Tải bản đầy đủ

Sử dụng phần mềm gaussian nghiên cứu cấu trúc của một số tiểu phân trung gian

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


NGUYỄN THỊ HOÀN

SỬ DỤNG PHẦN MỀM GAUSSIAN
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ
TIỂU PHÂN TRUNG GIAN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành : Hóa lý

HÀ NỘI – 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


NGUYỄN THỊ HOÀN


SỬ DỤNG PHẦN MỀM GAUSSIAN
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ
TIỂU PHÂN TRUNG GIAN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành : Hóa lý
Người hướng dẫn khoa học

TS. MAI XUÂN DŨNG

HÀ NỘI - 2018


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS.
Mai Xuân Dũng người thầy đã định hướng cho em trong tư duy khoa học,
tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực
hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin được bày tỏ lòng cảm ơn nhóm N4O.
Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ và là
chỗ dựa tinh thần cho em trong suốt thời gian qua.
Trong quá trình thực hiện khoá luận mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng
chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót.Vì vậy em rất mong nhận
được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn để nội dung khóa
luận được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày… tháng …năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Thị Hoàn


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Sử dụng phần mềm Gaussian nghiên cứu cấu
trúc của một số tiểu phân trung gian” là kết quả tôi trực tiếp nghiên cứu và
tìm hiểu dưới sự hướng dẫn của TS. Mai Xuân Dũng. Trong quá trình nghiên
cứu tôi có sử dụng một số tài liệu của một số nhà nghiên cứu, một số tác giả.
Tuy nhiên đó chỉ là cơ sở để tôi rút ra được những vấn đề cần tìm hiểu ở đề
tài của mình. Đây là kết quả của cá nhân tôi chứ không phải kết quả của tác
giả khác.

Hà Nội, ngày… tháng …năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Thị Hoàn


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
THPT

:Trung học phổ thông

HHHC

:Hóa học hữu cơ

G09

:Gaussian 09

DFT

:Discrete Fourier transform

GV 5.0

: Gauss View 5.0

E

: Năng lượng liên kết
: Nhiệt hình thành
: Entanpi tuyệt đối của H
: Entanpi tuyệt đối của C-H

G

: Năng lượng tự do Gibbs
: Biến thiên năng lượng tự do Gibbs


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................... 1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ......................................................................... 1
4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 1
NỘI DUNG.................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................... 2
1.1. Tổng quan về hóa học hữu cơ (HHHC) trong chương trình THPT... 2
1.2. Một số vấn đề HHHC cần làm sáng tỏ ............................................. 2
1.3. Tính toán lượng tử ........................................................................... 5
1.4. Phần mềm Gaussian......................................................................... 7
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .................................................................. 9
2.1. Quy trình tính toán chung ................................................................ 9
2.2. So sánh tính acid của ethanol (C2H5OH), phenol (C6H5OH), acetic
acid (CH3COOH) ................................................................................... 9
2.3. Giải thích quy tắc Markovnikov .................................................... 12
2.4 . Tại sao liên kết ở nối đôi của Anken kém bền vững hơn liên
kết ?.................................................................................................... 14
2.5. Tại sao khi cho Ankyl benzen phản ứng với Br2 lại chỉ xảy ra phản
ứng thế ở 2 vị trí o,p. ............................................................................ 15
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................ 18
3.1. Giải thích tính acid của ethanol (C2H5OH), phenol (C6H5OH),
acetic acid (CH3COOH)
................................................................................. 18
3.2. Giải thích quy tắc Markovnikov .................................................... 19
3.3 Tại sao liên kết ở nối đôi của Anken kém bền vững hơn liên kết ?
............................................................................................................. 20
3.4. Tại sao khi cho Ankyl benzen phản ứng với Br2 lại chỉ xảy ra phản
ứng thế ở 2 vị trí o,p ............................................................................. 21


KẾT LUẬN.............................................................................................. 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 25


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong hóa học hữu cơ, tìm hiểu cơ chế phản ứng là khối kiến thức trọng
tâm trong việc giải thích tính chất hóa học của chất.Trong cơ chế phản ứng,
các sản phẩm trung gian thường kém bền vững, có thời gian tồn tại ngắn, và
khó có thể phân lập được để tiến hành các nghiên cứu bằng thực nghiệm. Do
đó, tính toán lí thuyết để tìm hiểu cấu trúc, độ bền và các tính chất hóa lý khác
nhau của tiểu phân trung gian là phương pháp nghiên cứu thường được sử
dụng. Với các lý do trên, đề tài này chúng tôi “Sử dụng phần mềm
Gaussian nghiên cứu cấu trúc của một số tiểu phân trung gian” nhằm
làm sáng tỏ một số vấn đề trong hóa học hữu cơ bậc THPT.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Bằng phần mềm Gaussian xác định các tham số cấu trúc, hiệu ứng nhiệt
của phản ứng và năng lượng. Từ đó ta có thể chứng minh được những lí
thuyết bằng thực nghiệm.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu cơ sở lí thuyết, các phương pháp tính toán và phần mềm liên
quan tới hóa học lượng tử.
Tính toán các tham số cấu trúc, tham số lượng tử của một số tiểu phân.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu: hiệu ứng nhiệt của phản ứng, định luật Hess, các
thông số cấu trúc, sử dụng phần mềm Gaussian để tính toán các đại lượng liên
quan.
Cấu trúc phân tử và tiểu phân trung gian được xây dựng trên Gauss View
5.0
Tính toán lượng tử được thực hiện trên Gaussian 09 (G09).

1


NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về hóa học hữu cơ (HHHC) trong chương trình THPT
Hóa học hữu cơ là một ngành khoa học nghiên cứu về những cấu trúc,
tính chất, thành phần, cách thức phản ứng và cách tổng hợp của những hợp
chất hữu cơ và vật liệu hữu cơ… cũng như nhiều vật chất khác nhau chứa
nguyên tử carbon. Quá trình nghiên cứu cấu trúc hóa học của một hợp chất
hữu cơ có thể ứng dụng nhiều thành tựu trong các lĩnh vực khác phải kể đến
như phương pháp quang phổ, phương pháp hóa học cũng như cấu tạo của hợp
chất. Hóa học hữu cơ nghiên cứu các đặc tính lý hóa của hợp chất, đánh giá
mức độ phản ứng cũng như xác định tính chất của chúng ở trạng thái tinh
khiết, trong dung dịch, hỗn hợp và các dạng khác. Các nghiên cứu về phản
ứng hữu cơ có thể kể đến bao gồm việc chuẩn bị cho các phản ứng tổng hợp
hữu cơ, nghiên cứu mức độ hoạt động của phản ứng, cũng như nghiên cứu các
mô hình lý thuyết trên máy tính[1].
1.2. Một số vấn đề HHHC cần làm sáng tỏ
1.2.1. So sánh tính acid của ethanol (C2H5OH), phenol (C6H5OH), acetic
acid (CH3COOH)
Tính acid của các hợp chất hữu cơ được quyết định bởi độ linh động của
nguyên tử hydrogen. Nguyên tử H càng linh động thì tính acid của nó càng
mạnh và ngược lại. Mặt khác, độ linh động của nguyên tử H lại phụ thuộc vào
2 yếu tố đó là mật độ điện tích của nguyên tử H và độ dài liên kết O-H[2].
Đây là hai thông số vật lý có thể tính toán bằng G09.


1.2.2. Giải thích quy tắc Markovnikov
Trong phản ứng cộng với acid và nước (kí hiệu chung là HX) vào liên
kết đôi C=C của anken, H (phần tử mang điện tích dương) ưu tiên cộng vào
Carbon mang nhiều H hơn (carbon bậc thấp hơn), còn X (phần tử mang điện
tích âm) ưu tiên cộng vào Carbon mang ít H hơn (carbon bậc cao hơn).
Ví dụ:
CH3-CH=CH2

H+

CH3-CH2-CH2X

(I)

Chuyển vị

Gđ chậm

+
CH3-CH2-CH2 X
G1
Gđ nhanh

+
CH3 -CH-CH3
G2

XGđ nhanh

CH2-CHX-CH3

(II)

- Sản phẩm (II) là sản phẩm chính do giai đoạn chậm tạo ra G2 bền hơn.
Để làm rõ hơn vấn đề này tôi sử dụng phần mềm Gaussian để tính năng
lượng tự do Gibbs.
1.2.3. Tại sao liên kết

ở nối đôi của Anken kém bền vững hơn liên kết ?

Liên kết C=C ở phân tử Anken gồm một liên kết
Liên kết

và một liên kết
2

được tạo thành do sự xen phủ trục (của 2 orbital lai hóa sp ) nên

tương đối bền vững. Liên kết

được tạo thành do sự xen phủ bên (của 2

orbital p) nên kém bền vững hơn so với liên kết [3]. Để làm rõ vấn đề trên
tôi sử dụng phần mềm Gaussian và sơ đồ Hess để giải thích.
1.2.4. Tại sao khi cho Ankyl benzene phản ứng với Bromine lại ưu tiên xảy
ra phản ứng thế ở 2 vị trí o,p.
Nhân benzene là một nhân bền vững nhờ có sự liên hợp của các
electron , tạo nên môt hệ liên hợp kín, có năng lượng thấp gọi là năng lượng


thơm. Do vậy tính chất của nhân benzene là dễ thế, khó cộng và bền với các
tác nhân oxi hóa, nhân benzene chỉ bị oxi hóa khi ở pha khí.
Vòng benzene là một hệ giàu điện tử với 6 điện tử

tham gia liên hợp.

Do đó các tác nhân dương sẽ tấn công vào nhân thơm. Vì vậy làm tăng mật độ
electron trên nhân benzene sẽ làm cho phản ứng thế xảy ra dễ dàng hơn.
Phản ứng thế ở nhân benzene xảy ra theo cơ chế thế electronphin vì các
tác nhân tấn công vào vòng benzene đều là các tác nhân dương.
Ở benzene, mật độ electron trên 6 đỉnh carbon đều như nhau, nhưng khi
trên nhân có một nhóm thế hút hoặc đẩy thì sẽ làm thay đổi mật độ electron
trên các đỉnh của nhân benzene, có thể tăng hoặc giảm còn tùy thuộc vào các
nhóm thế.
Cơ chế phản ứng thế của Toluene với Bromine
CH3

CH3

CH3

+

Br+

Br

Gd cham

- H+

Br

C2 H
CH3

CH3

CH3

H

Br+

+

Br

Gd cham

Br

- H+

C1
CH3

CH3

CH3

+

- H+

+

Br

Gd cham
H

Br

C3

Br


Vậy khi tham gia phản ứng thế trong nhân benzene thì định hướng vào vị
trí (-o), (-p) hay (-m) được quyết định bởi độ bền của các tiểu phân trung gian
(TPTG). Để làm rõ được vấn đề này tôi sử dụng phần mềm Gaussian để tính
toán năng lượng tự do Gibbs của C1, C2, C3.
1.3. Tính toán lượng tử
1.3.1. Phương pháp DFT
Phương pháp DFT (Discrete Fourier transform) là phương pháp tính toán
lượng tử thường được sử dụng để dự đoán cấu trúc cũng như độ bền và tính
chất electron. Lý thuyết này được xây dựng trên đóng góp của nhiều nhà khoa
học lỗi lạc như Kohn, Sham, Hohenberg và những người khác. Ngày nay
phương pháp tính toán phổ biến nhất cho các nguyên tử, phân tử và chất rắn
trong vật lý chất rắn, hóa học phân tử và khoa học vật liệu là dựa trên một giả
thuyết duy nhất: “ Mật độ điện tử có thể đặc trưng cho toàn bộ tính chất lượng
tử sóng hạt của vật liệu”. Đó là nguồn gốc của lý thuyết phiến hàm mật độ.
Các phương pháp DFT khác nhau ở biểu thức phiến hàm tương quan và
phiến hàm trao đổi. Một phương pháp DFT là sự kết hợp tương thích giữa
dạng của phiến hàm tương quan và phiến hàm trao đổi. Ví dụ:
+ Phương pháp BLYB: là một phương pháp DFT thuần khiết, trong đó
sử dụng phiến hàm trao đổi đã hiệu chỉnh Gradien do Becke đưa ra vào năm
1988 và phiến hàm tương quan đã hiệu chỉnh Gradien do Lee,Yang và Parr
đưa ra.
+ Phương pháp BH&HLYP và B3LYB là các phương pháp DFT hỗn
hợp trong đó phiến hàm trao đổi là tổ hợp tuyến tính của số hạng trao đổi dã
hiệu chỉnh Gradien, số hạng trao đổi khoanh vùng và số hạng trao đổi Hartree
-Fock.
Phương pháp DFT dựa trên xấp xỉ từ kết quả của phương trình cơ bản
nhất của tự nhiên đó là phương trình Schrodinger. Do đó phương pháp này


không sử dụng các tham số thực nghiệm hay phụ thuộc và thực nghiệm. Đó
chính là điểm mạnh của phương pháp khi có thể dự đoán được các vật liệu
chưa tồn tại hoặc thực nghiệm chưa khảo sát được. Bên cạnh đó kết quả của
DFT phù hợp một cách xuất sắc với thực nghiệm và cho thấy những khía
cạnh hiểu biết về vật lý đằng sau nó. Chính vì vậy mà ngày càng thúc đẩy
tính toán DFT rộng rãi hơn nữa trong nhiều lĩnh vực của khoa học.
1.3.2. Basic set
Để đạt được lời giải gần đúng tốt nhất cho phương trình Schrodinger ta
không chỉ dựa vào việc cải thiện phương pháp tính toán mà còn dựa vào việc
chọn bộ cơ sở cho hệ nghiên cứu. Một bộ cơ sở bao gồm nhiều hàm cơ sở, bộ
cơ sở càng lớn việc miêu tả electron trong hệ càng gần với thực tế (sự hạn chế
về vị trí electron trong không gian càng giảm), mức độ gần đúng càng tốt và
ngược lại. Đối với mỗi hệ khác nhau, thuộc tính khảo sát khác nhau thì việc
chọn hàm cơ sở để đạt kết quả mong muốn là một việc không đơn giản, đòi
hỏi phải am hiểu bộ cơ sở, đối tượng và hệ nghiên cứu.
Các phương pháp tính DFT hoặc ab-initio đều cần có một bộ hàm cơ sở,
thông thường một bộ hàm gồm các hàm nguyên tử Gaussian. Việc lựa chọn
bộ hàm cơ sở có thể ảnh hưởng tới giá trị EA nhận được từ một phương pháp
nhất định.
Sự khác nhau về thuộc tính hội tụ của các phương pháp tương quan so
với HF và DFT đề nghị những bộ cơ sở tối ưu cho hai trường hợp khác nhau,
đặc biệt những hàm momem góc thấp quan trọng đối với hai phương pháp
HF/DFT hơn những phương pháp tương quan khi bộ cơ sở lớn dần. Phương
pháp DFT rất thông dụng trong tính toán nên phát triển cho bộ cơ sở DFT là
cần thiết[4].
Thông thường việc mô tả chính xác cấu trúc của các ion phân tử và
nguyên tử đòi hỏi phải sử dụng các bộ hàm cơ sở với các hàm có độ khuếch


tán cao (hệ số mũ obitan nhỏ). Trong các bộ hàm cơ sở kiểu Pople –type, các
hàm khuếch tán thường được chỉ ra bằng dấu +, ví dụ như 6-311+G. Cuối
cùng cần phải chú ý rằng thời gian tính toán của hệ phụ thuộc vào kích thước
của hệ và độ phức tạp của bộ hàm cơ sở. Do vậy, việc lựa chọn bộ hàm cơ sở
phải cần dung hòa được các yếu tố là thời gian tính toán và tài nguyên tính
toán.
1.4. Phần mềm Gaussian
GaussView 5.0 là giao diện đồ họa tiên tiến và mạnh mẽ nhất cho
Gaussian 09. Với GaussView 5.0 bạn có thể nhập hoặc xây dựng cấu trúc
phân tử mà bạn quan tâm, thiết lập, khởi chạy, giám sát và kiểm soát tính
toán Gaussian 09, lấy ra và xem kết quả mà không phải rời khỏi ứng
dụng. GaussView 5.0. Bao gồm nhiều tính năng mới được thiết kế để làm
việc với các hệ thống quan tâm hóa học lớn tiện lợi và dễ hiểu. Nó cũng
cung cấp sự hỗ trợ đầy đủ cho tất cả các phương pháp lập mô hình mới và các
tính năng trong Gaussian 09.
Trên thanh công cụ của phần mềm bao gồm tệp (FILE), soạn thảo
(EDIT), VIEW có xây dựng (BUILDER), tính toán (CALCULATE), các kết
quả (RESULTS), cửa sổ (WINDOWS), trợ giúp (HELP). Trong những chức
năng này quan trọng nhất là FILE, BUILDER.
Gaussian là một phần mềm tính toán hóa học lượng tử, lần đầu tiên được
viết bởi John Pople, phát hành năm 1970 (Gaussian 70) và đã được cập nhập
liên tục từ đó cho tới nay.
Phần mềm Gaussian sử dụng để dự đoán nhiều tính chất của phân tử,
phản ứng như:
- Năng lượng và cấu trúc phân tử
- Năng lượng và cấu trúc của các trạng thái chuyển tiếp
- Tần số dao động


- Tính chất nhiệt hóa học
- Năng lượng liên kết và phản ứng
- Cơ chế phản ứng
- Orbital phân tử
- Momen lưỡng cực
Phần mềm sử dụng để mô phỏng phân tử ở thể khí hay thể lỏng, trạng
thái cơ bản hoặc kích thích. Gaussian09 là một công cụ mạnh nghiên cứu
nhiều lĩnh vực hóa học như hiệu ứng của các nhóm thế, cơ chế phản ứng, xây
dựng bề mặt thế năng, năng lượng kích thích.


CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Quy trình tính toán chung
Kết quả
tên.chk
Thiết lập y/c
tính toán

Vẽ GV 5.0

Tính toán G09
Kết quả
tên.log

* Lưu ý : Yêu cầu tính toán
+ Optimization
+ Opt+Freq
* chk: mở bằng GV 5.0
* log: + mở bằng GV 5.0
+ mở bằng notpad
2.2. So sánh tính acid của ethanol (C2H5OH), phenol (C6H5OH), acetic
acid (CH3COOH)
- Mở GaussView 5.0


- Vào biểu tượng

- Vẽ phân tử CH3COOH


- Vào Calulate →Gaussian Calaculation Setup xuất hiện cử sổ

- Vào Job Type →chọn Optimization
- Vào Method + Method: Ground / DFT/ Default Spin /B3LYP
+ Basis Set: 6-31G

- Sau đó vào Submit: lưu tên Gaussian input file (.gif)
- Cuối cùng là chờ kết quả tính.
Các phân tử C2H5OH, C6H5OH cũng tính tương tự như CH3COOH.


2.3. Giải thích quy tắc Markovnikov
- Mở GaussView 5.0

- Vào biểu tượng




- Vẽ phân tử CH3  C H  CH3

- Vào Calulate → Gaussian Calaculation Setup xuất hiện cử sổ

- Vào Job Type → chọn Opt+Freq
- Vào Method + Method: Ground / DFT/ Default Spin /B3LYP
+ Basis Set: 6-31G
+ Charge :1/ Spin: Singlet


- Sau đó vào Submit: lưu tên Gaussian input file (.gif)
- Cuối cùng là chờ kết quả tính.


Tương tự tính với cabocation CH 3  CH 2  C H 2
2.4 . Tại sao liên kết

ở nối đôi của Anken kém bền vững hơn liên kết ?

- Xét phản ứng :
H  H  H2

H pu1

+ Tính HH , HH bằng phần mềm Gaussian
2

H pu1  H H2 
2H H

(1)

Mà H pu1  EH

(2)

H

Từ (1) và (2) => EH H 

(kJ/mol)

?

- Xét phản ứng:

C  2H 2  CH 4

H pu 2

+ Tính H C , H CH bằng phần mềm Gaussian
4



H pu 2  HCH4  HC  2H 2

(3)

H pu 2  2EH H  4ECH

(4)


Từ (3) và (4) => ECH 

(kJ/mol)

?

- Xét phản ứng :
CH 2  CH 2  H 2  C2
H6

H pu3

+ Tính HC H , HC H bằng phân mềm Gaussian.
2

4

2

6

H pu3  HC2 H6  H2C
4
H2



H
pu

E

E CC
3

H H

H

(5)




2E

CH

(6)

Từ (5) và (6) => E   ? (kJ/mol)
CC

- Xét phản ứng :


C2 H 6  2C H 3

+ Tính H C H bằng phân mềm Gaussian.


3

H pu 4  2H 

C H3



H pu4 

E

Từ (7) và (8) => E   ?
CC

 HC

H2

6

CC

(7)
(8)

(kJ/mol)

2.5. Tại sao khi cho Ankyl benzen phản ứng với Br2 lại chỉ xảy ra phản
ứng thế ở 2 vị trí o,p.
- Mở GaussView 5.0


- Vào biểu tượng

vẽ vòng benzene

CH3
H
Br

- Vẽ phân tử

- Vào Calulate → Gaussian Calaculation Setup xuất hiện cử sổ


- Vào Job Type → chọn Opt+Freq
- Vào Method + Method: Ground / DFT/ Default Spin /B3LYP
+ Basis Set: 6-31G
+ Charge :1/ Spin: Singlet

- Sau đó vào Submit: lưu tên Gaussian input file (.gif)
- Cuối cùng là chờ kết quả tính.
CH3

CH3

Br

- Tương tự tính với

H

,

Br

H


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Giải thích tính acid của ethanol (C2H5OH), phenol (C6H5OH), acetic
acid (CH3COOH)
Sau khi tính toán bằng phần mềm Gaussian ta thu được kết quả như sau:

0.354
0.373
0.377

acetic acid

Phenol

G1=54,0065 kJ/mol

Tên

ethanol

G2=164,8 kJ/mol

G3=103,7860 kJ/mol

Độ dài liên kết O-H

Mật độ điện tích

(A)

ởH

ethanol

0,97817

0,354

15,9

phenol

0,97815

0,373

9,95

acetic acid

0,97859

0,377

4,76

pKa [6]

- Độ dài liên kết O-H càng lớn và mật độ điện tích của H càng cao thì
khả năng tách H càng dễ  H càng linh động
- Tính acid giảm dần theo thứ tự:


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×