從今天起，開設(shè)一個新的板塊。我們過去介紹了許多做得好的文獻工作，可以學(xué)習(xí)；而與此同時也存在大量反面教材，對于科研工作者從中吸取教訓(xùn)也十分有益處。

今天我們來分享一篇發(fā)表于2018年的JACS文章，標題為Visible Light Mediated Generation of trans-Arylcyclohexenes and Their Utilization in the Synthesis of Cyclic Bridged Ethers（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 31, 9934–9941）。

本文內(nèi)容很簡單，介紹了一個基于激發(fā)態(tài)分子內(nèi)親核加成而構(gòu)筑橋環(huán)醚的方法學(xué)。在Ir(ppy)3存在下，底物在藍光照射下可以發(fā)生環(huán)化，并且大過量的酸對反應(yīng)必不可少。甲酸最佳，換成乙酸或三氟乙酸后產(chǎn)率急劇下降。鑒于人們很早就知道環(huán)己烯在激發(fā)態(tài)下容易發(fā)生親核加成，并且通常被認為經(jīng)歷反式環(huán)己烯中間體，作者做出了同樣的機理假設(shè)。

在敘述完反應(yīng)現(xiàn)象后，作者進入了一個“MECHANISTIC INVESTIGATION”的小節(jié)。那么接下來作者進行了什么研究呢？

文章概述

首先作者對底物的構(gòu)象進行了二維掃描，不過并沒有解釋這樣做的用意何在：

對底物兩個芳環(huán)與環(huán)己烯構(gòu)成的二面角進行掃描，可以發(fā)現(xiàn)存在兩個極小值點。接下來作者選取了一個芳基旋轉(zhuǎn)的一維過程，并檢查了選取出來的一些點處的激發(fā)態(tài)能級，得出結(jié)論：大多數(shù)構(gòu)象下光催化劑都不足以將能量轉(zhuǎn)移給底物，唯獨在二面角接近0度時底物的激發(fā)態(tài)能級落在了光催化劑的激發(fā)態(tài)能量范圍內(nèi)，因而是這些構(gòu)象在能量轉(zhuǎn)移過程中起到了關(guān)鍵角色。

接下來作者正式進入理解反應(yīng)過程的嘗試之中。在重水中進行反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)氘代專一地發(fā)生在產(chǎn)物中與新形成的C–O鍵處于反式的位置，從而推測環(huán)化過程不可逆；KIE數(shù)值為1.5，比較中庸，既不直接對應(yīng)決速的質(zhì)子化，也與決速的親核加成不符。作者認為這是由于整個反應(yīng)中存在多種質(zhì)子交換的位點，從而為KIE帶來了許多復(fù)雜性。

在這些證據(jù)不能對機理帶來確定的結(jié)論的基礎(chǔ)上，作者進一步對甲酸的作用進行了研究。核磁滴定表明甲酸跟底物可以形成氫鍵，因而作者認為這一氫鍵復(fù)合物可能對反應(yīng)性起到了某些關(guān)鍵作用。于是，作者尋找了甲酸復(fù)合物參與反應(yīng)的過渡態(tài)，發(fā)現(xiàn)它可以解釋觀察到的質(zhì)子化的立體化學(xué)。于是，作者做出了結(jié)論，甲酸與底物形成了預(yù)組織（pre-activation），減少了活化熵，從而促進了反應(yīng)，全文完。

文章分析

之所以以這篇文章作為典型的反面教材，就是因為其中出現(xiàn)的錯誤實在是過于低級、又過于嚴重，足以給初學(xué)者敲響警鐘。事實上，當稍有經(jīng)驗的讀者看到上述截圖的圖注時，就已經(jīng)能發(fā)現(xiàn)其中的計算方法選擇是多么離奇。在Figure 1中，作者使用了MP2/STO-5G水平進行構(gòu)型優(yōu)化，隨后結(jié)合MP2/cc-pVTZ水平進行單點計算，不禁讓人懷疑這是否真的是2018年進行的工作。先來說其中采用的STO-5G基組；wikipedia上對STO-nG系列的描述如下：

“STO-nG basis sets are minimal basis sets.”

STO-nG系列被稱為“極小基”，即小得不能再小的基組。基組是用于對軌道進行展開的一組基函數(shù)，顯然基組的質(zhì)量直接決定了對波函數(shù)的描述能力。只有選取大小合適、質(zhì)量良好的基組，才能得到正確的結(jié)果。以甲烷分子為例，STO-5G基組僅包含9個基函數(shù)，而被普遍認為屬于底線級別的6-31G(d)基組足足包含了23個基函數(shù)。顯而易見，使用STO-5G根本不可能得到哪怕是定性正確的結(jié)果。

相比之下，用于單點計算的cc-pVTZ基組則要大得多，屬于可用的范圍。但不幸的是，由于構(gòu)型優(yōu)化的級別太差，后續(xù)單點計算用得級別再高也沒用。用STO-5G進行構(gòu)型優(yōu)化，再結(jié)合cc-pVTZ算單點，這種行為就好比用垃圾堆里撿來的剩菜做一道高級料理，最終只能得到毫無意義的結(jié)果。

另一方面，在基組極端錯誤的同時，計算方法選擇MP2也不可接受。在90年代，DFT方法尚未充分發(fā)展時，MP2一度比較流行，這是由于同時代更好的方法全都超出了當年計算機的算力水平而不得已為之。隨著DFT的發(fā)展，MP2已經(jīng)被徹底淘汰，如今只有理論和教育價值（例如許多理論化學(xué)的學(xué)生在學(xué)習(xí)階段都會編寫MP2計算程序作為入門課程）。更加不可接受的是，在本文中作者不僅使用MP2進行勢能面掃描，還用它得到激發(fā)態(tài)能級。由于包括自旋污染在內(nèi)的一系列問題，MP2面對自由基體系表現(xiàn)很差，這是眾所周知的事實；而本文卻硬要用它來計算三重激發(fā)態(tài)的能量；隨后通過這些能量來得到“某些構(gòu)象下才能發(fā)生激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移”的結(jié)論更是無稽之談。

在文章的末尾，在得到環(huán)化的過渡態(tài)時，作者又將計算水平換成了HF/3-21G。即使是對計算化學(xué)完全不了解的讀者也能夠意識到，在同一篇文章中莫名其妙更換計算方法，說不過去；而事實上， HF甚至還不如MP2；MP2是在HF基礎(chǔ)上的改進，引入了一部分動態(tài)相關(guān)。至于3-21G，同樣是一個不可接受的基組。3-21G如今僅有的用武之地是對于一些超大分子，在不感興趣的區(qū)域，可以使用諸如3-21G等粗糙的基組來處理；而本文研究的分子很小，沒有任何使用3-21G的理由。不合理的方法再結(jié)合不合理的基組，最終得到的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)和能量都完全不可信。在如此粗糙的計算水平下，作者恐怕只需要幾個小時就能完成這篇文章中的全部計算，多快好省，卻充滿誤導(dǎo)性。

由上可知，本文各處使用的計算方法充滿了常識性錯誤，根本不可能得到有意義的結(jié)果。而即使忽視這些錯誤，僅從邏輯上，也無法自圓其說。作者提出甲酸的作用是通過氫鍵、以預(yù)組織的方式降低了活化熵，如果要論證這一點，就必須將反應(yīng)過程的活化參數(shù)計算出來。既然推測甲酸降低了活化熵、進而降低了活化能，那么有甲酸和無甲酸時的活化熵和活化能分別是多少？事實上，既然已經(jīng)優(yōu)化出來了過渡態(tài)，那么只要對能量進行數(shù)據(jù)處理，就可以得到這些數(shù)據(jù)，而作者卻完全沒有提到，僅僅展示了一個過渡態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)了事。在這個工作中，作者根本沒有形成完整的邏輯鏈，僅僅是在堆疊一些時髦的術(shù)語（事實上pre-organization也并不時髦，Houk在上個世紀就已經(jīng)討論過許多了）。

由此，我們可以知道，這篇文章從計算方法、到邏輯討論，都錯漏百出。即使有的人可以僥幸發(fā)表出來，而如果后來者受其誤導(dǎo)，采用相似的方法，則幾乎可以肯定會被猛批一番、笑掉大牙了。