极性溶剂中静电线性响应的有效性

在连续电静理论中，极性液体对电场变化的线性响应这一标准近似在微观层面上通过分子动力学和热力学扰动模拟进行了检验。评估了与溶剂中“充电”溶质过程相关的静电自由能，并将其与多种化合物的线性响应预测进行了比较。结果发现，线性响应近似对单价离子溶质通常适用良好，而对于偶极子溶质则准确性较差。偶极化合物观察到的偏差反映在它们各自的“极性”和“非极性状态”附近的自由能函数（平均力势）的不等曲率上。偶极场的短程特性使得在确定与离子溶质相比的溶剂能量的电静态部分时，内层溶剂壳的权重相对较大。这些内层壳可能由于离子附近氢键网络的饱和和/或破坏而表现出非线性响应。当溶质-溶剂和溶剂-溶剂相互作用强度相匹配时，这种非线性似乎达到最大值。我们还发现，对于未带电的范德华腔体，溶剂水产生的平均势能是负的。虽然这与线性响应的有效性无关，但它影响某些离子的水合能量大小。本研究中得出的水合能量与平均相互作用能量的关系，对简化自由能计算及其在药物设计中的应用是有益的。