气相α-丙氨酸钴(Ⅱ)的旋光异构机理和水分子(簇)的作用及水溶剂效应

毛杰伟，佟 华,，徐亚华，刘 芳，杨清荟，雷泽平，张雪娇，王佐成,

(1. 白城师范学院 物理学院，吉林 白城 137000； 2. 白城师范学院 理论计算中心，吉林 白城 137000;3. 白城市中心医院 心血管内科，吉林 白城 137000)

α-Ala是结构最简单的手性氨基酸，有S-α-Ala和R-α-Ala两种构型，根据旋光性分为左旋体(L-α-Ala)和右旋体(D-α-Ala)。α-Ala是生物体内的重要配体，其金属离子配合物也具有手性。不同旋光性的α-Ala作用不同，L-α-Ala在生命体内是蛋白质的重要成分，D-α-Ala在生命体内有微量存在，有清除细胞毒性及促进细菌孢子代谢的作用，但过量的D-α-Ala会对健康不利[1-2]。

钴是生物体必需的微量金属元素，它对造血过程、氨基酸代谢、防治甲状腺肿大均有积极作用，钴缺乏会导致老年痴呆和贫血等疾病[3]。人体不能自己合成钴，通常情况下可以通过饮食摄取，若生命体高度缺钴，需通过药物补钴。利用无机钴盐补钴会使生命体在短时间内钴含量迅速增加，对生命体产生毒副作用，利用其氨基酸盐补充钴，可以达到缓慢释放钴又补充必需氨基酸的目的。氨基酸Co(Ⅱ)配合物作为模型化合物来研究天然氧载体的载氧、贮氧过程及载氧机理，具有载氧活性好、可逆载氧周期长的优点[4]。

手性分子的劣构体在生命体内或者无用，或者会产生消极的作用，因此，对氨基酸金属配合物旋光异构的研究具有重要意义。基于此，学者们对氨基酸金属配合物的旋光异构做了大量的工作，文献[5-10]的密度泛函理论研究表明，气相的α-Ala与Cu2+、Na+、Zn2+等金属离子的配合物通常很难消旋。文献[11]和[12]的密度泛函理论研究表明，α-Ala与Fe2+和Mg2+离子的配合物在气相也难以消旋，水分子(簇)的作用下只能使它们痕量地消旋。

研究气相体系，获知气相下体系的变化规律，可为进一步研究体系在复杂环境下的行为奠定基础[13-14]。目前，对α-Ala与Co2+配合物的研究主要集中在催化性能和氧合性能上[15-16]，对其旋光异构的研究未见报道。基于此，考虑到大气中有丰富的水分子[17]以水分子(簇)形式存在[18]，与其他分子形成氢键网络[19]；在生命体内普遍存在水溶剂，为揭示在水汽环境下存储和在生命体同补丙氨酸和二价钴是否安全。结合文献[5-12]的研究经验，本工作研究了气相下α-丙氨酸Co2+的旋光异构机理、水分子(簇)的催化作用及水溶剂效应。

1 研究与计算方法

采用处理过渡金属和弱作用体系能量有较高精度的杂化泛函M06方法[20]，在SDD/6-311+G(d,p)基组(配体元素采用6-311+G(d,p)基组，考虑到相对论效应，Co2+采用有效核势赝势基组SDD)水平优化反应过程中4重态(计算表明本研究体系在可能的自旋态2、4和6中，4重态最稳定)势能面上的驻点结构(自由能热校正在1个标准大气压，298.15 K温度下)；通过对过渡态[21]的IRC(内禀反应坐标)计算[22]和分析，确认其可靠性。为计算出精确的反应过程势能面并考虑到计算成本，采用MN15[23]泛函，在SDD/6-311++G(2df,pd)基组下计算驻点的单点能。水溶剂效应的构象和单点能结合SMD[24]模型方法计算。驻点的总自由能是自由能热校正和单点能之和，势能曲线的零点为该曲线上各驻点的相对势能零点。两性S-型α-丙氨酸S-α-Ala_1与Co2+的配合物S-α-Ala_1·Co2+记作S-A·Co_1，其在b通道异构得到的第2个无手性过渡态记作T2_1b，第2个R型中间体记作R-I2_1b，中性S-型α-丙氨酸S-A·Co_2在a通道异构得到的S-A·Co_1记作S-A·Co_1_2a，a和b通道共用的第1个没有手性的过渡态记作T1_1a(b)；4个H2O与S-A·Co_1的Co2+配位，同时2聚水与S-A·Co_1氢键作用得到的复合物记作S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2；水液相下的S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m记作S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m@W，其他体系表示法相似。计算工作采用Gaussian16程序[25]。

2 结果与讨论

计算结果表明丙氨酸二价钴螯合物存在两种稳定构象，一是两性Ala分子的羧基氧与Co2+双齿配位，二是中性Ala分子的氨基氮和羧基氧与Co2+双齿配位。优化得到的两对配合物手性对映体见图1，计算结果表明，S-A·Co_1相对于S-A·Co_2的吉布斯自由能是-20.8 kJ·mol-1，前者更稳定。首先讨论S-A·Co_1和S-A·Co_2单分子的旋光异构，然后讨论水分子(簇)作用下它们的异构。

图1 Ala和Co2+配合物分子手性对映体的几何构型Fig.1 Geometric conformation of Ala and Co2+ complex molecule chiral enantiomer

2.1 单分子丙氨酸二价钴的旋光异构

2.1.1S-A·Co_1的旋光异构

S-A·Co_1的旋光异构反应有2个通道a和b，反应历程及过渡态矢量见图2，反应的吉布斯自由能势能剖面见图3的_1线。

图2 S-A·Co_1旋光异构反应的历程(键长单位： 纳米)Fig.2 Reaction process of S-A·Co_1 optical isomerism(Bond length unit： nm)

图3 S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光异构反应的自由能势能面Fig.3 The free energy potential surfaces of S-A·Co_1 and S-A·Co_2 optical isomerism

第1基元(公用的基元反应)。反应物配合物S-A·Co_1，经质子迁移的过渡态T1_1a(b)，9H沿过渡态矢量的负向从1C迁移到羰基氧8O，构型异构，形成第一中间体配合物I1_1a(b)。从S-A·Co_1到T1_1a(b)过程，碳氢键断裂，1C—9H键从0.109 8拉伸至0.159 6 nm；骨架形变，二面角2N—1C—10C—6C从121.8°增加到145.0°；6C—1C内键旋转，二面角7O—6C—1C—2N从2.5°变为-52.6°，这些变化使T1_1a(b)产生了271.7 kJ·mol-1的内禀能垒。从图4可以看出，I1_1a(b)的构象很稳定，相对于S-A·Co_1的能量只有5.9 kJ·mol-1，原因是I1_1a(b)的骨架原子以及5H、9H和13H共面，形成了超共轭大π键。

接下来的反应历程分为a和b两个分通道：

1) a通道专属的反应

第2基元。I1_1a(b)经9H在纸面里从8O向1C迁移的过渡态T2_1a，构型异构，形成R-型产物配合物R-A·Co_1a，S-A_1实现了旋光异构。从I1_1a(b)到T2_1a过程，8O—9H键从0.098 0拉伸至0.123 0 nm断裂；6C—1C内键旋转，二面角7O—6C—1C—2N从0.0°变为52.6°。这些变化使T2_1a产生了265.8 kJ·mol-1的内禀能垒。

纵观S-A·Co_1在a通道的驻点构象和势能面可以看出，S-A·Co_1手性对映体转变的所有驻点构象及各个驻点的能量关于I1_1a(b)对称。

2) b通道专属的反应

第2基元。I1_1a(b)经过渡态T2_1b，8H在纸面里沿过渡态矢量的正向从氨基N迁移到1C，构型异构，形成R-型中间体配合物R-I2_1b，S-A·Co_1在b通道实现旋光异构。从I1_1a(b)到T2_1b过程，2N—4H键从0.103 4拉伸至0.137 3 nm断裂，T2b_1产生了233.4 kJ·mol-1的内禀能垒。

第3基元。R-I2b_1经1C—2N键内旋转的过渡态R-T3_1b，氨基俯视顺时针旋转，构象异构，形成中间体配合物R-I3_1b。从R-I2b_1到R-T3_1b过程，化学键内旋转，二面角5H—2N—1C—6C从-14.7°增加到-155.7°；5H和7O之间中等强度的氢键断裂，这些变化使R-T3_1b产生了18.2 kJ·mol-1的内禀能垒。

第4基元。R-I3_1b经6C—1C内旋转、1C—2N键内旋转、9H从8O向2N迁移协同进行的过渡态R-T4_1b，6C—1C右视逆时针旋转，1C—2N俯视逆时针旋转，9H从8O迁移到2N，异构成两性丙氨酸与钴的单齿配合物R-I4_1b。从R-I3_1b到R-T4_1b过程，6C—1C内旋转47.5°，1C—2N内旋转14.8°，化学键内旋转所需能量较小，R-T4_1b产生的内禀能垒是16.3 kJ·mol-1。IRC计算表明，R-T4_1b靠近反应物R-I3_1b，是早期过渡态。

第5基元。R-I4_1b经6C—7O—14Co键剪式运动的过渡态R-T5_1b，构象异构，异构成最稳定的产物配合物R-A·Co_1b。结构分析表明，R-A·Co_1b与S-A·Co_1镜像对称，至此S-A·Co_1在b通道实现了手性对映体转变。从R-I4_1b到R-T5_1b过程，6C—7O—14Co键角从145.8°缩小到114.9°，R-T5_1b产生的内禀能垒是13.7 kJ·mol-1。

2.1.2S-A·Co_2的旋光异构

S-A·Co_2的旋光异构反应有2个通道a和b，反应历程及过渡态矢量见图4，反应的吉布斯自由能势能剖面见图3的_2线。

图4 S-A·Co_2旋光异构反应的历程(键长单位： 纳米)Fig.4 Reaction process of S-A·Co_2 optical isomerism(Bond length unit： nanometer)

1) a通道

第1基元。S-A·Co_2经7O—5C内旋转的过渡态S-T1m_2a或S-T1n_2a，异构成中间体S-I1_2a。从S-A·Co_2到S-T1m_2a，二面角8H—7O—5C—6O从0.9°增加到107.5°，7O—5C仰视逆时针旋转106.6°，化学键内旋转所需能量不多，但此过程还需克服9H的空间位阻，使得S-T1m_2a产生了48.5 kJ·mol-1的内禀能垒。相似的S-T1n_2a产生的内禀能垒是48.6 kJ·mol-1。

第2基元。S-I1_2a经螯合环打开和5C—1C右视顺时针内旋转协同进行的过渡态S-T2_2a，异构成S-I2_2a。从S-I1_2a到S-T2_2a过程，14Co—2N断裂，5C—1C旋转33.1°，S-T2_2a产生了82.5 kJ·mol-1的内禀能垒。

第3基元。S-I2_2a经5C—1C内旋转、2N—1C内旋转及8H从7O向2N迁移协同非同步进行的过渡态S-T3_2a，异构成S-I3_2a。从S-I2_2a到S-T3_2a过程，5C—1C右视顺时针内旋转，二面角7O—5C—1C—2N从106.3°变为61.6°；2N—1C俯视顺时针内旋转，二面角3H—2N—1C—5C从-93.0°变为-113.2°，这些变化使S-T3_2a产生了11.1 kJ·mol-1的内禀能垒。IRC计算表明，S-T3_2a靠近反应物S-I2_2a，是前期过渡态。

第4基元。相似于2.1.1节b通道的第5基元，S-I3_2a经5C—6O—14Co键剪式运动的过渡态S-T4_2a，异构成两性丙氨酸与钴的配合物S-A·Co_1_2a，S-T4_2a产生的内禀能垒是12.8 kJ·mol-1。

结构分析表明，S-A·Co_1_2a与S-A·Co_1全同。S-A·Co_1_2a接下来的异构亦即S-A·Co_1的异构，见2.1.1节，不再赘述。

2) b通道

第1基元，S-A·Co_2经过渡态S-T1_2b，8H从7O迁移到6O，异构成第一中间体配合物S-I1_2b。从S-A·Co_2到S-T1_2b，7O—8H键长从0.099 1 nm拉伸至0.140 6 nm断裂，S-T1_2b产生了242.7 kJ·mol-1的内禀能垒。

第2基元，S-I1_2b经9H从1C向7O迁移的过渡态T2_2b，异构成第二中间体配合物I2_2b。从S-I1_2b到T2_2b过程，1C-9H键长从0.110 0 nm拉伸至0.154 8 nm断裂，骨架二面角2N—1C—10C—5C从124.1°增加到142.9°，5C—1C右视顺时针内旋转71.4°，14Co—2N和14Co—6O两个配位键分别拉伸0.001 3和0.026 6 nm，这些变化需要较高的能量，T2_2b产生了264.1 kJ·mol-1的内禀能垒。

接下来I2_2b的异构分为b1和b2两个路径。

b1路径专属的基元反应：

第3基元，I2_2b经14Co在直面内外翻转(左视左右翻转)和2N—1C、10C—1C、7O—5O、6O—5O内旋转协同进行的过渡态，异构成与其镜像对称的中间体配合物I3_2b1。从I2_2b到T3_2b1过程，2N—1C俯视顺时针、10C—1C左视逆时针、7O—5O仰视逆时针、6O—5O俯视顺时针、5C—1C右视逆时针分别旋转了55.1°、17.9°、10.1°、15.8°和6.8°，14Co从纸面内翻转到纸面上(结构分析表明，T3_2b1的骨架原子及8H、9H、13H共面)，所有这些变化使S-T3_2b1产生了34.6 kJ·mol-1的内禀能垒。

第4基元，I3_2b1经与T2_2b镜像对称的过渡态T4_2b1，9H在纸面里侧从7O迁移到1C，异构成中间体配合物R-I4_2b1，至此S-A·Co_2实现旋光异构。从I3_2b1到T4_2b1，7O—9H键长从0.098 3 nm拉伸至0.138 4 nm断裂，T4_2b1产生的内禀能垒是284.1 kJ·mol-1。此基元的能垒高于第2基元的能垒，主要原因是I3_2b1的7O—9C键的红外伸缩振动频率369 3.7 cm-1比S-I1_2b的1C—9H键的红外伸缩振动频率306 8.0 cm-1大，I3_2b1的7O—9C比S-I1_2b的1C—9H键的钝化程度高。

第5基元，R-I4_2b1经过与S-I1_2b镜像对称的过渡态R-T5_2b1，8H从6O回迁到7O，异构成与S-A·Co_2镜像对称的产物配合物R-A·Co_2b1。至此，S-A·Co_2在b通道b1路径实现了手性对映体转变。从R-I4_2b1到R-T5_2b1过程，6O—8H键长从0.099 0 nm拉伸至0.130 8 nm断裂，R-T5_2b1产生的内禀能垒是171.8 kJ·mol-1。此基元的能垒比第一基元的能垒小很多，原因有2个，一是此基元比第一基元O—H键的拉伸幅度小，二是此基元的质子迁移是逆着偶极矩的方向，体系的电场力对质子迁移做正功，可以减少外部给于的能量。

S-A·Co_2在b通道b1路径旋光异构反应的驻点构象和驻点的能量关于T3_2b1对称！

b2路径专属的基元反应：

第3基元。I2_2b经11H在纸面内侧从5C向1C迁移的过渡态T3_2b2，异构成第3中间体配合物R-I3_2b2。从I2_2b到T3_2b2过程，10C—11H键长从0.109 8 nm拉伸至0.145 5 nm断裂，T3_2b2产生了187 kJ·mol-1的内禀能垒。

第4基元。R-I3_2b2经9H从7O向10C迁移的过渡态R-T4_2b2，异构成第4中间体配合物R-I4_2b2。从R-I3_2b2到R-T4_2b2过程，7O—9H键长从0.097 8 nm拉伸至0.125 4 nm断裂，5C—1C右视顺时针旋转了28.3°。这些变化使R-T4_2b2产生了104.3 kJ·mol-1的内禀能垒。结构分析表明，R-I4_2b2的构象全同于R-I4_2b1，R-I4_2b2按着R-I4_2b1的异构方式，异构到R-A·Co_2b1，记作R-A·Co_2b1(b2)，不再赘述。

从图3的_1线可以看出，S-A·Co_1旋光异构的两个通道具有相同的活化能(表观能垒)271.7 kJ·mol-1，来自于共同的第一过渡态T1_1a(b)。b通道的第2势垒比a通道的第2势垒低，b通道比a通道的旋光异构反应具有优势。从图3的_2线可以看出，S-A·Co_2在a通道上异构到S-A·Co_1后，再按S-A·Co_1的异构路径异构反应通道具有优势，活化能(表观能垒)是271.7-20.8=250.9 kJ·mol-1，来自于过渡态T1_1a(b)。综合_1和_2线可以看出，S-A·Co_1比S-A·Co_2稳定性好，S-A·Co_2向S-A·Co_1异构到活化能是112.4 kJ·mol-1，来自于螯合环打开的过渡态S-T2_2a。112.4 kJ·mol-1高于温和反应能垒80.0 kJ·mol-1[26]许多，说明，S-A·Co_2只能很缓慢地向S-A·Co_1异构。

2.2 水分子(簇)作用下S-A·Co的旋光异构及水溶剂效应

水汽环境下，首先水分子与Co配位，水分子簇作H迁移媒介时可以显著地改变反应能垒。从前面的讨论可知，S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光异构反应优势通道的活化能(表观能垒)均来自于过渡态T1_1a(b)，b通道的第2势垒由H迁移过渡态T2b_1产生。因此，为说明水分子(簇)作用下S-A·Co旋光异构的能垒情况以及a和b通道哪个更具有优势，本节讨论水分子(簇)作用下S-A·Co_1在a通道的旋光异构以及b通道的第二基元反应。

1)S-A·Co_1在a通道的旋光异构

水汽环境下水分子多以水簇的形式存在，水分子(簇)与14Co形成配位键，同时水分子簇与S-A·Co_1的氢、氧和氮等氢键作用。计算表明，水簇与14Co配位和单个水分子与14Co配位对反应能垒影响很小，2聚水和3聚水做质子转移媒介是质子转移的能垒相差很小。为使问题简便，只讨论单个水分子与14Co配位，2聚水做质子转移媒介的情况。Co2+最多是6配位，在S-A·Co_1中Co2+已与羰基的2个O配位，再有4个水分子与14Co配位，14Co便达到“满配”。如此得到的反应物复合物是S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m(m表示(H2O)2在纸面前与S-A·Co_1氢键作用)。水汽相及水液相下S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m旋光异构反应历程及过渡态矢量分别见图5和图6，反应的自由能势能面见图7(第100页)，@W曲线表示水溶剂效应下反应的自由能势能面。

图5 水分子(簇)作用下S-A·Co_1旋光异构的主要历程Fig.5 The main reaction process of S-A·Co_1 optical isomerism with the effect of water molecules(clusters)

图6 显性水溶剂效应下S-A·Co_1旋光异构的主要历程Fig.6 The main reaction process of S-A·Co_1 optical isomerism under dominant water solvent effect

第1基元，S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m经3质子协同迁移的过渡态T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m，实现了质子从1C向8O的净迁移，异构成中间体I1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m。从S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m到T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m过程，1C—9H、27O—29H和30O—32H键长从0.109 5、0.100 4和0.099 7 nm分别拉伸至0.143 7、0.143 8和0.109 6 nm 断裂；骨架二面角2N—1C—10C—6C从120.0°变为122.8°。这些变化使T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m产生了150.1 kJ·mol-1的内禀能垒。此能垒远低于T1_1a(b)产生的内禀能垒271.7 kJ·mol-1，说明水分子(簇)对此基元反应起了极好的催化作用。原因是T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m的氢键角1C—9H—27O、27O—29H—30O和30O—32H—8O分别是165.7°、159.1°和158.1°，3个氢键较强，八元环结构过渡态T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m的稳定性较好。

图7 水分子(簇)及水溶剂作用下S-A·Co_1旋光异构主要历程的自由能势能面Fig.7 Potential energy surface of free energy of S-A·Co_1 optical isomerism in main reaction process with the effect of water molecules(clusters) and wate solvent

水溶剂效应计算表明，水液相下T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m产生的内禀能垒是119.5 kJ·mol-1。与水汽相下T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m产生的内禀能垒150.1 kJ·mol-1相比明显降低，水溶剂起了催化作用。原因有2个，一是T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m的偶极矩(4.01 D)比S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m的偶极矩(1.13 D)大很多，极性水溶剂的作用使T1_1a(b)←4H2O·(H2O)2m变得相对稳定；二是水溶剂的作用使S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m_W比S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m的α-C—H键长增加(从0.109 5 nm增加到0.109 6 nm，见图5和图6)，红外振动频率降低(从3 132.6 cm-1降到3 009.8 cm-1)，α-C—H键被活化。

第2基元，中间体反应物I1_1a←4H2O·(H2O)2n(n表示(H2O)2在I2_1a(b)的后面)经过渡态T2_1a←4H2O·(H2O)2n，质子在纸面里从8O向1C净迁移，异构成R-型产物R-A·Co_1a←4H2O·(H2O)2n，S-A·Co_1←4H2O·(H2O)2m实现旋光异构。从I1_1a←4H2O·(H2O)2n到T2_1a←4H2O·(H2O)2n过程，8O—9H、30O—31H和27O—29H键长从0.102 9、0.099 6和0.098 0 nm分别拉伸至0.133 0、0.105 7和0.119 0 nm断裂，3个化学键的拉伸断裂需要一定的能量。但由于T2_1a←4H2O·(H2O)2n的氢键角8O—9H—30O、30O—31H—27O和27O—29H—1C分别是158.1°、159.1°和165.7°，3个氢键较强，八元环结构的过渡态T2_1a(b)←6H2O·(H2O)2m较稳定；从I1_1a←4H2O·(H2O)2n到T2_1a←4H2O·(H2O)2n过程，骨架二面角2N—1C—6C—10C从176.9°变为131.6°，1C从sp2杂化向sp3杂化过渡，体系要释放些能量。T2_1a←4H2O·(H2O)2n产生的内禀能垒不是很高，能垒值是39.6 kJ·mol-1。这远低于前面T2_1a产生的内禀能垒，说明水分子(簇)对此基元反应起了极好的催化作用。

水溶剂化效应计算表明，水液相下T2_1a←4H2O·(H2O)2n产生的内禀能垒是24.2 kJ·mol-1。与水汽相下T2_1a←4H2O·(H2O)2n产生的内禀能垒39.6 kJ·mol-1相比较明显降低，水溶剂起了催化作用。原因是相似于第1基元的情形，不再赘述。

2)S-A·Co_1在b通道的第二基元反应

考虑到T2_1b和R-I2_1b是Co与羧基O是1配位以及Co2+最多是6配位，T2_1b的Co再与5个水分子与配位，Co达到“满配”，再考2聚水做H迁移媒介，如此得到的中间体反应物复合物应是I1_1b←5H2O·(H2O)2n。I1_1b←5H2O·(H2O)2n的异构历程及过渡态矢量，见图5的第3行，反应的自由能势能面，见图6的b线，@W曲线表示水溶剂效应下反应的自由能势能面。

I1_1b←5H2O·(H2O)2n经过渡态T2_1b←5H2O·(H2O)2n，实现质子在纸面里从2N向1C的净迁移，异构成R-型中间体产物R-I2_1b←5H2O·(H2O)2n，S-A·Co_1在b通道实现旋光异构。从I1_1b←5H2O·(H2O)2n到T2_1b←5H2O·(H2O)2n过程，2N—4H、34O—33H和31O—30H键长从0.105 1、0.099 2和0.098 0 nm分别拉伸至0.118 1、0.125 1和0.146 8 nm断裂，T2_1b←5H2O·(H2O)2n产生的能垒是103.0 kJ·mol-1。这远低于前面T2_1b产生的能垒，说明水分子(簇)对此基元反应起了极好的催化作用，原因相似于前面讨论的水汽环境下S-A·Co_1在a通道的第二基元反应，不再赘述。

水溶剂效应计算表明，水液相下T2_1b←5H2O·(H2O)2n产生能垒是67.9 kJ·mol-1。比水汽相T2_1b←5H2O·(H2O)2n产生的能垒103.0 kJ·mol-1明显降低，水溶剂起了显著的催化作用。原因之一是T2_1b←5H2O·(H2O)2n的偶极矩(20.50 D)比I1_1b←5H2O·(H2O)2n的偶极矩(4.36 D)大，水溶剂的作用使T2_1b←5H2O·(H2O)2n变得相对稳定；二是从I1_1b←5H2O·(H2O)2n_W到T2_1b←5H2O·(H2O)2n_W比从I1_1b←5H2O·(H2O)2n到T2_1b←5H2O·(H2O)2n对应的化学键拉伸显著变小。

从图7可以看出，水分子(簇)作用下S-A·Co_1旋光异构反应的活化能(气相的表观能垒)是150.1 kJ·mol-1；考虑到第2基元反应，a通道比b通道略具优势。结合图4可以看出，水分子(簇)作用下S-A·Co_2旋光异构反应优势通道的活化能是129.3 kJ·mol-1(150.1-20.8=129.3 kJ·mol-1)。129.3 kJ·mol-1高于温和反应能垒80.0 kJ·mol-1[26]许多，说明水汽环境下S-A·Co_2消旋很缓慢。150.1 kJ·mol-1接近极限反应能垒160.0 kJ·mol-1[26]，说明水汽环境下S-A·Co_1只能痕量或微量地消旋。从图7的@W曲线，结合水液相下反应的活化能是决速步的内禀能垒可以看出，水液相下S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光异构反应的活化能都是119.5 kJ·mol-1。119.5 kJ·mol-1在温和反应能垒80.0 kJ·mol-1[26]和极限反应能垒160.0 kJ·mol-1[26]之间，说明水液相下S-A·Co2+消旋可以缓慢进行。

3 结 论

在MN15/SDD/6-311++G(2df,pd)//M06/SDD/6-311+G(d,p)双水平，研究了Co2+与两性及中性α-Ala配合物的旋光异构及水分子(簇)的作用，得到如下结论：

1)S-A·Co_1旋光异构反应的活化能是271.7 kJ·mol-1，S-α-Ala_2·Co2+旋光异构反应的活化能是250.9 kJ·mol-1，均来自于S-A·Co_1的α-H从手性C向氨基N迁移的过渡态。

2) 水分子(簇)的催化使S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光异构反应的活化能分别降到150.1和129.3 kJ·mol-1，水溶剂效应使S-A·Co_1和S-A·Co_2旋光异构反应的活化能降到119.5 kJ·mol-1。

3)S-A·Co_2可以缓慢地向S-A·Co_1异构，S-A·Co_1比S-A·Co_2的稳定性好，分布高。

结果表明： 气相丙氨酸二价钴不能消旋，水汽环境下只能微量或痕量地消旋，水液相下只能少量地消旋，用于生命体同补丙氨酸和二价钴比较安全。