TÁC CHấT SUPERELECTROPHILE VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU HIỆN NAY

i

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS
Bùi Thọ Thanh. Thầy đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức
chuyên môn, nhiều kinh nghiệm nghiên cứu quý báu trong suốt
thời gian em học tập và thực hiện luận văn, giúp em có cơ hội tiếp
cận lĩnh vực hóa tính toán. Cảm ơn thầy đã luôn động viên và
giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu.
Em xin cảm ơn các thầy cô ở Khoa Hóa Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy cho
em trong các học phần, giúp em có thêm nhiều kiến thức bổ ích.
Em xin cảm ơn anh Trang Mộc Khung, Khoa Hóa, Trường
Đại học Khoa Học Tự Nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em
giải quyết những khó khăn trong lúc tiến hành thí nghiệm tại
Phòng Thí nghiệm Hóa Tin.
Xin cảm ơn bạn Vũ Năng An đã dành thời gian trao đổi,
thảo luận và cùng tôi giải quyết nhiều vấn đề trong thời gian thực
hiện luận văn.
Tác giả
Lê Thị Thanh Nga

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


ii

MỤC LỤC
Trang

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................v
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, CÁC BẢNG ................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... ix
Chương 1 - TỔNG QUAN ........................................................................................1
1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...............................................................................2
1.1.1 Tác chất superelectrophile và hướng nghiên cứu hiện nay ........................2
1.1.2 Mục đích nghiên cứu ..................................................................................3
1.1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................3
1.1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................4
1.1.5 Tóm tắt nội dung luận văn .........................................................................5
1.2 TỔNG QUAN VỀ TÁC CHấT SUPERELECTROPHILE ..............................5
1.2.1 Định nghĩa ..................................................................................................5
1.2.2 Sự tồn tại của các superelectrophile trong môi trường trước phản ứng .....7
1.3 TỔNG QUAN VỀ IMIDAZOLE VÀ CÁC PHẢN ỨNG ĐƯỢC SỬ DỤNG
ĐỂ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA CÁC SUPERELECTROPHILE
DẪN XUẤT TỪ IMIDAZOLE ......................................................................9
1.3.1 Imidazole ....................................................................................................9
1.3.2 Giới thiệu về các phản ứng được nghiên cứu ..........................................10
Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................................................15
2.1 PHẦN MỀM ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN .......................................16
2.1.1 Phần mềm Gaussian 03W phiên bản B.04 ...............................................16
2.1.2 Phần mềm Gaussview phiên bản 3.09 .....................................................17
2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP TÍNH ....................................17
2.2.1 Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ ..............................................17

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học

iii

2.2.2 Bộ hàm cơ sở ............................................................................................19
2.2.3 Giới thiệu sơ lược về mô hình dung môi .................................................23
2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRẠNG THÁI CHUYỂN
TIẾP ..............................................................................................................25
2.3.1 Phản ứng hóa học giữa các tác chất electrophile và tác chất nucleophile.
...........................................................................................................................25
2.3.2 Hướng tấn công của tác chất nucleophile vào carbonyl ..........................26
2.3.3 Hướng tác kích của tác chất electrophile vào liên kết C=C .....................29
2.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ÁP DỤNG TRONG KHẢO SÁT PHẢN
ỨNG ..............................................................................................................29
2.4.1 Phương pháp tối ưu hóa cấu trúc hình học và xác định giá trị năng lượng
của các tác chất electrophile và superelectrophile ...........................................30
2.4.2 Phương pháp xác định trạng thái chuyển tiếp và tính năng lượng hoạt hóa
...........................................................................................................................30
2.5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ............................................................32
Chương 3 - KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN .. Error! Bookmark not
defined.33
3.1 KHẢO SÁT TRẠNG THÁI BỀN CỦA CÁC TÁC CHấT ELECTROPHILE
VÀ SUPERELECTROPHILE ......................................................................34
3.2 NHẬN ĐỊNH KHẢ NĂNG PHẢN ỨNG CỦA CÁC TÁC CHấT
SUPERELECTROPHILE .............................................................................43
3.2.1 Khảo sát điện tích .....................................................................................43
3.2.2 Khảo sát độ dài các liên kết .....................................................................46
3.2.3 Khảo sát orbital biên ................................................................................48
3.2.4 Khảo sát khả năng phản ứng của benzene ...............................................51
3.3 KHẢO SÁT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CÁC TÁC CHẤT ..............................51

3.4 TRẠNG THÁI CHUYỂN TIẾP CỦA PHẢN ỨNG ......................................53
3.4.1 Giai đoạn cộng benzene lần thứ nhất .......................................................53
3.4.2 Giai đoạn cộng benzene lần thứ hai .........................................................69

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


iv

3.5 ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH HÓA HỌC QUA CÁC ĐẠI LƯỢNG NHIỆT
ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH ...........................................................................79
3.6 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI ĐẾN TIẾN TRÌNH PHẢN
ỨNG ..............................................................................................................86
3.7 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH KHÁC NHAU LÊN HỆ
CẤU TRÚC KHẢO SÁT .............................................................................90
3.8 KHẢO SÁT HIỆU ỨNG ĐẨY ĐIỆN TÍCH - ĐIỆN TÍCH CỦA CÁC
SUPERELECTROPHILE DẪN XUẤT TỪ IMIDAZOLE ........................92
Chương 4 - KẾT LUẬN ..........................................................................................97
4.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC ...........................................................98
4.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .........................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................101
PHỤ LỤC ................................................................................................................104

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Å

Angstrom

(Đơn vị đo chiều dài)

APT

Atomic polar tensor

Sức căng phân cực nguyên tử

DFT

Density Functional Theory

Lý thuyết phiếm hàm mật độ

GTO

Gaussian Type Orbitals

Orbital loại Gauss

HF

Hartree - Fock

(Tên phương pháp tính)

HOMO

Highest Occupied Molecular Orbital

Orbital phân tử điền đầy
có mức năng lượng cao nhất

IPCM

Isodensity Polarizable Continuum

Mô hình đẳng mật độ liên tục

Models

phân cực

IRC

Intrinsic Reaction Coordinate

Tọa độ phản ứng nội

LUMO

Lowest UnOccupied Molecular
Orbital

Orbital phân tử trống có
mức năng lượng thấp nhất

MO

Molecular Orbital

Orbital phân tử

PCM

Polarizable Continuum Models

Mô hình liên tục phân cực

SCI-PCM

Self-Consistent Isodensity Polarized

Mô hình đẳng mật độ tự hợp

Continuum Model

liên tục phân cực

SCRF

Self-Consistent Reaction Field

Trường phản ứng tự hợp

STO

Slater Type Orbitals

Orbital loại Slater

STQN

Synchronous Transit-Guided Quasi-

(Tên phương pháp tính)

Newton
TS

Transition State

Cao học Hóa Lý khóa 18

Trạng thái chuyển tiếp

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


vi

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, CÁC BẢNG
Sơ đồ 1.1: Sự hình thành gitionic superelectrophile và distonic superelectrophile ...7

Sơ đồ 3.1: Chuỗi phản ứng tổng quát của benzene với các superelectrophile dẫn
xuất từ imidazole dưới sự xúc tác của acid triflic .....................................................52
Bảng 3.1: Kết quả tính toán năng lượng của các aldehyde dẫn xuất từ imidazole ..35
Bảng 3.2: Kết quả tính toán năng lượng của các ketone dẫn xuất từ imidazole ......36
Bảng 3.3: Kết quả tính toán năng lượng của các imidazolium (dạng proton hóa lần
một của aldehyde dẫn xuất từ imidazole) .................................................................38
Bảng 3.4: Kết quả tính toán năng lượng của các monocation imidazolium (dạng
proton hóa lần một của ketone dẫn xuất từ imidazole) .............................................39
Bảng 3.5: Kết quả tính toán năng lượng của các dication imidazolium-carboxonium
(dạng proton hóa lần hai của aldehyde dẫn xuất từ imidazole) ................................41
Bảng 3.6: Kết quả tính toán năng lượng của các dication imidazolium-carboxonium
(dạng proton hóa lần hai của ketone dẫn xuất từ imidazole) ....................................43
Bảng 3.7: Điện tích APT trên Cα và C(CO) của các đồng phân dication imidazoliumcarboxonium ..............................................................................................................44
Bảng 3.8: Điện tích APT trên Cα và C(CO) của các hợp chất carbonyl ban đầu và của
dication imidazolium-carboxonium ..........................................................................45
Bảng 3.9: Độ dài liên kết Cα- C(CO) của các dication imidazolium-carboxonium ...46
Bảng 3.10: Độ dài liên kết Cα- C(CO) của các hợp chất carbonyl ban đầu và của
dication imidazolium-carboxonium ..........................................................................47
Bảng 3.11: Năng lượng HOMO, LUMO của các hợp chất carbonyl ban đầu và
dication imidazolium-carboxonium trong pha khí ....................................................48
Bảng 3.12: Năng lượng LUMO của hợp chất carbonyl ban đầu và dication
imidazolium-carboxonium trong pha khí và trong dung môi benzene .....................49

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


vii

Bảng 3.13: Chênh lệch năng lượng HOMO-LUMO các chất phản ứng trong pha khí
...................................................................................................................................49
Bảng 3.14: Sự biến đổi độ dài liên kết, góc liên kết trên các cấu trúc hình học từ
chất tham gia phản ứng (imidazolium-carboxonium của aldehyde dẫn xuất từ
imidazole) đến trạng thái chuyển tiếp .......................................................................55
Bảng 3.15: Sự biến đổi độ dài liên kết, góc liên kết trên các cấu trúc hình học từ
chất tham gia phản ứng (imidazolium-carboxonium của ketone dẫn xuất từ
imidazole) đến trạng thái chuyển tiếp .......................................................................56
Bảng 3.16: Giá trị năng lượng tự do của tác chất, trạng thái chuyển tiếp và năng
lượng hoạt hóa tương ứng .........................................................................................68
Bảng 3.17: Hằng số tốc độ của giai đoạn cộng dication superelectrophile vào
benzene lần thứ nhất..................................................................................................69
Bảng 3.18: Kết quả tính toán năng lượng của các dication superelectrophile dẫn
xuất từ imidazole sau khi tối ưu hóa bằng phương pháp B3LYP/6-311 G(d,p) .......70
Bảng 3.19: Chênh lệch năng lượng HOMO-LUMO các chất phản ứng .................71
Bảng 3.20: Năng lượng tự do của tác chất và trạng thái chuyển tiếp trong pha khí Giai đoạn cộng benzene lần thứ hai ..........................................................................78
Bảng 3.21: Hằng số tốc độ của giai đoạn cộng dication superelectrophile vào
benzene lần thứ hai ....................................................................................................78
Bảng 3.22 : Giá trị năng lượng tự do Gibbs trên tác chất, sản phẩm và tính toán ΔGo
trên các phản ứng ......................................................................................................83
Bảng 3.23: Hiệu ứng nhiệt phản ứng........................................................................84
Bảng 3.24: Tính toán giá trị hằng số cân bằng của các phản ứng được khảo sát.....85
Bảng 3.25: Kết quả tính toán năng lượng của các aldehyde và ketone dẫn xuất từ
imidazole sau khi tối ưu hóa trong dung môi benzene .............................................87
Bảng 3.26: Kết quả tính toán năng lượng của các dication imidazoliumcarboxonium (dạng proton hóa lần hai của aldehyde dẫn xuất từ imidazole) sau khi
tối ưu hóa trong dung môi benzene ...........................................................................87

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học

viii

Bảng 3.27: Kết quả tính toán năng lượng của các dication imidazoliumcarboxonium (dạng proton hóa lần hai của ketone dẫn xuất từ imidazole) sau khi tối
ưu hóa trong dung môi benzene ................................................................................88
Bảng 3.28: Năng lượng tự do của tác chất và trạng thái chuyển tiếp trong pha khí và
trong dung môi benzene - Giai đoạn cộng benzene lần thứ nhất ..............................88
Bảng 3.29: Năng lượng tự do của tác chất và trạng thái chuyển tiếp trong pha khí và
trong dung môi benzene - Giai đoạn cộng benzene lần thứ hai ................................89
Bảng 3.30: Kết quả tính toán năng lượng của các aldehyde và ketone dẫn xuất từ
imidazole sau khi tối ưu hóa bằng phương pháp HF/6-311 G(d,p) ..........................91
Bảng 3.31: Kết quả tính toán năng lượng của các dication imidazoliumcarboxonium (thuộc loại aldehyde dẫn xuất từ imidazole) sau khi tối ưu hóa bằng
phương pháp HF/6-311 G(d,p)..................................................................................91
Bảng 3.32: Kết quả tính toán năng lượng của các dication imidazoliumcarboxonium (thuộc loại ketone dẫn xuất từ imidazole) sau khi tối ưu hóa bằng
phương pháp HF/6-311 G(d,p)..................................................................................92
Bảng 3.33: Kết quả tính toán năng lượng tổng cộng của tác chất và các dication
trong phản ứng (6), nhiệt độ 323 K ...........................................................................94
Bảng 3.34: Kết quả tính toán enthalpy của các tác chất, các dication trong phản ứng
(6) sau khi tối ưu hóa (phương pháp B3LYP/6-311 G(d,p), nhiệt độ 323 K) ..........95
Bảng 3.35: Hiệu ứng nhiệt phản ứng (phương pháp B3LYP/6-311 G(d,p), nhiệt độ
323 K) trong pha khí .................................................................................................95

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Tương tác giữa HOMO của A (nucleophile) và LUMO của B
(electrophile) .............................................................................................................26
Hình 2.2: Các tổ hợp π và π* của nhóm carbonyl ...................................................27
Hình 2.3: Mô phỏng phản ứng giữa nucleophile và hợp chất carbonyl ...................28
Hình 3.1: Cấu trúc hình học của các aldehyde dẫn xuất từ imidazole sau khi tối ưu
hóa bằng phương pháp B3LYP/6-311 G(d,p) ...........................................................34
Hình 3.2: Cấu trúc hình học của các ketone dẫn xuất từ imidazole sau khi tối ưu
hóa bằng phương pháp B3LYP/6-311 G(d,p) ...........................................................36
Hình 3.3: Cấu trúc hình học của các imidazolium (dạng proton hóa lần một của
aldehyde dẫn xuất từ imidazole), phương pháp tính B3LYP/6-311G(d,p)...............37
Hình 3.4: Cấu trúc hình học của các monocation imidazolium (dạng proton hóa lần
một của ketone dẫn xuất từ imidazole), phương pháp tính B3LYP/6-311G(d,p) ....38
Hình 3.5: Cấu trúc hình học của các dication imidazolium-carboxonium (dạng
proton hóa lần hai của aldehyde dẫn xuất từ imidazole), phương pháp tính
B3LYP/6-311G(d,p)..................................................................................................40
Hình 3.6: Cấu trúc hình học của các dication imidazolium-carboxonium (dạng
proton hóa lần hai của ketone dẫn xuất từ imidazole), phương pháp tính B3LYP/6311G(d,p) ..................................................................................................................42
Hình 3.7: Hình dạng LUMO của các dication imidazolium-carboxonium..............50
Hình 3.8: Tương tác giữa HOMO của phân tử benzene và tác chất electrophile ....51
Hình 3.9: Cấu trúc trạng thái chuyển tiếp của giai đoạn cộng benzene lần thứ nhất
trong các phản ứng (1), (2) ........................................................................................53
Hình 3.10: Cấu trúc trạng thái chuyển tiếp của giai đoạn cộng benzene lần thứ nhất
trong các phản ứng (3), (4), (5) .................................................................................54
Hình 3.11: Hình biểu thị các kí hiệu của C, H, O, N được gán đại diện cho các vị trí
tương đương ở các cấu trúc (thuộc loại aldehyde dẫn xuất từ imidazole) ................55

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học

x

Hình 3.12: Hình biểu thị các kí hiệu của C, H, O, N được gán đại diện cho các vị trí
tương đương ở các cấu trúc (thuộc loại ketone dẫn xuất từ imidazole) ....................56
Hình 3.13: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 1-TS(S) trong phản
ứng (1) .......................................................................................................................58
Hình 3.14: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 1-TS(R) trong phản
ứng (1) .......................................................................................................................59
Hình 3.15: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 2-TS(S) trong phản
ứng (2) .......................................................................................................................60
Hình 3.16: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 2-TS(R) trong phản
ứng (2) .......................................................................................................................61
Hình 3.17: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 3-TS(S) trong phản
ứng (3) .......................................................................................................................62
Hình 3.18: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 3-TS(R) trong phản
ứng (3) .......................................................................................................................63
Hình 3.19: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 4-TS(S) trong phản
ứng (4) .......................................................................................................................64
Hình 3.20: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 4-TS(R) trong phản
ứng (4) .......................................................................................................................65
Hình 3.21: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 5-TS(S) trong phản
ứng (5) .......................................................................................................................66
Hình 3.22: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 5-TS(R) trong phản
ứng (5) .......................................................................................................................67
Hình 3.23: Cấu trúc của các dication imidazolium-carbonium trong giai đoạn cộng
benzene lần hai sau khi tối ưu hóa ............................................................................70
Hình 3.24: Hình ảnh LUMO của các dication imidazolium-carbonium trong giai
đoạn phản ứng cộng benzene lần hai ........................................................................71

Hình 3.25: Cấu trúc trạng thái chuyển tiếp của giai đoạn cộng benzene lần hai vào
các dication imidazolium-carbonium. .......................................................................72

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


xi

Hình 3.26: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 1-TS(2) trong phản
ứng (1) .......................................................................................................................73
Hình 3.27: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 2-TS(2) trong phản
ứng (2) .......................................................................................................................74
Hình 3.28: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 3-TS(2) trong phản
ứng (3) .......................................................................................................................75
Hình 3.29: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 4-TS(2) trong phản
ứng (4) .......................................................................................................................76
Hình 3.30: Kết quả kiểm tra IRC ứng với trạng thái chuyển tiếp 5-TS(2) trong phản
ứng (5) .......................................................................................................................77
Hình 3.31: Cấu trúc của tác chất và các dication electrophile sau khi tối ưu hóa
bằng phương pháp B3LYP/6-311G(d,p)...................................................................93

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


1

Chương 1

TỔNG
QUAN

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


2

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1.1 TÁC CHấT SUPERELECTROPHILE VÀ HƯỚNG NGHIÊN
CỨU HIỆN NAY
Từ những công bố đầu tiên về hợp chất có tâm electrophile carbocation cho
đến các nghiên cứu sau đó của Meerwein, Ingold, Hughes, Whitmore, Roberts,
Winstein, Schleyer và những nhà khoa học khác dựa trên phương pháp nhiệt động
học, hóa học lập thể v.v… cũng chỉ cho phép kết luận electrophile carbocation
(chưa thể cô lập được) là chất trung gian trong những phản ứng hóa học [29]. Cho
đến những năm 1960-1970, một số báo cáo công bố về hoạt tính electrophile của
cation tăng đáng kể trong môi trường siêu acid dần thu hút sự quan tâm của nhiều
nhà hóa học. Khái niệm “superelectrophile” được nhà hóa học George A. Ohla đề
cập đến khi khảo sát hoạt tính của các loại electrophile trong môi trường siêu acid,
ông đã áp dụng những phương pháp hóa học tiên tiến cùng thời để nghiên cứu
carbocation với thời gian tồn tại lâu hơn. Công trình nghiên cứu về
superelectrophile đã mang lại cho George A. Ohla giải thưởng Nobel vào năm
1994. Tác chất superelectrophile được tạo thành dễ dàng trong các phản ứng hữu
cơ, vô cơ và cả các phản ứng sinh hóa khi có chất xúc tác siêu acid (như CF3SO3H,
HF-BF3, FSO3H-SbF5, CF3SO3H-SbF5, …) [44].

Thông thường các dication hay trication có khả năng phản ứng mạnh với các
tác chất nucleophile, kể cả những tác chất nucleophile rất yếu. Hoạt tính hóa học
siêu mạnh của tác chất superelectrophile được tăng cường do sự tăng gấp hai hay
nhiều lần độ thiếu hụt electron bởi sự proton hóa từ các electrophile dạng cation.
Trên thế giới, quyển sách tổng quan về superelectrophile của tác giả George A.
Ohla, Superelectrophile and Their Chemistry, vừa được xuất bản năm 2007 [29] và
các bài báo công bố kết quả nghiên cứu liên quan đến superelectrophile đang được
xuất bản ngày càng nhiều [6], [19], [27], [30],[32].
Xét trên phương diện nghiên cứu hoạt tính của các superelectrophile, nếu khảo
sát đối tượng trong quá trình hóa học bằng thực nghiệm thì phương pháp phổ biến là

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


3

đo, phân tích phổ, sắc kí để xác định cấu trúc và đặc tính của phân tử [8]. Nếu xác
định cơ chế phản ứng thì phải đo và phân tích động học của phản ứng hay dùng kỹ
thuật đánh dấu đồng vị [33]. Việc thực hiện các thí nghiệm đòi hỏi đầu tư thiết bị,
thời gian, nhân lực lớn và vấn đề sẽ trở nên phức tạp nhiều nếu sản phẩm trung gian
hay gốc tự do chỉ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn. Ở nước ta, các nghiên cứu
về superelectrophile còn khá ít và nó vẫn còn là một vấn đề mới mẻ. Vì vậy, việc
nghiên cứu lý thuyết, nhằm mục tiêu sử dụng những tính chất đặc biệt và tầm ứng
dụng rộng của superelectrophile là một nhu cầu cấp thiết và mang ý nghĩa khoa học
lẫn thực tiễn.
Sự phát triển mạnh mẽ của ngành hóa lượng tử cùng sự phát triển vượt bậc
của công nghệ máy tính và các phương pháp tính toán được xây dựng trên cơ sở hóa
lượng tử hiện đại đã có thể cung cấp nhiều thông tin, đặc tính cấu trúc của phân tử

cũng như dự đoán được những kết quả của phản ứng. Những chương trình hóa học
thường được sử dụng và cho kết quả tốt như chương trình Hyperchem, Gaussian,
Mopac, Ampac… Trên cơ sở đó, việc nghiên cứu tác chất superelectrophile trở nên
dễ dàng, tiết kiệm được rất nhiều thời gian, chi phí và công sức nghiên cứu nhưng
vẫn cho kết quả tin cậy [4], [29].

1.1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nhận thấy phương pháp nghiên cứu hóa học bằng máy tính với công cụ là các
phần mềm tính toán được xây dựng trên cơ sở lý thuyết lượng tử có nhiều ưu điểm
vượt trội, đề tài đã chọn phương pháp này để khảo sát các phản ứng liên quan đến
tác chất superelectrophile dẫn xuất từ imidazole.

1.1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
¾ Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu các superelectrophile dẫn xuất từ imidazole và một số phản ứng có
sự tham gia của các tác chất này.
¾ Phạm vi nghiên cứu

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


4

Với mục tiêu khảo sát lý thuyết một số phản ứng của tác chất superelectrophile
dẫn xuất từ imidazole, nhiệm vụ cụ thể của đề tài đặt ra là thực hiện đầy đủ các tính
toán liên quan bao gồm:
-

Tối ưu hóa cấu trúc hình học của tác chất ban đầu (các dẫn xuất từ
imidazole) và sản phẩm phản ứng.

-

Tối ưu hóa cấu trúc hình học của các cation electrophile và superelectrophile
được tạo thành từ sự proton hóa các dẫn xuất từ imidazole.

-

Lấy kết quả tính toán năng lượng tổng cộng, năng lượng tự do, enthalpy của
các cấu trúc.

-

Xác định năng lượng HOMO-LUMO.

-

Xác định mật độ điện tích trên các tâm phản ứng.

-

Tối ưu hóa trạng thái chuyển tiếp.

-

Thực hiện phép tính IRC để khảo sát đường phản ứng từ trạng thái chuyển
tiếp trên mặt thế năng và hướng theo cả hai phía có cực tiểu năng lượng.

Kết quả thu được nhằm vào những mục đích cụ thể là:
-

So sánh độ bền và khả năng hoạt động của các đồng phân superelectrophile.

-

So sánh rào năng lượng của các phản ứng qua việc tính năng lượng hoạt hóa
sau khi tìm được cấu trúc trạng thái chuyển tiếp.

-

Tính toán sự biến thiên năng lượng tự do Gibbs của phản ứng.

* Tổng hợp tất cả các thông tin trên đi đến nhận định về khả năng phản ứng của các
superelectrophile so với các electrophile truyền thống.
* Kết luận sơ bộ về ảnh hưởng của dung môi đến các đối tượng khảo sát.
* So sánh và lí giải các kết quả thu được từ các phương pháp tính khác nhau trên
cùng một nhóm đối tượng nghiên cứu.

1.1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Superelectrophile được sử dụng trong nhiều phản ứng tổng hợp đồng thời là
đối tượng để nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu cơ chế phản ứng, v.v… Nhờ có hoạt
tính rất cao và phạm vi ứng dụng rộng nên thời gian gần đây superelectrophile đang
được tập trung nghiên cứu. Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, giúp hiểu rõ

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học

5

đối tượng mới (tác chất superelectrophile nói chung và tác chất superelectrophile
dẫn xuất từ imidazole nói riêng).

1.1.5 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn được trình bày trong bốn chương.
Chương 1: Tổng quan về đề tài và các đối tượng nghiên cứu.
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu bao gồm phần mềm tính toán và cơ sở lý
thuyết của phương pháp tính.
Chương 3: Kết quả và thảo luận, truy xuất những số liệu tính được và giải
thích.
Chương 4: Kết luận, nhằm tổng kết lại toàn bộ các kết quả đã đạt và đề xuất
hướng nghiên cứu tiếp theo.

1.2 TỔNG QUAN VỀ TÁC CHấT SUPERELECTROPHILE
1.2.1 ĐỊNH NGHĨA
Tác chất superelectrophile là những chất phản ứng dạng cation có hoạt tính
electrophile mạnh hơn rất nhiều so với các tác chất electrophile thông thường.
Nguyên nhân là do có sự proton hóa các tác chất electrophile dạng cation để tạo
thành các tác chất superelectrophile có sự thiếu hụt electron tăng gấp hai hay nhiều
lần [43].
Trong môi trường siêu acid, cation acetyl bị proton hóa tạo ra hoạt tính
superelectrophile. Ví dụ như việc tạo ra superelectrophile bằng sự solvat hóa bởi
siêu acid Lewis như sau:

Superelectrophile được phân loại dựa vào cấu trúc và khoảng cách giữa các tâm
tích điện. George A. Ohla phân biệt superelectrophile thành hai loại cơ bản là
gitionic và distonic superelectrophile [18].

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


6

¾ Gitionic superelectrophile:
Là những superelectrophile mà trong đó các trung tâm mang điện tích dương bị
phân cách bởi tối đa 1 carbon hay 1 nguyên tử khác loại.
Trong hệ thống Gitionic còn được phân thành ba loại dựa trên khoảng cách giữa
các điện tích:
+ Geminal: có điện tích định xứ xung quanh một nguyên tử.
+ Vicinal: 1,2-dication.
+ 1,3-dication.

¾ Distonic superelectrophile:
Là những superelectrophile mà trong cấu trúc của nó, các trung tâm mang điện
tích dương bị phân cách bởi 2 hay nhiều hơn nguyên tử carbon hay nguyên tử khác
loại. Loại distionic superelectrophile có sự khác biệt so với tâm onium tích điện ở
chỗ tâm onium tích điện biệt lập với các tâm electrophile. Trong những trường hợp
như thế thì các dication onium không khác nhiều so với monocation electrophile.

Bảng 1.1: Một số ví dụ về các loại superelectrophile
Có hai loại tương tác tạo ra tác chất superelectrophile. Loại thứ nhất là tác chất
superelectrophile được hình thành bởi sự tương tác của các cation electrophile với

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


7

acid Lewis hoặc acid Bronsted. Loại thứ hai là tác chất superelectrophile được tạo
thành do sự proton hóa lần hai hay sự tạo phức lần hai ở vị trí gần vị trí cation sinh
ra do sự tạo phức lần một [29].
O

OH

OH2

H+

O
N

H

H+

H+

H
N

O
H

H+

H
N

OH
H

Sơ đồ 1.1: Sự hình thành gitionic superelectrophile và distonic
superelectrophile

1.2.2 SỰ TỒN TẠI CỦA CÁC SUPERELECTROPHILE TRONG MÔI
TRƯỜNG TRƯỚC PHẢN ỨNG
Sau khi được tăng cường mức độ thiếu hụt điện tử, các carbocation có thể
phản ứng ngay với tác chất nucleophile yếu, người ta vẫn không ngừng tìm những
điều kiện để kéo dài thời gian sống của chúng để phục vụ nghiên cứu. Nhận thấy
rằng, khi một tác chất thiếu hụt điện tử có khả năng phản ứng cao với chất
nucleophile yếu thì nhất thiết tác chất đó phải được đặt trong một dung môi không
có khả năng phối hợp với nó và phải có một “anion không phối hợp” (noncoordinating anions) trong vai trò đối ion của nó. Trên cơ sở đó, người ta đã đề xuất
ra các thuật ngữ “dung môi không phối trí” (non-coordinating solvents) và “anion
không phối hợp”. Ví dụ như muốn tạo thành những mảnh ion có độ thiếu hụt điện
tử cao như trialkylsilyl đòi hỏi phải dùng các anion không có tính nucleophile. Đến
năm 1973, các thuật ngữ này bị nhiều ý kiến phản bác gay gắt khi nhóm nghiên cứu
của Rosenthal chứng tỏ các ion superelectrophile có thể tồn tại trong dung môi
toluene thay vì phải có các “anion không phối hợp”. Rõ ràng những khái niệm này
chứa đựng trong nó nhiều yếu tố bất hợp lý. Cho đến công trình của Olah, chúng

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


8

hoàn toàn được loại bỏ và thay thế bằng những thuật ngữ chính xác hơn như “anion
phối hợp kém” (least coordinating) hay “anion phối hợp rất yếu” (weakly
coordinating) [29].
Đến nay người ta vẫn nỗ lực tìm kiếm những “anion phối hợp yếu” để làm đối
ion cho các superelectrophile. Cũng giống như vai trò base liên hợp của siêu acid,
những anion như thế được mô tả là có điện tích âm đặt trên toàn bộ tiểu phân và
không có nguyên tử cá biệt nào mang trên mình nó điện tích thực. Thông thường
những ion này hay có những nguyên tử hidro hay fluor bao quanh ở phần ngoại
biên, như vậy tránh được sự hình thành trên bề mặt những tâm base-Lewis. Điển
hình thường gặp cho những anion phối hợp kém là các ion borate: Chẳng hạn BF4của Meerwein, [B(C6F5)4]- và [B(OTeF5)4]- của Wittig, hay các anion SbF6- hoặc
SbF6-(SbF5)n của Olah. Nhiều nhóm anion khác cũng được ứng dụng hiệu quả trong
vai trò xúc tác hay vai trò đối ion cho các superelectrophile.

1.2.3 DANH PHÁP
Để phân biệt các đồng phân quang học tạo thành trong quá trình phản ứng, đề
tài đã sử dụng các quy tắc gọi tên được đề nghị trong hệ danh pháp R-S của IUPAC
(dùng để gọi tên các đồng phân quang học). Theo hệ thống này, bốn nguyên tử (hay
nhóm nguyên tử) ở carbon phi đối xứng (C*) được sắp xếp theo trình tự độ hơn cấp
a>b>c>d. Sau đó nhìn thẳng theo trục C*-d, nếu thứ tự a,b,c đi theo chiều kim đồng
hồ thì cấu hình là R (tiếng Latinh Rectus có nghĩa là phải), nếu trình tự đó ngược
với chiều kim đồng hồ, phân tử có cấu hình S (Sinister có nghĩa là trái).

1.2.4 ỨNG DỤNG
Kể từ những công bố đầu tiên của George A. Olah [29], hoạt tính đặc biệt của
tác chất superelectrophile được xác nhận trong nhiều phản ứng hữu cơ, vô cơ và hóa

sinh. Nhờ có hoạt tính đặc biệt, các tác chất superelectrophile đã được khai thác triệt
để trong các phản ứng tổng hợp khác nhau và trong việc nghiên cứu cơ chế phản
ứng. Tác chất superelectrophile còn là đề tài của nhiều nghiên cứu lý thuyết và một

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


9

số tác chất superelectrophile có thể nhận biết được bằng các phương pháp vật lý
(phương pháp quang phổ, phương pháp pha khí, v.v...).
Do tầm quan trọng của hóa học electrophile nói chung và sự xúc tác siêu acid
nói riêng, đến nay, tác chất superelectrophile vẫn thu hút nhiều sự quan tâm từ các
nhà nghiên cứu [28], [29].

1.3 TỔNG QUAN VỀ IMIDAZOLE VÀ CÁC PHẢN ỨNG
ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA CÁC
SUPERELECTROPHILE DẪN XUẤT TỪ IMIDAZOLE
1.3.1 IMIDAZOLE
Danh pháp quốc tế (IUPAC): 1,3-diazacyclopenta-2,4-dien

Imidazole là một hợp chất hữu cơ với công thức phân tử là C3H4N2, đây là hợp
chất dị vòng được xếp vào loại alkaloid. Imidazole có cấu trúc vòng 5 phẳng, có
tính phân cực cao nên có thể hòa tan trong nước và các dung môi phân cực khác.
Một số cấu trúc cộng hưởng của imidazole:

Imidazole vừa có tính base và tính acid yếu. Rất nhiều loại dược phẩm được
tổng hợp có chứa vòng imidazole, nổi bật nhất là amino acid histidine. Histidine có

mặt trong rất nhiều protein và enzyme, nó đóng vai trò rất quan trọng trong cấu trúc
và kết nối nhóm chức của hermoglobin. Histidine có thể bị loại nhóm carboxyl để
tạo thành histamine, một hợp chất sinh học phổ biến.
Imidazole đóng góp một vai trò rất quan trọng trong công nghiệp dược phẩm
[41]. Các dẫn xuất từ imidazole hiện diện nhiều trong các loại thuốc chống nấm,

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


10

chữa cao huyết áp… Imidazole là một phần của phân tử theophylline, được tìm thấy
trong lá trà và hạt cà phê có tác dụng kích thích hệ thần kinh trung ương. Ngoài ra
imidazole còn có mặt trong các dược phẩm chống ung thư.
Các dẫn xuất từ imidazole rất có giá trị trong việc chữa trị các bệnh về nấm, nhiễm
trùng. Loại dẫn xuất này được xếp vào nhóm Azole chống nấm, gồm có:
-

Ketoconazole

-

Miconazole

-

Clotrimazole

Một nhóm khác của Azole là Triazole, gồm có:
-

Fluconazole

-

Itraconazole

-

Voriconazole

1.3.2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHẢN ỨNG ĐƯỢC NGHIÊN CỨU
1.3.2.1 Phản ứng hydroxyalkyl hóa aldehyde và ketone dẫn xuất từ
imidazole
Phản ứng hydroxyalkyl hóa của aldehyde và ketone với các hợp chất hương
phương dưới sự xúc tác của acid đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp tổng
hợp polymer và tổng hợp dược phẩm. Gần đây, một số bài báo đề cập đến phản ứng
hydroxyalkyl hóa liên quan đến các superelectrophile từ hợp chất dị vòng có chứa N
(pyridine, thiazole và quinoline…) trên cả hai phương diện lý thuyết và thực
nghiệm [34]. Nhóm nghiên cứu gồm Douglas A.Klump, Yiliang Zhang, Patrick
J.Kindelina và Siufu Lau đã công bố công trình nghiên cứu lý thuyết đối với
superelectrophile dication pyridinecarboxaldehyde trong vai trò chất trung gian của
phản ứng hydroxyalkyl hóa với benzene, một tác chất nucleophile kém trong điều
kiện siêu acid triflic [20]. Công trình nghiên cứu này đã chứng tỏ được sự hình
thành nên superelectrophile dication pyridiniumcarboxonium trong tiến trình phản
ứng bằng việc cô lập và kiểm tra với phổ cộng hưởng từ hạt nhân C13 (NMR C13).
Từ kết quả thực nghiệm đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện công việc tính toán so

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


11

sánh độ bền của các cấu trúc đồng phân có thể có của các dication superelectrophile
bằng phương pháp tính DFT sử dụng bộ hàm B3LYP/6-311G(d,p) và tiên đoán cấu
trúc bền nhất của dication này.
Kết quả thực nghiệm nghiên cứu hoạt tính electrophile của một số hợp chất
dẫn xuất từ imidazole cho thấy superelectrophile dẫn xuất từ imidazole có khả năng
là tác chất hiệu quả cho phản ứng hydroxyalkyl hóa [34]. Các hợp chất aldehyde và
ketone dẫn xuất từ imidazole được sử dụng nghiên cứu trong đề tài gồm:

1-methyl-1H-imidazole-2-carbaldehyde

1H-imidazole-5-carbaldehyde

4-methyl-1H-imidazole-5-carbaldehyde

1-methyl-2-acetyl-1H-imidazole

1-(1H-imidazol-5-yl)ethanone
Để khẳng định hoạt tính electrophile mạnh của các hợp chất carbonyl dẫn xuất
từ imidazole trong môi trường siêu acid, các đối tượng này được khảo sát trong
chuỗi phản ứng hydroxyalkyl hóa với một hợp chất có tính nucleophile rất yếu là
benzene. Các phản ứng khảo sát được dựa trên kết quả thực nghiệm đã được công
bố trên một số bài báo khảo sát hoạt tính superelectrophile dẫn xuất từ imidazole
[34].

Các phản ứng được khảo sát gồm:
¾ Phản ứng hydroxyalkyl hóa aldehyde dẫn xuất từ imidazole:
CF3SO3H
C6H6

Cao học Hóa Lý khóa 18

(1)

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


12

CF3SO3H

(2)

C6H6

(

CF3SO3H

(3)

C6H6

¾ Phản ứng hydroxyalkyl hóa ketone dẫn xuất từ imidazole:

CF3SO3H

(4)

C 6H 6

CF3SO3H

(5)

C6H6
Theo kết quả nghiên cứu, mặc dù acetophenone được proton hóa trong môi
trường siêu acid nhưng không thể tham gia phản ứng với benzene [29]. Việc nghiên
cứu hoạt tính electrophile của các hợp chất ketone dẫn xuất từ imidazole thông qua
phản ứng với benzene có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá tính chất
superelectrophile của loại dẫn xuất này.
Để tìm hiểu cơ chế phản ứng với hai lần cộng benzene (xúc tác acid triflic),
các phản ứng (1), (2), (3), (4), (5) được khảo sát trong điều kiện:
- Pha khí, nhiệt độ 25oC.
- Dung môi benzene, nhiệt độ 25 oC (điều kiện thực tế của phản ứng) [34].

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


13

1.3.2.2 Phản ứng alkyl hóa alcol dẫn xuất từ imidazole – Hiệu ứng đẩy
điện tích - điện tích

Hiệu ứng đẩy điện tích - điện tích (charge - charge repulsive) của các hợp chất
superelectrophile trên cơ sở dication là mảng đề tài lớn trong lĩnh vực nghiên cứu
các phản ứng của tác chất superelectrophile [18]. Theo nghiên cứu, dưới sự điều
khiển của hiệu ứng đẩy điện tích - điện tích, dạng 1,3-dication được tạo thành từ
dẫn xuất alcol của pyridine biến đổi sang dạng 1,4-dication, từ đó sản phẩm sinh ra
cũng có sự thay đổi tương ứng với dạng dication được tạo thành [34]:

Phương pháp thực nghiệm đánh dấu đồng vị đã chứng minh có sự di chuyển
điện tích trên superelectrophile được tạo thành từ dẫn xuất alcol của thiazole (trong
môi trường siêu acid). Theo khảo sát lý thuyết trên phương diện nhiệt động học thì
dạng 1,3-dication từ dẫn xuất thiazole trên có năng lượng cao hơn dạng 1,4-dication
khoảng 16 kcal/mol, do đó một phần dạng 1,3-dication đã chuyển thành dạng 1,4dication bền hơn, cũng theo đó mà sản phẩm sinh ra là hỗn hợp tương ứng với hai
dạng dication được hình thành trong quá trình phản ứng [29].
Từ các kết quả thực nghiệm trên báo cáo khảo sát hiệu ứng đẩy điện tích điện tích của superelectrophile dẫn xuất từ imidazole [34], đề tài tiến hành khảo sát

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học


14

nhiệt động học phản ứng nhằm làm sáng tỏ sự xuất hiện của hỗn hợp sản phẩm
được sinh ra.
Phản ứng được khảo sát như sau:

CF3SO3H
C 6H 6

+

(6)

Phản ứng (6) sẽ lần lượt được nghiên cứu trong điều kiện:
-

Phản ứng trong pha khí, nhiệt độ 50 oC.

-

Phản ứng trong dung môi chloroform, nhiệt độ 50 oC (điều kiện thực tế của
phản ứng) [34].

Cao học Hóa Lý khóa 18

Luận văn Thạc sĩ Hóa học