连续介质溶剂模型的误差最终被揭示出来

新的研究表明，量子计算模型可以捕捉复杂溶剂相反应机制中的物理化学，尽管最近有相反的说法。¹这项新研究引入了一个静态量子化学方案与显式溶剂模型。当无法进行分子动力学模拟时，它可以作为研究溶液相反应机制的替代方法。

“这个项目是随着一项相当有争议的研究的发表而发起的²德克萨斯农工大学的丹尼尔·辛格尔顿解释道约翰·基思他领导了这项工作。辛格尔顿的研究着眼于森田-贝利斯-希尔曼反应的复杂机制;由叔胺催化的烯烃和醛偶联反应。它强调了使用连续溶剂模型的负面影响，这种模型经常用于量子化学计算，以解释溶液相反应机制研究中的溶剂。基思解释说:“除了确定了一个完整的反应机制外，那篇论文的一个结论是，所有标准的量子化学建模程序都是错误的。”

这个结论自然在学界引起了轰动造型社区．虽然有些人认为辛格尔顿的结论过于消极，但基思的团队将其视为一个丰富的学习工具。他说:“我们不反对辛格尔顿的任何结论，但我们对使用连续溶剂方法的计算模型表现得如此之差感到非常惊讶。”

基思觉得有些东西从根本上缺失了。也许溶剂-反应物的相互作用对机械途径有重要意义?如果是这样的话，包含显式溶剂分子会比使用连续模型更准确。验证这一假设并不容易:“我最初认为需要6-12个月的工作，结果发现挑战性大得多。幸运的是，我有一个非常有才华的一年级博士生，Yasemin Basdogan她一直专注于这个项目，从不放弃——或者是我!基思说。

他们最初的计划是使用复杂的方法来提供比Singleton研究中更高精度的溶剂化能量。但结果并不一致。另一个研究小组，由比利时鲁汶大学的杰里米·哈维领导Raghavan Sunoj印度理工学院孟买分校的一位教授也有类似的想法。哈维和苏诺的研究^3.报道的溶剂化能量与Singleton的结果一致，但他们使用的是分子动力学方法，耗时且技术要求高。

不再猜测

基斯改变了他最初假设的重点:从高级理论转向理解标准建模方法失败的原因。他表明连续溶剂模型不能很好地描述局部溶剂化效应。这可能导致像质子穿梭和电荷转移这样的机械步骤被建模得很差。作为一种替代方案，他开发了一种任何对量子化学有大致了解的人都可以执行的策略。

该策略的第一步是确定假设的反应物状态，这些状态周围聚集着不同数量的溶剂分子，然后对这些状态进行全局优化。只需要考虑少量的溶剂分子:Keith的团队发现使用5个溶剂分子就足够了。接下来，你需要系统地探索反应途径，使用增长弦法计算，以消除模型与不现实的障碍，已知的反应步骤发生实验。长弦法是一种简单的反应路径和过渡态查找工具。最后，你应该能够识别一个具有合理反应剖面的模型，使用可信的计算水平的能量或可用的实验数据。一个可选的额外步骤是识别亚稳中间态之间的势垒高度，以获得更完整的图像，使用生长弦方法。

所得的溶剂化能与Singleton和Sunoj的结果一致，尽管只明确地模拟了少量的溶剂分子。保罗·齐默尔曼他是美国密歇根大学的理论化学家，他开发了自己的生长弦法计算代码。他说，基思的工作终结了过去的指控，即“量子化学模型可能不仅是非定量的，甚至在定性上也具有误导性”。这项研究表明，“物理上正确的模型可以在合理的成本下做出，而无需‘猜测’，化学模拟可以根据正确的原因给出正确的答案。”

Keith指出，“任何使用这种方法的人都应该意识到，它不能取代计算动力学社区成员多年来开发的完整而健壮的模拟。这种方法只能提供沿着单一路径的单一配置的能量剖面。“用户需要进行多次试验和错误尝试，以找到符合化学直觉和可用实验数据的合适配置。