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行為。然而,以往的研究中都是將氣相下的計算結(jié)果直接應(yīng)用于溶液體系或與溶液中的實驗結(jié)果進行比較，這不但無法反映出溶液中分子的真實行為,而且對一些溶劑敏感的體系來說甚至可能得出錯誤的結(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年代由于計算機的出現(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的從頭計算研究逐步展開,80年代,量子化學(xué)的研究對象也從中小分子向較大分子、重原子體系發(fā)展,隨之而來了各種計算方法和程序化,是MO理論和從頭算技術(shù)大發(fā)展時期。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,而以密度函數(shù)為基。但直到90年代,隨著化學(xué)研究對象的不斷拓寬,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,這時考慮溶劑效應(yīng)的量子化學(xué)計算方法便發(fā)展了起來。對于溶劑效應(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)計算方法,如:自洽反應(yīng)場方法(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)典力場的動力學(xué)模擬方法,如分子動力學(xué)(MolecularDynamic,MD)模擬和MonteCarlo模擬等。以上諸方法各有特色和優(yōu)缺點,有些方法還可以相互結(jié)合。其中自洽反應(yīng)場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,進行分子軌道方法計算,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更大的但仍是孤立的體系中進行處理。QM/MM方法是把研究體系設(shè)為幾個區(qū)域,在中心區(qū)域進行高精度的量子化學(xué)計算(QM),在周邊區(qū)域進行半經(jīng)驗或分子力學(xué)計算(MM),該方法也是處理溶液體系的一個較好的方法，分子動力學(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),而對溶劑化自由能的計算則沒有自洽反應(yīng)場方法計算得到的結(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行。而水作為溶劑,對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)境強烈地影響溶質(zhì)的行為,即溶劑可作為某種場來處理。因此,在理論上理解和精確計算溶劑效應(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)分子從真空的一個固定位置移至溶劑中的一個固定位置的過程。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)的計算由三部分組成：靜電勢、范德華力和孔洞能。靜電勢就是討論溶質(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。在對溶液體系的研究中,還有一個重要的參數(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,它的物理意義是對于任意的分布,在與α原子的距離為r處找到一個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)生了一個靜電場,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,從而對溶質(zhì)分子產(chǎn)生一個額外的穩(wěn)定作用,即在溶質(zhì)分子周圍產(chǎn)生電場。這就是所謂的反應(yīng)場，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，通常他們對溶劑化是起促進作用的,因為在孔洞周圍吸引力是要強于排斥力的。其他對溶劑化有貢獻的有溶質(zhì)分子和溶劑分子間的氫鍵作用能,這對于水溶液尤其是真實的。所有這些效應(yīng)都發(fā)生在溶質(zhì)周圍的一個短程范圍內(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。尤其對于水,熵減少是因為一個非氫鍵溶質(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。因為熵減少,孔洞能對于溶劑化是不利的。分子的運動對溶劑化自由能也有貢獻,它包括零點能(ZEP),熱振動、轉(zhuǎn)動、平動。這些貢獻一般不被明確地考慮,如果計算程序(例如,G98)提供振動頻率、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計力學(xué)計算,那么這些項的計算就被增加到其他自由能的項中一起計算?？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)(忽略由于分子運動引起的熵效應(yīng))。用公式可以表示為:ΔGsol=ΔGele+ΔGdlsp+ΔGrep+ΔGcav（2-1）顯然,上式(2-1)中不同的項會因為溶質(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,對于像水一樣的極性溶劑,溶劑化自由能的靜電場分量（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。對于極性溶質(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。正確地對待溶劑化自由能對于理解溶液化學(xué)是至關(guān)重要的。對于化學(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,為了使得計算易處理,需做許多假設(shè)和近似,一個關(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,可互相補充。下面我們從不同的方面來介紹這兩種模型的特點。不連續(xù)模型對于不連續(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計算方法都會限制不連續(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的電荷參數(shù)。另外這種模型的計算效率不高,因為在計算中每個原子都被清楚地對待,就要增加三個自由度。另一方面,不連續(xù)計算提出將整個波函數(shù)分成兩個獨立的部分,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,用測定每個原子或基團與溶劑接觸的表面積計算溶液的自由能ΔGsol式中:N表示一個分子中有N個原子,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,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,我們以三個碳原子和一個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單的,但是并不非常可靠。它也有一些缺點: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算SASA和它相對于原子坐標(biāo)的梯度。表面矢量參數(shù)σ是用實驗測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,因此這個模型有一定的局限性。因為這個模型完全以緊密接觸的表面為基礎(chǔ)的,僅僅在溶質(zhì)表面上的原子才會受溶劑效應(yīng)的影響，所以不能夠計算長程效應(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