Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu độ bền và bản chất tương tác của hợp chất hữu cơ với CO2 và H2O 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: Study on Stability and Nature of Interactions of Functional Organic Molecules with CO2 and H2O by Using Quantum Chemical Method
• 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. Nghiên cứu và phương pháp hóa học lượng tử

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng hóa học lượng tử để phân tích độ bền và tương tác của các hợp chất hữu cơ với CO2 và H2O. Phương pháp hóa học lượng tử bao gồm các kỹ thuật như Hartree-Fock, lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), và phương pháp hậu Hartree-Fock. Các phương pháp này được áp dụng để tính toán năng lượng tương tác, phân tích liên kết, và mô phỏng cấu trúc phân tử. Kết quả nghiên cứu cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất hóa học và tương tác phân tử của các hợp chất hữu cơ trong môi trường chứa CO2 và H2O.

1.1. Phương pháp tính toán và mô hình hóa

Các phương pháp tính toán như Hartree-Fock và DFT được sử dụng để mô hình hóa các hợp chất hữu cơ và tương tác của chúng với CO2 và H2O. Mô hình hóa các hệ thống này giúp xác định cấu trúc hình học, năng lượng tương tác, và tính chất điện tử của các phức hợp. Các kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy.

1.2. Phân tích liên kết và tương tác

Phân tích liên kết được thực hiện thông qua lý thuyết orbital tự nhiên (NBO) và phân tích nguyên tử trong phân tử (AIM). Các phương pháp này giúp xác định tương tác phân tử như liên kết hydro (HB), liên kết tetrel (TtB), và liên kết chalcogen (ChB). Kết quả cho thấy sự đóng góp của các tương tác phi hóa trị vào độ bền của các phức hợp.

II. Độ bền và tương tác của hợp chất hữu cơ với CO2 và H2O

Nghiên cứu này khảo sát độ bền và tương tác của các hợp chất hữu cơ như dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, methanol, và ethanol với CO2 và H2O. Các phức hợp được hình thành thông qua tương tác phi hóa trị như liên kết hydro và liên kết tetrel. Kết quả cho thấy sự ảnh hưởng của H2O đến độ bền và tính chất tương tác của các phức hợp. H2O làm tăng độ bền và tính hợp tác của các phức hợp so với các hệ thống chỉ chứa CO2.

2.1. Tương tác của DMSO với CO2 và H2O

DMSO tạo thành các phức hợp bền với CO2 và H2O thông qua liên kết tetrel và liên kết hydro. Phân tích AIM và NBO cho thấy sự đóng góp của các tương tác phi hóa trị vào độ bền của các phức hợp. H2O làm tăng tính hợp tác và độ bền của các phức hợp so với các hệ thống chỉ chứa CO2.

2.2. Tương tác của methanol và ethanol với CO2 và H2O

Methanol và ethanol tạo thành các phức hợp bền với CO2 và H2O thông qua liên kết hydro. Phân tích năng lượng cho thấy sự ảnh hưởng của H2O đến độ bền và tính chất tương tác của các phức hợp. H2O làm tăng tính hợp tác và độ bền của các phức hợp so với các hệ thống chỉ chứa CO2.

III. Ứng dụng thực tiễn và ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn toàn diện về tương tác và độ bền của các hợp chất hữu cơ với CO2 và H2O, đóng góp vào việc phát triển các vật liệu chức năng để bắt giữ CO2 và tăng cường hiểu biết về các tương tác phi hóa trị. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như hóa học xanh, công nghệ môi trường, và khoa học vật liệu. Nghiên cứu cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà nghiên cứu và sinh viên trong lĩnh vực hóa học tính toán.

3.1. Ứng dụng trong công nghệ môi trường

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng để phát triển các vật liệu chức năng nhằm bắt giữ CO2 và giảm thiểu hiệu ứng nhà kính. Các phức hợp được nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng trong các quy trình tách chiết và tinh chế sử dụng CO2 siêu tới hạn.

3.2. Ý nghĩa khoa học và giáo dục

Nghiên cứu này đóng góp vào việc tăng cường hiểu biết về các tương tác phi hóa trị và tính chất hóa học của các hợp chất hữu cơ trong môi trường chứa CO2 và H2O. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà nghiên cứu, giảng viên, và sinh viên trong lĩnh vực hóa học tính toán và hóa học vật lý.