TIỂU LUẬN HÓA - TIN SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYPERCHEM KHẢO SÁT CẤU TRẠNG BÁN LỆCH VÀ ĐỐI LỆCH CỦA MỘT SỐ CHẤT

Việc ứng dụng các phần mềm hỗ trợ trong quá trình dạy và học Hóa học là rất cầnthiết, trong đó phần mềm HyperChem là công cụ hỗ trợ tốt để mô phỏng công thức cấu tạophân tử theo không gi

-oOo -TIỂU LUẬN

Đề tài

SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYPERCHEM KHẢO SÁT CẤU TRẠNG BÁN LỆCH VÀ ĐỐI LỆCH

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM HYPERCHEM 3

1.1 GIỚI THIỆU 3

1.1.1 Những tính năng cơ bản 3

1.1.2 Một số từ ngữ thông dụng để tham khảo 4

1.2 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG HYPERCHEM 5

1.2.1 Vẽ công thức hai chiều 5

1.2.2 Chuyển từ công thức hai chiều sang công thức ba chiều 7

1.2.3 Ghi công thức dưới dạng file 8

1.2.4 Sơ lược về các phương pháp bán thực nghiệm 8

1.2.5 Tối thiểu hóa năng lượng 16

1.2.6 Tính phổ electron 19

CHƯƠNG 2: SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYPERCHEM KHẢO SÁT HIỆU ỨNG BÁN LỆCH ……… 21

2.1 THỰC HIỆN KHẢO SÁT TRÊN MỘT SỐ PHÂN TỬ 21

2.2.1 Bảng tóm tắt số liệu thu được 103

2.2.2 Bảng so sánh số liệu giữa cấu dạng bán lệch và đối lệch của các chất 1042.2.3 Nhận xét 105

KẾT LUẬN 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO………… ……….….109

Việc ứng dụng các phần mềm hỗ trợ trong quá trình dạy và học Hóa học là rất cầnthiết, trong đó phần mềm HyperChem là công cụ hỗ trợ tốt để mô phỏng công thức cấu tạophân tử theo không gian ba chiều, các thí nghiệm hóa học, khảo sát một số tính chất môphỏng của chúng Nhờ phần mềm này, ta có thể nghiên cứu được nhiều tính chất của cácchất không qua phòng thí nghiệm ảo, được tính toán trên máy, từ đó có thể kết luận hay dựbáo tính chất của một số hợp chất Một trong những ứng dụng trên là ta có thể khảo sát hiệuứng bán lệch của một số hợp chất, so sánh với các giá trị thực nghiệm, các đánh giá địnhtính và có thể giải thích được độ bền một số hợp chất Vì lý do đó nên tôi đã chọn đề tài “Sử

dụng phần mềm HyperChem khảo sát cấu trạng bán lệch và đối lệch của một số chất”

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM

1.1 GIỚI THIỆU

Phần mềm HyperChem là phần mềm chuyên dụng trong bộ môn Hóa Tính Toán(Ứng dụng tin học trong Hóa học) hiện nay Mô phỏng cấu trúc 3D của hợp chất, tối ưu hóacấu trúc, tính toán mọi thông số liên quan đến hợp chất như: năng lượng bề mặt, phổ IR,UV,…, các dao động nhiệt, độ dài và năng lượng liên kết…

Đây là phiên bảng HyperChem 8.0.10

1.1.1 Những tính năng cơ bản

- HyperChem có thể biểu diễn các phân tử khác nhau trong hệ, bạn có thể thay đổihình thức biễu diễn kiểu que, kiểu hình cầu, kiểu hình cầu chồng lên nhau, kiểu chấm, kiểuchấm-gạch

- Bạn có thể đặt màu nền cho trang làm việc, đặt các màu khác nhau cho các liên kếttrong phân tử, màu sắc nguyên tố (ví dụ ngầm định màu của Cacbon là màu lục, Oxy là đỏ,Flo là vàng, Fe là đỏ, Cu là xanh lá…)

- Bạn cũng có thể lấy hình ảnh của HyperChem chuyển qua các ứng dụng khác nhưWord, PhotoShop… bằng cách đặt chế độ copy hình ảnh

- HyperChem giúp bạn vẽ và hiệu chỉnh những phân tử trong không gian 2 chiều(2D)

và 3 chiều(3D)

- Trong HyperChem có hệ tọa độ của người quan sát và tọa độ của phân tử, cho nênbạn có thể dịch chuyển, quay và biểu diễn hệ phân tử theo tỷ lệ màn hình làm việc.

- Xem được thuộc tính cấu trúc phân tử, đo độ dài liên kết, góc liên kết, biểu diễn momenlưỡng cực…

- Cơ sở dữ liệu rộng lớn, bạn có thể tạo và biểu diễn chuỗi polypeptide, hay lựa chọncác amino acid, các acid nucleic, polyme…

- Tính toán obital phân tử, cực tiểu hóa năng lượng của hệ, tối ưu hóa cấu trúc…

- Còn rất rất nhiều ưu điểm nữa đang chờ bạn khám phá

1.1.2 Một số từ ngữ thông dụng để tham khảo

• Ab Inito: phương pháp tính toán cơ học lượng tử cho kết quả chính xác

• AM1: là phương pháp bán kinh nghiệm chính xác

• ALL atom: phương pháp tính toán cơ học phân tử

• AMBER: phương pháp trường lực (force field)

• Atom type: kiểu biểu diễn nguyên tử

• Backbone: liên kết khung

• Bio+: bổ sung cho trường lực CHARMM

• Brookhaven Protein Data Bank(PDB): dữ liệu về cấu trúc Protein

• Charge density: mật độ điện tích

• CNDO: dùng tính toán thuộc tính điện tử bỏ qua xen phủ vi phân

• Connectivity: kết nối liên kết cộng hóa trị

• Constraint: sự ràng buộc giá trị của lý thuyết với thực tế gần đúng

• Convergence: tiêu chuẩn kết thúc tính toán hóa học

• Coordinate system: hệ tọa độ

• Correlation Energy: năng lượng tương quan được tính theo vị trí cụ thể của cácelectron

1.2 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG HYPERCHEM

1.2.1 Vẽ công thức hai chiều

1.2.1.1 Các công cụ sử dụng

Draw: Nhắp vào cho phép ta thực hiện vẽ nguyên tử và liên kết Nếu nhắp đúp sẽ hiện

bảng element table cho phép ta lựa chọn nguyên tố biểu diễn

Select: Nhắp vào cho phép ta chọn các nguyên tử, liên kết, góc, góc xoắn, phân tử Rotate out of plane: Nhắp vào cho phép ta quay phân tử ra ngoài mặt phẳng của cửa

sổ phần mềm

Rotate in plane: Nhắp vào cho phép thực hiện phép quay trong mặt phẳng của cửa sổ

phần mềm

Translate: Cho phép ta di chuyển phân tử trên mặt phẳng của cửa sổ phần mềm.

Z-Translate: Cho phép ta di chuyển phân tử dọc theo trục vuông góc với cửa sổ phần

mềm

Magnify/Shrink: Cho phép ta phóng to hoặc thu nhỏ phân tử hay phần được lựa chọn Z-Clipping planes: Biểu diễn phân tử theo mặt cắt tạo bởi hai mặt phẳng vuông góc

với trục vuông góc với cửa sổ phần mềm

Lưu ý: Khi chọn công cụ nào thì biểu tượng của công cụ đó hiện lên khi ta rà chuột vào cửa

sổ phần mềm

1.2.1.2 Thực hiện vẽ

1 Trong menu Build chọn Default element (Hoặc nhắp đúp chuột trái vào biểu tượngDraw) Bảng các nguyên tố hiện ra như sau:

Để lựa chọn nguyên tố nào, ta chỉ cần nhắp chuột trái vào nguyên tố đó.

2 Muốn biết thuộc tính của các nguyên tố ta chỉ cần nhắp trái chuột vào thẻ Propertiestrong thoại, bảng các thuộc tính của nguyên tố sẽ xuất hiện Sau khi đã lựa chọnnguyên tố muốn vẽ, chỉ cần nhắp trái chuột lên màn hình ta sẽ thu được nguyên tốcần vẽ

3 Có thể thực hiện phép vẽ bằng hai cách: Vẽ các nguyên tử trước rồi rê chuột từnguyên tử này đến nguyên tử khác để vẽ liên kết hoặc Vẽ thẳng liên kết giữa cácnguyên tử bằng cách vẽ một nguyên tử rồi rê chuột đến vị trí khác tạo liên kết

4 Tạo liên kết đôi, liên kết ba bằng cách nhắp trái chuột vào chính liên kết đó

5 Tạo vòng liên hợp bằng cách nhấp hai lần chuột trái vào một liên kết bất kì trong

6 Nếu có một liên kết hay một nguyên tử nào không phù hợp có thể xóa bằng cáchnhắp phải chuột vào liên kết hay nguyên tử đó.

Lưu ý: Nguyên tử Hidro có thể vẽ hoặc không vẽ cũng được.

1.2.2 Chuyển từ công thức hai chiều sang công thức ba chiều

Sau khi vẽ công thức hai chiều xong thì chọn Add H & Model Build trong menu Build đểchuyển từ công thức hai chiều sang công thức ba chiều

Thực hiện xong, ta sẽ thu được công thức ba chiều

1.2.3 Ghi công thức dưới dạng file

Trong menu File, chọn Save, chỉ đường dẫn vào khu vực muốn lưu, đặt tên và chọn Save.Đuôi của tập tin được mặc định là HIN

1.2.4 Sơ lược về các phương pháp bán thực nghiệm

Các tính toán bán thực nghiệm giải phương trình Schrodinger, với sự xấp xỉ nào đó,nhằm mô tả thuộc tính của các nguyên tử và phân tử Để tính nhanh và đơn giản, cácphương pháp bán thực nghiệm thực hiện sự đơn giản hóa như sau: chỉ tính cho các electronhóa trị; bỏ qua một số tích phân tương tác; sử dụng các hàm orbital điện tử cơ bản chuẩn,không được tối ưu; dùng các tham số xác định từ thực nghiệm Các tham số thực nghiệmloại bỏ một lượng tính toán cần thiết nào đó và sửa các lỗi kết quả thu được từ sự gần đúng

Quan trọng: Các phương pháp bán thực nghiệm trong Hyperchem có thể xử lý tất cả các

nguyên tố nhóm chính, được tham số hóa trong các file tham số để xử lý đến cả xenon.Extended Huckel, ZINDO/1, ZINDO/S có thể xử lý hai hàng kim loại chuyển tiếp đầu tiên

Tất cả các phương pháp bán thực nghiệm hiện hành được thiết lập nhằm loại bỏ nhữngtính toán tốn nhiều thời gian của các tích phân xen phủ Phương pháp bỏ qua xen phủ viphân không tính các tích phân đẩy có giá trị nhỏ.

Để lựa chọn các phương pháp, ta chọn thẻ Semi-epirical trong menu Set up Lúc đó, xuấthiện hộp thoại:

Extended Huckel: Sử dụng để tính toán orbital phân tử của các phân tử Không có giá trị

để tối ưu hình học hoặc tính toán động lực học phân tử Dùng sự giản hóa “một electron”quy cho là không có sự tương tác rõ ràng giữa các electron Đây không phải là phương pháptrường tự hợp (SCF)

CNDO: Bỏ qua hoàn toàn xen phủ vi phân Đây là phương pháp trường tự hợp đơn giản

nhất Nó có giá trị để tính toán các thuộc tính electron trạng thái cơ bản của các hệ vỏ hở và

hệ vỏ kín, dùng để tối ưu hóa hình học, tính năng lượng toàn phần

INDO: Gián tiếp bỏ qua xen phủ vi phân Cải tiến từ CNDO bằng cách tính đến lực đẩy

một tâm giữa các electron trong cùng một nguyên tử Dùng để tính thuộc tính electron ởtrạng thái cơ bản của hệ vỏ hở và vỏ kín, dùng để tối ưu hình học, tính năng lượng toànphần, đây là một phương pháp SCF

MINDO3: Là phương pháp mở rộng từ INDO bằng cách sử dụng các tham số, thay vì tính

toán đối với nhiều tương tác Sử dụng cho các phân tử hữu cơ lớn, tính toán thuộc tính điện

tử, tối ưu hình học, tính năng lượng toàn phần Đây là phương pháp SCF

MNDO: Sử dụng cho nhiều loại phân tử hữu cơ khác nhau có chứa các nguyên tố thuộc

hàng 1 và 2 trong bảng tuần hoàn, không có giá trị cho các kim loại chuyển tiếp Loại bỏ

một số sai số trong MINDO3 Tính thuộc tính điện tử, tối ưu hình học, năng lượng toànphần, và nhiệt hình thành Đây là phương pháp SCF.

MNDO/d: Là phiên bản của MNDO với việc thêm các orbital – d Sử dụng cho các nguyên

tố nhóm chính có các orbital – d đóng vai trò quan trọng (như là lưu huỳnh) Được tham sốhóa tốt hơn, dùng cho các kim loại chuyển tiếp Tính toán thuộc tính điện tử, tối ưu hìnhhọc, năng lượng toàn phần, nhiệt hình thành Đây là phương pháp SCF

AM1: Cải tiến từ MNDO và là phương pháp chính xác nhất Dùng cho các phân tử hữu cơ

có chứa các nguyên tố thuộc hàng thứ nhất và hàng thứ hai trong bảng tuần hoàn, khôngdùng cho kim loại chuyển tiếp Có thể tính tốt hơn MNDO cho các hợp chất chứa cả nitơ vàoxi Tính thuộc tính điện tử, tối ưu hình học, năng lượng toàn phần, nhiệt hình thành Đây làphương pháp SCF

PM3: Được tham số hóa từ AM1 PM3 khác AM1 chỉ ở các giá trị tham số Các tham số

cho PM3 lấy bằng cách so sánh số lượng lớn và rộng rãi từ thực nghiệm Tiêu biểu, cáctương tác không liên kết ít đẩy hơn trong PM3 so với AM1 PM3 đầu tiên được sử dụng chocác phân tử hữu cơ, nhưng nó cũng được sử dụng nhiều cho nguyên tố nhóm chính Đây làphương pháp SCF

ZINDO/1: Sửa đổi từ INDO mở rộng cho các kim loại chuyển tiếp Tương đương với phiên

bản gần đây nhất của phương pháp INDO/1, sự khác đầu tiên đó là sử dùng hằng số mũorbital ZINDO/1 cho phép ta tính năng lượng trạng thái chuyển tiếp, tối ưu hình học củacác phân tử chứa kim loại chuyển tiếp

ZINDO/S: Là phương pháp INDO được tham số hóa thêm nhằm mô phỏng sự chuyển đổi

phổ UV/Visible (tử ngoại/khả kiến) khi dùng CI đơn (single configuration interaction:tương tác cấu hình đơn) dùng để dự đoán phổ UV/Visible nhưng không phù hợp để tính tối

ưu hình học hay động lực học phân tử

TNDO: Là phương pháp bỏ qua xen phủ vi phân bao gồm các tham số không chỉ cho thứ tự

nguyên tử mà còn cho kiểu nguyên tử Cố gắng thu được phương pháp bán thực nghiệmnâng cao chính xác nhiều hơn Sử dụng phương pháp này như một công cụ nghiên cứu chomột khoảng giới hạn các phân tử có các tham số đã được phát triển và đang hiện hành

Options…: Nhấp trái chuột để biểu diễn lựa chọn bán thực nghiệm nhằm thiết lập các điều

1.2.4.1 Phương pháp áp dụng cho các nguyên tố

Các bảng sau đây biểu diễn cho ta biết các nguyên tố được xử lý theo các phương phápbán thực nghiệm khác nhau trong Hyperchem Ở đây, biểu tượng của các nguyên tố xử lýtheo mỗi phương pháp tô đậm:

Chú ý: Phương pháp Huckel mở rộng có thể áp dụng cho tất cả các nguyên tố trong bảngtuần hoàn, tập hợp tham số ngầm định bao hàm tất cả các tham số cần thiết

CNDO, INDO

MINDO3

MNDO

AM1

ZINDO/1

ZINDO/S

1.2.4.2 Lựa chọn bán thực nghiệm cho phương pháp Huckel

Hộp thoại này dùng để đặt riêng cho phương pháp Huckel Tất cả các phương pháp bánthực nghiệm khác sử dụng hộp thoại khác

Total charge: Điện tích hạt nhân dư so với điện tích electron Nó bằng 0 đối với hệ trung

hòa, giá trị nguyên dương đối với cation và là giá trị nguyên âm đối với anion

Spin multiplicity: Đây là độ bội spin, 2S + 1, ở đây S là tổng spin electron của hệ Mỗi

electron không kết đôi được tính là ½ Hệ vỏ kín (singlet) có độ bội là 1 Trạng thái doulet

và triplet có độ bội là 2 và 3 Ta có thể thay đổi giá trị từ 1 đến 6

Huckel constant: Hằng số tỷ lệ giữa các yếu tố ma trận không chéo hóa và các yếu tố của

ma trận chéo hóa Giá trị thường là 1.75 Giá trị lớn đặt cho trọng lượng lớn đóng vai trò làxen phủ orbital nguyên tử trong việc xác định năng lượng Giá trị nhỏ đặt cho trong lượng

Unweighted constant: Dùng hằng số Huckel không sửa đổi gì.

Weight diffuseness: Tăng hằng số Huckel bằng một hệ số được coi là sự khuếch tán của

các orbital nguyên tử Hệ số này chỉ được quy cho các hệ phân tử có các orbital khuếch tánrất khác nhau Điều này hiếm khi xuất hiện đối với các hợp chất hữu cơ và các nguyên tốnhóm chính

d orbitals scale factor: Tích chọn để thêm các orbital d cho Si, P, S và Cl Đây là hệ số tỷ

lệ

1.2.4.3 Hộp thoại lựa chọn cho các phương pháp bán thực nghiệm khác

Total charge: Điện tích hạt nhân dư so với điện tích electron Nó bằng 0 đối với hệ trung

hòa, giá trị nguyên dương đối với cation và là giá trị nguyên âm đối với anion

Spin multiplicity: Đây là độ bội spin, 2S + 1, ở đây S là tổng spin electron của hệ Mỗi

electron không kết đôi được tính là ½ Hệ vỏ kín (singlet) có độ bội là 1 Trạng thái doulet(biểu diễn hai mũi tên hướng lên) và triplet (biểu diễn ba mũi tên hướng lên) có độ bội là 3

và 4 Ta có thể thay đổi giá trị từ 1 đến 6

State: Mô tả trạng thái kích thích của các electron hóa trị trong hệ.

 Lowest: Trạng thái điện tử có năng lượng thấp nhất ở độ bội spin cho trước.

 Next lowest: Trạng thái kích thích điện tử đầu tiên của độ bội spin cho trước.

(singlet, doublet, triplet hoặc quartet)

Convergence limit: Kết thúc tính toán SCF khi sự khác nhau về năng lượng sau hai lần lặp

lại liên tiếp bé hơn giá trị đã đặt Đây là giới hạn hội tụ cho năng lượng electron toàn phầntrong tính toán SCF

Iteration limit: Giá trị cực đại cho sự lặp lại của một tính toán SCF Tính toán sẽ ngưng sau

khi lặp đủ giá trị ta đặt dù chưa đến kết quả cuối cùng

Accelerti convergence: Tích chọn để đạt độ hội tụ nhanh hơn kết quả cho quá trình lặp

SCF

Spin pairing: Đặt cho phương pháp để tính toán các kiểu tác động spin Có hai kiểu sau:

 UHF: Phương pháp Hartree – Fock không giới hạn cung cấp cho các orbital có

không gian riêng (anpha và beta) cho các electron cùng với kiểu spin Phương phápnày dùng cho các hệ vỏ hở và vỏ kín

 RHF: Phương pháp Hartree – Fock giới hạn đòi hỏi spin cặp đôi của các electron

định cư trong cùng không gian orbital Là phương pháp dùng cho hệ vỏ hở và hệ vỏkín

Overlap Weighting factors: Tham số hóa thêm cho các phương pháp ZINDO nhằm thay

đổi phần đóng góp trong liên kết sigma và pi

 Sigma – Sigma: Hiệu chỉnh xen phủ orbital nguyên tử sigma – sigma Nên đặt cho

ZINDO/1 giá trị 1, cho ZINDO/S giá trị 1.267

 Pi – Pi: Hiệu chỉnh xen phủ orbital nguyên tử pi – pi Nên đặt 1 cho ZINDO/1.

Ngầm định 0.64 cho ZINDO/S là thích hợp cho các kim loại chuyển tiếp, và giá trị0.585 cho các phân tử hữu cơ

TNDO version: Lựa chọn để chọn hai phiên bản TNDO ta muốn dùng Lựa chọn này lặp

lại các hệ số mức xen phủ mô tả ở trên khi chọn TNDO TNDO có nguồn gốc là CNDO vàINDO và ta có thể chọn một trong hai TNDO/1 hay TNDO/2

Configuration interaction: Lựa chọn này để đặt hoạt động và đặt các lựa chọn cho tính

toán tương tác cấu hình Điều này là cần thiết nếu ta muốn tính phổ UV- Visible

1.2.4.4 Lựa chọn tương tác cấu hình

Các tính toán CI có thể dùng để cải tiến chất lượng của hàm sóng và trạng thái nănglượng Các tính toán trường tự hợp (SCF) dựa trên mô hình một electron, ở đó mỗi electron

di chuyển trong trường hợp trung bình được tạo nên bởi (n-1) electron còn lại trong phân tử.Thực tế, các electron tương tác ngay tức thời và do đó có khuynh hướng tự nhiên tránh xaelectron khác, thỏa mãn nguyên lý loại trừ Sự tương quan (tác động qua lại lẫn nhau) nàydẫn đến kết quả là lực đẩy trung bình giữa các electron thấp hơn và do đó có trạng thái nănglượng thấp hơn

Có hai kiểu tương quan electron: tĩnh và động Tương quan tĩnh được quy cho là sự suybiến gần trạng thái cho trước; tương quan động là sự tránh xa tức thời của các electron vớinhau

CI method: Chọn None, Singly Excited (kích thích đơn), Microstate (vi trạng thái).

 None: Chọn None nếu không muốn sử dụng tương tác cấu hình.

 Singly Excited: Chỉ các cấu hình kích thích đơn được tính.

 Microstate: Gồm nhiều trạng thỏi kớch thớch, kể cả cỏc trạng thỏi kớch thớch đơn Orbital Criterion: Đặt phạm vi cỏc orbital và từ đú cỏc electron được kớch thớch để tạo ra

Energy criterion: Là lựa chọn cho orbital criterion, giỏ trị này đặt năng lượng giới hạn cho

sự tạo tập hợp cỏc cấu hỡnh tương tỏc

Maximum Excitation: Năng lượng orbital cao nhất khỏc nhau (eV) giữa cỏc orbital định cư

và khụng định cư, được tớnh trong tớnh toỏn CI Núi chung cỏc cấu hỡnh cú năng lượng caokhụng tương tỏc mạnh trong tớnh toỏn núi đõy Tăng thờm năng lượng cực đại sẽ làm tăngthờm số tương tỏc cấu hỡnh trong tớnh toỏn CI

1.2.5 Tối thiểu húa năng lượng

Trước khi thực hiện ta nên hiểu qua một chút về sự cực tiểu hoánăng lượng Cực tiểu hoá năng lượng làm biến đổi hình học phân tử

đến những mức hệ có năng lượng thấp hơn, và cuối cùng là tạo ra mộtcấu hình ổn định nhất Trong quá trình cực tiểu hoá, quá trình đi

đến cấu trúc phân tử mà năng lượng không còn có thể thay đổi viphân được nữa Điều này có nghĩa là bắt nguồn từ năng lượng liên hệtheo các toạ độ Decac, được gọi là gradient, là gần như bằng không Đây

được biết là điểm dừng (stationary point) trên mặt thế năng

Nếu có sự thay đổi nào trong các thông số hình học làm tăng nănglượng của phân tử, cấu hình sẽ nhanh chóng sửa đổi đưa về trạng tháinăng lượng cực tiểu

Một hệ phân tử có thể có nhiều cực tiểu năng lượng Năng lượng cógiá trị thấp nhất được gọi là cực tiểu toàn phần, những điểm cực tiểucòn lại gọi là cực tiểu bộ phận

3 Chọn một phương pháp bán thực nghiệm rồi chọn thẻ Option, chọn các tham số Chú

ý là chọn None trong thẻ Configuration Interaction

4 Trong menu Compute chọn thẻ Geometry Optimization Hộp thoại sau xuất hiện:

Algorithm: Hyperchem sử dụng các thuật toán để tính toán cho hệ đã chọn.

 Steepest Descent: Chuyển trực tiếp xuống đường dốc nhất (của lực tương tác) trên

mặt thế năng Nếu năng lượng của hệ giảm đi, nó tiếp tục thực hiện như vậy nhưngvới bước nhảy lớn hơn (tăng thêm 1.2 lần) nếu năng lượng tăng sau bước nhảy, tỉ lệđiều chỉnh hình học giảm xuống: bước nhảy tiếp theo bằng một nửa bước nhảy trước

đó Phương pháp này tạo ra các điện tích có giới hạn cho hệ, dùng để nhanh chónghiệu chỉnh hình học khởi đầu kém hoặc loại bỏ các tiếp điểm kém; nó có tác động tốtkhi hệ còn xa so với cực tiểu Tính toán không sẵn sàng hội tụ và có thể dao động.

 Fletcher- Reeves: Đây là phương pháp gradient liên hợp, có nghĩa là nó chọn hướng

giảm (để có năng lượng thấp hơn) bằng cách xét gradient hiện tại, sự liên hợp của nó,với gradient của bước nhảy trước đó Đây là phương pháp có độ hội tụ tuyến tínhcao; nó hội tụ tốt hơn phương pháp trên

 Polak – Ribiere: Đây là phương pháp gradient liên hợp sự dụng sự thăm dò một

chiều Nó cải tiến từ phương pháp Fletcher – Reeves cũng bằng cách xem xét hướngliên hợp trước đó Là phương pháp nhanh hơn Flecher – Reeves

 Eigenvector – Follow: Có giá trị cho các tối ưu bán thực nghiệm và thuần lý thuyết;

không có giá trị cho động lực họ phân tử, nó dùng các vectơ đặc trưng của ma trậnchéo hóa Hesian để xác định hướng tối ưu cho sự chuyển động của nguyên tử, ướcđoán ban đầu tính theo thực nghiệm

 Newton – Raphson: Phương pháp dùng để tính trực tiếp các đạo hàm bậc hai, hoặc

các hằng sô lức Đây là phương pháp có hiệu quả trong việc xác định cực tiểu hóanhưng đòi hỏi hình học khởi đầu hợp lý

 Conjugate Directions: Có giá trị tính toán bán thực nghiệm, thuần túy lý thuyết và

DFT Nó chỉ dùng năng lượng và đạo hàm của năng lượng Do đó có thể sử dụngrộng rãi hơn mặc dù nó không có khả năng so sánh với các phương pháp đạo hàm

Có thể sử dụng tối ưu hình học MP2 hay trạng thái kích thích hình học CI

Termination condition: Dùng hộp thoại này để đặt các điều kiện kết thúc tính toán.

 RMS gradient: Khi RMS gradient của năng lượng bé hơn giá trị nay, tính toán sẽ

dừng lại Giá trị đặt thay đổi từ 10-3 đến 0.1 Đặt giá trị bé hơn nữa có thể máy sẽ báolỗi Ta có thể đặt giá trị cao hơn 0.1 để tính toán nhanh hơn, nhưng kém chính xáchơn

 Max cycles: Số vòng tính toán tối đa Ngầm định bằng 15 lần số nguyên tử Giá trị

có thể thay đổi từ 100 đến 1000

Periodic boudary conditions: Đây sử dụng điều kiện biên tuần hoàn đã thiết lập cho hệ để

Variable: Nhấp nút để lựa chọn thêm, cho phép ta chọn để tối ưu hóa năng lượng SCF hay

SCF + MP2 (chỉ ở Ab initio) hoặc năng lượng trạng thái kích thích (cung cấp tương tác cấuhình đã được chọn trước đó)

Screen refresh period: Đây là tần số, trong các vòng tối ưu hóa, biểu diễn kết quả lên màn

hình

Một số thông số sau khi tính toán

Atomic orbital electron populations: mật độ electron trên obital.

Core – Core Interaction: Năng lượng phân cắt.

Electronic Energy: Năng lượng điện tử.

Gradient: góc

Heat of formation: Nhiệt tạo thành.

Isolated Atomic Energy: Năng lượng phân chia nguyên tử.

Net charges and coordinate: Điện tích thực và tọa độ.

Total Energy: Tổng năng lượng.

Binding Energy: Năng lượng phân cắt liên kết.

1.2.6 Tính phổ electron

1 Sau khi tối thiểu hóa năng lượng, chọn thẻ Semi-epirical trong menu Setup

2 Chọn phương pháp rồi chọn thẻ Options

3 Trong Spin pairing chọn RHF

4 Chọn thẻ Configuration Interaction và điều chỉnh các tham số

5 Chọn thẻ Single point trong menu Compute

6 Sau khi máy tính toán xong, chọn thẻ Electronic Spectrum trong menu Compute Khi

đó phổ điện tử của hợp chất sẽ xuất hiện:

Wavelength: Số chỉ ở góc trên bên trái và phải cho biết giới hạn phổ đang biểu diễn.

Zoom: Thanh trượt phóng to và thu nhỏ giúp dễ dàng quan sát biểu diễn phổ.

Oscillator Strength: Tỉ lệ của cường độ dao động (intensity).

Pan: Thanh trượt hỗ trợ quan sát.

Transition: Biểu diễn số của sự chuyển, mức của sự chuyển được chọn Sự chuyển theo thứ

tự từ bước sóng dài nhất đến bước sóng ngắn nhất (trái qua phải) Ta có thể chọn một sựchuyển bằng cách đánh vào số của sự chuyển

Degeneracy: Xác định sự suy biến của trạng thái kích thích theo sự chuyển đã chọn.

Spin multiplicity: Là độ bội spin toàn phần, ở đây S là tổng spin electron của hệ Mỗi

electron không liên kết đôi có spin là ½ Hệ vỏ kín (singlet) có độ bội spin là 1, trạng tháidoublet, triplet lần lượt có độ bội spin là 2 và 3

Wavelength: Bước sóng (nm) của sự chuyển đã chọn.

Oscillator Strength: Lượng không thứ nguyên tỉ lệ với cường độ của sự chuyển được chọn Copy: Copy hình ảnh hộp thoại biểu diễn phổ vào trình ứng dụng khác, vào bộ nhớ tạm

thời

CHƯƠNG 2 SỬ DỤNG PHẦN MỀM

HYPERCHEM KHẢO SÁT HIỆU ỨNG BÁN LỆCH

2.1 THỰC HIỆN KHẢO SÁT TRÊN MỘT SỐ PHÂN TỬ

2.1.1 Butan

2.1.1.1 Cấu dạng bán lệch

a Vẽ công thức hai chiều

Nhắp đúp chuột trái vào biểu tượng trên cửa trên thanh công cụ (toolbar) hoặcchọn thẻ Default element trong menu Build Bảng Element table hiện lên Nhắp chọnnguyên tố C

(Chú ý: Tích chọn Allow Arbitrary Valence cho phép ta có thể vẽ được số liên kết cộng hóatrị nhiều hơn hay ít hơn so với hóa trị của nó Tích chọn Explicit Hydrogens sẽ cho phép ẩn

đi tất cả các nguyên tử hidro)

Sau đó ta vẽ công thức hai chiều của propan trước

b Chuyển từ công thức hai chiều sang ba chiều

Chọn thẻ Add H & Model Build trong menu Build Ta được công thức ba chiều củapropan như sau:

Sau đó ta thay một nguyên tử H bởi một nguyên tử C sao cho ở vị trí bán lệch so vớinhóm –CH3 của C bên kia, như hình dưới đây:

Tiếp tục chọn thẻ Add H & Model Build trong menu Build

Ta được công thức ba chiều như sau:

c Ghi cụng thức dưới dạng file

Trước khi thực hiện sửa đổi bức vẽ, ta hóy lưu bức vẽ lại Điều này giỳp ta khụngphải vẽ lại bức vẽ ban đầu nếu trong quỏ trỡnh chỉnh sửa bị hỏng Cỏch làm như sau:

- Nhắp trỏi chuột vào biểu Save trờn màn hỡnh hoặc chọn thẻ Save trong menu File

- Chỉ đường dẫn, đặt tờn và nhắp Save

- Những thao tác lúc sau trên phân tử đã vẽ, muốn lưu ta chỉ việcnhấp Save Nếu muốn lưu tên file khác thì ta nhấp Save as trongFile menu

d Lưu kết quả tính toán dưới dạng log file

Dòng hiện trạng ở bên dưới cửa sổ HyperChem biểu diễn những kết quả tính toánphù hợp nhất, ta có thể lưu những kết quả này kèm những thông tin tính toán liên quan vàomột log file Điều này được thực hiện dễ dàng như sau:

- Nhấp trái chuột chọn thẻ Start log trong menu File

- Chọn đường dẫn và đặt tên File này sẽ được mặc định có đuôi LOG và có thể

mở bằng Notepad

- Nhấp OK để chọn Log file sẽ lưu lại tất cả các kết quả trong quá trình tính toán

mà ta tiến hành

e Tối thiểu hóa năng lượng

Trước khi tối thiểu hóa năng lượng, ta tiến hành chọn phương pháp tính toán, ở đây

ta tính theo các phương pháp bán thực nghiệm Ta làm như sau:

- Nhấp chuột trái chọn thẻ Semi-empirical trong menu Setup

- Hộp thoại Semi-empirical Methods xuất hiện Ta chọn một phương pháp bán thựcnghiệm Ở đây ta sẽ chọn phương pháp PM3

- Nhấn chọn Options để mở hộp thoại lựa chọn thêm cho phương pháp

- Chọn các giá trị như sau và nhấp chọn OK để đóng hộp thoại

ư u ý: Nếu ta chọn UHF trong Spin pairing thì thẻ Configuration Interaction sẽ bị

mờ đi Nếu ta chọn RHF trong Spin pairing thì trong thẻ Configuration Interaction ta phảichọn None

Sau khi chọn phương phỏp tớnh, ta tiến hành tối ưu húa cấu trỳc bằng phương phỏptối ưu cơ học phõn tử như sau:

1 Đầu tiờn là đặt cỏc biến số cực tiểu húa, gồm cú hỡnh thức cực tiểu:

- Nhấp trỏi chuột chọn thẻ Geometry Optimization trong menu Compute, hộp thoạixuất hiện

Hộp thoại lựa chọn cho phộp ta chọn thuật toỏn tối ưu và tiờu chuẩn hội tụ cho quỏtrỡnh cực tiểu húa mà ta tiến hành

- Nhấp trái chuột chọn thuật toán Polak-Ribiere Thuật toán này nóichung cho kết quả tối ưu tốt

- Chọn giá trị 0.00001 kcal/A0mol cho RMS gradient và ngầm

định giá trị nàycho các hệ khác

- Maximum cycles trong mục RMS gradient cho phép ta đặt

điều kiện để kết thúc tính toán Khi tính toán đạt được mộttrong các tiêu chuẩn này thì tính toán sẽ dừng lại

- Mục In vacuo (trong chân không) được tích ngầm định sẵnnếu ta không đặt Periodic Box trong Setup menu.

Hộp thoại lựa chọn tối ưu hình học là như nhau đối với mọi phươngpháp

Sau khi máy chạy xong, dòng hiện trạng ở bên dưới cửa sổ HyperChem biểu diễnnhững kết quả tính toán phù hợp nhất thu được

Tính toán xong, ta nhấn trái chuột vào Stop log để khóa việc ghi chép những sửa đổikhông cần thiết trong quá trình tính toán

Phân tử đã được tối ưu hóa cấu trúc Từ đây ta có thể dễ dàng khảo sát các thuộc tínhcủa hệ buntan ở cấu dạng bán lệch

 Xem góc liên kết, độ dài liên kết:

Để đo các thuộc tính, ta làm như sau:

- Nhấp trái chuột vào công cụ lứa chọn trên thanh công cụ

- Nhấp trái chuột tích Atoms và bỏ tích Multiple Selection trong Select menu

- Chọn một vài liên kết, góc liên kết, góc nhị diện để xác định giá trị của chúng.Các giá trị sẽ xuất hiện trên dòng hiện trạng thái sau khi ta tiến hành chọn

Ta thu được các giá trị sau:

+ khoảng cách giữa C 1 và C 4 : 3,03123 A o

+ góc nhị diện: 64,5121 o

* Khoảng cách giữa C 1 và C 4 :

* Góc nhị diện:

- Nhấp phải chuột để bỏ các lựa chọn.

 Xem các giá trị năng lượng:

Mở file log đã lưu, ta thu được các giá trị năng lượng của cấu trúc butan dạng bánlệch đã tối ưu như sau:

HyperChem log start Thu March 22 22:34:49 2013

Geometry optimization, SemiEmpirical, molecule = (untitled)

PM3

PolakRibiere optimizer

Convergence limit = 0.0000010 Iteration limit = 3200

Accelerate convergence = YES

Optimization algorithm = Polak-Ribiere

Criterion of RMS gradient = 0.0000 kcal/(A mol) Maximum cycles = 3200

RHF Calculation:

Singlet state calculation

Number of electrons = 26

Total Orbitals = 26

ENERGIES AND GRADIENT

Total Energy = -14508.3640305 (kcal/mol)

Total Energy = -23.120546921 (a.u.)

Binding Energy = -1233.2993805 (kcal/mol)

Isolated Atomic Energy = -13275.0646500 (kcal/mol)

Electronic Energy = -56697.8016996 (kcal/mol)

Core-Core Interaction = 42189.4376691 (kcal/mol)

Heat of Formation = -28.7193805 (kcal/mol)

Gradient = 0.0000098 (kcal/mol/Ang)

Ở đây, khi khảo sát hiệu ứng bán lệch, ta quan tâm đến hai giá trị năng lượng sau:

Total Energy = -14508.3640305 (kcal/mol)

Heat of Formation = -28.7193805 (kcal/mol)

 Xem các giá trị năng lượng HOMO:

Để xem các giá trị năng lượng HOMO, LUMO ta tiến hành như sau:

- Nhấp trái chuột chọn công cụ lựa chọn trên thanh công cụ, nhấp phải chuột vào vùngtrống vùng làm việc để loại bỏ các lựa chọn

- Nhấp chuột trái chọn Obitals trong Compute menu

- Sau đó sẽ hiện ra hộp thoại bảng năng lượng, nhấp trái chuột chọn HOMO

- Quan sát mức thấp nhất trong biểu đồ năng lượng obital thay đổi theo màu sắc Giátrị ghi ở bên trái bảng.

- Ta cũng có thể chọ obital bằng cách nhấp trái chuột vào mức obital có năng lượngthấp nhất trong biểu đồ

- Nhấp trái chuột chọn 3D Isossurface

- Nhấp trái chuột chọ OK để vẽ biểu đồ obital

Sau khi tối ưu hóa cấu trúc của butan bán lệch ta thu được các kết quả đáng lưu ý sau:

• Total Energy = -14508.3640305 (kcal/mol)

• Heat of Formation = -28.7193805 (kcal/mol)

• Khoảng cách giữa C 1 và C 4 : 3,03123 A o

• Góc nhị diện: 64,5121 o

• Năng lượng HOMO thấp nhất = -11,31514 (eV)

Tương tự các bước trên, ta tối ưu cấu trúc của các phân tử chất khác để khảo sát hiệu ứng bán lệch và thu được kết quả tương ứng với các chất như sau.

2.1.1.2 Cấu dạng đối lệch

 Khoảng cách giữa C 1 và C 4 :

 Góc nhị diện:

 Xem các giá trị năng lượng:

HyperChem log start Thu March 22 22:34:49 2013

Geometry optimization, SemiEmpirical, molecule = E:\tl hoa tin\butan_bl.hin.PM3

PolakRibiere optimizer

Convergence limit = 0.0000010 Iteration limit = 3200

Accelerate convergence = YES

Optimization algorithm = Polak-Ribiere

Criterion of RMS gradient = 0.0000 kcal/(A mol) Maximum cycles = 3200

RHF Calculation:

Singlet state calculation

Number of electrons = 26

Number of Double Occupied Levels = 13

Charge on the System = 0

Total Orbitals = 26

ENERGIES AND GRADIENT

Total Energy = -14508.8829751 (kcal/mol)

Total Energy = -23.121373912 (a.u.)

Binding Energy = -1233.8183251 (kcal/mol)

Isolated Atomic Energy = -13275.0646500 (kcal/mol)

Electronic Energy = -55930.9386177 (kcal/mol)

Core-Core Interaction = 41422.0556426 (kcal/mol)

Heat of Formation = -29.2383251 (kcal/mol)

Gradient = 0.0000067 (kcal/mol/Ang)

 Xem các giá trị năng lượng HOMO:

Sau khi tối ưu hóa cấu trúc của butan đối lệch ta thu được các kết quả đáng lưu ý sau:

• Total Energy = -14508.8829751 (kcal/mol)

• Heat of Formation = -29.2383251 (kcal/mol)