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计算化学/连续溶剂化模型

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连续溶剂化模型简介

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我们关心的多数反应实际上是在某种流体介质中进行的,而不是在零开尔文的气相中。(有一个有趣但并不实用的哲学观点,即宇宙中最常见的反应是 H2 + 质子 >> H3+ 在 3 开尔文(大爆炸温度的残余)和极低压力下进行。宇宙的大部分是由氢组成的,其物质大部分存在于星系之间广阔的空间中。)

有一些方法可以处理溶剂介质问题,它们都不是完全令人满意的,但其中一些对于稀溶液非常有效。阅读阿特金斯的《物理化学》中的电化学和离子气氛部分,详细了解其中的一些问题。

连续介质与量子力学

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我们选择的方法将放弃对溶剂作为离散分子的描述,而用连续介质代替它。这就像一个果冻,它可以通过非零电势进行静电应变,这些电势既屏蔽又与系统的量子部分相互作用。

介电常数

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介电常数是一个无量纲的数,它是电介质常数与真空介电常数的比值,它决定了溶剂的化学特性。较大的数表示极性溶剂。较小的数表示非极性。较大的数意味着库仑项被衰减,尽管能量仍然随着 1/r 衰减,但其值比自由空间中的值更小。

下表是对来自以下主要和次要来源的数据的综合,需要在研究中查询这些数据的精确值。

介电常数来源的引用

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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,物理化学,牛津大学出版社(第 4 版);以及CRC 化学和物理手册,D. R. Lide 编辑,第 77 版,(CRC 出版社,博卡拉顿,1996)。


这些数字并不总是相符,即使它们名义上具有三位小数的精度。一个推荐数字的单一列表是从以上来源中多少有点武断地选择的。

相对介电常数(介电常数)表,25 摄氏度。

自由空间1.00 氨(液体)16.9~
甲烷1.70 丙酮 19.75
环己烷1.87 乙醇 24.20
二恶烷 2.19 甲醇 30.71
四氯化碳 2.21 硝基苯34.82
2.25 CH3CN36.05
乙醚 3.89 CH3NO236.48
CHCl3 4.806 DMSO 45.80
CH2Cl2 8.54 78.54
硫化氢(液体)9.26


该分子存在于介电常数为 1 的形状中,自由空间,在量子区域之外是具有连续介电常数的连续介质,该介电常数根据被建模的系统进行选择。当介电常数很高时,相互作用的能量最负。这可以通过介电常数中的镜像电荷在连接处附近较大,并迅速被屏蔽,但接近分子中极性基团中相反值的镜像电荷来合理化。显然,当分解时,每个原子的能量将遵循具有最高穆利肯电荷密度的原子。

这样的计算将允许预测前面讨论的乙酸的,当然它仍然会给出错误的答案,因为熵项完全不存在于模型中。

Macromodel 的溶剂化模型使用来自官能团的衍生电荷,但当然它明确地使用分子的分子力学形状。

介电屏蔽

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对于一些分子力学应用,特别是计算内部大分子中的长程库仑力,可能会使用除 1 以外的介电常数。(在蛋白质建模中通常使用常数 4)。真正的量子处理将允许电子进行内部屏蔽,但分子力学只能通过某种修正来处理这种情况。通常使用等效于烷烃的介电常数。


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