教你不走弯路，隐式溶剂化模型正确使用方法的教程后续来了！

关于隐式溶剂化模型的正确使用方法，我们上期教程只讲了1和2，第3点一般酸碱催化给大家放到本期叙述。

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一般酸碱化

很多初学者在寻找涉及质子转移的过渡态时都会遇到与一般酸碱催化有关的问题，特别是应当有一般酸碱的情况不加一般酸碱，导致过渡态找不到，或是找到的过渡态能量太高。而这类反应中，溶剂时常起到一般酸碱的作用，因而在“溶剂化”的标题下专门拿出一节来谈一谈一般酸碱催化。

根据参与反应的酸碱的种类来分类，可以将酸碱催化反应分为特殊酸碱催化（special acid/base catalysis, SAC/SBC）和一般酸碱催化（general acid/base catalysis, GAC/GBC）。由于拉平效应的存在，导致任何溶剂中不存在比溶剂的共轭酸碱更强的酸碱，因而它们有着十分“特殊”的地位，因此质子合溶剂或溶剂的共轭碱就被称为特殊酸碱，而除此之外的所有质子给体或受体都被称为一般酸碱。很多反应都涉及质子转移，例如亲核试剂对羰基的加成，羰基的氧原子上最终要接受一个质子，那么就涉及到质子转移发生在什么时候的问题。

以羰基和亲核试剂Nu的反应为例，至少有以下三种可能：

首先，羰基自身和Nu直接反应生成烷氧负离子，随后被酸质子化（可能是一般酸也可能是特殊酸）。由于决速步在于亲核加成，酸碱没有出现在该反应决速步中，是为无催化反应。在SAC过程中，底物首先被酸质子化，再接受亲核试剂的加成。虽然这里的HA可以是一般酸，底物被质子化后相当于在过渡态结构中起作用的仍然是“质子”这一特殊酸，因而习惯上也叫做特殊酸催化。与之相对应，在GAC过程中，一个一般酸HA首先与底物形成氢键复合物（而不是将底物质子化），然后在加成过程中协同地发生质子转移。显然，GAC/GBC与SAC/SBC最明显的区别就在于过渡态结构中是否会出现一般酸碱。

自然界厌恶电荷分离。在气相下，带电荷物种的能量几乎总是比相同组成的电中性物种高；而溶液中，溶剂化作用对带电荷物种提供了一部分稳定化，但很多情况下生成诸如上述无催化过程中的烷氧基负离子那样带有明显电荷分离的物质的过程仍然是相当不利的。正因如此，大部分涉及质子转移的过程都需要酸碱辅助，其中又以GAC/GBC为多（大多数情况下反应体系中都不存在强酸/强碱，而只有在酸碱足够强的情况下才能生成足够的特殊酸碱）。很多初学者在处理这类过程时缺乏考虑一般酸碱的意识，从而将很多功夫花费在了寻找无催化过程的过渡态上，一方面其能量可能非常高，甚至很多情况下这类过渡态根本不存在，例如丙酮和氨气加成生成亚胺，如果不考虑一般酸碱，直接去找氨气和丙酮两分子反应的过渡态，就会发现随着C-N距离缩短，能量单调上升，不存在过渡态。这就是自然界厌恶电荷分离的规律导致的，反应中生成的电荷只有在存在酸碱时才能得以稳定。

仍以丙酮和氨气的加成为例，倘若是发生在水中，则至少可能存在如下几种过渡态结构：

从左到右，分别为：（1）水作为一般酸催化剂；（2）水在作为一般酸催化剂促进羰基质子化的同时，又作为一般碱催化剂促进氨气的去质子化，或者叫做proton shuttle型过渡态；（3）另一分子氨作为一般碱促进亲核试剂的去质子化（当然也可以考虑水的类似过程，只不过水的碱性较弱；也可以考虑另一分子氨参与的proton shuttle）。如果有心，甚至还可以考虑两分子水参与的proton shuttle过程。从这个例子可以看出，涉及质子转移的反应是非常复杂的，特别是在质子溶剂中，溶剂可能起到若干种角色，应当依次检查来确定真正机理。实际上对这类加成反应结论是已知的，通常proton shuttle型能量最低。

以上是一般酸碱催化最常见的情况，也就是当反应中存在质子转移时，几乎总是要有一般酸碱催化才能顺利发生，而溶剂则是最常见的一般酸碱。有一些反应即使没有质子转移，也可能会涉及到一般酸碱催化，多见于氢键溶剂中，例如溶剂可能会通过氢键作用促进某些基团的离去。一个例子是六氟异丙醇（HFIP）对高价碘试剂参与的电子转移反应的促进作用，就是由于HFIP会与高价碘试剂上的OAc基团形成氢键，促进了其在反应过程中的离去。又例如很多氢键溶剂中一些化合物的UV-Vis或荧光光谱会发生显著变化，通常认为也是与溶剂形成氢键所致。在这些情况下，显式溶剂自然也是必须要考虑的。

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