水液相下两性α-丙氨酸K+配合物旋光异构的理论研究

赵丽红，彭国强，姜 丰，郝成欣，刘 芳，丛建民，王佐成

(1. 白城医学高等专科学校 基础医学部，吉林 白城137000； 2. 那丹伯镇中学，吉林 辽源 136000；3. 白城师范学院 理论计算中心，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)是结构最简单的手性氨基酸，在生命体内是重要的配体.根据光学活性，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，分为S型α-丙氨酸(S-α-Ala)和R型α-丙氨酸(R-α-Ala).L-α-Ala在生命体内是具有生物活性的优构体，蛋白质的重要成分之一.D-α-Ala 有促进细菌孢子代谢、阻止体内脂质氧化及清除细胞毒性的功能，可用作食品的甜味剂，但生命体内D-α-Ala超标时会导致很多疾病及衰老速度加快[1-4].

钾(K)是主族碱金属，是生命体必需的宏量元素，在生命体内以一价态(K+)存在.其有调节生命体酸碱平衡以及细胞内渗透压的功能，还有降血压及预防中风的作用[5].目前补充钾离子的主要方法是利用无机盐氯化钾、枸橼酸钾和醋酸钾，有机盐谷氨酸钾和门冬氨酸钾镁等.氯化钾等无机盐进入生命体内，钾离子会以较快的速度解离出来，会使生命体短时间内钾含量过高，导致血压降低等问题发生.已有研究[6-7]表明，氨基酸铁和氨基酸锌等过渡金属螯合物作为补充微量金属元素产品，在临床、食品及畜牧业中已经被广泛应用.金属离子与氨基酸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，因此利用氨基酸钾盐进行钾与氨基酸同补具有重要意义.

如果生命体内同时缺少α-Ala和K+，选择α-Ala与K+的配合物可能是一个极好的选择.然而，不同旋光性的手性分子一般具有不同的生物效应，某种旋光性的手性分子对生命体具有生命活性，其手性对映体则无用甚至有严重的副作用.因此，α-Ala·K+在生命体内旋光异构的研究对指导人们科学地补充α-丙氨酸和钾具有重要的实际意义.

人们对α-Ala及其金属配合物的旋光异构已经做了大量的工作，文献[8]的研究表明，纳米孔道对α-Ala 的旋光异构具有一定的限域催化作用；文献[9-10]的研究表明，水液相下两性的α-Ala分子构象最稳定，水分子簇做质子转移媒介可使其少量地消旋，酸碱的作用会加速其消旋反应的速率.文献[11-18]的研究表明，两性α-Ala与K+、Ca2+、Cu2+等配合物在气相下构象稳定，它们通常很难消旋.文献[19-20]的研究表明，水液相下两性的α-Ala与过渡金属Zn2+以及碱土金属Mg2+的配合物构象稳定，它们通常只能痕量或微量地消旋，可安全地用于生命体同补锌和α-丙氨酸以及镁和α-丙氨酸.

目前，对水液相下α-Ala·K+旋光异构的研究鲜见报道.为说明α-丙氨酸与碱金属钾的配合物用于生命体是否安全，同时为研究复杂氨基酸钾盐的旋光异构奠定基础，基于以往的研究经验[17,19-20]，本工作采用密度泛函理论研究了水液相下两性α-丙氨酸与主族碱金属钾一价(K+)离子配合物的旋光异构.

1 模型选取及计算方法

水液相下α-丙氨酸分子以两性离子形式存在[9]，计算表明，水液相下S-α-Ala与K+的双齿配合物比单齿配合物稳定，因此本工作把两性α-Ala与K+的双齿配合物作为反应底物，讨论其旋光异构.

采用对处理主族元素具有较好表现的杂化泛函M06-2X[21]，在6-311+G(d, p)基组下对单重态势能面上的驻点结构(自旋多重度的测算表明，本研究体系在单重态最稳定)进行全参数优化，通过对过渡态[22]进行内禀反应坐标(IRC)计算[23]，确认过渡态与对应的稳定点存在关联性，水溶剂效应均采用SMD模型[24]方法处理.为计算出相对高水平的反应过程势能面，同时考虑到计算资源的有限，在SMD/M06-2X/6-311++G(3df, 2pd)理论水平计算各驻点物种的单点能，经过吉布斯自由能热校正获得各驻点物种的高水平自由能(吉布斯自由能热校正在298.15 K及1个标准大气压下进行)，体系的总自由能等于自由能热校正加上单点能.S-α-Ala与K+的配合物S-α-Ala·K+记作S-A·K，其在a通道第2个无手性的过渡态配合物记作T2a，S-A·K在b1通道异构的第3个R型过渡态配合物记作R-T3b1，a和b通道共用的第1个无手性的中间体标记为Ia(b)；5个水分子与S-I2c的K+配位，2个水分子与5个水分子中的若干个水分子形成氢键(分子间氢键用虚线表示)，同时2个水分子簇与S-I2c氢键作用的体系记作S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2，其他体系标记法相似.计算采用Gaussian16[25]程序完成.

2 结果与讨论

把气相的两性S-A·K双齿构型[17]作为初始猜测构型，优化得到水液相下双齿的手性对映体S-A·K和R-A·K，见图1.

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

对于非质子转移过程，水分子(簇)与底物的氢键作用对反应能垒的绝对值影响不大，只需考虑溶剂极性的作用，即隐性水溶剂效应；对于质子转移过程，水分子(簇)做媒介会显著降低反应能垒，并且与K+配位的水分子(簇)会与做质子转移媒介的水分子(簇)及其他原子形成复杂的氢键网络，从而影响反应能垒，因此，研究质子转移过程既要考虑溶剂极性的作用，还要充分考虑水分子(簇)的存在，即显性水溶剂效应.

为清晰地呈现水液相下S-A·K在可能的反应通道旋光异构的历程，且节省篇幅，先讨论隐性水溶剂效应下S-A·K的旋光异构，然后讨论显性水溶剂效应对质子转移过程的影响.

2.1 隐性水溶剂效应下S-A·K的旋光异构

研究发现，S-A·K的旋光异构可在3个通道a、b和c实现，a和b通道共用第1基元反应，为使讨论过程层次清晰，将a和b通道放在一起讨论，c通道单独讨论.

2.1.1S-A·K在a和b通道上的旋光异构

S-A·K旋光异构反应在a、b通道的历程见图2(见第542页)，反应过程的势能剖面见图3的a线和b线.

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

图3 隐性水溶剂效应下S-A·K旋光异构反应的吉布斯自由能势能面Fig.3 Gibbs free energy surfaces of optical isomerism of S-A·K under the effect of recessive aqueous solution

第1基元反应(a、b通道共用)：S-A·K经质子在1C和11O之间迁移的过渡态T1a(b)，13H从1C迁移到11O，异构成I1a(b).从S-A·K到T1a(b)，1C—13H从0.109 0 nm拉伸至0.151 8 nm断裂；9C=11O双键从0.125 3 nm拉伸至0.132 6 nm；14K和11O间的配位键略有伸长；二面角10O—9C—1C—6N从-3.0°变为-34.1°，9C—1C键右视顺时针内旋转31.1°，这些变化导致T1b(a)产生了261.3 kJ·mol-1的内禀能垒.该能垒与气相S-A·K旋光异构此基元反应的能垒242.3 kJ·mol-1[17]相比有所升高，说明水溶剂对此基元反应有负催化作用.原因是S-A·K的偶极矩(5.553 7 D)大于T1a(c)的偶极矩(4.588 5 D)，水溶剂的强极性使S-A·K 变得相对更稳定些.

接下来分为a和b两个分通道.

a分通道：I1a(b)经与T1a(b)镜像对称的过渡态T2a，13H在纸面内侧从11O迁移到1C，异构成R-A·Ka，S-A·K在a通道实现旋光异构.从I1a(b)到T2a，11O—13H键从0.096 5 nm拉伸至0.118 6 nm断裂，T2a产生的内禀能垒是146.6 kJ·mol-1.T2a与T1a(b)在势能面的同一高度处，但T2a产生的内禀能垒小于T1a(b)产生的能垒许多.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T2a，α-碳从sp2杂化向sp3杂化过渡时释放了能量.结构分析表明，R-A·Ka与S-A·K镜像对称.

从S-A·K在a通道的旋光异构反应历程及势能面可以看出，在a通道体系构象及相对能量均关于I1a(b)对称，展现了S-A·K在a通道旋光异构外在与内在的对称美.

b分通道：第2基元，I1a(b)经质子在纸面里从质子化氨基向α-碳迁移的过渡态T2b，8H从6N迁移到1C，异构成R-I2b，S-A·K在b通道实现旋光异构.从I1a(b)到T2b，6N—8H从0.102 5 nm拉伸至0.123 2 nm断裂，1C—6N从0.146 9 nm拉伸至0.153 1 nm，这些变化使T2b产生了164.2 kJ·mol-1的内禀能垒.

接下来R-I2b沿b1和b2两个分路径异构，分别得到更稳定的产物配合物.

b1分路径：第3基元，R-I2b经9C—10O—14K做剪式运动的过渡态R-T3b1，异构成R-I3b1.从R-I2b到R-T3b1，键角9C—10O—14K从99.9°增加到137.3°，同时配位键10O—14K断裂，这些变化使R-T3b2产生了11.8 kJ·mol-1的内禀能垒；第4基元，R-I3b1经14K在9C—10O两侧翻转运动的过渡态R-T4b1，异构成R-I4b1.从R-I3b1的R-T4b1，14K从9C—10O的右侧翻转到左侧，14K翻转了24.6°，此过程所需能量很小，R-T4b1产生的内禀能垒只有5.0 kJ·mol-1；第5基元，R-I4b1经11O—9C内旋转的过渡态R-T5mb1(或R-T5nb1)，13H绕11O—9C仰视顺时针(或逆时针)旋转，13H从羧基外侧转到内侧，异构成较稳定的双齿配合物R-A*·Kb1.从R-I4b1到R-T5mb1，11O—9C内旋转94.5°，化学键内旋转所需能量不多，R-T5mb1产生了29.5 kJ·mol-1的内禀能垒.相似的R-T5nb1产生的内禀能垒是31.2 kJ·mol-1，不再赘述.

b2分路径：第3基元，R-I2b经1C—9C内旋转的过渡态R-T3mb2(或R-T3nb2)，1C—19C右视顺时针(或逆时针)内旋转152.0°(或192°)，异构成R-I3b2.从R-I2b到R-T3mb2，10O—9C—1C—6N从23.8°变为-61.9°，1C—19C键旋转85.7°，R-T3mb2产生的内禀能垒是16.9 kJ·mol-1.从R-I2b到R-T3nb2，9C—1C旋转45.8°，比从R-I2b到R-T3mb2的9C—1C旋转角小很多，R-T3nb2产生的内禀能垒是10.4 kJ·mol-1；第4基元，R-I3b2经质子在羧基和氨基间迁移的过渡态R-T4b2，13H从11O迁移到6N，异构成与S-A·K镜像对称的R-A·Kb2，S-A·K在b2通道实现了手性对映体转变.

2.1.2S-A·K在c通道上的旋光异构

S-A·K旋光异构反应在c通道上的历程见图4(见第544页)，反应过程的自由能势能面见图3的c线.

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

第1基元：S-A·K经质子在氨基和羧基间迁移的过渡态S-T1c，12H从6N迁移到10O，异构成中间体S-I1c.从S-A·K到S-T1c，6N—12H键从0.102 3 nm拉伸至0.136 0 nm断裂，S-T1c产生的内禀能垒是30.5 kJ·mol-1.

第2基元：S-I1c经9C—10O键内旋转的过渡态S-T2mc或S-T2nc，12H俯视逆时针或顺时针旋转，12H在纸面内或纸面外从羧基外侧转到内侧，羧基与14K的螯合环打开，异构成S-I2c.S-I2c的6N的正面已经裸露，负电荷密度增大，为α-H从1C向其迁移创造了条件.从S-I1c到S-T2mc，二面角12H—10O—9C—11O从179.0°变为-7.7°；二面角10O—9C—1C—6N从8.8°变为60.4°，配位键14K—11O从0.270 5 nm拉伸至0.290 1 nm，14K—11O从较强的配位键变为弱配位键，这些变化使S-T2mc产生了56.0 kJ·mol-1的内禀能垒.相似的S-T2nc也产生了56.0 kJ·mol-1的内禀能垒，不再赘述.

第3基元：S-I2c经质子在纸面外从1C向6N迁移的过渡态T3c，异构成I3c.从S-I2c到T3c，1C—13H从0.109 0拉伸至0.130 6 nm断裂，1C—6N从0.146 1拉伸至0.153 1 nm，二面角4C—1C—6N—9C从-121.6°变为-155.1°，这些变化使T3c产生了241.7 kJ·mol-1的内禀能垒.

第4基元： I3c经质子在纸面内侧在1C和6N间迁移的过渡态T4c，7H从6N迁移到1C，异构成R-I4c，至此S-A·K在c通道实现了旋光异构.从I3c到T4c，6N—7H键从0.102 6 nm拉伸至0.122 7 nm断裂，1C—6N键从0.147 0 nm拉伸至0.153 1 nm，T4c产生了157.4 kJ·mol-1的内禀能垒.

第5基元：R-I4c经10O—9C键内旋转过渡态R-T5mc或R-T5nc，12H从羧基内侧转到羧基外侧，羧基与钾的螯合环形成，异构成R-I5c.从R-I4c到R-T5mc(或R-T5nc)，二面角12H—10O—9C—11O从-0.3°变为77.7°(或从-0.3°变为-77.0°)；10O—9C俯视逆时针转内旋转78.0°(或俯视顺时针转内旋转76.7°)，R-T5mc和R-T5nc产生的能垒都是42.0 kJ·mol-1.

结构分析表明R-I5c同于R-I3b2，其接下来的异构同于R-I3b2的异构，最后异构到与S-A·K镜像对称的R-A·Kc，S-A·K在c通道实现了手性对映体转变，见b2通道第4基元的讨论，这里从略.

纵观S-A·K在c通道的旋光异构历程及势能面发现，体系构象及相对能量均关于I3c对称，展现了S-A·K在c通道旋光异构的过程与内在的对称美.

由于正负反应能垒小于等于40.0 kJ·mol-1以下时反应物和产物可共存[26]，因此从图3可知，反应物是以两性的S-A·K和中性的S-I1b(c)两种构象共存.由于S-A·K的相对能量低很多，所以S-A·K在反应物中的分布要占绝大多数.从图3可以看出，S -A·K在c通道的旋光异构略具优势，决速步能垒是241.7 kJ·mol-1.S-A·K在c通道旋光异构的产物是中性的R-I5c与两性的R-A·Kc共存，后者的分布占绝大多数.S-A·K旋光异构反应的a和b通道略具劣势，这两个通道共同的决速步能垒是261.3 kJ·mol-1.S-A·K 在a和b通道旋光异构的产物是两性的R-A·Ka(b2)、中性的R-I3b2、R-I2b和中性的R-A*·Kb1，两性R-A·K的分布占绝大多数.

2.2 显性水溶剂效应下S-A·K旋光异构反应的质子转移过程

为获得可靠的反应能垒，考虑水分子簇对质子迁移的影响，同时还要考虑水分子(簇)与钾配位、水分子簇间的氢键作用以及水分子簇与羧基氧等原子的氢键作用.计算表明，2个和3个水分子簇的催化作用差别较小，1个水分子的催化作用远小于2个和3个水分子簇，为使问题简便并节省篇幅，做氢迁移媒介的水分子簇只考虑2个水分子簇.钾离子的配位数是6[29]，S-A·K中钾已经与羰基氧2配位，再有4个水分子与钾离子配位，钾离子便达到满配.水液相下水分子多以水簇的形式存在，基于此并且为了得到参与配位的水分子簇个数的不同对反应能垒的影响，同时考虑计算成本和篇幅所限，仅对a和b通道的第1基元，对5、6和7个水分子簇参与配位的情况进行讨论.对于c通道，S-I2a中钾已经与羰基氧1配位，再有5个水分子与钾配位，钾便达到满配，只对7个水分子簇参与配位的情况进行讨论.

2.2.1 显性水溶剂效应下a和b通道的质子转移过程

S-A·K在a和b通道的质子转移过程是第1和2基元.5、6和7个水分子簇参与配位时，形成S-A·K←4H2O·H2O、S-A·K←4H2O·2H2O和S-A·K←4H2O·3H2O.2个水分子簇再与S-A·K的α-氢13H及羰基氧11O形成氢键，同时和与钾配位的水分子簇形成氢键网络，得到氢键网络体系S-A·K←4H2O·H2O·(H2O)2m、S-A·K←4H2O·2H2O·(H2O)2m和S-A·K←4H2O·3H2O·(H2O)2m(m表示做H迁移媒介的水簇在底物的前面)等反应物配合物络合物.反应历程见图5，反应过程势能面见图6(见第546页).为节省篇幅，对S-A·K←4H2O·H2O·(H2O)2m异构的第1基元详细讨论，其他的基元做一般讨论.

图5 显性溶剂效应下S-A·K在a和b通道旋光异构反应的氢迁移过程(键长单位： 纳米)Fig.5 Hydrogen migration process of S-A·K optically isomerized in channels a and b under the effect of explicit solvent(Bond length unit： nanometer)

图6 显性溶剂效应下S-A·K在a和b通道旋光异构的氢迁移反应势能面Fig.6 Potential energy surface of hydrogen migration reaction of S-A·K optically isomerized in channels a and b under the effect of explicit solvent

共用的第1基元反应为：S-A·K←4H2O·H2O·(H2O)2m经过渡态T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2m实现了13H从1C向11O的净迁移，异构成I1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2m.IRC表明，T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2m靠近产物是后过渡态.从S-A·K←4H2O·H2O·(H2O)2m到T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2，1C—13H从0.109 2 nm拉伸至0.137 1 nm断裂；30O—32H从0.097 2 nm拉伸断裂，32H迁移到33O；33O—35H从0.098 0 nm拉伸断裂，35H迁移到11O；33O—23H之间的氢键断裂.这些变化使T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)2m产生了136.6 kJ·mol-1的内禀能垒.该能垒与水液相下丙氨酸旋光异构在此基元的能垒(大约是142.0 kJ·mol-1，工作理论水平下是137.3 kJ·mol-1)相差无几，说明钾离子对水液相下丙氨酸的旋光异构几乎没影响.

相似的S-A·K←4H2O·2H2O·(H2O)2m经T1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m到I1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m基元反应.从S-A·K←4H2O·2H2O·(H2O)2m到T1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m，1C—13H键从0.109 1 nm拉伸至0.137 2 nm断裂；33O—35H键长从0.097 2 nm拉伸断裂；36O—38H键长从0.098 2 nm拉伸断裂；34O—24H之间的氢键断裂，这些变化导致T1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m产生了140.8 kJ·mol-1的内禀能垒.

相似的S-A·K←4H2O·3H2O·(H2O)2m经T1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m到I1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m基元反应.从S-A·K←4H2O·3H2O·(H2O)2m到T1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m过程，1C—13H键长从0.109 0 nm拉伸至0.141 2 nm断裂；36O—38H键长从0.098 0 nm拉伸断裂；39O—40H键长从0.098 1 nm拉伸断裂，这些变化导致T1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m产生了142.0 kJ·mol-1的内禀能垒.

T1a(b)←4H2O·H2O·(H2O)m2、T1a(b)←4H2O·2H2O·(H2O)2m和T1a(b)←4H2O·3H2O·(H2O)2m产生的能垒在误差允许的范围内可认为相同，这说明钾满配后，参与形成氢键的水分子个数的多少对此氢迁移反应能垒的影响甚小.基于此，第2基元只讨论5个水分子簇参与配位时，形成I1a←4H2O·H2O，纸面里的2个水分子簇再与I1a的1C及11O氢键作用，得到氢键网络体系I1a←4H2O·H2O·(H2O)2n(n表示做H迁移媒介的水簇在底物的后面，亦即纸面里)的异构.

a通道专属的第2基元：I1a←4H2O·H2O·(H2O)2n经过渡态T2a←4H2O·H2O·(H2O)2异构成S-A·Ka←4H2O·H2O·(H2O)2，S-A·K实现旋光异构.从I1a←4H2O·H2O·(H2O)2n到T2a←4H2O·H2O·(H2O)2n，11O—13H键及34O—33H键断裂，38O—31H键长从0.097 3 nm拉伸至0.124 9 nm断裂，骨架形变，氢键网络体系的部分氢键或断裂或变弱，这些变化导致T2a←4H2O·H2O·(H2O)2n产生了22.9 kJ·mol-1的内禀能垒.该能垒小于第1基元能垒，是因为从I1a←4H2O·H2O·(H2O)2n到T2a←4H2O·H2O·(H2O)2的过程，α-碳从sp2杂化向sp3杂化过渡时释放了能量.

b通道专属的第2基元：只讨论4个水分子簇参与配位时，纸面里的2个水分子簇再与I1b的1C及6N氢键作用，得到氢键网络体系I1b←4H2O·(H2O)2n的异构.相似于a通道第2基元，I1b←4H2O·(H2O)2n经过渡态T2b←4H2O·(H2O)2n异构成S-A·Kb←4H2O·(H2O)2n.从I1b←4H2O·(H2O)2n到T2b←4H2O·(H2O)2n，化学键的拉伸及断裂见图5.T2b←4H2O·(H2O)2n产生的内禀能垒是89.2 kJ·mol-1，该能垒不是很高的原因同于a通道专属的第2基元，不再赘述.

2.2.2 显性水溶剂效应下c通道的质子转移过程

S-A·K在c通道的质子转移过程是第3和4基元反应.考虑7个水分子簇参与和14K的配位，2个水分子簇传递质子从1C向6N迁移的情况，反应历程见图7，反应过程的势能面见图8.

图7 显性溶剂效应下S-A·K在c通道旋光异构反应的氢迁移过程(键长单位： 纳米)Fig.7 Hydrogen migration process of S-A·K optically isomerized in channel c under the effect of explicit solvent(Bond length unit： nanometer)

图8 显性溶剂效应下S-A·K在c通道旋光异构的氢迁移反应势能面Fig.8 Potential energy surface of hydrogen migration reaction of S-A·K optically isomerized in channel c under the effect of explicit solvent

第3基元反应： 5个水分子直接与S-I2c的14K配位，又有2个水分子与5个水分子氢键作用，形成S-I2c←5H2O·2H2O.二聚水再与6N和13H氢键作用，形成中间体反应物S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2m.S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2m经过渡态T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m，13H、38H和40H协同非同步迁移，实现了α-H从1C向6N的净迁移，异构成中间体产物I3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m.IRC路径计算表明，T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m是前过渡态.从S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2m到T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m，1C—13H从0.109 5 nm拉伸至0.156 8 nm断裂，36O—38H从0.097 3 nm拉伸至0.099 6 nm，39O—40H键长从0.098 7 nm拉伸至0.099 3 nm；二面角6N—1C—4C—9C从126.6°变为159.6°；36O—28H间的强氢键断裂，21O—26H之间的强氢键变为弱氢键，这些变化使T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m产生了141.5 kJ·mol-1的内禀能垒.该能垒与T3c产生的能垒241.7 kJ·mol-1相比较显著降低，说明水分子(簇)对此基元反应起了很好的催化作用.T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m产生的能垒与水液相下丙氨酸旋光异构过程在此基元反应的内禀能垒(约110.0 kJ·mol-1[10])相比较显著增加，说明K+的配位对此基元反应有负催化作用.原因是从S-I2c←5H2O·2H2O·(H2O)2m到T3c←5H2O·2H2O·(H2O)2m的过程，氢键网络体系部分被破坏需要一定的能量.

第4基元反应：相似于第3基元，I3c的14K与5个水分子簇配位，2个水分子与其中的3个水分子氢键作用，形成I3c←5H2O·2H2O.二聚水再与6N和1C氢键作用，形成中间体反应物I3c←5H2O·2H2O·(H2O)2n.I3c←5H2O·2H2O·(H2O)2n经过渡态T4c←5H2O·2H2O·(H2O)2n，7H、39H和36H协同非同步迁移，实现了H从6N向1C的净迁移，异构成中间体产物R-I4c←5H2O·2H2O·(H2O)2n.从I3c←5H2O·2H2O·(H2O)2n到T4c←5H2O·2H2O·(H2O)2n，6N—7H和36O—38H分别从0.103 9和0.097 5 nm大幅拉伸断裂，37O—36H键长从0.097 0 nm拉伸至0.111 6 nm，这些变化使T4c←5H2O·2H2O·(H2O)2n产生了70.5 kJ·mol-1的内禀能垒.该能垒不是很高的原因同于a通道的第2基元，不再赘述.

从图6和图8可以看到，水液相下的水分子(簇)作用使S-A·K旋光异构反应通道孰优孰劣变得不明显，在误差允许的范围内，S-A·K在a、b和c通道上旋光异构的决速步能垒大约在140.0 kJ·mol-1左右(或者说在136.6至142.0 kJ·mol-1之间).140.0 kJ·mol-1的能垒只能极缓慢地越过[26]，说明水液相下S-A·K的旋光异构反应进行得极缓慢.因此在生命体内α-丙氨酸的一价钾盐只能微量地消旋，α-丙氨酸钾用于生命体同补K+和丙氨酸具有较好的安全性.

3 结 论

在SMD/M06-2X/6-311++G(3df, 2pd)∥SMD/M06-2X/6-311+G(d, p)双水平，对水液相下两性S-α-Ala与K+配合物S-α-Ala·K+的旋光异构进行研究，得到如下结论：

1)S-α-Ala·K+的旋光异构可在质子以羰基O为桥、羰基O和氨基N联合为桥、氨基N为桥迁移3个通道a、b、c实现.反应物以两性的S-A·K和中性的S-I1b(c)两种构象共存，S-A·K的分布占绝对优势.

2) 隐性水溶剂效应下，S-α-Ala·K+在c通道的旋光异构具有优势，决速步能垒是241.7 kJ·mol-1，来自于α-H从α-C向氨基N迁移的过渡态；a和b通道处于劣势，决速步能垒是261.3 kJ·mol-1，来自于α-H从α-C向羰基O迁移的过渡态.

3) 显性水溶剂效应下，S-α-Ala·K+在各个反应通道旋光异构的决速步能垒基本相同，大约在136.6至142.0 kJ·mol-1之间.

结果表明： 水液相下S-α-Ala·K+旋光异构反应进行得极其缓慢，在生命体内S-α-Ala·K+用于K+和丙氨酸同补具有较好的安全性.