溶劑效應(yīng)（影響溶液內(nèi)反應(yīng)平衡等的效應(yīng)）
次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-19
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溶劑效應(yīng)
影響溶液內(nèi)反應(yīng)平衡等的效應(yīng)
溶劑效應(yīng)是溶劑對(duì)于反應(yīng)速率、平衡甚至反應(yīng)機(jī)理的影響，絕大多數(shù)在溶劑中發(fā)生的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，溶劑的性質(zhì)不僅對(duì)反應(yīng)速率而且對(duì)反應(yīng)平衡都是非常重要的。溶劑可分極性溶劑和非極性溶劑，極性溶劑又可分為質(zhì)子溶劑和非質(zhì)子偶極溶劑。溶劑效應(yīng)對(duì)反應(yīng)速度常數(shù)的影響依賴于溶劑化反應(yīng)物分子和相應(yīng)溶劑化過渡態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定性。在有機(jī)反應(yīng)中，通常情況下，烷烴發(fā)生的自由基反應(yīng)的特點(diǎn)是基本不受溶劑效應(yīng)的影響。
基本信息
| 中文名 | 溶劑效應(yīng) |
| 外文名 | solvent effect |
| 作用 | 影響溶液內(nèi)的反應(yīng)平衡及 速率 |
| 學(xué)科 | 有機(jī)化學(xué) |
| 本質(zhì) | 靜電作用 |
| 別名 | 溶劑化作用 |
收起
基本簡(jiǎn)介
溶劑效應(yīng)
溶劑效應(yīng)對(duì)反應(yīng)的影響的關(guān)注歷史悠久。不同的溶劑可以影響反應(yīng)速率，甚至改變反應(yīng)進(jìn)程和機(jī)理，得到不同的產(chǎn)物。溶劑對(duì)反應(yīng)速率的影響十分復(fù)雜，包括反應(yīng)介質(zhì)中的離解作用、傳能和傳質(zhì)、介電效應(yīng)等物理作用，）和化學(xué)作用，溶劑參與催化、或者直接參與反應(yīng)（有人不贊成將溶劑參與反應(yīng)稱作溶劑效應(yīng)）。
通常我們對(duì)溶劑效應(yīng)的靜態(tài)模擬，關(guān)心的是溶劑效應(yīng)的兩個(gè)方面：一是溶劑分子反應(yīng)中心有鍵的作用，包括配位鍵和氫鍵等，這種作用屬于短程作用，另一個(gè)是極性溶劑的偶極距和溶質(zhì)分子偶極距之間的靜電相互作用，這個(gè)屬于遠(yuǎn)程作用，當(dāng)然溶劑和溶質(zhì)之間的色散力作用也是重要的遠(yuǎn)程作用，特別是對(duì)于非極性溶劑而言，但是色散力的描述是量子化學(xué)模擬的一個(gè)難題。
高斯計(jì)算時(shí)，考慮溶劑效應(yīng)，可以采用三種策略：
對(duì)于短程作用十分重要的體系，我們采用microsolvation model，或者稱為 explicit Solvation model。直接考慮溶劑分子和反應(yīng)中心的作用。
對(duì)于沒有短程作用的體系，我們直接用虛擬溶劑模型(Implicit Solvation Model)來模擬遠(yuǎn)程作用。這種虛擬溶劑模型通常是把溶劑效應(yīng)看成是溶質(zhì)分子分布在具有均一性質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)(Continuum)當(dāng)中，也稱為反應(yīng)場(chǎng)(Reaction Field)。
短程作用的microsolvation model和遠(yuǎn)程作用的連續(xù)介質(zhì)(Continuum)模型結(jié)合起來的方法漸漸為人們所青睞。這種方法得到的結(jié)果更為可靠，因?yàn)樗C合考慮的溶劑的短程作用和遠(yuǎn)程作用。
短程作用的模擬，很直觀的直接采用QM的方法研究溶劑分子作用了的活性中心，考慮這種成鍵對(duì)反應(yīng)區(qū)域和反應(yīng)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)和能量的影響。遠(yuǎn)程作用需要做一些物理上的近似處理（也就是一定的物理模型）。連續(xù)介質(zhì)(Continuum)模型有很多，作為常用的是PCM (極化連續(xù)介質(zhì)模型，Polarized Continuum Model)。其他一些常用的連續(xù)介質(zhì)模型還包括Onsager, COSMO, SMx等等。PCM最早于1981年由Tomasi教授（意大利比薩大學(xué)）提出。
涉及到三個(gè)概念cavity formation， dispersion-repulsion 和electrostatic interaction。在連續(xù)的介質(zhì)中騰出空穴(cavity)以容納溶質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致體系能量升高，這部分的能量稱為cavity formation energy。空穴中的溶質(zhì)和溶劑的作用，主要是范德華力的作用 (不包括靜電作用)。這部分能量稱為分散-排斥能(dispersion-repulsion energy)，一般為負(fù)值(能量降低)。溶質(zhì)分子的電荷分布會(huì)通過靜電作用使連續(xù)介質(zhì)(溶劑)產(chǎn)生極化，而溶劑的極化作用反過來又會(huì)影響到溶質(zhì)分子的電荷分布。這就是靜電的相互作用(electrostatic energy)，使體系能量降低。三項(xiàng)能量的加和得到了溶劑化自由能（free energy of solvation），前兩項(xiàng)的能量與空穴表面積接近成正比關(guān)系，在PCM模型中，這兩項(xiàng)能量由表面積結(jié)合一些與原子特性相關(guān)的半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算而得。
為了提高PCM計(jì)算的精確度，PCM模型中的半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和物理近似一直在改進(jìn)，
DPCM(Dielectric PCM，極化絕緣連續(xù)介質(zhì)模型)，也就是Tomasi提出的原始PCM模型。
IPCM
(Isodensity PCM, 等密度表面極化連續(xù)介質(zhì)模型)
IPCM采用分子的等(電子)密度面作為 空穴(例如 電子密度為0.001的表面)，同樣進(jìn)行 自洽反應(yīng)場(chǎng)疊代，直至等密度面不再變化為止。
等密度面
SCIPCM同樣采用分子的等(電子)密度面作為空穴，與IPCM不同的是SCIPCM除了考慮 靜電效應(yīng)對(duì)等密度面的影響之外，還將體系總 能量(包括溶解能)包括進(jìn)來，以優(yōu)化到具有最低能量的等密度面。因?yàn)橛捎诘让芏让? 空穴)的變化會(huì)影響cavity formation energy和dispersion-repulsion energy，所以把這兩項(xiàng)因素加入疊代是很有必要的。
精度降低
(COnductor-like Screening MOdel)
和典型的PCM不同，CPCM或者COSMO采用原子 電荷而不是 電子密度來計(jì)算 靜電勢(shì)。由于采用了這個(gè)近似，雖然計(jì)算速度快很多，但精度也有所降低。
默認(rèn)方法
(PCM using the Intergral Equation Formalism model)
使用不同數(shù)學(xué)模型的PCM模型，可以計(jì)算在 各項(xiàng)異性介質(zhì)(例如液晶)或非絕緣溶液(離子溶液)中的溶劑效應(yīng)。是Gaussian 03的默認(rèn)方法。
樣品溶液的溶劑強(qiáng)度強(qiáng)于流動(dòng)相溶劑強(qiáng)度時(shí)可能會(huì)造成的峰展寬、峰分叉現(xiàn)象。
現(xiàn)象
色譜圖上較早洗脫的峰扭曲變形或者開叉，與此同時(shí)較晚洗脫的峰則較為尖銳與對(duì)稱，這些現(xiàn)象顯示一個(gè)比較特殊的起因――樣品溶液的溶劑很可能強(qiáng)于 流動(dòng)相。例如樣品溶液的溶劑是100% 乙腈（100%的強(qiáng)溶劑），而 流動(dòng)相的組成則較弱，18%的乙腈與72%的水。第一個(gè)峰是開叉的，并且與第二個(gè)峰相比，明顯地變寬了。當(dāng)樣品溶液的溶劑變成 流動(dòng)相時(shí)，所有的峰形都改善了，且變得尖銳。
解釋
當(dāng) 樣品進(jìn)樣時(shí)，有可能出現(xiàn)峰展寬，最佳的樣品溶液組成和體積將會(huì)保持在10%甚至更低，在這個(gè)例子里，當(dāng)樣品溶劑與流動(dòng)相溶劑強(qiáng)度不同時(shí)，換句話來說，也就是樣品未用流動(dòng)相溶解，因此，有些樣品分子溶解在強(qiáng)溶劑(
),并隨強(qiáng)溶劑流過柱子，而有些則溶解在流動(dòng)相中，從而導(dǎo)致峰分叉。
當(dāng)樣品與 流動(dòng)相強(qiáng)度相差較小，進(jìn)樣影響也會(huì)小，第一個(gè)峰可能會(huì)寬于第二個(gè)峰，而當(dāng)這種展寬導(dǎo)致必要的分離度降低時(shí)，這樣情況應(yīng)引起注意，例如使用一根短柱，和5UL進(jìn)樣，這與最佳進(jìn)樣體積4UL相近，用了 極性更強(qiáng)的溶劑導(dǎo)致分離度明顯的降低。
避免的方法
盡量用流動(dòng)相來溶解樣品，對(duì)于 梯度洗脫，采用初始的流動(dòng)相比例。對(duì)于在流動(dòng)相中溶解度小，必須用強(qiáng)溶劑的時(shí)候，減少進(jìn)樣體積以消除溶劑效應(yīng)的影響。
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