0 引言

α-丙氨酸（α-alanine，α-Ala）根据光学活性的不同可分为左旋-丙氨酸（L-α-Ala）和右旋-丙氨酸（D-α-Ala），根据构型的不同又可分为S-型α-丙氨酸（S-α-Ala）和R-型α-丙氨酸（R-α-Ala）一对手性对映体。左旋体可促进生命体内的葡萄糖代谢，对低血糖症有一定的治疗作用，右旋体可用于手性制药，同时还有抑菌作用。已有研究^{[1, 2]}表明，通常生命体内有微量的D-α-Ala存在，其部分来源于L-α- Ala的旋光异构，体内过量的D-α-Ala存在可引起帕金森和衰老症等疾病。

为了解释生命体内有右旋-丙氨酸存在、说明生命体内丙氨酸可能损伤的原因以及为通过实验实现其手性转变提供理论指导，学者们进行了大量的研究。文献[3]通过实验研究，得到了295K和60K温度下α-Ala分子手性对映体的结构特性，并给出α-Ala分子可能的旋光异构。文献[4~8]的研究表明：α-H以氨基氮为桥转移是α-Ala手性转变反应的最优通道，裸反应决速步骤的内禀能垒为266.1kJ·mol^-1，在2个水分子簇的催化作用下，该能垒下降至138.6kJ·mol^-1。文献[9]的研究表明：小尺寸的扶椅型单臂氮化硼纳米管对α-Ala的手性转变具有催化作用，决速步骤能垒降至201.1kJ· mol^-1。文献[10]的研究表明，在水液相环境水分子簇的催化作用下，决速步骤的内禀能垒最低是109.61kJ·mol^-1；氢氧根离子的作用下该能垒下降至61.83kJ·mol^-1；羟自由基诱导α-Ala损伤的能垒为23.84kJ·mol^-1。文献[11]的研究表明，水与丝光沸石（MOR）分子筛复合环境对α-丙氨酸手性转变具有共催化作用，可作为α-丙氨酸旋光异构的纳米反应器。文献[12]的研究表明，羟自由基的存在可使处在水中MOR分子筛内的α-丙氨酸手性转变与损伤同时发生，损伤过程具有明显的优势。文献[13]的研究表明，甲醇溶剂环境下两种稳定构象的α-Ala手性转变决速步骤的能垒分别为109.8kJ· mol^-1和111.0kJ·mol^-1，α-丙氨酸分子可以缓慢地消旋。铜是人体不可缺少的微量营养素，关于它与氨基酸形成配合物的研究较多。文献[14]报道，在人的血浆中大约含1μg·mL^-1的铜，Cu²⁺与氨基酸形成的配合物可促进铜输送到血清蛋白中，参与人体内的代谢及其他生化过程。文献[15]采用密度泛函理论研究了Cu²⁺与丙氨酸形成的不同构象配合物的稳定性以及主要配合物之间的构象转变。然而，关于Cu²⁺对α-Ala分子旋光异构影响的研究未见报道。基于此，本工作拟采用密度泛函理论研究Cu²⁺催化α-Ala分子的手性对映体转变。

1 研究与计算方法

为较好地处理体系分子内及分子之间的氢键等弱相互作用，得到相对可靠的驻点结构，采用色散校正密度泛函的ɷB97X-D方法^[16]，在ɷB97X-D/ 6-31++G（d，p）水平优化反应过程中的驻点结构，计算了相关体系的NBO（naturalbondorbital）电荷。通过对过渡态^[17]进行IRC（内禀反应坐标）计算^[18]，确认过渡态确实连接所期望的局域稳定点。为得到较高水平的反应过程势能面，并考虑到计算成本，采用对计算含有金属元素和弱键作用体系能量具有较高精度的杂化泛函M06方法^[19]，在6- 311++G（3df，2pd）高角动量基组水平计算单点能，用公式G_total=G_tc+E_SP计算总吉布斯自由能（其中，G_tc和E_SP分别为吉布斯自由能热校正和单点能）。用分子中的原子理论（AIM）^[20]计算必要的驻点结构的成键临界点电荷密度。S-型α-Ala_1（α-丙氨酸的稳定构型1）与Cu²⁺的配合物记作S-A1，A1为反应物的异构在a通道第1个过渡态（S-型）记作A1_S-TS1^a，第1个中间体（S-型）记作A1_S-Ⅰ1^a，其他体系的表示方法以此类推。文中的计算由Gaussian09软件^[21]完成。

2 结果与讨论

将文献[13]中的α-Ala分子两种稳定构型作为初始构象猜测，在ɷB97X-D/6-31++G（d，p）水平优化的两对手性对映体见图 1，在ɷB97X-D/6- 31++G（d，p）水平优化的Cu²⁺亦见图 1。计算表明，S-α-Ala_2相对于S-α-Ala_1的吉布斯自由能为-6.4kJ·mol^-1，S-α-Ala_2的稳定性更好。Cu²⁺催化S-Ala_1和S-α-Ala_2实现手性对映体转变的机理有所不同。

2.1 Cu²⁺催化构型1的手性对映体转变

研究发现，Cu²⁺催化S-α-Ala_1实现手性对映体转变反应有4个通道（ai，aj，ak和b），ai，aj和ak分别是羟基旋转后α-H以氨基氮、铜及羰基氧为桥迁移，b通道是羟基氢向氨基氮迁移后α-H向羰基氧迁移。反应过程、驻点构象及过渡态在虚频下的振动模式分别见图 2、图 3、图 4和图 6，反应对应的势能面分别见图 5和图 7。

2.1.1 ai，aj和ak通道

第1基元反应：该基元为3个通道共用，Cu²⁺和S-α-Ala_1的羰基氧11O配位形成的配合物S-A1，经羧羟基绕9C—10O键内旋转的过渡态A1_STS1m^a或A1_S-TS1n^a，异构成中间体A1_S-Ⅰ1^a。从S-A1到A1_S-TS1m^a过程，9C—10O键从0.1302 nm拉伸至0.1329nm，二面角10O—9C—1C—6N从-13.61°变为-7.97°，C—O键小幅拉伸和内旋转，A1_S-TS1m^a产生的能垒为7.7kJ·mol^-1。相似地，A1_S-TS1n^a产生的能垒为5.4kJ·mol^-1。A1_S-Ⅰ1^a处于势能面较低的位置，其构象相对于SA1更稳定。

1）ai分通道（图 2）

第2基元反应：A1_S-Ⅰ1^a经13H从α-C向6N迁移的过渡态A1_TS2^ai异构成中间体A1_Ⅰ2^ai。从A1_S-Ⅰ1^a到A1_TS2^ai过程，1C—13H从0.1096nm拉伸至0.1301nm断裂，6N—1C从0.1419nm拉伸至0.1437nm，骨架二面角9C—4C—1C—6N从122.92°变为158.77°。C—H键的断裂、骨架较大的形变及1个化学键的小幅拉伸和内旋转需要一定的能量，A1_TS2^ai产生的能垒为118.8kJ·mol^-1。该能垒远小于气相环境下该基元的能垒266.1kJ· mol^-1[7]，说明Cu²⁺对此基元反应有极好的催化作用。其原因是：Cu²⁺的作用使A1_TS2^ai的1C—6N键（0.1437nm）比孤立环境下对应过渡态的键长1C—6N（约0.1575nm）^[7]显著缩短，降低了拉伸1C —6N所需的能量；A1_TS2^ai比孤立环境下对应过渡态的骨架原子共面程度高，前者的骨架原子基本形成了共轭大π键，构象相对稳定；单体的S-INT1_1和A1_S-Ⅰ1^ai相比较，1C—13H成键临界点的电荷密度从0.2831e（1.6×10-19C）降到0.2815e，说明1C—13H键被活化；1C—6N键伸缩的红外振动频率从1186.10cm-1下降至1125.12cm-1，说明1C —6N键被活化。A1_Ⅰ2^ai构象稳定，其原因是A1_Ⅰ2^ai的骨架原子在同一平面，形成了7中心超共轭大π键。A1_Ⅰ2^ai已经失去了手性，是损伤的S-A1。

第3基元反应：A1_Ⅰ2^ai经8H从6N在纸面内向α-C迁移的过渡态A1_TS3^ai，异构成中间体A1_RI3^ai，至此反应物实现了手性转变。从A1_Ⅰ2^ai到A1_TS3^ai过程，6N—8H键从0.1032nm拉伸至0.1315nm断裂，1C—6N键从0.1473nm收缩至0.1437nm；二面角6N—1C—4C—9C从178.71°变为-158.78°。A1_TS3^ai产生的能垒为193.3kJ· mol^-1，比裸环境下此基元的能垒115.9kJ·mol^-1[7]大许多。其原因是Cu²⁺与羰基氧配位导致6N的负电荷从-0.765e变为-0.823e，8H的正电荷从0.435e增至0.506e，6N和8H的库仑引力增加，共价键增强，断裂的难度增大；α-碳1C的电荷从-0.252e变为0.245e，1C对8H的库仑引力变为斥力，Cu²⁺对此基元反应产生了显著的负催化作用。

第4基元反应：A1_R-Ⅰ3^ai经与A1_S-TS1m^ai和A1_S-TS1n^ai相似的羧羟基旋转的过渡态A1_RTS4m^ai或A1_R-TS4n^ai，实现了羧基从顺式平面结构向反式平面结构异构，得到产物配合物A1_RA1^ai。A1_R-TS4m^ai和A1_R-TS4n^ai产生的能垒分别是54.1kJ·mol^-1和51.8kJ·mol^-1。结构分析表明，A1_R-A1^ai与S-A1的结构镜像对称。至此，SA1实现了手性对映体转变。

2）aj分通道（图 3）

第2基元反应：A1_S-Ⅰ1^a经13H从α-C向14 Cu迁移的过渡态A1_TS2^aj异构成中间体A1_Ⅰ2^aj。从A1_S-Ⅰ1^a到A1_TS2^aj，1C—13H从0.1096nm拉伸至0.1536nm。A1_TS2^aj产生的能垒为120.3 kJ·mol^-1，该能垒远小于气相环境该基元的能垒266.1kJ·mol^-1[7]，说明Cu²⁺对此基元有极好的催化作用。该基元反应1C—13H的拉伸大于从A1_SI1^a到A1_TS2^ai许多，但A1_TS2^aj与A1_TS2^ai产生的能垒基本相同。其原因是：14Cu具有空轨道，容易失去电子，具有还原性，13H具有氧化性。NBO电荷计算表明，从A1_S-Ⅰ1^a到A1_TS2^aj，13H的电荷从0.342e变为-0.032e，14Cu的电荷从0.977e变为1.176e。

第3基元反应：A1_Ⅰ2^aj经13H从14Cu在纸面内侧向α-C迁移的过渡态A1_TS3^aj异构成中间体A1_R-Ⅰ3^ai（j）。结构分析表明，A1_R-Ⅰ3_j完全同于A1_R-Ⅰ3^ai，记作A1_R-Ⅰ3^ai（j）。接下来的反应同于A1_R-Ⅰ3^ai后面的反应，限于篇幅，从略。从A1_Ⅰ2^aj到A1_TS3^aj过程，14Cu—13H从0.1476nm拉伸至0.1645nm，键断裂，A1_TS3^aj产生的能垒为108.6kJ·mol^-1。

3）ak分通道（图 4）

计算表明，该分通道第2基元反应为决速步骤，ak分通道相对于aj分通道明显处于劣势，为节省篇幅，在此只讨论第2基元。

第2基元反应：A1_S-Ⅰ1^a经13H从α-C向11O迁移的过渡态A1_TS2^ak异构成A1_Ⅰ2^ak。从A1_SI1^a到A1_TS2^ak，1C—13H从0.1096nm拉伸至0.1561nm。A1_TS2^ak产生的能垒为177.5kJ· mol^-1，远小于气相环境下该基元反应的能垒266.1 kJ·mol^-1[7]，Cu²⁺对此基元有极好的催化作用。A1_TS2^ak比A1_TS2^aj产生的能垒高，原因是11O的氧化性强于13H，从A1_S-Ⅰ1^a到A1_TS2^ak，11O的电荷从-0.758e变为-0.771e，13H的电荷从0.342e变为0.478e；1C—13H—14Cu比1C—13H —11O的夹角小，且A1_TS2^aj的五元环结构较A1_TS2^ak的四元环结构稳定；从A1_S-Ⅰ1^a到A1_TS2^ak过程比从A1_S-Ⅰ1^a到A1_TS2^aj过程9C— 11O双键多拉伸0.0052nm。

从图 5可以看出，aj分通道最具优势，第2基元反应是决速步骤，其内禀能垒为120.3kJ·mol^-1，在质子迁移温和反应能垒（80.0kJ·mol^-1[22]）与极限反应能垒（167.0kJ·mol^-1[22]）之间，说明Cu²⁺的催化可使α-Ala缓慢地消旋。3个分通道的决速步骤与裸环境下S-α-Ala手性转变的决速步骤有的相同，有的不同，说明Cu²⁺的存在改变了α-Ala消旋反应的路径和机理。

从图 5还可以看出，反应物中A1_S-Ⅰ1^a比S-A1分布多，产物中A1_R-Ⅰ3^ai（j）比A1_R-A1^ai（j）分布多。第1中间体异构成第2中间体以及第3基元逆反应的能垒均较高，通常很难越过，说明Cu²⁺的α-Ala配合物能更好地保持其原有的手性特征。失去手性的S-A1（损伤的配合物）处于势阱的较深处，说明Cu²⁺的α-Ala_1配合物一旦损伤将很难修复。

2.1.2 b通道（图 6）

第1基元反应：S-A1经14H从羧基向氨基迁移的过渡态A1_S-TS1^b异构成中间体A1_S-Ⅰ1^b。从S-A1到A1_S-TS1^b，11O—14H键从0.0976nm拉伸至0.1140nm断裂，A1_S-TS1^b产生了105.9 kJ·mol^-1的能垒。此能垒高出孤立环境下的能垒（62.9kJ·mol^-1）^[7]许多，说明Cu²⁺对此基元反应有负催化作用。其原因是Cu²⁺与S-Ala_1配位，导致11O—14H键从0.0988nm缩至0.0955nm，共价键增强；14H—6N键从0.1907nm增至0.2457 nm，6N的电荷从-0.951e变为-0.384e，6N对14H的库仑引力减弱，氨基上两个氢的正电荷均增加0.061e以上，对14H的库仑斥力增加。

第2基元反应：A1_S-Ⅰ1^b经α-H12H从α-C1C向11O迁移的过渡态A1_TS2^b异构成中间体A1_Ⅰ2^b。从A1_S-Ⅰ1^b到A1_TS2^b，1C—12H键从0.1097nm拉伸至0.1352nm，二面角9C—4C— 1C—6N从122.73°变为146.83°，6N—1C—9C— 11O从0.79°变为－73.48°。键的断裂和骨架形变需要较高的能量，A1_TS2^b产生了167.5kJ·mol^-1的能垒，比裸环境下此基元反应的能垒316.3kJ· mol^-1[5]大幅减小，说明Cu²⁺对此基元反应有催化作用。原因相似与ai分通道的第二基元，从略。A1_Ⅰ2^b是损伤的S-A1，其骨架原子均在同一平面，形成了7中心超共轭大π键，构象极稳定，处于势阱的最底部。

第3基元反应：A1_Ⅰ2^b经14H从氨基在纸面内侧向α-C迁移的过渡态A1_TS3^b异构成A1_R-Ⅰ3^b，S-A1实现了手性转变。从A1_Ⅰ2^b到A1_TS3^b，6N —14H键从0.1032nm拉伸至0.1315nm；二面角6N—1C—4C—9C从178.30°变为-157.12°，A1_TS3^b产生的能垒为211.4kJ·mol^-1。从A1_Ⅰ2^b到A1_TS3^b比从A1_S-Ⅰ1^b到A1_TS2^b过程化学键拉伸幅度大，导致A1_TS3^b比A1_TS2^b产生的能垒大。与ai通道第3基元反应相似，Cu²⁺对此基元反应产生了负催化作用，原因不再赘述。

第4基元反应：A1_R-Ⅰ3^b经1C—9C和1C—6N键协同内旋转的过渡态A1_R-TS4^b异构成A1_R-A1^b。结构分析表明，A1_R-A1^b与S-A1构象镜像对称，SA1完成了手性对映体转变。从A1_R-Ⅰ3到A1_RTS4^b，二面角6N—1C—9C—11O从-164.71°变为26.16°，二面角7H—6N—1C—4C从101.03°变为55.17°，1C—9C和1C—6N键的内旋转角不大，A1_RTS4^b产生的能垒为31.9kJ·mol^-1。

第5基元反应：A1_R-A1^b经和A1_S-TS1^b相似的过渡态A1_R-TS5^b异构成更稳定的两性产物A1_R-A3^b。A1_R-TS5^b与A1_S-TS1^b产生的能垒相同，也是105.9kJ·mol^-1。结构分析表明，A1_RA3^b和中间体A1_S-Ⅰ1^b的构象镜像对称，该路径也给出了A1_S-Ⅰ1^b手性对映体转变的机理。

从图 7可以看出，S-A1在b通道实现手性对映体转变的决速步骤是第3基元，内禀能垒为211.4 kJ·mol^-1，Cu²⁺表现出很好的催化作用。从图 7还可以看出，第2基元正反应能垒为167.5kJ·mol^-1，第3基元逆反应的能垒为134.7kJ·mol^-1，两个能垒通常很难越过，说明A1_S-Ⅰ1^b和A1_R-A1^b能更好地保持手性特征。失去手性的第3中间体在势阱的底部，说明α-Ala_1与Cu²⁺配合物损伤后无法修复。从图 7还可以看出，A1_S-Ⅰ1^b比S-A1的构象稳定，A1_R-A3^b比A1_R-A1^b的构象稳定，说明反应物中A1_S-Ⅰ1^b比S-A1分布多，产物中A1_R-A3^b比A1_R-A1^b分布多。

2.2 Cu²⁺催化构型2的手性对映体转变

Cu²⁺催化S-α-Ala_2的手性转变有4个通道，其中3个通道是1C—9O键内旋转约180.0°后SA2异构成为A1_S-Ⅰ1^a，以后的历程同于2.1节中的ai，aj和ak通道，不再赘述。这里只讨论α-H以氨基氮为桥迁移，反应历程见图 8，反应过程的吉布斯自由能势能面见图 9，为节省篇幅，仅做一般讨论。

其第1基元反应与ai分通道的第2基元反应相似，S-A2经13H向6N迁移的过渡态A2_TS1，异构成中间体A2_Ⅰ1（是损伤的S-A2），A2_TS1产生的能垒为117.1kJ·mol^-1，与裸环境的情况相比较，此基元反应的能垒也大幅下降，说明Cu²⁺对此基元反应起了很好的催化作用。

其第2基元与ai分通道的第3基元反应相似，A2_Ⅰ1经8H在纸面内侧向1C迁移的过渡态A2_TS2，异构成产物A2_R-A2。A2_TS2产生的能垒为189.0kJ·mol^-1，该能垒相对于裸环境的此基元反应能垒显著上升，说明Cu²⁺对此基元反应起了负催化作用。结构分析表明，产物A2_R-A2与反应物S-A2的构象镜像对称，说明S-A2实现了手性对映体转变。

从图 9可以看出，α-H以氨基氮为桥迁移，SA2手性转变的决速步骤是第2基元，内禀能垒为189.0kJ·mol^-1，与裸环境下α-Ala手性转变的决速步骤（第1基元）能垒（266.1kJ·mol^-1[7]）相比较显著地减小，Cu²⁺的存在改变了决速步骤，Cu²⁺显示了较好的催化作用。第1基元逆反应和第2基元正反应的能垒均为189.0kJ·mol^-1，通常很难越过，说明失去手性的A2_Ⅰ1很难再获得手性，α-Ala_2的Cu²⁺配合物损伤后难以修复。

3 结论

本研究在ɷB97X-D/6-31++G（d，p）//M06/ 6-31++G（3df，2pd）双水平，研究Cu²⁺催化S-α- Ala_1和S-α-Ala_2的手性对映体转变，得到如下结论：1）S-α-Ala_1的Cu²⁺配合物手性对映体转变反应有4个通道ai，aj，ak和b，分别是羟基旋转后α-H以氨基氮、铜、羰基氧为桥迁移以及羟基氢向氨基氮迁移后α-H向羰基氧迁移；S-α-Ala_2的Cu²⁺配合物手性对映体转变也有4个通道，1个是α-H以氨基氮为桥迁移，其余3个是1C—9O键内旋转接ai，aj和ak分通道。2）S-A1的优势通道是aj分通道，决速步骤的内禀能垒为120.3kJ·mol^-1，S-A2以氨基氮为桥迁移通道的决速步骤内禀能垒为189.0 kJ·mol^-1。Cu²⁺对不同的质子迁移反应或表现为正催化或负催化，Cu²⁺对α-Ala手性对映体转变的总过程具有较好的正催化作用。3）α-Ala与Cu²⁺形成的配合物构象很稳定，但在aj分通道会缓慢消旋，在ai分通道会微量或痕量的损伤，失去手性的α- Ala与Cu²⁺的配合物很难修复。