的限域催化作用,优势通道决速步能垒为48.1kJ·mol-1(201.1kJ·mol-1).文献[11-12]的研究表明，扶手椅型单臂碳纳米管(9,9)和扶手椅型单臂氮化硼纳米管(9,9)与水的复合环境使α-Ala 旋光异构的能垒明显降低，优势通道决速步能垒均为150.0kJ·mol-1左右.

依据文献[10-12]的研究可知，小孔径纳米管或大孔径纳米管与水的复合环境可用作实现α-Ala旋光异构的纳米反应器，但纳米管昂贵，且能垒依然较高，导致纳米管对α-Ala限域催化实验工作的开展面临困难.分子筛价格低廉且绿色环保，研究它对α-Ala的限域催化更具现实意义.文献[13]的研究表明，MOR分子筛对α-Ala分子的旋光异构具有限域催化作用，但不是十分显著.文献[14]的研究表明，MOR分子筛对水分子催化的赖氨酸旋光异构具有一定的限域催化作用.基于文献[10-14]的研究经验，并考虑到富水的生命体内可能存在相似于MOR分子筛的纳米级生物空穴，本工作研究了标题反应，期望为实验上实现α-Ala的旋光异构提供一个新途径，并给生命体内存在右旋α-Ala一个较为合理的解释.

1 模型的选取与计算研究方法

α-Ala分子(线度0.252nm×0.381nm×0.453nm)只能被MOR分子筛的12元环孔道(孔径为0.650nm×0.700nm)组装.采用周期性模型把含12元环孔道的分子筛骨架都包括进来，用含126T的簇模型代表MOR分子筛结构，如图1(a)所示.

采用量子力学与分子力学组合的ONIOM方法[15]对标题反应进行研究.将分子筛与驻点分子分为两层： 内层QM区为分子筛内的物种，考虑到分子筛与驻点分子相互间的长程作用，采用长程校正泛函的CAM-B3LYP[16]方法处理；外层MM区分子筛，采用分子力学的UFF力场[17]处理，内层放松外层固定，在ONIOM(CAM-B3LYP/6-31G(d,p)： UFF)水平全参数优化稳定点和过渡态[18].MOR分子筛与水复合环境分为MOR分子筛与水汽相和水液相(水溶剂)复合环境两种情况.水汽相，对于H迁移的分子构象过程，把水视为离散介质，计算水分子作H迁移媒介的驻点结构，对没有H迁移的分子构型异构过程，水汽环境视为孤立环境.水液相，用水汽环境下的驻点构象，采用自洽反应场(SCRF)理论的smd模型[19]方法和二阶微扰论MP2[20]方法，在ONIOM(MP2/6-311++G(2df,pd)： UFF)水平下计算驻点包结物分子的水溶剂化单点能(ESP).吉布斯自由能热校正(Gtc)和单点能相加作为总吉布斯自由能(Gtotal)，描绘反应的势能面.通过内禀反应坐标(IRC)计算[21]确认过渡态.限域在MOR内的S型α-Ala分子与1个水分子的氢键络合物记为S-α-Ala·1H2O@MOR，若它们处在水溶剂环境下则记为α-Ala@MOR@water，其他驻点用类似方法标记.本工作的计算由Gaussian 09软件包[22]完成.

2 结果与讨论

MOR分子筛126T簇模型见图1(a)，α-Ala分子的S与R型稳定几何构象见图1(b)和(c).

图1 (a)126T的MOR分子筛簇模型，(b)和(c)稳定的S与R型α-Ala分子几何构象Fig.1 Cluster model of MOR zeolite of 126T (a), geometries of S-type(b) and R-type(c) of α-Ala molecules

研究发现： 限域在MOR内，水分子做质子迁移媒介的α-Ala分子旋光异构能在3个通道a、b和c实现，分别是α-氢以氨基氮、顺次以羰基氧和氨基氮以及只以羰基氧为桥梁，从手性碳(α-碳)的一侧迁移到另一侧.下面分别进行讨论：

2.1 水环境下α-Ala限域在MOR分子筛在a通道的旋光异构

计算表明，a通道是主反应通道，对此通道给予详细讨论.限域在MOR分子筛12元环孔道，以1个水分子、2个水分子簇以及3个水分子簇作为H迁移媒介，S-α-Ala分子在a通道的旋光异构反应过程见图2(第258～259页)，反应的吉布斯自由能势能面见图3(第259页).水溶剂环境下反应的吉布斯自由能势能面见图4(第259页).

第1基元反应： S-α-Ala与MOR的12圆环孔道物理吸附，形成反应物包结物S-Ala@MOR，其经353H和354H在纸面里外翻转的过渡态a_S-TS1@MOR，异构成353H和354H在纸面里的中间体产物a_S-INT1@MOR.此过程二面角H353-N352-C347-H354从119.84°变为-119.78°，氨基团对称异构.此时352N的靠近读者的一面负电荷密度大，易于接受正电荷.二面角N352-C347-C350-C355从120.87°变为120.46°，活性中心骨架结构没变，非骨架原子的旋转所需要的能量很小，a_TS1@MOR产生的能垒只有10.2kJ·mol-1，水溶剂化效应使该能垒升高，变为17.8kJ·mol-1.

图2 水汽环境下限域在MOR分子筛内的α-Ala在a通道的旋光异构历程Fig.2 Optical isomerism process of α-Ala confined in the MOR zeolite in channel a in water gas-phase environment

图3 水汽环境下限域在MOR分子筛内的α-Ala在a通道旋光异构的吉布斯自由能势能面Fig.3 Gibbs energy surface of optical isomerism reaction of α-Ala confined in the MOR zeolite in channel a in water

图4 水溶剂环境下限域在MOR分子筛内的α-Ala在a通道旋光异构反应的吉布斯自由能势能面Fig.4 Gibbs energy surface of optical isomerism reaction of α-Ala confined in the MOR zeolite in channel a in aqueous solvent environment

第2基元反应，359H向352N迁移，a_S-INT1与氨基和手性碳前面的1个、2个以及3个水分子通过氢键作用形成的中间体a_S-INT1·1H2O@MOR、a_S-INT1·2H2O@MOR和a_S-INT1·3H2O@MOR，经过渡态a_TS2·1H2O@MOR、a_TS2·2H2O@MOR和a_TS2·3H2O@MOR，异构成中间体产物包结物a_INT2·1H2O(m)@MOR.a_INT2可以与不同位置的水分子通过氢键结合，这里(m)表示aINT2与氨基和手性碳前面的水分子以氢键结合.a_INT2·2H2O(m)@MOR和a_INT2·3H2O(m)@MOR，实现了H以水分子媒介从手性碳向氨基氮的迁移.

对于2个和3个水分子簇催化的此基元反应过程，表1的结构数据表明，过渡态a_TS2·2H2O@MOR和a_TS2·3H2O@MOR的氢键键角都接近平角，氢键较强，他们的7元环和9元环结构偏离平面的程度较小，这些过渡态较稳定.结构分析表明，从a_S-INT1·2H2O@MOR到a_TS2·2H2O@MOR和a_S-INT1·3H2O@MOR到a_TS2·3H2O@MOR过程，反应活性中心骨架二面角352N-347C-350C-355C分别从125.00°和124.33°变为124.65°和124.07°；347C-352N键长分别从0.14646nm和0.14662nm变为0.14992nm和0.14950nm，骨架结构基本没变.而裸反应的活性中心骨架二面角352N-347C-350C-355C从121.42°变为137.08°，347C-352N键长从0.14593nm变为0.15751nm[8]，骨架结构明显形变；并且，裸反应的3元环过渡态a_TS2不稳定[8].因此，从a_S-INT1·2H2O@MOR到a_TS2·2H2O@MOR和a_S-INT1·3H2O@MOR到a_TS2·3H2O@MOR过程，需要越过的能垒会远低于裸反应的情形.但由于从a_S-INT1·2H2O@MOR到a_TS2·2H2O@MOR过程，反应活性中心的C347-H359、O360-H363和O364-H361键长分别从0.10996nm、0.09805nm和0.09927nm改变为0.13341nm、0.13880nm和0.15011nm，伸长量分别为0.02345nm、0.04047nm和0.05084nm，均有较大的伸长.从a_S-INT1·3H2O@MOR到a_TS2·3H2O@MOR过程，相关数据也大致如此.

表1 a_TS2·1H2O@MOR、a_TS2·2H2O@MOR和a_TS2·3H2O@MOR的主要结构参数

因此，从a_S-INT1·2H2O@MOR越过a_TS2·2H2O@MOR和从a_S-INT1·3H2O@MOR越过a_TS2·3H2O@MOR需要一定的能量，这两个能垒分别是133.5kJ·mol-1和134.0kJ·mol-1.水溶剂效应使这两个能垒分别降为116.1kJ·mol-1和111.2kJ·mol-1，说明水溶剂有助催化作用.

对于1个水分子催化的此基元反应，5元环结构过渡态a_TS2·1H2O@MOR的氢键键角(见表1)偏离平角较大，导致其稳定性差，并且从a_S-INT1·1H2O@MOR到a_TS2·1H2O@MOR过程，反应活性中心骨架二面角352N-347C-350C-355C从120.56°变为128.75°，347C-352N键长从0.14595nm拉伸到0.15038nm，相对于2个和3个水分子簇催化的此过程，347C-352N键长伸长增加.因此，从a_S-INT1·1H2O@MOR到a_TS2·1H2O@MOR过程需要的形变能稍大，a_TS2·1H2O@MOR产生的能垒稍高些，是176.3kJ·mol-1.水溶剂效应使其下降到171.3kJ·mol-1，说明水溶剂化效应对此基元反应助催化作用不明显.

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第3基元反应，aINT2的质子化氨基上纸面里侧的H在纸面里向手性碳迁移.此过程相似于前面第2基元的逆反应，aINT2与纸面里侧的1个、2个以及3个水分子通过氢键作用形成的中间体反应物a_INT2·1H2O(n)@MOR、a_INT2·2H2O(n)@MOR和a_INT2·3H2O(n)@MOR((n)表示aINT2与氨基和手性碳后面的水分子以氢键结合)，分别经过不同的过渡态a_TS3·1H2O@MOR、a_TS3·2H2O@MOR和a_TS3·3H2O@MOR，实现了质子化氨基上的H以水分子为媒介在纸面里向手性碳迁移，异构成中间体a_R-INT3·1H2O@MOR、a_R-INT3·2H2O@MOR和a_R-INT3·3H2O@MOR，实现旋光异构，R表示INT3是右旋体.与第2基元反应相似，相对于裸反应，这些过渡态都具有较强的氢键，并且从中间体反应物到过渡态的构象形变都很小，因此，这些过渡态产生的能垒不会很高.对于2个水分子簇催化的此基元反应，结构分析表明，从a_INT2·2H2O(n)@MOR到a_TS3·2H2O@MOR过程，N352-H361、O364-H363和O360-H359键长分别从0.10490nm、0.09959nm和0.10098nm改变为0.11012nm、0.10818nm和0.12824nm，伸长量较小，分别为0.00522nm、0.00859nm和0.02726nm；352N-347C从0.14874nm变为0.14956nm，伸长量极小，仅为0.00082nm.因此，此基元反应的能垒不高，只有18.8kJ·mol-1.水溶剂效应使其下降到15.0kJ·mol-1.对于1个水分子和3个水分子簇催化的此基元反应，机理相似于2个水分子簇催化的情形，篇幅所限，不进行详细讨论.水汽环境的反应能垒分别是34.1kJ·mol-1和14.9kJ·mol-1，在水溶剂环境下，这些能垒分别升高和降低到42.4和9.5kJ·mol-1.

最后，a_R-INT3经与第一基元反应相似的过渡态a_R-TS4@MOR，实现H353和H354从纸面外向纸面里的翻转，异构成产物a_R-Ala@MOR.此基元反应骨架结构基本没变，只是非骨架原子翻转，所需要的形变能量较小，活化能垒只有13.1kJ·mol-1，水溶剂环境下变为20.2kJ·mol-1.

整个反应过程，从S-Ala@MOR到a_R-Ala@MOR，二面角H353-N352-C347-H354从119.84°变为-120.37°，实现了氨基的对称异构；二面角N352-C347-C350-C355从120.87°变为-121.14°，实现了骨架结构的对称异构；二面角C350-C347-H359-C355从120.99°变为-119.14°，S-Ala实现手性对映体转变.

从图3和图4可以看出，水分子作质子转移媒介的反应，决速步都是第2基元反应，以2个和3个水分子构成的链作氢迁移媒介并考虑水溶剂效应，决速步自由能垒被降到116.1和112.3kJ·mol-1，比此通道裸反应的决速步能垒266.1kJ·mol-1[8]和只是在MOR分子筛12元环孔道的决速步能垒264.7kJ·mol-1[13]都大幅降低，比水环境此通道的决速步能垒138.6和122.5kJ·mol-1[9]也明显降低.说明MOR分子筛与水的复合环境对α-Ala的旋光异构具有很好的共催化作用.116.1和112.3kJ·mol-1已经远低于质子迁移的“极限能垒”167.0kJ·mol-1[23]，又MOR分子筛价格低廉并环保，因此，水溶剂环境下用MOR分子筛作为纳米反应器实现α-Ala的旋光异构可行，同时说明生命体内的α-Ala在类似于MOR分子筛与水的复合纳米环境下可以旋光异构.

从图3可知，a_TS2·3H2O@MOR与a_TS2·2H2O@MOR产生的能垒比a_TS2·1H2O@MOR产生的能垒显著降低.a_TS2·3H2O@MOR产生的能垒比a_TS2·2H2O@MOR产生的能垒微高.为从过渡态和反应物的几何结构上对此现象加以解释，将3个过渡态环形结构的氢键键角和二面角列于表1.3个过渡态对应的反应物a_S-INT1·1H2O@MOR、a_S-INT1·2H2O@MOR和a_S-INT1·3H2O@MOR的参与H迁移反应的主要原子间距列于表2.

表2 a_S-INT1·1H2O@MOR、a_S-INT1·2H2O@MOR和a_S-INT1·3H2O@MOR的主要结构参数

从表1可以看出，7元环过渡态a_TS2·2H2O@MOR和9元环过渡态a_TS2·3H2O@MOR的氢键键角比5元环过渡态a_TS2·1H2O@MOR的氢键键角大许多，接近平角，氢键强许多.因此，7元环a_TS2·2H2O@MOR和9元环a_TS2·3H2O@MOR结构会比5元环过渡态a_TS2·1H2O@MOR稳定许多.

从表2的2、3和4行第2列可以看出： 随着与S-INT1通过氢键结合的水分子个数的增加，决定a_S-INT1经a_TS2向a_INT2异构反应难易程度的347C-359H键长逐渐增加，说明α-H与手性C之间的化学键变得越来越松弛；361H-352N的距离迅速减小，说明氨基N与其要接受的H的静电力会迅速增大，亦即氨基N接受H能力越来越大.从表2的2、3和4行第3和4列可以看出： 手性碳上的氢359H距离其要迁移的目标氧原子360O越来越近，360O对359H的静电引力越来越大，亦即360O对359H的接受能力越来越强；对于即将前往氨基N的361H，是距离与其连接的氧360O和364O越来越远，亦即与其连接的氧360O和364O之间的化学键越来越弱；a_S-INT1·2H2O@MOR中的360O-363H比a_S-INT1·1H2O@MOR中的360O-361H相对也大很多，360O-363H键也比360O-361H键弱.从表2的2、3和4行第3、4和5列可以看出： a_S-INT1·1H2O、a_S-INT1·2H2O和a_S-INT1·3H2O的水分子链部分，水分子上将要迁移的H距离其要远离的O之间的键长逐渐增大，而离其要前往的目标O之间的距离逐渐减小，这说明水链上的H迁移需要断的O-H键越来越松弛，氢迁移越来越容易实现.另外，前面已讨论过，从a_S-INT1·1H2O@MOR到a_TS2·1H2O@MOR过程，347C-352N键长的伸长大于从a_S-INT1·2H2O@MOR到a_TS2·2H2O@MOR和从a_S-INT1·3H2O@MOR到a_TS2·3H2O@MOR过程.

前面对不同的过渡态和反应物构象几何参数的分析，共同说明了a_TS2·1H2O@MOR、a_TS2·2H2O@MOR和a_TS2·3H2O@MOR 3个过渡态所产生的能垒应该是越来越小.但表1中的第7和8行的二面角数据表明，过渡态a_TS2·3H2O@MOR的9元环比过渡态a_TS2·2H2O@MOR的7元环偏离平面的程度大，结构稳定性要差，这说明了a_TS2·3H2O@MOR产生的能垒可能比a_TS2·2H2O@MOR产生的能垒低.

2.2 水液相环境下α-Ala限域在MOR分子筛内在b通道的旋光异构

此通道的讨论只在溶剂环境下.限域在MOR分子筛12元环孔道孔道与水复合环境下的α-Ala在b通道的旋光异构有两条路径b1和b2，路径b1又分为b1x和b1y两条分路径.各驻点的几何构型和过渡态虚频振动模式见图5(第263～264页)；旋光异构反应前半程的吉布斯自由能势能剖面见图6(第265页).以后的势能面见图4的a_INT2 以后的过程(第3和4基元反应).篇幅所限，对路径b1和b2的决速步第1基元反应作详细讨论，其他基元反应仅作一般讨论.

对于b1路径，反应历程的第1步见图5(a)中的b1(c)_S-Ala·1H2O@MOR经b1(c)_TS1·1H2O@MOR到b1(c)_INT1·1H2O@MOR的过程.反应物S-Ala与其手性碳和羰基前面的1个水分子以氢键结合的水合分子的包结物b1(c)_S-Ala·1H2O@MOR，经过以1个水分子作氢迁移媒介，手性碳上的H原子向羰基迁移的过渡态b1(c)_TS1·1H2O@MOR，异构成质子化羧基上部和下部的H原子分别在纸面里和外的中间体包结物b1(c)_INT1·1H2O@MOR.因为该过程是b通道的第1路径和后面将要讨论的c通道的公共步骤，所以该步反应过程的驻点的前面都同时标记为b1(c).结构分析表明，从b1(c)_S-Ala·1H2O@MOR到6元环结构过渡态b1(c)_TS1·1H2O@MOR，反应活性中心骨架二面角352N-347C-355C-360O从2.25°变为48.04°，增加45.79°；键长347C-349H从0.10964nm变为0.14863nm，拉长了0.03899nm.这远小于裸反应此过程这两个量的增加值88.74°和0.04713nm[6].又b1(c)_TS1·1H2O@MOR的分子内氢键键角为155.83°和145.30°，氢键较强；二面角356O-361H-360O-359H和361H-360O-359H-347C分别为-9.90°和38.35°，六元环结构偏离平面不大，过渡态b1(c)_TS1·1H2O@MOR较稳定.因此，b1(c)_TS1·1H2O@MOR产生的能垒会远小于此基元裸反应的能垒326.6kJ·mol-1[6]，但从b1(c)_S-Ala·1H2O@MOR到b1(c)_TS1·1H2O@MOR，构象有了不小的形变，因此b1(c)_TS1·1H2O@MOR产生的能垒还是较高，能垒值是191.8kJ·mol-1，这是b1路径的决速步能垒.

当b1(c)_INT1·1H2O@MOR中的水分子脱附后，INT1的质子化羧基上部的H在纸面外，下部的H在纸面里，接下来分成两个分路径b1x和b1y.

分路径b1x是，INT1的质子化羧基下部的H与纸里面的2个水分子簇通过氢键作用形成的水合物包结物b1x_INT1·2H2O@MOR，经过渡态b1x_TS2·2H2O@MOR，实现了质子化羧基上的H在纸面里以2个H2O分子为媒介，从羟基向氨基氮的迁移，异构成中间体产物b1x_INT2(a_INT2)·2H2O@MOR.计算表明，b1x_INT2即是a_INT2，后面的过程全同于a通道a_INT2以后的过程.结构分析表明，过渡态b1x_TS2·2H2O@MOR的氢键键角接近平角，且过渡态环形结构基本共面，因此过渡态b1x_TS2·2H2O@MOR的构象比较稳定.其产生的能垒不高，只有37.9kJ·mol-1.

分路径b1y是，b1(c)_INT1·1H2O@MOR中的INT1脱水后，b1y_INT1@MOR经氨基上的两个H在纸面里外摆动的过渡态b1y_TS2@MOR，异构成中间体产物包结物b1y_INT2@MOR.此基元反应骨架结构基本没变，所以活化能较低，只有10.8kJ·mol-1.然后，b1y_INT2与手性碳和羧基前面(纸面外)的2个水分子簇通过氢键作用形成的水合物包结物b1y_INT2·2H2O@MOR，经过以手性碳和羧基前面(纸面外)的2个水分子作氢迁移媒介的过渡态b1y_TS3·2H2O@MOR，异构成中间体产物包结物b1y_INT3(aINT2)·2H2O@MOR，计算表明，此中间体产物即是aINT2，所以这个中间体产物包结物记为b1yINT3(aINT2)·2H2O@MOR.结构分析表明，7元环过渡态b1y_TS3·2H2O@MOR的氢键键角接近平角，并且7元环结构基本共面，所以，b1y_TS3·2H2O@MOR产生的能垒不高，只有45.5kJ·mol-1.接下来的过程同于a通道a_INT2以后的过程，不再赘述.

图5 MOR分子筛内水分子催化S-α-Ala在b通道旋光异构反应的前半程Fig.5 The first half section of optical isomerism reaction of S-α-Ala confined in the MOR zeolite in channel b (protonation process of amino group)

路径b2的前两步反应历程见图5(b).首先，2个或3个水分子簇在S-Ala分子的前面与手性碳和羰基氧通过氢键作用形成的络合物分子b2_S-Ala·2H2O@MOR和b2_S-Ala·3H2O@MOR，经2和3个水分子簇作氢迁移媒介，手性碳上的H向羰基迁移，同时氨基上的2个H做俯视顺时针微小旋转的过渡态b2_TS1·2H2O@MOR和b2_TS1·3H2O@MOR，异构成质子化羧基和其他骨架原子基本在同一平面内的中间体产物b2_INT1·2H2O@MOR和b2_INT1·3H2O@MOR.结构分析表明，10元环结构过渡态b2_TS1·3H2O@MOR的氢键键角分别为168.83°、172.55°、175.62°和172.10°，8元环结构过渡态b2_TS1·2H2O@MOR的氢键键角分别为159.58°、165.01°和169.65°，前者更接近平角，氢键强，过渡态稳定性好；从b2_S-Ala·3H2O@MOR到b2_TS1·3H2O@MOR和b2_S-Ala·2H2O@MOR到b2_TS1·2H2O@MOR过程，反应活性中心骨架二面角352N-347C-355C-356O的增加值，前者是13.74°，后者是22.23°，前者形变能小.因此，b2_TS1·3H2O@MOR比b2_TS1·2H2O@MOR产生的能垒小，它们产生的能垒分别是150.2和171.4kJ·mol-1，与b1(c)_TS1·1H2O@MOR产生的能垒191.8kJ·mol-1相比较大幅降低.

计算表明，当b2_INT1·2H2O@MOR和b2_INT1·3H2O@MOR上的水分子脱附后，b2_INT1的氨基上的2个H做俯视逆时针旋转，一个H在纸面里，另一个H在纸面外，记为b2_INT1(p).b2_INT1(p)与在其氨基和质子化羧基上部的氢之间的1个水分子以氢键结合的水合分子b2_INT1(p)·1H2O@MOR，经过以1个水分子作氢迁移媒介的过渡态b2_TS2·1H2O@MOR，实现了质子化羧基上部的H从羟基氧向氨基N的转移，异构成的中间体产物记为b2_INT2(a_INT2)·1H2O@MOR.计算表明b2_INT2即是a_INT2，其后面的过程全同于a_INT2以后的过程，不再赘述.结构分析表明，7元环过渡态b2_TS2·1H2O@MOR的氢键键角接近平角，7元环结构基本共面过渡态比较稳定；又从b2_INT1(p)·1H2O@MOR到b2_TS2·1H2O@MOR，骨架结构基本没变.所以，从b2_INT1(p)·1H2O@MOR到b2_TS2·1H2O@MOR需要越过的能垒不高，只有10.8kJ·mol-1.

图6 水溶剂环境下限域在MOR分子筛的S-α-Ala，在b通道旋光异构前半程的吉布斯自由能势能面Fig.6 Gibbs energy surface of the first half section of optical isomerism reaction of S-α-Ala confined in the MOR zeolite in channel b in aqueous solvent environment

综合图6和图4看出，在b通道上S-α-Ala实现手性对映体转变的决速步自由能垒来自于第一个过渡态，即手性C上的H向羰基O转移的过渡态.在3个水分子作H迁移媒介与水溶剂的助催化作用下，决速步能垒被降到最低值150.2kJ·mol-1，与此通道裸反应决速步能垒326.6kJ·mol-1[6]和只是限域在MOR分子筛12元环孔道孔道此反应路径的决速步能垒309.6kJ·mol-1[13]相比均大幅降低，与只在水环境下此通道的决速步能垒173.0kJ·mol-1[24]相比也明显降低.说明MOR分子筛与水复合环境对质子从手性C向羰基O的迁移反应具有较好的共催化作用.150.2kJ·mol-1已经低于质子迁移的“极限能垒”167.0kJ·mol-1[23]许多，再考虑到生命体内温度的涨落、分子间的碰撞以及某种酶的作用是可以越过的.结合图6和图4可以看出，b2路径具有优势，当3个水分子作决速步的H迁移媒介时，α-Ala分子可以在此路径实现旋光异构.由于b1路径决速步的自由能垒191.8kJ·mol-1已经高于质子迁移的“极限能垒”167.0kJ·mol-1[23]许多，因此，此路径只是理论上存在.

2.3 水液相环境下α-Ala限域在MOR分子筛内在c通道的旋光异构

反应的第1基元(前半程)即是前面图5(a)中的b1(c)_S-Ala·1H2O@MOR经b1(c)_TS1·1H2O@MOR到b1(c)_INT1·1H2O@MOR的过程.当b1(c)_INT1·1H2O@MOR中的INT1脱水后，INT1的质子化羧基上部的H在纸面外，下部的H在纸面里.

接下来是第2基元反应(后半程)，各驻点的几何构型和过渡态虚频振动模式见图7(第266页)，在c通道旋光异构反应的吉布斯自由能势能剖面见图8(第266页).INT1的质子化羧基下部的H与纸面里的1个水分子以氢键结合形成的水合分子包结物c_INT1·1H2O(q)@MOR[后缀q表示c_INT1·1H2O(q)区别于第1基元的b1(c)_INT1·1H2O，两者水分子的位置不同]，其经过渡态c_TS2·1H2O@MOR，实现了质子化羧基上的H在纸的里面以1个H2O分子为媒介从羟基向手性碳的迁移，异构成产物c_R-Ala·1H2O@MOR，S-Ala完成了旋光异构.此基元反应相似于第1基元反应的逆过程，从c_INT1·1H2O(q)@MOR到c_TS2·1H2O@MOR过程，反应活性中心二面角357O-355C-347C-352N改变5.8°，键长357O-362H和360O-359H分别拉长0.02282nm和0.02062nm，构象形变较小.因此，c_TS2·1H2O@MOR产生的能垒不高，只有98.9kJ·mol-1.

图7 α-丙氨酸限域在MOR分子筛与水溶剂复合环境下c通道的后半程Fig.7 The second half section of optical isomerism reaction of α-Ala confined in the MOR zeolite and water combined environment in channel c

图8 α-Ala限域在MOR分子筛与水溶剂复合环境下，在c通道实现旋光异构的自由能势能剖面Fig.8 Gibbs energy surface of optical isomerism reaction of α-Ala confined in the MOR zeolite and water combined environment in channel c

从图8可以看出，在c通道实现旋光异构的决速步自由能垒是191.8kJ·mol-1，来自于第1个过渡态，即质子从手性C向羰基O转移的过渡态.由于决速步能垒191.8kJ·mol-1已经远高于质子迁移的“极限能垒”167.0kJ·mol-1[23]，因此，在路径c的旋光异构，很难实现.

文献[7]的研究表明，气相α-Ala还存在羧基内氢迁移后α-氢向羰基氧迁移，形成质子化羧基.这之后有两个通道，1是质子化羧基上的质子在纸面里侧向α-碳迁移，2是质子化羧基上的质子向甲基与甲基上的1个氢在纸面里向α-碳协同迁移.前者的机理相似于只以羰基氧为桥的通道，本工作没有赘述.后者限域在分子筛内的过渡态没有找到，期望以后的工作会解决此问题.

3 结 论

标题反应可以在3个通道实现，分别是质子α-氢以氨基氮、顺次以羰基氧与氨基氮和只以羰基氧为桥，从α-碳的一侧迁移到另一侧.势能面计算表明： 质子只以氨基氮为桥迁移的通道具有优势，水溶剂环境下2个和3个水分子簇做质子转移媒介以及分子筛的限域作用下，决速步能垒分别是116.1和111.2kJ·mol-1.结果表明： 水溶剂环境下MOR分子筛对α-Ala分子的旋光异构有较好的限域催化作用，水溶剂环境下的MOR分子筛可作为实现α-Ala旋光异构理想的纳米反应器.