Nghiên cứu độ bền và khả năng phản ứng của một số hợp chất hữu cơ đơn vòng bằng phương pháp hóa học lượng tử

Nghiên cứu độ bền và khả năng phản ứng của một số hợp chất hữu cơ đơn vòng bằng phương pháp hóa học lượng tử Nguyễn Thị Hải Hòa Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý; Mã số 60 44 31 Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Văn Nhiêu Năm bảo vệ: 2013 Abstract. Trình bày cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử: Phương trình Schrodinger; Sự gần đúng Born – Oppenheirmer (Bon-Openhemơ); Phương pháp biến phân; Thuyết trường tự hợp Hartree-Fork; Phương trình Roothaan. Nghiên cứu cơ sở của các phương pháp tính gần đúng lượng tử: Giới thiệu các phương pháp tính gần đúng; Tương quan electron; Bộ hàm cơ sở; Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT); Phần mềm Gaussian 09. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hóa học hữu cơ: Hiệu ứng cảm ứng; Hiệu ứng liên hợp; Hiệu ứng siêu liên hợp; Hiệu ứng không gian; Hiệu ứng ortho; Quy luật bán định lượng về ảnh hưởng qua lại trong phân tử - phương trình Hammet; Phản ứng thế ở nhân thơm. Tiến hành nghiên cứu một số vấn đề như: Benzen và dãy đồng đẳng của benzen (Aren); Dẫn xuất halogen CxHyXz ( z 1); Phenol; Anilin; Nitrobenzen; Axit benzoic. Trình bày một số kết quả đạt được: Quy tắc Huckel về tính thơm; Benzen và dẫn xuất halogen của benzen; Benzen và dẫn xuất nhóm thế loại 1; Benzen và dẫn xuất nhóm thế loại 2; Toluen và dẫn xuất halogen của toluen; Phenol và dẫn xuất halogen của Phenol; Anilin và dẫn xuất halogen của Anilin; Axit benzoic và dẫn xuất halogen của axit benzoic; Nitrobenzen và dẫn xuất halogen của Nitrobenzen; Benzen và dẫn xuất halogen của benzen; Toluen và dẫn xuất halogen của toluen; Phenol và dẫn xuất halogen của phenol; Anilin và dẫn xuất halogen của Anilin; Axit benzoic và dẫn xuất halogen của Axit benzoic Keywords. Hóa học lượng tử; Hợp chất hữu cơ đơn vòng; Phương pháp biến phân. Content MỞ ĐẦU Hóa học lượng tử bắt đầu phát triển từ khoảng những năm 30 của thế kỷ XX và ngày càng chứng tỏ là một lý thuyết không thể thiếu trong mọi lĩnh vực hóa học. Hóa học lượng tử là ngành khoa học nghiên cứu các hệ lượng tử dựa vào phương trình chính tắc của cơ học lượng tử do Schorodinger đưa ra năm 1926, và nhanh chóng trở thành công cụ hữu ích của hóa lý thuyết để đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu vấn đề cốt lõi nhất của hóa học là cấu trúc và các tính chất hóa lý của các chất. Sự xâm nhập ngày càng sâu rộng của hóa học lượng tử (HHLT) vào hóa học hữu cơ (HHHC) đem lại cho HHHC cơ sở lý thuyết vững vàng, tạo điều kiện cho HHHC phát triển mạnh mẽ, ngày càng có nhiều ứng dụng sâu rộng trong khoa học công nghệ và đời sống. Trong lĩnh vực giảng dạy hóa học, nhờ có HHLT mà HHHC có được bản chất, quy luật và định lượng. Các quy luật phản ứng thế vào một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt là phản ứng thế vào vòng benzen là những quy luật thực nghiệm được hình thành rất lâu, và được sử dụng nhiều trong giảng dạy hóa học hữu cơ. Các nghiên cứu khoa học đã chỉ ra được hướng thế vào liên kết C – H trong vòng benzen. Tuy nhiên cho đến nay chưa có tài liệu nào công bố số liệu giải thích và làm rõ thêm những quy luật trên. Trong khi đó, các phần mềm được sử dụng trong tính toán HHLT ngoài việc xác định cấu trúc và đưa ra tham số HHLT còn làm sáng tỏ nhiều cơ chế của phản ứng hóa học, giải thích đúng đắn các quy luật hóa học, kiểm tra kết quả nhận được từ thực nghiệm. Hơn nữa, HHLT còn thực hiện một số nghiên cứu mà thực nghiệm không thể làm được như dự đoán một số kết quả, khảo sát các hợp chất chuyển tiếp, các hợp chất trung gian có thời gian tồn tại ngắn. Hiện nay, việc đổi mới phương pháp dạy học đang được triển khai rộng khắp trong toàn ngành giáo dục. Để chuyển quá trình dạy – học từ truyền thụ - chấp nhận sang hướng dẫn – chủ động khám phá tri thức, “Dạy bản chất, quy luật và có định hướng”. Trên thực tế, phương trình Schrodinger đối với hệ nhiều hạt rất phức tạp, không thể giải được một cách chính xác mà phải giải bằng các phương pháp gần đúng. Có rất nhiều phương pháp gần đúng với mức độ chính xác khác nhau. Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, các phần mềm ứng dụng của HHLT và hóa lý thuyết đã trở thành những công cụ đắc lực trong việc hoàn chỉnh các phương pháp tính và đặc biệt cho phép giải các bài toán lớn, phức tạp với tốc độ xử lý nhanh, ít tốn kém. Các phần mềm hóa học đã được xây dựng như MOPAC, HYPERCHEM, GAUSSIAN có thể vận hành trên mọi hệ điều hành khác nhau, với các phiên bản thường xuyên được nâng cấp. Tùy theo mục đích nghiên cứu, thời gian tính và đặc điểm hệ chất nghiên cứu mà mỗi phần mềm có tính ưu việt riêng. Trong số đó, GAUSSIAN là phần mềm phát triển vượt trội về các phương pháp ab initio (DFT) khá hiệu quả, được nhiều nhà nghiên cứu chuyên nghiệp sử dụng. Với các thuật toán được viết tốt hơn, các bước tối ưu hóa của Gaussian cần 4 chuẩn hội tụ trong khi Hyperchem chỉ có 1. Tuy chạy hơi chậm nhưng có độ chính xác khá cao, vì thế đây là một công cụ hữu hiệu trợ giúp các nhà hóa học thực nghiệm trong nghiên cứu của mình. Từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu độ bền và khả năng phản ứng của một số hợp chất hữu cơ đơn vòng bằng phương pháp hóa học lượng tử”. Luận văn gồm các phần mở đầu, nội dung, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, phần nội dung chính gồm 3 chương. Chương 1. Tổng quan Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và thảo luận Tôi hy vọng các kết quả của luận văn có thể góp phần làm rõ hơn hướng một số phản ứng và là tài liệu tham khảo cho việc giảng dạy hóa học ở trường phổ thông. Reference TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Thị Lan Anh (2011), Luận văn thạc sĩ khoa học hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN. 2. Nguyễn Đình Huề, Nguyễn Đức Chuy (1986), Thuyết lượng tử về nguyên tử và phân tử, Tập I, Nhà xuất bản Giáo dục. 3. Nguyễn Đình Huề, Nguyễn Đức Chuy (1986), Thuyết lượng tử về nguyên tử và phân tử, Tập II, Nhà xuất bản Giáo dục. 4. Trần Thành Huế (2000), Hóa học đại cương, Tập I; Nhà xuất bản Giáo dục. 5. Trần Thành Huế; Bài giảng dành cho học viên Cao học; Trường ĐHSP Hà Nội, 2002. 6. Lê Thị Thu Hương, Nguyễn Thị Minh Huệ, Trần Thành Huế; Khảo sát một số khả năng xảy ra phản ứng CH2 + N2O bằng phương pháp hoá học lượng tử; Tuyển tập báo cáo toàn hội nghị các đề tài nghiên cứu các đề tài khoa học cơ bản trong lĩnh vực Hoá lý và Hóa lý thuyết, Hà Nội 1/2002. 7. Nguyễn Thị Bích Loan; Luận văn thạc sĩ khoa học hóa học; trường Đại học Sư phạm Hà Nội, 2003. 8. Nguyễn Hà My (2013), Luận văn thạc sĩ khoa học hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN. 9. Hoàng Nhâm (1994), Hóa học vô cơ, Tập II, Nhà xuất bản Giáo dục. 10. Đỗ Đình Rãng, Đặng Đình Bạch, Lê Thị Anh Đào, Nguyễn Mạnh Hà, Nguyễn Thị Thanh Phong (2006), Hóa học hữu cơ 1, NXB Giáo dục. 11. Đỗ Đình Rãng, Đặng Đình Bạch, Lê Thị Anh Đào, Nguyễn Mạnh Hà, Nguyễn Thị Thanh Phong (2006), Hóa học hữu cơ 2, NXB Giáo dục. 12. Đỗ Đình Rãng, Đặng Đình Bạch, Lê Thị Anh Đào, Nguyễn Mạnh Hà, Nguyễn Thị Thanh Phong (2006), Hóa học hữu cơ 3, NXB Giáo dục. 13. Phan Tống Sơn, Trần Quốc Sơn, Đặng Như Tại (1976), Cơ sở Hóa học hữu cơ, tập I, Nhà xuất bản Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội. 14. Phan Tống Sơn, Trần Quốc Sơn, Đặng Như Tại (1980), Cơ sở Hóa học hữu cơ, Tập II, Nhà xuất bản Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội. 15. Trần Quốc Sơn (1989), Giáo trình cơ sở lý thuyết Hóa học hữu cơ, Nhà xuất bản giáo dục. 16. Trần Quốc Sơn (1979),Cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, Tập I, Nhà xuất bản giáo dục. 17. Trần Quốc Sơn, Đặng Văn Liễu (1999),Cơ sở hóa hữu cơ, Tập I, Nhà xuất bản giáo dục. 18. Lâm Ngọc Thiềm - Trần Hiệp Hải - Nguyễn Thị Thu (2003), Bài tập hóa lý cơ sở; Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 19. Lâm Ngọc Thiềm, Phạm Văn Nhiêu, Lê Kim Long (2008), Cơ sở hóa học lượng tử, NXB Khoa học và Kĩ thuật. 20. Nguyễn Minh Thảo, Phạm Văn Phong; xác định cấu thành của Ơgienyl axetat và sản phẩm chuyển vị Fries của nó bằng phương pháp tính Hoá lượng tử; Tạp chí Hoá học, số 1 năm 2002. 21. Nguyễn Thị Thảo, Phạm Văn Phong; Xác định cấu thành của Xeton ,- không no (từ o-axetylơgienol và 3 fomylindol) và một sản phẩm chuyển hoá của nó bằng phương pháp Hoá học lượng tử;Tạp chí Hoá học, số 2 năm 2002. 22. Nguyễn Trọng Thọ (2002), ứng dụng tin học trong giảng dạy hóa học, Nhà xuất bản giáo dục. 23. Đào Đình Thức (1980), Cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học, NXB ĐH và THCN. 24. Thái Doãn Tĩnh (2002), Giáo trình cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. 25. Thái Doãn Tĩnh (2001), Cơ sở hóa học hữu cơ, Tập I, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. 26. Thái Doãn Tĩnh (2003), Cơ sở hóa học hữu cơ,Tập II, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. 27. Đặng Ứng Vận (2001), Phương pháp Hóa tin lượng tử nghiên cứu của phản ứng hóa học, Hà Nội. 28. Đặng Ứng Vận (1998), Tin học ứng dụng trong hóa học, NXB Giáo dục. Tiếng Anh 29. Foresman J.B. Frisek E (1993), Exploring Chemistry with electronic structure methods, second edition, Gaussian, Inc. Pitburgh, PA. 30. Ramachandran K.I., Deepa G., Namboori K. (2008). Computational chemistry and molecular modeling: principle and application, Sringer-Verlag Berlin Heidelberg. 31. Pople J. A. Beveridge D. L. (1970). Approximate Molecular Orbital Theory, Mc Graw Hill book company. 32. Levine I. N. (2000). Quantum chemistry (1th Edition) Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey. 07458. 33. Jensen F. (2007) Introduction Computationnal Chemistry, Second edition, John Willey & Sons Ltd. 34. Lewars E. G (2003) Computationnal Chemistry introduction to the theory and applications of the molecular and quantum mechanics, second printing (2004). Trang Web 1. Phương pháp trường tự hợp Hatree – Fock áp dụng cho hệ nhiều điện tử: www.voer.edu.vn 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.