丙氨酸Mg2+配合物的手性转变机理水分子（簇）的作用及水溶剂效应*

张雪娇，刘芳，吴梓昊，徐锐英，马宏源，杨晓翠，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. 中山大学环境学院，广东广州510257）

丙氨酸(alanine， Ala)有α−和β−丙氨酸两种，本工作讨论的是手性α−丙氨酸。根据旋光性可分为左−丙氨酸(L−Ala) 和右−丙氨酸(D−Ala)，根据构型可分为S−丙氨酸(S−Ala)和R−丙氨酸(R−Ala)。不同旋光性的Ala 具有不同的作用，生命体内L−Ala 是组成蛋白质的重要成分；通常生命体内只有微量的D−Ala，可阻止脂质氧化损伤，清除细胞毒性，促进细菌孢子代谢；过量的D−Ala 会导致某些疾病或衰老，生命体内D−Ala 来源之一可能是L−Ala的消旋［1−4］，因此L−Ala消旋的研究尤为重要。

基于上述原因，学者们在Ala 的手性转变领域做了大量的工作。文献［5］的实验研究发现，光学纯Ala 分子的手性是可以改变的。文献［6−9］用DFT 理论研究了气相单体Ala 的手性转变及水分子(簇)的作用，结果表明：Ala 分子消旋反应优势通道的表观能垒大约是260.0 kJ·mol−1；水分子(簇)的催化可使其缓慢消旋。文献［10］在ONI⁃OM (CAM−B3LYP/ 6−31+G (d， p)： UFF) 水平，研究了SWBNNT 对Ala 旋光异构的限域影响，结果表明：SWBNNT(5，5)对Ala 的消旋具有明显的限域催化作用。文献［11］的密度泛函理论研究表明：水液相下中性的Ala 分子可以缓慢地消旋，氢氧根水分子簇的催化能使消旋速度大幅增加。文献［12］的DFT 理论研究表明：水液相下Ala 两性离子可以极缓慢地的实现手性转变。文献［13］用DFT理论了气相的Cu2+与Ala配合物的手性转变，结果表明，Cu2+对Ala 的消旋反应具有催化作用。文献［14］ 用DFT 理论研究了气相丙氨酸Ca2+配合物的手性转变及水分子的催化，结果表明：Ca2+对Ala 的手性转变具有催化作用，水分子对丙氨酸Ca2+配合物的手性转变具有较好的催化作用。

Mg2+是人体内丰富的阳离子，与氨基酸螯合后参与蛋白质的合成和多种酶促反应［15−16］，研究气相的“金属离子－生物分子”体系，可获得相关体系最本质的物理化学性质等信息［17−19］，学者们对气相的“Mg2+与氨基酸的作用”做了大量的工作［17−21］，结果表明，氨基酸Mg2+螯合物具有很高的结合能，构象稳定，比较而言，两性氨基酸Mg2+螯合物的稳定性好于中性氨基酸Mg2+螯合物。光学纯的手性分子的优构体对生命体有积极的作用，而其对映体则无用甚至有害，因此，光学纯的手性分子是否容易消旋对生命的健康极为重要。然而，关于氨基酸Mg2+螯合物手性转变的研究鲜见报道，Ala 是重要的手性氨基酸，基于此考虑到水分子(簇)的普遍存在以及生命体内的水溶剂环境，结合以往的研究经验［6−14］，本工作采用密度泛函理论对标题反应进行了研究。

1 研究与计算方法

采用处理含金属和弱作用体系具有较高精度的杂化泛函M06 方法［22］，在6−31++G(d， p)［23］基组下优化反应过程中单重态势能面上的驻点结构，同时获得吉布斯自由能热校正(计算表明本工作研究的体系在可能的自旋态1、3 和5 中，单重态最稳定)；采用自然键轨道NBO 方法计算了相关体系的NPA 电荷；通过对过渡态［24］进行IRC(内禀反应坐标)计算［25］，对过渡态的可靠性进行确认。为得到较高精度的反应过程势能面并兼顾计算成本，在M06/6−311++G(2df， pd)高角动量基组水平下计算单点能。水溶剂效应结合自洽反应场理论的SMD 模型［26］方法处理。总吉布斯自由能用Gtotal=Gtc+ESP计算(Gtc和ESP分别是吉布斯自由能热校正和单点能)。S−Ala_1 与Mg2+的配合物S−Ala_1·Mg2+记作S−A_1；S−A_1 在a 通道异构的第1 个S−型过渡态配合物记作S−T1_1a，第1 个S−型中间体配合物记作S−I1_1a，a 和b 通道共用的结构X 记做Xa(b)，4 个水分子与S−A_1a(b)的Mg2+配位同时2 个水分子簇(二聚水)与S−A_1a(b)形成氢键记作S−A_1a(b)←4H2O·(H2O)2，其他体系表示法相似。计算采用Gaussian09［27］程序。

2 结果与讨论

文献［13］的气相Ala 分子最稳定的两对手性对映体及Mg2+的构象见图1，S−Ala_1 相对于S−Ala_2 的吉布斯自由能是3.0 kJ/mol［13］，后者稳定，气相环境下后者的分布高于前者。

图1 Ala分子手性对映体及Mg2+的几何构型Fig.1 Chiral enantiomer of Ala and geometric configuration of Mg2+

Mg2+可在不同位置与S−Ala_1 和S−Ala_2 的氮和氧配位形成配合物，计算表明，Mg2+与S−Ala_1的羧基二配位，羧羟基氢迁移到氨基氮的螯合物S−A_1 最稳定；Mg2+与S−Ala_2 的羰基氧及氨基氮二配位的螯合物S−A_2 最稳定。优化的2 个螯合物见图2，下面对S−A_1 和S−A_2 的手性转变分别进行讨论。

图2 配合物S−A_1和S−A_2的几何构型Fig.2 Geometric configuration of S−A_1 complex and S−A_2 complex

2.1 S−A_1的手性转变

S−A_1 的手性转变可以在3 个通道a、b 和c 实现，反应历程见图3，反应过程的势能面见图4。下面分别进行讨论。

2.1.1 a 和b 通道这两个通道共用第1 基元，第1 基元反应：S−A_1 经过渡态T1_1a(b)，13H 沿过渡态矢量的正向从α−碳1C 迁移到羰基氧11O，构型异构成中间体配合物I1_1a(b)。从S−A_1 到T1a(b)，1C—13H键的键长从0.109 9 nm拉伸至0.153 0 nm 断裂，二面角4C—1C—6N—9C 的键角从−125.0°变为−144.6°，C—H键的大幅拉伸断裂及骨架的形变需要的能量很高，T1a(b)产生了297.5 kJ/mol 的内禀能垒。这与气相Ala 在此过程的内禀能垒290.0 kJ/mol 相差不明显，说明Mg2+的配位对此氢迁移反应影响不大。

接下来的反应历程分为a分通道和b分通道。

1) a分通道

第2 基元反应：I1_1a(b)经过渡态T2_1a，13H在纸面里沿过渡态矢量的正向从11O 迁移到α−碳，构型异构成R−型产物配合物R−A_1a。结构分析表明，R−A_1a与S−A_1 镜像对称，说明至此S−A_1实现了手性对映体转变。从I_1a(b)到T2_1a，11O—13H 键的键长从0.097 3 nm 拉伸至0.124 3 nm 断裂，O—H 拉伸幅度不是很大，又O—H 键较C—H键容易断裂，T_1a产生的内禀能垒是192.8 kJ/mol，比T_1a(b)产生的内禀能垒低许多。这与气相Ala在此基元反应的内禀能垒194.2 kJ/mol 相差无几，说明说明Mg2+的配位对此氢迁移反应基本无影响。

纵观S−A_1 在a 通道上反应历程的驻点构象和势能面可以看出，所有驻点构象及各个驻点的能量关于I1_1a(b)对称，体现了S−A_1 在该通道上实现手性对映体转变的过程美和内在美。

2) b分通道

第2基元反应：I1_1a(b)经过渡态T2_1b，8H 在纸面内侧从氨基N 向α−C 迁移，构型异构，形成R−型中间体配合物R−I2_1b，S−A_1 在b 通道实现了手性转变。从I1_1a(b)到T2_1b，6N—8H 键的键长从0.103 0 nm 拉伸至0.138 7 nm 断裂，T2_1b产生的内禀能垒是212.5 kJ/mol。该能垒与气相下单体Ala 在此基元反应的内禀能垒106.5 kJ/mol［9］(在本工作理论水平下是109.6 kJ/mol)相比较显著升高，Mg2+对此基元反应表现出极强的负催化作用。原因之一是Mg2+与羧基氧10O 和11O 二配位，导致8H的NPA电荷从0.436 e显著增加到0.493 e，6N 的NPA 电荷从0.795 e 增加到0.799 e，α−碳1C的NPA 电荷从−0.245 e 骤降到−0.037 e，因此6N对8H 的库仑引力显著增加，1C 对8H 的库仑显著减小。原因之二是单体INT1的偶极矩在6N—1C方向的分量向上，质子从质子化氨基向α−碳迁移是逆着偶极矩矢量在6N—1C 方向上的分量，使体系的偶极矩减小；而I1_1a(b)的偶极矩在6N—1C 方向的分量向下，质子从质子化氨基向α−碳迁移是顺着偶极矩矢量在6N—1C 方向上的分量，使体系的偶极矩增大，前者相对容易。

从第3基元反应开始又分为b1和b2分通道。

①b1分通道

第3 基元：R−I2_1b经过渡态R−T3_1b1，9C−1C键右视顺时针内旋转，异构成配合物R−I3_1b1。从R−I2_1b1到R−T3_1b1，二面角10O—9C—1C—6N 的键角从25.9°增加到−26.5°，9C—1C 键旋转了52.4°，碳—碳键内旋转所需能量很小，R−T3_1b1产生的内禀能垒只有4.7 kJ/mol。

第4 基元反应：R−I3_1b1经过渡态R−T4_1b1，9C—1C 键右视顺时针内旋转，异构成产物配合物R−A_1b1，至此S−A_1a(b)实现了手性对映体转变。从R−I3_1b1到R−T4_1b1，二面角11O—9C—1C—6N的键角从82.5°减小增加到71.9°，9C—1C 键内旋转了10.6°，碳—碳键的小幅内旋转所需能量不多，R−T4_1b1产生的内禀能垒只有2.6 kJ/mol。结构分析表明，R−A_1b1与S−A_1 镜像对称，全同于R−A_1a，记作R−A_1a(b1)。

②b2分通道

第3 基元：R−I2_1b经9C—10O—14Mg 做剪式运动的过渡态R−T3_1b2，11O—14Mg 配位键断裂，6N—14Mg 配位键形成，异构成中间体配合物R−I3_1b2。从R−I2_1b到R−T3_1b2，较弱的配位键11O—14Mg(键长是0.218 5 nm)断裂，9C—10O—14Mg 键的键角从101.5°小幅增加到117.2°，所需能量很小，R−T3_1b2产生的内禀能垒只有7.1 kJ/mol。

第4基元反应：R−I3_1b2经过渡态R−T4m_1b2或R−T4n_1b2，11O—9C 键仰视顺时针内旋转，异构成产物配合物R−A_2_1b2， 至此在b2 分通道实现了S−A_1 的手性转变。从R−I3_1b2到R−T4m_1b2，二面角13H—11O—9C—10O 键的键角从−178.4°变为99.3°，11O—9C键的内旋转所需能量不是很多，R−T5mb2产生的内禀能垒是35.8 kJ/mol。相似的R−T5nb2产生的内禀能垒是36.2 kJ/mol。结构分析表明，R−A_2_1b2是S−A_2 的手性对映体，因此，b2分通道给出了S−A_1向S−A_2的手性对映体异构的机理。

2.1.2 c通道

第1基元反应：S−A_1经过渡态T1_1c，13H 沿过渡态矢量的正向从α−碳1C 迁移到氨基氮6N，12H 从氨基氮6N 迁移到羰基氧10O，构型异构成中间体配合物I1_1c。从S−A_1 到T1_1c，1C—13H键的键长从0.109 9 nm 拉伸至0.127 6 nm 断裂；6N—12H 断裂，12H 从6N 迁移到10O；二面角4C—1C—6N—9C 的键角从−125.0°变为−166.4°，C—H 键的拉伸断裂、N—H 断裂及骨架形变需要的能量很高，T1_1c产生了337.7 kJ/mol 内禀能垒。这与气相下单体中性的Ala_1 的α−H 从α−碳向氨基氮迁移的内禀能垒250.0 kJ/mol(文献［9］理论水平下约是267.0 kJ/mol，250.0 kJ/mol 是在本工作理论水平下计算的值)相比较显著增加，说明Mg2+对此氢迁移反应起了较强的负催化作用。原因是S−Ala_1 与Mg2+螯合后，S−Ala_1 从中性变为两性，此基元反应的反应物到过渡态从单质子迁移变成了双质子迁移，过渡态的稳定性也陡然减小。此基元反应是双质子协同非同步迁移过程，T1_1c靠近产物配合物I1_1c，是晚期过渡态。

第2 基元反应：I1_1c经过渡态T2_1c，氨基沿过渡态矢量的负向俯视顺时针旋转，12H从纸面里翻转到纸面外，构象异构成中间体配合物I2_1c。从I1_1c到T2_1c，1C—6N 键内旋转43.6°，10O—9C 键内旋转47.5°，C—N 键及O—C 键的内旋转所需能量很小，T2_1c产生的内禀能垒只有1.1 kJ/mol，此基元几乎无势垒。

第3 基元反应：I2_1c经过渡态T3_1c，8H 从氨基氮6N 迁移到α−碳1C，12H 羧基氧10O 迁移到氨基氮6N，异构成R−A_1c。从I2_1c到T3_1c是1个质子迁移，T3_1c与T1_1c相似(结构分析表明它们镜像对称)，也很不稳定，T3_1c产生了185.8 kJ/mol的内禀能垒。该能垒低于T1_1c产生的能垒，主要原因是从I2_1c到T3_1c过程是单质子迁移(8H 从6N 向1C 迁移)，T3_1c靠近反应物，是前期过渡态。结构分析表明，R−A_1c与S−A_1 镜像对称，全同于R−A_1a(b1)，记作R−A_1a(b1，c)。

S−A_1 在c 通道上反应历程的驻点构象和势能面关于T2_1c对称。

图3 S−A_1的手性转变历程(键长单位：nm)Fig. 3 Reaction process of chiral transition of S−A_1(Bond length unit：nm)

图4 S−A_1手性转变反应的吉布斯自由能势能面(括号内分子的能量是括号内的数据)Fig.4 Gibbs free energy surfaces of chiral transition reaction of S−Ala

从图4 可以看出，S−A_1 在a，b，c 通道手性转变反应的活化能(表观能垒)(气相反应的活化能取表观能垒，后面相似之处不再解释！)分别是297.5、317.2 和337.7 kJ/mol，a 通 道 具 有 优 势。S−A_1 在a 通道手性转变反应的活化能高于单体Ala 手性转变优势通道的活化能266.0 kJ/mol［13］(在本文理论水平下是257.5 kJ/mol)，说明Mg2+对S−Ala 的手性转变具有负催化作用，亦即Mg2+与Ala_1 配位后，可以极好地保持其旋光性(手性特征)。

从图4 及前面的讨论可知：a 是S−A_1 手性转变反应的优势通道，是α−H 以羰基O 为桥迁移。而单体Ala 手性转变的优势通道是α−H 以氨基N 为桥迁移［13］，亦即Mg2+的存在改变了S−Ala手性转变反应的机理。两性配合物R−A_1a(b1，c)的稳定性好于中性的R−A_2b2，更是好于中性的Ala_1 与Mg2+的配合物，而文献［28］的研究表明气相环境下Ala的两性离子不存在，因此，Mg2+与Ala的配位显著地改变了Ala的稳定构象及稳定性的排序。

2.2 S−A_2的手性转变

S−A_2 的手性转变反应有3 个通道a、b 和c，反应历程、驻点构象及过渡态矢量见图5，反应的吉布斯自由能势能剖面，见图6，先讨论a、b 通道，而后讨论c通道。

图5 S−A_2的手性转变历程(键长单位：nm)Fig.5 Reaction process of chiral transition of S−Ala_2 (Bond length unit：nm)

图6 S−A_2手性转变反应的吉布斯自由能势能面(括号内分子的能量是括号内的数据)Fig.6 Gibbs free energy surfaces of chiral transformation reaction of S−Ala_2

2.2.1 a和b通道共用第1和第2基元

第1 基元反应。S−A_2 经过渡态S−T1_2a(b)，12H 从10O 向11O 的迁移，异构成第一中间体配合物S−I1_2a(b)。从S−A_2 到S−T1_2a(b)，10O—12H键的键长从0.098 0 nm 拉伸至0.137 2 nm 断裂，10O—12H 键的断裂使S−T1_2a(b)产生了196.3 kJ/mol 的内禀能垒。这与气相Ala 在此基元反应的内禀能垒135.1 kJ/mol［5］(在本工作理论水平下)相比较明显升高，说明Mg2+的存在对此基元反应具有显著的负催化作用。原因是S−A_2 的偶极矩方向向上，S−Ala_2 的偶极矩方向向下，并且前者的数值(10.173 8 D)远大于后者(1.358 7 D)，导致S−A_2 的羧羟基H(带正电)向羰基氧迁移(偶极矩增大)比S−Ala_2 的羧羟基H(带正电)向羰基氧迁移(偶极矩减小)难度大许多。

第2 基元反应。S−I1_2a(b)经过渡态T2_2a(b)，13H 从α−C 向羰基氧10O 迁移，异构成羧基质子化的中间体配合物I2_2a(b)。从S−I1_2a(b)到T2_2a(b)，1C—13H 键的键长从0.110 3 nm 拉伸至0.152 7 nm断裂， 二 面 角4C—1C—6N—9C 的键角从−125.7°变为−142.2°，C—H 键的断裂及骨架的形变要给予很多的能量，T2_2a(b)产生了307.9 kJ/mol 的内禀能垒。这与气相Ala 在此基元反应的能垒296.3 kJ/mol［5］相比较，在误差允许的范围内可以认为没变，说明Mg2+的存在对此基元反应几乎无影响。

1) a通道

第3 基元反应。I2_2a(b)经过渡态T3_2a，实现了13H 在纸面内侧从质子化羧基的10O 向α−碳1C迁移，异构成R−型中间体配合物R−I3a_2，S−A_2实现了手性转变。从I2_2a(b)到T3_2a，10O—13H键的键长从0.097 1 nm 拉伸至0.130 8 nm 断裂，T3_2a产生的内禀能垒是275.5 kJ/mol。此能垒与文献［9］中气相S−Ala_1 手性转变在此基元的内禀能垒189.5 kJ/mol 相比明显升高，原因有2 个：一是气相下单体和Mg2+催化的此基元反应都是偶极矩增大的过程，I2_2a(b)的偶极矩(10.677 3 D)大于对应的气相的中间体INT2_1 的偶极矩(3.428 4 D)很多，I2_2a(b)比INT2_1 的13H 在纸面内侧从10O 向1C 迁移困难得多；二是I2_2a(b)与INT2_1相比较，α−C 上的负电荷从−0.114 e 降到−0.022 e，13H 与α−C 的距离从0.248 9 nm 增加到0.265 5 nm，13H 的正电荷量增加很少，导致I2_2a(b)的13H与α−C的库仑引力下降。

第4 基元反应。R−I3_2a经过渡态R−TS4_2a，实现了12H 在羧基内的回迁，异构成R−型产物配合物R−A_2a。结构分析表明，R−A_2a与S−A_2 镜像对称，R−A_2a实现了手性对映体转变。从T3_2a到R−TS4_2a，11O—12H 键的键长从0.098 0 nm 拉伸至0.124 0 nm 断裂，TS4_2a产生的能垒是106.3 kJ/mol。此基元的能垒远小于第一基元的能垒，原因有二，一是R−I3_2a的偶极矩方向向上，并且数值较大，此基元反应是H 逆着偶极矩的方向迁移；二是此基元比第一基元O—H 键的拉伸幅度小。此基元的能垒也小于单体Ala 在此基元的内禀能垒135.1 kJ/mol［5］，原因与第1 基元相反，不再赘述。综上，Mg2+的存在对此基元的质子迁移反应具有较好的正催化作用。

S−A_2 在a 通道反应历程的驻点构象和势能面关于I2_2a(b)对称。

2) b通道

第3基元反应。I2_2a(b)经过渡态T3_2b，8H 在纸面里从氨基N 向α−C 迁移，异构成R−型中间体R−I3_2b，S−A_2 实现了手性转变。从I2_2a(b)到T3_2b，6N—8H 键 的 键 长 从0.102 9 nm 拉 伸 至0.169 1 nm 断裂，T3b_2 产生的内禀能垒是207.4 kJ/mol。这与气相Ala 在此基元的内禀能垒109.6 kJ/mol［12］相比大幅度升高，说明Mg2+对此基元有极强的负催化作用。原因与2.1 中b 通道第3 基元相似，不再赘述。

第4基元反应。R−I3_2b经过渡态R−TS4m_2b或R−TS4n_2b，6N—1C 键俯视顺时针或逆时针内旋转，异构成中间体配合物R−I4m_2b或R−I4n_2b。从R−I3_2b到R−TS4m_2b，二面角14Mg—6N—1C—9C 的 键 角 从4.0°变 为−50.8° (6N—1C 内 旋 转54.8°)，化学键的内旋转所需能量很少，R−TS4m_2b产生了6.3 kJ/mol 的内禀能垒。相似的R−TS4n_2b产生的内禀能垒是5.7 kJ/mol。

第5 基元反应。R−I4m_2b经过渡态R−T5m_2b，羧羟基旋转(11O—9C 内旋转)，异构成R−I5m_2b。从R−I4m_2b到R−T5m_2b，O＝C 双键内旋转，二面角12H—11O—9C—10O 键的键长从0.3°变为97.3°，同时羧羟基H 向羧基内旋转还要克服来自于Mg2+的少许空间位阻，所需能量不高但也不是很低，R−T5m_2b产生了65.2 kJ/mol 的内禀能垒。相似的R−I4n_2b经过渡态R−T5n_2b，构象异构成R−I5n_2b。R−T5n_2b，产 生 的 内 禀 能 垒 是67.3 kJ/mol。

第6 基元反应。R−I5m_2b经过渡态R−T6m_2b，12H 沿过渡态矢量的负方向从11O 迁移到6N，异构 成R−I6_2b。从R−I5m_2b到R−T6m_2b，11O—12H 键的键长从0.099 2 nm 拉伸至0.123 5 nm 断裂，此过程R−T6m_2b产生的内禀能垒很小，只有10.2 kJ/mol。相似的R−I5n_2b经过渡态R−T6n_2b，异构成R−I6_2b，R−T6n_2b产生的内禀能垒是14.0 kJ/mol。

第7基元反应。R−I6_2b经过渡态R−TS7m_2b或R−TS7n_2b，10O—9C 键仰视顺时针或逆时针内旋转，异构成产物配合物R−A_2b。此基元的羧羟基旋转相似于第5 基元，但没有空间位阻，比较而言，R−TS7m_2b和R−TS7n_2b产生的内禀能垒小很多，分别是35.7和36.2 kJ/mol。

2.2.2 c通道

第1 基元反应。S−A_2 经过渡态S−T1m_2c或S−T1n_2c，10O—9C 内旋转，12H 从羧基内侧转到外侧，异构成中间体S−I1_2c。此基元正反应相似于b通道第7基元的逆反应，结构分析表明，S−I1_2c与R−I6_2b镜像对称，不再赘述。S−T1m_2c或S−T1n_2c产生的内禀能垒分别是59.6和59.1 kJ/mol。

第2 基 元 反 应。S−I1_2c经 过 渡 态S−T2_2c，14Mg—6N 配位键断裂与14Mg—119C 沿虚频正向剪式运动协同进行，异构成S−I2_2c。从S−I1_2c到S−T2_2c，强配位键14Mg—6N 断裂、14Mg—11O—9C 键翻转124.6°及14Mg 从羧基的外侧摆动到内侧(S−I1_2c的5 元环结构破坏)，需很多能量，S−T2_2c产生了143.0 kJ/mol的内禀能垒。

第3 基 元 反 应。S−I2_2c经 过 渡 态S−T3_2c，9C−1C 键右视顺时针内旋转，异构成中间体S−I3_2c。结构分析表明，此基元与2.1节中b1通道的第4 基元镜像对称，S−T3_2c产生了4.7 kJ/mol 的内禀能垒。

第4 基元反应。S−I3_2c经过渡态S−T4_2c，异构成两性配合物S−I4_2c。结构分析表明，S−I4_2c全同于S−A_1a(b1，c)。结构分析表明，此基元反应与2.1 节中b1 通道的第5 基元相似，S−T4_2c产生的内禀能垒是3.6 kJ/mol，不再赘述。S−I4_2c接下来的异构亦即S−A_1a(b1，c)的异构，见2.1节。

从图6 可以看出，S−A_2 在a 和b 通道上手性转变的表观能垒是397.9 kJ/mol，图6 结合图4 可以看出，S−A_2 在c 通道上S−I4_2c接S−A_1a(b)的手性转变的表观能垒是297.5−31.0=266.5 kJ/mol。反应通道c 具有优势，266.5 kJ/mol 高于单体Ala_2手性转变优势通道的表观能垒249.3 kJ/mol(249.3 kJ/mol 是在本工作理论水平下计算的值，在文献［8］理论水平下是266.0 kJ/mol)，说明Mg2+对S−Ala_2 的手性转变具有负催化作用。266.5 kJ/mol 的能垒很高，通常难以逾越，说明S−Ala_2与Mg2+配位后可以很好地保持其手性特征。

2.3 水分子（簇）作用下S−A_1 和S−A_2 手性转变反应决速步及水溶剂效应

从前面的讨论可知，S−A_1和S−A_2手性转变反应优势通道的表观能垒(活化能)均来自于过渡态T1_1a(b)，S−A_1手性转变反应优势通道的第2基元与第一基元对称，因此，为节省篇幅，只讨论水分子(簇)作用下的S−A_1→T1_1a(b)→T1_1a(b)基元反应及溶剂效应。

水分子与S−A_1 的作用有两种，一是水分子(簇)会与Mg2+形成配位键，二是水分子(簇)会与S−A_1 的氢及氧形成氢键。由于配位键强于氢键，因此实际的情况应是水分子(簇)与Mg2+配位饱和后，再与S−A_1 的氢及氧形成氢键。计算表明，Mg2+与O 最多可以6 配位，水分子(簇)与S−A_1 的Mg2+最基本的配位形式可以有2 种，一是Mg2+与羧基氧二配位后再与4 个水分子配位，二是Mg2+与羧基氧一配位后再与5 个水分子配位(其中有1个水分子与Mg2+配位的同时还与羧基氧氢键作用)。水分子(簇)与Mg2+配位饱和后，可以有1个、2 个或3 个水分子簇与S−A_1 的氢及氧形成氢键，作为质子12H 从1C 向10O 迁移的媒介。计算表明，本基元反应3个水分子簇作H 迁移媒介并不比2 个水分子簇作媒介具有优势。因此为节省篇幅，对于第1 种情形只讨论1 个和2 个水分子簇与S−A_1 的氢及氧形成氢键，作为质子12H 从1C 向10O 迁移媒介的情况，反应物记作S−A_1←4H2O·H2O和S−A_1←4H2O·(H2O)2；对于第2种情形只讨论2 个水分子簇与S−A_1 的氢及氧形成氢键，作为质子12H 从1C 向10O 迁移媒介的情况，反应物记作S−A_1←5H2O·(H2O)2。另外，为充分考虑水分子簇的作用，对第2 种情况，增加了1 个水分子与羰基氧和与Mg2+配位的1 个水分子同时氢键作用的讨论，反应物记作S−A_1←5H2O·H2O·(H2O)2。上述4个反应物经相应的过渡态实现质子转移的反应历程见图7，反应过程的势能面见图8，下面分别经行讨论。

2.3.1 S−A_1←4H2O·H2O 经S−T1_1a（b）←4H2O·H2O 到T1_1a（b）←4H2O·H2O 过程从S−A_1←4H2O·H2O 到S−T1_1a(b)←4H2O·H2O，键1C—12H 的键长从0.109 9 nm 拉伸至0.175 7 nm 断裂，键27O—28H 的键长从0.096 4 nm 拉伸至0.107 1 nm 断裂，二面角4C—1C—6N—9C 的键角从−125.7°变为−136.6°，C—H 和O—H 的键断及骨架形变需很多能量，但结构分析表明，过渡态S−T1_1a(b)←4H2O·H2O 六元环存在两个较强的氢键，且六元环结构共面程度较好，增加了过渡态的稳定性，因此S−T1_1a(b)←4H2O·H2O 产生了195.6 kJ/mol 的内禀能垒，这与2.1节中讨论的没有水分子作用时此基元反应的能垒297.5 kJ/mol 相比较大幅减小，说明水分子起了很好的催化作用。溶剂化计算表明，水溶剂环境下的能垒是192.9 kJ/mol，水溶剂效应影响可以忽略。

2.3.2 S−A_1←4H2O·（H2O）2经S−T1_1a（b）←4H2O·（H2O）2到T1_1a（b）←4H2O·（H2O）2过程从S−A_1←4H2O·(H2O)2到S−T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2，键1C—12H的键长从0.109 6 nm拉伸至0.182 3 nm断裂，键14O—19H 的键长从0.097 5 nm 拉伸至0.123 3 nm 断裂，键17O—16H 的键长从0.097 3 nm 拉伸至0.1079 nm 断裂，骨架二面角4C—1C—6N—9C 的键角从−120.9° 变为−140.3°，C—H 和O—H 的断裂及骨架的形变需一定的能量，但结构分析表明，八元环过渡态S−T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2的三个氢键很强，且过渡态的八元环结构共面程度很好，过渡态的稳定性很好，因此S−T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2产生了172.3 kJ/mol 的内禀能垒，与没有水分子作用时此基元反应的能垒297.5 kJ/mol 相比较显著减小，说明2 个水分子簇起了很好的催化作用。溶剂化计算表明，水溶剂环境下的能垒是172.5 kJ/mol，水溶剂效应影响可以忽略。

2.3.3 S−A_1←5H2O·（H2O）2经S−T1_1a（b）←5H2O·（H2O）2到T1_1a（b）←5H2O·（H2O）2过程从S−A_1←5H2O·(H2O)2到S−T1_1a(b)←5H2O·(H2O)2，键1C—12H的键长从0.109 9 nm拉伸至0.169 7 nm断裂，键14O—19H 的键长从0.097 6 nm 拉伸至0.119 5 nm 断裂， 但 键17O—16H 的键长从0.097 1 nm 拉伸至0.110 6 nm 断裂，骨架二面角4C—1C—6N—9C 从−126.3°变为−137.7°，C—H 和O—H 的断裂拉伸及骨架的形变幅度小于从S−A_1←4H2O·(H2O)2到S−T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2过程，八元环过渡态S−T1_1a(b)←5H2O·(H2O)2的三个氢键也很强，八元环结构共面程度也很好，过渡态的稳定性也很好，因此S−T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2产生了157.9 kJ/mol 的内禀能垒，小于S−T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2产生的能垒。溶剂化计算表明，水溶剂环境下的能垒是157.5 kJ/mol，水溶剂效应影响可忽略。

2.3.4 S−A_1←5H2O·H2O·（H2O）2 经S−T1_1a（b）←5H2O·H2O·（H2O）2到T1_1a（b）←5H2O·H2O·（H2O）2过程结构分析表明，从S−A_1←5H2O·(H2O)2到S−T1_1a(b)←5H2O·(H2O)2，键1C—12H 和14O—19H 的键长拉伸基本同于前一个过程，但键17O—16H 的拉伸大于前一个过程，骨架二面角4C—1C—6N—9C 的形变大于前一过程，因此S−T1_1a(b)←5H2O·H2O·(H2O)2产生了189.1 kJ/mol 的内禀能垒，大于S−T1_1a(b)←5H2O·(H2O)2产生的能垒。溶剂化计算表明，水溶剂环境下的能垒是182.8 kJ/mol，水溶剂效应影响也可忽略。

图7 水分子(簇)作用下S−A_1→T1_1a(b)→T1_1a(b)基元反应的历程Fig.7 Reaction process of S−A_1→T1_1a(b)→T1_1a(b) pathway with water molecules (clusters)

从图8可以看出，水汽相下水分子(簇)作用下S−A_1→T1_1a(b)→T1_1a(b)基元质子迁移反应的最低能垒是157.9 kJ/mol，接近反应的极限能垒160.0 kJ/mol［29］，水汽相下S−A_1 只能痕量的消旋。从图8 和图6 可以看出，水汽相下S−A_2 在优势通道上手性转变的活化能(表观能垒)是165.7 kJ/mol，水汽相下S−A_2 通常不能消旋。从图8 还可以看出，水液相下水分子(簇)作用下S−A_1→T1_1a(b)→T1_1a(b)基元质子迁移反应的最低能垒是157.5 kJ/mol，接近反应的极限能垒160.0 kJ/mol［29］，水液相下S−A_1 难以消旋或只能痕量的消旋。与水液相环境下两性Ala 手性转变决速步能垒130.5 kJ/mol(130.5 kJ/mol这是在本工作理论水平下的值，在文献［12］ 理论水平下是141.8 kJ/mol)相比较可知，水液相环境下Mg2+对两性Ala的旋光异构反应有负催化作用。

为了确定水液相下S−A_2 在优势通道c 上手性转变的活化能，要计算出c 通道的最高内禀能垒，因此，计算了S−A_2 手性转变优势通道c 上第2 基元反应S−I1_2c→S−T2_2c→S−I2_2c过程的溶剂化势能面，见图6 的c 通道第2 基元括号内的数据。从图6 的c 通道第2 基元括号内的数据可知，水溶剂环境下S−I1_2c→S−T2_2c→S−I2_2c基元反应的内禀能垒是68.1 kJ/mol。因此，水溶剂环境下S−A_2在手性转变优势通道c上的活化能应是水液相下水分子(簇)作用下S−A_1→T1_1a(b)→T1_1a(b)基元质子迁移反应的最低能垒157.5 kJ/mol，水液相下S−A_2也只能痕量的消旋。

图8 水分子(簇)作用下S−A_1→T1_1a(b)→T1_1a(b)基元反应的吉布斯自由能势能面Fig.8 Gibbs free energy potential surfaces of S−A_1→T1_1a(b)→T1_1a(b) pathway with water molecules (clusters)

综合图6 和图8 可知，水溶剂环境下丙氨酸Mg2+螯合物主要以两性离子形式存在，并且其手性特征很难改变。丙氨酸Mg2+螯合物可以作为理想的补充丙氨酸及镁离子的药品或营养品。

3 结 论

在M06/6−311++G (2df， pd)//M06/6−31++G(d，p)双水平结合自洽反应场理论的SMD 模型方法对标题反应进行了研究，得到如下结论。

1)Mg2+与Ala 的2 个羰基氧二配位的两性离子螯合物A_1 最稳定，Mg2+与Ala 的氨基氮和羰基氧二配位形成的中性离子螯合物A_2的稳定性次之。

2)S−A_1 的手性转变有3 个通道a、b、c，分别是α−H 只以羰基氧为桥、以羰基氧与氨基氮联合为桥和只以氨基氮为桥迁移；S−A_2的手性转变也有3 个通道a、b、c，a 和b 分别是羧基内H 迁移后α−H 只以羰基氧为桥和羰基氧与氨基氮联合为桥，c 通道是S−A_2 经Mg2+与氨基氮的配位键断裂和1C−9C内旋转向S−A_1异构后的异构。

3)气相的S−A_1 和S−A_2 手性转变优势通道的反应活化能在266.5 kJ/mol 以上；在水分子(簇)作用下S−A_1 和S−A_2 手性转变优势通道的反应活化能在157.9 kJ/mol以上；水溶剂环境下S−丙氨酸Mg2+螯合物主要以S−A_1的构象存在，手性转变优势通道的反应活化能为157.5 kJ/mol。

结果表明，通常气相、水汽相及水液相环境下丙氨酸Mg2+都可以很好地保持其手性特征。