水液相下α-丙氨酸Co（Ⅱ）旋光异构的密度泛函理论研究

彭国强，刘 芳，张雪娇，雷泽平，郝成欣，佟 华，丛建民，，3†，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. 白城师范学院理论计算中心，吉林白城137000；3. 白城师范学院生命科学学院，吉林 白城137000

0 引 言

α-丙氨酸（α-Ala）是结构最简单的手性氨基酸，按构型分为S-α-Ala 和R-α-Ala，按其使平面偏振光振动面旋转的情况可分为左旋体（L-α-Ala）和右旋体（D-α-Ala）。α-Ala 的手性特征导致其金属离子配合物也具有手性。生命体内的α-Ala 多以左旋体存在，具有生物活性，也有微量右旋体存在，具有清除细胞毒性及促进细菌孢子代谢的作用，右旋体过量对健康不利［1，2］。

钴（cobalt，Co）是生物体必需的微量元素，对氨基酸代谢和造血有重要作用。钴缺乏可诱发老年痴呆等疾病［3］。生命体通常可以通过饮食摄取钴，但若严重缺乏，则需利用药物补充。利用无机钴盐补钴会导致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。而利用氨基酸盐补钴不但具有可缓慢释放金属离子的优点，还可补充氨基酸［4］。由于氨基酸金属配合物具有手性，临床使用氨基酸盐补充金属离子是否安全成为科研工作者重要的课题。目前，氨基酸金属配合物的旋光异构已有大量报道。文献［5～10］基于密度泛函（DFT）理论研究了气相α-Ala 与Cu2+和Ca2+等配合物以及脯氨酸Ca2+的旋光异构，结果表明这些氨基酸金属配合物在气相下很难消旋，氨基酸金属配合物在气固相可安全地保存。由于生命体内的氨基酸金属配合物处在水环境，文献［11～15］基于DFT 理论研究了水液相下α-Ala 与Ca2+、Zn2+、Fe2+和Mg2+以及脯氨酸与Ca2+配合物的旋光异构，结果表明水液相下这些氨基酸金属配合物只能极少量地消旋，说明了生命体同补α-Ala 和锌、钙、镁和铁以及同补脯氨酸和钙的安全性。

水液相下α-Ala 与Co2+配合物的旋光异构尚未见报道。本文研究了水液相下α-Ala与Co2+的配合物的旋光异构机理，从理论上探讨了使用丙氨酸钴（Ⅱ）为生命体同时补充α-Ala 与Co2+的安全性。

1 计算方法及模型选取

采用处理过渡金属和弱作用有较高精度的杂化泛函M06 方法［16］，结合处理溶剂效应有较好表现的SMD［17］模型方法，配体元素采用6-311+G（d，p）基组，考虑到相对论效应，Co2+采用SDD 赝势基组，优化反应过程的四重态（计算表明本研究体系在四重态最稳定）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）；通过对反应过渡态［18］虚频振动模式的分析及IRC（内禀反应坐标）计算［19］，确认过渡态的可靠性。为计算出相对精确的反应过程势能面，兼顾计算成本，采用杂化泛函MN15［20］方法。配 体 元 素采用6-311++G（2df，pd）高角动量基组，计算驻点的单点能。驻点的总自由能是自由能热校正和单点能之和，势能曲线的零势点为该曲线上各个驻点的相对势能零点。

α-Ala 在气相和水液相下分别是中性和两性较稳定［21，22］，故配合物S-α-Ala·Co2+的α-Ala 也有中性和两性两种情形。两性S-α-Ala 与Co2+的配合物记作S-A·Co_1，其在a 和b 通道异构得到的第3 个无手性过渡态记作T3_1a（b），在a 通道异构得到的手性 对 映 体 产物记 作S-A·Co_1a；中 性S-α-Ala 与Co2+的配合物记作S-A·Co_2，在a 通道异构得到的S-A·Co_1 记 作S-A·Co_1_2a；S-I2_1a（b）中 的Co2+与5 个H2O 配位，再与二聚水氢键作用的络合物记作S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2，其 他 体 系 表 示 法 相似。络合物结构图上的虚线表示氢键作用。计算工作采用Gaussian16 程序［23］。

2 结果与讨论

计算表明，水液相下两性Ala 分子的羧基下部的氧与Co2+单齿配位的构象最稳定，中性Ala 分子的氨基氮和羧基氧与Co2+双齿配位的构象最稳定。优化得到的水液相下两对配合物的手性对映体见图1。

图1 α-Ala 和Co2+的两性和中性配合物分子手性对映体的几何构型Fig.1 Geometric conformation of the molecule chiral enantiomer of α-Ala and Co2+ amphoteric and neutral complexes

文献［11～15］的研究表明，非氢转移反应，水分子（簇）与反应物作用（氢键作用及配位作用）对反应能垒影响较小，考虑隐性水溶剂效应即可说明相关的反应机制。氢迁移反应，水分子（簇）作氢转移媒介以及水分子与Co2+配位会显著改变反应能垒，研究氢迁移反应需同时考虑溶剂极性和水分子（簇）的共同作用，即显性水溶剂效应。为清晰地呈现水液相下丙氨酸钴（Ⅱ）配合物旋光异构的历程以及水分子（簇）所起的作用，本文先讨论隐性水溶剂效应下S-A·Co 的旋光异构，然后再讨论显性水溶剂效应下S-A·Co 旋光异构过程中的氢迁移反应。

2.1 隐性水溶剂效应下S-A·Co 配合物的旋光异构

2.1.1S-A·Co_1 的旋光异构

S-A·Co_1 可在4 个通道a、b、c 和d 实现旋光异构，反应历程见图2，反应的自由能势能面见图3。

图2 隐性水溶剂效应下S-A·Co_1 旋光异构的反应历程Fig.2 Reaction process of S-A·Co_1 optical isomerism under the effect of recessive water solvent

图3 隐性水溶剂效应下S-A·Co_1 旋光异构反应的自由能势能面Fig.3 The free energy potential surface of S-A·Co_1 optical isomerism reaction under the effect of recessive water solvent

2.1.1.1 a 和b 通 道

第1基元反应（a和b通道共用）：反应物S-A·Co_1经6C—8O—14Co 剪式运动的过渡态S-T1_1a（b），14Co 向羧基中部摆动，异构成中间体S-I1_1a（b）。从S-A·Co_1 到S-T1_1a（b），键角6C—8O—14Co 从115.5°减小至95.7°，改变键角所需能量很少，ST1_1a（b）产生的内禀能垒仅10.8 kJ/mol。

第2基元反应（a和b通道共用）：S-I1_1a（b）经6C—7O—14Co 剪式运动的过 渡态S-T2_1a（b），14Co 向羧基上部摆动，异构成中间体S-I2_1a（b）。从S-I1_1a（b）到S-T2_1a（b），键 角6C—7O—14Co 从89.4°增 加 至112.1°，S-T2_1a（b）产生的内禀能垒仅1.4 kJ/mol。

第3基元反应（a和b通道共用）：中间体S-I2_1a（b）经过渡态T3_1a（b），9H 从1C 迁移至8O，异构成中间体I3_1a（b）。从S-I2_1a（b）到T3_1a（b），1C—9H 键 长 从0.109 2 nm 拉伸至0.156 0 nm，碳氢键断裂；6C—8O 键长从0.125 7 nm 拉伸至0.135 2 nm，骨架二面角2N—1C—10C—6C 从121.3°增加至127.3°；6C—1C 键右视顺时针内旋转18.8°。这些变化使T3_1a（b）产生了283.1 kJ/mol 的内禀能垒。

接下来的反应历程分为a 和b 两个分通道。

1）a 通道专属反应第4 基元反应：I3_1a（b）经过渡态T4_1a，9H 在纸面内侧从8O 迁移1C，异构成R-型中间体R-I4_1a，S-A·Co_1 实现了旋光异构。从I3_1a（b）到T4_1a，8O—9H 键 从0.097 9 nm 拉 伸 至0.120 7 nm，断裂；6C—1C 右视顺时针内旋转27.8°。这些变化使T4_1a产生了198.9 kJ/mol 的内禀能垒。该能垒远小于T3_1a（b）产生的内禀能垒（283.1 kJ/mol），原因是从I3_1a（b）到T4_1a，8O—9H键的拉伸幅度小，且此过程α-碳从空配向满配（即从sp2杂化向sp3杂化）过渡时释放了能量。

第5 基元反应：R-I4_1a经6C—7O—14Co 剪式运动的过渡态R-T5_1a，14Co 向羧基中部摆动，构象异构成双齿的中间体配合物R-I5_1a。从R-I4_1a到R-T5_1a过程，键角6C—7O—14Co 从112.1°减小至89.4°，R-T5_1a产生的内禀能垒为6.2 kJ/mol。

第6 基元反应：R-I5_1a经6C—8O—14Co 剪式运动的过渡态R-T6_1a，14Co 向羧基底部摆动，异构成与S-A·Co_1 镜像对称的产物R-A·Co_1a，S-A·Co_1 在a 通道实现了手性对映体转变。从R-I5_1a到R-T6_1a，键 角6C—8O—14Co 从95.7° 增 至115.5°，R-T6_1a产生的内禀能垒为3.1 kJ/mol。

纵观S-A·Co_1 在a 通道的驻点构象和势能面，所有驻点构象及能量关于I3_1a（b）对称。

2）b 通 道 专 属 反 应 第4 基 元 反 应：I3_1a（b）经 过渡态T4_1b，4H 在纸面内从2N 迁移至1C，异构成R-型中间体R-I4_1b，S-A·Co_1 在b 通道实现旋光异构。从I3_1a（b）到T4_1b，2N—4H 键从0.102 9 nm拉伸至0.132 3 nm，2N—1C 键从0.142 9 nm 拉伸至0.152 7 nm。这些变化使T4b_1 产生了208.4 kJ/mol 的内禀能垒。

第5 基 元 反 应：R-I4_1b经氨基上的3H 和5H 左右翻转的过渡态R-T5_1b，3H 和5H 从右侧翻转到左侧，形成中间体R-I5_1b。从R-I4_1b到R-T5_1b，二面角1C—2N—3H—5H 从131.6°增加至-170.2°，此二面角的变化所需能量很小，R-T5_1b仅产生3.9 kJ/mol 的内禀能垒。

第6 基元反应：R-I5_1b经过渡态R-T6_1b，6C—1C 右视逆时针内旋转、2N—1C 俯视逆时针内旋转以及9H 从8O 向2N 迁移协同非同步进行，异构成R-A·Co_1b，S-A·Co_1 在b 通道实现了手性对映体转变。 从R-I5_1b 到R-T6_1b，6C—1C 内旋转87.3°，1C—2N 内旋转50.1°，化学键内旋转所需能量很小，R-T6_1b产生的内禀能垒仅4.1 kJ/mol。

2.1.1.2 c 和d 通 道

第1 基元反应（c 和d 通道共用）：反应物S-A·Co_1 经过渡态T1_1c（d），9H 从1C 迁移至7O，异构成中 间 体I1_1c（d）。从S-A·Co_1 到T1_1c（d），1C—9H键从0.109 2 nm 拉伸至0.161 0 nm，断裂，6C—7O键从0.125 9 nm 拉伸至0.135 3 nm，8O—14Co 键从0.189 9 nm 拉伸至0.200 7 nm；二面角2N—1C—10C—6C 从120.0°增至125.3°；6C—1C 右视逆时针内 旋 转94.1°。这 些 变 化 使T1_1c（d）产 生 了295.8 kJ/mol 的内禀能垒。接下来的反应历程分为c 和d两个分通道。

1）c 通道专属反应第2 基元反应：I1_1c（d）经过渡态T2_1c，9H 从纸面外侧到翻转到纸面内侧，异构成中间体I2_1c。从I1_1c（d）到T2_1c，7O—6C 俯视逆时针内旋转17.8°，8O—6C 仰视顺时针内旋转21.1°，化学键小角度的内旋转所需能量很小，T2_1c产生的内禀能垒仅1.3 kJ/mol。

第3 基元反应：I2_1c经过渡态T3_1c，9H 在纸面内侧从7O 迁移至1C，异构产物R-A·Co_1c，S-A·Co_1在c通道完成旋光异构。从I2_1c到T3_1c，7O—9H 键从0.098 1 nm 拉伸至0.118 3 nm，6C—1C 右视顺时针内旋转90.6°。这些变化使T3_1c产生了202.0 kJ/mol 的内禀能垒。

纵观c 通道的驻点构象和势能面，所有驻点构象及能量关于T2_1c对称。

2）d 通 道 专 属 反 应 第2 基 元 反 应：I1_1c（d）经 过渡态T2_1d，4H 在纸面内从2N 迁移至1C，异构成中间 体R-I2_1d，S-A·Co_1 在d 通 道 实现旋 光 异 构。从I1_1c（d）到T2_1d，2N—4H 键从0.103 0 nm 拉伸至0.132 3 nm，2N—1C 键从0.147 8 nm 拉伸至0.152 5 nm。这些变化使T2_1d产生了205.9 kJ/mol 的内禀能垒。

第3 基元反应：R-I2_1d经氨基上的3H 和5H 左右翻转的过渡态R-T3_1d，3H 和5H 从右侧翻转到左侧，异构成中间体R-I3_1d。此基元与b 通道的第5 基元 相 似，R-T3_1d产 生 了7.6 kJ/mol 的内禀能垒，不再赘述。

第4 基元反应：R-I3_1d经过渡态R-T4m_1d（或R-T4n_1d），7O—6C 右视顺（或逆）时针内旋转和9H 从7O 向2N 迁移协同非同步进行，异构成R-A·Co_1d，S-A·Co_1 在d 通道实现了手性对映体 转变。 从R-I3_1d到R-T4m_1d，7O—6C 内 旋 转89.5°，R-T4m_1d产 生 的 内 禀 能 垒 为42.0 kJ/mol。相似的R-T4n_1d产生的内禀能垒为41.9 kJ/mol，不再赘述。

结合图2 和图3 可知，α-Ala_1·Co2+在a 和b 通道的旋光异构具有优势，决速步是第3 基元反应，决速步能垒为283.1 kJ/mol，来自α-氢从α-碳向羧基下部的氧（8O）迁移的过渡态。从图3 还可看出，a通道第4 基元的能垒低于b 通道第4 基元的能垒，比较而言，在a 通道比b 通道略具优势。由于能垒小于40.0 kJ/mol 的反应可通过分子间的碰撞实现［24］，因此水液相下反应物应是S-A·Co_1、S-I1_1a（b）和SI2_1a（b）共 存，S-A·Co_1 分 布 最 高，S-I2_1a（b）次 之，S-I1_1a（b）分 布 最 少；产物是R-I4_1a、R-I5_1a和RA·Co_1a共存，R-A·Co_1a分布最高，R-I4_1a次之，R-I5_1a分布最少。

2.1.2S-A·Co_2 的旋光异构

S-A·Co_2 的旋光异构有2 个通道a 和b，反应历程见图4，反应的自由能势能面见图5。

图4 隐性水溶剂效应下S-A·Co_2 旋光异构的反应历程Fig.4 Reaction process of S-A·Co_2 optical isomerism under the effect of recessive water solvent

图5 隐性水溶剂效应下S-A·Co_2 旋光异构反应的自由能势能面Fig.5 The free energy potential surface of S-A·Co_2 optical isomerism reaction under the effect of recessive water solvent

2.1.2.1 a 通道

第1 基元反应：S-A·Co_2 经过渡态S-T1m_2a（或S-T1n_2a），7O—5C 仰视逆时针（或顺时针）内旋转，异构成中间体S-I1_2a。从S-A·Co_2 到ST1m_2a，7O—5C 仰视逆时针内旋转92.1°，S-T1m_2a产生了39.8 kJ/mol 的内禀能垒。相似地，ST1n_2a产生的内禀能垒为39.2 kJ/mol，不再赘述。

第2 基元反应：S-I1_2a经过渡态S-T2_2a，螯合环 打 开 异 构 成S-I2_2a。 从S-I1_2a到S-T2_2a，14Co—2N 断 裂，S-T2_2a产 生 了54.0 kJ/mol 的 内禀能垒。

第3 基元反应：S-I2_2a经过渡态S-T3m_2a（或S-T3n_2a），5C—1C 和2N—1C 键内旋转，8H 从7O迁移至2N，异构成S-A·Co_1_2a。从S-I2_2a到ST3m_2a，5C—1C 右视顺时针内旋转87.9°，2N—1C俯视顺时针内旋转54.1°，这两个化学键内旋转所需能量很少，S-T3m_2a产生的内禀能垒仅6.0 kJ/mol。相似地，S-T3n_2a产生的内禀能垒为11.1 kJ/mol。

结构分析表明，S-A·Co_1_2a的结构完全与SA·Co_1 相同。S-A·Co_1_2a接下来的异构亦同SA·Co_1 的异构，不再赘述。

2.1.2.2 b 通道

第1 基元反应：S-A·Co_2 经羧基内H 迁移的过渡态S-T1_2b，8H 从7O 迁移至6O，异构成中间体S-I1_2b。从S-A·Co_2 到S-T1_2b，7O—8H 键长从0.098 6 nm 拉 伸 至0.135 7 nm，S-T1_2b产生的内禀能垒为172.9 kJ/mol。

第2 基 元 反 应：S-I1_2b经 过 渡 态T2_2b，9H 从1C 迁移 至7O，异构 成 中 间体I2_2b。从S-I1_2b到T2_2b，1C—9H 键长从0.109 7 nm 拉 伸 至0.155 3 nm，5C—7O 键长从0.122 9 nm 拉伸至0.132 4 nm，二面角2N—1C—10C—5C 从125.0°增至139.6°。这些变化使T2_2b产生了218.2 kJ/mol 的内禀能垒。

接下来I2_2b的异构分为b1 和b2 两个分路径。

1）b1 分路径专属基元反应第3 基元反应：I2_2b经9H 在纸面内侧从7O 向1C 迁移的过渡态T3_2b1，异构成中间体R-I3_2b1，至此S-A·Co_2 在b 通道b1分路径实现旋光异构。从I2_2b到T3_2b1，7O—9H键长从0.097 9 nm 拉伸至0.130 4 nm，T3_2b1产生的内禀能垒为259.1 kJ/mol。此基元的能垒高于第2 基元的能垒，主要原因是I2_2b的7O—9H 键的红外伸缩振动频率3 751.8 cm-1比S-I1_2b的1C-9H键的红外伸缩振动频率3 097.0 cm-1大，故I2_2b的7O—9H 比S-I1_2b的1C-9H 键的钝化程度高。

第4 基元反应：R-I3_2b1经过渡态R-T4_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，S-A·Co_2 在b 通道b1 路径实现了手性对映体转变。从R-I3_2b1到R-T4_2b1，6O—8H 键长从0.098 3 nm 拉伸至0.131 9 nm，R-T5_2b1产生的内禀能垒为48.7 kJ/mol。此能垒比第一基元的能垒小很多，原因是此基元的质子迁移是逆偶极矩方向，体系的电场力助力质子迁移。

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。

2）b2 路径专属基元反应第3 基元反应：I2_2b经过渡态T3_2b2，11H 在纸面内侧从10C 迁移至1C，异构成R-型中间体R-I3_2b2。从I2_2b到T3_2b2，10C—11H 键长从0.109 7 nm 拉伸至0.163 6 nm，T3_2b2产生的内禀能垒为345.6 kJ/mol。

第4 基元反应：R-I3_2b2经过渡态R-T4_2b2，9H从7O 迁移至10C，异构成中间体R-I4_2b2。从RI3_2b2到R-T4_2b2，7O—9H 键长从0.090 8 nm 拉伸至0.119 1 nm，R-T4_2b2产生了82.6 kJ/mol 的内禀能垒。结构分析表明，R-I4_2b2与R-I3_2b1的结构全同，接下来R-I4_2b2将按R-I3_2b1的方式异构成RA·Co_2b2，记作R-A·Co_2b1（b2），不再赘述。

从图5 可知，S-A·Co_1 相对于S-A·Co_2 的自由能是-41.1 kJ/mol，前者的稳定性高于后者；在a通道，S-A·Co_2 向S-A·Co_1 异构决速步的自由能垒为54.0 kJ/mol，低于温和反应能垒83.6 kJ/mol［24］，反 应 进 行 较快；S-A·Co_1 向S-A·Co_2 异构决速步的自由能垒为97.6 kJ/mol，高于温和反应能 垒83.6 kJ/mol［24］，反 应 进 行 较 慢。因 此 水 液 相下，S-A·Co_1 的分布会远高于S-A·Co_2。从图5还可看出，S-A·Co_2 在b 通道旋光异构决速步的能垒在259.1 kJ/mol 以上，b 通道是S-A·Co_2 异构的劣势通道。

2.2 显性水溶剂效应下S-A·Co 旋光异构过程中的氢迁移反应

为节省篇幅，本文只讨论S-A·Co_1 在优势通道a 和b 旋光异构过程中的氢迁移反应。

水分子多以水簇的形式存在，显性水溶剂效应下，水分子簇与14Co 形成配位键，同时水分子簇可与S-A·Co_1 的氢、氧和氮等氢键作用。已有研究［11～15］表明，水簇或单个水分子与金属配位时，配合物异构反应能垒差别很小，二聚水和三聚水作为质子转移媒介时质子转移的能垒相差很小。因此为使问题简便，仅讨论单个水分子与14Co 配位，二聚水做质子转移媒介的情况。

Co2+最多配位数是6，在S-I2_1a（b）中Co2+已经与1 个O 配位，再有5 个水分子与Co 配位，Co 便“满配”，得到的中间体是S-I2_1a（b）←5H2O。再有二聚水与9H 和8O 氢键作用，同时和与Co2+配位的水分子氢键作用，形成具有稳定氢键网络的S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2m（此处m 表示二聚水在纸面外与S-I2_1a（b）氢键作用）。S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 旋光异构历程见图6，势能面见图7。

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 the effect of explicit water solvent

图7 显性水溶剂效应下S-A·Co_1 旋光异构主要历程的自由能势能面Fig.7 The free energy potential surface of main reaction process of S-A·Co_1 optical isomerismunder the effect of explicit water solvent

第3 基 元 反 应（a 和b 通 道 共 用）：S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 经过渡态T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m，3 个质子协同迁移，实现了质子从1C向8O的净迁移，异构成中间体I3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m。从S-I2_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 到T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m，1C—9H、30O—32H 和33O—35H 键 长 分 别 从0.109 4、0.100 6 和0.099 2 nm 拉 伸 至0.142 6、0.146 4 和0.115 0 nm；二面角2N—1C—10C—6C从120.7°变为132.7°。 这 些变化使T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 产生了120.3 kJ/mol 的内禀能垒。此能垒低于T3_1a（b）产生的内禀能垒283.1 kJ/mol，说明水分子（簇）对此基元反应起了很好的催化作用。原因是T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 的氢键角1C—9H—30O、30O—32H—33O 和33O—35H—8O分 别 是167.0°、156.2°和167.1°，3 个氢键较强；T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 的八元 环结构共面程度较好，导致过渡态T3_1a（b）←5H2O·（H2O）2m 的稳定性较好。

a 通道 第4 基元反 应：二聚水 在I3_1a←5H2O 的后面与9H 及α-碳氢键作用形成的中间体反应物I3_1a←5H2O·（H2O）2n（n 表示二聚水在I2_1a（b）的后面，后面相似之处不再赘述）经过渡态T4_1a←5H2O·（H2O）2n，实现了质子在纸面内从8O 向1C 净迁移，异构成R-型中间体产物R-I4_1a←5H2O·（H2O）2n，S-A·Co_1 实现旋光异构。从I3_1a←5H2O·（H2O）2n到T4_1a←5H2O·（H2O）2n，8O—9H、34O—33H 和30O—32H 键长从0.102 9、0.099 5 和0.098 7 nm 分别拉伸至0.126 0、0.105 1 和0.120 3 nm，T4_1a←5H2O·（H2O）2n 产 生 的 内 禀 能 垒 为30.3 kJ/mol。该能垒低于T4_1a产生的内禀能垒198.9 kJ/mol，说明水分子（簇）对此基元反应起了显著的催化作用。原因之一是T4_1a←5H2O·（H2O）2n 的 氢 键 角8O—9H—32O、32O—33H—30O 和30O—32H—1C 分 别 是167.1°、156.2°和167.0°，3 个氢键较强，过渡态的八元环结构共面程度较好，T2_1a（b）←6H2O·（H2O）2m的构象较稳定；原因之二是从I1_1a←4H2O·（H2O）2n 到T2_1a←4H2O·（H2O）2n，二面角2N—1C—6C—10C 从-168.8°变为-132.8°，1C 从sp2杂化向sp3杂化过渡，体系释放能量。

b 通道第4 基元：I3_1b的Co 与5 个水分子配位，二聚水在纸面内与4H 及1C 氢键作用，得到中间体反应物I3_1b←5H2O·（H2O）2n。其经过渡态T4_1b←5H2O·（H2O）2n，实现质子在纸面内从2N 向1C 的净迁移，异构成中间体产物R-I4_1b←5H2O·（H2O）2n，S-A·Co_1 在b 通 道 实 现 旋 光 异 构。从I3_1b←5H2O·（H2O）2n 到T4_1b←5H2O·（H2O）2n，2N—4H、34O—33H 和31O—30H 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0.120 3 nm，T4_1b←5H2O·（H2O）2n 产 生 的 内 禀 能 垒 为35.6 kJ/mol，远低于T4_1b产生的内禀能垒208.4 kJ/mol，说明水分子（簇）对此基元反应起了显著的催化作用。其原因相似于前面的水液相下S-A·Co_1 在a 通 道的第4 基元反应。

结合图7 和图3 可知，显性水溶剂效应下S-A·Co_1 在a 和b 通道旋光异构的决速步能垒为120.3 kJ/mol。结合图7 和5 可知，显性水溶剂效应下SA·Co_2 旋光异构优势通道的决速步能垒也是120.3 kJ/mol。120.3 kJ/mol 高于温和反应能垒83.6 kJ/mol［24］许多，S-A·Co 的消旋反应只能很缓慢地进行。这从理论上说明丙氨酸钴（Ⅱ）配合物用于生命体同补丙氨酸和Co2+比较安全。

3 结 论

本 文 在SMD/MN15/SDD/6-311++G（2df，pd）//SMD/M06/SDD/6-311+G（d，p）双水平，研究了两性及中性α-丙氨酸（α-Ala_1 和α-Ala_2）与Co2+配合物在水液相下的旋光异构，得到如下结论：1）α-Ala·Co_2 向α-Ala·Co_1 异构的决速步自由能垒为54.0 kJ/mol，逆反应的决速步自由能垒为97.6 kJ/mol，水液相下α-Ala·Co_1 的分布远高于α-Ala·Co_2；2）α-Ala_1·Co2+旋光异构有4 个通道a、b、c 和d，a 通道和b 通道是质子向羧基底部的氧迁移，c 通道和d 通道是质子向羧基上部的氧迁移；3）α-Ala_1·Co2+旋光异构的优势通道是a 通道和b通道，隐性溶剂效应下决速步能垒为283.1 kJ/mol，显性溶剂效应下该能垒降至120.3 kJ/mol，α-Ala_2·Co2+异构到α-Ala_1·Co2+后再旋光异构的通道具有优势，决速步能垒与α-Ala_1·Co2+旋光异构的能垒相同。上述研究表明，水液相下丙氨酸钴（Ⅱ）配合物的消旋反应进行缓慢，用于生命体同补丙氨酸和Co2+在理论上具有较好的安全性。