3.过渡态相关问题

3.1 无过渡态的反应途径(barrierless reaction pathways)

并非所有反应途径都需要越过势垒,这类反应在很低的温度下就能发生,盲目找它们的过渡态是徒劳的。常见的包括自由基结合,比如甲基自由基结合为乙烷;自由基向烯烃加成,比如甲基自由基向乙烯加成成为丙基自由基;气相离子向中性分子加成,比如叔碳阳离子向丙烯加成。等等。

3.2 Hammond-Leffler假设

过渡态在结构上一般会偏向反应物或者产物结构一边。Hammond-Leffler假设对预测过渡态结构往哪个方向偏是很有用的,意思是反应过程中,如果两个结构的能量差异不大,则它们的构型差异也不大。由此可知对于放热反应,因为过渡态能量与反应物差异小,与产物差异大,故过渡态结构更偏向反应物,相反,吸热反应的过渡态结构更偏向产物。所以初猜过渡态结构应考虑这一问题。

3.2 对称性问题

如果已经明确地知道过渡态是什么对称性,而且对称性高于平衡态对称性,且可以确信在这个高对称性下过渡态是能量最低点,则可以强行限制到这个对称性之后进行几何优化,几何优化算法比寻找过渡态算法方法更可靠。比如$\ce{F +CH3F->FCH3 +F}$这个SN2反应,过渡态就是伞形翻转的一刻,恰为高对称性的D3h点群,而反应路径上的其它结构对称性都比它低,所以在D3h点群条件下优化,得到的能量最低点就是过渡态。

如果过渡态对称性不确定,则找过渡态计算的时候不宜设任何对称性,否则若默认保持了平衡态下的对称性,得到的此对称下的过渡态并不是真正的过渡态,容易得到二阶或高阶鞍点。

3.3 溶剂效应

计算凝聚态条件下过渡态的性质,必须考虑溶剂效应,它明显改变了势能面。一般对过渡态的结构影响较小,但对能量影响很大。有时溶剂效应也会改变反应途径,或产生气相条件下没有的势垒。溶剂条件下,上述寻找过渡态的方法依然适用。应注意涉及到与溶剂产生氢键等强相互作用的情况,隐式溶剂模型是不适合的,需要用显式溶剂考察它对过渡态的影响,即在输入文件中明确表达出溶剂分子。

3.4 计算过渡态的建议流程

一般建议的流程是: 1 用中等计算级别找过渡态,如$B3LYP/6-31G$。 2 用相同水平对上一步找到的过渡态做振动分析,检验是否仅有一个虚频,以及观看其振动模式的动画来考察振动方向是否连接反应物与产物结构。有必要时可以做IRC进一步检验。 3 用高级别方法(如双杂化泛函或CCSD(T)结合def2-TZVP等中/高质量基组)对第1步得到的过渡态结构计算能量。 另外,如果对$B3LYP/6-31G$这样级别的过渡态的精度还不够满意(虽然通常已经够了),可以以这个级别的过渡态为初猜结构,改用更好的方法和基组去进一步优化过渡态结构。