講課-溶劑效應(yīng)

溶劑效應(yīng)的量子化學(xué)研究

化學(xué)是研究分子性質(zhì)和反應(yīng)的科學(xué),有許多化學(xué)過程是在溶液中進(jìn)行的，而氣相反應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)中只占很小的部分。只討論分子或離子在氣相環(huán)境中的化學(xué)行為,與溶液中體系還有很大的差別,所以溶劑效應(yīng)是我們必須面對(duì)的課題。且大量的研究也已經(jīng)表明,分子在溶液中的性質(zhì),與真空相比,無論是幾何構(gòu)型、構(gòu)象、電子結(jié)構(gòu)還是其穩(wěn)定性和光譜性質(zhì)都會(huì)發(fā)生不同程度的變化。另外,溶劑(水)分子還可能通過氫鍵作用直接參與溶質(zhì)與受體之間的結(jié)合，所以對(duì)溶劑效應(yīng)的理論研究有著重要的意義,這更能反映出溶液中分子的真實(shí)行為。然而,以往的研究中都是將氣相下的計(jì)算結(jié)果直接應(yīng)用于溶液體系或與溶液中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，這不但無法反映出溶液中分子的真實(shí)行為,而且對(duì)一些溶劑敏感的體系來說甚至可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論。研究溶劑效應(yīng)的意義溶劑效應(yīng)的發(fā)展

自20世紀(jì)初期schr?dinger,等創(chuàng)立的量子力學(xué)體系以來,科學(xué)家們就開始用量子力學(xué)方法處理化學(xué)問題。到了50年代由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),為量子化學(xué)提供了有力的工具,分子軌道(MO)理論因易于程序化而蓬勃發(fā)展起來。從70年代開始,MO的從頭計(jì)算研究逐步展開,80年代,量子化學(xué)的研究對(duì)象也從中小分子向較大分子、重原子體系發(fā)展,隨之而來了各種計(jì)算方法和程序化,是MO理論和從頭算技術(shù)大發(fā)展時(shí)期。埃爾溫·薛定諤80年代后,以密度泛函為基礎(chǔ)的DFT方法也迅速發(fā)展起來,它改變了以往以軌道波函數(shù)為基的特點(diǎn),而以密度函數(shù)為基。但直到90年代,隨著化學(xué)研究對(duì)象的不斷拓寬,人們不滿足于只研究單一的分子或氣相中的體系,研究對(duì)象發(fā)展到固體表面吸附、溶液中的化學(xué)反應(yīng)、生物大分子,單純的分子軌道方法或密度泛函方法不一定能獲得理想結(jié)果,這時(shí)考慮溶劑效應(yīng)的量子化學(xué)計(jì)算方法便發(fā)展了起來。對(duì)于溶劑效應(yīng),按溶劑和溶質(zhì)相互作用的性質(zhì)一般可劃分成兩類,一類是把溶劑看成連續(xù)介質(zhì),即非特異性溶劑效應(yīng)，該模型主要從溶劑對(duì)溶質(zhì)的極化作用角度來考察溶劑的影響,因而也稱物理溶劑效應(yīng)；另一類是把溶劑看成具體的分子,即特異性溶劑效應(yīng)，該模型主要從溶劑和溶質(zhì)之間的氫鍵和電荷轉(zhuǎn)移相互作用角度來考察溶劑的影響,因而也稱為化學(xué)溶劑效應(yīng)，基于上述兩種模型發(fā)展了各種不同的理論方法，歸結(jié)起來大致有兩類：一類是采用嚴(yán)格的量子化學(xué)計(jì)算方法,如:自洽反應(yīng)場(chǎng)方法(self-ConsistentReactionField,SCRF)、Possion一Boltzmann方法、AMSOL方法、超分子方法(Supermolecule)以及量子力學(xué)與分子力學(xué)相結(jié)合的QM/MM方法等，另一類是采用經(jīng)典力場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)模擬方法,如分子動(dòng)力學(xué)(MolecularDynamic,MD)模擬和MonteCarlo模擬等。以上諸方法各有特色和優(yōu)缺點(diǎn),有些方法還可以相互結(jié)合。其中自洽反應(yīng)場(chǎng)方法是目前使用較多的考慮溶劑效應(yīng)的方法,即將靜態(tài)理論方法和連續(xù)介質(zhì)溶劑模型結(jié)合起來研究溶液體系。Poisson-Boltzmann方法就是利用求解PB方程來計(jì)算溶質(zhì)與溶劑分子間的靜電極化作用。AMSOL方法采用Bom模型,進(jìn)行分子軌道方法計(jì)算,來研究溶液體系。超分子方法認(rèn)為溶劑分子可能通過氫鍵或電荷轉(zhuǎn)移作用與溶質(zhì)分子緊密結(jié)合在一起,然后將這些額外原子包含在一個(gè)更大的但仍是孤立的體系中進(jìn)行處理。QM/MM方法是把研究體系設(shè)為幾個(gè)區(qū)域,在中心區(qū)域進(jìn)行高精度的量子化學(xué)計(jì)算(QM),在周邊區(qū)域進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)或分子力學(xué)計(jì)算(MM),該方法也是處理溶液體系的一個(gè)較好的方法，分子動(dòng)力學(xué)或MonteCarlo模擬溶液體系,最適用于研究溶質(zhì)分子周圍溶劑分子的結(jié)構(gòu)性質(zhì),而對(duì)溶劑化自由能的計(jì)算則沒有自洽反應(yīng)場(chǎng)方法計(jì)算得到的結(jié)果精確。溶劑效應(yīng)

所謂溶劑就是能夠溶解其他物質(zhì)的液體。水是一種特殊的溶劑,有著極高的相對(duì)介電常數(shù),既有很弱的酸性,又有很弱的堿性,大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)和所有的生物學(xué)過程都能在水這種溶劑中進(jìn)行。而水作為溶劑,對(duì)這些過程有著深刻的影響:一種是溶質(zhì)與溶劑分子發(fā)生相互作用,如形成水合離子、氫鍵等,溶質(zhì)分子的幾何構(gòu)型、振動(dòng)頻率、總能、電子光譜等均受溶劑分子的影響;另外一種是溶劑分子不直接與溶質(zhì)分子發(fā)生作用,而是作為環(huán)境強(qiáng)烈地影響溶質(zhì)的行為,即溶劑可作為某種場(chǎng)來處理。因此,在理論上理解和精確計(jì)算溶劑效應(yīng)是至關(guān)重要的。

溶劑化過程可被定義為在常溫下,溶質(zhì)分子從真空的一個(gè)固定位置移至溶劑中的一個(gè)固定位置的過程。更精微地說,溶劑效應(yīng)是溶質(zhì)和溶劑分子相互吸引的結(jié)果,即溶劑分子通過它們和溶質(zhì)的相互作用,累積在溶質(zhì)周圍的過程。這個(gè)相互作用的性質(zhì)和溶質(zhì)與溶劑的本質(zhì)有關(guān)。描述溶劑效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是溶劑化自由能ΔGsol(solvationfreeenergy),它是將溶質(zhì)分子從真空移至溶劑中自由能的變化值。一般來說,溶劑效應(yīng)的計(jì)算由三部分組成：靜電勢(shì)、范德華力和孔洞能。靜電勢(shì)就是討論溶質(zhì)分子與溶劑分子靜電極化效應(yīng)；范德華力包括溶質(zhì)分子與溶劑分子間的吸引力(dispersion)和排斥力(repulsion);孔洞能是溶質(zhì)分子要在溶劑分子中形成孔洞所需要的自由能。在對(duì)溶液體系的研究中,還有一個(gè)重要的參數(shù)就是徑向分布函數(shù)RDF(r),它用來監(jiān)視溶液中溶質(zhì)周圍環(huán)境結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化,它的物理意義是對(duì)于任意的分布,在與α原子的距離為r處找到一個(gè)β原子的幾率。靜電效應(yīng)(ElectrostaticEffects)靜電力在分子間相互作用中處于首要地位,它的強(qiáng)度大而且是長程力。在分子中,原子核周圍的電子分布產(chǎn)生了一個(gè)靜電場(chǎng),它和其他核相互作用。溶質(zhì)分子和溶劑分子的電荷分布在溶劑化過程中扮演一個(gè)根本的角色。當(dāng)在溶液中，溶質(zhì)分子由于極化而出現(xiàn)的偶極矩μ作用于溶劑分子,使得溶劑分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩,而溶劑分子的誘導(dǎo)偶極矩反過來作用于溶質(zhì)分子,從而對(duì)溶質(zhì)分子產(chǎn)生一個(gè)額外的穩(wěn)定作用,即在溶質(zhì)分子周圍產(chǎn)生電場(chǎng)。這就是所謂的反應(yīng)場(chǎng)，它作用在溶質(zhì)分子上,改變了溶質(zhì)分子的自身的能量。而且由于溶劑分子的出現(xiàn),溶質(zhì)分子的分子內(nèi)庫侖相互作用也被屏蔽了(圖2一1)。短程力效應(yīng)(ShortRangeEffects)

除了溶質(zhì)分子和溶劑分子間的靜電極化效應(yīng),還有吸引-排斥（即范德華力）的相互作用影響著溶劑化自由能。這些原子在空間的相互作用是短程力,他們是由于溶質(zhì)分子和溶劑分子間有效的偶極子-偶極子的相互作用引起的，通常他們對(duì)溶劑化是起促進(jìn)作用的,因?yàn)樵诳锥粗車κ且獜?qiáng)于排斥力的。其他對(duì)溶劑化有貢獻(xiàn)的有溶質(zhì)分子和溶劑分子間的氫鍵作用能,這對(duì)于水溶液尤其是真實(shí)的。所有這些效應(yīng)都發(fā)生在溶質(zhì)周圍的一個(gè)短程范圍內(nèi),即第一水化層?？锥茨苁侨苜|(zhì)分子要在溶劑分子中形成孔洞所需要的能量。本質(zhì)上,這一項(xiàng)屬于熵效應(yīng)。它說明了由于在非極性溶質(zhì)分子周圍水分子的重新分布而使得熵減少了。尤其對(duì)于水,熵減少是因?yàn)橐粋€(gè)非氫鍵溶質(zhì)的出現(xiàn)而使有利于形成氫鍵的方法減少了，孔洞能還包括溶劑分子與溶劑分子間吸引-排斥相互作用的改變,而這個(gè)變化是由于孔洞內(nèi)溶劑分子的遺漏以及局部的溶劑結(jié)構(gòu)的改變。因?yàn)殪販p少,孔洞能對(duì)于溶劑化是不利的。分子的運(yùn)動(dòng)對(duì)溶劑化自由能也有貢獻(xiàn),它包括零點(diǎn)能(ZEP),熱振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)。這些貢獻(xiàn)一般不被明確地考慮,如果計(jì)算程序(例如,G98)提供振動(dòng)頻率、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算,那么這些項(xiàng)的計(jì)算就被增加到其他自由能的項(xiàng)中一起計(jì)算?？偟娜軇┗杂赡?TotalFreeEnergySolvation)溶劑化自由能必須考慮各種效應(yīng):長程效應(yīng),短程效應(yīng)和熵效應(yīng)(忽略由于分子運(yùn)動(dòng)引起的熵效應(yīng))。用公式可以表示為:ΔGsol=ΔGele+ΔGdlsp+ΔGrep+ΔGcav（2-1）顯然,上式(2-1)中不同的項(xiàng)會(huì)因?yàn)槿苜|(zhì)分子和溶劑分子結(jié)合方式的不同而以不同的方式影響溶劑化自由能。例如,對(duì)于像水一樣的極性溶劑,溶劑化自由能的靜電場(chǎng)分量（ΔGele）是占主導(dǎo)地位的,而短程相互作用（ΔGdlsp，ΔGrep）是次要的。另一方面,對(duì)于非極性溶劑,由于溶劑分子間相互作用較弱,孔洞能(ΔGcav)和靜電作用能是比較小的,相反短程相互作用卻占了優(yōu)勢(shì)。對(duì)于極性溶質(zhì)在極性溶劑的情況,靜電作用能占主導(dǎo)地位;反之對(duì)于非極性溶質(zhì)在非極性溶劑的情況,短程相互作用占主導(dǎo)地位。正確地對(duì)待溶劑化自由能對(duì)于理解溶液化學(xué)是至關(guān)重要的。對(duì)于化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)物和生成物的自由能可以確定化學(xué)平衡,過渡態(tài)和生成物的自由能的差額能夠控制反應(yīng)速率因子，溶液結(jié)構(gòu),例如徑向分布函數(shù)RDF(r),也能夠從溶劑化自由能中得到。但溶劑化自由能是很復(fù)雜的,為了使得計(jì)算易處理,需做許多假設(shè)和近似,一個(gè)關(guān)鍵的假設(shè)就是我們能夠把溶劑化自由能分成不同的部分,短程范德華作用能,熵效應(yīng)和長程靜電作用能。溶劑化模型處理溶液體系的模型有很多種,但大致上可以分為兩類:不連續(xù)模型(discretemodels)和連續(xù)模型(continummodels),這兩種模型各有千秋,可互相補(bǔ)充。下面我們從不同的方面來介紹這兩種模型的特點(diǎn)。不連續(xù)模型對(duì)于不連續(xù)模型,溶劑分子被明確的考慮,所選的許多溶劑分子的構(gòu)型形式被包括在系統(tǒng)的量子力學(xué)描述中。這樣在計(jì)算中,溶劑分子的微觀結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)-溶劑分子的相互作用能夠被清楚地描述。但是這種模型也是有缺點(diǎn)的,大量的溶劑分子需要模擬稀溶液中的溶劑分子,而且無論是QM方法還是MM計(jì)算方法都會(huì)限制不連續(xù)模型的應(yīng)用。不連續(xù)模型通常也不考慮溶質(zhì)的電子極化效應(yīng),而且溶質(zhì)和溶劑之間的靜電作用也依賴于所選力場(chǎng)的電荷參數(shù)。另外這種模型的計(jì)算效率不高,因?yàn)樵谟?jì)算中每個(gè)原子都被清楚地對(duì)待,就要增加三個(gè)自由度。另一方面,不連續(xù)計(jì)算提出將整個(gè)波函數(shù)分成兩個(gè)獨(dú)立的部分,分別來描述溶劑和溶質(zhì)分子,溶劑-溶劑和溶質(zhì)-溶劑的相互作用用半經(jīng)典的方法來處理。因此,不連續(xù)模型仍被廣泛地應(yīng)用于一些量子力學(xué)或分子力學(xué)方法中,并能得出好的結(jié)果。連續(xù)模型1.SASA方法緊密表面層溶劑法的模型第一次被Eisenberg在1986年提出。在這個(gè)模型里,溶質(zhì)分子由最靠近它的與它作用最大的一層溶劑分子環(huán)繞著,用測(cè)定每個(gè)原子或基團(tuán)與溶劑接觸的表面積計(jì)算溶液的自由能ΔGsol式中:N表示一個(gè)分子中有N個(gè)原子,σi是溶質(zhì)區(qū)域的表面矢量,Ai是該區(qū)域的表面積。該方法不區(qū)分各種能量的貢獻(xiàn),表面矢量參數(shù)包括可能考慮的多種相互作用,與其相關(guān)的幾種算法主要是測(cè)定緊密相連表面積方法,該方法常用來處理非常大的分子,僅用于分子力學(xué)(MM)模擬。在圖2-2中,我們以三個(gè)碳原子和一個(gè)示蹤原子為例來描述SASA模型。溶劑分子可當(dāng)作球形來處理,由于不同的溶劑性質(zhì)不同,那么所取的示蹤原子的半徑也不同。這種模型在概念上是很簡(jiǎn)單的,但是并不非?？煽俊Ｋ灿幸恍┤秉c(diǎn):這種模型為了在分子模擬中真正地有用,必需精確和有效的計(jì)算SASA和它相對(duì)于原子坐標(biāo)的梯度。表面矢量參數(shù)σ是用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的自由能來擬和的，這些σ值總結(jié)后放在一些分子數(shù)據(jù)集中。顯然地,這個(gè)模型的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于所用的數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確性,因此這個(gè)模型有一定的局限性。因?yàn)檫@個(gè)模型完全以緊密接觸的表面為基礎(chǔ)的,僅僅在溶質(zhì)表面上的原子才會(huì)受溶劑效應(yīng)的影響，所以不能夠計(jì)算長程效應(yīng),例如在極性溶劑中支配溶劑化過程的電介質(zhì)屏蔽效應(yīng)。人們已試圖通過輕微地修改方程(2-6)的形式或者通過在計(jì)算中合并溶質(zhì)占據(jù)的體積來修正上面的不足。Eisenberg也發(fā)展了該模型,參數(shù)σ考慮了五類原子:碳、中性氧和氮、帶電氧、帶電氮和硫，可用于研究蛋白質(zhì)和配位鍵。但是處理靜電作用的問題仍遺留下來。Born模型玻恩（波蘭）Onsager模型自洽反應(yīng)場(chǎng)方法PCM模型的溶質(zhì)與溶劑間界面的形狀Tomasi等提出的PCM模型即極化連續(xù)介質(zhì)模型,真實(shí)孔洞形狀來自溶質(zhì)分子中原子的范德華半徑,即孔洞半徑由范德華半徑乘以換算因子決定,除了酸性氫原子使用換