Khóa luận tốt nghiệp hóa học ứng dụng tin học trong hoá học sử dụng phần mềm gaussian 98 khảo sát phản ứng ngưng tụ dime hoá propanal

Khóa luận trình bày ứng dụng phần mềm Gaussian 98 trong khảo sát phản ứng ngưng tụ dime hóa propanal, mang lại hiểu biết sâu sắc về hóa học.

• Tác giả: Phan Trần Diệp Hương
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Ngân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Học Chuyên Ngành Hóa Lý
• Đề tài: Ứng Dụng Tin Học Trong Hóa Học: Nghiên Cứu Sử Dụng Phần Mềm Gaussian 98
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: BỘ HAM CƠ BẢN
• 1.1. THUYẾT OBITAN PHAN TỬ (MO)
• 1.2. CÁC BỘ HAM NGUYÊN TỬ CƠ BẢN CỦA GAUSSIAN
• 1.2.1. Bộ hàm cơ bản tối thiểu (Minimal Basis Sets)
• 1.2.2. Bộ tối thiểu STO — KG và bộ STO - 3G
• 1.2.3. Bộ cơ bản phân tách hóa trị (Split Valence Basis Sets)
• 1.2.4. Bộ cơ bản phân cực (Polarized Basis Sets)
• 1.2.5. Bộ cơ bản chứa hàm khuếch tán (Diffuse Functions)
• 1.2.6. Bộ cơ bản động lượng góc cao (High Angular Momentum Basis Sets)
• 2. CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT HÀM MẬT ĐỘ
• 2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP KẾT ĐẾN TƯƠNG TÁC ELECTRON-ELECTRON (Electron Correlation Methods)
• 2.1.1. SỰ TƯƠNG TÁC CẤU HÌNH ELECTRON (CI - Configuration Interaction)
• 2.1.2. PHƯƠNG PHÁP CI HOÀN CHỈNH (Full CI)
• 2.1.3. PHƯƠNG PHÁP GIỚI HẠN
• 2.2. LÝ THUYẾT HÀM MẬT ĐỘ (Density Functional Theory - DFT)
• 2.2.1. Lý thuyết Thomas - Fermi - Dirac
• 2.2.2. Phương pháp Kohn — Sham (KS)
• 2.2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH GẦN DÚNG
• 2.2.3.1. Phương pháp mật độ bộ phận (Local Density Methods)
• 2.2.3.2. Phương pháp hiệu chỉnh Gradient (Gradient Corrected Methods)
• 2.2.4. Phương pháp hàm lai hóa (Hybrid Functionals)
• 3. CHƯƠNG III: TRẠNG THÁI CHUYỂN TIẾP — DUNG MÔI
• 4. CHƯƠNG IV: PHẢN ỨNG ALDOL HÓA
• 4.1. SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG ALDOL HÓA
• 4.2. Đặc điểm cấu trúc của nhóm cacbonyl
• 4.3. Giai đoạn tách H (hình thành enol hay enolat)
• 4.4. Giai đoạn phản ứng của enol hay enolat với nhóm cacbonyl
• 4.5. Giai đoạn chuyển proton (thông qua dung môi)
• 4.6. PHẢN ỨNG NGƯNG TỤ DIME HÓA PROPANAL VỚI XÚC TÁC L - Co
• 5. PHẦN II: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 6. CHƯƠNG I: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
• 7. CHƯƠNG II: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN
• 7.1. GIẢI THÍCH QUA TRÌNH PHẢN ỨNG ALDOL HÓA - SỰ CHUYỂN ĐỔI NN BE
• 7.2. SO SÁNH TỶ LỆ SẢN PHẨM DẠNG SYN VÀ ANTI
• 7.3. VỀ MẶT NHIỆT ĐỘNG HỌC
• 8. CHƯƠNG III: KẾT LUẬN - ĐỀ XUẤT
• 8.1. KẾT LUẬN
• 8.2. ĐỀ XUẤT
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Tin Học Trong Hóa Học

Ứng dụng tin học trong hóa học đã trở thành một phần không thể thiếu trong nghiên cứu và phát triển. Phần mềm Gaussian 98 là một trong những công cụ mạnh mẽ giúp các nhà hóa học mô phỏng và tính toán các phản ứng hóa học phức tạp. Việc sử dụng phần mềm này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong các dự đoán về cấu trúc và tính chất của phân tử.

1.1. Khái Niệm Về Phần Mềm Gaussian 98

Gaussian 98 là phần mềm tính toán hóa lượng tử, cho phép mô phỏng các phản ứng hóa học và tính toán các thông số liên quan đến cấu trúc phân tử.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Tin Học Trong Hóa Học

Việc ứng dụng tin học giúp tăng cường khả năng phân tích dữ liệu hóa học, từ đó đưa ra những kết luận chính xác hơn về các phản ứng hóa học.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Hóa Học Với Phần Mềm Gaussian 98

Mặc dù phần mềm Gaussian 98 mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình sử dụng. Các nhà nghiên cứu cần phải có kiến thức vững về lý thuyết hóa học và kỹ năng sử dụng phần mềm để đạt được kết quả tốt nhất.

2.1. Khó Khăn Trong Việc Chọn Bộ Hàm Cơ Bản

Việc lựa chọn bộ hàm cơ bản phù hợp là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả tính toán.

2.2. Độ Phức Tạp Trong Phân Tích Dữ Liệu

Phân tích dữ liệu từ Gaussian 98 có thể trở nên phức tạp, đòi hỏi người dùng phải có khả năng diễn giải kết quả một cách chính xác.

III. Phương Pháp Tính Toán Hóa Học Với Gaussian 98

Gaussian 98 sử dụng nhiều phương pháp tính toán khác nhau để mô phỏng các phản ứng hóa học. Các phương pháp này bao gồm lý thuyết Hartree-Fock, lý thuyết mật độ, và nhiều phương pháp khác.

3.1. Lý Thuyết Hartree Fock

Phương pháp Hartree-Fock là một trong những phương pháp cơ bản nhất trong hóa học lượng tử, giúp tính toán cấu trúc và năng lượng của phân tử.

3.2. Lý Thuyết Mật Độ DFT

Lý thuyết mật độ là một phương pháp mạnh mẽ, cho phép tính toán các tính chất của hệ thống nhiều electron một cách hiệu quả.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Gaussian 98 Trong Nghiên Cứu Hóa Học

Phần mềm Gaussian 98 đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hóa học, từ nghiên cứu cơ bản đến phát triển sản phẩm mới. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phần mềm này để khảo sát nhiều phản ứng hóa học khác nhau.

4.1. Nghiên Cứu Phản Ứng Aldol Hóa

Nghiên cứu phản ứng aldol hóa cho thấy khả năng mô phỏng chính xác của Gaussian 98 trong việc dự đoán sản phẩm và cơ chế phản ứng.

4.2. Tính Toán Tính Chất Vật Lý Của Phân Tử

Gaussian 98 cũng được sử dụng để tính toán các tính chất vật lý như năng lượng liên kết, độ phân cực và các thông số khác của phân tử.

V. Kết Luận Về Ứng Dụng Tin Học Trong Hóa Học

Ứng dụng tin học trong hóa học, đặc biệt là thông qua phần mềm Gaussian 98, đã mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển. Tương lai của hóa học sẽ ngày càng phụ thuộc vào khả năng sử dụng công nghệ thông tin để giải quyết các vấn đề phức tạp.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Hóa Học

Sự phát triển của công nghệ thông tin sẽ tiếp tục thúc đẩy nghiên cứu hóa học, giúp các nhà khoa học có thể khám phá những điều chưa biết.

5.2. Khuyến Khích Ứng Dụng Công Nghệ Mới

Việc khuyến khích sử dụng các phần mềm tính toán hiện đại như Gaussian 98 sẽ giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực hóa học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Vấn dé cơ chế phản ứng hóa học, nhất là đối với hóa học hữu cơ luôn luôn gây nhiều tranh luận giữa các nhà nghiên cứu. Để chứng minh một phản ứng hóa học có thể đi theo con đường nào, trải qua các giai đoạn nào, cần phải có lập luận hết sức chặt chẽ và phải căn cứ trên kết quả thực nghiệm cụ thể. Chẳng hạn : đối với phan ứng aldol hóa có mặt xúc tác baz, sau giai đoạn tách nguyên tử H ở vị trí C„ , sẽ tạo thành sản phẩm trung gian là cacbanion hay enolat. Đó vẫn còn là diéu chưa được thống nhất trong các tài liệu viết vé phản ứng aldol hóa.

Chính vì vậy, ở phạm vi để tài, dựa trên phần mém Gaussian 98 — một phần mềm tính toán hóa lượng tử được xem là ưu việt - chúng tôi khảo sát phan ứng ngưng tụ dime hóa propanal, một loại phản ứng cộng aldol xảy ra giữa hai andehit giống hệt nhau. Thông qua phản ứng này, chúng tôi sẽ rút ra một số kết luận có ý nghĩa về cơ chế phản ứng aldol hóa, về ảnh hưởng của dung môi đến tỷ lệ sản phẩm và đến tốc độ phan ứng. Déng thời cũng giúp khẳng định được khả năng ứng dụng lớn của Gaussian trong nghiên cứu hóa học, vì nó cho kết quả tính toán phù hợp với thực nghiệm và có độ chính xác cao. SVTH: Phan Trần Diệp Hương Trang 1 Luận văn tốt nghiệ GVHD : Th.S NGUYEN VĂN NGÂN PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT SVTH : Phan Trần Điệp Hương Trang 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.§ NGUYEN VĂN NGÂN CHUONG I: BỘ HAM CƠ BẢN I.

THUYẾT OBITAN PHAN TỬ (MO) : Thuyết obitan phân tử là một phương pháp cơ lượng tử. Nó dùng các hàm một electron (hay các obitan) để xây dựng ham sóng [5]. Khái niệm hàm sóng : Mỗi một trạng thái của một hạt (hay một hệ hat) vi mô được đặc trưng bằng một hàm xác định, được gọi là hàm sóng hay hàm trạng thái. VỀ nguyên tắc, mọi thông tin về hệ vi mô có thể thu được từ hàm sóng mô tả trạng thái của hệ.

Đối với hệ cô lập, hàm sóng là một hàm của các tọa độ \(x,y,z) hay t/(r,Ø,@) (tức là hàm theo không gian của hệ thống) Một obitan phân tử được biểu diễn bằng w(x,y,z) — là một ham theo tọa độ x,y,z của một electron. Bình phương của hàm sóng w’ (hoặc bình phương modun của hàm sóng : |ự |? =. `, nếu y là hàm phức) gọi là mật độ xác suất - nó biểu thị xác suất có mặt của electron trong không gian. Để mô tả sự phân bố electron một cách đẩy đủ hơn, người ta thêm vào hàm sóng một đại lượng phụ thuộc vào số lượng tử spin của electron.

Các electron có thể có spin hướng lên (+1/2) hoặc spin hướng xuống (-1/2). Số lượng tử spin có thể nhận 2 giá trị : #1⁄2, nó biểu thị thành phần động lượng góc quay đọc theo trục z. Sau đây là định nghĩa 2 hàm theo spin: eVới spin phân bố theo chiéu dương trục z, ta có ham sóng œ(š) nên : a(+1/2) =l , a (-1/⁄2)=0 e Với spin phân bố theo chiéu âm trục z, ta có hàm sóng (š) nên: 8 (+1⁄2) =0, B (-1⁄2) = I Như vậy, một hàm sóng hoàn chỉnh cho một clectron chính là sự kết hợp một hàm obitan phân tử với một hàm theo spin, cụ thể là : (x,y,z). Nó được gọi là một hàm obitan Spin x (x,y,z„Š).

Từ đó, dẫn đến : hàm sóng đơn giản nhất mô tả một hệ có n electron được biểu diễn như sau : =x¡Œ).x s(n) (1) SVTH: Phan Trần Diệp Hương Trang 3 Luận văn tốt nghiệ GVHD: Th.S NGUYEN VĂN NGÂN Với : z, (i) chính là hàm đây đủ x | (x;. Z4, & )- hay là hàm obitan spin của electron i, Tuy nhiên, hàm sóng như vậy không được chấp nhận, vì nó không có tính chất phản đối xứng (trong khi điều kiện của hàm sóng là phải phản đối xứng) Để đảm bảo các hàm y có tính chất phản đối xứng : người ta chuyển w thành một định thức : MW) z:(0). Hàm sóng định thức này có tính chất phản đối xứng, vì khi ta hoán vị tọa độ của electron i và j sẽ cho kết quả là 2 hàng i và j đổi chỗ nhau; chính điều này làm đổi dấu hàm sóng. Mở rộng : định thức này sẽ là tổng của các hàm y theo (1) : W aja ø«ố= 3 (—l? p(x, 0.24 (2)--%,(n)] (3) L2 Với : p là toán tử hoán vị.

(-1)? là +1 hoặc -1, ứng với số hoán vị chin hoặc lẻ. (3) được gọi là hàm phản đối xứng kết quả. Để xây dựng một hàm sóng dạng định thức, đầu tiên người ta chọn một bộ các hàm obitan phân tử : wy, Wo. và sau đó phân bố electron (có spin a hay B) vào các obitan này, Đồng thời mỗi obitan ứng với | mức năng lượng xác định.

Do đó ta thu được giản đổ năng lượng (biểu diễn cấu hình electron) : Wa Cấu hình electron như sau : Ws V2 (0Ø) (YB) (ự; œ) (ự; B) (ys œ) Wi SVTH : Phan Trần Diệp Hương Trang 4 Luận văn tốt nghiệ GVHD: Th.S NGUYEN VĂN NGÂN Với nhiễu phân tử có một số chin electron ở trạng thái cơ bản (mức năng lượng thấp nhất) : khi đó các obitan đều được điển đầy hoặc trống; và các obitan phân tử đó được mô tả bằng hàm sóng cho lớp đóng (closed-shell wavefunctions) € Ngoài ra, ta xét thêm một số tính chất khác của hàm sóng : e Tính trực giao : S, = fy, y, dx dy dz =0 e Tính chuẩn hóa : Si = Jy ự, dx dy dz =l :xác suất tìm thấy electron trong không gian luôn bằng I. ® Cuối cùng, người ta đã xây dựng được một hàm sóng obitan phân tử tổng quát (hàm lớp đóng) cho hệ có n (chấn) electron (điển đẩy vào n/ 2 obitan) : wila@dl) wị()0() +) aL). MỞ RONG BO HAM CO BAN: Ở trên, chúng ta đã mô tả hàm sóng cho hệ nhiều electron bằng một định thức đơn. Nhưng khi áp dụng lý thuyết trên vào thực tế, người ta thấy rằng : những obitan phân tử đơn lẻ cẩn phải được mô tả bằng sự tổ hợp tuyến tính một bộ giới hạn các hàm | electron đã qui định trước (hay là hàm cơ bản).

Như vậy, một hàm wy, được biểu diễn như sau : N ¥; => lu lụ (5) Với: cy): là hệ số obitan phân tử mở rộng 1 ($ ¡, $2, O 3.046) : là các hàm cơ bản SVTH: Phan Trần Diệp Hương Trang 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S NGUYEN VĂN NGÂN * Theo thuyết tổ hợp tuyến tính các obitan nguyên tử (LCAO - Linear Combination of Atomic Orbital) - 1 thuyết ở mức độ đơn giản : các hàm cơ bản ở đây chính là các hàm obitan nguyên tử. Tuy nhiên, có thể áp dụng các phương pháp toán học để thiết lập một bộ cơ bản mở rộng bằng cách dùng một bộ hàm thích hợp, xác định nào đó. Để thiết lập một bộ hàm cơ bản sử dụng cho tính toán lý thuyết và phù hợp với bất kỳ cấu trúc hạt nhân nào, người ta phải định nghĩa | bộ đặc biệt các hàm cơ bản cho mỗi hạt nhân, chỉ phụ thuộc vào điện tích của hạt nhân đó. Các hàm đó có thể có tính chất đối xứng của obitan nguyên tử, có thể phân loại theo các kiểu hầm : s,p,d,f,.

% Sau đây là 3 kiểu hàm cơ bản được áp dụng rộng rãi : hàm obitan nguyên tử kiểu Slater, hàm theo gaussian, và hàm do tổ hợp tuyến tính các ham gaussian, © Ham obitan nguyên từ kiểu Slater (STOs) : được gọi tên theo các obitan nguyên tử : Is, 2s, 2p, „. Trong đó : C; và 6; là các hệ số chỉ kích thước của các obitan. Như vậy, STOs đã cung cấp những biểu diễn toán học cho các obitan nguyên tử với giá trị chuẩn của Slater (6). Tuy nhiên, kiểu hàm này còn nhiều hạn chế trong tính toán thực tế.

SVTH : Phan Trần Điệp Hương Trang 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD : Th.S NGUYEN VĂN NGÂN © Kiểu ham cơ bản thứ hai bao gầm các hàm theo gaussian : g, (ar) = (#) exp(=ar“) v4 | 5 2 xp(~ar“) & (Œ,r)= —— xe 1⁄4 yzexp(~ar?) (7) Như vậy, trong biểu thức các hàm theo gaussian này có chứa tích lần lượt của x, y, z với exp(-œr ?). Với : œ là hằng số chỉ kích thước (hay phạm vi xuyên tâm) của hàm. SVTH : Phan Trần Điệp Hương Trang 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD : Th.S NGUYEN VĂN NGÂN Các hàm gaussian gy, gx, Øy, £; có tính chất đối xứng góc của các hàm obitan nguyên tử sau : | hàm kiểu s và 3 hàm kiểu p. Chúng được gọi là hàm bậc không (g,) và hàm bậc nhất (g,, gy.

Các hàm bậc hai : Sex. Zyys Bre Bays Bars Ey; : không có tính chất đối xứng góc của các obitan nguyên tử. Tuy nhiên, các hàm bậc hai có thể kết hợp với nhau để tạo thành 1 bộ gồm 5 hàm obitan nguyên tử kiểu d - đó là 3 ham: gy, Bass Bye và 2 hàm sau: 1 (2827 —#xv ~#ywy) Š3zz_rr 2 l (8) #xr-yy “|5 ] (Sxx ~#yy) 312 Đồng thời, sự tổ hợp tuyến tính các hàm bậc 6 sẽ tạo thành | hàm kiểu s : 8rr =5 2(gxx + 8y +822) (9) Tương tự, 10 ham gaussian bậc 3 có thể kết hợp với nhau tạo thành | bộ 7 hàm kiểu f và 1 bộ 3 hàm p. © Kiểu bộ hàm cơ bản thứ ba : được hình thành từ sự tổ hợp tuyến tính các hàm gaussian, Ví dụ : 1 hàm cơ bản 6, kiểu s có thể được mở rộng từ các hàm gaussian kiểu s : đu =Fdus8s (10) Với d „, là các hệ số xác định.

Hàm cơ bản theo kiểu ó„ được gọi là hàm rút gọn; còn các hàm g, đơn lẻ được gọi là hàm gốc gaussian. CÁC BO HAM NGUYÊN TỬ CƠ BAN CUA GAUSSIAN : Ở trên, theo phương pháp Hatree-Fock (HF) : hàm obitan phân tử được tạo nên từ sự tổ hợp tuyến tính N hàm cơ bản $6, (j= 1,2,.N) N só, có thể chính là hàm gốc gaussian : đụ = 8 y(@,r) = NX exp(-ar?) (12) SVTH: Phan Trần Diệp Hương Trang 8 Luận văn tốt nghiệ GVHD: Th.S NGUYEN VĂN NGÂN lúc này 6, được gọi là ham không rút gọn. s hoặc é, có thể là 1 tổ hợp tuyến tính của chính các hàm gaussian này : Ou = Fy Bla) (13) lúc này 6, được gọi là ham rút gọn.