苯丙氨酸分子的手性对映体转变机理及水分子(簇)的催化作用

潘 宇,高 峰,王 野,李 冰,杨晓翠,王佐成

(1.白城师范学院 物理与电子信息学院,吉林 白城 137000；2.白城师范学院 机械工程学院,吉林 白城 137000)

苯丙氨酸(Phe)是一种人体必需氨基酸,根据构型分为S-型(S-Phe)和R-型(R-Phe),根据旋光性分为左旋体和右旋体.在生命体内,Phe左旋体具有活性,可用作食品添加剂;右旋体用于预防和治疗阿尔茨海默症,是重要的化工医药原料,用途广泛[1].左旋体可从生物中提取,价格较低；右旋体可利用不对称合成、手性拆分和左旋体的旋光异构合成.不对称合成方法技术难度较高,且需昂贵的过渡金属作为催化剂;手性拆分可得到左旋体,但产率低.因此使Phe的左旋体消旋获得右旋体具有重要意义.人们从各种不同物种的生物体内发现了多种D-型氨基酸(如D-丙氨酸(D-Ala)、D-丝氨酸(D-Ser)和D-苯丙氨酸(D-Phe)等[2]),导致动物产生某些疾病[3].文献[3-4]研究表明,生命体内右旋-氨基酸来源于生命体内左旋氨基酸的消旋以及摄入的食物和饮料等.基于以上原因,人们对氨基酸的旋光异构进行了大量研究: 文献[5]研究表明,缬氨酸(Val)分子在激发态或水气环境下可实现手性对映体转变;文献[6-9]研究表明,可通过多种方法实现丙氨酸分子的手性对映体转变;文献[10-11]研究了气相丝氨酸和天冬氨酸手性对映体转变的反应势能面,揭示了从S-型丝氨酸和S-型天冬氨酸向其手性对映体及其他旋光异构体异构的机理.但关于Phe分子手性转变的研究目前较少,文献[12-13]采用密度泛函理论的B3LYP方法,对Phe分子的旋光异构及水分子的作用进行了研究,但存在一定的缺陷: 首先,采用B3LYP方法处理Phe分子的分子内单氢键、分子内π氢键以及Phe分子与水分子间的氢键作用效果较差；其次,文献[12-13]仅研究了S-Phe基于氨基氮做质子迁移媒介的旋光异构,未说明其手性对映体产生的机理,对其他反应通道也未进行讨论.

水分子是大气中常见的分子,主要以水分子簇的形式存在[14],水分子簇与Phe分子间以及水分子簇的水分子之间均存在氢键作用.基于此,本文采用色散校正密度泛函和微扰理论研究苯丙氨酸分子的手性对映体转变机理及水分子(簇)的催化作用.

1 计算方法

为较好处理Phe分子内氢键以及水分子簇与Phe分子间的氢键作用,采用色散校正密度泛函WB97X-D[15]方法,在6-311++G(d,p)基组下全优化S-Phe分子手性对映转变反应过程中的各驻点,同时获得各驻点的零点振动能校正.为确认过渡态已连接所期望的局域稳定点,对过渡态[16]进行内禀反应坐标(IRC)计算[17].为得到高水平的反应势能面,在MP2[18]/6-311++G(3df,2pd)理论水平计算驻点的单点能,驻点的总能量用Gtotal=EZPV+ESP计算,其中EZPV和ESP分别为零点振动能校正和高水平的单点能.为更好说明考虑零点振动能后,质子从质子化氨基向羰基氧迁移的能垒消失,利用AIM2000程序[19]计算相关成键临界点电荷密度,分析成键特征.S-Phe与2个水分子簇(二聚水)形成的氢键配合物记作S-Phe·(H2O)2(m,n,u,v),其中m,n,u,v分别表示水分子(簇)在S-Phe的前面、后面、上面和右面,其他体系的表示法相似.本文中键长单位均为nm,计算由Gaussian09程序[20]完成.

2 结果与讨论

S-Phe及其手性对映体R-Phe的最稳定构型[12-13]如图1所示.研究表明，气相S-Phe的手性对映体转变裸反应有a和b两个通道,分别是质子以氨基氮为桥梁和以羰基氧与氨基氮顺次为桥梁迁移；2个水分子簇作为质子迁移媒介时,在通道b比气相环境多了质子仅以羰基氧为桥梁迁移的新路径,新路径命名为b*.

(A)与(B)关于纸面垂直的平面镜像对称;(B)与(C)关于纸面镜像对称.图1 苯丙氨酸分子手性对映体的几何构型Fig.1 Geometric configuration of chiral enantiomer of phenylalanine molecules

2.1 气相S-Phe分子的手性对映体转变

2.1.1 气相S-Phe分子在通道a的手性对映体转变 文献[11]研究表明,质子4H以氨基为桥梁迁移有质子迁移与羧羟基异构协同进行和分步进行两种机理(2个分路径),前者具有优势,命名为通道a.气相S-Phe分子在通道a的手性对映体转变历程如图2所示,反应的势能剖面如图3中a路线所示.

图2 气相S-Phe分子在通道a的手性对映体转变反应历程Fig.2 Reaction process of chiral enantiomer transition of gas phase S-Phe molecule in channel a

图3 气相S-Phe分子手性对映体转变反应的势能面Fig.3 Potential energy surfaces of chiral enantiomer transition reaction of gas phase S-Phe molecule

1) 第1基元反应.S-Phe异构成中间体a_S-INT1,该基元反应经羧羟基22O—23H在纸面外旋转的过渡态a1_S-TS1或在纸面里旋转的过渡态a2_S-TS1,实现羧基从反式向顺式平面结构的转变.从S-Phe到a_S-INT1,二面角2H-1N-3C-5C由90.66°变为55.48°,氨基氮(1N)在纸面外侧部分裸露,负电荷增加,易接受质子.23H从羧基的左侧转到右侧,减小了质子从正面向1N迁移的空间位阻.因此a_S-INT1的4H向1N迁移比S-Phe的4H向1N迁移容易.从S-Phe到a1_S-TS1过程,二面角23H-22O-6C-10O由179.41°变为-88.35°,二面角2H-1N-3C-5C由90.66°变为63.13°,6C—22O键长由0.132 8 nm拉伸至0.137 0 nm,2个化学键的内旋转和一个化学键的小幅度拉伸所需能量较少,a1_S-TS1产生的能垒为60.25 kJ/mol.从S-Phe到a2_S-TS1过程产生的能垒为53.62 kJ/mol,比a1_S-TS1产生的能垒略低.

2) 第2基元反应.a_S-INT1经4H从α-C(3C)向1N迁移的过渡态a_TS2,异构成氨基质子化的中间体a_INT2,质子化氨基不稳定,其上面的质子易向3C迁移,S-Phe实现旋光异构,此时R-基上的苯环尚未从纸面里转到纸面外.从a_S-INT1到a_TS2过程,3C—4H键长由0.109 4 nm拉伸至0.135 6 nm,3C—1N键长由0.144 9 nm拉伸至0.156 5 nm,活性中心骨架二面角1N-3C-5C-6C由126.90°变为140.76°,2个化学键较长的拉伸断裂和较大的骨架形变需较多的能量,a_TS2产生的内禀能垒为259.71 kJ/mol.

3) 第3基元反应.a_INT2经亚甲基7H—5C—8H绕3C—5C键轴左视顺时针旋转的过渡态a_TS3,异构成a_INT3.从a_INT2到a_TS3过程是化学键内旋转,所需能量较小,a_TS3产生的能垒为12.86 kJ/mol.经该基元亚甲基绕3C—5C键旋转带动苯环从纸面内侧转到纸面外侧.结构分析表明：a_INT2的苯环、7H和8H分别与a_INT3的苯环、7H和8H关于骨架1N-3C-5C-6C-10O-22O对称,从a_INT2到a_INT3完成了R-基的镜像对称异构.

4) 第4基元反应.a_INT3经与a_TS2对称的过渡态a_TS4,异构成a_R-INT4,实现了手性转变.结构分析表明,S-Phe到a_R-INT4基本实现了骨架1N-3C-5C-6C和α-H的镜像对称异构.从a_INT3到a_TS4过程,1N—2H和1N—3C键长分别由0.102 1,0.147 8 nm拉伸至0.116 7,0.156 5 nm后断裂,2个化学键的拉伸断裂均需一定的能量.由于2个化学键的拉伸幅度小于从a_S-INT1到a_TS2过程,且从a_INT3到a_TS4过程,3C从空配状态向满配状态过渡,释放能量,因此a_TS4远低于a_TS2产生的能垒,产生的能垒仅为111.82 kJ/mol.

5) 第5基元反应.a_R-INT4经氨基左右翻转的过渡态a_TS5,异构成a_R-INT5,减小了空间位阻并增加了1N对23H的库仑引力作用,为羧羟基从顺式向反式平面结构异构创造了条件.该基元反应是非骨架形变的二面角改变,所需能量较少,a_TS5产生的能垒仅为17.96 kJ/mol.

6) 第6基元反应.a_R-INT5经与第1基元反应相似的过渡态a1_R-TS6和a2_R-TS6,构象异构成产物a_P_R-Phe,a1_R-TS6和a2_R-TS6产生的能垒分别为43.07,40.29 kJ/mol.结构分析表明,a_P_R-Phe与S-Phe镜像对称,即S-Phe到a_P_R-Phe实现了手性对映体转变.

2.1.2 气相S-Phe分子在通道b的手性对映体转变 气相S-Phe分子在通道b的手性对映体转变反应的势能剖面如图3中b路线所示，反应历程如图4所示.

1) 第1基元反应.S-Phe经21H从3C向10O迁移的过渡态b_TS1,异构成中间体b_INT1.从S-Phe到b_TS1过程,3C—21H键长由0.109 5 nm拉伸至0.154 0 nm,活性中心骨架二面角1N-3C-5C-6C由125.54°变为130.96°,化学键大幅度拉伸和骨架形变需较多的能量,b_TS1产生的内禀能垒为287.96 kJ/mol.b_TS1大于a_TS1产生的内禀能垒,这是由于3C—21H键拉伸的幅度较大所致.

2) 第2基元反应.b_INT1经与a_TS3相似的过渡态b_TS2,R-基镜像对称异构,形成中间体b_INT2,b_TS2产生的能垒为10.20 kJ/mol,该基元反应相似于2.1.1中的第3基元反应,故略.

3) 第3基元反应.b_INT2经与a1_S-TS1和a2_S-TS1相似的过渡态bj_TS3和bk_TS3,21H转到羧基的内侧,异构成中间体b_INT3.bj_TS3和bk_TS3产生的能垒基本相同,分别为7.02,7.88 kJ/mol.

4) 第4基元反应.b_INT3经23H从羧基向氨基迁移的过渡态b_TS4,异构成中间体b_INT4.从b_INT3到b_TS4过程,22O—23H的键长由0.097 3 nm拉伸至0.133 7 nm,拉伸幅度较小；b_TS4的键角22O-23H-1N为137.78°,且存在氢键；二面角1N-23H-22O-6C和3C-6C-22O-23H分别为-0.89°,1.73°,过渡态五元环共面.因此b_TS4较稳定,产生的能垒较低,仅为41.44 kJ/mol.

中间体b_INT4比b_TS4的单点能低5.65 kJ/mol,但经零点振动能校正后,前者比后者高了5.21 kJ/mol.表明考虑零点振动能校正后,b_INT3经b_TS4到b_INT4的逆反应变成了无势垒过程,仅需提供46.65(41.44+5.21)kJ/mol的能量,质子即可在b_INT3和b_INT4之间自由移动,显示其具有较高的离域性.其原因为：① b_INT4与23H—22O的距离(0.182 3 nm)小于b_INT3与1N—23H的距离(0.208 1 nm),b_INT4中23H—22O的成键临界点(BCP)电荷密度为0.039 6 a.u.,大于b_INT3中1N-23H的BCP电荷密度(0.025 9 a.u.),因此前者具有较强的氢键,体系不稳定；② 从b_INT3到b_INT4过程,23H净迁移了0.103 2 nm,大于b_INT4到b_INT3过程中23H的净迁移距离(0.085 0 nm),导致b_INT4易向b_INT3异构;③ 根据DKL理论模型和经典的质子转移理论,b_TS4中氢键断裂使相关振动的力常数减小,其零点振动能低于其连接的反应物和产物的零点振动能,从而导致零点振动能校正后b_TS4产生的能垒在某方向消失.

5) 第5基元反应.b_INT4经羧基内质子迁移的过渡态b_TS5,构型异构成b_INT5.结构分析表明,b_INT5的构象与a_INT3相同,其异构反应历程与a_INT3的反应历程相同,故略.从b_INT4到b_TS5过程,10O—21H的键长由0.096 2 nm拉伸至0.129 3 nm,断裂,一个化学键拉伸且断裂,同时四元环过渡态b_TS5张力较大.b_TS5产生的能垒为116.29 kJ/mol.

由图3可见：通道a速控步骤的内禀能垒为259.71 kJ/mol,反应的活化能(表观能垒)为270.26 kJ/mol.通道b速控步骤的内禀能垒和反应的活化能(表观能垒)相同,为287.96 kJ/mol,可见通道a具有优势.259.71 kJ/mol远高于质子迁移的极限能垒167.00 kJ/mol[21],表明气相S-Phe分子具有较好的稳定性.

图4 气相S-Phe分子在通道b的手性对映体转变反应历程Fig.4 Reaction process of chiral enantiomer transition of gas phase S-Phe molecule in channel b

2.2 水分子簇对S-Phe分子手性对映体转变的催化作用

2.2.1 通道a中的催化过程 由图3可见,S-Phe分子在通道a中手性对映体转变的第2和第4基元反应分别为决速步骤和次决速步骤,即质子从α-C向氨基N和质子从氨基N向α-C的迁移过程.计算表明,2个水分子簇对氨基酸质子转移的催化作用与3个水分子簇相差较小,因此本文仅讨论2个水分子簇对这两个反应过程的催化作用,反应历程如图5所示,反应的势能面如图6(A)所示.

图5 2个水分子簇在通道a对S-Phe分子手性对映体转变反应的催化历程Fig.5 Catalytic process of two water molecule clusters for chiral enantiomer transition reaction of S-Phe molecule in channel a

1) 第2基元反应.首先,a_S-INT1的1N和23H与其前面的2个水分子簇通过氢键作用形成配合物a_S-INT1·(H2O)2(m).其次,a_S-INT1·(H2O)2(m)经过渡态a_TS2·(H2O)2(m)构型异构成中间体配合物a_INT2·(H2O)2(m),实现了α-H从3C向1N的净迁移,a_TS2·(H2O)2(m)靠近产物,是晚期过渡态.最后,a_INT2·(H2O)2(m)的a_INT2和(H2O)2的氢键解离后可得到a_INT2.配合物a_S-INT1·(H2O)2(m)的氢键能为45.67 kJ/mol,相对于a_S-INT1+(H2O)2是富能分子,氢键能可作为a_S-INT1·(H2O)2(m)继续反应的资用能.从a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)过程,3C—23H,21O—27H,28O—25H,3C—1N的键长分别由0.109 7,0.097 3,0.098 5,0.146 2 nm拉伸至0.129 5,0.150 6,0.164 0,0.149 9 nm,活性中心二面角1N-3C-4C-5C由129.32°变为128.44°,3个化学键拉伸明显,骨架形变较小；a_TS2·(H2O)2(m)的七元环结构中存在3个较强的氢键且接近平面,七元环结构较稳定.因此a_TS2·(H2O)2(m)产生的内禀能垒较低,仅为126.47 kJ/mol,远小于裸反应中该基元的内禀能垒259.71 kJ/mol.表明2个水分子簇具有较好的催化作用.

2) 第4基元反应.首先,a_INT3的3C和25H与其后面的2个水分子簇通过氢键作用形成配合物a_INT3·(H2O)2(n),其氢键结合能为81.84 kJ/mol.其次,a_INT3·(H2O)2(n)经配合物过渡态a_TS4·(H2O)2(n)构型异构成中间体产物配合物a_R-INT4·(H2O)2(n),实现了质子从1N向3C的净迁移,S-Phe实现了手性转变,a_TS4·(H2O)2(n)靠近反应物,是早期过渡态.从a_INT3·(H2O)2(n)到a_TS4·(H2O)2(n)过程,1N—25H,28O—27H,24O—23H,3C—1N的键长分别由0.103 9,0.098 2,0.099 6,0.149 0 nm拉伸至0.106 0,0.102 8,0.131 9,0.149 9 nm,活性中心二面角1N-3C-4C-5C由-138.31°变为-128.44°,3个化学键的拉伸幅度明显小于a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)过程中这3个化学键的拉伸幅度,且该过程的二面角1N-3C-4C-5C形变导致3C从空配状态向满配状态过渡,释放能量；由于a_TS4·(H2O)2(n)和a_TS2·(H2O)2(m)的七元环结构相似,因此a_TS4·(H2O)2(n)远小于a_TS2·(H2O)2(m)产生的内禀能垒,仅为14.76 kJ/mol.配合物a_R-INT4·(H2O)2(n)是质子从质子化氨基向α-C净迁移的产物,质子净迁移拉近了体系正负电荷中心的距离,使体系较稳定；结构分析表明,a_R-INT4·(H2O)2(n)体系存在1个分子内的弱双氢键、1个氨基与苯环间的π氢键、2个强氢键和1个分子间的弱氢键.因此,a_R-INT4·(H2O)2(n)体系在势能面上处于较低的位置(-193.56 kJ/mol).由图6(A)可见,a_INT3·(H2O)2(n)的可资用能远大于a_TS4·(H2O)2(n)产生的能垒,且a_R-INT4·(H2O)2(n)解离后的总能也低于反应物a_INT3+(H2O)2的总能.因此,该基元反应为放热反应.

2.2.2 通道b中的催化过程 由图3可见,S-Phe在通道b中手性对映体转变的第1,4,5基元反应分别为决速步骤和次决速步骤,即质子从α-C向羰基O、质子从质子化羧基向氨基N和羧基内的质子迁移过程.水分子(簇)催化S-Phe分子在通道b的手性对映体转变反应,先以水分子(簇)为质子迁移媒介,质子从α-C迁移到羰基O,再经裸反应的第2基元反应过程,完成R-基的镜像对称异构.之后过程是两个路径：1) 水分子(簇)作为质子迁移媒介,质子从羰基O迁移到α-C的路径b*;2) 原来的通道b,命名为路径b.对于路径b的第1,5基元反应和路径b*上的基元反应,仅考察2个水分子簇的催化;对于路径b的第4基元反应,2个水分子簇的催化效果较差,因此仅考察1个水分子的催化,反应势能面如图6(B)所示,反应历程如图7所示.

图6 水分子(簇)对S-Phe分子手性对映体转变催化反应的势能面Fig.6 Potential energy surfaces of catalytic process of water molecules (clusters) for chiral enantiomer transition of S-Phe molecule

图7 水分子(簇)在通道b对S-Phe分子手性对映体转变反应的催化历程Fig.7 Catalytic process of water molecules (clusters) for chiral enantiomer transition reaction of S-Phe molecule in channel b

1) 第1基元反应.首先,S-Phe的25H和9O与其前面的2个水分子簇形成氢键配合物b_S-Phe·(H2O)2(m),氢键能为46.58 kJ/mol.其次,b_S-Phe·(H2O)2(m)经质子从α-C向羰基O迁移的过渡态b_TS1·(H2O)2(m),构型异构成中间体配合物b_INT1·(H2O)2(m).最后,b_INT1·(H2O)2(m)解离成b_INT1和(H2O)2,解离能为47.07 kJ/mol.从b_S-Phe·(H2O)2(m)到b_TS1·(H2O)2(m)过程,3C—25H,28O—27H,24O—23H的键长由0.109 5,0.097 4,0.097 5 nm分别拉伸至0.130 7,0.141 0,0.138 8 nm,反应活性中心二面角1N-3C-4C-5C由124.54°变为128.57°,化学键的拉伸幅度与a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)过程中这些化学键拉伸幅度相近,但骨架形变增加.对b_TS1·(H2O)2(m)的结构分析表明,其七元环结构不稳定,因此b_TS1·(H2O)2(m)比a_TS2·(H2O)2(m)产生的内禀能垒大,其值为153.54 kJ/mol,远小于裸反应中该基元的内禀能垒287.96 kJ/mol,表明2个水分子簇对该基元反应具有较好的催化作用.

2) 路径b*.路径b*为第3基元反应,是第1基元反应的逆反应.b*_INT2·(H2O)2(n)经过渡态b*_TS3·(H2O)2(n),实现了23H从9O向3C的净迁移,异构成b*_P_R-Phe·(H2O)2(n).结构分析表明,b*_P_R-Phe·(H2O)2(n)与b_S-Phe·(H2O)2(m)镜像对称,b*_P_R-Phe与S-Phe镜像对称,S-Phe实现了手性对映体转变.b_INT2·(H2O)2(n)的氢键能为47.07 kJ/mol,b*_P_R-Phe·(H2O)2(n)的解离能为46.57 kJ/mol,b*_TS3·(H2O)2(n)产生的内禀能垒为52.06 kJ/mol.

3) 路径b的第4基元反应.b_INT3·H2O(u)经水分子为媒介质子迁移的过渡态b_TS4·H2O(u),实现了质子从22O向1N的净迁移,异构成中间体b_INT4·H2O(u).b_INT3·H2O(u)的氢键能为28.16 kJ/mol,b_INT4·H2O(u)的解离能为44.92 kJ/mol.从b_INT3·H2O(u)到b_TS4·H2O(u)过程,22O—23H和24O—25H的键长由0.098 3,0.098 5 nm分别拉伸至0.119 9,0.128 8 nm,拉伸幅度较小；结构分析表明,七元环过渡态b_TS4·H2O(u)的2个氢键较强,七元环结构基本共面,较稳定.因此b_TS4·H2O(u)产生的内禀能垒仅为28.38 kJ/mol.与裸反应的情形相似,b_INT4·H2O(u)比b_TS4·H2O(u)的单点能低14.29 kJ/mol,但经零点振动能校正后,b_INT4·H2O(u)比b_TS4·H2O(u)的总能量高了1.52 kJ/mol,该基元反应的逆反应变为无势垒过程,仅需提供29.90 kJ/mol的能量,质子即可以水分子为媒介在氨基和羧基间迁移,表现出较高的离域性.原因如下：① b_INT3·H2O(u)中25H与1N的距离为0.181 8 nm,大于b_INT4·H2O(u)中25H与24O的距离；b_INT3·H2O(u)中24O—25H键长为0.098 5 nm,小于b_INT4·H2O(u)中25H—1N键长0.104 9 nm,因此b_INT3·H2O(u)的24O—25H键更不易断裂,25H易向24O迁移,b_INT4·H2O(u)的23H易向22O迁移.b_INT4·H2O(u)比b_INT3·H2O(u)的稳定性差,前者易向后者异构.② b_TS4·H2O(u)中氢键的断裂使相关振动的力常数减小,其零点振动能低于其连接的反应物和产物的零点振动能,导致零点振动能校正后b_TS4·H2O(u)产生的能垒在某方向消失.

4) 路径b的第5基元反应.b_INT4·(H2O)2(v)经羧基内2个水分子簇为质子迁移媒介的过渡态b_TS5·(H2O)2(v),实现了23H从10O向21O的净迁移,异构为中间体b_INT5·(H2O)2(v).b_INT4·(H2O)2(v)的氢键能为59.71 kJ/mol,b_INT5·(H2O)2(v)的解离能为66.48 kJ/mol.从b_INT4·(H2O)2(v)到b_TS5·(H2O)2(v)过程,10O—23H,24O—25H,29O—26H的键长分别由0.098 3,0.097 9,0.098 6 nm拉伸至0.117 9,0.120 9,0.123 9 nm后断裂,拉伸幅度小于a_S-INT1·(H2O)2(m)到a_TS2·(H2O)2(m)和b_S-Phe·(H2O)2(m)到b_TS1·(H2O)2(m)过程中主要化学键的拉伸幅度,且骨架结构基本没变；结构分析表明,b_TS5·(H2O)2(v)的八元环结构中氢键强度及共面程度均优于过渡态a_TS2·(H2O)2(m)和b_TS1·(H2O)2(m)的环形结构.因此,b_TS5·(H2O)2(v)远小于a_TS2·(H2O)2(m)和b_TS1·(H2O)2(m)产生的能垒,其内禀能垒为40.75 kJ/mol.

由图6(A)可见,若不考虑a_INT2·(H2O)2(m)的解离过程(计算表明a_INT2·(H2O)2(m)不解离对其后续每个基元反应能垒的影响极小),2个水分子簇催化S-Phe在通道a的手性对映体转变反应,在水气相环境下的活化能为80.80 kJ/mol.a_S-INT1与2个水分子簇作用形成氢键配合物a_S-INT1·(H2O)2(m)释放的能量为45.67 kJ/mol,可为下一级反应提供能量,此时的活化能取总包能垒(表观能垒).80.80 kJ/mol远小于质子迁移的极限能垒167.00 kJ/mol[21],表明2个水分子簇的催化可使S-Phe分子在通道a实现手性对映体转变.由图6(B)可见,水分子(簇)催化的S-Phe分子在通道b的手性对映体转变反应,在水气相环境下的活化能为106.96 kJ/mol,远小于质子迁移的极限能垒167.00 kJ/mol[21],表明水分子(簇)的催化也可使S-Phe分子在通道b实现手性对映体转变.在通道a比通道b的手性对映体转变反应具有优势.

综上所述,Phe分子手性对映体转变裸反应有a和b两个通道,分别为质子以氨基氮为桥梁和以羰基氧与氨基氮顺次为桥梁迁移；当水分子(簇)作为氢迁移媒介时,增加了质子仅以羰基氧为桥梁迁移的反应路径b*.势能面计算表明：优势反应通道为通道a,速控步骤的内禀能垒为259.71 kJ/mol,反应的活化能为270.26 kJ/mol.在水分子(簇)催化的情形下,优势反应通道仍为通道a,2个水分子簇催化使速控步骤的内禀能垒降至126.47 kJ/mol,反应的表观能垒降至80.80 kJ/mol.质子从氨基向羧基迁移的反应中存在一个较小的能垒,考虑零点振动能后,该能垒消失.因此,水分子(簇)催化可实现Phe分子的手性对映体转变,从而解释了生命体内右旋Phe分子的一个来源,说明光学纯的Phe分子应保存在干燥环境中,同时为在实验中实现Phe的手性对映体转变提供了新途径.