Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu độ bền và bản chất tương tác của hợp chất hữu cơ với CO2 và H2O thông qua phương pháp hóa học lượng tử

• Tác giả: Phan Dang Cam Tu
• Người hướng dẫn: Assoc. Nguyen Tien Trung
• Trường học: Quy Nhon University
• Chuyên ngành: Theoretical and Physical Chemistry
• Đề tài: Nghiên Cứu Độ Bền Và Tương Tác Của Hợp Chất Hữu Cơ Với CO2 Và H2O Bằng Hóa Học Lượng Tử
• Loại tài liệu: doctoral dissertation
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Binh Dinh

• DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. GENERAL INTRODUCTION
• 1.1. Research introduction
• 1.2. Object and scope of the research
• 1.3. Novelty and scientific significance
• 1.4. Overview of the research
• 2. THEORETICAL BACKGROUNDS AND COMPUTATIONAL METHODS
• 2.1. Theoretical background of computational chemistry
• 2.2. The Hartree–Fock method
• 2.3. The post–Hartree-Fock method
• 2.4. Density functional theory
• 2.5. Computational approaches to noncovalent interactions
• 2.6. Basis set superposition error
• 2.7. Natural bond orbital theory
• 2.8. Atoms in molecules theory
• 2.9. Symmetry-adapted perturbation theory
• 2.10. Computational methods of the research
• 3. RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Interactions of dimethyl sulfoxide with nCO2 and nH2O (n=1-2)
• 3.1.1. Geometries, AIM analysis and stability of intermolecular complexes
• 3.1.2. Interaction and cooperative energies and energy component
• 3.1.3. Bonding vibrational modes and NBO analysis
• 3.2. Interactions of acetone/thioacetone with nCO2 and nH2O. Stability and cooperativity
• 3.2.1. NBO analysis, and hydrogen bonds
• 3.3. Interactions of methanol with CO2 and H2O
• 3.3.1. Structures and AIM analysis
• 3.3.2. Interaction and cooperative energies
• 3.3.3. Vibrational and NBO analyses
• 3.4. Interactions of ethanethiol with CO2 and H2O. Structure, stability and cooperativity
• 3.4.1. Vibrational and NBO analyses
• 3.5. Interactions of CH3OCHX2 with nCO2 and nH2O (X=H, F, Cl, Br, CH3; n=1-2)
• 3.5.1. Interactions of CH3OCHX2 with 1CO2 (X = H, F, Cl, Br, CH3)
• 3.5.2. Interactions of CH3OCHX2 with 2CO2 (X = H, F, Cl, Br, CH3)
• 3.5.3. Interactions of CH3OCHX2 with nH2O (X = H, F, Cl, Br, CH3; n=1-2)
• 3.5.4. Interactions of CH3OCHX2 with 1CO2 and 1H2O (X =H, F, Cl, Br, CH3)
• 3.6. Interactions of dimethyl sulfide with nCO2 (n=1-2)
• 3.6.1. Geometric structures and AIM analysis
• 3.6.2. Interaction and cooperativity energy and energetic components
• 3.6.3. Vibrational and NBO analyses
• 3.7. Growth pattern of the C2H5OH∙∙∙nCO2 complexes (n=1-5)
• 3.8. Structural pattern of the C2H5OH∙∙∙nCO2 complexes (n=1-5)
• 3.9. Complex stability, and changes of OH stretching frequency and intensity under variation of CO2 molecules
• 3.10. Intermolecular interaction analysis
• 3.11. Role of physical energetic components
• LIST OF PUBLICATIONS CONTRIBUTING TO THE DISSERTATION

I. Hợp chất hữu cơ và tương tác với CO2 và H2O

Nghiên cứu tập trung vào hợp chất hữu cơ và tương tác với CO2 và tương tác với H2O thông qua hóa học lượng tử. Các hợp chất hữu cơ như dimethyl sulfoxide, acetone, methanol, và ethanol được phân tích để hiểu rõ cấu trúc hình học, độ bền, và bản chất của các liên kết không cộng hóa trị. Phân tích hóa học và mô hình hóa lượng tử được sử dụng để xác định các tính chất vật lý và hóa học của các phức hợp này. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các vật liệu chức năng để thu giữ CO2 và hiểu rõ hơn về các tương tác không cộng hóa trị.

1.1. Tương tác với CO2

Các tương tác với CO2 được nghiên cứu thông qua các phức hợp của các hợp chất hữu cơ với CO2. Các phương pháp hóa học lượng tử như Hartree-Fock và Density Functional Theory (DFT) được áp dụng để tính toán năng lượng tương tác và độ bền của các phức hợp. Kết quả cho thấy sự ổn định của các phức hợp và vai trò của các liên kết không cộng hóa trị như tetrel bond và hydrogen bond trong việc tăng cường độ bền của phức hợp.

1.2. Tương tác với H2O

Các tương tác với H2O được nghiên cứu để hiểu rõ ảnh hưởng của nước lên độ bền và tính chất của các phức hợp. Sự hiện diện của H2O làm tăng độ bền và tính hợp tác của các phức hợp, đặc biệt là thông qua các liên kết hydrogen bond. Phân tích dữ liệu lượng tử cho thấy sự đóng góp đáng kể của các liên kết hydrogen bond vào sự ổn định của các phức hợp.

II. Phương pháp hóa học lượng tử và phân tích

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp hóa học lượng tử như Hartree-Fock, DFT, và Symmetry-Adapted Perturbation Theory (SAPT) để phân tích các tương tác không cộng hóa trị. Các phương pháp này giúp xác định năng lượng tương tác, độ bền, và các thành phần năng lượng vật lý trong các phức hợp. Phân tích hóa học và mô hình hóa lượng tử cung cấp cái nhìn sâu sắc về bản chất của các tương tác và vai trò của chúng trong việc ổn định các phức hợp.

2.1. Phương pháp Hartree Fock và DFT

Phương pháp Hartree-Fock và DFT được sử dụng để tính toán cấu trúc hình học và năng lượng tương tác của các phức hợp. Các kết quả cho thấy sự ổn định của các phức hợp và vai trò của các liên kết không cộng hóa trị trong việc tăng cường độ bền. Phân tích hóa học cung cấp thông tin chi tiết về các tính chất vật lý và hóa học của các phức hợp.

2.2. Phân tích SAPT

Phương pháp SAPT được sử dụng để phân tích các thành phần năng lượng vật lý trong các tương tác không cộng hóa trị. Kết quả cho thấy sự đóng góp của các thành phần năng lượng như electrostatic, exchange, induction, và dispersion vào sự ổn định của các phức hợp. Phân tích dữ liệu lượng tử cung cấp cái nhìn toàn diện về bản chất của các tương tác.

III. Ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu môi trường

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các vật liệu chức năng để thu giữ CO2 và hiểu rõ hơn về các tương tác không cộng hóa trị. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các ứng dụng trong công nghiệp như quá trình tách chiết và tổng hợp sử dụng CO2 siêu tới hạn. Ngoài ra, nghiên cứu cũng góp phần vào việc nghiên cứu môi trường bằng cách cung cấp thông tin về các tương tác giữa CO2 và các hợp chất hữu cơ, giúp giảm thiểu tác động của CO2 lên môi trường.

3.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các ứng dụng trong công nghiệp như quá trình tách chiết và tổng hợp sử dụng CO2 siêu tới hạn. Các hợp chất hữu cơ được nghiên cứu có tiềm năng trở thành các vật liệu chức năng để thu giữ CO2, giúp giảm thiểu lượng CO2 thải ra môi trường.

3.2. Nghiên cứu môi trường

Nghiên cứu cũng góp phần vào việc nghiên cứu môi trường bằng cách cung cấp thông tin về các tương tác giữa CO2 và các hợp chất hữu cơ. Các kết quả này có thể giúp hiểu rõ hơn về vai trò của CO2 trong hiệu ứng nhà kính và tìm ra các giải pháp để giảm thiểu tác động của CO2 lên môi trường.