气相环境下丙氨酸Mn(Ⅱ)配合物的手性转变机理

气相环境下丙氨酸Mn(Ⅱ)配合物的手性转变机理 Chiral Transition Mechanism of Mn(Ⅱ) and Alanine Complexes in Gas Phase Environment 1 2 first-author 张雪娇，女，讲师，硕士，现从事计算机应用化学研究。E-mail: 393866626@qq.com 张雪娇，女，讲师，硕士，现从事计算机应用化学研究。E-mail: 393866626@qq.com 393866626@qq.com 1 3 1 2 1 4 1 4 1 4 白城师范学院 理论计算中心，吉林 白城137000 白城师范学院 理论计算中心，吉林 白城137000 Theoretical Computing Center, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China Theoretical Computing Center, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China 白城师范学院 传媒学院，吉林 白城 137000 白城师范学院 传媒学院，吉林 白城 137000 Communication College, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China Communication College, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China 白城师范学院 机械工程学院，吉林 白城 137000 白城师范学院 机械工程学院，吉林 白城 137000 College of Mechanical Engineering, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China College of Mechanical Engineering, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China 白城师范学院 物理学院，吉林 白城137000 白城师范学院 物理学院，吉林 白城137000 College of Physics, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China College of Physics, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, Jilin, China 采用密度泛函理论的M06和MN15方法，研究了气相环境下两个稳定的丙氨酸异构体（ S -Ala_1和 S -Ala_2）与Mn 2+ 配合物（ S -A_1和 S -A_2）的手性转变。研究发现： S -A_1的手性转变有3个通道a、b和c，a通道先是 α -氢向羰基O迁移；b通道是羧基Mn 2+ 螯合环的打开与质子从质子化氨基向羧基负离子的O迁移协同进行；c通道是 α -氢先向氨基N迁移。 S -A_2的手性转变有2个通道a和b，a通道是 α -氢先向氨基N迁移；b通道是先进行羧基内的H迁移。势能面计算表明： S -A_1手性转变反应的b通道具有优势，活化自由能垒约为247.0 kJ/mol -1 ； S -A_2手性转变反应的a通道具有优势，活化自由能垒约为329.0 kJ·mol -1 。结果表明，Ala与Mn 2+ 的配合物可以很好地保持其手性特征。 The chiral transition of the complexes ( S -A_1 and S -A_2) of two stable alanine isomers（ S -Ala_1 and S -Ala_2）and Mn 2+ has been studied using the M06 method and MN15 method based on density functional theory. The study shows that the S -A_1 chiral transition has three pathways a, b and c. In pathway a, α -H is transferred firstly to carbonyl O atom. In pathway b, the opening of the carboxyl-Mn 2+ chelate ring is coordinated with the proton migration from protonated amino to carboxy anion O. In pathway c, α -H is transferred firstly to amino N atom. The S -A_2 chiral transition has two pathways a and b. In pathway a, α -H is transferred firstly to amino N atom. In pathway b, H migration within the carboxyl group occurs first. The potential energy surface calculation shows that the dominant pathway of the chiral transition of S -A_1 is pathway b, and the activation free energy barrier is approximately 247.0 kJ·mol -1 ; the dominant pathway of the chiral transition of S -A_2 is pathway a, and the activation free energy barrier is approximately 329.0 kJ·mol -1 . The results indicate that the complex of Ala and Mn 2+ can maintain its chiral characteristics well. 丙氨酸 二价锰离子 手性转变 密度泛函理论 过渡态 能垒 alanine (Ala) divalent manganese ion (Mn 2+ ) chiral transition density functional theory transition state energy barrier 张雪娇,李冰,姜春旭, 等.气相环境下丙氨酸Mn(Ⅱ)配合物的手性转变机理[J].武汉大学学报（理学版）,2020,66(4):345-353. DOI:10.14188/j.1671-8836.2020.0024. 0　 引 言 1 氨基酸是蛋白质、酶等的基本单元，是生物体内的重要配体。很多主族金属、过渡金属和稀土金属是生命活动所必需的宏量和微量元素，对维持和促进生命体健康具有重要作用。金属的氨基酸配合物参与生命体内多种代谢及生理生化过程，对生命健康极为重要 [ 1 1 ~ 3 3 1~3 ] 。 丙氨酸（alanine, Ala）根据其旋光性可分为左旋丙氨酸（ L -Ala）和右旋丙氨酸（ D -Ala），根据其构型可分为 S 型丙氨酸 （S -Ala ） 和 R 型丙氨酸（ R -Ala）。不同旋光性的Ala具有不同的作用，在生命体内 L -Ala具有活性，而过量的 D -Ala会导致某些疾病或衰老 [ 4 4 ~ 6 6 4~6 ] 。氨基酸的手性特征使得其配合物也具有手性，金属离子的Ala配合物同Ala一样具有手性。不同旋光性的手性分子对生命体具有迥然不同的作用，某种旋光性的手性分子对生命体具有积极的作用，而其手性对映体则可能无用甚至有害。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。学者们对Ala及其金属配合物的手性转变做了大量的研究。文献[ 7 7 ~ 11 11 7~11 ]研究表明，气相环境的Ala不能消旋，水分子（簇）的催化可使其微量消旋，水液相环境下可少量地消旋，氢氧根离子的存在能使消旋速度增加，质子的存在使其消旋速度进一步增加。文献[ 12 12 ]研究表明，SWBNNT(5,5)对Ala的手性转变反应虽然具有明显的限域催化作用，但通常情况下，限域其中的Ala还是难以消旋。文献[ 13 13 ]研究表明，羟自由基水分子簇与MOR分子筛的共催化可使Ala极缓慢的消旋。文献[ 14 14 ~ 16 16 14~16 ]研究表明，Cu 2+ 及Mg 2+ 会对Ala分子内氢迁移产生影响。 过渡金属锰是许多生命活动必需的微量元素，对维持和促进生命体健康有重要作用。生命体内的锰一般是二价锰（Mn 2+ ），它是重要的神经化学因子，其不正常代谢可引起老年痴呆症 [ 17 17 ] 等疾病。Mn 2+ 能与蛋白质分子中某些肽键上的羰基和亚氨基配位，从而改变蛋白质的多极结构 [ 18 18 ] 。Mn 2+ 的氨基酸配合物对促进作物生长发育、防治病虫害、提高作物抗逆性具有良好的作用 [ 19 19 ] 。因此，研究Mn 2+ 氨基酸配合物的手性转变具有重要意义。 气相金属离子-生物分子体系的研究，可获得体系本质的物理与化学性质 [ 20 20 ， 21 21 ] ，在气相金属氨基酸配合物领域已进行了大量研究 [ 14 14 ~ 16 16 14~16 ， 20 20 ， 21 21 ] 。Ala是结构最简单的手性氨基酸，研究Mn 2+ 与Ala配合物的手性转变对研究Mn 2+ 与其他复杂氨基酸配合物的手性转变具有指导意义。基于研究小组以往的研究 [ 14 14 ~ 16 16 14~16 ] ，本工作采用密度泛函理论对气相环境下丙氨酸Mn 2+ 配合物的手性转变进行了研究。 1　 计算方法 1 采用对处理含金属和弱键作用体系具有较高精度的杂化泛函M06方法 [ 22 22 ] ，在6-31++G(d,p)基组下全优化反应过程中6重态（本文计算表明本工作研究的体系在可能的自旋态2、4和6中，6重态最稳定）势能面上的驻点结构，同时获得吉布斯自由能热校正（校正的温度298.15 K）；为了较好地描述具有较高金属离子特征的金属原子化合物的电子分布，采用自然键轨道（natural bond orbital, NBO）理论计算相关体系的自然电荷布局分析（natural population analysis，NPA）；通过对过渡态 [ 23 23 ] 进行IRC（内禀反应坐标）计算 [ 24 24 ] ，确认过渡态的可靠性。为得到较高精度的反应过程势能面并兼顾计算成本，采用描述过渡金属和主族均有较好表现的MN15 [ 25 25 ] 泛函，在6-311++G(3df,2pd)高角动量基组水平下计算单点能。体系的总吉布斯自由能用 G total = G tc + E SP 计算( G tc 和 E SP 分别是吉布斯自由能热校正和单点能)。 S -型Ala_1（丙氨酸的稳定构象1）与Mn 2+ 的配合物Ala_1·Mn 2+ 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_1 a ，第1个 S -型中间体配合物记作 S -I1_1 a ，a和b通道共用的结构X记作X a(b) ，来自于A_1的A_2记作A_2_1，其他体系表示法相似。计算工作采用Gaussian16程序 [ 26 26 ] 。 2　 结果与讨论 1 气相环境Ala分子两对稳定的手性对映体 S -Ala_1和 S -Ala_2 [ 16 16 ] 及Mn 2+ 的构象见 图1 图1 ， S -Ala_1相对于 S -Ala_2的吉布斯自由能是3.0 kJ·mol -1 [ 16 16 ] ，后者较前者稳定，后者的分布高于前者。 Mn 2+ 可在几个不同位置与 S -Ala_1或 S -Ala_2的N和O配位。计算表明，Mn 2+ 与 S -Ala_1的羧基O二配位，羧羟基H迁移至氨基N的配合物 S -A_1最稳定；Mn 2+ 与 S -Ala_2的羰基O及氨基N二配位的配合物 S -A _ 2最稳定。优化的2个配合物见 图2 图2 。下面对 S -A_1和 S -A_2的手性转变分别进行讨论。 2.1　 S -A_1的手性转变 2 S -A_1的手性转变可以在3个通道a、b和c实现，主要反应历程见图 3 3 A~ 3 3 C，其中部分反应历程见图S1~S4；反应过程的势能面见 图4 图4 。 2.1.1　a通道 3 该通道有2个路径，第1基元反应共用。 第1基元反应： S -A_1经过渡态T1_1 a ，13H从 α -碳1C迁移至羰基氧11O，异构成中间体I1_1 a 。从 S -A_1到T1 a ，1C—13H键从0.119 9 nm拉伸至0.153 8 nm断裂，二面角4C—1C—6N—9C从-125.1°变为-145.9°，C—H键较大幅的拉伸断裂，再加上骨架的形变，需给予很高的能量，T1 a 产生的内禀能垒是293.9 kJ·mol -1 。接下来I1_1 a 的异构历程分为a1和a2两个路径。 1） a1路径 4 第2基元反应：I1_1 a 经过渡态T2_1 a1 ，13H在纸面内从羰基氧11O迁移至 α -碳1C，异构成 R 型产物 R -A_1 a1 。结构分析表明， R -A_1 a1 与 S -A_1镜像对称，说明至此 S -A_1在a通道的a1路径实现了手性对映体转变。从I_1 a 到T2_1 a1 ，11O—13H键从0.097 3 nm拉伸至0.125 0 nm，断裂，T_2 a1 产生的内禀能垒是197.3 kJ·mol -1 。该能垒比T_1 a 产生的内禀能垒低，原因是碳氧键较碳氢键容易断裂。从 S -A_1在a通道a1路径上反应历程的驻点构象及势能面可以看出，所有驻点构象及各个驻点的能量关于I1_1 a 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） a2路径 4 第2基元反应：I1_1 a 经7H在纸面内从质子化氨基向 α -碳迁移与9C—10O—14Mn剪式运动协同进行的过渡态T2_1 a2 ，异构成 R 型中间体 R -I2_1 a2 ，至此 S -A_1在a通道的a2路径实现了手性转变。T2_1 a2 连接的产物是 R -I2_1 a2 ，图S1给出了T2_1 a2 向 R -I2_1 a2 异构的IRC路径上的关键点。IRC分析表明，I1_1 a →T2_1 a2 → R -I2_1 a2 是7H迁移、14Mn—10O配位键断裂、14Mn从羧基内侧向外侧翻转与氨基N配位协同非同步进行的过程，T2_1 a2 靠近I1_1 a ，是早期过渡态。从I1_1 a 到T2_1 a2 ，6N—7H键长从0.103 0 nm拉伸至0.139 8 nm，断裂，T2_1 a2 产生的内禀能垒是216.1 kJ·mol -1 。该能垒比T_1 a 产生的内禀能垒低许多，原因是质子化氨基上的氮氢键较碳氢键松弛。 第3基元反应： R -I2_1 a2 经过渡态 R -T3m_1 a2 （或 R -T3n_1 a2 ），11O—9C键仰视顺时针（或逆时针）内旋转，13H从羧基外侧转向羧基内侧，异构成产物配合物 R -A_2_1 a2 。结构分析表明 R -A_2_1 a2 是 S -A_2的手性对映体，即此路径给出了 S -A_1向 S -A_2的手性对映体异构的机理。从 R -I2_1 a2 到 R -T3m_1 a2 ，二面角13H—11O—9C—10N从179.1°减小至99.0°，键内旋转所需能量不多， R -T3m_1 a2 产生的内禀能垒是36.0 kJ·mol -1 ，相似的 R -T3n_1 a2 产生了35.2 kJ·mol -1 的内禀能垒。 2.1.2　b通道 3 第1基元反应（图S2）： S -A_1经14Mn—11O—9C剪式运动、1C—6N内旋转、12H迁移以及10O—9C内旋转协同进行的过渡态 S -T1m_1 b （或 S -T1n_1 b ），异构成中间体 S -I1_1 b 。 S -T1m_1 b 及 S -T1n_1 b 连接的反应物和中间体产物是 S -A_1和 S -I1_1 b ，图S2给出了 S -A_1经 S -T1m_1 b 向 S -I1_1 b 异构的IRC路径上的关键点。IRC计算表明， S -T1m_1 b （或 S -T1n_1 b ）靠近 S -I1_1 b ，是晚期过渡态。从 S -A_1到 S -T1m_1 b 过程，14Mn—10O配位键断裂、14Mn从羧基内侧翻转到外侧、1C—13H键从0.119 9 nm拉伸至0.121 3 nm、1C—6N内旋转81.8°、12H与6N断裂迁移至羰基氧10O和10O—9C键俯视逆时针内旋转85.2°，需要给予较多的能量。 S -T1m_1 b 产生了247.1 kJ·mol -1 的内禀能垒，与之相似， S -T1n_1 b 产生了246.6 kJ·mol -1 的内禀能垒。 第2基元反应： S -I1 _ 1 b 经过渡态T2 _ 1 b ，实现了13H从 α -碳向14Mn的迁移，异构成中间体I2 _ 1 b 。从 S -I1 _ 1 b 到T2 _ 1 b ，1C—13H键从0.123 2 nm拉伸至0.167 3 nm，断裂，T2 _ 1 b 产生的内禀能垒是5.3 kJ·mol -1 ，此基元反应几乎无势垒，可以自发进行。此氢迁移反应势垒如此低，原因有3个：一是由于Mn 2+ 的作用使 S -I1 _ 1 b 的1C—13H键长拉伸至0.123 2 nm，此时1C—13H的共价键变得很弱，容易断裂；二是在此基元反应中，13H显示出很好的氧化性，具有较强的得电子能力。NPA电荷计算表明，从 S -I1 _ 1 b 经T2 _ 1 b 到I2 _ 1 b 过程，13H的电荷从0.015 e变为-0.307 e再变为-0.373 e，14Mn的电荷从1.641 e变为1.569 e再变为1.321 e，14Mn对13H始终具有库仑引力；三是 S -I1 _ 1 b 的1C—13H伸缩振动红外频率是1 348.59 cm -1 ，与其他 α -氢伸缩振动红外频相比较发生了强烈的蓝移，如 S -A_1的1C—13H伸缩振动红外频率是3 063.99 cm -1 。 第3基元反应：I2 _ 1 b 经过渡态T3 _ 1 b ，实现了13H从14Mn向 α -碳的迁移，异构成中间体 R -I3 _ 1 b ，至此 S -A_1实现了手性转变。从I2 _ 1 b 到T3 _ 1 b ，13H—14Mn键从0.163 2 nm拉伸至0.175 7 nm，H—Mn间的离子键断裂，T3 _ 1 b 产生的内禀能垒是62.9 kJ·mol -1 。此基元反应势垒不高（通常情况下可以越过），原因是I2 _ 1 b 中13H—14Mn键的作用不是很强（13H和14Mn分别带电-0.378 e和1.321 e，键长是0.1632 nm），并且从I2 _ 1 b 到T3 _ 1 b 过程，1C对13H有库仑引力作用（NPA电荷计算表明，从I2 _ 1 b 到T3 _ 1 b ，13H的电荷从-0.373 e变为-0.307 e，1C的电荷从0.391 e变为0.223 e）。 第4基元反应： R -I3 _ 1 b 经过渡态 R -T4m_1 b （或 R -T4n_1 b ），异构成产物配合物 R -A_1 b 。从 R -I3 _ 1 b 到 R -T4m_1 b （或 R -T4n_1 b ）过程，主要是10O－9C键俯视逆时针内旋转，所需能量不高， R -T4m_1 b 和 R -T4n_1 b 产生的内禀能垒分别是58.8 kJ·mol -1 和59.3 kJ·mol -1 。该基元反应相似于第1基元的逆过程， R -T4m_1 b 和 R -T4n_1 b 是早期过渡态，不再赘述。 从 S -A_1在b通道上反应历程的驻点构象及势能面可以看出，所有驻点构象及各个驻点的能量关于I2_1 b 对称，体现了 S -A_1手性对映体转变的过程美及内在美。 2.1.3　c通道 3 该通道有3个路径，第1基元反应共用。 第1基元反应： S -A_1经13H从 α -碳向氨基氮迁移与质子从氨基氮向羰基氧迁移协同进行的过渡态T1_1 c ，异构成中间体I1_1 c 。从 S -A_1到T1_1 c ，1C—13H键从0.119 9 nm拉伸至0.126 5 nm，断裂；12H从6N迁移至10O；二面角4C—1C—6N—9C从-125.1°增加到-167.24°，C—H键与N—H断裂再加上骨架的显著形变需要很高的能量，T1_1 c 产生了331.8 kJ·mol -1 的内禀能垒。图S3给出了 S -A_1经T1_1 c 向I1_1 c 异构的IRC路径上的关键点。IRC计算表明，此基元反应是双质子协同非同步迁移过程，T1_1 c 靠近I1_1 c ，是晚期过渡态。接下来的I1_1 c 异构历程分为c1、c2和c3三个路径. 1） c1路径 4 第2基元反应：I1_1 c 经过渡态T2_1 c1 ，实现了12H在纸面内从10O向1C的迁移，构型异构成产物配合物 R -A _ 1 c1 。结构分析表明， R -A _ 1 c1 是 S -A_1的手性对映体。从I1_1 c 到T2_1 c1 过程，10O—12H从0.097 3 nm拉伸至0.122 9 nm，断裂，1C—4C、1C—6N、1C—9C和9C—10O等键发生了不同程度的内旋转，因此需要较高的能量，T2_1 c1 产生的内禀能垒是220.6 kJ·mol -1 。 2） c2路径 4 第2基元反应：I1_1 c 经过渡态T2_1 c2 ，I1_1 c 经9C—11O—14Mn剪式运动和10O—9C内旋转协同进行的过渡态T2_1 c2 ，构型异构成中间体I2_1 c2 。从I1_1 c 到T2_1 c2 ，10O—9C键小幅内旋转25.0°， 14Mn—11O—9C键角微增17.9°，所需能量很小，T2_1 c2 产生的内禀能垒只有7.3 kJ·mol -1 ，此基元反应几乎无势垒，可以自发实现。 第3基元反应：I2_1 c2 经过渡态T3_1 c2 ，实现了8H在纸面内从氨基氮向 α -碳迁移，异构成产物配合物 R -A_2_1 c2 。至此， S -A_1在c通道的c2路径实现了向 S -A_2的手性对映体的异构。从I2_1 c2 到T3_1 c2 ，6N—8H键从0.102 9 nm拉伸至0.137 0 nm，断裂；10O—9C俯视顺时针内旋转29.5°；14Mn—11O—9C键角增加10.0°，6N—1C俯视顺时针内旋转19.0°，需要较高的能量，T3_1 c2 产生的内禀能垒是193.6 kJ·mol -1 。图S4给出了I2_1 c2 经T3_1 c2 向 R -A_2_1 c2 异构的IRC路径上的关键点。IRC分析表明，T3_1 c2 是8H迁移、10O—9C俯视顺时针内旋转、14Mn—11O—9C剪式运动、6N—1C内旋转和1C—9C内旋转协同非同步进行的过渡态，T3_1 c2 靠近I2_1 c2 ，是早期过渡态。 3） c3路径 4 第2基元反应：I1_1 c 经10O—9C键小幅内旋转的过渡态T2_1 c3 ，12H从纸面内翻转到纸面外，异构成中间体配合物I2_1 c3 。从I1_1 c 到T2_1 c3 ，10O—9C键小幅内旋转57.5°，所需能量很小，T2_1 c3 产生的内禀能垒只有1.8 kJ·mol -1 ，此基元反应可以视为无势垒。 第3基元反应：I2_1 c3 经过渡态T3_1 c3 ，实现了8H在纸面内从6N向1C及12H从10O向6N的迁移，异构成 R -A_1 c3 。从I2_1 c3 到T3_1 c3 ，6N—8H键从0.103 1 nm拉伸至0.132 7 nm，断裂，同时12H与10O断裂后，迁移至6N，需要较高的能量，T3_1 c3 产生了193.5 kJ·mol -1 的内禀能垒。T3_1 c3 与T1_1c镜像对称，IRC路径计算表明T3_1 c3 靠近I2_1 c3 ，是早期过渡态。 结构分析表明，c3路径上的驻点构象关于T2 _ 1 c3 对称，从势能面可以看出，c3路径上的驻点能量也关于T2 _ 1 c3 对称，体现了 S -A_1在该路径上实现手性对映体转变的过程美和内在美。 从 图4 图4 还可以看出， S -A_1在b通道的手性转变反应最具有优势，活化能（表观能垒，气相反应的活化能取表观能垒）在246.6至247.1 kJ·mol -1 之间，约为247.0 kJ·mol -1 ，接近单体Ala_1手性转变优势通道的表观能垒257.5 kJ·mol -1[ 9 9 ] （在同一理论水平下计算的值），在误差允许范围内可认为相等。该能垒远高于反应的极限能垒160.0 kJ·mol -1[ 27 27 ] ，说明气相环境的 S -A_1可以很好地保持其手性特征。 综上， S -A_1在b通道手性转变反应优势通道的能垒来自于Mn—O—C剪式运动、C—N内旋转、H从质子化氨基向羧基O的迁移以及10O—9C内旋转协同进行的过渡态，而单体Ala_1手性转变优势通道的表观能垒来自于 α -氢从 α -碳向氨基N的迁移 [ 10 10 ] ，Mn 2+ 的配位改变了Ala_1旋光异构的机理。 2.2　 S- A _ 2的手性转变 2 S -A_2的手性转变反应有2个通道a和b ，主要的反应历程、驻点构象及过渡态见 图5 图5 ，其中部分反应历程见图S5；反应的吉布斯自由能势能剖面，见 图6 图6 。 2.2.1　a通道 3 第1基元反应： S -A_2经 α -氢迁移、14Mn—11O—9C剪式运动以及10O—9C键内旋转的过渡态T1_2 a ，异构成第一中间体配合物I1_2 a 。从 S -A_2到T1_2 a 过程，1C—13H键长从0.110 2 nm拉伸至0.125 3 nm，断裂，14Mn—6N配位键断裂，螯合环打开，键角14Mn—11O—9C 从116.9°增加到180.0°，二面角4C—1C—6N—9C从-126.3°增加到-166.5°，需要很多的能量，使T1_2 a 产生了329.9 kJ·mol -1 的内禀能垒。这与气相单体Ala在此基元反应的内禀能垒266.1 kJ·mol -1[ 5 5 ] （在同一理论水平下计算值为249.3 kJ·mol -1 ）相比较明显升高，说明Mn 2+ 对此基元反应具有显著的负催化作用。原因有二：一是 S -A_2的偶极矩方向向上， S -Ala_2的偶极矩方向向下，且前者的数值（10.173 8 C·m）远大于后者（1.358 7 C·m），导致 S -A_2的 α -氢（带正电）向氨基N迁移（偶极矩增大）比 S -Ala_2的 α -氢（带正电）向氨基N迁移（偶极矩减小）难度显著增加；二是从 S -A_2到过渡态T1_2 a 多了一个14Mn—6N配位键断裂过程。图S5给出了T1_2 a 的IRC路径上的关键点。 结构分析表明， S -A_2的a通道T1_2 a 全同于I1_1 a ，T1_2 a 接下来的异构也同于I1_1 a 的异构，见2.1.1节。 2.2.2　b通道 3 第1基元反应： S -A_2经羧基内H迁移的过渡态 S -T1_2 b ，异构成中间体 S -I1_2 b 。从 S -A_2到 S -T1_2 b ，10O—12H键从0.098 1 nm拉伸至0.137 8 nm，断裂， S -T1_2 b 产生的内禀能垒是197.2 kJ·mol -1 。 第2基元反应， S -I1_2 b 经 α -氢向羰基氧迁移的过渡态T2_2 b ，异构成中间体I2_2 b 。从 S -I1_2 b 到T2_2 b ，1C—13H键长从0.110 2 nm拉伸至0.157 1 nm，断裂；9C—1C键内旋转73.0°，14Mn—11O键长从0.200 9 nm拉伸至0.234 1 nm；二面角14Mn—6N—1C—9C从-31.6°变为65.2°，骨架形变较大。这些变化需要很高的能量，T2_2 b 产生了284.8 kJ·mol -1 的内禀能垒。T2_2 b 的1C—13H键断裂、螯合环严重变形，14Mn—11O配位键近乎断裂，14Mn—11O配位键很弱，T2_2 b 稳定性极差。 第3基元反应：I2_2 b 经6N—1C键和10O—9C键协同内旋转的过渡态T3_2 b ，异构成中间体配合物I3 _ 2 b 。从I2_2 b 到T3_2 b ，6N—1C键和10O—9C键分别内旋转38.1°和17.0°，两个化学键的小幅内旋转只需很少的能量，T3 b _2产生的内禀能垒只有3.8 kJ·mol -1 ，此基元反应可视为无势垒过程。从I2_2 b 经T3_2 b 到I3 _ 2 b ，虽然需要越过的势垒极低，但经此基元反应实现了14Mn从纸面内向纸面外的翻转以及13H从纸面外向纸面内的翻转。为13H在纸面内向 α -碳迁移创造了良好的空间条件。 第4基元反应：I3_2 b 经与T2_2 b 镜像对称的过渡态T4_2 b ，13H在纸面内从10O迁移至1C，异构成 R 型中间体配合物 R -I4 _ 2 b ，至此 S -A _ 2在b通道实现了手性转变。从T3_2 b 到T4_2 b ，1C—13H键长从0.097 2 nm拉伸至0.123 9 nm，断裂，T4_2 b 产生的内禀能垒是246.2 kJ·mol -1 。 第5基元反应： R -I4 _ 2 b 经羧基内H迁移的过渡态 R -T5_2 b ，异构成产物 R -A _ 2 b 。从 R -I4 _ 2 b 到 R -T5_2 b ，11O—12H键从0.098 2 nm拉伸至0.123 9 nm断裂， R -T5_2 b 产生的内禀能垒是106.3 kJ·mol -1 。结构分析表明此基元与第1基元对称，但 R -T5_2 b 比 S -T1_2 b 产生的内禀能垒却小很多，原因是第1基元的质子迁移方向沿着偶极矩的方向，而第5基元的质子迁移方向是逆着偶极矩的方向。 结构分析表明，b通道上的驻点构象关于T3_2 b 对称，从势能面可以看出，b通道上的驻点能量也关于T3_2 b 对称，体现了 S -A_2在该通道上实现手性对映体转变的过程美与内在的美。 从 图6 图6 可以看出， S -A_2在a通道的手性转变反应具有优势，表观能垒是329.0 kJ·mol -1 ，高于单体Ala_2手性转变优势通道的表观能垒266.0 kJ·mol -1[ 9 9 ] （在本工作理论水平下是249.3 kJ·mol -1 ），说明Mn 2+ 对 S -Ala_2的手性转变具有很好的抑制作用。329.0 kJ·mol -1 的能垒远高于反应的极限能垒160.0 kJ·mol -1[ 27 27 ] ，通常情况不能逾越，说明 S -Ala_2与Mn 2+ 配位后可以更好地保持其手性特征。 3　 结 论 1 在MN15/6-311++G(3df,2pd)//M06/6-31++G(d,p)双水平，研究了气相环境下 S -Ala_1和 S -Ala_2与Mn 2+ 的配合物 S -A_1和 S -A_2的手性转变机理，得到如下结论： 1） S -A_1的手性转变反应有3个通道a、b和c，a通道先是 α -氢向羰基O迁移，而后分为2个路径；b通道先是羧基Mn 2+ 螯合环打开与质子从质子化氨基向羧基负离子迁移协同进行；c通道先是 α -氢向氨基N迁移，而后分为3个路径。 S -A_2的手性转变反应有2个通道a和b，a通道先是 α -氢向氨基N迁移，而后又与 S -A_1手性转变反应a通道的2个路径衔接；b通道先是羧基内H迁移。 2） S -A_1手性转变反应的优势通道是b，表观能垒约为247.0 kJ·mol -1 ，该能垒来自于Mn—O—C剪式运动、C—N内旋转、H从质子化氨基向羧基迁移以及10O—9C内旋转协同进行的过渡态； S -A_2手性转变反应的优势通道是a，活化自由能垒大约是329.0 kJ·mol -1 ，该能垒来自于 α -氢向氨基氮迁移、Mn—O—C剪式运动（螯合环打开）以及10O—9C键内旋转的过渡态T1_2 a 。 结果表明:Ala与Mn 2+ 螯合后手性转变能垒显著增高;Mn 2+ 对Ala的手性转变具有很好的抑制作用;Ala与Mn 2+ 的配合物可以很好地保持手性特征。生命体内富有水，因此研究水液相环境下丙氨酸与Mn 2+ 配合物的手性转变机理更具实际意义，相关工作正在进行中。 图S1~图S5见本文附加材料（ http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8836.2020.0024 http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8836.2020.0024 ）。 参考文献 WILKINS P C , WILKINS R G . 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