(Luận văn thạc sĩ) 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 h LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA 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 HĨA HỌC LƯỢNG TỬ h Chun ngành: Hóa lý thuyết hóa lý Mã số: 8440119 Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN TIẾN TRUNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết sử dụng luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khoa học khác Việc tham khảo nguồn tài liệu trích dẫn ghi nguồn theo quy định Tác giả Nguyễn Thị Thanh Cúc h LỜI CẢM ƠN Luận văn thực phịng thí nghiệm Hóa học tính tốn Mơ phỏng– Trường Đại học Quy Nhơn Với kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Nguyễn Tiến Trung nhiệt tình hướng dẫn, bảo động viên em suốt trình nghiên cứu, học tập thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Thị Ngân, thầy Nguyễn Ngọc Trí tận tình giúp đỡ, giảng dạy cho em nhiều ý kiến bổ ích suốt q trình nghiên cứu, góp ý chỉnh sửa để em hoàn thiện tốt luận văn Em xin gửi lời cảm ơn quý Thầy Cô giáo Khoa Khoa học Tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn trang bị cho em kiến thức khoa học giá trị, ý nghĩa để em hồn thành tốt luận văn h Ngoài ra, em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến chị Phan Đặng Cẩm Tú anh chị nhóm Hóa học tính tốn mơ nhiệt tình giúp đỡ em suốt trình học tập thực đề tài Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè ln bên cạnh động viên tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Bình Định, ngày 10 tháng 10 năm 2021 Tác giả Nguyễn Thị Thanh Cúc MỤC LỤC h 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 Lý chọn đề tài Tổng quan tài liệu tình hình nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 5.1 Nghiên cứu sở lý thuyết 5.2 Phương pháp tính tốn hóa học lượng tử Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn Chương Cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử Chương Khái quát liên kết hydro hệ chất nghiên cứu Chương Kết thảo luận CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT HĨA HỌC LƯỢNG TỬ 1.1 Phương trình Schrưdinger 1.2 Sự gần Born-Oppenheimer 1.3 Nguyên lý phản đối xứng hay nguyên lý loại trừ Pauli 1.4 Hàm sóng hệ nhiều electron 1.5 Cấu hình trạng thái spin electron 1.6 Bộ hàm sở 1.6.1 Một số khái niệm hàm sở 1.6.2 Phân loại hàm sở 1.7 Các phương pháp gần hoá học lượng tử 1 6 6 8 8 10 10 11 12 12 13 14 14 14 16 h 1.7.1 Sự tính bán kinh nghiệm 16 1.7.2 Phương pháp Hartree–Fock 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) 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 orbital liên kết thích hợp 26 1.9 Sai số chồng chất sở (BSSE) 27 1.10 Thuyết AIM 28 1.11 Thuyết nhiễu loạn phù hợp đối xứng (Symmetry Adapted Perturbation Theory - SAPT) 31 CHƯƠNG LIÊN KẾT HYDRO VÀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 34 2.1 Liên kết hydro 34 2.1.1 Khái niệm phân loại liên kết hydro 34 2.1.2 Tầm quan trọng liên kết hydro 36 2.1.3 Liên kết hydro chuyển dời đỏ (Red-shifting hydrogen bond) liên kết hydro chuyển dời xanh (Blue-shifting hydrogen bond) 36 2.1.4 Phương pháp thực nghiệm 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 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1 Thơng số hình học monomer 45 3.2 Tương tác CH3CHZ với nH2O (Z=O, S, Se, Te; n=1, 2, 3) 46 3.2.1 Cấu trúc hình học phân tích AIM 46 3.2.2 Năng lượng tương tác lượng cộng kết 54 3.2.3 Phân tích SAPT2+ 57 3.2.4 Phân tích NBO NCIplot 3.2.5 Sự thay đổi độ dài, tần số dao động hóa trị liên kết C–H, O–H phức hình thành KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI 59 66 71 73 74 h DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các kí hiệu Năng lượng tương tác phức ∆r: Sự thay đổi độ dài liên kết ∆ν: Sự thay đổi tần số dao động hóa trị ρ(r): Mật độ electron điểm tới hạn liên kết λ1, λ2, λ3: Các trị riêng ma trận mật độ Hessian 2ρ(r): Laplacian điểm tới hạn liên kết H(r): Tổng mật độ lượng electron khu trú BCP V(r): Mật độ electron khu trú BCP G(r): Mật độ động electron khu trú BCP ∆%s: Sự thay đổi phần trăm đặc tính orbital s ∆σ*: Sự thay đổi mật độ electron orbital phản liên kết h ∆E: Các chữ viết tắt AIM: Atom In Molecule (thuyết nguyên tử 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 chồng chất 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 (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) h DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang Thơng số hình học monomer CH3CHO, CH3CHS, 3.1 CH3CHSe, CH3CHTe H2O MP2/6-311++G(3df,2pd) 45 giá trị thực nghiệm tương ứng Enthalpy tách proton Csp2–H (DPE, kJ.mol-1) 3.2 monomer CH3CHZ lực proton (PA, kJ.mol-1) Z 48 CH3CHZ MP2/6-311++G(3df,2pd) Mật độ electron ((r)), Laplacian (2((r))), mật độ 3.3a lượng electron khu trú (H(r)) lượng liên kết hydro (EHB) BCP tiếp xúc phức 50 CH3CHZ∙∙∙1,2H2O tính MP2/6-311++G(3df,2pd) h Mật độ electron ((r)), Laplacian (2((r))), mật độ 3.3b lượng electron khu trú (H(r)) lượng liên kết hydro (EHB) BCP tiếp xúc phức 51 CH3CHZ∙∙∙3H2O tính MP2/6-311++G(3df,2pd) Năng lượng tương tác với hiệu chỉnh ZPE (E), lượng 3.4 tương tác với hiệu chỉnh ZPE BSSE (E*) phức Z-n lượng cộng kết hệ Z-2 mức lí thuyết 55 CCSD(T) /6-311++G(3df,2pd)//MP2/6-311++G(3df,2pd) 3.5 Kết phân tích SAPT2+ phức tương tác CH3CHZ (Z=O, S, Se, Te) với nH2O (kJ.mol-1) 58 Sự chuyển mật độ electron tổng (EDT) phức CH3CHZ với nH2O (n=1, 2), lượng tương tác siêu liên 3.6a hợp (Einter, kJ.mol-1) độ giảm lượng tương tác siêu liên hợp nội phân tử (ΔEintra, kJ.mol-1) mức lý thuyết ωB97X-D/6-311++G(3df,2pd) 60