Nghiên cứu liên kết hydro và độ bền các phức tương tác của CH3CHZ với RCZOH (R= H, F, CH3; Z= O, S, Se, Te) bằng phương pháp hóa học lượng tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THỊ ĐƯƠNG

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT HYDRO VÀ ĐỘ BỀN CÁC

PHỨC TƯƠNG TÁC CỦA CH3CHZ VỚI RCZOH

(R = H, F, CH3; Z = O, S, Se, Te)

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 ĐƯƠNG

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT HYDRO VÀ ĐỘ BỀN CÁC

PHỨC TƯƠNG TÁC CỦA CH3CHZ VỚI RCZOH

(R = H, F, CH3; Z = O, S, Se, Te)

BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC LƯỢNG TỬ

Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và hóa lí

Mã số: 8440119

Người hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN TIẾN TRUNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong

luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khoa học

khác.

Học viên

Nguyễn Thị Đương

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS.

Nguyễn Tiến Trung, người thầy luôn tận tình chỉ dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tôi

trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này.

Ngoài ra, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, chia sẻ và giúp đỡ của

PGS. TS. Vũ Thị Ngân và TS. Trần Ngọc Trí trong suốt quá trình nghiên cứu

và hoàn thiện luận văn của mình tại Phòng Thí nghiệm Hóa học tính toán và

mô phỏng.

Xin cảm ơn ThS. Nguyễn Trường An cùng các anh chị trong Phòng Thí

nghiệm Hóa học tính toán và mô phỏng – Trường Đại học Quy Nhơn đã nhiệt

tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập tại đây.

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô Khoa Khoa học Tự nhiên –

trường Đại học Quy Nhơn đã tận tình truyền dạy, trang bị kiến thức khoa học

ý nghĩa để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình.

Xin cảm ơn bạn tôi – Nguyễn Hương Giang một người bạn luôn dành thời

gian bên cạnh mỗi khi tôi cần. Cảm ơn sự ủng hộ và tin tưởng bạn dành cho

tôi.

Và cuối cùng, con xin gửi lời biết ơn đến bố mẹ đã vất vả lao động để cho

con có cơ hội học tập. Cảm ơn bố mẹ luôn bên cạnh, ủng hộ, động viên con.

Cảm ơn các thành viên trong gia đình đã luôn bên tôi, chia sẻ và động viên tôi

trong suốt những năm tháng qua.

Bình Định, ngày 22 tháng 11 năm 2021

Học viên

Nguyễn Thị Đương

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU…………………………………………………………………….. 1

1. Lý do chọn đề tài........................................................................................... 1

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

3. Mục đích nghiên cứu..................................................................................... 5

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 5

5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 6

5.1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết ........................................................................ 6

5.2. Phương pháp tính hóa học lượng tử........................................................... 6

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................... 6

7. Cấu trúc của luận văn.................................................................................... 7

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÍ THUYẾT HÓA HỌC LƯỢNG TỬ..................... 9

1.1. Phương trình Schrödinger.......................................................................... 9

1.2. Sự gần đúng Born–Oppenheimer. Nguyên lí không phân biệt các hạt

đồng nhất......................................................................................................... 10

1.2.1. Sự gần đúng Born–Oppenheimer.......................................................... 10

1.2.2. Nguyên lí không phân biệt các hạt đồng nhất....................................... 11

1.3. Nguyên lí phản đối xứng hay nguyên lý loại trừ Pauli............................ 11

1.4. Hàm sóng của hệ nhiều electron .............................................................. 12

1.5. Cấu hình electron và trạng thái hệ nhiều electron.................................... 13

1.6. Bộ hàm cơ sở............................................................................................ 13

1.6.1. Orbital kiểu Slater và Gaussian............................................................ 13

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

1.6.3. Phân loại bộ hàm cơ sở......................................................................... 15

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

1.7.1. Phương pháp bán kinh nghiệm ............................................................. 16

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

1.7.3. Phương pháp nhiễu loạn Møller-Plesset (MPn) ................................... 19

1.7.4. Phương pháp chùm tương tác (Coupled-Cluster-CC........................... 21

1.7.5. Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory-DFT)............. 22

1.8. Thuyết AIM.............................................................................................. 23

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

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

1.9.1. Orbital phân tử khu trú (LMO)............................................................. 26

1.9.2. Orbital thích hợp (NO), orbital nguyên tử thích hợp (NAO) và orbital

liên kết thích hợp (NBO) ................................................................................. 26

1.10. Sai số do chồng chất bộ cơ sở (BSSE) [48, 51]..................................... 27

CHƯƠNG 2. KHÁI QUÁT VỀ LIÊN KẾT HYDRO VÀ HỆ CHẤT

NGHIÊN CỨU............................................................................................... 29

2.1. Liên kết hydro .......................................................................................... 29

2.1.1. Khái niệm và phân loại liên kết hydro .................................................. 29

2.1.2. Tầm quan trọng của liên kết hydro ....................................................... 30

2.1.3. Liên kết hydro chuyển dời đỏ (Red–Shifting Hydrogen Bond) và liên kết

hydro chuyển dời xanh (Blue–Shifting Hydrogen Bond)................................ 31

2.2. Phương pháp thực nghiệm và lý thuyết nghiên cứu liên kết hydro ......... 32

2.2.1. Phương pháp thực nghiệm .................................................................... 32

2.2.2. Phương pháp lý thuyết .......................................................................... 33

2.3. Hệ chất nghiên cứu................................................................................... 34

2.3.1. Giới thiệu chung hệ chất nghiên cứu .................................................... 34

2.3.2. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 35

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................... 37

3.1. Kết quả tối ưu một số monomer ban đầu và các thông số tính toán........ 37

3.1.1 Cấu trúc hình học của các monomer RCZOH (R = CH3, H, F; Z = O, S,

Se, Te).............................................................................................................. 37

3.1.2. Cấu trúc hình học của các monomer CH3CHZ (Z = O, S, Se, Te)....... 39

3.2. Tương tác giữa RCZOH với CH3CHZ (R = CH3, H, F; Z = O, S, Se, Te)

......................................................................................................................... 40

3.2.1 Cấu trúc hình học và phân tích AIM...................................................... 40

3.2.2. Năng lượng tương tác ......................................................................... 533

3.2.3. Phân tích NBO, sự chuyển dời đỏ và chuyển dời xanh của các liên kết

hydro O3–H4∙∙∙Z7 và C5–H6∙∙∙Z2................................................................... 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................... 72

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

1. Các ký hiệu

∆E*

: Năng lượng tương tác của phức khi hiệu chỉnh cả ZPE và BSSE

Einter : Năng lượng tương tác siêu liên hợp ngoại phân tử

∆Eintra : Sự thay đổi năng lượng siêu liên hợp nội phân tử

r : Độ dài liên kết

∆r : Sự thay đổi độ dài liên kết

ν : Tần số dao động hóa trị

∆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 năng lượng mật độ 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

2. Các chữ viết tắt

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

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

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

CC : Coupled Cluster (chùm tương tác)

CCP : Cage Critical Point (điểm tới hạn lồng)

CP : Critical Point (điểm tới hạn)

DPE : Deprotonation Enthalpy (enthalpy tách proton)

EDT : Electron Density Transfer (giá trị chuyển mật độ electron)

GTO : Gaussian Type Orbital (orbital kiểu Gaussian)

HF : Hartree-Fock

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

MP2 : Møller 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)

NO : Natural Orbital (orbital thích hợp)

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

RCP : Ring Critical Point (điểm tới hạn vòng)

SCF : Self Consistent Field (trường tự hợp)

STO : Staler Type Orbital (orbital kiểu Staler)

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