7.4　总结与展望

在本章中，我们介绍了许多利用计算化学研究反应机理的案例。这些工作不仅阐明了反应的详细历程，还深入分析了反应选择性的由来。同时，这些工作也对优化反应条件、设计新反应和新催化剂提供了帮助和指导。

在这里，我们必须指出，反应机理研究是一个比较复杂的过程（主要是因为人类目前还无法亲眼看到所有反应是如何发生的）。对于许多已研究出的反应机理的“结论”，不能认为是“最终”或“绝对正确”的。我们一般认为，这些反应机理可以比较好地解释现有的实验现象，是比较合理的，可以帮助我们理解反应、指导进一步的反应优化和反应设计。但鉴于有很多计算方面、实验方面和研究人员等不可避免的原因，这些反应机理还需将来更多的研究进行“证伪”（可能永远也不能进行“证真”）。下面对这些原因进行简要的介绍并提出可能的改进方法。

在计算方面，存在以下影响反应机理研究的问题。其一是计算精度的问题。当过渡态的能量差相对较小（如预测反应的ee %）时，计算精度对正确理解这些反应机理非常关键。虽然目前理论化学家将平均误差仅为1kcal/mol量级的CCSD（T）/CBS视作计算单参考体系时的金标准，但是对于具有10个以上非氢原子的体系，因受到硬件的限制，计算工作往往无法顺利开展。密度泛函理论计算由于同时兼顾了时间成本和精度，受到了计算化学家的广泛青睐。然而，在实际应用中，同一密度泛函理论计算在特定的体系中可能得出与实验不相符的结果。如何发展更加普适的密度泛函理论计算对理论化学家来说依然任重道远。此外，目前的溶剂化模型对强极性溶剂体系或强极性反应描述不佳、溶液中多分子反应熵变算不准等因素都影响能量数值的准确度。

在实验方面，主要是许多反应体系非常复杂，例如反应中会涉及催化剂的不同形态（如氧化态、配位情况）、多种催化剂、多种添加剂、多种溶剂等，此时影响反应的因素很多。同时，反应体系中存在的微量杂质也有可能会对反应造成影响（如微量杂质可能是真正的催化剂）。当然，近年来发展起来的同步辐射等可能会对回答上述问题有所帮助。但许多实验室没有这个设备，使得反应机理研究受到阻挠（即使通过同步辐射可以看到微量物种，但也不能最终证明反应的催化物种就是所监测到的物种）。

在研究人员方面，主要对于一个复杂反应体系，可能有许多条反应路径，研究人员在有些情况下不可能思考到所有的路径，而这个“遗漏”或“根本想不到”的路径可能才是最合理的反应机理。

针对上面的情况，许多方面的进展正在进行，例如开发更快更精确的大体系计算方法、更多在线实验工具，以及更多新的实验和理论的研究进展可以帮助研究人员避免自身考虑不周，从而帮助人们一步一步接近“最终”反应机理^[68，69]。(https://www.daowen.com)

随着在线分析仪器的逐渐普及及化学动力学理论的不断发展，反应速率和活化能的测定、速率方程的确立都变得更加容易。通过这些实验，我们可以对反应机理进行快速甄别。

虽然从理论上讲，我们不能证明一个反应机理，但我们不能陷入虚无主义，认为所提出的反应机理都不可信。在没有新的证据或提出新的可能机理的前提下，我们应该尽量利用这些机理去理解反应，并应用于反应的优化和设计等各个方面。

虽然目前的计算化学还不完美，但是在短短的几十年间，我们已经看到了利用计算化学手段研究有机化学反应机理的威力。随着计算机技术、计算方法、多尺度模型的不断发展，计算化学家已具备了研究过渡金属催化、有机小分子催化、酶催化、协同催化等复杂有机化学反应的能力。在透彻理解上述反应机理的基础上，计算化学家应将更多的精力投入对新反应和新催化剂的设计上。除此之外，人工智能领域的革新也将为计算化学提供新的动力和研究方向。随着这些新方法逐渐走进计算化学家的视野，未来的有机化学又将会如何发展呢？让我们拭目以待。

我们用“愚者千虑，必有一得；智者千虑，必有一失”这句话来总结一下机理研究的重要性和复杂性，并鼓励更多的有机化学家来关注机理的研究和应用。