Nghiên cứu độ bền và tương tác của hợp chất hữu cơ với CO2 và H2O bằng 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 Tương Tác Của Hợp Chất Hữu Cơ Với CO2 Và H2O Bằng Phương Pháp Hóa Học Lượng Tử
• Loại tài liệu: doctoral dissertation
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Binh Dinh

• DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENT
• 1. GENERAL INTRODUCTION
• 1.1. Object and scope of the research
• 1.2. Novelty and scientific significance
• 1.3. 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
• 3.2.1. Stability and cooperativity
• 3.2.2. 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
• 3.4.1. Structure, stability and cooperativity
• 3.4.2. Vibrational and NBO analyses
• 3.5. Interactions of CH3OCHX2 with nCO2 and nH2O (X=H, F, Cl, Br, CH3)
• 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
• List of symbols and notations
• List of figures
• List of tables

I. Tổng quan về nghiên cứu tương tác của hợp chất hữu cơ với CO2 và H2O

Nghiên cứu tương tác giữa hợp chất hữu cơ và CO2, H2O là một lĩnh vực quan trọng trong hóa học lượng tử. Sự gia tăng nồng độ khí thải, đặc biệt là CO2, đã gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng. Việc hiểu rõ các tương tác này không chỉ giúp cải thiện quy trình sản xuất mà còn góp phần vào việc phát triển các vật liệu mới thân thiện với môi trường. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc và tính ổn định của các phức hợp hữu cơ trong môi trường có CO2 và H2O.

1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào các phức hợp của hợp chất hữu cơ như dimethyl sulfoxide, acetone, methanol, và ethanethiol với CO2 và H2O. Mục tiêu là phân tích cấu trúc, tính ổn định và các tương tác phi cộng hóa trị trong các phức hợp này.

1.2. Tính mới và ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu này mang lại cái nhìn mới về sự ổn định và tính chất của các tương tác phi cộng hóa trị trong các phức hợp hữu cơ với CO2 và H2O. Kết quả sẽ giúp hiểu rõ hơn về vai trò của nước trong việc tăng cường tính ổn định của các phức hợp này.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tương tác hóa học

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về tương tác giữa hợp chất hữu cơ và CO2, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề chính là sự phức tạp trong việc mô hình hóa các tương tác này. Các yếu tố như cấu trúc phân tử, tính chất điện tử và môi trường xung quanh đều ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. Việc áp dụng các phương pháp hóa học lượng tử là cần thiết để có được những kết quả chính xác.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tương tác

Các yếu tố như cấu trúc phân tử, độ phân cực và tính chất hóa học của CO2 và H2O có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và ổn định của các phức hợp. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình nghiên cứu.

2.2. Thách thức trong mô hình hóa và tính toán

Mô hình hóa các tương tác phi cộng hóa trị đòi hỏi các phương pháp tính toán chính xác. Các phương pháp như lý thuyết chức năng mật độ (DFT) và phương pháp Hartree-Fock cần được áp dụng để đảm bảo độ chính xác trong các kết quả nghiên cứu.

III. Phương pháp nghiên cứu tương tác hóa học lượng tử

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp hóa học lượng tử để phân tích các tương tác giữa hợp chất hữu cơ và CO2, H2O. Các phương pháp này bao gồm lý thuyết Hartree-Fock, lý thuyết chức năng mật độ và các phương pháp sau Hartree-Fock. Việc áp dụng các phương pháp này giúp xác định cấu trúc và tính ổn định của các phức hợp một cách chính xác.

3.1. Phương pháp Hartree Fock

Phương pháp Hartree-Fock là một trong những phương pháp cơ bản trong hóa học lượng tử, giúp tính toán các trạng thái điện tử của phân tử. Phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc và năng lượng của các phức hợp hữu cơ với CO2 và H2O.

3.2. Lý thuyết chức năng mật độ DFT

Lý thuyết chức năng mật độ (DFT) là một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu hóa học lượng tử. DFT cho phép tính toán chính xác các tính chất điện tử và năng lượng của các phức hợp, từ đó giúp hiểu rõ hơn về các tương tác phi cộng hóa trị.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự tương tác giữa hợp chất hữu cơ và CO2, H2O có ảnh hưởng lớn đến tính ổn định của các phức hợp. Các phức hợp này không chỉ có tiềm năng trong việc phát triển vật liệu mới mà còn có thể ứng dụng trong các quy trình công nghiệp như chiết xuất và tinh chế. Sự hiện diện của H2O đã chứng minh là làm tăng đáng kể tính ổn định của các phức hợp này.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Nghiên cứu này có thể được ứng dụng trong các quy trình công nghiệp như chiết xuất và tinh chế, nơi mà CO2 được sử dụng như một dung môi thân thiện với môi trường. Việc hiểu rõ các tương tác này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

4.2. Kết quả nghiên cứu và triển vọng tương lai

Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu mới và quy trình sản xuất hiệu quả hơn. Nghiên cứu cũng góp phần vào việc hiểu rõ hơn về các tương tác phi cộng hóa trị, từ đó có thể phát triển các ứng dụng mới trong tương lai.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về tương tác của hợp chất hữu cơ với CO2 và H2O bằng phương pháp hóa học lượng tử đã cung cấp nhiều thông tin quý giá. Kết quả cho thấy sự tương tác này có vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới và quy trình sản xuất thân thiện với môi trường. Hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tiếp tục tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp tính toán và mở rộng phạm vi nghiên cứu.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự tương tác giữa hợp chất hữu cơ và CO2, H2O có ảnh hưởng lớn đến tính ổn định của các phức hợp. Sự hiện diện của H2O làm tăng đáng kể tính ổn định và khả năng tương tác của các phức hợp này.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc mở rộng các loại hợp chất hữu cơ và điều kiện nghiên cứu, nhằm tìm ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực hóa học và công nghiệp. Việc phát triển các phương pháp tính toán mới cũng sẽ được xem xét để nâng cao độ chính xác của các kết quả nghiên cứu.