計算化學/連續溶劑化模型
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我們關心的多數反應實際上是在某種流體介質中進行的,而不是在零開爾文的氣相中。(有一個有趣但並不實用的哲學觀點,即宇宙中最常見的反應是 H2 + 質子 >> H3+ 在 3 開爾文(大爆炸溫度的殘餘)和極低壓力下進行。宇宙的大部分是由氫組成的,其物質大部分存在於星系之間廣闊的空間中。)
有一些方法可以處理溶劑介質問題,它們都不是完全令人滿意的,但其中一些對於稀溶液非常有效。閱讀阿特金斯的《物理化學》中的電化學和離子氣氛部分,詳細瞭解其中的一些問題。
我們選擇的方法將放棄對溶劑作為離散分子的描述,而用連續介質代替它。這就像一個果凍,它可以透過非零電勢進行靜電應變,這些電勢既遮蔽又與系統的量子部分相互作用。
介電常數是一個無量綱的數,它是電介質常數與真空介電常數的比值,它決定了溶劑的化學特性。較大的數表示極性溶劑。較小的數表示非極性。較大的數意味著庫侖項被衰減,儘管能量仍然隨著 1/r 衰減,但其值比自由空間中的值更小。
下表是對來自以下主要和次要來源的資料的綜合,需要在研究中查詢這些資料的精確值。
M. Witanowski, W. Sicinska, Z. Biedrzycka, Z. Grabowski 和 G. A. Webb, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 619 (1996); A. d' Aprano, A. Capalbi, M. Iammarino, V. Mauro, A. Princi, B. Sesta, J. Solution Chem., 第 24 卷,227,(1995); P. W. 阿特金斯,物理化學,牛津大學出版社(第 4 版);以及CRC 化學和物理手冊,D. R. Lide 編輯,第 77 版,(CRC 出版社,博卡拉頓,1996)。
這些數字並不總是相符,即使它們名義上具有三位小數的精度。一個推薦數字的單一列表是從以上來源中多少有點武斷地選擇的。
相對介電常數(介電常數)表,25 攝氏度。
| 自由空間 | 1.00 | 氨(液體) | 16.9~ | |
|---|---|---|---|---|
| 甲烷 | 1.70 | 丙酮 | 19.75 | |
| 環己烷 | 1.87 | 乙醇 | 24.20 | |
| 二惡烷 | 2.19 | 甲醇 | 30.71 | |
| 四氯化碳 | 2.21 | 硝基苯 | 34.82 | |
| 苯 | 2.25 | CH3CN | 36.05 | |
| 乙醚 | 3.89 | CH3NO2 | 36.48 | |
| CHCl3 | 4.806 | DMSO | 45.80 | |
| CH2Cl2 | 8.54 | 水 | 78.54 | |
| 硫化氫(液體) | 9.26 |
該分子存在於介電常數為 1 的形狀中,即自由空間,在量子區域之外是具有連續介電常數的連續介質,該介電常數根據被建模的系統進行選擇。當介電常數很高時,相互作用的能量最負。這可以透過介電常數中的映象電荷在連線處附近較大,並迅速被遮蔽,但接近分子中極性基團中相反值的映象電荷來合理化。顯然,當分解時,每個原子的能量將遵循具有最高穆利肯電荷密度的原子。
這樣的計算將允許預測前面討論的乙酸的,當然它仍然會給出錯誤的答案,因為熵項完全不存在於模型中。
Macromodel 的溶劑化模型使用來自官能團的衍生電荷,但當然它明確地使用分子的分子力學形狀。
對於一些分子力學應用,特別是計算內部大分子中的長程庫侖力,可能會使用除 1 以外的介電常數。(在蛋白質建模中通常使用常數 4)。真正的量子處理將允許電子進行內部遮蔽,但分子力學只能透過某種修正來處理這種情況。通常使用等效於烷烴的介電常數。
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