Các tính chất lý hóa của phân tử có thể thay đổi nhiều khi chuyển từ trạng thái cô lập sang dung dịch. Trong hóa học tính tốn, các mơ hình dung mơi cho phép mô phỏng gần đúng sự ảnh hưởng của dung mơi lên các tính chất vật lý và hóa học của
các phân tử. Các mơ hình dung mơi có thể chia thành hai lớp: mơ hình dung mơi khơng tường minh và mơ hình dung mơi tường minh.
Mơ hình dung mơi khơng tường minh
Trong mơ hình này, các phân tử dung môi không được xem xét dưới dạng các phân tử riêng biệt mà xem dung môi là môi trường liên tục phân cực và đồng nhất. Một số thông số của dung mơi được sử dụng để mơ hình hóa như hằng số điện mơi, độ nhớt, bán kính phân tử dung mơi,…
Hình 2.3. Minh họa cách xây dựng chung của khoang dung môi
Cách xây dựng khoang dung môi chứa chất tan được minh họa trên Hình 2.3. Trong đó VdW là bề mặt van der Waals được xây dựng từ bán kính van der Waals của nguyên tử (trừ nguyên tử H). SES là bề mặt ngăn cách dung môi của chất tan, bề mặt được tạo ra khi lăn đầu dị (probe) hình cầu trên bề mặt VdW. SAS là bề mặt tiếp xúc dung môi. Sự tương tác giữa trường tĩnh điện trên phân tử chất tan và trên bề mặt của khoang dung môi làm sắp xếp lại sự phân bố điện tích trên phân tử và trên bề mặt khoang dung mơi. Sau đó trường tĩnh điện tương tác này được điều chỉnh lặp lại theo hướng trường tĩnh điện của chất tan tự hợp với trường tĩnh điện dung môi.
Hầu hết trong các mơ hình dung mơi khơng tường minh, năng lượng tự do solvat hóa của phân tử được tính dưới dạng tổng của ba số hạng:
=++
(2.23)
Các thành phần này đại diện cho năng lượng tạo khoang dung môi (cavity), năng lượng tương tác tĩnh điện (electrostatic) và năng lượng tương tác van der Waals. Trong hóa học lượng tử, tác động của dung môi không tường minh lên phân tử chất tan được xem xét như một nhiễu loạn lên toán tử Hamilton năng lượng.
̂̂ ̂̂ ̂̂ (2.24)
ổ = ℎấ +
Trong đó, ̂ ổ là toán tử Hamilton tổng của hệ, ̂ ℎấ là toán tử Hamilton của chất tan ở dạng không tương tác với dung mơi và ̂
là tốn tử Hamilton nhiễu loạn do tương tác giữa chất tan và dung mơi. Các mơ hình dung mơi khơng tường minh thường được sử dụng như: mơ hình liên tục phân cực (PCM hay Polarizable continuum model), mơ hình solvat hóa dựa trên mật độ chất tan (SMD hay Solvation model based on solute electron density) [143].
Mô hình PCM được xây dựng bởi Tomasi và đồng nghiệp [144], là một trong
những mơ hình dung mơi liên tục được sử dụng rộng rãi nhất. Có hai biến thể được sử dụng phổ biến là DPCM trong đó dung mơi được xem là mơi trường có điện mơi liên tục và có thể phân cực và CPCM trong đó dung môi là môi trường liên tục phân cực giống như chất dẫn điện tương tự như mơ hình COSMO (conductor-like screening model).
Mơ hình SMD được phát triển bởi Truhlar và cộng sự, dựa trên sự tương tác của mật
độ electron trên chất tan với trường dung mơi liên tục [145]. SMD có thể được coi là một cải tiến so với PCM, vì sử dụng mật độ electron đầy đủ thay vì chỉ điện tích như PCM. Mơ hình SMD đã được tham số hóa với tập huấn luyện gồm 2821 dữ liệu về năng lượng tự do solvat hóa bao gồm 112 giá trị năng lượng tự do solvat hóa của các ion trong nước, 220 giá trị năng lượng tự do solvat hóa của 116 ion trong acetonitrile, methanol và dimethyl sulfoxide, 2346 giá trị năng lượng tự do solvat hóa của 318 chất tan trung hịa trong 91 dung mơi, và 143 giá trị năng lượng tự do phân bố của 93 chất tan trung hịa giữa nước và 15 dung mơi hữu cơ. SMD là mơ hình dung mơi tốt nhất hiện nay để tính năng lượng tự do solvat hóa với sai số trung bình 0,6 – 1,0 kcal.mol–1 ở mức lý thuyết đã được tham số hóa tại M052X/6-31G(d).
Mơ hình dung mơi tường minh
Trong mơ hình này, các phân tử dung môi bao bọc xung quanh chất tan được xem xét riêng biệt. Các mơ hình này thường được sử dụng trong cơ học phân tử (MM hay molecular mechanics) và động lực học phân tử (MD hay molecular dynamic) hoặc mô phỏng Monte Carlo. Các mô phỏng động lực học phân tử cho phép nghiên
cứu sự tiến hóa theo thời gian của các hệ hóa học. Những mơ phỏng này thường sử dụng trường lực cơ học phân tử là các hàm thực nghiệm, được tham số hóa để có thể tính tốn hiệu quả các thuộc tính và chuyển động của hệ lớn [146].
Mơ hình dung mơi kết hợp
Trong mơ hình này dung mơi được xem xét theo kiểu kết hợp hai mơ hình dung mơi tường minh và dung mơi khơng tường minh. Ví dụ trong các phương pháp kết hợp cơ học lượng tử và cơ học phân tử (QM/QMM hay quantum mechanics/molecular mechanics). Lõi chứa phân tử chất tan được xử lý bằng QM, lớp thứ hai bao gồm các phân tử dung môi riêng biệt được xử lý bằng MM và lớp thứ ba cuối cùng sử dụng mơ hình dung mơi khơng tường minh. Có nhiều cách kết hợp để mơ hình hóa dung mơi bằng tính tốn QM/MM. Ngồi ra một số phân tử dung mơi có thể được thêm vào vùng QM và phần còn lại được xử lý theo mơ hình MM và dung mơi khơng tường minh [132].