Khảo sát năng lượng của phản ứng giữa các gốc H, CH3 , NH2 , OH vào các vị trí khác nhau của HNCO bằng phương pháp Hoá học lượng tử

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.
VIII. Kết quả nghiên cứu và
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 CH
3

Tác nhân NH
2
Tác nhân OH
2. Kết quả nghiên cứu và thảo
luận
2.1. Tác nhân là CH
3
2.2. Tác nhân là NH
2
2.3. Tác nhân là OH
2.4. Tác nhân là H
2.1. Tác nhân là CH
3
Kết quả tối ưu hoá hình học theo phương pháp B3LYP/6-
311++G(d,p) thu được trạng thái chuyển tiếp mà CH
3
tấn công
vào các vị trí khác nhau của HNCO như sau:

TS CH
3
-H
TS CH
3
-N
TS CH
3
-C TS CH
3
-O

2.1. Tác nhân là CH
3
Bảng 1: Năng lượng tổng và năng lượng điểm không (đơn vị
Hartree) tính theo phương pháp B3LYP/6-
311++G(3df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p), năng lượng tương đối
tính theo đơn vị kJ/mol khi tác nhân là CH
3

2.1. Tác nhân là CH
3
Cấu trúc

Năng lượng

ZPE

Năng lượng

Năng lượng



tổng



tổng + ZPE

tương đối

(Hartree/hạt)

(Hartree/hạt)

(Hartree/hạt)

(KJ/mol)

HNCO

-168.751413

0.021254





CH
3
-39.8577849

0.029633

HNCO+CH
3
-208.609198

0.050887

-208.558311

0.0

TS CH
3
-H

-208.592345

0.050684

-208.541661

43.7

TS CH
3
-N

-208.585805

0.055476

-208.530329

73.5

TS CH
3
-C

-208.581453

0.055713

-208.52574

85.5

TS CH
3
-O

-208.569265

0.055952

-208.513313

118.1

2.1. Tác nhân là CH
3

E (Hartree/hạt)
Ta có thể biểu diễn tương quan giá trị ΔE của các vị trí lên giản đồ:

-208.565
-208.56
-208.555
-208.55
-208.545
-208.54
-208.535
-208.53
-208.525
-208.52
-208.515
-208.51
………………… ………………………………
HNCO + CH
3

TS H
3
C – C
ΔE=85.5
TS H
3
C – N
ΔE=73.5
TS H
3
C – H

ΔE=43.7
TS H
3
C – O
ΔE=118.1
2.2. Tác nhân là NH
2
Kết quả tối ưu hoá hình học theo phương pháp B3LYP/6-
311++G(d,p) thu được các trạng thái chuyển tiếp mà NH
2
tấn
công vào các vị trí khác nhau của HNCO như sau:

TS NH
2
-H
TS NH
2
-N
TS NH
2
-C TS NH
2
-O
2.2. Tác nhân là NH
2
Bảng 2: Năng lượng tổng và năng lượng điểm không (đơn vị
Hartree) tính theo phương pháp B3LYP/6-
311++G(3df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p), năng lượng tương đối
tính theo đơn vị kJ/mol khi tác nhân là NH

2
2.2. Tác nhân là NH
2
Cấu trúc

Năng lượng

ZPE

Năng lượng

Năng lượng



tổng



tổng + ZPE

tương đối



(Hartree/hạt)

(Hartree/hạt)

(Hartree/hạt)

(KJ/mol)

HNCO

-168.751413

0.021254





NH
2

-55.9045965

0.018898





HNCO+NH
2

-224.656009

0.040152

-224.615857

0.0

TS NH
2
-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

0.046487

-224.542175

193.5

2.2. Tác nhân là NH
2
-224.62
-224.61
-224.6
-224.59
-224.58
-224.57
-224.56
-224.55
-224.54
-224.53
………………………………… ……………

TS H
2
N – O
ΔE = 193.5
TS H
2
N – N
ΔE = 105.1
TS H
2
N – H
ΔE = 9.5
HNCO+NH
2

TS H
2
N – C
ΔE = 57.6
E (Hartree/hạt)
Ta có thể biểu diễn tương quan giá trị ΔE của các vị trí lên giản đồ như sau:
2.3. Tác nhân là OH
Kết quả tối ưu hoá hình học theo phương pháp B3LYP/6-
311++G(d,p) thu được trạng 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/6-
311++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

ZPE

Năng lượng

Năng lượng



tổng



tổng + ZPE

tương đối



(Hartree/hạt)

(Hartree/hạt)

(Hartree/hạt)

(KJ/mol)

HNCO

-168.751413

0.021254





OH

-75.7656179

0.008451





HNCO+OH

-244.517031

0.029705

-244.487326

0.0

TS OH-H

-244.513589

0.026406

-244.487183

0.4

TS OH-N

-244.472712

0.034095

-244.438617

127.9

TS OH-C

-244.511138

0.033415

-244.477723

25.2

TS OH-O

-244.417135

0.032249

-244.384886

269.0