Miêu tả về mặt cấu trúc, năng lượng, và động lực học của những liên kết hiđro tiếp tục là nhiệm vụ khó khăn cho cả thực nghiệm và lý thuyết. Nhiều phương pháp vật lý đã được phát hiện từ năm 1920 để nghiên cứu về cấu trúc phân tử, hầu hết các phương pháp này còn được áp dụng để nghiên cứu liên kết hiđro.
IV.1. Phương pháp thực nghiệm
Phương pháp nhiệt động cung cấp ước đoán định lượng về độ bền liên kết hiđro, cụ thể là năng lượng phân ly liên kết. Mức độ phân ly thay đổi theo nhiệt độ và áp suất. Phương pháp nhiệt động còn cho biết sự thay đổi số phân tử khí trong phản ứng phân ly vì trị số entropi thay đổi.
Công cụ về phổ hồng ngoại IR và cộng hưởng từ hạt nhân NMR trở nên thông dụng để phân tích những tương tác liên kết hiđro trong những hệ khác nhau. Những kiểu dao động của phân tử khi có liên kết hiđro hình thành bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Thông thường, proton có mặt trong tương tác liên kết hiđro thường giảm độ bền khi phức hình thành. Nhiều thông tin về phổ dao động được sử dụng để khảo sát liên kết hiđro. Những “đám” phân tử được tạo ra trong pha khí trong điều kiện không va chạm, vì thế có thể dùng những kết quả của phương pháp hóa học lượng tử mức lý thuyết cao để so sánh với số liệu thu được từ thực nghiệm. Sự phát triển mạnh mẽ của kỷ thuật laze đã giúp cho ta có thể nghiên cứu những “đám” phân tử chọn lọc về kích cỡ và khối lượng được sinh ra trong tia siêu âm. Đặc trưng của liên kết hiđro có thể được hiểu dựa vào sự kết hợp của phổ có độ phân giải cao với mô hình chọn lọc khối lượng và kích cỡ. Tuy nhiên, vấn đề khảo sát chi tiết những liên kết không cộng hóa trị nói chung và liên kết hiđro nói riêng vẫn còn là thử thách lớn cho các nhà khoa học hóa học thực nghiệm và lý thuyết. Hobza và Muller-Dethlefs đã làm sáng tỏ tầm quan trọng của những phổ như vi sóng, phổ dao động, phổ ion hóa đa proton gia tăng cộng hường (REMPI), phổ quang electron năng lượng động năng electron “zero” (ZEKE) trong việc khảo sát tương tác không cộng hóa trị của các “đám” trong pha khí. Ngoài ra, còn dùng các loại phổ khác như phổ laze cộng hưởng đôi IR (IR/R2PI) cùng với những kết quả tính toán quan trọng trong việc giải thích phương diện cấu trúc của những phân tử thơm được bao quanh bởi nhiều phân tử phân cực. Hơn nữa, Neusser và Siglow còn thảo luận những ứng dụng của phổ tử ngoại có độ phân giải cao UV để nghiên cứu những “đám” liên kết hiđro dạng ion hoặc phân tử trung lập.
Phổ nhiễu xạ tia X còn là công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu liên kết hiđro, chủ yếu là liên kết hiđro trong trạng thái tinh thể rắn. Khi cấu trúc
tinh thể được xác định theo phương pháp tia X, chúng ta sẽ biết vị trí của tất cả các nguyên tử. Từ vị trí quan sát này ta có thể quan sát vị trí của nhóm AH đối với 1 nguyên tử B của phân tử lân cận và có thể “nhìn thấy” liên kết hiđro A- H∙∙∙B.
IV.2. Phương pháp lý thuyết
Có nhiều phương pháp hoá học lượng tử và bộ hàm cơ sở khác nhau được sử dụng để dự đoán liên kết hiđro. Cùng với đó là việc sử dụng các phần mềm toán hóa học lượng tử như: Gaussian, Molpro, AIM 2000, NBO 5.G,…
* Phương pháp tính:
+ Phương pháp obitan phân tử bán kinh nghiệm: NDDO, CNDO, INDO, MINDO, MNDO, AM1, PM3,… → Năng lượng liên kết hiđro dưới mức ước đoán, ít chính xác nhưng phù hợp cho hệ lớn.
+ Phương pháp Hartree-Fock (HF): Xử lý số hạng trao đổi gần đúng và thật vậy dự đoán tương đối sự đóng góp tĩnh điện đến độ bền liên kết hiđro, nhưng không kể (kể ít) năng lượng tương quan electron.
+ Phương pháp post-HF: MP2, CCSD, CCSD(T), QCI, QCSD, QCISD(T),…
- Ưu điểm: Xử lý tốt tương quan electron (rất quan trọng trong liên kết hiđro vì sự đóng góp đáng kể của năng lượng này trong năng lượng tổng).
- Nhược điểm: Thời gian tính toán lâu, đòi hỏi cấu hình máy tính đủ lớn.
+ Phương pháp DFT: BLYP, BH&HLYP, B3LYP (là một phiếm hàm hỗn hợp mở rộng và kết hợp với phiếm hàm tương quan của LYP), …
- Ưu điểm: Thời gian tính nhanh hơn post-HF, dùng tốt cho hệ lớn, chính xác hơn HF (có thể).
- Nhược điểm:
Năng lượng tương quan electron được đưa ra khá sơ sài, kết quả dự đoán kiểu liên kết hiđro đôi khi không chính xác → ít dùng để dự đoán cho liên kết
yếu . Thất bại trong việc miêu tả năng lượng phân tán (dispersion energy) trong dự đoán liên kết hiđro trong hệ thơm.
* Bộ hàm cơ sở:
Bộ hàm cơ sở ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ dài liên kết, góc liên kết, thuộc tính electron, phổ dao động, năng lượng tương tác,… Vì vậy, việc chọn bộ hàm cơ sở rất quan trọng trong việc dự đoán các tương tác yếu, đặc biệt là liên kết hiđro. Trong liên kết hiđro sự khuếch tán electron trong vùng khá rộng lớn nên bộ cơ sở mô tả electron phải chứa đồng thời hàm phân cực và hàm khuếch tán.
Thường dùng các bộ hàm cơ sở sau:
+ Bộ hàm cơ sở của Pople (6-311+G(d,p), 6-311++G(d,p), 6-311+
+G(3df,2p),…
+ Bộ hàm cơ sở của Dunning (aug-cc-pVDZ, aug-cc-pVTZ, aug-cc- pVQZ) hoặc ngoại suy đến CBS (complete basis set).
Tuy nhiên, đối với những phân tử như ADN, protein, những phức ADN- protein ta không thể tiến hành bằng những mức lý thuyết cao như vậy, vì thế ta phải chọn cách tiếp cận khác để thay thế. Đó là cách tiếp cận theo mô hình dựa vào trường lực để giải thích cấu trúc liên kết hiđro trong những phân tử sinh học. Các phương pháp cơ học phân tử (MM: molecular mechanics) và động lực học phân tử (MD: molecular dynamics) đang được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và động lực học của những phân tử sinh học.
Miêu tả hiện đại của liên kết hóa học nói chung và liên kết hiđro nói riêng cũng như định nghĩa chính xác hơn dựa vào thuyết AIM (Atoms in Molecules) của Bader. Bader xem xét vật chất như là sự phân bố của điện tích trong không gian thực gồm những hạt nhân giống như điểm được gắn trong mật độ khuếch tán của điện tích electron ρ(r). Tất cả thuộc tính vật chất được chứng minh nhờ vào sự phân bố điện tích và hình học của liên kết giữa các nguyên tử.
Trong một trạng thái liên kết, những hạt nhân của những nguyên tử được liên
kết trên một đường thẳng dọc theo nơi mà mật độ electron cực đại đối với bất kỳ đường lân cận nào. Tóm lại, lý thuyết này đề nghị một cách tiếp cận tự hợp (self-consitent) mà độc lập với dữ liệu tinh thể học, phổ và dữ liệu thực nghiệm húa lớ khỏc. Đồng thời cũn cung cấp chuẩn rừ ràng và nghiờm ngặt cho việc xỏc định những nguyên tử nào được liên kết về mặt hóa học trong một phân tử.
Phương pháp AIM sử dụng mật độ electron như là điểm bắt đầu bởi vì mật độ electron là một vấn đề rất thực và có thể đo bằng thực nghiệm hoặc tính toán lý thuyết. Dựa vào mật độ electron ρ(r) ta có thể rút ra những thông tin hóa học cụ thể. Hai điểm quan trọng nhất của thuyết AIM là cung cấp định nghĩa đơn giản, đủ sức thuyết phục về nguyên tử và liên kết dựa vào mật độ electron ρ(r).
Ngoài ra còn công cụ hữu hiệu khác để tìm hiểu liên kết hiđro, phân loại liên kết hiđro là chuyển dời xanh hay đỏ, đó là cộng cụ NBO (Natural Bond Orbital). Công cụ này dựa trên một số cơ sở sau:
- Dựa vào mật độ electron trong các obitan liên kết, obitan phản liên kết, obitan riêng
- Dựa vào sự lai hóa của nguyên tử - Dựa vào năng lượng siêu liên hợp (được tính theo thuyết nhiễu loạn bậc 2) - Dựa vào điện tích NBO trên các nguyên tử
Tuy nhiên, mức độ chính xác của các phương pháp là khác nhau, phụ thuộc vào việc xử lý mức độ tương quan electron. Để dự đoán năng lượng tương tác đáng tin cậy đòi hỏi phải hiệu chỉnh năng lượng dao động điểm không (ZPE), hiệu chỉnh sai số do chồng chất vị trí bộ cơ sở (BSSE).
Chương III: TỔNG QUAN VỀ HỆ NGHIÊN CỨU