THIẾT KẾ VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC DẪN XUẤT TỪ UREA SỬ DỤNG TRONG DẦU MỎ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHẠM THANH HẢI THIẾT KẾ VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC DẪN XUẤT TỪ UREA SỬ DỤNG TRONG DẦU MỎ Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành : Kỹ thuật Hoá học Mã số: Phạm Thanh Hải 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Cẩm Nam TS Nguyễn Minh Thông Đà Nẵng – 2019 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT ĐỀ TÀI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG .7 MỞ ĐẦU A LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI B TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 10 C MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .11 C1 Mục tiêu 11 C2 Nội dung nghiên cứu .11 D ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .11 D1 Đối tượng nghiên cứu .11 D2 Phạm vi nghiên cứu 12 Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải E PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .13 F Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI 14 Chương .15 TỔNG QUAN HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 15 1.1 Tổng quan chất oxy hóa chất chống oxy hóa .15 1.1.1 Gốc tự 15 1.1.2 Chất chống oxy hóa 15 1.1.3 Cơ chế chống oxy hóa 16 1.1.3.1 Cơ chế HAT (Hydrogen Atomic Transfer) 16 1.1.3.2 Cơ chế SET-PT (Single Electron Transfer Proton Transfer) 16 1.1.3.3 Cơ chế SPLET (Sequential Proton Loss Electron Transfer) 17 1.2 Tổng quan nghiên cứu khả chống oxy hóa dẫn xuất từ urea17 Chương .20 LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 20 2.1 Phương trình Schrưdinger [36, 37, 38, 39] 20 2.2 Nguyên lý không phân biệt hạt đồng [38, 40] 22 2.3 Nguyên lý loại trừ Pauli (Nguyên lý phản đối xứng) [37, 38, 39, 40, 41] 22 2.4 Hệ nhiều electron 23 2.4.1 Hàm sóng [37, 38, 40, 42] 23 2.4.2 Cấu hình electron trạng thái hệ [37, 38, 40] 24 2.5 Bộ hàm sở [37, 38, 40, 43] 25 2.6 Phương pháp tính toán [37, 38, 40, 42, 44] 27 2.6.1 Phương pháp HartreeFock 27 2.6.3 Phương pháp bán kinh nghiệm 28 2.6.4 Phương pháp nhiễu loạn 28 2.6.5 Phương pháp chùm tương tác (CoupledClusterCC) .30 2.6.6 Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional TheoryDFT) 30 2.6.7 Xây dựng bề mặt (PES - Potential Energy Surface) 31 2.7 Phương pháp nghiên cứu áp dụng luận văn 32 2.7.1 Tối ưu hóa cấu trúc tính lượng điểm đơn 32 2.7.2 Tính tốn thơng số nhiệt động học 33 Chương .35 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .35 3.1 Thiết kế tối ưu hóa dẫn xuất urea 35 3.1.1 Đánh giá sơ hoạt tính dẫn xuất urea 35 3.1.2 Thiết kế tối ưu hóa dẫn xuất urea có khả chống oxy hóa .37 3.2 Thơng số nhiệt động hóa học dẫn xuất thiết kế để xác định khả chống oxy hóa 40 3.3 Xây dựng bề mặt phản ứng dẫn xuất urea tiêu biểu CH3OO tính số tốc độ phản ứng 42 3.3.1 Bề mặt phản ứng U10a với CH 3OO .42 3.3.2 Động học phản ứng U10a với CH3OO 45 Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải 3.4 Đề xuất số dẫn xuất thiourea selenourea tương tự U10a 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .48 TÀI LIỆU THAM KHẢO .50 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Đà CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 54 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SỸ (Bản sao) .55 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nghiên cứu đồng hướng dẫn PGS TS Phạm Cẩm Nam Tiến sĩ Nguyễn Minh Thông Kết luận văn thu thập số liệu, nghiên cứu tính tốn với số liệu trung thực, khách quan Kết phối hợp thực với nghiên cứu sinh Đinh Quý Hương, Đại học Sư phạm Huế PGS.TS Phạm Cẩm Nam hướng dẫn; Vì vậy, số liệu nhận sử dụng cho mục đích nghiên cứu Luận văn Tiếnhạc sĩ sau Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải LỜI CẢM ƠN Trước hết xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô, Ban Lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa (ĐHĐN) Trường Đại học Phạm Văn Đồng (Quảng Ngãi) tạo điều kiện cho tơi học tập, nghiên cứu hồn thành Luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Cẩm Nam; Thầy thường xuyên quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ để bước hoàn thành Luận văn tiến độ đảm bảo chất lượng; cảm ơn hợp tác NCS Đinh Quý Hương (Đại học Sư phạm Huế) thành viên nhóm nghiên cứu Thầy ln đồn kết, giúp đỡ, tạo điều kiện sở vật chất đóng góp ý kiến hữu ích cho việc hoàn thiện Luận văn Đồng cảm ơn anh, chị, em phịng Hóa tính tốn chia sẽ, giúp đỡ nhằm bổ trợ cho trình nghiên cứu Tơi cảm ơn tồn thể giáo viên Khoa Hóa Nhà trường trang bị kiến thức cho thực Luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè ln bên cạnh động viên giúp đỡ tơi q trình thực Luận văn Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải TÓM TẮT ĐỀ TÀI Tóm tắt - Gần đây, dẫn xuất urea nghiên cứu, tổng hợp thành công ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế; Đặc biệt, chúng chất chống oxy hóa hiệu có đặc tính kháng khuẩn cao Trong sản phẩm dầu mỏ hay chất dẻo, gốc tự xem nguyên nhân nguồn gốc q trình oxy hố dẫn đến ảnh hưởng tuổi thọ chất lượng vật liệu hiệu kinh tế Do đó, nghiên cứu hợp chất có khả chống oxy hóa cao mục tiêu đề tài này; dẫn xuất từ benzylurea lựa chọn cho mục đích ngăn ngừa hạn chế hình thành gốc tự Dựa số dẫn xuất benzylureas, 1-(3-methylbenzyl)-3-benzylurea dẫn xuất khác thiết kế đánh giá hoạt tính chống oxy hóa cách thơng qua kết tính tốn lượng tử hóa học, sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) cho đại lượng nhiệt động đặc trưng theo ba chế chống oxy hóa (HAT, SET-PT SPLET) Các thơng số nhiệt động tính tốn bao gồm BDE, IE, PA, ETE… mơ hình tính tốn ROB3LYP/6-311+ +G(2df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p) Kết thu cho thấy hợp chất 1-3methylbenzyl-3-phenylurea (U10a), 1-3-methylbenzyl-3-phenyl-thiourea (U10a S) and 1-3-methylbenzyl-3-3-phenyl-Selenourea (U10a Se) 1-methylbenzyl-3-phenylurea (U9a); 1,3-trifloromethylbenzyl-urea (U9b) 1,3-methylbenzyl-3-benzyl-urea (U10a) có khả chống oxy hoá tốt Từ khoá: Dẫn xuất urea, chất chống oxy hố, DFT, tính tốn lượng tử hố học, 1-(3methylbenzyl)-3-benzylurea (U10a) Abstract - Recently, urea derivatives have been successfully researched, synthesized and commercialized in many sections of industry, agriculture and health; especially, they are effective antioxidants and high antibacterial properties In petroleum or plastic products, free radicals are the cause and source of oxidation which effects on the lifetime (aging) and quality of materials as well as economic efficiency For this reason, studying Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải high activity of antioxidant compounds is the main topic of thesis; Benzylurea derivatives are one of the best options to prevent and limit or stop free radical formation Based on benzylureas derivatives, 1-(3-methylbenzyl)-3-benzyllurea and some new derivatives are designed and evaluated antioxidant activity by chemical quantum calculation, using density function method (DFT) for thermodynamic quantities characterized in three antioxidant mechanisms (HAT, SET-PT and SPLET) Thermodynamic parameters including BDE, IE, PA, ETE at the ROB3LYP / 6-311 ++ calculation model G (2df, 2p) // B3LYP / 6-311G (d, p) model are cCalculated The results show that compounds 1-3-methylbenzyl-3-phenylurea (U10a), and 1-3methylbenzyl-3-phenyl-thiourea (U10a S) and 1-3-methylbenzyl-3-3-phenyl-Selenourea (U10a Se) are good antioxidants Key words: Urea derivatives, antioxidants, DFT, chemical quantum calculation, 1-(3methylbenzyl)-3-benzylurea (U10a) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Các kí hiệu ∆H : Biến thiên enthalpy phản ứng, 298 K ∆G : Biến thiên lượng tự Gibbs P : Product - Sản phẩm phản ứng d(C1N) : Độ dài liên kết C1N (C1: Nguyên tử C vị trí số vịng thơm)  : Hằng số Hammett Int : Intermediate - Hợp chất trung gian TS : Transition State - Trạng thái chuyển tiếp Các chữ viết tắt HAT : Hydrogen Atomic Transfer - cCơ chế chuyển nguyên tử hydrogen SET−PT : Single Electron TransferProton Transfer - cCơ chế chuyển electron SPLET HF chuyển proton) : Sequential Proton Loss Electron Transfer - cCơ chế proton - chuyển electron) : Phương pháp Hartree−Fock Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải MOLCAO : Linear Combination of Atomic Orbitals - pPhương pháp tổ hợp tuyến tính CCD orbital nguyên tử : CoupledCluster Doubles - pPhương pháp cặp đôi chùm tương tác GTO STO : Gaussian Type Orbital - oOrbital kiểu Gaussian : Staler Type Orbital - oOrbital kiểu Staler IRC MEP : Intrinsic Reaction Corrdinate - tTọa độ phản ứng nội : Electrostatic Potential Map - bBề mặt tĩnh điện EDG EWG : Electron Donating Group - nNhóm đẩy electron : Electron Withdrawing Group - nNhóm hút electron BDE : Bon Dissociation Energy - Năng lượng phân ly liên kết IE ETE ZPE PA PDE : Ionization Energy - nNăng lượng ion hóa : Electron Transfer Enthalpy - nNăng lượng chuyển electron : Zero Point Energy - nNăng lượng dao động điểm không : Proton Affinity - áÁi lực proton, hay cịn gọi lượng proton hố : Proton Dissociation Enthalpy - nNăng lượng phân ly proton PES GE RE TE : Potential Energy Surface - bBề mặt : Ground Effect - hHiệu ứng : Radical Effect - hHiệu ứng gốc tự : Total Effect - hHiệu ứng tổng RTA : Radical Trapping Antioxidant - cChất chống oxy hóa bắt gốc tự SCF : Self Consistent Field - trường Trường tự hợp SOUMO: Semi (or Singly) Occupied Molecular Orbital HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital – Orbital phân tử bị chiếm cao LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital – Orbital phân tử chưa bị chiếm thấp Quy ước viết tên thuật ngữ khoa học hợp chất hóa học Để tăng tính hội nhập quốc tế, Luận văn này, thuật ngữ khoa học, tên hợp chất hóa học…được viết theo quy ước sau: Thuật ngữ khoa học Các thuật ngữ khoa học có thuật ngữ Tiếng Việt tương đương thông dụng viết thuật ngữ khoa học Tiếng Việt Các thuật ngữ khoa học chưa có cụm thuật ngữ Tiếng Việt tương đương viết ngun tên Tiếng Anh cụm thuật ngữ đó, ví dụ enthalpy, orbital… Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Tên hợp chất hóa học Phạm Thanh Hải Sử dụng thống tên theo quy định IUPAC viết Tiếng Anh, thay dịch sang Tiếng Việt Ví dụ: viết nitrogen thay viết ni-tơ, hay amine thay amin… Hệ thống đơn vị Năng lượng : eV (hay kcal/mol nói lượng ion hóa) Chiều dài liên kết : ký hiệu Å, Ångstrưm DANH MỤC HÌNH VẼ Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải DANH MỤC BẢNG Bảng Bảng 1 Bảng Bảng Bảng 3 Bảng Error: Reference source not found Tên bảng Thời gian cảm ứng sử dụng dẫn xuất 1-(3methylbenzyl)-3-phenylurea làm chất chống oxy hóa Năng lượng phân ly liên kết (BDE, kcal/mol) 10 dẫn xuất urea (U) Một số thông số cấu trúc lựa chọn chất nghiên cứu tối ưu hóa phương pháp B3LYP/6-311G(d,p) Thơng số nhiệt động tính tốn pha khí ROB3LYP/6-311++G(2df,2p)/B3LYP/6-311G(d,p) Error: Reference source not found Trang 23 43 45 47 48 Error: Reference source not found Error: Reference source not found Error: Reference source not found Error: Reference source not found Error: Reference source not found Error: Reference source not found Error: Reference source not Error: Reference source not found Error: Referen ce source not found Error: Referen ce source not found Phụ lục Error: Reference source not found Phụ lục Error: Reference source not found Phụ lục Error: Reference source not found Phụ lục Error: Reference source not found Phụ lục Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ - Phạm Thanh Hải BP86: Kết hợp phiếm hàm hiệu chỉnh B với lượng trao đổi LSDA, phiếm hàm tương quan phiếm hàm gradient P86  Phương pháp DFT hỗn hợp: Là phương pháp kết hợp phần lượng trao đổi HF lượng trao đổi sở DFT - Phiếm hàm Half-and-Half: Trao đổi lượng HF trao đổi tương quan LSDA góp vào phiếm hàm: ; - Phím hàm B3: phiếm hàm Becke xây dựng với thơng số, có phương trình sau: Với a= 0.2, b= 0.7, c=0.8; - Phương pháp B3LYP: Chứa phiếm hàm hỗn hợp B3 phiếm hàm tương quan GGA LYP; - Phương pháp B3P86: phương pháp hỗn hợp B3 phiếm hàm tương quan P86 Hiện nay, phương pháp B3LYP phương pháp sử dụng rộng rãi cho phép tính phân tử cho kết tính tốn xác phạm vi rộng hợp chất, đặc biệt phân tử hữu Trong luận văn này, phương pháp B3LYP sử dụng thu kết tốt nghiên cứu cấu trúc thuộc tính electron chất hữu 2.6.7 Xây dựng bề mặt (PES - Potential Energy Surface) Để xét trạng thái cấu trúc hệ phân tử hay phản ứng nhiệt động, hoá học lượng tử, người ta thường xây dựng bề mặt hệ Bề mặt mơ tả thay đổi lượng toàn hệ; cCụ thể cho biết cách thức lượng hệ thay đổi có thay đổi nhỏ cấu trúc hệ Đây quan hệ toán học gắn với cấu trúc phân tử Ở bề mặt năng, ta xác định điểm dừng bề mặt (chính đạo hàm bậc toạ độ triệt tiêu) Chỉ có điểm dừng có nghĩa bao gồm cực tiểu (toàn phần cục bộ), cực đại (toàn phần cục bộ), điểm yên ngựa (tham khảo Hình 1) Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Hình Phạm Thanh Hải Bề mặt phản ứng Trạng thái chuyển tiếp điểm n ngựa, có lượng cao nằm hai cực tiểu Dựa vào bề mặt PES, xác định toạ độ phản ứng nội, điểm yên ngựa di chuyển xuống điểm cực tiểu Vì vậy, xác định trạng thái chuyển tiếp, cần kiểm tra lại cách xác định toạ độ phản ứng nội nhằm khẳng định xác trạng thái chuyển tiếp 2.7 Phương pháp nghiên cứu áp dụng luận văn 2.7.1 Tối ưu hóa cấu trúc tính lượng điểm đơn Sử dụng phần mềm Gausian 09 [CITATION Gaussian9 \l 1033 ] để tối ưu hóa cấu trúc chất liên quan luận văn phiếm hàm mật độ B3LYP; kết hợp B3LYP với hàm sở (basis set) phù hợp 6-311G(d,p) để tối ưu cấu trúc phân tử nghiên cứu Dựa cấu trúc tối ưu lượng phân tử tính tốn mức lượng lý thuyết cao hơn, sử dụng từ khóa ROB3LYP/6-311++G(2df,2p) để đạt kết có độ xác cao Từ khóa để tối ưu cấu trúc chất mô tả qua dòng lệnh: Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Để tối ưu cấu trúc: Phạm Thanh Hải # B3LYP/6-311G(d,p) opt freq Để tính lượng mức: # ROB3LYP/6-311++G(2df,2p) test 2.7.2 Tính tốn thông số nhiệt động học 2.7.2.1 Dữ liệu nhận từ output file Gaussian 09 Dựa file liệu xuất sau chạy phần mềm Gaussian 09, liệu cung cấp giá trị lượng hệ (E), giá trị hiệu chỉnh lượng 0K (ZZPE), hiệu chỉnh enthalpy 298K (TCE), hiệu chỉnh lượng tự Gibbs (TCG)… nhận giá trị lượng (E) hay enthalpy (H) cho chất Ví dụ sau làm rõ giá trị cần thiết thu sau tính tốn tối ưu hóa tính lượng điểm đơn: Zero-point correction= (Hartree/Particle) 0.253025 Thermal correction to Energy= 0.267884 Thermal correction to Enthalpy= 0.268828 Thermal correction to Gibbs Free Energy= 0.207225 Sum of electronic and zero-point Energies= -726.610413 Sum of electronic and thermal Energies= -726.595554 Sum of electronic and thermal Enthalpies= -726.594610 Sum of electronic and thermal Free Energies= -726.656213 2.7.2.2 Tính tốn thơng số nhiệt động liên quan đến hoạt tính chống oxy hóa: Dựa chế dùng để đánh giá khả chống oxy hóa: Cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT), chế chuyển electron-chuyển proton (SET-PT) chế proton chuyển electron (SPLET) Các đại lượng tương ứng: Năng lượng đứt liên kết (BDE), lượng ion hóa (IE), lực proton (PA), lượng phân ly proton (PDE) lượng chuyển electron (ETE) tính tốn sau: Năng lượng phân ly liên kết liên kết U-H: (BDE) BDE(UH) = H(U•) + H(H•) – H(UH) Năng lượng ion hóa AH: (IE) Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải +• - IE= Hf(UH ) + Hf(e ) – H (UH) Năng lượng tách phân ly proton (PDE) PDE= Hf(UH•) + Hf(H+) – H(UH+•) Năng lượng mấtÁi lực proton UH (PA) PA= H(U−) + H(H+) – H(UH) Năng lượng tách electron từ anion U− (ETE) ETE= H(U•) + H (e−) - H(U−) Trong đó: H(UH) enthalpy dẫn xuất urea H(U) enthalpy gốc tự dẫn xuất urea H(UH+) enthalpy ion dương gốc tự (radical cation) dẫn xuất urea H(U−) enthalpy ion âm dẫn xuất urea H(H) enthalpy gốc tự hydro H(H+) enthalpy ion dương hydro H(e-) enthalpy electron Tổng enthalpy cấu tử X, H(X), nhiệt độ T tính biểu thức sau: H(X)f = E0 + ZPE + Htrans + Hrot + Hvib + RT Trong đó: E0 tổng lượng hệ, ZPE lượng dao động hệ điểm không; H trans, Hrot, Hvib tương ứng enthalpy dịch chuyển tịnh tiến, enthalpy quay, enthalpy dao động hệ 2.7.2.3 Tính tốn xây dựng bề mặt phản ứng chất nghiên cứu với gốc tự Bề mặt tính tốn tối ưu cho chất phản ứng (reactants), sản phẩm (products) phức có (Int) trạng thái chuyển tiếp (TS) Các bước tối ưu tiến hành tương tự trên, nhiên trường hợp trạng thái chuyển tiếp cần sử dụng dòng lệnh sau: # opt(calcfc,ts) freq B3LYP/6-311G(d,p) Tương tự trên, liệu từ output file giúp tính tốn lượng tương đối phức chất, trạng thái chuyển tiếp… so sánh với lượng chất phản ứng Trên sở xây dựng bề mặt phản ứng nghiên cứu CÁC PHẦN MỀM TÍNH TỐN Phần mềm Gaussian 09W Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải Gaussian phần mềm hiệu để tính tốn hóa lượng tử Phần mềm có hầu hết phương pháp tính từ bán thực nghiệm đến abinitio lý thuyết phiếm hàm mật độ [32] Phần mềm cập nhật, nghiên cứu phát triển nhiều nhà khoa học giới, đặc biệt có Pople J A người đoạt giải Nobel hóa học vào năm 1998 với đóng góp to lớn việc nghiên cứu phương pháp tính tốn hóa học lượng tử Trên sở định luật học lượng tử, Gaussian tính tốn lượng, cấu trúc phân tử tần số dao động hệ thống phân tử, với nhiều tính chất khác phân tử Phần mềm Gaussian dùng để nghiên cứu phân tử phản ứng điều kiện khác nhau, bao gồm hình thái bền hợp chất khó khơng thể quan sát thực nghiệm cấu trúc chuyển tiếp trạng thái trung gian có thời gian tồn ngắn Phần mềm Gaussian đời vào năm 1970 với phiên Gaussian 70 Sau đó, liên tục cập nhật hồn thiện với phiên Gaussian 76, Gaussian 80, Gaussian 82, Gaussian 86, Gaussian 88, Gaussian 90, Gaussian 92, Gaussian 94, Gaussian 03W Gaussian 09W Phần mềm Gaussian 09W cập nhật bổ sung thêm nhiều tính so với phiên trước, cải thiện mở rộng tính phương pháp solvat hóa theo mơ hình phân cực liên tục PCM, cho phép xác định nhiều thuộc tính phân tử dung mơi, khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất, phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, tăng cường khả dị tìm trạng thái chuyển tiếp… Các hàm sở phong phú cho phép người sử dụng dễ dàng chọn phương án tính tốn phù hợp với vấn đề [28] Phần mềm Gaussview Gaussview phần mềm hỗ trợ cho phần mềm Gaussian 09 việc xây dựng cấu trúc ban đầu Ngồi ra, Gaussview cịn dùng để hiển thị kết tính tốn Gaussian dạng đồ họa (như cấu trúc phân tử ban đầu, cấu trúc phân tử tối ưu hóa, kiểu dao động, phổ, hệ số orbital phân tử, mật độ electron, điện tích ) [31] Nhờ đó, việc kiểm tra kết tính tốn trở nên đơn giản dễ dàng Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thiết kế tối ưu hóa dẫn xuất urea 3.1.1 Đánh giá sơ hoạt tính chống oxy hóa dẫn xuất urea Để có sở khoa học thiết kế hợp chất chống oxy hóa từ dẫn xuất ureaNhư trình bày trên, số hợp chất urea đề xuất nghiên cứu sơ lượng phân ly liên kết N-H C-H mô tả trênở Hình 3.1 Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ H H N H H N H H H H Phạm Thanh Hải H H N N N CH3 H3C N O O O U1 U2 U3 H H H H N N N N F F F F H H N N U4 U6 U5 H H N N CH3 O O O CH3 H H H N N O CH3 O U8 U7 H H N N H O N C H2 H N O U9 U10 Hình Tập hợp 10 dẫn xuất từ urea để đánh giá lượng phân ly liên kết Các dẫn xuất urea lựa chọn nghiên cứu Hình 3.1 ký hiệu từ U1 (Diaminomethanone), U2 (…) đến U10, nguyên tử H nhóm NH2 (hoặc hai nhóm NH2) thay nhóm CH 3, F, C6H5 Tính tốn tối ưu cấu trúc dẫn xuất urea dạng phân tử, dạng gốc tự (xem phụ lục Bảng PL.1 PL.2), sau xác định lượng liên kết so sánh với số liệu thực nghiệm (nếu có) Cần nhấn mạnh liên kết vòng thơm benzene nhóm CH tương đối bền (ví dụ BDE(CTrường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải H) = 112.9 kcal/mol cho benzene 98.1 kcal/mol cho propane); đó, hai loại liên kết dễ phân ly quan tâm cho việc xác định lượng liên kết N-H (vị trí số Hình 3.1) C-H (vị trí số hợp chất U10) Các giá trị tính toán thực mức lý thuyết B3LYP/6-311G(d,p) ROB3LYP/6-311++G(2df,2p) nhằm hai mục đích a) đánh giá sơ phương pháp tính tốn đề xuất b) xác định sơ mức độ chuyển nguyên tử hydro đến gốc tự để làm sở cho việc thiết kế dẫn xuất hiệu Kết tính tốn cụ thể cho 10 hợp chấtdẫn xuất urea (U1 đến U10) trình bày Bảng 3.1 Bảng Năng lượng phân ly liên kết (BDE, kcal/mol) 10 dẫn xuất urea (U) tính mức lý thuyết B3LYP/6-311G(d,p) Ureas N1-H N3-H C4-H Thực nghiệm U1 105.1 (107.8) 105.1 (107.8) 111.0 U2 (CH3) 103.6 (106.7) 98.8(101.1) U3 (di-CH3) 98.7(101.3) 98.7(101.3) U4 (F) 106.3(108.3) 86.2(88.3) U5 (di-F2) 87.4 (89.5) 87.4 (89.5) U6(F-CH3) 84.6(86.8) 99.4(101.4) U7(Pph-H) 101.7(104.3) 89.5 (92.1) U8(Ph-CH3) 88.1(90.7) 95.4(98.0) U9(Ph-Ph) 90.0(97.1) 90.0(97.1) U10 98.7(101.8) 91.2(93.4) 79.8(80.0) Giá trị ngồi dấu ngoặc đơn tính B3LYP/6-311G(d,p), gGiá trị ngoặc đơn tính tốn mức lý thuyết ROB3LYP/6-311++G(2df,2p)/ B3LYP/6-311G(d,p) Kết tính tốn tên Bảng 3.1 cho thấy liên kết N-H U1 (NH2CONH2) tương đối bền với BDE(N-H) = 107.8 kcal/mol giá trị tính tốn mức lý thuyết ROB3LYP/6-311++G(2df,2p)/B3LYP/6-311G(d,p) nhỏ giá trị thực nghiệm khoảng 2.8 kcal/mol, kết phù hợp với kết luận trước [tltk]; phương pháp B3LYP luôn xác định giá trị BDE thấp giá trị thực nghiệm khoảng 2-3 kcal/mol Các Nnhóm đẩy F, CH3 C6H5 làm giảm mạnh giá trị BDE vị trí gần nhóm N-H đứng cạnh làm giảm mạnh giá trị BDE(N-H) khoảng 18.3 kcal/mol, 6.6 kcal/mol 10.7 kcal/mol ảnh hưởng đến BDE cho liên kết N-H lại urea Số liệu nhận Dữ liệu Bảng 3.1 cho thấy xác nhận khả chuyển nguyên tử H đến dập tắt gốc tự từ liên kết N-H dẫn xuất Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải urea (Hình 3.1) tương đối khó giá trị BDE tính trường hợp lớn nhỏ không đáng kể so với giá trị BDE (O-H) phenol (88.0 kcal/mol) [CITATION 85L \l 1033 ] Tuy nhiên, giá trị BDE(C4-H) hợp chất U10 thấp đáng kể so với giá trị BDE khác, chứng tỏ liên kết C−H dễ dàng bị cắt đứt nguyên tử hydro dễ dàng chuyển đến kết hợp với gốc tự do, điều đóng vai trị quan trọng phản ứng chống oxy hóa Như vậy, bên cạnh vai trị liên kết N-H, cần quan tâm loại liên kết khác C4-H hợp chất U10 3.1.2 Thiết kế tối ưu hóa dẫn xuất urea mớicó khả chống oxy hóa Các nghiên cứu trước kết luận vị trí para cho nhóm nhóm đẩy điện tử làm giảm giá trị BDE; nNgược lại, thay nhóm hút điện tử làm tăng BDE [CITATION TheCHandαCX \l 1033 ] Do đó, dựa hợp chất số U9, hai dẫn xuất U9a U9b đề xuất khảo sát [CITATION TheCHandαCX \l 1033 ] Ngoài ra, kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy dẫn xuất benzylureas có khả chống oxy hóa cao thường sử dụng hiệu làm chất chống oxy hóa sản phẩm dầu mỏ, nhựa … Nhằm đáp ứng chế HAT, kết hợp kết tính tốn Bảng 3.1 khả chống oxy hóa xác nhận thực nghiệm benzylureas, số hợp chất đề xuất nghiên cứu cụ thể chi tiết cấu trúc với thông số nhiệt động học chế phản ứng thể Hình 3.2 Trong hợp chất U10a có nhóm −CH3 vị trí meta para vòng benzyl (C6H5-CH2) Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Hình Phạm Thanh Hải Công thức cấu tạo ba dẫn xuất urea từ U9 U10 Thực tối ưu hóa cấu trúc chất nghiên cứu phương pháp phiếm hàm mật độ B3LYP hàm sở 6-311G(d,p), thơng số hình học chất nghiên cứu bao gồm chiều dài liên kết, góc liên kết góc nhị diện số vị trí liên quan cho Bảng 3.2 (Xem chi tiết Bảng PL1.1) Bảng Một số thông số cấu trúc lựa chọn chất nghiên cứu tối ưu hóa phương pháp B3LYP/6-311G(d,p) Thơng số hình học cấu trúc U9a U9b U10 U10a Chiều dài liên kết (Angstrom) N1-H 1.008 1.008 1.009 1.010 N1-C2 1.388 1.389 1.384 1.384 C2=O 1.216 1.214 1.218 1.220 C2-N3 1.388 1.389 1.388 1.387 N3-C 1.410 1.406 1.408 1.408 N1-C 1.411 1.406 1.458 1.464 N3-H 1.008 1.008 1.008 1.008 N1C2N3 111.94 111.81 112.69 112.62 N1C2O 124.03 124.09 122.81 123.07 C2N1C 128.30 128.15 120.55 120.24 C2N3C 128.30 128.15 128.47 128.59 Dih(CN1C2N3 ) 179.94 179.76 Dih(N1C2N3O ) 0.06 0.02 Góc liên kết (0) Góc nhị diện (0) 174.19 178.65 173.81 178.48 Số liệu U10 dùng để so sánh có nhóm CH3 meta Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải Trên sở thơng số cấu trúc hình học tính toán cho chất nghiên cứu, phân tử U9, U9a U9b có cấu trúc tương đối phẳng, với phân tử U10 U10a, nguyên tử không nằm mặt phẳng; vấn đềĐiều nguyên tử carbon nhóm CH2 đứng cạnh N1 có lai hóa sp 3, kết cho vịng phenyl bị xoắn theo chiều liên kết tứ diện sp Các giá trị nhận chiều dài liên kết trung tâm dẫn xuất urea bao gồm N-H, N1-C2, C2-N3 C=O sai lệch từ 0.001 đến 0.004 Å Các giá trị nhận tương đối gần với giá trị thực nghiệm tương ứng phân tử urea (NH 2CONH2)[CITATION htt \l 1033 ] Cụ thể, giá trị thực nghiệm chiều dài liên kết N-H, C=O, N-C 1.021, 1.221, 1.378 Å; góc liên kết N1C2N3, giá trị thực nghiệm 114.710 N1C2O =122.640 Các kết so sánh cho thấy cấu trúc tối ưu nhận phương pháp B3LYP/6-311G(d,p) có thơng số hình học phù hợp với thực nghiệm; sở đó, tính tốn xác thơng số nhiệt động học liên quan khác 3.2 Thông số nhiệt động hóa học dẫn xuất thiết kế để xác định khả chống oxy hóaĐánh giá khả chống oxy hóa dẫn xuất urea Trên sở chế khả chống oxy hóa, tiến hành xác định thơng số nhiệt động học đặc trưng như: lượng phân ly liên kết (BDE), lượng ion hóa (IE), lực electron (EA), lượng phân ly proton (PDE), lượng proton hóa (PA) Dựa cấu trúc hình học tối ưu dẫn xuất urea trình bày Mục 3.1, thông số nhiệt động học lượng phân ly liên kết (BDE), lượng ion hóa (IE), lực electron (EA), lượng phân ly proton (PDE), lượng proton hóa (PA) tính tốn lượng điểm đơn dựa kết tính tốn lượng tử mức lý thuyết ROB3LYP/6-311++G(2df,2p) với mục đích nhận giá trị có độ tin cậy cao Đối với lượng phân ly liên kết (BDE), phân tử Trong hợp chất U9, U9a U9b có hai liên kết N-H vị trí N1 N3; nhiên, hợp chất U10, U10a ngồi liên kết N-H cịn có liên kết C-H nhóm CH2 đứng cạnh nguyên tử N1 Để làm rõ tính cạnh tranh loại liên kết phản ứng chuyển nguyên tử hydro từ dẫn xuất urea đến gốc tự do, đại lượng BDE liên kết tính tốn pha khí dung mơi acetone (vì dung mơi Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải sử dụng thí nghiệm đánh giá hoạt tính chống oxy hóa cho benzyluera), kKết chi tiết trình bày Bảng 3.3 Bảng 3 Năng lượng phân ly liên kết tính toán phương pháp ROB3LYP/6311++G(2df,2p)/B3LYP/6-311G(d,p) (kcal.mol-1kcal/mol) BDE, U9a U9b (U10) (U10a) (kcal.mol (dipara CH3) (dipara CF3) kcal/mol) N1-H 86.9(N/A) 90.6 (N/A) 97.7(100.7) 98.7(101.8) N3-H 86.9 (N/A) 90.6 (N/A) 91.2(100.2) 91.2(93.4) C4-H Khơng có Khơng có 79.9(80.3) 79.8(80.0) Giá trị dấu ngoặc đơn tính dung mơi acetone Số liệu U10 để so sánh có nhóm CH3 vị trí meta vịng benzyl Kết tính cho U9 dẫn xuất dipara cho thấy So sánh giá trị BDE(N-H) hợp chất U9a, U9b với U9, cho thấy nhóm đẩy điện tích CH nhóm hút điện tử CF3 làm giảm BDE(N-H) U9a U9b so với U9 khoảng 10 kcal/mol nhóm hút điện tử CF3 U9b làm giảm BDE khoảng cal/mol Ngoài ra, xét hợp chất U10a, hợp chất, lương phân ly liên kết N-H pha khí có giá trị lớn 90.0 kcal.mol -1 Tuy nhiên tTrong phân tử U10 U10a, giá trị lượng phân ly liên kết N3-H vị trí N3 thấp so với liên kết tạivị trí N1-H Điều có nghĩa nhóm đứng bên cạnh liên kết N-H có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị BDE tính tốn Ngồi ra, tính tốn dung môi acetone, giá trị BDE liên kết tương ứng tăng Bên cạnh liên kết N-H có hợp chất nghiên cứu, BDE(C4-H) Csp3 U10 U10a 79.9 kcal.mol-1 kcal/molvà 79.8 kcal.mol-1kcal/mol, khả chuyển nguyên tử hydro vị trí liên kết dễ xảy so với liên kết N-H Như phân tích chương 1, phản ứng oxy hóa có tham gia gốc tự do, để hạn chế hay ngăn chặn phản ứng tiếp diễn, chất chống oxy hóa thêm vào nhằm hạn chế triệt tiêu hình thành gốc tự phản ứng dây chuyền Trên Theo chế chuyển nguyên tử hydro đến gốc tự do, chất chống oxy hóa hiệu cần phải có lượng phân ly liên kết nhỏ lượng phân ly liên kết hợp chất RH cần bảo vệ thường so sánh với BDE(O-H) phenol [CITATION Pri \l 1033 ] Trên sở đó, phương diện nhiệt động học, đánh giá vai trị chống oxy hóa dẫn xuất từ urea đóng Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải góp liên kết Csp3C4-H liên kết N-H Tuy nhiên, bên cạnh đó, yếu tố động học đóng vai trị quan trọng việc xem xét khả chuyển hydro liên kết khác thảo luận chi tiết Mục 3.4 Hợp chất U10 U10a đánh giá hai dẫn xuất urea đại diện có hoạt tính chống oxy hóa Do đó, nội dung tiếp theo, chúng đối tượng để tính tốn thơng số nhiệt động đặc trưng cho chế chống oxy hóa khác Bảng 3.4 trình bày giá trị IE, PDE, PA, EA, ETE tính tốn phương pháp ROB3LYP/6-311++G(2df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p) Bảng Thơng số nhiệt động tính tốn pha khí ROB3LYP/6-311+ +G(2df,2p)/B3LYP/6-311G(d,p) Thơng (U10) (U10a) N3H Csp3C4 N1H N3H Csp3C4H số nhiệt N1H H động IE 175.7 174.8 PDE 236.5 230.0 218.7 238.4(18.9) 231.0(10.6) 219.7(-2.8) PA 345.5 342.5 366.5 346.1(49.8) 344.8(47.2) 366.8(71.2) ETE 66.8 61.7 27.9 67.1(78.2) 60.9(73.9) 27.6(36.1) Giá trị dấu ngoặc đơn tính dung mơi acetone Nhìn chung, thơng số nhận cho hai chất U10 U10a khơng khác nhiều; dDo đó, kết luận ảnh hưởng nhóm CH vị trí meta hợp chất U10 không đáng kể Theo chế SETPT, giai đoạn có electron từ phân tử U10 U10a tạo thành gốc tự ion dương (nghĩa U10.+ U10a.+) với đại lượng đặc trưng lượng ion hóa 175.7 174.8 kcal/mol Tiếp theo sau đó, ion dương gốc tự proton để tạo gốc tự U10 U10a Thơng số nhiệt động lượng tách proton vị trí có Đối với hai hợp chất U10 U10a, ba vị trí tính tốn N1-H, N3H C4-H Kết cho Bảng 3.3 cho thấy giá trị PDE xếp theo trật tự PDE(N1H) > PDE(N3H) > PDE(CmH) > PDE(C4H) Như vậy, sau bị ion hóa, liên kết Csp3C4-H có khả dễ cho proton H+ so với liên kết N-H Với chế SETPT bao gồm gồm hai giai đoạn, theo định luật Hess, hiệu ứng nhiệt trình tổng Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải PDE IE giá trị tính tốn liên kết C-H cho hai chất gần 394.4 kcal.mol-1kcal/mol (nghĩa 218.7 + 175.7 219.7 + 174.8) Thông thường, chế SETPT áp dụng dung môi; cụ thể với dung môi acetone, giá trị PDE +IE C-H tính cho hợp chất (U10a) 107.3 kcal.mol giá trị cao 19.7 kcal.mol -1 so với đại lượng BDE (80.0 kcal.mol-1) Về phương diện nhiệt động học, trình chuyển nguyên tử H đánh giá thuận lợi Đối với chế SPLET (xem tổng quan chương 1), lượng proton hóa (PA) lượng chuyển electron (ETE) hai đại lượng quan trọng cần tính tốn Kế tính toán Bảng 3.3 cho thấy khả cho proton acetone thuận lợi phương diện nhiệt động học pha khí, ngồi giá trị PA tính N1-H N3-H nhỏ so với giá trị tính C4-H pha khí acetone Tuy nhiên, giai đoạn này, sản phẩm phản ứng theo chế SPLET tương tự sản phẩm theo phản ứng theo chế SETPT; vậy, tTheo định luật Hess, tổng PA+ ETE theo chế SPLET với PDE + IE theo chế SETPT Đối với chế xảy nhiều bước SETPT SPLET bước đ óng vai trị định Tương ứng với chế này, giá trị IE PA thấp chế phản ứng ưu tiên theo nhiệt động học Trong pha khí BDE có giá trị thấp so với IE PA Ngược lại, dung môi acetone, PA có giá trị thấp Do đó, tương tự chế SETPTtheo quan điểm nhiệt động học, chế chuyển nguyên tử hydro (HAT) thuận lợi pha khí chế SPLET ưu tiên xảy dung môi acetone 3.3 Xây dựng bề mặt phản ứng dẫn xuất urea tiêu biểu với CH3OO tính số tốc độ phản ứng 3.3.1 Bề mặt phản ứng U10a với CH3OO Để nghiên cứu chế phản ứng chuyển hydrogen đến gốc tự do, thông số nhiệt động hợp chất U10 không khác nhiều với U10a nên mơ hình phản ứng hợp chất U10a với CH3OO lựa chọn để tính toán bề mặt Chất phản ứng, hợp chất trung gian, trạng thái chuyển tiếp sản phẩm mô tả theo sơ đồ sau: Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng Luận văn Thạc sĩ Phạm Thanh Hải  U10a-H + CH3OO  Int1 (phức trung gian)  TS (trạng thái chuyển tiếp)  Int2 (phức sản phẩm)  U10a + CH3OOH Phản ứng chuyển hydro đến CH3OO bao gồm đường phản ứng xét N1H, N3-H Csp3C4-H Dựa kết tính tốn, bề mặt phản ứng liên kết tương ứng mơ tả Hình 3.3 Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng ... số; - Thiết kế hợp chất từ dẫn xuất urea có hoạt tính chống oxy hóa cao - Thực vài thí nghiệm kiểm chứng khả chống oxy hóa dẫn xuất urea thiết kế ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU D1 Đối tượng nghiên. .. 3.1 Thiết kế tối ưu hóa dẫn xuất urea 35 3.1.1 Đánh giá sơ hoạt tính dẫn xuất urea 35 3.1.2 Thiết kế tối ưu hóa dẫn xuất urea có khả chống oxy hóa .37 3.2 Thơng số nhiệt động hóa học dẫn. .. hoạt tính chống oxy hóa dẫn xuất urea Để có sở khoa học thiết kế hợp chất chống oxy hóa từ dẫn xuất ureaNhư trình bày trên, số hợp chất urea đề xuất nghiên cứu sơ lượng phân ly liên kết N-H C-H