Nghiên Cứu Tương Tác và Ổn Định của Phân Tử Hữu Cơ Chức Năng 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 và Ổn Định của Phân Tử Hữu Cơ Chức Năng 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
• TABLE OF CONTENTS
• 1. GENERAL INTRODUCTION
• 1.1. Object and scope of the research
• 1.2. Novelty and scientific significance
• 1.3. Overview of the research
• 1.4. Objectives 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. Tổng Quan Nghiên Cứu Tương Tác Phân Tử và Ứng Dụng

Nghiên cứu tương tác phân tử giữa các phân tử hữu cơ chức năng và các phân tử nhỏ như CO2 và H2O là một lĩnh vực quan trọng trong hóa học lượng tử. Sự hiểu biết sâu sắc về các tương tác này có ý nghĩa lớn trong nhiều lĩnh vực, từ lưu trữ CO2 đến catalysis và phát triển vật liệu hấp phụ mới. Các phương pháp hóa học lượng tử, đặc biệt là lý thuyết hàm mật độ (DFT) và các phương pháp tính toán ab initio, đóng vai trò then chốt trong việc mô tả và dự đoán các tính chất của các hệ phân tử này. Nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá bản chất và độ bền của các phức hợp hình thành giữa các phân tử hữu cơ chức năng và CO2, H2O, sử dụng các phương pháp tính toán tiên tiến. Mục tiêu là cung cấp một cái nhìn chi tiết về các tương tác yếu, như liên kết hydro và tương tác van der Waals, ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của các phức hợp này.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tương tác CO2 và H2O

Nồng độ CO2 tăng cao trong khí quyển là một vấn đề cấp bách toàn cầu. Nghiên cứu về tương tác giữa CO2 và các phân tử hữu cơ chức năng có thể mở ra các giải pháp mới cho việc hấp phụ CO2 và chuyển hóa CO2. Sự hiện diện của H2O cũng đóng một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình hóa học và sinh học, và việc hiểu rõ tương tác giữa H2O và các phân tử hữu cơ là rất cần thiết. Nghiên cứu này cung cấp thông tin chi tiết về các tương tác này, giúp phát triển các công nghệ mới để giảm thiểu tác động của CO2 đến môi trường.

1.2. Ứng dụng của hóa học lượng tử trong nghiên cứu phân tử

Hóa học lượng tử cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu các hệ phân tử ở cấp độ nguyên tử và phân tử. Các phương pháp như DFT và tính toán ab initio cho phép chúng ta mô phỏng và dự đoán các tính chất của các phân tử và tương tác giữa chúng. Các phần mềm như Gaussian, VASP, và ORCA được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực này để thực hiện các mô phỏng hóa học phức tạp. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp hóa học lượng tử để khám phá bản chất của các tương tác giữa phân tử hữu cơ chức năng, CO2, và H2O.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Ổn Định Phân Tử và Tương Tác

Nghiên cứu ổn định phân tử và tương tác phân tử giữa các phân tử hữu cơ chức năng và CO2, H2O đối mặt với nhiều thách thức. Việc mô tả chính xác các tương tác yếu, như liên kết hydro và tương tác van der Waals, đòi hỏi các phương pháp tính toán tiên tiến và các bộ cơ sở lớn. Sai số chồng chập cơ sở (BSSE) là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết trong các tính toán ab initio. Ngoài ra, việc xác định cấu trúc năng lượng thấp nhất của các phức hợp phân tử có thể là một nhiệm vụ khó khăn, đặc biệt đối với các hệ lớn và phức tạp. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại và các kỹ thuật hiệu chỉnh sai số để vượt qua những thách thức này và cung cấp các kết quả chính xác và đáng tin cậy.

2.1. Vấn đề sai số chồng chập cơ sở BSSE trong tính toán

Sai số chồng chập cơ sở (BSSE) là một vấn đề phổ biến trong các tính toán ab initio về tương tác phân tử. BSSE phát sinh do việc sử dụng các bộ cơ sở hữu hạn, dẫn đến việc các phân tử trong phức hợp sử dụng các hàm cơ sở của các phân tử lân cận để mô tả điện tích của chúng. Điều này dẫn đến việc đánh giá quá cao độ bền của phức hợp. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp hiệu chỉnh BSSE để giảm thiểu ảnh hưởng của sai số này và cung cấp các kết quả chính xác hơn.

2.2. Khó khăn trong mô tả tương tác yếu giữa các phân tử

Các tương tác yếu, như liên kết hydro và tương tác van der Waals, đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc và tính chất của các phức hợp phân tử. Tuy nhiên, việc mô tả chính xác các tương tác này là một thách thức đối với các phương pháp tính toán. Các phương pháp DFT thường gặp khó khăn trong việc mô tả tương tác van der Waals, và các phương pháp tính toán ab initio đòi hỏi các bộ cơ sở lớn và các phương pháp tương quan điện tử cao cấp để đạt được độ chính xác cao. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp tính toán tiên tiến và các bộ cơ sở lớn để mô tả chính xác các tương tác yếu giữa các phân tử hữu cơ chức năng, CO2, và H2O.

III. Phương Pháp Hóa Học Lượng Tử Nghiên Cứu Tương Tác

Nghiên cứu này sử dụng một loạt các phương pháp hóa học lượng tử để khám phá tương tác giữa các phân tử hữu cơ chức năng và CO2, H2O. Các phương pháp tính toán ab initio, như phương pháp Hartree-Fock và phương pháp Moller-Plesset bậc hai (MP2), được sử dụng để tính toán cấu trúc điện tử và năng lượng của các phân tử và phức hợp. Lý thuyết hàm mật độ (DFT), với các hàm trao đổi tương quan khác nhau, cũng được sử dụng để mô tả các tương tác này. Ngoài ra, phân tích quỹ đạo liên kết tự nhiên (NBO) và lý thuyết nguyên tử trong phân tử (AIM) được sử dụng để phân tích bản chất của các tương tác và xác định các đặc điểm liên kết quan trọng.

3.1. Ứng dụng lý thuyết hàm mật độ DFT trong nghiên cứu

Lý thuyết hàm mật độ (DFT) là một phương pháp hóa học lượng tử phổ biến được sử dụng để tính toán cấu trúc điện tử và năng lượng của các phân tử và vật liệu. DFT dựa trên nguyên lý rằng tất cả các tính chất của một hệ thống có thể được xác định từ mật độ điện tử của nó. DFT là một phương pháp tính toán hiệu quả và chính xác, và nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của hóa học và vật lý. Nghiên cứu này sử dụng DFT để mô tả các tương tác giữa phân tử hữu cơ chức năng, CO2, và H2O.

3.2. Phân tích NBO và AIM để hiểu rõ tương tác phân tử

Phân tích quỹ đạo liên kết tự nhiên (NBO) và lý thuyết nguyên tử trong phân tử (AIM) là hai công cụ mạnh mẽ để phân tích bản chất của các tương tác hóa học. NBO cung cấp một mô tả về liên kết hóa học dựa trên các quỹ đạo liên kết và phản liên kết tự nhiên. AIM phân tích mật độ điện tử của một phân tử để xác định các điểm tới hạn liên kết (BCP) và các tính chất liên kết khác. Nghiên cứu này sử dụng NBO và AIM để phân tích bản chất của các tương tác giữa phân tử hữu cơ chức năng, CO2, và H2O và xác định các đặc điểm liên kết quan trọng.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Tương Tác DMSO với CO2 và H2O

Nghiên cứu đã khám phá tương tác giữa dimethyl sulfoxide (DMSO) và CO2, H2O bằng các phương pháp hóa học lượng tử. Kết quả cho thấy DMSO có thể hình thành các phức hợp ổn định với CO2 và H2O, và độ bền của các phức hợp này phụ thuộc vào số lượng phân tử CO2 và H2O tương tác với DMSO. Phân tích AIM cho thấy sự hình thành các liên kết hydro và tương tác van der Waals giữa DMSO và CO2, H2O. Phân tích NBO cho thấy sự chuyển điện tích từ DMSO sang CO2 và H2O, góp phần vào độ bền của các phức hợp.

4.1. Cấu trúc và độ bền của phức hợp DMSO CO2 H2O

Nghiên cứu đã xác định cấu trúc và độ bền của các phức hợp hình thành giữa DMSO, CO2, và H2O. Kết quả cho thấy DMSO có thể tương tác với một hoặc nhiều phân tử CO2 và H2O, và độ bền của các phức hợp này tăng lên khi số lượng phân tử CO2 và H2O tăng lên. Các phức hợp chứa cả CO2 và H2O thường bền hơn so với các phức hợp chỉ chứa CO2 hoặc H2O, cho thấy sự hợp tác giữa các tương tác.

4.2. Phân tích liên kết hydro và tương tác van der Waals

Phân tích AIM đã xác định sự hình thành các liên kết hydro và tương tác van der Waals giữa DMSO và CO2, H2O. Các liên kết hydro hình thành giữa các nguyên tử hydro của H2O và các nguyên tử oxy của DMSO và CO2. Tương tác van der Waals hình thành giữa các nguyên tử carbon và oxy của DMSO và CO2. Các tương tác này đóng một vai trò quan trọng trong việc ổn định các phức hợp.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Hấp Phụ và Chuyển Hóa CO2 Hiệu Quả

Nghiên cứu này có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực hấp phụ CO2 và chuyển hóa CO2. Sự hiểu biết về tương tác giữa các phân tử hữu cơ chức năng và CO2 có thể giúp phát triển các vật liệu hấp phụ mới và hiệu quả hơn. Ngoài ra, nghiên cứu này có thể cung cấp thông tin chi tiết về các cơ chế phản ứng liên quan đến chuyển hóa CO2, giúp phát triển các chất xúc tác mới và hiệu quả hơn. Các kết quả của nghiên cứu này có thể đóng góp vào việc giảm thiểu tác động của CO2 đến môi trường và phát triển các công nghệ bền vững.

5.1. Phát triển vật liệu hấp phụ CO2 dựa trên tương tác phân tử

Sự hiểu biết về tương tác giữa các phân tử hữu cơ chức năng và CO2 có thể được sử dụng để thiết kế và phát triển các vật liệu hấp phụ CO2 mới. Các vật liệu này có thể được sử dụng để loại bỏ CO2 từ khí thải công nghiệp và khí quyển. Bằng cách tối ưu hóa tương tác giữa vật liệu và CO2, chúng ta có thể tạo ra các vật liệu hấp phụ hiệu quả hơn và bền vững hơn.

5.2. Nghiên cứu cơ chế phản ứng chuyển hóa CO2

Nghiên cứu này có thể cung cấp thông tin chi tiết về các cơ chế phản ứng liên quan đến chuyển hóa CO2. Chuyển hóa CO2 là một quá trình quan trọng để biến CO2 thành các sản phẩm có giá trị, như nhiên liệu và hóa chất. Bằng cách hiểu rõ các bước của phản ứng và vai trò của các chất xúc tác, chúng ta có thể phát triển các chất xúc tác mới và hiệu quả hơn để chuyển hóa CO2.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về CO2 H2O

Nghiên cứu này đã cung cấp một cái nhìn sâu sắc về tương tác giữa các phân tử hữu cơ chức năng và CO2, H2O bằng các phương pháp hóa học lượng tử. Kết quả cho thấy các tương tác này đóng một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình hóa học và sinh học, và sự hiểu biết về các tương tác này có thể giúp phát triển các công nghệ mới để giảm thiểu tác động của CO2 đến môi trường. Các hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc khám phá các phân tử hữu cơ chức năng mới có khả năng tương tác mạnh mẽ với CO2 và H2O, và phát triển các vật liệu hấp phụ và chất xúc tác mới dựa trên các tương tác này.

6.1. Khám phá các phân tử hữu cơ chức năng mới

Nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc khám phá các phân tử hữu cơ chức năng mới có khả năng tương tác mạnh mẽ với CO2 và H2O. Các phân tử này có thể được sử dụng để phát triển các vật liệu hấp phụ và chất xúc tác mới. Bằng cách sử dụng các phương pháp hóa học lượng tử và các kỹ thuật sàng lọc ảo, chúng ta có thể xác định các phân tử tiềm năng và nghiên cứu tương tác của chúng với CO2 và H2O.

6.2. Phát triển vật liệu và chất xúc tác mới cho CO2

Nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu hấp phụ và chất xúc tác mới dựa trên tương tác giữa các phân tử hữu cơ chức năng và CO2, H2O. Các vật liệu và chất xúc tác này có thể được sử dụng để loại bỏ CO2 từ khí thải công nghiệp và khí quyển, và để chuyển hóa CO2 thành các sản phẩm có giá trị. Bằng cách kết hợp các phương pháp hóa học lượng tử và các kỹ thuật tổng hợp vật liệu, chúng ta có thể tạo ra các vật liệu và chất xúc tác hiệu quả hơn và bền vững hơn.