Luận Văn Thạc Sĩ: Khảo Sát Phân Tử Ankan, Anken, Ankin và Aren Bằng Phương Pháp Hóa Học Lượng Tử

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus khảo sát một số phân tử ankan anken ankin aren và dẫn xuất của chúng bằng phương pháp hóa học, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đinh Thị Mai
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Nhiêu
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
• Đề tài: Khảo Sát Một Số Phân Tử Ankan, Anken, Ankin, Aren Và Dẫn Xuất Của Chúng Bằng Phƣơng Pháp Hóa Học Lƣợng Tử
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC LƯỢNG TỬ
• 1.2. Phương trình Schrodinger
• 1.3. Sự gần đúng Born – Oppenheirmer (Bon-Openhemơ)
• 1.4. Phương pháp biến phân. Thuyết trường tự hợp Hartree-Fock
• 1.5. Phương trình Roothaan
• 1.6. CƠ SỞ CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH GẦN ĐÚNG LƯỢNG TỬ
• 1.7. TƯƠNG QUAN ELECTRON. BỘ HÀM CƠ SỞ
• 1.8. Phương pháp phiếm hàm mật độ
• 1.9. Phần mềm Gaussian 03
• 1.10. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC HỮU CƠ
• 1.11. Hiệu ứng cảm ứng. Hiệu ứng liên hợp
• 1.12. Hiệu ứng siêu liên hợp
• 1.13. Hiệu ứng không gian
• 1.14. Hiệu ứng ortho
• 1.15. Quy luật bán định lượng về ảnh hưởng qua lại trong phân tử - phương trình Hammet
• 1.16. Phản ứng thế ở nhân thơm
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 2.2. GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2.3. Ankan, anken, ankin, aren
• 2.4. Dẫn xuất halogen CxHyXz (z ≥ 1)
• 2.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. LỰA CHỌN BỘ HÀM VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH
• 3.2. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
• 3.2.1. Dẫn xuất của một số hiđrocacbon
• 3.2.2. Dẫn xuất halogen của propen
• 3.2.3. Dẫn xuất của benzen
• 3.2.4. Một số dẫn xuất axit
• 3.2.5. Một số dẫn xuất halogen
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khảo sát phân tử ankan anken ankin và aren

Khảo sát phân tử ankan, anken, ankin và aren là một lĩnh vực quan trọng trong hóa học hữu cơ. Những phân tử này không chỉ có vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học mà còn là nền tảng cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Hóa học lượng tử cung cấp các công cụ mạnh mẽ để phân tích và dự đoán tính chất của các phân tử này. Việc áp dụng các phương pháp hóa học lượng tử giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất hóa học của chúng.

1.1. Phân loại và đặc điểm của ankan anken ankin và aren

Ankan, anken, ankin và aren là các loại hợp chất hữu cơ khác nhau. Ankan là các hydrocarbon bão hòa, trong khi anken và ankin chứa liên kết đôi và ba tương ứng. Aren là các hợp chất thơm, có cấu trúc vòng. Mỗi loại phân tử này có những đặc điểm hóa học riêng biệt, ảnh hưởng đến tính chất và phản ứng của chúng.

1.2. Tầm quan trọng của hóa học lượng tử trong nghiên cứu

Hóa học lượng tử cung cấp các phương pháp tính toán chính xác để khảo sát các phân tử. Các phương pháp như DFT (Density Functional Theory) và Hartree-Fock cho phép dự đoán cấu trúc, năng lượng và tính chất của các phân tử ankan, anken, ankin và aren. Điều này giúp các nhà nghiên cứu có cái nhìn sâu sắc hơn về các phản ứng hóa học và cơ chế của chúng.

II. Vấn đề và thách thức trong khảo sát phân tử ankan anken ankin và aren

Khảo sát các phân tử ankan, anken, ankin và aren gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là độ phức tạp của các hệ lượng tử. Các phương trình mô tả các hệ này thường rất khó giải, đòi hỏi các phương pháp gần đúng. Hơn nữa, việc lựa chọn bộ hàm và phương pháp tính toán phù hợp cũng là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

2.1. Độ phức tạp của hệ lượng tử

Các phân tử ankan, anken, ankin và aren có cấu trúc phức tạp với nhiều electron tương tác. Điều này làm cho việc giải phương trình Schrodinger trở nên khó khăn. Các nhà nghiên cứu thường phải sử dụng các phương pháp gần đúng để có thể tính toán được các tính chất của chúng.

2.2. Lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp

Việc lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp là rất quan trọng. Các phương pháp như DFT và Hartree-Fock có ưu nhược điểm riêng. Sự lựa chọn này ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả nghiên cứu. Do đó, cần có sự cân nhắc kỹ lưỡng khi áp dụng các phương pháp này.

III. Phương pháp khảo sát phân tử ankan anken ankin và aren bằng hóa học lượng tử

Để khảo sát các phân tử ankan, anken, ankin và aren, nhiều phương pháp hóa học lượng tử đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp xác định cấu trúc mà còn dự đoán tính chất hóa học của các phân tử. Việc sử dụng phần mềm như Gaussian giúp thực hiện các tính toán phức tạp một cách hiệu quả.

3.1. Phương pháp DFT trong khảo sát phân tử

Phương pháp DFT là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong hóa học lượng tử. Nó cho phép tính toán năng lượng và cấu trúc của các phân tử một cách chính xác. DFT sử dụng các hàm mật độ để mô tả các electron trong phân tử, từ đó giúp dự đoán các tính chất hóa học.

3.2. Phương pháp Hartree Fock và ứng dụng của nó

Phương pháp Hartree-Fock là một phương pháp gần đúng quan trọng trong hóa học lượng tử. Nó giúp tính toán các obitan phân tử và năng lượng của các phân tử. Phương pháp này thường được sử dụng để khảo sát các phân tử đơn giản và có thể mở rộng cho các hệ phức tạp hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của khảo sát phân tử ankan anken ankin và aren

Khảo sát các phân tử ankan, anken, ankin và aren có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp và nghiên cứu. Những phân tử này được sử dụng trong sản xuất hóa chất, dược phẩm và vật liệu mới. Việc hiểu rõ tính chất của chúng giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và phát triển các sản phẩm mới.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất hóa chất

Các phân tử ankan, anken, ankin và aren là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất hóa chất. Chúng được sử dụng để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau. Việc khảo sát tính chất của chúng giúp cải thiện quy trình sản xuất và tăng hiệu quả.

4.2. Vai trò trong phát triển dược phẩm

Nhiều hợp chất hữu cơ được tổng hợp từ ankan, anken, ankin và aren có vai trò quan trọng trong ngành dược phẩm. Việc nghiên cứu tính chất của các phân tử này giúp phát triển các loại thuốc mới và cải thiện hiệu quả điều trị.

V. Kết luận và tương lai của khảo sát phân tử ankan anken ankin và aren

Khảo sát phân tử ankan, anken, ankin và aren bằng hóa học lượng tử là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Những nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của các phân tử mà còn mở ra nhiều hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ nhờ vào sự phát triển của công nghệ và phương pháp tính toán.

5.1. Tiềm năng nghiên cứu trong tương lai

Với sự phát triển của công nghệ tính toán, khả năng khảo sát các phân tử phức tạp sẽ ngày càng tăng. Các phương pháp mới sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong nghiên cứu. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu sâu hơn về hóa học hữu cơ.

5.2. Ứng dụng trong công nghệ và đời sống

Các ứng dụng của khảo sát phân tử ankan, anken, ankin và aren sẽ tiếp tục mở rộng trong công nghệ và đời sống. Việc phát triển các sản phẩm mới từ những phân tử này sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và thúc đẩy sự phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, nội dung, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Phần nội dung chính gồm 3 chương. Tổng quan Chƣơng 2. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3.

Kết quả và thảo luận Chúng 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. - 2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC LƢỢNG TỬ 1. Phƣơng trình Schrodinger Sự biến đổi trạng thái vi mô theo thời gian của hệ lượng tử được mô tả bởi phương trình Schrodinger (Srodingơ, 1926) có dạng tổng quát:  i  Ĥ (1.1) t (q, t ) – Hàm sóng mô tả trạng thái của hệ lượng tử.

Đó là hàm của tọa độ (q) và thời gian (t).   2 2 H  TU    U 2m 2 2 2 Với  2    : toán tử Laplace x 2 y 2 z 2 U: thế năng (năng lượng tương tác giữa các hạt lượng tử trong hệ) Trong trường hợp thế năng của hệ không phụ thuộc vào thời gian: U = U(q) (q: tọa độ) Hệ kín, hoặc hệ chuyển động trong một trường ngoài không đổi, thì toán tử  Hamilton H không phụ thuộc vào thời gian và trùng với toán tử năng lượng toàn  phần ( H (q)), còn trạng thái của hệ được gọi là trạng thái dừng:  (q, t )   (q). Khi đó phương trình Schrodinger được viết dưới dạng:  H (q) (q)  E (q) (1.2) Ở đây E là trị riêng năng lượng,  (q) là hàm sóng (q: tọa độ tổng quát (x, y, z) hay (r,  ,  ). Khi đó nghiệm của phương trình (1.1) có thể viết dưới dạng:  iET  (q, t )   (q).3) Những trạng thái (1.3), ở đó hệ lượng tử có giá trị năng lượng (E) xác định được gọi là những trạng thái dừng và phương trình Schrodinger (1.2) là phương trình Schrodinger cho những trạng thái dừng, được dùng trong hóa lượng tử.

Các hệ hóa học (nguyên tử, phân tử, …) có thể xem như là một hệ thống ổn - 3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] định, bền vững theo thời gian, nên có thể dùng phương trình (1.2) để xác định hàm sóng và năng lượng của chúng. Vì vậy phương trình (1.1) là một trong những phương trình quan trọng nhất của hóa học lượng tử. Hệ gồm M hạt nhân và N electron được viết dưới dạng  N 1 M 1 N M Z N N 1 M M Z Z H    i2    2A    A       A B (1.4) i 1 2 A1 2 M i 1 A1 r i 1 j 1 r A1 B  A r A iA ij AB Ở đây A, B kí hiệu cho hạt nhân, còn i, j kí hiệu cho electron trong hệ. MA là khối lượng của hạt nhân A.

ZA, ZB - số đơn vị điện tích của các hạt nhân A, B rij - khoảng cách giữa các electron i và j riA - khoảng cách giữa các electron thứ i và hạt nhân A rAB - khoảng cách giữa hạt nhân A và B 2 2 2  2 là toán tử Laplace có dạng  2    x 2 y 2 z 2 Số hạng thứ nhất và thứ 2 trong phương trình (1.4) là toán tử động năng của các electron và của hạt nhân tương ứng ; số hạng thứ ba là tương tác hút Coulomb (Cu-lông) giữa các electron và hạt nhân ; số hạng thứ tư và thứ năm là tương tác đẩy giữa các electron và giữa các hạt nhân tương ứng. Khi giải phương trình Schrodinger, người ta thu được các hàm sóng  , mô tả trạng thái của hệ lượng tử và khi ở trạng thái đó hệ lượng tử có năng lượng E. Tuy vậy, nguyên tử, phân tử là những hệ lượng tử phức tạp, nên trong thực tế, phương trình Schorodinger không giải được một cách chính xác. Để giải phương trình Schrodinger cho các hệ lượng tử phức tạp, người ta đưa ra những quan điểm và lý thuyết gần đúng áp đặt lên hệ.

Sự gần đúng Born – Oppenheirmer (Bon-Openhemơ) Vì khối lượng của hạt nhân rất lớn so với khối lượng electron nên các hạt nhân chuyển động rất chậm so với sự chuyển động của electron. Do đó, có thể coi các hạt nhân là đứng yên. Với sự gần đúng này, động năng của các hạt nhân có thể bỏ qua và thế năng của các hạt nhân được xem là một hằng số. Phương trình (1.2) được viết lại là: - 4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.5)  H là toán tử Hamilton electron.4) với sự gần đúng nêu trên, ta có : N 1 N M ZA N N 1 Ĥe    12      (1.6) i 1 2 i 1 A1 r i 1 j 1 r iA ij Hàm  e phụ thuộc vào tọa độ electron và tham số tọa độ hạt nhân.

Một tính chất rất quan trọng của hệ nhiều electron là sự tương tác giữa các electron. Do đó, vấn đề cốt lõi là xử lý thế năng tương tác giữa các electron. Do không thể tính chính xác đại lượng này nên trong thực tế người ta lấy giá trị trung bình U ee nhằm mục đích làm cho phương trình Schrodingẻ có thể giải được mà kết quả vẫn đảm bảo độ chính xác nào đó dùng để giải thích các dữ liệu thực nghiệm. Vấn đề này được giải quyết trong lý thuyết trường tự hợp dưới đây.

Mặt khác, vì phân tử không có tính đối xứng cầu nên không thể dùng phương pháp Hartree – Fock cho phân tử. Roothaan đã thành công trong việc áp dụng phương pháp Hartree – Fock cho các MO được xây dựng dưới dạng tổ hợp tuyến tính các obitan nguyên tử.7) j 1 Ở đây cij là các hệ số khai triển và m là kích cỡ của tập hàm cơ sở, cij có thể xác định bằng phương pháp biến phân được khảo sát ở mục 1. Phƣơng pháp biến phân Mục đích của phương pháp là dựa trên MO – LCAO là để tìm ra cij gần đúng nhất với hàm sóng thực tế  ứng với năng lượng cực tiểu theo tập hàm cơ sở đã chọn. Biến đổi từ phương trình Schrodinger ta có:  Ĥ d * E (1.8)  * d Ở đây d là thể tích vô cùng nhỏ của không gian và spin.

Nếu hàm  đã chuẩn hóa thì tích phân ở mẫu bằng đơn vị và phương trình có dạng: E   * Hˆ d (1.9) - 5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Khi áp dụng phương pháp biến phân, hàm sóng gần đúng  thường được biểu diễn dưới dạng MO – LCAO ở trên, tức là:   c11  c22  c33  .10) Khi đặt hàm (1.10) vào phương trình (1.8) trị số E phụ thuộc vào giá trị của các hệ số c1, c2, c3…. Theo nguyên lý biến phân, những hệ số này phải chọn như thế nào để trị số của E là cực tiểu. Muốn vậy, thì một cách thuận tiện là xem các hệ số như những biến số mà giá trị của E phụ thuộc vào. Khi đó, điều kiện cực tiểu của năng lượng được biểu diễn bằng : dE/dcj = 0 (1.11) Thực hiện phép vi phân này sẽ dẫn đến hệ phương trình tuyến tính thuần nhất đối với   c11  c22  ( H11  ES11 )c1  ( H12  ES12 )c2  0  (1.12) ( H 21  ES21 )c1  ( H 22  ES22 )c2  0 Trong trường hợp tổng quát đối với hàm (1.10), hệ phương trình tuyến tính thuần nhất có dạng :  ( H11  ES11 )c1  ( H12  ES12 )c2  .14) Trong đó i là số thứ tự của phương trình, j là số thứ tự của các số hạng.

Hệ phương trình trên có nghiệm khác không khi định thức thế kỉ lập từ các hệ trong hệ phương trình bằng không : H11  ES11 H12  ES12 .H1n  ES1n H 21  ES21 H 22  ES22 .H nn  ESnn Hay : H ij  ESij  0 (1.15) - 6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Sau khi giải định thức thế kỉ người ta tìm được biểu thức đối với năng lượng E, rồi đặt giá trị của E vào hệ phương trình nói trên thì sẽ xác định được các hệ số c1, c2, c3,… từ đó xác định được hàm sóng cần tìm. Thuyết trƣờng tự hợp Hartree-Fock Phương pháp gần đúng đầu tiên được sử dụng để giải phương trình (1.2) là phương pháp gần đúng Hartree – Fock (HF). Từ quan điểm vật lý về trường thế hiệu dụng trung bình hóa đối với mỗi electron hợp bởi thế hút của hạt nhân và thế đẩy trung bình hóa do tất cả các electron khác sinh ra. Như đã biết, hàm sóng thích hợp mô tả trạng thái mỗi electron là hàm obitan – spin:  (x) được xác định bằng tích của hàm không gian  (q) với hàm spin  ( ) (ký hiệu  nếu ms =  1 2 ,  nếu ms =  1 2 )  (x) =  (q) .16) Ở đây: x: tọa độ obitan – spin  : tọa độ spin q: tọa độ không gian.

Hàm sóng phản đối xứng đơn giản nhất được sử dụng để mô tả trạng thái cơ bản của hệ N elecron là một định thức Slater:  1 (x1 )  2 (x1 ) . N (x N ) Ở đây chỉ số i ở  i là bộ 4 số lượng tử ; xi là tọa độ obitan – spin i. Ý tưởng của phương trình Hartree – Fock, được kết hợp với phương pháp biến phân. Theo nguyên lý biến phân « Hàm sóng tốt nhất được xác định theo định thức Slater là hàm sóng ứng với năng lượng cực tiểu : E   H  » Dùng nguyên lý biến phân ta nhận được một hệ phương trình Hartree - Fock (HF). Phương trình HF này sẽ xác định obitan – spin tối ưu, có dạng : h i  ( xi )   i ( xi ) (1.18) Ở đây h i là toán tử hamilton hiệu dụng 1e trong trường trung bình của các - 7- LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] hạt còn lại, được gọi là toán tử Fock M 1 Z h i   i 2   A  V HF (i) (1.19) 2 A1 riA Trong đó, VHF (i) là thế năng trung bình của electron thứ i trong sự có mặt của những electron khác.

Phương pháp gần đúng HF đã thay hệ nhiều electron phức tạp bằng N hệ một elecron, trong đó sự đẩy của 2e được xử lý trung bình hóa.