Ứng Dụng Tin Học Trong Nghiên Cứu Hóa Học: Hiệu Ứng Anome

Luận văn tốt nghiệp hóa học nghiên cứu tốt nghiệp hóa học sử dụng phần mềm gaussian 98 khảo sát hiệu ứng anome ứng dụng tin học trong hóa, điều tra thực trạng, phân tích số liệu,

• Tác giả: TRAN ĐỨC THANH
• Người hướng dẫn: Th.S Trần Văn Khoa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Học Chuyên Ngành Hóa Lý
• Đề tài: Hiệu Ứng Anome Trong Dẫn Xuất Vòng Tetrahidropyran
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. HOÁ TÍNH TOÁN
• 1.1.1. Chương 1: PHƯƠNG PHÁP HARTREE FOCK
• 1.1.2. Chương 2: Mô hình trường phản ứng tự hợp SCRF và mẫu dung môi PCM
• 1.2. HOÁ HỮU CƠ
• 1.2.1. Chương 1: CẤU DẠNG CỦA MỘT SỐ HYĐROCACBON ĐƠN GIẢN
• 1.2.1.1. I. Hiđrocacbon no mạch hở
• 1.2.1.2. Cấu dạng của một số hợp chất vòng
• 1.2.1.2.1. Cấu dạng ghế
• 1.2.1.2.2. Cấu dạng thuyền
• 1.2.1.2.3. Các dẫn xuất của xyclohexan
• 1.2.1.2.3.1. Xyclohexan với 1 nhóm thế
• 1.2.1.2.3.2. Xyclohexanol, halogenxyclohexyl
• 1.2.1.2.3.3. Xyclohexan 2 nhóm thế
• 1.2.1.2.3.4. Xyclohexandiol
• 1.2.2. Chương 2: HIỆU ỨNG ELECTRON
• 1.2.2.1. I. Hiệu ứng cảm ứng (Inductive Effect)
• 1.2.2.2. II. Hiệu ứng liên hợp (Conjugate effect)
• 1.2.2.3. III. Hiệu ứng siêu liên hợp (H)
• 1.2.2.4. Hiệu ứng anome (anomeric effect)
• 1.2.2.4.1. Trường hợp R-Z-C-X
• 1.2.2.4.2. Hiệu ứng anome trong dẫn xuất vòng tetrahidropyran (THP)
• 1.2.2.4.3. Hiệu ứng anome trong nhóm cacboxyl và cacbonyl
• 1.2.2.4.4. Ảnh hưởng của dung môi đến hiệu ứng anome
• 2. PHẦN II: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 2.1. Chương 1: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.2. Chương 2: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.2.1. I. Dẫn xuất vòng xyclohexan
• 2.2.2. II. Dẫn xuất vòng Tetrahidropyran
• 2.2.2.1. Dẫn xuất vòng Tetrahidropyran với nhóm thế halogen
• 2.2.2.2. Khảo sát phân tử 2-hidroxi-tetrahidropyran
• 2.2.2.3. Khảo sát phân tử 2-amino-tetrahidropyran
• 2.2.2.4. Khảo sát phân tử 2-metoxy-tetrahidropyran
• 2.2.2.5. Một số dẫn xuất khác của Tetrahidropyran
• 2.2.2.6. Ảnh hưởng của dung môi đối với hiệu ứng anome
• 3. CHƯƠNG III: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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

Ứng dụng tin học trong hóa học đã trở thành một phần không thể thiếu trong nghiên cứu hiện đại. Việc sử dụng phần mềm tính toán hóa học giúp các nhà nghiên cứu có thể mô phỏng và dự đoán các phản ứng hóa học một cách chính xác. Đặc biệt, hiệu ứng anome trong dẫn xuất vòng tetrahidropyran là một lĩnh vực nghiên cứu thú vị, mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các phương pháp mới trong hóa học lý thuyết.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Ứng Dụng Tin Học Trong Hóa Học

Lịch sử ứng dụng tin học trong hóa học bắt đầu từ những năm 1970 với sự phát triển của các phần mềm tính toán đầu tiên. Những phần mềm này đã giúp các nhà hóa học có thể mô phỏng các phản ứng hóa học phức tạp và dự đoán cấu trúc phân tử.

1.2. Vai Trò Của Tin Học Trong Nghiên Cứu Hóa Học Hiện Đại

Tin học đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích dữ liệu hóa học. Các phần mềm như Gaussian 98 cho phép tính toán các thông số hóa học, từ đó giúp xác định cấu trúc và tính chất của các phân tử.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Hiệu Ứng Anome

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong việc nghiên cứu hiệu ứng anome, vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Một trong những vấn đề chính là việc xác định chính xác các trạng thái bền của các dẫn xuất vòng tetrahidropyran. Các yếu tố như cấu trúc phân tử và ảnh hưởng của dung môi có thể làm thay đổi kết quả nghiên cứu.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Ứng Anome

Hiệu ứng anome có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cấu trúc của nhóm thế và môi trường xung quanh. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để có thể dự đoán chính xác các phản ứng hóa học.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Mô Phỏng Các Phản Ứng Hóa Học

Mô phỏng các phản ứng hóa học phức tạp như hiệu ứng anome trong dẫn xuất vòng tetrahidropyran đòi hỏi các phương pháp tính toán chính xác. Tuy nhiên, việc này thường gặp khó khăn do sự phức tạp của các tương tác giữa các phân tử.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hiệu Ứng Anome

Để nghiên cứu hiệu ứng anome, các nhà khoa học thường sử dụng các phương pháp tính toán hóa học hiện đại. Phương pháp Hartree-Fock và mô hình trường phản ứng tự hợp SCRF là hai trong số những phương pháp phổ biến nhất. Những phương pháp này giúp xác định cấu trúc và tính chất của các phân tử một cách chính xác.

3.1. Phương Pháp Hartree Fock Trong Nghiên Cứu Hóa Học

Phương pháp Hartree-Fock là một trong những phương pháp tính toán cơ bản trong hóa học lý thuyết. Nó giúp dự đoán cấu trúc và tính chất của các phân tử bằng cách giải quyết phương trình Schrödinger cho hệ thống nhiều electron.

3.2. Mô Hình SCRF Và Ứng Dụng Của Nó

Mô hình SCRF (Self-Consistent Reaction Field) cho phép tính toán hiệu ứng dung môi trong các phản ứng hóa học. Mô hình này giúp mô phỏng chính xác hơn các điều kiện thực tế mà các phân tử phải đối mặt trong dung dịch.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Ứng Anome Trong Dẫn Xuất Vòng Tetrahidropyran

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu ứng anome có ảnh hưởng lớn đến tính chất của các dẫn xuất vòng tetrahidropyran. Các nhóm thế khác nhau như halogen, hydroxyl và amino đều có tác động khác nhau đến cấu trúc và tính bền của các phân tử này.

4.1. Ảnh Hưởng Của Nhóm Thế Đến Hiệu Ứng Anome

Các nhóm thế như halogen và hydroxyl có thể làm tăng tính bền của dạng anome, trong khi nhóm amino lại có tác động ngược lại. Việc hiểu rõ các ảnh hưởng này là rất quan trọng trong việc thiết kế các phân tử mới.

4.2. Kết Quả Tính Toán So Với Thực Nghiệm

Kết quả tính toán từ phần mềm Gaussian 98 cho thấy sự phù hợp cao với các kết quả thực nghiệm. Điều này khẳng định khả năng ứng dụng của phần mềm trong nghiên cứu hóa học, đặc biệt là trong việc phân tích hiệu ứng anome.

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

Ứng dụng tin học trong hóa học không chỉ giúp nâng cao hiệu quả nghiên cứu mà còn mở ra nhiều hướng đi mới cho các nhà khoa học. Hiệu ứng anome trong dẫn xuất vòng tetrahidropyran là một ví dụ điển hình cho việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại trong nghiên cứu hóa học.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Hiệu Ứng Anome

Nghiên cứu về hiệu ứng anome sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của các công nghệ tính toán tiên tiến. Điều này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều phát hiện mới trong lĩnh vực hóa học.

5.2. Ứng Dụng Của Tin Học Trong Các Lĩnh Vực Khác

Ngoài hóa học, tin học còn có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như sinh học, vật lý và khoa học môi trường. Sự kết hợp giữa tin học và các lĩnh vực này sẽ tạo ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1H : Kết luận và dé xuất. Đề xuất 57 Tài liệu tham khảo 58 Luận văn tốt nghiệ GVHD : Th.S Trần Văn Khoa, Th.S Nguyễn Văn Ngân `) ^ Mo đâu: Ứng dụng tin học vào lĩnh vực giáo dục nói chung, ngành hoá học nói riêng đang là vấn để cần thiết hiện nay, Mà việc sử dụng phan mềm hoá học để tìm cơ chế của một phan ứng cũng như xác định những trạng thai thu của các phân tử là một trong những ứng dụng đó. Chẳng hạn: các monosaccarit trong dung dịch nước thường tổn tại hai cân bằng của a và B- chủ yếu được nghiên cứu dạng pyranozơ. Có những cấu trúc mà ở đó dang a bến hơn dạng và ngược lại.

Dựa vào năng suất quay cực mà ta có thể xác định thành phần % từng cấu dạng trong dung dịch từ đó tìm ra cấu dạng bền. Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao thì việc dự đoán được kết quả, định hướng trước khi làm thực nghiệm bằng tính toán bằng lí thuyết là một điểu khá quan trọng. Chính vì vậy ở phạm vi để tài, dựa trên phần mềm Gaussian 98 - một phần mềm tính toán hóa lượng tử được xem là ưu việt - chúng tôi khảo sát hiệu ứng anome chủ yếu trong dẫn xuất vòng tetrahidropyran, để làm rõ: vì sao dạng œ lại bén hơn dang với các nhóm thế halogen, hiđroxi — OH, tuy nhiên dạng j lại bén hơn dạng œ với nhóm thế amino ~NH;. Đồng thời cũng giúp khẳng định được khả nang 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 : Trần Đức Thanh Trang Ì 2Việu ting anome Luận văn tốt nghiệp GVHD : Th.S Trần Văn Khoa, Th.S Nguyễn Văn Ngân PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYET SVTH : Trần Đức Thanh Trang 2 Migu ting anome Luận văn tốt nghiệ GVHD: Th.S Trần Văn Khoa, Th. HOÁ TÍNH TOÁN Chương | PHƯƠNG PHAP HARTREE FOCK Trong khí phương trình của Hartree-Fock có thể đạt được một cách chính xác, người ta đưa ra một đại lượng vật lý mô tả sự ước tính cần đạt được. Phương pháp Hartree-Fock đưa ra tóan tử Hamilton cho một electron hiệu dụng E. Toán tử Fock F phụ thuộc tuyệt đối vào cách giải hàm sóng tự.

Toán tử Fock là toán tổng của toán tử động năng cho một electron, toán tử thế năng mà một electron chịu ảnh hưởng bởi toàn bộ hạt nhân và N -electron còn lại. Tính toán theo phương pháp Hartree-Fock theo các bước: ° Dự đoán vị trí của mỗi electron, từ đó dự đoán được những obitan đã bị chiếm đóng yy. ° Dự đoán thé năng trung bình của một electron xác định chịu ảnh hưởng bởi N- electron khác, từ đó có thể dự đoán được toán tử Fock. Giải phương trình (3.1) để được vị trí mới cho eletron.

° Lap lại các bước trên cho đến khi hàm sóng cho một electron tự hợp trong trường của của nó và những electron khác. > Sơ lược về ưu- nhược điểm của phương pháp Hartree-Fock (HF): Ưu điểm: lý thuyết HF rất có ích trong việc cung cấp những dự đoán cơ bản ban đầu cho nhiều hệ thống. Nó còn tính toán hợp lý cấu trúc và tần số dao động của những phân tử ổn định và một số trạng thái chuyển tiếp. Nhược điểm : bỏ qua sự tương tác giữa các electron.

Thuyết Hartree-Fock chưa giải quyết day đủ và đúng dan vé tương tác xuất hiện khi các electron chuyển động trong phân tử, nhất là tương tác giữa các electron ngược spin nhau. Thật ra, thuyết Hartree-Fock mới chỉ kể đến tương tác của các electron cùng spin, mà chưa xét đến tương tác của các electron ngược spin. Do đó, phương pháp HF tỏ ra không hợp lý trong nhiều trường hợp. > Tiếp theo sau phương pháp trường tự hợp SCF, bất cứ phương pháp nào giải quyết hoàn chỉnh vấn để này hơn : đều được gọi là phương pháp tương quan lelectron (electron correlation) hay là phương pháp post-SCF.

SVTH : Trần Đức Thanh Trang 3 Agu ting anome Luận văn tốt nghiệp GVHD : Th.S Trần Van Khoa, Th.S Nguyễn Văn Ngân Chương II :Mô hình trường phản ứng tự hợp SCRF và mẫu dung môi PCM. Trường phản ứng tự hợp SCRF Trong thực tế quá trình hóa học và sinh học đều xảy ra trong dung dịch, ở đó dung môi gây ra những hiệu ứng quan trọng đối với trạng thái của các chất cũng như cân bằng hóa học. Cách tốt nhất để giải quyết hiệu ứng dung môi ảnh hưởng lên phân tử là thực hiện những phép tính toán lượng tử cho một hệ thống bao gồm phân tử chất tan được bao quanh bởi nhiều phân tử dung môi được lặp lại nhiều lần đối với sự định hướng khác nhau của những phân tử dung môi, sau đó tính giá trị trung bình của những sự định hướng này và từ đó xác định được tính chất trung bình của phần tử tại nhiệt độ và áp suất nhất định. Nhưng cách tính toán như vậy không thể thực hiện được trong thực tế.

Cách thông thường và phổ biến hơn để tính toán hiệu ứng dung môi là sử dụng mẫu dung môi liên tục. Ở đây cấu trúc phân tit của dung môi được bỏ qua và dung môi được xem như một chất điện môi liên tục trong phạm vi xác định bao quanh một lỗ trống chứa phân tử chất tan M. Chất điện môi được đặc trưng bởi hằng số điện môi e,, là một giá trị thực nghiêm được xác định tại một nhiệt độ, áp suất nhất định. Phân tử chất tan có thể được giải quyết theo phương pháp cổ điện là dựa vào sự tập trung điện tích tương tác với chất điện môi hay có thể được giải quyết theo cơ học lượng tử.

Trong cơ học lượng tử, tương tác giữa phân tử M và chất điện môi bao quanh được dé cập tới dưới dạng đưa nhóm _ thêm vào toán tử Hamilton //?) trong đó /ƒ”” là toán tử Hamilton cho phân tử chất tan trong lỗ trống. Khi giải quyết theo cơ học lượng tử cho mẫu solvat hóa liên tục hàm sóng điện tử và xác suất mật độ điện tử của phân tử chất tan được cho phép đổi từ pha khí vào pha dung dịch để đạt được sự tự hợp giữa sự phân bố điện tích trên M và trường phản ứng dung môi. Phương pháp giải quyết trong đó đạt được sự tự hợp như vậy được gọi là mẫu trường phan ứng tự hợp (SCRF). Có rất nhiều mẫu SCRF, khác nhau ở chố quy định hình dạng, kích thước của lỗ trống chứa phân tử M và cách tính V,,, như thế nào.

Mẫu dung môi PCM: Phương pháp tính toán chính xác ab initio cho hiệu ứng dung môi đòi hỏi phải sử dụng một mô hình phân tử khác thực hơn hình cầu hoặc hình clip. Trong mẫu dung môi phân cực liên tục (PCM) của Mietus, Scocco và Tomasi, mỗi hạt nhân nguyên tử trong SVTH : Trần Đức Thanh Trang 4 Migu ting anome Luận văn tốt nghiệp GVHD : Th.S Trần Van Khoa, Th.S Nguyễn Văn Ngân phân tử chất tan M được bao quanh bởi một hình cầu có bán kính gấp 1,2 lần bán kính Van der Waals của nguyên tử đó. Vùng lỗ trống được tính bằng tổng thể tích của những hình cầu nguyên tử phủ bên ngoài trên. (có thể gọi | cách khác: bể mặt phân tử theo Van der Waals) chính vì thế chúng có hình dang phức tap và độ chính xác cao hơn.

BẢNG!: TOM TAT NHỮNG BỘ CƠ BAN THONG DỤNG : Hàm phân tách hóa trị : dùng 2 bộ hàm cho | vùng hóa trị, giúp biểu diễn obitan chính xác hơn. Dùng cho những hệ phân tử rất lớn (những hệ này chưa thể ấp dụng 6-31G(d). 6-31G(d) Cộng thêm hàm phân cực cho nguyên hay 6-31G* tử nặng. Thích hợp nhất cho những hệ có kích thước trung bình (hay lớn (B=) hơn).

6-31G(d,p) Đồng thời cộng thêm hàm phân cực hay 6-31G** cho nguyên tử nặng và cho nguyên tử H. Dùng cho những tính toán chú [ H- Cl trọng đến H (như : năng lượng liên kết), và tính toán năng lượng chính xác. những hệ thống có các cặp e chưa [ H- Cl | liên kết, anion, hay hệ ở trạng thái kích thích. SVTH : Trần Đức Thanh Trang 5 Wigu ứng anome Luận văn tốt nghiệ GVHD : Th.S Trần Văn Khoa, Th.S Nguyễn Van Ngân 6-31+Gid,p) Cộng thêm | hàm p cho nguyên tử H.

hay 6-31+G** Sử dụng khi bộ 6-31G(d,p) đòi hỏi [H-CI] thêm hàm khuếch tán. 6-311+G(d,p) Đây là bộ phân ba hóa trị (dùng 3 bộ hay 6-3114G** | hầm cho 1 vùng hóa tri) : hình thành từ bộ 6-31+G(d,p) bằng cách cộng H81) thêm 1 hàm hóa trị nữa, 6-311+G(2d,p) Cong thêm 2 ham d và hàm khuếch 6-31 1+G(2df,2p) Cộng thêm 2 hàm d + | ham f, cùng {H-Br] với hàm khuếch tán cho nguyên tử nặng: 2 hàm p cho nguyên tử H. 6-31 1++G(3df,2pd) | Cộng 3 hàm d + | hàm f vào nguyên [H- Br | tử nặng; 2 hàm p + | hàm d vào nguyên tử H. Cộng hàm khuếch tán cho cả nguyên tử nặng và Hidro.

SVTH : Trần Đức Thanh Trang 6 Migu ting anome Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Văn Khoa, Th. HOÁ HỮU CƠ Chương |: CẤU DẠNG CUA MỘT SỐ HYĐROCACBON DON GIẢN I. Hidrocacbon no mạch hở: L1 Etan: Hai nhóm metyl của etan có thể quay quanh nối đơn cacbon-cacbon. Theo hóa học cổ điển, sự quay này hoàn toàn tự do; nhưng với các phương pháp phân giải cận đại, người ta đã chứng minh rằng chỉ có sự dao động quanh một số vị trí ưu đãi.

Hai cấu dạng của etan là cấu dang lệch và cấu dạng che khuất, được biểu diễn bởi công thức phối cảnh. | cZ | lộ HH H 4H Lệch Công thức phối cảnh cheats H H H H a H H H H h = ; Che khuat Lậch Công thức chiếu Newman Etan có 3 cấu dạng lệch y hệt nhau, được tạo thành khi nhóm mety! của một cấu dạng lệch quay 120” quanh nối đơn cacbon-cacbon. Góc quay được xác định chính xác hơn bởi góc xoắn, đôi khi còn gọi là góc nhị diện giữa hai nguyên tử hiđro được chỉ định trước, góc xoắn là góc giữa 2 mặt phẳng: H;C;C; và H2C2C). Trong cấu dạng lệch, góc xoắn là 60”.

Ngoài ra, phân tử etan còn có 3 cấu dang che khuất đồng nhất, và góc xoắn bằng 0. Dạng lệch bền nhất vì có năng lượng cực tiểu. Dang che khuất có năng lượng SVTH : Trần Đức Thanh Trang 7 WMigu ting anome Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Van Khoa, Th.S Nguyễn Van Ngân cực đại (tương tác không nối giữa các nguyên tử hiđro) nên không bền.