Khảo sát năng lượng của phản ứng giữa các gốc H, CH 3 , NH 2 , OH vào các vị trí khác nhau của HNCO bằng phương pháp Hoá học lượng tử Giáo viên hướng dẫn: TS: Nguyễn Thị Minh Huệ Sinh viên thực hiện : Hà Thị Giang Lớp : K55B – Hoá học KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài Nội dung I. Lý do chọn đề tài II. Mục đích nghiên cứu III. Nhiệm vụ của đề tài IV. Phần mềm tính toán V. Phương pháp nghiên cứu VI. Các phương pháp tính toán trong Hoá học lượng tử VII. Tổng quan về hệ chất nghiên cứu VIII. Kết quả nghiên cứu và thảo luận IX. Kết luận I. Lý do chọn đề tài Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, với tốc độ lớn không ngừng của sức tính máy tính đã giúp cho bộ môn hoá học lượng tử phát triển nhanh. Thực tế cho thấy các kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm rất phù hợp với nhau. Các tính toán hoá học lượng tử có thể xác định được bề mặt thế năng từ đó xác định được cơ chế phản ứng, toạ độ phản ứng thực… Trong thời đại ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ con người đã đạt được nhiều thành tựu trên mọi lĩnh vực nhưng đồng thời cũng phải đối diện với những nguy cơ to lớn. Một trong những nguy cơ đó là ô nhiễm môi trường. Tác nhân gây ô nhiễm môi trường rất đa dạng, mà một trong số đó là tác nhân hoá học như các hợp chất chứa nitơ. I. Lý do chọn đề tài Trong quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa các hợp chất chứa nitơ trong không khí có sinh ra một sản phẩm trung gian đó là axit isocyanic – công thức phân tử là HNCO. Việc nghiên cứu chiều hướng diễn biến của các sản phẩm phản ứng với các tác nhân sẽ giúp ta hiểu được cách khống chế các sản phẩm độc hại gây ô nhiễm môi trường để góp phần bảo vệ môi trường. Với những lý do đó chúng tôi xin chọn hướng đề tài nghiên cứu là: “Khảo sát năng lượng của phản ứng giữa các gốc CH 3 , NH 2 , OH, H vào các vị trí khác nhau của HNCO bằng phương pháp hoá học lượng tử”. II. Mục đích nghiên cứu Với mục đích hỗ trợ các nhà hoá học thực nghiệm trong việc xác định chiều hướng xảy ra của phản ứng đồng thời xác định các tham số về cấu trúc hình học, các tần số dao động, năng lượng của các chất tham gia phản ứng cũng như của các trạng thái chuyển tiếp. Từ đó xây dựng hàng rào năng lượng cho từng phản ứng và hình thành một cơ chế phản ứng, hướng chọn lọc của phản ứng . Cụ thể: khảo sát, nghiên cứu việc hình thành các trạng thái chuyển tiếp, định dạng cấu trúc hình học của chúng khi các tác nhân là H, CH 3 , NH 2 , OH tấn công vào các vị trí khác nhau của HNCO. III. Nhiệm vụ của đề tài Lựa chọn được phương pháp phù hợp với hệ chất nghiên cứu, từ đó xác định các tính chất lượng tử của hệ chất nghiên cứu như các thông tin về năng lượng, tần số dao động, cấu trúc của hệ chất tham gia phản ứng và các trạng thái chuyển tiếp. Các kết quả thu được có thể dùng để làm tư liệu tham khảo hoặc sử dụng như là thông tin ban đầu cho nghiên cứu động học, động lực học tiếp theo. IV. Phần mềm tính toán Sử dụng phần mềm Gaussian 03 và phần mềm hỗ trợ là Gaussview. Phần mềm Gaussian 03 cho phép chúng ta thực hiện các phương pháp tính ab – initio rất tốt. Khi sử dụng phần mềm này tính cho hệ nghiên cứu sẽ thu được nhiều kết quả và dựa vào kết quả này có thể dự đoán nhiều đặc tính đặc trưng cho các phân tử cũng như các phản ứng hoá học. Phần mềm Gaussview cho phép mô tả hình dạng cấu trúc của phân tử (dưới dạng mô hình cụ thể) minh hoạ cho chúng ta thấy được sự phân bố điện tích trên các nguyên tử, các giá trị về phổ và sự dao động phân tử. Cho phép chúng ta quan sát được mô hình cấu trúc các sản phẩm trung gian, diễn biến của phản ứng tại từng thời điểm một cách trực quan V. Phương pháp nghiên cứu Bước đầu khảo sát sơ bộ cấu trúc ban đầu bằng phương pháp HF. Sau khi đã thu được kết quả như mong muốn rồi, tiếp tục khảo sát bằng phương pháp B3LYP để thu được các kết quả chính xác hơn về các tham số cấu trúc cũng như năng lượng với các bộ hàm 6-311++G**. Sau khi tối ưu hoá cấu trúc ở bộ hàm này, tính tần số dao động và năng lượng điểm không tương ứng. Sau đó tính năng lượng điểm đơn với bộ hàm cơ sở 6- 311++G(3df,2p) dựa trên cấu trúc đã tối ưu hoá ở bộ hàm cơ sở 6-311++G**. Cuối cùng, dùng kết quả tính được ở mức cao nhất để so sánh, phân tích, rút ra những kết luận cho hệ chất nghiên cứu. V. Các phương pháp tính toán trong hoá học lượng tử 1. Phương pháp bán kinh nghiệm 2. Phương pháp tính từ đầu 2.1. Phương pháp trường tự hợp Hartree – Fock (HF) 2.2. Phương pháp Roothaan 2.3. Phương pháp nhiễu loạn 2.4. Phương pháp tương tác cấu hình 2.5. Phương pháp phiếm hàm mật độ V. Tổng quan về hệ chất nghiên cứu Axit isocyanic (HNCO) được tìm thấy trong tầng trung của vũ trụ lần đầu tiên vào năm 1972 bởi hai nhà bác học Lew Snyder và David Bulh. Trong sao chổi nó được tìm thấy đầu tiên trong Hyakutake và sau đó trong Hale – Bopp. HNCO được điều chế lần đầu tiên vào năm 1830 bởi nhà bác học người Đức Justus von Liebig và Wohler. Là một chất không màu, dễ bay hơi và độc, sôi ở 23.5 o C. Axit isocyanic là một hợp chất hoá học khá bền, nó là phân tử nhỏ nhất có chứa bốn nguyên tố thường được tìm thấy trong các hợp chất hoá học hữu cơ và trong sinh học. [...]... nhân là NH2 Kết quả tối ưu hoá hình học theo phương pháp B3LYP/6311++G(d,p) thu được các trạng thái chuyển tiếp mà NH2 tấn công vào các vị trí khác nhau của HNCO như sau: TS NH2- H TS NH2- N TS NH2- C TS NH2- O 2.2 Tác nhân là NH2 Bảng 2: Năng lượng tổng và năng lượng điểm không (đơn vị Hartree) tính theo phương pháp B3LYP/6311++G(3df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p ), năng lượng tương đối tính theo đơn vị kJ/mol... là CH3 2.2 Tác nhân là NH2 2.3 Tác nhân là OH 2.4 Tác nhân là H 2.1 Tác nhân là CH3 Kết quả tối ưu hoá hình học theo phương pháp B3LYP/6311++G(d,p) thu được trạng thái chuyển tiếp mà CH3 tấn công vào các vị trí khác nhau của HNCO như sau: TS CH3- H TS CH3- N TS CH3- C TS CH3- O 2.1 Tác nhân là CH3 Bảng 1: Năng lượng tổng và năng lượng điểm không (đơn vị Hartree) tính theo phương pháp B3LYP/6311++G(3df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p ),. .. thái chuyển tiếp mà OH tấn công vào các vị trí khác nhau của HNCO như sau: TS HO-H TS HO-N TS HO-C TS HO-O 2.3 Tác nhân là OH Bảng 3: Năng lượng tổng và năng lượng điểm không (đơn vị Hartree) tính theo phương pháp B3LYP/6311++G(3df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p ), năng lượng tương đối tính theo đơn vị kJ/mol khi tác nhân là OH 2.3 Tác nhân là OH Cấu trúc Năng lượng tổng Năng lượng Năng lượng tổng + ZPE ZPE... để nghiên cứu một số thuộc tính của phân tử  Xây dựng được một phần bề mặt thế năng của phản ứng giữa HNCO với một số tác nhân H, CH 3, NH 2, OH  Xác định được vị trí ưu tiên tấn công đối với mỗi tác nhân (ứng với giá trị ∆E thấp nhất) và xác định được tác nhân nào dễ phản ứng nhất Từ đó phần nào hiểu được cơ chế phản ứng của mỗi tác nhân lên các vị trí khác nhau của HNCO ... thảo luận 1 Chất phản ứng và các tác nhân 2 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 1 Chất phản ứng và các tác nhân 1.1 HNCO Công thức phân tử HNCO ứng với công thức cấu tạo: H–N=C=O Tối ưu hoá cấu trúc ta được kết quả như sau: 1 Chất phản ứng và các tác nhân 1.2 Các tác nhân Tối ưu hoá các tác nhân tương tác CH 3, NH 2, OH chúng tôi thu được các kết quả như sau: Tác nhân CH3 Tác nhân NH2 Tác nhân OH 2 Kết quả nghiên... -244.46 -244.48 HNCO + OH TS HO – H ΔE = 0.4 TS HO – C ΔE = 25.2 ……………………………………………………………………………………………………………………… …………… -244.5 2.4 Tác nhân là H Kết quả tối ưu hoá hình học theo phương pháp B3LYP/6311++G(d,p) thu được trạng thái chuyển tiếp mà H tấn công vào các vị trí khác nhau của HNCO như sau: TS H-H TS H-N TS H-C TS H-O 2.4 Tác nhân là H Bảng 4: Năng lượng tổng và năng lượng điểm không (đơn vị Hartree)... trị ΔE của các vị trí lên giản đồ như sau: -169.2 E ( Hartree/hạt) TS H-O -169.205 -169.21 TS H-H -169.215 TS H-N -169.22 TS H-N -169.225 -169.23 -169.235 HNCO + H ………………………………………………………………………….… IX Kết luận  Bước đầu làm quen được với phương pháp nghiên cứu khoa học, hiểu và nắm vững cơ sở của đề tài  Làm quen được với các phương pháp tính Hóa học lượng t , vận dụng được một số chức năng cơ bản của. .. B3LYP/6311++G(3df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p ), năng lượng tương đối tính theo đơn vị kJ/mol khi tác nhân là CH3 2.1 Tác nhân là CH3 Cấu trúc Năng lượng tổng Năng lượng Năng lượng tổng + ZPE ZPE tương đối (Hartree/hạt) (KJ/mol) (Hartree/hạt) (Hartree/hạt) HNCO -168.751413 0.021254 CH3 -39.8577849 0.029633 HNCO +CH3 -208.609198 0.050887 -208.558311 0.0 TS CH3- H -208.592345 0.050684 -208.541661 43.7 TS CH3- N -208.585805 0.055476... nhân là NH2 2.2 Tác nhân là NH2 Cấu trúc Năng lượng tổng Năng lượng Năng lượng tổng + ZPE ZPE tương đối (Hartree/hạt) (KJ/mol) (Hartree/hạt) (Hartree/hạt) HNCO -168.751413 0.021254 NH2 -55.9045965 0.018898 HNCO +NH2 -224.656009 0.040152 -224.615857 0.0 TS NH2- H -224.653053 0.040818 -224.612235 9.5 TS NH2- N -224.622025 0.046197 -224.575828 105.1 TS NH2- C -224.639999 0.046071 -224.593928 57.6 TS NH2- O -224.588662... và năng lượng điểm không (đơn vị Hartree) tính theo phương pháp B3LYP/6311++G(3df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p ), năng lượng tương đối tính theo đơn vị kJ/mol khi tác nhân là H 2.4 Tác nhân là H Cấu trúc Năng lượng tổng Năng lượng Năng lượng tổng + ZPE ZPE tương đối (Hartree/hạt) (KJ/mol) (Hartree/hạt) (Hartree/hạt) HNCO -168.751413 0.021254 H -0.502257 0 HNCO+ H -169.25367 0.021254 -169.232416 0.0 TS H-H -169.236685 . Khảo sát năng lượng của phản ứng giữa các gốc CH 3 , NH 2 , OH, H vào các vị trí khác nhau của HNCO bằng phương pháp hoá học lượng tử . II. Mục đích nghiên cứu Với mục đích hỗ trợ các. Khảo sát năng lượng của phản ứng giữa các gốc H, CH 3 , NH 2 , OH vào các vị trí khác nhau của HNCO bằng phương pháp Hoá học lượng tử Giáo viên hướng dẫn: TS:. hình thành các trạng thái chuyển tiếp, định dạng cấu trúc hình học của chúng khi các tác nhân là H, CH 3 , NH 2 , OH tấn công vào các vị trí khác nhau của HNCO. III. Nhiệm vụ của đề tài