Nghiên cứu liên kết hydro, cấu trúc và độ bền các phức CH3­­­­­­CHZ∙∙∙nH2O (Z= O, S, Se, Te; n=1, 2, 3) bằng phương pháp hóa học lượng tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THỊ THANH CÚC

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT HYDRO, CẤU TRÚC VÀ ĐỘ BỀN

CÁC PHỨC CH3CHZ∙∙∙nH2O (Z=O, S, Se, Te; n=1, 2, 3)

BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC LƯỢNG TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Bình Định – Năm 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THỊ THANH CÚC

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT HYDRO, CẤU TRÚC VÀ ĐỘ BỀN

CÁC PHỨC CH3CHZ∙∙∙nH2O (Z=O, S, Se, Te; n=1, 2, 3)

BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC LƯỢNG TỬ

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý

Mã số: 8440119

Người hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN TIẾN TRUNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số

liệu và kết quả sử dụng trong luận văn là trung thực và chưa từng được công

bố trong các công trình khoa học khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu

được trích dẫn và ghi nguồn theo đúng quy định.

Tác giả

Nguyễn Thị Thanh Cúc

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa học tính toán

và Mô phỏng– Trường Đại học Quy Nhơn.

Với sự kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy

PGS.TS. Nguyễn Tiến Trung đã luôn nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và động

viên em trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn này.

Em cũng xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Vũ Thị Ngân, thầy Nguyễn

Ngọc Trí đã tận tình giúp đỡ, giảng dạy và cho em nhiều ý kiến bổ ích trong

suốt quá trình nghiên cứu, góp ý chỉnh sửa để em hoàn thiện tốt luận văn này.

Em xin gửi lời cảm ơn quý Thầy Cô giáo Khoa Khoa học Tự nhiên,

trường Đại học Quy Nhơn đã trang bị cho em những kiến thức khoa học giá

trị, ý nghĩa để em có thể hoàn thành tốt luận văn.

Ngoài ra, em cũng xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến chị Phan Đặng

Cẩm Tú cùng các anh chị trong nhóm Hóa học tính toán và mô phỏng đã nhiệt

tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh

động viên và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

này.

Bình Định, ngày 10 tháng 10 năm 2021

Tác giả

Nguyễn Thị Thanh Cúc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1. Lý do chọn đề tài 1

2. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu 3

3. Mục đích nghiên cứu 6

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

5. Phương pháp nghiên cứu 6

5.1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết 6

5.2. Phương pháp tính toán hóa học lượng tử 7

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 8

7. Cấu trúc luận văn 8

Chương 1. Cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử 8

Chương 2. Khái quát về liên kết hydro và hệ chất nghiên cứu 8

Chương 3. Kết quả và thảo luận 9

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC LƯỢNG TỬ 10

1.1. Phương trình Schrödinger 10

1.2. Sự gần đúng Born-Oppenheimer 11

1.3. Nguyên lý phản đối xứng hay nguyên lý loại trừ Pauli 12

1.4. Hàm sóng của hệ nhiều electron 12

1.5. Cấu hình và trạng thái spin electron 13

1.6. Bộ hàm cơ sở 14

1.6.1. Một số khái niệm về bộ hàm cơ sở 14

1.6.2. Phân loại bộ hàm cơ sở 14

1.7. Các phương pháp gần đúng hoá học lượng tử 16

1.7.1. Sự tính bán kinh nghiệm 16

1.7.2. Phương pháp Hartree–Fock và phương trình Roothaan 16

1.7.3. Phương pháp nhiễu loạn 20

1.7.4. Phương pháp tương tác cấu hình (Configuration Interaction – CI) 22

1.7.5. Phương pháp chùm tương tác CC (Coupled cluster) 23

1.7.6. Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT) 24

1.8. Orbital phân tử khu trú (LMO), orbital thích hợp (NO), orbital nguyên tử

thích hợp (NAO) và orbital liên kết thích hợp (NBO) 26

1.8.1. Orbital phân tử khu trú 26

1.8.2. Orbital thích hợp, orbital nguyên tử thích hợp và orbital liên kết thích

hợp 26

1.9. Sai số do chồng chất bộ cơ sở (BSSE) 27

1.10. Thuyết AIM 28

1.11. Thuyết nhiễu loạn phù hợp đối xứng (Symmetry Adapted Perturbation

Theory - SAPT) 31

CHƯƠNG 2. LIÊN KẾT HYDRO VÀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 34

2.1. Liên kết hydro 34

2.1.1. Khái niệm và phân loại liên kết hydro 34

2.1.2. Tầm quan trọng của liên kết hydro 36

2.1.3. Liên kết hydro chuyển dời đỏ (Red-shifting hydrogen bond) và liên

kết hydro chuyển dời xanh (Blue-shifting hydrogen bond) 36

2.1.4. Phương pháp thực nghiệm và lý thuyết nghiên cứu liên kết hydro 39

2.2. Hệ chất nghiên cứu 41

2.2.1. Giới thiệu chung hệ chất nghiên cứu 41

2.2.2. Phương pháp nghiên cứu 42

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1. Thông số hình học của các monomer 45

3.2. Tương tác của CH3CHZ với nH2O (Z=O, S, Se, Te; n=1, 2, 3) 46

3.2.1. Cấu trúc hình học và phân tích AIM 46

3.2.2. Năng lượng tương tác và năng lượng cộng kết 54

3.2.3. Phân tích SAPT2+ 57

3.2.4. Phân tích NBO và NCIplot 59

3.2.5. Sự thay đổi độ dài, tần số dao động hóa trị của liên kết C–H, O–H

khi phức hình thành 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ 73

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Các kí hiệu

∆E: Năng lượng tương tác của phức

∆r: Sự thay đổi độ dài liên kết

∆ν: Sự thay đổi tần số dao động hóa trị

ρ(r): Mật độ electron tại điểm tới hạn liên kết

λ1, λ2, λ3: Các trị riêng của ma trận mật độ Hessian

2ρ(r): Laplacian tại các điểm tới hạn liên kết

H(r): Tổng mật độ năng lượng electron khu trú tại BCP

V(r): Mật độ thế năng electron khu trú tại BCP

G(r): Mật độ động năng electron khu trú tại BCP

∆%s: Sự thay đổi phần trăm đặc tính orbital s

∆σ*: Sự thay đổi mật độ electron trên orbital phản liên kết

2. Các chữ viết tắt

AIM: Atom In Molecule (thuyết nguyên tử trong phân tử)

BCP: Bond Critical Point (điểm tới hạn liên kết)

BSHB: Blue-Shifting Hydrogen Bond (liên kết hydro chuyển dời xanh)

BSSE: Basis Set Superposition Error (sai số do chồng chất bộ cơ sở)

CC: Coupled Cluster (chùm tương tác)

CP: Critical Point (điểm tới hạn)

DFT: Density Functional Theory (thuyết phiếm hàm mật độ)

DPE: Deprotonation Enthalpy (enthalpy tách proton)

EDT: Electron Density Transfer (sự chuyển mật độ electron)

GTO: Gaussian Type Orbital (orbital kiểu Gaussian)

HF: Hartree – Fock (ký hiệu tên phương pháp)

LMO: Local Molecular Orbital (orbital phân tử khu trú)

MP2: Moller Plesset 2 (phương pháp nhiễu loạn bậc 2)

NAO: Natural Atom Orbital (orbital nguyên tử thích hợp)

NBO: Natural Bond Orbital (orbital liên kết thích hợp)

NMR: Nuclear Magnetic Resonance (phổ cộng hưởng từ hạt nhân)

NO: Natural Orbital (orbital thích hợp)

PA: Proton Affinity (ái lực proton)

SCF: Self Consistent Field (trường tự hợp)

STO: Slater Type Orbitan (orbital kiểu Staler)

VBSCF: Valence Bond Self Consistent Field (cộng hóa trị trường tự hợp)

ZPE: Zero Point Energy (năng lượng dao động điểm không)