【文献解读010期】计算化学的今天与明天02
此篇文章为一个综述的连载翻译，今天推送的是第二期~
“S Grimme和P Schreiner 2018年在Angew上的综述译文 第一期”
丹麦政治家K K Steincke曾经在自传中写下了“做出判断不易，做出预言更难”的论断。许多计算化学家自称做出了预言，但许多情况下他们其实只是进行了“计算”或“判断”，就好像有不计其数的计算工作“预言”了一些关于水的二聚体的众所周知的事实。
而在这篇文章中，我们打算对计算化学的未来做出一些“预言”。当然在此之前也有许多人指出了计算化学将在未来面临何种挑战；而我们则将站在不同的角度，着重关注化学界正在发生的变化，这些变化很大程度上是由理论，算法和数据科学的发展而推动的。
本文的两位作者年纪相仿，都在计算化学领域工作了超过25年。凭借作者的经验，对未来25年（也就是到2043年为止，那时两位作者可能都已退休）进行预言或许并非痴人说梦。
2.快速的量子化学方法将取代力场
由于其可以极高的速度估算能量和受力，力场方法在有大量自由度的巨大体系中大显身手，但它的历史使命已经快要结束了。历史上人们发展了多种力场，我们猜测最后一个被广泛用于用于各种场合的力场可能是1989年提出的MM3。现在构象搜索的主流是半经验和低耗时DFT方法。由于2000年前后DFTB的提出，拥有50年历史的半经验方法再次焕发出了活力。相较于早期半经验方法，如AM1, PM6等，DFTB更多地表现出一些DFT的优点，且可用于86号元素之前的全部元素。相比之下，另一种常用于描述化学反应的力场，即“反应力场”，则缺乏明确的物理意义，今后很可能会被取代。
对于大于一万个原子的体系，可极化力场可能会在未来一段时间仍然得以应用。经典力场在未来探索高自由度的势能面方面可能仍有用武之地，但很可能会结合机器学习等方面的进展，通过即时调整立场参数来增强精度。另一个有意义的研究方向是“embedding theory”，它将大体系分解为若干不同尺寸的片段而降低耗时，其精度相对中等，但一般也是足够的。
3. WFT方法和DFT方法仍将共存
现在的人们往往认为波函数方法（WFT）精确但缓慢，且对强关联体系表现不佳，而DFT虽然形式上也是精确的，但难以系统性地发展和应用。这一差别仍将继续存在，但未来会逐渐消弭。即使是今天，诸如双杂化和RPA等较好的DFT方法已经纳入了不少WFT成分，从某种意义上也可以看做一种WFT方法。事实上一些体系中双杂化已经表现出了可与耦合簇相比的精度。与此同时，随着DLPNO-CCSD(T)的发展，DFT用于单点计算的意义也正在受到挑战。
过去几十年来，DFT一些基本问题，例如自相关问题，始终困扰着人们，直到现在也未能完全解决。考虑H2和H2+的例子：几乎所有的泛函对于它们的解离行为都只能正确描述一种，当一种能正确描述时另一种就无法正确处理了。毫无疑问这个问题将是接下来的理论化学家必须面对的挑战。泛函开发者除了要开发出能得到正确的能量的泛函外，还必须注意泛函的普适性和数值稳定性，特别是对于拟合派，要着力避免过拟合。
WFT领域的挑战则在于WFT的基组收敛性往往很差。随着F12方法的发展，WFT的基组收敛性有所提高，作者希望25年后这个问题能迎来彻底的解决，届时6-31G(d)等低档基组也可用于WFT计算。另一个问题是WFT对强关联体系描述不好，这个问题能否在短时间内解决对作者来说还是个未知数。
4. 熵和动态学的处理问题有望得到解决
大体系既有许多电子，也有许多原子核。传统量子化学方法基于玻恩奥本海默假设，着重关注电子结构并引入振动量子化，却也因此不擅长处理具有相当大自由度的体系。过去25年来，寻找药物分子和相关生物大分子的低能构象是基于力场的分子动力学领域的中心任务之一。未来，量子化学的发展可能会更多地助力这一领域。一个与此相关的同样严峻的问题是如何精确处理熵。尽管人们往往半经典地处理核运动，有时隧穿在一些体系中比较重要，此外对光谱的精确计算也需要考虑核的量子效应。现在人们已经注意到，在热力学和动力学控制之外，隧穿控制也是决定化学反应方向的“第三准则”，因此隧穿的问题不可回避。一些最近的例子包括羧酸和氨基酸的构象问题，卡宾的反应性，一些光化学过程，以及自由基攫取等等。
动态学在反应机理中也至关重要。在许多反应中，真实轨迹明显偏离基于谐振近似和变分过渡态的结果。另一个例子是对于在酶催化反应中只有考虑核动态学才能正确估算反应的时间尺度。材料科学中，量子动态学对于理解许多材料的电子结构和光学性能也十分关键。核的量子化运动时常改变光谱的吸收形状，甚至材料的带隙。最后，有些分子是流变的（如CH5+），只能用考虑动态学的方法来描述。显然，忽略动态学效应的化学理论（包括教科书上给学生传授的定性规律）将严重阻碍下一代科学家正确理解化学世界。
另一个问题是关于零点能的。大分子的零点能往往很大，远超过化学尺度，虽然反应过程中往往有误差相消效应，零点能的误差仍有可能影响计算出的反应能量变化的精度。目前大体系的零点能计算主要基于谐振假设，考虑非谐性后耗时极长，这一问题将影响计算化学对带有明显非谐性的体系的适用性。
下一个问题甚至更加重要，而且目前也未能解决，即溶剂化。目前常用的溶剂化模型包括SMD, COSMO-RS等，或基于分子动力学做显式溶剂化。绝少有更进一步的方法。不幸的是，溶剂化问题始终与某些其他挑战相伴，例如得到含有大量非共价相互作用的体系的准确电子结构，再例如熵的正确计算。这些挑战导致基于力场方法的显式溶剂化始终面临严峻的挑战，量子化学方法则可能表现较好。将量子化学方法用于蛋白质-药物相互作用的研究当前还在其婴儿阶段，我们预期未来它可能会得到进一步发展。
DOI: 10.1002/anie.201709943
==END==
你“在看”我吗