Tổng quan luận án

Biến đổi khí hậu toàn cầu do phát thải khí nhà kính, đặc biệt là khí cacbonic ($\text{CO}_2$), đang là một trong những thách thức môi trường lớn. Việc nghiên cứu ứng dụng $\text{CO}_2$ ở trạng thái siêu tới hạn ($\text{scCO}_2$) làm dung môi xanh thay thế cho các dung môi hữu cơ độc hại được triển khai trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như trích ly tách chất, tổng hợp vật liệu nano, dược phẩm và phản ứng trùng hợp. Mặc dù vậy, $\text{scCO}_2$ tồn tại hạn chế về khả năng hòa tan các hợp chất hữu cơ phân cực và các chất có khối lượng phân tử lớn. Các nghiên cứu thực nghiệm ghi nhận việc bổ sung một lượng nhỏ các đồng dung môi phân cực như $\text{H}_2\text{O}$ hoặc các ancol mạch ngắn ($\text{CH}_3\text{OH}$, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) giúp cải thiện đáng kể độ tan và hiệu suất trích ly. Để tối ưu hóa các quá trình công nghệ và tìm kiếm các vật liệu hấp phụ $\text{CO}_2$, việc khảo sát bản chất và đặc trưng tương tác ở cấp độ phân tử giữa $\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$ và các hợp chất hữu cơ chức năng là yêu cầu cần thiết. Phần lớn các công trình trước đây chỉ tập trung vào các hệ phức nhị phân, trong khi cơ chế kết tụ của nhiều phân tử $\text{CO}_2$ xung quanh phân tử hữu cơ cũng như ảnh hưởng tương hỗ trong hệ tam phân chứa cả $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$ vẫn chưa được làm sáng tỏ một cách toàn diện bằng phương pháp hóa học lượng tử.

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Phan Đặng Cẩm Tú với tiêu đề "Study on stability and nature of interactions of functional organic molecules with $\text{CO}_2$ and $\text{H}_2\text{O}$ by using quantum chemical method" (chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý, mã số đào tạo tại Trường Đại học Quy Nhơn, năm 2022) tập trung giải quyết 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định cấu trúc bền và so sánh độ mạnh của các phức chất tạo thành từ tương tác của các hợp chất hữu cơ cơ bản mang các nhóm chức khác nhau với các phân tử $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$, qua đó xác định các nhóm chức tương tác mạnh với $\text{CO}_2$ làm cơ sở định hướng tìm kiếm vật liệu mới hấp phụ $\text{CO}_2$ pha khí.
  2. Xác định sự tồn tại và vai trò của các tương tác phi cộng hóa trị trong việc ổn định phức chất; làm sáng tỏ hiệu ứng cộng hưởng (cooperativity), đặc biệt là sự hợp tác giữa liên kết hydro (HB) và liên kết tetrel (TtB); làm rõ vai trò của phân tử $\text{H}_2\text{O}$ trong việc làm bền phức chất và các tương tác phi cộng hóa trị nhằm giải thích bản chất đồng dung môi của $\text{H}_2\text{O}$ trong môi trường $\text{scCO}_2$.
  3. Khảo sát ảnh hưởng của các nhóm thế khác nhau bao gồm halogen ($\text{F}$, $\text{Cl}$, $\text{Br}$) và nhóm metyl lên cấu trúc hình học và độ bền nhiệt động của các phức chất tạo bởi hợp chất hữu cơ với $\text{CO}_2$ và/hoặc $\text{H}_2\text{O}$.
  4. Khám phá quy luật phát triển cấu trúc hình học và đặc tính của các tương tác phi cộng hóa trị khi gia tăng số lượng phân tử $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$, cung cấp bức tranh vi mô về sự tích tụ của $\text{CO}_2$ xung quanh các phân tử hữu cơ khi có hoặc không có mặt $\text{H}_2\text{O}$.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc hình học, độ bền nhiệt động của các phức chất chứa $\text{CO}_2$; bản chất và vai trò của các tương tác phi cộng hóa trị bao gồm liên kết tetrel ($\text{C}\cdots\text{O/S}$), liên kết hydro ($\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$) và liên kết chalcogen ($\text{O}\cdots\text{O}$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các phức chất của hợp chất hữu cơ mang các nhóm chức đại diện gồm dimethyl sulfoxide ($(\text{CH}_3)_2\text{SO}$), axeton ($(\text{CH}_3)_2\text{CO}$), thioaxeton ($(\text{CH}_3)_2\text{CS}$), metanol ($\text{CH}_3\text{OH}$), etanol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$), ethanethiol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{SH}$), dimethyl ete ($\text{CH}_3\text{OCH}_3$) cùng các dẫn xuất di-halogen/metyl ($\text{CH}_3\text{OCHX}_2$ với $\text{X} = \text{H}, \text{F}, \text{Cl}, \text{Br}, \text{CH}_3$) và dimethyl sulfide ($(\text{CH}_3)_2\text{S}$) tương tác với $n\text{CO}_2$ và $n\text{H}_2\text{O}$ ($n = 1\text{-}2$; riêng hệ phức của $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ khảo sát với $n = 1\text{-}5\text{CO}_2$). Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa tính toán và Mô phỏng (LCCM), Trường Đại học Quy Nhơn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã điểm lại các công trình thực nghiệm và lý thuyết tiêu biểu về tương tác của phân tử $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$ với các phân tử hữu cơ:

  • Nghiên cứu về tương tác của nhóm cacbonyl và sulfonyl với $\text{CO}_2$: Raveendran và Wallen (2002) đã chỉ ra hiệu ứng cộng hưởng của liên kết hydro $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ trong các hệ giữa $\text{CO}_2$ với formaldehyde, acetaldehyde, acetic acid, methyl acetate và dimethyl sulfoxide (DMSO), trong đó phức được làm bền bởi tương tác axit-base Lewis $\text{S}=\text{O}\cdots\text{C}$ và liên kết hydro $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$. Trung và các cộng sự đã xác định vai trò chính của tương tác $\text{S}=\text{O}\cdots\text{C}$ so với $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ trong việc làm bền phức DMSO$\cdots\text{CO}_2$, đồng thời so sánh độ bền tương tác của $\text{CO}_2$ với nhóm $>\text{S}=\text{O}$ và $>\text{S}=\text{S}$, ghi nhận phức của $>\text{S}=\text{O}$ bền hơn do đóng góp tương tác tĩnh điện lớn hơn.
  • Nghiên cứu tương tác giữa DMSO và $\text{H}_2\text{O}$: Kirchner và Reiher phân loại tương tác liên phân tử giữa DMSO và $\text{H}_2\text{O}$ thành liên kết hydro dịch chuyển đỏ $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$ (RSHB) và dịch chuyển xanh $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ (BSHB). Lei và cộng sự quan sát thấy tương tác $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ yếu và $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$ mạnh phụ thuộc vào nồng độ, biểu hiện sự cộng hưởng giữa hai dạng liên kết hydro.
  • Nghiên cứu về vai trò của đồng dung môi ancol và nước: Hosseini và cộng sự khảo sát ảnh hưởng của các ancol mạch ngắn đến sự tập hợp của $\text{CO}_2$ quanh phân tử chất tan. Becker và cộng sự nghiên cứu cân bằng lỏng - hơi của hỗn hợp $\text{CO}_2\cdots\text{ethanol}$ và sự suy giảm sức căng bề mặt pha lỏng khi thêm $\text{CO}_2$. Scheiner và cộng sự (2015) ghi nhận mức độ cộng hưởng năng lượng nhỏ trong các phức giữa hợp chất cacbonyl với các phân tử $\text{CO}_2$.
  • Nghiên cứu cấu trúc hình học và phổ vi sóng: Các phép đo phổ vi sóng biến đổi Fourier độ phân giải cao (FTMW) trên các hệ phức của $\text{CO}_2$ với ancol đơn giản, formamide, isopropyl amine, 2-methoxy pyridine và dimethyl ether chỉ ra sự chiếm ưu thế của liên kết tetrel $\text{C}\cdots\text{O}$ với tính đối xứng phẳng ($C_s$). Mô phỏng động lực học phân tử hệ ethanol và $\text{CO}_2$ dưới điều kiện siêu tới hạn chỉ ra $\text{CO}_2$ có xác suất phân bố tập trung cao xung quanh các cặp electron tự do của nguyên tử oxy trong ethanol.

Khoảng trống học thuật mà luận án lựa chọn giải quyết: Trước thời điểm luận án thực hiện, phần lớn các công trình tính toán lượng tử chỉ dừng lại ở các phức nhị phân độc lập. Thiếu vắng các nghiên cứu lý thuyết có tính hệ thống về các hệ phức tam phân (hợp chất hữu cơ kết hợp đồng thời với $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$), chưa lượng hóa được hiệu ứng cộng hưởng năng lượng giữa liên kết tetrel và liên kết hydro, cũng như chưa mô tả được quy luật phát triển không gian (growth pattern) khi số lượng phân tử $\text{CO}_2$ tăng dần quanh phân tử ancol.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các lý thuyết nền tảng của hóa học tính toán kết hợp với các công cụ giải tích cấu trúc điện tử và topo mật độ:

  • Lý thuyết trường tự nhất quán Hartree-Fock (HF) và các phương pháp hậu Hartree-Fock (Post-HF): Luận án trình bày phương pháp HF dựa trên định thức Slater và thuật toán trường tự nhất quán (SCF). Để xử lý phần năng lượng tương quan electron bị bỏ qua trong phương pháp HF, luận án sử dụng lý thuyết nhiễu loạn Møller-Plesset bậc hai (MP2) cho việc tối ưu hóa cấu trúc hình học và tính toán tần số dao động. Phương pháp cụm liên kết kích thích đơn và đôi có hiệu chỉnh nhiễu loạn kích thích ba $\text{CCSD(T)}$ được áp dụng để tính toán chính xác năng lượng điểm đơn (single-point energy).
  • Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT): Phiếm hàm $\omega\text{B97X-D}$ (kết hợp hiệu chỉnh tầm xa và tương tác phân tán thực nghiệm của Grimme) được sử dụng để phân tích năng lượng phân rã và tương tác obitan.
  • Hệ hàm cơ sở (Basis Sets): Hệ hàm cơ sở Pople $6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$ được áp dụng cho toàn bộ các phép tối ưu hóa hình học và tính tần số. Các hệ hàm cơ sở tương quan Dunning mở rộng hàm khuếch tán $\text{aug-cc-pVDZ}$ và $\text{aug-cc-pVTZ}$ được sử dụng cho tính toán năng lượng điểm đơn và phân tích phân rã năng lượng.
  • Phương pháp tiếp cận siêu phân tử và hiệu chỉnh năng lượng: Năng lượng tương tác ($E_{int}$) được tính theo hiệu năng lượng giữa hệ phức và tổng năng lượng các monomer cô lập. Năng lượng dao động điểm không (ZPE) và sai số xếp chồng hệ cơ sở (BSSE) được hiệu chỉnh thông qua phương pháp Counterpoise của Boys và Bernardi: $$E_{int}^{CP} = E_{AB}^{AB}(r_{AB}) - E_{A}^{AB}(r_{AB}) - E_{B}^{AB}(r_{AB})$$
  • Năng lượng cộng hưởng ($E_{coop}$): Được tính toán nhằm đánh giá mức độ tương hỗ giữa các liên kết trong phức tam phân: $$E_{coop} = E_{int} - \sum E_2$$ Trong đó $E_{int}$ là năng lượng tương tác tổng của hệ tam phân, $\sum E_2$ là tổng năng lượng tương tác của các cặp nhị phân thành phần. Giá trị $E_{coop} < 0$ biểu thị tính cộng hưởng dương (làm bền hệ), ngược lại $E_{coop} > 0$ biểu thị tính phản cộng hưởng.
  • Lý thuyết obitan liên kết tự nhiên (NBO): Sử dụng chương trình NBO 5.G để chuyển đổi hệ obitan cơ sở qua các tập obitan định xứ ($\text{NOs} \rightarrow \text{NAOs} \rightarrow \text{NHOs} \rightarrow \text{NBOs} \rightarrow \text{NLMOs} \rightarrow \text{MOs}$). Mức độ chuyển dịch mật độ điện tử (EDT) và năng lượng phân rã nhiễu loạn bậc hai $E^{(2)}$ giữa các obitan cho (xen phủ lấp đầy $i$) và nhận (obitan phản liên kết trống $j^*$) được xác định bằng công thức: $$E^{(2)} = q_i \frac{|F_{ij}|^2}{\varepsilon_j - \varepsilon_i}$$
  • Lý thuyết lượng tử về nguyên tử trong phân tử (QTAIM) của Bader: Xác định các điểm tới hạn liên kết BCP (3,-1), nghiệm của phương trình gradient mật độ electron $\nabla\rho(r) = 0$, ma trận Hessian và toán tử Laplacian $\nabla^2\rho(r) = \lambda_1 + \lambda_2 + \lambda_3$. Đánh giá bản chất liên kết qua mật độ năng lượng toàn phần $H(r) = G(r) + V(r)$ và định lý virial cục bộ $\frac{1}{4}\nabla^2\rho(r) = 2G(r) + V(r)$.
  • Lý thuyết nhiễu loạn tương ứng đối xứng (SAPT2+): Thực hiện trên phần mềm PSI4 với hệ cơ sở $\text{aug-cc-pVDZ}$ để phân rã năng lượng tương tác thành 4 thành phần vật lý: tĩnh điện ($E_{elst}$), trao đổi ($E_{exch}$), cảm ứng ($E_{ind}$) và phân tán ($E_{disp}$).
  • Phân tích chỉ số tương tác phi cộng hóa trị (NCIplot) và bản đồ thế tĩnh điện phân tử (MEP): Trực quan hóa các vùng tương tác yếu trong không gian thực dựa trên gradient mật độ rút gọn $s(\rho(r))$ và xác định phân bố điện tích bề mặt monomer.

Toàn bộ các phép tính lượng tử chính được thực hiện trên gói phần mềm Gaussian 09 và PSI4; các cấu trúc và kết quả được xử lý thông qua GaussView, Molden, Origin và Excel.

Nội dung chính theo từng chương

GENERAL INTRODUCTION

Chương mở đầu trình bày cơ sở cấp thiết về mặt hóa học và công nghệ môi trường của việc nghiên cứu tương tác giữa $\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$ và các phân tử hữu cơ. Tác giả phân tích các ưu điểm và mặt hạn chế của dung môi $\text{scCO}_2$, vai trò của các chất đồng dung môi phân cực trong việc tăng khả năng hòa tan chất tan phân cực, đồng thời tổng hợp các kết quả thực nghiệm và lý thuyết đã công bố trên thế giới. Chương này xác định cấu trúc luận án gồm 3 phần chính, công bố danh mục các công trình khoa học của tác giả liên quan trực tiếp đến đề tài, và giới thiệu tổng quát quy trình tính toán lượng tử áp dụng cho các hệ phân tử khảo sát.

THEORETICAL BACKGROUNDS AND COMPUTATIONAL METHODS

Chương này hệ thống hóa chi tiết các cơ sở toán học và vật lý của các phương pháp hóa học lượng tử được sử dụng trong luận án:

  • Trình bày tường minh phương trình Hartree-Fock, toán tử Fock, phép biến đổi ma trận mật độ và các bước lặp SCF.
  • Giới thiệu các phương pháp xử lý tương quan electron: lý thuyết nhiễu loạn MP2, phương pháp cụm liên kết $\text{CCSD(T)}$ và phương pháp tương tác cấu hình (CI).
  • Trình bày lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT và phiếm hàm $\omega\text{B97X-D}$.
  • Phân tích đặc điểm toán học của các hệ hàm cơ sở STO, GTO, hệ cơ sở Pople ($6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$) và hệ cơ sở Dunning ($\text{aug-cc-pVXZ}$).
  • Mô tả chi tiết quy trình tính năng lượng tương tác siêu phân tử, hiệu chỉnh sai số BSSE theo phương pháp Counterpoise, lý thuyết phân tích NBO, giải tích topo QTAIM, phương pháp phân rã năng lượng SAPT2+, phân tích MEP và biểu đồ NCIplot.

RESULTS AND DISCUSSION

Chương kết quả và thảo luận chiếm dung lượng chính của luận án, được chia thành 7 nội dung nghiên cứu cụ thể:

1. Tương tác của dimethyl sulfoxide với $n\text{CO}_2$ và $n\text{H}_2\text{O}$ ($n=1\text{-}2$)

  • Cấu trúc và độ bền: Phức giữa DMSO và $\text{CO}_2$ được làm bền chủ yếu bởi liên kết tetrel $\text{S}=\text{O}\cdots\text{C}$ và liên kết hydro phụ trợ $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$. Khi có mặt $\text{H}_2\text{O}$, phức tạo thêm liên kết hydro mạnh $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$.
  • Năng lượng tương tác và cộng hưởng: Tính toán ở mức $\text{CCSD(T)}/6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}//\text{MP2}/6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$ cho thấy năng lượng tương tác tăng rõ rệt khi bổ sung $\text{H}_2\text{O}$. Hệ tam phân $\text{DMSO}\cdots\text{CO}_2\cdots\text{H}2\text{O}$ thể hiện tính cộng hưởng dương ($E{coop} < 0$).
  • Phân tích NBO và dao động: Liên kết $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$ thuộc loại dịch chuyển đỏ (RSHB) với sự giãn độ dài liên kết $\text{O}-\text{H}$ và giảm tần số dao động hóa trị, trong khi liên kết $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ thể hiện đặc trưng dịch chuyển xanh (BSHB) với sự co độ dài liên kết $\text{C}-\text{H}$ và tăng tần số dao động.

2. Tương tác của acetone và thioacetone với $n\text{CO}_2$ và $n\text{H}_2\text{O}$ ($n=1\text{-}2$)

  • So sánh giữa nhóm cacbonyl ($>\text{C}=\text{O}$) trong axeton (aco) và thiocacbonyl ($>\text{C}=\text{S}$) trong thioaxeton (acs). Phức của axeton có độ bền lớn hơn đáng kể so với phức của thioaxeton.
  • Phân tích SAPT2+ tại mức $\text{aug-cc-pVDZ}$ chỉ ra rằng thành phần tĩnh điện ($E_{elst}$) và cảm ứng ($E_{ind}$) trong phức của axeton chiếm ưu thế lớn hơn do nguyên tử oxy có độ âm điện và thế tĩnh điện âm tập trung hơn so với nguyên tử lưu huỳnh, trong khi thành phần tán xạ ($E_{disp}$) đóng vai trò tương đối lớn hơn ở phức của thioaxeton.
Hệ phức chất Cấu trúc liên kết chính Mức lý thuyết tính năng lượng Đặc trưng năng lượng / Độ bền
$\text{DMSO}\cdots n\text{CO}_2 / n\text{H}_2\text{O}$ $\text{S}=\text{O}\cdots\text{C}$, $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ $\text{CCSD(T)}/6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$ Cộng hưởng dương lớn khi có $\text{H}_2\text{O}$; xuất hiện cả RSHB và BSHB
$(\text{CH}_3)_2\text{CO}\cdots n\text{CO}_2 / n\text{H}_2\text{O}$ $\text{C}=\text{O}\cdots\text{C}$, $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ $\text{CCSD(T)}/6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$ Tương tác tĩnh điện ($E_{elst}$) chiếm ưu thế, bền hơn phức thioaxeton
$(\text{CH}_3)_2\text{CS}\cdots n\text{CO}_2 / n\text{H}_2\text{O}$ $\text{C}=\text{S}\cdots\text{C}$, $\text{S}\cdots\text{H}-\text{O}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{S}$ $\text{CCSD(T)}/6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$ Đóng góp phân tán ($E_{disp}$) cao hơn, độ bền nhiệt động thấp hơn aco
$\text{CH}_3\text{OH}\cdots\text{CO}_2 / \text{H}_2\text{O}$ $\text{C}\cdots\text{O}$, $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ $\text{CCSD(T)}/6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$ $\text{CO}_2$ đóng vai trò nhận electron tại C; $\text{H}_2\text{O}$ làm tăng tính cộng hưởng
$\text{C}_2\text{H}_5\text{SH}\cdots\text{CO}_2 / \text{H}_2\text{O}$ $\text{S}\cdots\text{C}$, $\text{S}-\text{H}\cdots\text{O}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ $\text{CCSD(T)}/6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$ Tương tác qua tâm lưu huỳnh yếu hơn qua tâm oxy của ancol tương ứng
$\text{CH}_3\text{OCHX}_2\cdots n\text{CO}_2 / n\text{H}_2\text{O}$ $\text{O}\cdots\text{C}$, $\text{C}-\text{X}\cdots\text{O}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ $\text{MP2/aug-cc-pVTZ}$ Nhóm thế halogen ($\text{F, Cl, Br}$) làm tăng tính axit của liên kết $\text{C}-\text{H}$
$(\text{CH}_3)_2\text{S}\cdots n\text{CO}_2$ $\text{S}\cdots\text{C}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ $\text{MP2/aug-cc-pVTZ}$ Xác định thông số topo BCP và phân rã thành phần năng lượng SAPT2+
$\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}\cdots n\text{CO}_2$ ($n=1\text{-}5$) $\text{C}\cdots\text{O}$, $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$, $\text{O}\cdots\text{O}$ $\text{MP2/aug-cc-pVTZ}$ Mô hình phát triển cấu trúc: $\text{CO}_2$ bao quanh cặp electron tự do của oxy

3. Tương tác của methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$) với $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$

  • Phân tích topo AIM xác nhận sự xuất hiện của các điểm tới hạn liên kết BCP giữa $\text{C}(\text{CO}_2)\cdots\text{O}(\text{CH}_3\text{OH})$, $\text{O}(\text{CO}_2)\cdots\text{H}(\text{CH}_3\text{OH})$ và $\text{O}(\text{H}_2\text{O})\cdots\text{H}(\text{CH}_3\text{OH})$.
  • Sự chuyển dịch mật độ điện tử EDT từ cặp electron tự do của oxy sang obitan phản liên kết $\sigma^(\text{C}-\text{O})$ của $\text{CO}_2$ và $\sigma^(\text{O}-\text{H})$ của ancol giải thích cơ chế ổn định phức.

4. Tương tác của ethanethiol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{SH}$) với $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$

  • Khảo sát sự khác biệt khi thay thế nguyên tử oxy trong ancol bằng nguyên tử lưu huỳnh. Năng lượng tương tác và các thông số topo $\rho(r)$, $\nabla^2\rho(r)$ tại các BCP phản ánh liên kết hình thành qua tâm lưu huỳnh có mật độ electron thấp hơn và mang bản chất phân tán nhiều hơn.

5. Tương tác của dẫn xuất $\text{CH}_3\text{OCHX}_2$ ($\text{X} = \text{H, F, Cl, Br, CH}_3$) với $n\text{CO}_2$ và $n\text{H}_2\text{O}$

  • Khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng thế halogen: sự hiện diện của các nguyên tử hút electron ($\text{F}, \text{Cl}, \text{Br}$) làm giảm mật độ electron trên nguyên tử cacbon kế cận, làm tăng tính phân cực của liên kết $\text{C}-\text{H}$ và tăng cường độ bền của liên kết hydro $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$. Ngược lại, nhóm đẩy electron metyl ($\text{CH}_3$) làm thay đổi phân bố không gian và thế tĩnh điện MEP của phân tử ete.

6. Tương tác của dimethyl sulfide ($(\text{CH}_3)_2\text{S}$) với $n\text{CO}_2$ ($n=1\text{-}2$)

  • Tối ưu hóa cấu trúc phức chất ở mức $\text{MP2}/6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$ và phân rã thành phần năng lượng SAPT2+. Tương tác $\text{S}\cdots\text{C}$ tetrel bond và liên kết hydro phụ trợ $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ đóng vai trò liên kết các phân tử.

7. Mô hình phát triển cấu trúc của các phức $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}\cdots n\text{CO}_2$ ($n=1\text{-}5$)

  • Mô hình cấu trúc (Structural pattern): Khi tăng số lượng phân tử $\text{CO}_2$ từ 1 đến 5, các phân tử $\text{CO}_2$ có xu hướng định vị tập trung bao quanh nguyên tử oxy của ethanol để khai thác các cặp electron tự do (lone pairs) thông qua liên kết tetrel $\text{C}\cdots\text{O}$.
  • Năng lượng liên kết: Năng lượng liên kết trung bình trên mỗi phân tử $\text{CO}_2$ được tính toán ở mức $\text{MP2/aug-cc-pVTZ//MP2}/6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$.
  • Phổ dao động và NCIplot: Sự gia tăng số phân tử $\text{CO}_2$ dẫn đến sự dịch chuyển tần số dao động hóa trị của nhóm $\text{O}-\text{H}$. Bản đồ NCIplot với mặt đẳng giá trị gradient mật độ $s=0.5$ và bản đồ thế tĩnh điện MEP của các đồng phân ethanol (anti và gauche) cùng $\text{CO}_2$ xác nhận sự đóng góp mang tính quyết định của thành phần tĩnh điện và tán xạ trong quá trình solvat hóa.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp khoa học mới về mặt lý luận và ứng dụng thực tiễn:

  • Về mặt lý luận:

    • Cung cấp dữ liệu lượng tử có tính hệ thống cao về cấu trúc hình học, độ bền nhiệt động và bản chất liên kết của 8 nhóm hợp chất hữu cơ chức năng tương tác với $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$.
    • Xác định rõ vai trò chủ đạo của liên kết tetrel $\text{C}\cdots\text{O/S}$ kết hợp với các liên kết hydro $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$, $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$ và liên kết chalcogen $\text{O}\cdots\text{O}$ trong việc ổn định phức chất.
    • Chứng minh sự có mặt của phân tử $\text{H}2\text{O}$ tạo ra hiệu ứng cộng hưởng dương rõ rệt ($E{coop} < 0$), làm tăng độ bền tổng thể của phức so với các hệ chỉ chứa $\text{CO}_2$; trong đó liên kết hydro $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$ đóng góp tỷ phần năng lượng cộng hưởng lớn nhất.
    • Xác lập mô hình phát triển cấu trúc (growth pattern) của cụm phân tử $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}\cdots n\text{CO}_2$ ($n=1\text{-}5$), làm sáng tỏ cơ chế vi mô của sự phân bố $\text{CO}_2$ xung quanh phân tử ancol trong trạng thái siêu tới hạn.
    • Phân loại và làm rõ bản chất của liên kết hydro dịch chuyển đỏ (RSHB) và dịch chuyển xanh (BSHB) dựa trên ái lực proton (PA) của tâm nhận và năng lượng tách proton (DPE) của liên kết $\text{C}-\text{H}$.
  • Về mặt thực tiễn:

    • Đóng vai trò là nguồn dữ liệu tham chiếu phục vụ việc tính toán mô phỏng và định hướng thiết kế các vật liệu chức năng mới ứng dụng trong việc thu giữ và cô lập khí $\text{CO}_2$.
    • Cung cấp cơ sở lý thuyết vi mô giải thích vai trò của $\text{H}_2\text{O}$ và ancol mạch ngắn làm đồng dung môi giúp nâng cao độ tan và hiệu suất trong các quy trình công nghệ sử dụng $\text{scCO}_2$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu được thực hiện đối với các hệ phức cụm phân tử hữu hạn trong pha khí ($n \le 5$), chưa thực hiện mô phỏng động lực học phân tử (MD) trong môi trường dung môi liên tục quy mô lớn ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất siêu tới hạn thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng phạm vi tính toán lượng tử và mô phỏng động lực học phân tử cho các hệ đại phân tử, polymer hoặc vật liệu khung xốp chứa các nhóm chức hấp phụ $\text{CO}_2$; kết hợp kiểm chứng với các dữ liệu phổ nghiệm thực nghiệm trong điều kiện áp suất cao.

Giá trị tham khảo

  • Đối với giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Hóa lý thuyết, Hóa lý và Hóa tính toán: Luận án là tài liệu tham khảo về quy trình kết hợp các phương pháp tính toán hóa học lượng tử độ chính xác cao ($\text{MP2}$, $\text{CCSD(T)}$, $\text{DFT } \omega\text{B97X-D}$) với các công cụ giải tích cấu trúc điện tử hiện đại như QTAIM, NBO 5.G, SAPT2+, MEP và NCIplot.
  • Đối với các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học, công nghệ môi trường và vật liệu: Luận án cung cấp các thông số định lượng về năng lượng tương tác và quy luật liên kết giữa $\text{CO}_2$ với các nhóm chức hóa học, hỗ trợ lựa chọn dung môi và thiết kế quy trình công nghệ sử dụng $\text{CO}_2$ siêu tới hạn.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng phương pháp hóa học lượng tử nào để tối ưu hóa hình học và tính toán năng lượng chính xác? Luận án sử dụng phương pháp nhiễu loạn Møller-Plesset bậc hai ($\text{MP2}$) kết hợp hệ hàm cơ sở Pople $6\text{-}311++\text{G(2d,2p)}$ để tối ưu hóa cấu trúc hình học và tính toán tần số dao động cho toàn bộ các hệ phức. Để thu được năng lượng tương tác chính xác, các phép tính năng lượng điểm đơn được thực hiện ở mức $\text{CCSD(T)}$ hoặc $\text{MP2}$ kết hợp với các hệ hàm cơ sở Dunning mở rộng ($\text{aug-cc-pVDZ}$, $\text{aug-cc-pVTZ}$) và được hiệu chỉnh năng lượng dao động điểm không (ZPE) cùng sai số BSSE theo phương pháp Counterpoise.

2. Phân tử nước ($\text{H}_2\text{O}$) đóng vai trò như thế nào trong các hệ phức chứa $\text{CO}_2$? Sự xuất hiện của phân tử $\text{H}_2\text{O}$ làm tăng đáng kể độ bền nhiệt động của các phức chất thông qua việc hình thành liên kết hydro mạnh $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$. Trong các hệ tam phân (chất hữu cơ $\cdots\text{CO}_2\cdots\text{H}_2\text{O}$), $\text{H}2\text{O}$ tạo ra hiệu ứng cộng hưởng dương rõ rệt ($E{coop} < 0$), củng cố độ bền của liên kết tetrel $\text{C}\cdots\text{O}$ và liên kết hydro phụ trợ $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$, qua đó giải thích cơ sở vi mô của việc sử dụng $\text{H}_2\text{O}$ làm đồng dung môi trong $\text{scCO}_2$.

3. Tương tác phi cộng hóa trị chủ đạo nào giữ vai trò ổn định phức giữa phân tử hữu cơ và $\text{CO}_2$? Tương tác chủ đạo định hướng hình học phức chất là liên kết tetrel $\text{C}\cdots\text{O}$ (hoặc $\text{C}\cdots\text{S}$), hình thành giữa nguyên tử cacbon thiếu hụt điện tích của $\text{CO}_2$ (đóng vai trò axit Lewis) và các cặp electron tự do trên nguyên tử oxy (hoặc lưu huỳnh) của hợp chất hữu cơ (đóng vai trò base Lewis), được bổ trợ bởi các liên kết hydro yếu $\text{C}-\text{H}\cdots\text{O}$.

4. Mô hình phát triển cấu trúc (growth pattern) của cụm $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}\cdots n\text{CO}_2$ ($n=1\text{-}5$) diễn ra theo quy luật nào? Khi tăng số lượng phân tử $\text{CO}_2$ từ 1 đến 5, các phân tử $\text{CO}_2$ ưu tiên tập trung sắp xếp xung quanh các cặp electron tự do của nguyên tử oxy trong phân tử ethanol thông qua liên kết tetrel $\text{C}\cdots\text{O}$ và liên kết hydro $\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}$, trước khi phân bố tương tác với các vị trí liên kết hydro $\text{C}-\text{H}$ của gốc etyl hoặc tạo liên kết $\text{O}\cdots\text{O}$ giữa các phân tử $\text{CO}_2$ với nhau.

5. Hợp chất chứa nhóm cacbonyl ($>\text{C}=\text{O}$) và thiocacbonyl ($>\text{C}=\text{S}$) thể hiện sự khác biệt thế nào khi tương tác với $\text{CO}_2$? Phức của hợp chất cacbonyl (axeton) có độ bền nhiệt động cao hơn so với phức của hợp chất thiocacbonyl (thioaxeton). Phân tích SAPT2+ cho thấy phức của nhóm $>\text{C}=\text{O}$ có thành phần tương tác tĩnh điện ($E_{elst}$) chiếm ưu thế vượt trội do oxy có độ âm điện và mật độ điện tích âm cao, trong khi phức của nhóm $>\text{C}=\text{S}$ có đóng góp của thành phần tương tác phân tán ($E_{disp}$) chiếm tỷ trọng cao hơn.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Phan Đặng Cẩm Tú là công trình nghiên cứu chuyên sâu về hóa học lượng tử, làm sáng tỏ cấu trúc hình học, độ bền nhiệt động và bản chất của các tương tác phi cộng hóa trị trong các hệ phức giữa hợp chất hữu cơ chức năng với $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$. Bằng việc kết hợp các phương pháp tính toán $\text{MP2}$, $\text{CCSD(T)}$, DFT cùng các công cụ phân tích QTAIM, NBO, SAPT2+ và NCIplot, luận án đã định lượng được hiệu ứng cộng hưởng năng lượng trong các hệ tam phân và xác lập quy luật phát triển cấu trúc cụm phân tử $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}\cdots n\text{CO}_2$. Các kết quả thu được cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy cho việc nghiên cứu cơ chế vi mô của dung môi $\text{CO}_2$ siêu tới hạn có đồng dung môi và hỗ trợ định hướng thiết kế các vật liệu mới phục vụ mục tiêu thu giữ $\text{CO}_2$.