Nghiên cứu liên kết hydro c h∙∙∙n trong các phức tương tác của CHF3 với XCN (x= h, f, cl, br, CH3) bằng phương pháp hóa học lượng tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN TRƯỜNG AN

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT HYDRO C-H∙∙∙N
TRONG CÁC PHỨC TƯƠNG TÁC CỦA CHF3 VỚI XCN
(X = H, F, Cl, Br, CH3) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC LƯỢNG TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ: HĨA LÝ THUYẾT VÀ HĨA LÝ

Bình Định – Năm 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN TRƯỜNG AN

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT HYDRO C-H∙∙∙N
TRONG CÁC PHỨC TƯƠNG TÁC CỦA CHF3 VỚI XCN
(X = H, F, Cl, Br, CH3) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HĨA HỌC LƯỢNG TỬ

Chun ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 8440119

Người hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN TIẾN TRUNG


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu

và kết quả sử dụng trong luận văn là trung thực và chưa từng được cơng bố
trong các cơng trình khoa học khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu được
trích dẫn và ghi nguồn theo đúng quy định.

Tác giả
Nguyễn Trường An


LỜI CẢM ƠN
Với sự kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy
PGS.TS. Nguyễn Tiến Trung đã ln tận tình giảng dạy, chỉ bảo, hướng dẫn và
động viên em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Em cũng muốn gửi lời cảm ơn đến cô PGS.TS. Vũ Thị Ngân cùng quý
Thầy Cô giáo trong Khoa Khoa học Tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn đã
trang bị cho em những kiến thức khoa học bổ ích, ý nghĩa để em có thể hồn
thành tốt luận văn.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Ngọc Trí, chị Phan Đặng
Cẩm Tú cùng các anh, chị, em trong Phịng thí nghiệm hóa học tính tốn và mơ
phỏng (LCCM) – trường Đại học Quy Nhơn đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên
tơi trong suốt q trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tơi xin gửi lời cảm ơn Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup (VinIF) đã tài trợ
Học bổng hỗ trợ đào tạo để thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè ln ở bên động
viên, giúp đỡ và tạo điều kiện giúp tơi có thêm động lực, niềm tin để hoàn thành
luận văn tốt nghiệp này.
Bình Định, ngày 18 tháng 9 năm 2020
Tác giả
Nguyễn Trường An

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1
2. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu............................................................. 5
3. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 8
4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 8
5. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 8
5.1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết ............................................................................8
5.2. Phương pháp tính tốn hóa học lượng tử .....................................................9
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................. 9
7. Cấu trúc luận văn .................................................................................................. 10
Chương 1. Cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử.....................................................10
Chương 2. Khái quát về liên kết hydro và hệ chất cần nghiên cứu ...................10
Chương 3. Kết quả và thảo luận ........................................................................10
Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC LƯỢNG TỬ ................................ 11
1.1. Phương trình Schrưdinger .................................................................................. 11
1.2. Sự gần đúng Born-Oppenheimer ....................................................................... 12
1.3. Nguyên lý phản đối xứng hay nguyên lý loại trừ Pauli ............................................ 13
1.4. Hàm sóng của hệ nhiều electron ........................................................................ 13
1.5. Cấu hình và trạng thái spin electron................................................................... 14
1.6. Bộ hàm cơ sở ...................................................................................................... 15
1.6.1. Một số khái niệm về bộ hàm cơ sở ...........................................................15
1.6.2. Phân loại bộ hàm cơ sở ...........................................................................15
1.7. Các phương pháp gần đúng hoá học lượng tử ................................................... 17
1.7.1. Sự tính bán kinh nghiệm ..........................................................................17
1.7.2. Phương pháp Hartree–Fock và phương trình Roothaan ........................17
1.7.3. Phương pháp nhiễu loạn..........................................................................21

1.7.4. Phương pháp tương tác cấu hình (Configuration Interaction – CI)................23
1.7.5. Phương pháp chùm tương tác CC (Coupled cluster) ..............................24
1.7.6. Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT) .............25


1.8. Thuyết nhiễu loạn phù hợp đối xứng (Symmetry Adapted Perturbation Theory SAPT) ........................................................................................................................ 27
1.9. Orbital phân tử khu trú (LMO), orbital thích hợp (NO), orbital nguyên tử thích
hợp (NAO) và orbital liên kết thích hợp (NBO) ....................................................... 29
1.9.1. Orbital phân tử khu trú ............................................................................29
1.9.2. Orbital thích hợp, orbital nguyên tử thích hợp và orbital liên kết thích hợp ....29
1.10. Sai số do chồng chất bộ cơ sở (BSSE) ............................................................. 30
1.11. Thuyết AIM ...................................................................................................... 31
CHƯƠNG 2. KHÁI QUÁT VỀ LIÊN KẾT HYDRO VÀ HỆ CHẤT NGHIÊN
CỨU .......................................................................................................................... 35
2.1. Liên kết hydro .................................................................................................... 35
2.1.1. Khái niệm và phân loại liên kết hydro .....................................................35
2.1.2. Tầm quan trọng của liên kết hydro ..........................................................37
2.1.3. Liên kết hydro chuyển dời đỏ (Red-shifting hydrogen bond) và liên kết
hydro chuyển dời xanh (Blue-shifting hydrogen bond) .....................................37
2.1.4. Phương pháp thực nghiệm và lý thuyết nghiên cứu liên kết hydro .........40
2.2. Hệ chất nghiên cứu............................................................................................. 42
2.2.1. Giới thiệu chung hệ chất nghiên cứu .......................................................42
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................44
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 46
3.1. Thông số hình học của các monome .................................................................. 46
3.2. Tương tác của CHF3 với XCN (X = H, F, Cl, Br, CH3) .................................... 47
3.2.1. Cấu trúc hình học và phân tích AIM .......................................................47
3.2.2. Năng lượng tương tác ..............................................................................54
3.2.3. Sự thay đổi độ dài, tần số dao động hóa trị của liên kết C-H khi phức hình
thành và phân tích NBO .........................................................................................58

3.2.4. Phân tích SAPT2+ ...................................................................................68
3.2.5. Nhận xét ...................................................................................................76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 77
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Các kí hiệu
∆E:

Năng lượng tương tác của phức

∆r:

Biến thiên độ dài liên kết

∆ν:

Biến thiên tần số dao động hóa trị

ρ(r):

Mật độ electron tại điểm tới hạn liên kết

λ1, λ2, λ3:

Các trị riêng của ma trận mật độ Hessian

2ρ(r):

Laplacian tại các điểm tới hạn liên kết

H(r):

Tổng mật độ năng lượng electron khu trú tại BCP

V(r):

Mật độ thế năng electron khu trú tại BCP

G(r):

Mật độ động năng electron khu trú tại BCP

∆%s:

Biến thiên phần trăm đặc tính orbital s

∆σ*:

Biến thiên mật độ electron trên orbital phản liên kết

2. Các chữ viết tắt
AIM:

Atom In Molecule (thuyết nguyên tử trong phân tử)

BCP:

Bond Critical Point (điểm tới hạn liên kết)

BSHB:

Blue-Shifting Hydrogen Bond (liên kết hydro chuyển dời xanh)

BSSE:

Basis Set Superposition Error (sai số do chồng chất bộ cơ sở)

CC:

Coupled Cluster (chùm tương tác)

CP:

Critical Point (điểm tới hạn)

DFT:

Density Functional Theory (thuyết phiếm hàm mật độ)

DPE:

Deprotonation Enthalpy (enthalpy tách proton)

EDT:

Electron Density Transfer (sự chuyển mật độ electron)

GTO:

Gaussian Type Orbital (orbital kiểu Gaussian)

HF:

Hartree – Fock (ký hiệu tên phương pháp)


LMO:

Local Molecular Orbital (orbital phân tử khu trú)

MP2:

Moller Plesset 2 (phương pháp nhiễu loạn bậc 2)

NAO:

Natural Atom Orbital (orbital nguyên tử thích hợp)

NBO:

Natural Bond Orbital (orbital liên kết thích hợp)

NMR:

Nuclear Magnetic Resonance (phổ cộng hưởng từ hạt nhân)

NO:

Natural Orbital (orbital thích hợp)

PA:

Proton Affinity (ái lực proton)

SAPT:

Symmetry Adapted Perturbation Theory (thuyết nhiễu loạn phù
hợp đối xứng)

SCF:

Self Consistent Field (trường tự hợp)

STO:

Slater Type Orbitan (orbital kiểu Staler)

VBSCF:

Valence Bond Self Consistent Field (cộng hóa trị trường tự hợp)

ZPE:

Zero Point Energy (năng lượng dao động điểm không)

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

Thơng số hình học của các dẫn xuất cyanide XCN tại
3.1

MP2/6-311++G(3df,2pd) và giá trị thực nghiệm tương ứng

46

với X = H, F, Cl, Br, CH3
3.2

Thông số hình học của fluoroform (CHF3) tại
MP2/6-311++G(3df,2pd) và giá trị thực nghiệm tương ứng

47

Khoảng cách tương tác, mật độ electron, Laplacian,
3.3

mật độ năng lượng electron tại BCP và năng lượng riêng

50

của mỗi liên kết hydro C-H∙∙∙N
Năng lượng tương tác (kJ.mol-1) của các phức tương ứng
3.4

với sự cố định khoảng cách liên phân tử H∙∙∙N tại các giá trị

54

khác nhau
Năng lượng tương tác (kJ.mol-1) của các phức tương ứng
3.5

với sự cố định khoảng cách liên phân tử C∙∙∙N tại các giá trị

55

khác nhau
Giá trị ái lực proton (PA) của XCN, enthalpy tách proton
3.6

(DPE) của CHF3 tính ở mức MP2/6-311++G(3df,2pd)

56

và tỷ số DPE/PA
Sự thay đổi độ dài (∆r), tần số dao động hóa trị (∆ν)
3.7

của liên kết C-H trong các phức so với monome tương ứng

58

và kết quả phân tích NBO
3.8

Kết quả phân tích SAPT2+ của phức tương tác (kJ.mol-1)
tại MP2/aug-cc-pVDZ

68


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8

Tên hình
Cấu trúc bền và hình học topo của các phức được hình thành
bởi tương tác của CHF3 với XCN (với X = H, F, Cl, Br, CH3)
Mối liên hệ giữa mật độ electron tại BCP của liên kết hydro
ρ(r) với năng lượng riêng của mỗi liên kết hydro EHB
Mối liên hệ giữa khoảng cách của liên kết R(H∙∙∙N)
với năng lượng riêng của mỗi liên kết hydro EHB

Hai trường hợp cố định khoảng cách liên phân tử
(H∙∙∙N và C∙∙∙N) ở các giá trị khác nhau
Sự thay đổi giá trị ρ(r) và 2(ρ(r)) trong các phức khảo sát
với việc cố định khoảng cách liên phân tử H∙∙∙N
Sự thay đổi giá trị ρ(r) và 2(ρ(r)) trong các phức khảo sát
với việc cố định khoảng cách liên phân tử C∙∙∙N
Năng lượng tương tác của các phức liên kết hydro tại các
giá trị khoảng cách liên phân tử khác nhau (H∙∙∙N và C∙∙∙N)
Mối liên hệ giữa sự thay đổi tần số dao động hóa trị
và sự thay đổi độ dài liên kết C-H trong các phức

Trang
48
51
51
52
53
53
57
59

Sự thay đổi độ dài liên kết ∆r (Å) và tần số dao động hóa trị
3.9

∆ν (cm-1) của liên kết C-H trong tương tác tại các giá trị

63

khoảng cách liên phân tử H∙∙∙N
Sự thay đổi độ dài liên kết ∆r (Å) và tần số dao động hóa trị

3.10 ∆ν (cm-1) của liên kết C-H trong tương tác tại các giá trị

63

khoảng cách liên phân tử C∙∙∙N
3.11

Mơ hình hóa tương tác tĩnh điện cho các trường hợp cố định
khoảng cách liên phân tử H∙∙∙N, C∙∙∙N ở vùng khoảng cách xa

65


3.12

Mơ hình hóa tương tác tĩnh điện cho một liên kết hydro
chuyển dời xanh thông thường

65

a) Năng lượng (kJ.mol-1) của các hợp phần đóng góp vào độ
bền của phức F3CH···NCF theo phân tích SAPT2+ tương ứng
3.13

với các giá trị khoảng cách liên phân tử H···N khác nhau
b) Phần trăm (%) đóng góp của hợp phần tĩnh điện

73

và phân tán trong độ bền của phức F3CH···NCF tương ứng

với các giá trị khoảng cách liên phân tử H···N khác nhau
a) Năng lượng (kJ.mol-1) của các hợp phần đóng góp vào độ
bền của phức F3CH···NCF theo phân tích SAPT2+ tương ứng
3.14

với các giá trị khoảng cách liên phân tử C···N khác nhau
b) Phần trăm (%) đóng góp của hợp phần tĩnh điện

74

và phân tán trong độ bền của phức F3CH···NCF tương ứng
với các giá trị khoảng cách liên phân tử C···N khác nhau
Phần trăm đóng góp của hợp phần năng lượng cảm ứng %Eind
3.15 trong các phức khảo sát với việc cố định các khoảng cách
liên phân tử tương ứng

75


-1-

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong số các tương tác khơng cộng hóa trị được hình thành trong nhiều
hệ phân tử, liên kết hydro được coi là một trong những tương tác điển hình nhất
trong hóa học, sinh học và khoa học vật liệu, nhận được nhiều sự chú ý trong
những năm gần đây [16],[26],[52],[53],[62],[78]. Điều này được minh chứng
bằng một số lượng lớn các nghiên cứu khác nhau về tương tác giữa chất cho
proton (H) và chất nhận proton (B = O, N, S, halogen và π) đã được cơng bố
[23],[26],[48],[68],[90]. Trong đó, vai trị quan trọng của liên kết hydro được

thừa nhận trong việc: xác định cấu trúc và tính chất của nước ở nhiều pha khác
nhau, cũng như khả năng hòa tan của các phân tử khác trong dung mơi nước;
định hướng hình thành tinh thể phân tử với thuận lợi là liên kết yếu và linh động
về mặt năng lượng nên dễ hình thành và bị cắt đứt; nắm bắt mối liên hệ giữa
cấu trúc hệ vi mô trong các đại phân tử sinh học như protein, ADN và ARN đối
với chức năng của tế bào và hoạt động của một số enzim tham gia vào các phản
ứng sinh hóa trong cơ thể, với mục đích phục vụ cho việc thiết kế những phân
tử thuốc mới [62].
Quá trình hình thành và phát triển trong việc nghiên cứu về liên kết hydro
trải qua những dấu mốc đáng chú ý. Xuất phát từ công bố vào năm 1931 khi
nghiên cứu về bản chất của liên kết, [69] Linus Pauling đã đưa ra khái niệm
“Liên kết hydro” lần đầu tiên. Về sau, thuật ngữ này còn được biết đến với tên
gọi liên kết hydro cổ điển (hay liên kết hydro chuyển dời đỏ - red-shifting
hydrogen bond) [70]. Liên kết hydro chuyển dời đỏ có thể được biểu diễn dưới
dạng A−H∙∙∙B, trong đó A, B thường là một nguyên tử (hoặc một nhóm nguyên
tử) có độ âm điện lớn hơn độ âm điện của nguyên tử H và B là một bazơ Lewis
giàu electron (có một hoặc nhiều hơn cặp electron tự do) [34]. Liên kết hydro
được hình thành do sự tương tác giữa phần tử cho proton A−H và phần tử nhận


-2-

proton B. Khái niệm này ngày càng được mở rộng minh chứng bởi việc xuất
hiện nhiều hơn trong tương tác của nhiều nguyên tố: ban đầu với các nguyên tố
ở phần tử cho proton như F, O, N rồi sau đó là những nguyên tố như S, C, I, Si,
Te. Thậm chí đối với trường hợp các nguyên tố kim loại cũng tìm thấy sự tồn
tại của loại liên kết này [34],[51],[61],[71],[78]. Trong khi đó, trường hợp phần
tử nhận proton B cịn ghi nhận đối với vùng có mật độ electron lớn như anion
hoặc hệ liên kết π (hợp chất khơng no, vịng thơm) [34]. Nhìn chung, bản chất
của liên kết hydro cổ điển do tương tác hút tĩnh điện quyết định. Thuộc tính

tiêu biểu của chúng là liên kết A−H bị kéo dài (kém bền hơn) cùng với sự giảm
tần số dao động hóa trị của liên kết này khi phức hình thành so với monome
ban đầu (dịch chuyển về vùng sóng dài). Nguyên nhân chủ yếu gây ra những
thuộc tính trên là do sự chuyển mật độ electron mạnh từ phần tử nhận proton B
đến orbital phản liên kết của A−H, kí hiệu σ*(A−H) [35],[39],[50]. Tuy nhiên,
khởi đầu đối với nghiên cứu của Hobza và cộng sự, một số nghiên cứu lý thuyết
cũng như thực nghiệm đã phát hiện và xác định một loại liên kết hydro mới có
đặc trưng hồn tồn trái ngược với liên kết hydro chuyển dời đỏ. Cụ thể là sự
rút ngắn độ dài liên kết A−H, tăng tần số và giảm cường độ dao động hóa trị
trong phổ hồng ngoại. Loại liên kết hydro này được gọi là “phản liên kết hydro”
(anti-hydrogen bond) hay liên kết hydro chuyển dời xanh (blue-shifting
hydrogen bond - BSHB) [43],[46],[47]. Sự phát hiện này đòi hỏi các nhà hóa
học cần nhìn nhận lại vấn đề về liên kết hydro.
Mặc dù vẫn còn nhiều câu hỏi, lập luận liên quan đến đặc điểm, nhưng
việc chỉ ra bản chất của liên kết hydro chuyển dời xanh một cách tổng quát vẫn
chưa được đưa ra. Một số giải thích đã được trình bày để chỉ ra yếu tố nào đã
ảnh hưởng vào việc hình thành phức với liên kết hydro này. Hầu hết các mơ
hình/thuyết đều dựa trên sự thay đổi các thuộc tính khi phức hình thành
[38],[66],[72],[79]. Cụ thể, Hobza và cộng sự đã cho rằng đặc điểm quan sát


-3-

được trong BSHB là kết quả của sự chuyển mật độ electron từ chất nhận proton
đến phần xa của chất cho proton và điều này gây nên sự sắp xếp lại cấu trúc
phân tử [43]. Ý tưởng thứ hai được đưa ra cho thấy ái lực electron của A khi có
mặt B (ở khoảng cách ngắn đặt đối diện) gây ra sự tăng mật độ electron tại vùng
liên kết A−H và từ đó gây ra sự rút ngắn liên kết [38],[78]. Sự rút ngắn độ dài
liên kết A−H còn được đề xuất xảy ra do trường điện của B và đạo hàm momen
lưỡng cực âm của phần tử cho proton theo sự thay đổi độ dài liên kết A−H

[60],[72],[74]. Một cách giải thích khác dựa trên hai mơ hình: i) sự tái lai hóa
trên nguyên tử A và tương tác siêu liên hợp ngoại phân tử chuyển cặp electron
riêng từ B đến σ*(A−H) yếu [5]; ii) sự chuyển mật độ electron từ bên phải của
H về phía liên kết A−H nhờ vào sự có mặt của phần tử cho electron B, kết quả
làm liên kết A−H bền hơn [54]. Tuy nhiên, một số tác giả cho rằng khơng có
sự khác nhau thực sự giữa hai loại liên kết hydro, sự khác nhau về kiểu liên kết
chỉ xét ở mức độ do ảnh hưởng khác nhau của các thuộc tính. Ví dụ, người ta
giải thích bản chất của hai loại liên kết trên dựa vào hai yếu tố có tính chất đối
lập nhau. Một là do sự thay đổi tỷ lệ phần trăm s của nguyên tử A do sự tái lai
hóa và sự phân cực của liên kết A−H, và hai là tương tác liên phân tử từ cặp
electron tự do đến orbital phản liên kết σ*(A−H) [5],[38],[79]. Đáng chú ý, một
nghiên cứu mới được công bố gần đây bởi Joseph và Jemmis về bản chất liên
kết hydro chuyển dời xanh bằng phương pháp VBSCF cho thấy bản chất sự
chuyển dời xanh hay đỏ là sự cạnh tranh giữa thuộc tính cộng hóa trị và thuộc
tính ion của liên kết A−H trong phân tử cho proton [19]. Nhìn chung, mỗi mơ
hình đều có ưu, nhược điểm riêng và chúng tơi nhận thấy có thể phân loại và
giải thích bản chất liên kết hydro chuyển dời xanh dựa vào thuộc tính đặc trưng
của các monome ban đầu. Đó là dựa vào độ phân cực của liên kết A−H (đặc
trưng bởi giá trị enthalpy tách proton (DPE)) và độ bazơ pha khí của phần từ
nhận proton B (đặc trưng bởi giá trị ái lực proton (PA)). Với hướng nghiên cứu


-4-

này, nhóm nghiên cứu của chúng tơi đã đạt được một số kết quả nổi bật thể hiện
trong các công bố trước đây [21],[84],[85],[86]. Hơn nữa, việc giải thích sự
hình thành liên kết hydro cũng khảo sát sự đóng góp của các hợp phần năng
lượng đến độ bền của liên kết hydro và sự chuyển từ liên kết hydro chuyển dời
xanh sang liên kết hydro chuyển dời đỏ khi thay đổi khoảng cách giữa phần tử
cho và nhận proton.

Các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về liên kết hydro với tương tác
kiểu C-H∙∙∙B (B là nguyên tử có độ âm điện lớn hoặc vùng có mật độ electron
cao) đã được tiến hành [26],[43],[87]. Trong các tương tác này (như C-H∙∙∙O,
C-H∙∙∙N, C-H∙∙∙F, C-H∙∙∙S và C-H∙∙∙π), liên kết C-H cho thấy cả sự chuyển dời
đỏ [8],[24],[55] và chuyển dời xanh [17],[25],[82] khi phức hình thành. Đặc
biệt, liên kết hydro C-H∙∙∙N là một trong những tương tác phổ biến được nghiên
cứu bởi vai trị quan trọng của nó trong cấu trúc phân tử của tinh thể và đại
phân tử sinh học thiết yếu đối với sự sống [14],[15]. Mỗi protein trong cấu tạo
có rất nhiều liên kết hydro C-H∙∙∙N và đối với những protein lớn có đến hàng
nghìn liên kết. Việc hiểu nơi một protein định vị và tính chất của nó là rất quan
trọng, nhưng để hiểu điều này cần phải biết vị trí và cách thức liên kết. Do vậy,
việc khảo sát có hệ thống để đánh giá độ bền và bản chất các liên kết hydro
kiểu C-H∙∙∙N là cần thiết. Những kết quả đạt được sẽ giúp giải thích bản chất lý
hóa của các liên kết hydro, đánh giá sự đóng góp của chúng đến độ bền của các
cặp bazơ nitơ trong ADN hay ARN. Bên cạnh đó, những kết quả đạt được có
thể dẫn đến việc hiểu rõ hơn các tương tác khơng cộng hóa trị khác, rất quan
trọng để hiểu những điều thú vị chưa được biết đến của chức năng tế bào trong
các vấn đề sức khỏe, chữa bệnh, phát triển các loại thuốc và vật liệu mới.
Mặc dù các liên kết hydro chuyển dời xanh liên quan đến fluoroform đã
được nghiên cứu rộng rãi đối với một loạt các chất nhận proton, nhưng tương
tác của phân tử này với các dẫn xuất cyanide của các nguyên tố halogen vẫn


-5-

chưa được nghiên cứu. Thêm vào đó, đặc tính về cấu trúc của fluoroform với
mức độ phân cực của liên kết C-H được xem là yêu cầu thiết yếu cho việc quan
sát loại liên kết hydro này [56],[89],[93]. Đây chính là cơ sở cho việc lựa chọn
phân tử CHF3 làm phân tử cho proton điển hình nhằm đánh giá rõ ràng hơn sự
chuyển dời xanh trong liên kết hydro. Hơn nữa, việc cố định các khoảng cách

liên phân tử và tối ưu tất cả các thơng số hình học cịn lại của phức để đánh giá
loại liên kết hydro và sự đóng góp của các hợp phần năng lượng vào mỗi loại
liên kết chưa từng được thực hiện cho hệ tương tác được lựa chọn.
Xuất phát từ những yêu cầu và tính cấp thiết được đề cập, chúng tơi chọn
đề tài: "Nghiên cứu liên kết hydro C–H∙∙∙N trong các phức tương tác của CHF3
với XCN (X = H, F, Cl, Br, CH3) bằng phương pháp hóa học lượng tử".
2. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu
Những phát hiện trước đó về liên kết hydro “mới”, có tính chất hoàn toàn
trái ngược so với liên kết hydro chuyển dời đỏ (liên kết A−H bị rút ngắn và tần
số dao động tăng), đòi hỏi các nhà khoa học phải đưa ra câu trả lời xác đáng về
vấn đề bản chất liên kết hydro. Xuất phát từ thuật ngữ “liên kết hydro” lần đầu
tiên được sử dụng bởi Pauling khi giải thích cấu trúc ion [F:H:F]¯ [69], nhiều
câu hỏi đã được đặt ra xoay quanh vấn đề bản chất của chúng. Mãi cho đến năm
1939, liên kết hydro với tên gọi của nó mới được cộng đồng các nhà hóa học
chú ý đến sau khi Pauling cho xuất bản cuốn sách viết về bản chất của liên kết
hydro cổ điển [70]. Sau đó, vào năm 1980, bằng chứng thực nghiệm đầu tiên
khẳng định về sự tồn tại của liên kết hydro chuyển dời xanh được đưa ra bởi
Sandorfy và cộng sự [54]. Thêm vào đó, Budesinsky vào năm 1989 trong q
trình tổng hợp triformylmethane cũng đã tìm thấy loại liên kết hydro mới này
[17]. Đáng chú ý, năm 1998, Hobza là người đặt nền móng nghiên cứu lý thuyết
đầu tiên, ơng gọi liên kết hydro “mới” là “phản liên kết hydro” mà về sau được
công nhận với tên gọi là liên kết hydro chuyển dời xanh [44],[46],[47]. Bằng
chứng thực nghiệm đầu tiên trong pha khí về loại liên kết này được phát hiện


-6-

vào năm 1999, khi nghiên cứu các phức giữa CHF3, CHCl3 và C6H5F bằng cách
đo phổ hồng ngoại [47]. Kết quả thực nghiệm này phù hợp rất tốt với tính toán
lý thuyết. Bắt đầu từ đây, nhiều nghiên cứu lý thuyết về liên kết hydro chuyển

dời xanh bằng phương pháp hóa học lượng tử đã được thực hiện và rất nhiều
cơng trình khoa học liên quan đã được cơng bố [28],[64],[81].
Hóa học hiện đại trong hơn hai thập kỉ qua đã được đánh dấu bằng một
con số khổng lồ bởi những nghiên cứu về các liên kết hydro chuyển dời xanh
kiểu C-H∙∙∙B, xuất phát từ cơng trình tiên phong của Hobza và Havlas [44].
Dưới góc độ nghiên cứu cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm, nhiều kết quả đã
được cơng bố cho thấy sự có mặt của các liên kết S-H, Se-H, P-H, Si-H,
Br-H,… tham gia trong liên kết hydro. Hơn nữa, electron khơng cặp đơi hoặc
electron π đóng vai trò là phân tử nhận proton trong việc làm bền các tương tác
hydro yếu cũng được đề cập. Thật vậy, liên kết hydro kiểu C-H∙∙∙π được Nisho
và cộng sự nghiên cứu đầu tiên năm 1997 và trở thành hướng nghiên cứu nhận
được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học kể từ đó [36],[56],[68]. Trong
các kiểu liên kết hydro, liên kết cộng hóa trị C-H là một phần tử cho proton
được nghiên cứu rộng rãi và sâu sắc nhất [94]. Độ mạnh hay yếu của liên kết
này cùng với độ bazơ pha khí của phần tử nhận proton khác nhau ảnh hưởng
trực tiếp lên loại liên kết hydro [21],[83]. Thông qua các nghiên cứu lý thuyết
chỉ ra rằng liên kết hydro C-H∙∙∙X (X = NH3, OH2, FH, PH3, SH2, và ClH) có
độ mạnh giảm dần khi độ lai hóa nguyên tử C giảm từ sp > sp2 > sp3 và các liên
kết này khá yếu [18]. Ngoài ra, các nghiên cứu lý thuyết của tương tác của
FnH3-nCH với NH3, CH3NH2 và CH2=NH đã đề nghị độ mạnh của liên kết hydro
phụ thuộc vào độ phân cực của phân tử cho proton C-H hơn là phần tử nhận
proton [37]. Bên cạnh đó, liên kết hydro C-H∙∙∙X cũng đóng vai trò quan trọng
trong cluster phân tử, cấu trúc enzim và trong cấu trúc tinh thể của nhiều loại
vật liệu [23],[32],[82],[95].


-7-

Ngày nay, việc nghiên cứu các loại tương tác yếu đặc biệt là liên kết
hydro kiểu C-H∙∙∙N bằng phương pháp hóa học tính tốn là hướng nghiên cứu

nổi bật khơng chỉ ở Việt Nam mà cả trên thế giới. Liên kết hydro C-H∙∙∙N gần
đây đã được phát hiện trong các cấu trúc của sự sống, tuy là một tương tác yếu
nhưng đóng một vai trị quan trọng trong việc tổ chức của thế giới tự nhiên.
Vì vậy, những nghiên cứu về loại liên kết hydro này tập trung hướng vào các
phân tử gần với cấu trúc của protein, ADN, ARN như là một cách mô phỏng
sinh học phù hợp [48]. Do đó, việc nghiên cứu để hiểu rõ bản chất hình thành,
phân loại và các thuộc tính của loại tương tác yếu trên và hiểu rõ sự bổ trợ hay
tương quan của các loại tương tác yếu trong hóa học là cần thiết. Cấu trúc tinh
thể đầu tiên chứa loại liên kết hydro trên có lẽ thuộc về tinh thể của phân tử
H−C≡N với những chuỗi dài ···H−C≡N···H−C≡N··· được quan sát bởi
Dulmage và Lispscomb (năm 1951) [29]. Bằng kết quả nhiễu xạ tia neutron
tinh thể, Taylor và Kennard (1982) là người đầu tiên chứng minh sự tồn tại của
liên kết hydro C-H∙∙∙N trong những cấu trúc tinh thể hóa hữu cơ khi so sánh
khoảng cách giữa H và N trong C-H∙∙∙N (d < 2, 45 Å) với tổng bán kính Van
der Walls của H và N (d= 2,75 Å) [82]. Loại liên kết hydro yếu C-H···N này
sau đó nhận được khá nhiều sự quan tâm. Cụ thể, Hartman và Radom đã cơng
bố kết quả tính tốn phức acetylen···ammonia tại mức lý thuyết CCSD(T)/6311+G(3df,2pd) cho thấy khoảng cách liên kết hydro và năng lượng liên kết
tương ứng là 2,28 Å và 14,1 kJ.mol-1. Ảnh hưởng của sự thay thế độ âm điện
đến độ mạnh của liên kết hydro C-H∙∙∙N được biểu diễn qua việc tính tốn các
phức giữa các dẫn xuất fluoro của acetylene, ethylene, ethane và methane (chất
cho proton) với ammonia (chất nhận proton) [90]. Để kiểm tra sự thay đổi cấu
trúc phần tử nhận proton ảnh hưởng như thế nào đến năng lượng tương tác,
Dimitrova cùng các cộng sự [27] đã tiến hành kiểm tra các phức hình thành của
tương tác của ammonia với các dẫn xuất acetylene có công thức chung là


-8-

R-C≡C-H, trong đó R là H, F, Cl, CH3, CH2F, CHF2, CF3, CH2Cl, CHCl2, CCl3,
C≡N, H-C≡C, F-C≡C, Cl-C≡C. Bên cạnh đó, Roohi cùng cộng sự [76] cũng

đưa ra những nhận định tương tự khi tiến hành các tính tốn lượng tử cho các
phức XCCH···NH3 (X= F, Cl, Br, OH, H và Me) và NCH···NH3 bằng phương
pháp nhiễu loạn bậc 2. Đồng thời, các tác giả cũng làm rõ bản chất của tương
tác thơng qua phân tích AIM, NBO, mối quan hệ giữa sự chuyển dời liên kết
hydro, năng lượng liên kết của các phức chất cũng như mật độ electron tại các
điểm tới hạn liên kết H···N.
3. Mục đích nghiên cứu
- Đánh giá độ bền và xác định loại liên kết hydro C-H∙∙∙N trong các phức
tương tác của fluoroform CHF3 với các dẫn xuất cyanide XCN.
- Đánh giá độ bazơ pha khí khác nhau của N ảnh hưởng đến độ bền và
loại liên kết hydro C-H∙∙∙N.
- Xác định mối tương quan của các hợp phần năng lượng đến độ bền và
sự chuyển dời tần số dao động hóa trị của liên kết hydro C-H∙∙∙N khi cố định
khoảng cách liên phân tử H∙∙∙N, N∙∙∙C với các giá trị khác nhau trong các phức
hình thành.
4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: liên kết hydro C-H∙∙∙N.
- Phạm vi nghiên cứu: Độ bền, bản chất liên kết hydro C-H∙∙∙N trong các
phức hình thành giữa chất nhường proton CHF3 với các phần tử nhận proton
XCN (với X = H, F, Cl, Br, CH3).
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết
- Đọc các tài liệu về hóa học lượng tử, hóa học tính tốn, các cơng trình
nghiên cứu liên quan đến liên kết hydro, các nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm có liên quan trên các tạp chí khoa học quốc tế, internet,…


-9-

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm Gaussian 03 (09), Gaussview 05,

AIM2000, NBO 5.0, Psi4, Molden, Origin, Corel draw 2017, …
5.2. Phương pháp tính tốn hóa học lượng tử
- Sử dụng phần mềm tính tốn hóa học lượng tử Gaussian 09, phương
pháp tính MP2 với bộ hàm cơ sở 6-311++G(3df,2pd) để tối ưu hóa hình học,
tính phổ hồng ngoại IR, tính năng lượng dao động điểm khơng (ZPE),… của
các monome và các phức hình thành.
- Năng lượng điểm đơn và sai số chồng chất bộ cơ sở (BSSE) được tính
theo phương pháp hiệu chỉnh Counterpoise được đề xuất bởi Boys và Bernardi,
ở mức lý thuyết CCSD(T)/6-311++G(3df,2pd)//MP2/6-311++G(3df,2pd). Ái
lực proton, enthalpy tách proton được tính ở mức lý thuyết MP2/6311++G(3df,2pd).
- Xác định sự có mặt của các liên kết hydro và độ bền của chúng sử dụng
phân tích NBO và phân tích AIM ở mức lý thuyết MP2/6-311++G(3df,2pd).
- Sử dụng thuyết nhiễu loạn đối xứng SAPT2+, phần mềm Psi4 với bộ
hàm cơ sở aug-cc-pVDZ để phân tích định lượng sự đóng góp của các hợp phần
năng lượng khác nhau tới độ bền, sự chuyển dời xanh (đỏ) của liên kết hydro
và xác định vùng chuyển từ liên kết hydro chuyển dời xanh sang liên kết hydro
chuyển dời đỏ.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Hướng nghiên cứu đầy tiềm năng và cập nhật, không chỉ ở Việt Nam mà
cả trên thế giới. Kết quả đạt được góp phần bổ sung kiến thức mới, thêm dữ
liệu khoa học về các loại tương tác yếu, đặc biệt là liên kết hydro kiểu C-H∙∙∙N.
- Hiểu về bản chất hình thành, vai trị, phân loại và các thuộc tính của
tương tác làm bền phức. Qua đó, giúp ta hiểu rõ sự bổ trợ hay tương quan của
các loại tương tác yếu trong hóa học; góp phần làm sáng tỏ những điều chưa


-10-

biết về chức năng sinh hóa trong vấn đề sức khỏe, chữa bệnh, phát triển các
loại thuốc cũng như vật liệu mới có liên quan.

Tóm lại, đề tài vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa thực tiễn.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm 78 trang, trong đó có 08 bảng và 15 hình. Phần mở đầu
10 trang, phần nội dung gồm: Chương 1: 24 trang, Chương 2: 11 trang, Chương
3: 31 trang. Kết luận và kiến nghị 02 trang. Cấu trúc luận văn như sau:
Chương 1. Cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử
Giới thiệu phương trình Schrưdinger, sự gần đúng Born-Oppenheimer,
ngun lý khơng phân biệt các hạt đồng nhất, ngun lý phản đối xứng, mơ
hình hạt độc lập, nguyên lý loại trừ Pauling, hàm sóng của hệ nhiều electron,
cấu hình và trạng thái spin electron, bộ hàm cơ sở, giới thiệu sai số do chồng
chất bộ cơ sở (BSSE), giới thiệu sơ lược các phương pháp gần đúng hóa học
lượng tử, giới thiệu thuyết AIM, SAPT, NBO.
Chương 2. Khái quát về liên kết hydro và hệ chất nghiên cứu
Giới thiệu khái quát liên kết hydro: khái niệm, phân loại, ý nghĩa và tầm
quan trọng, cũng như sơ lược về tính chất của liên kết hydro chuyển dời đỏ,
chuyển dời xanh, đặc biệt là kiểu liên kết hydro C-H∙∙∙N.
Nêu các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết dùng để nghiên cứu liên
kết hydro, giới thiệu về hệ chất nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu hệ chất.
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Trình bày kết quả tối ưu một số monome ban đầu và so sánh với dữ liệu
thực nghiệm.
Trình bày các kết quả đạt được về liên kết hydro C-H∙∙∙N trong các phức
của CHF3 với XCN (X = H, F, Cl, Br, CH3) như: đánh giá độ bền và xác định
loại liên kết hydro C-H∙∙∙N, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của hệ
phức và quy luật chuyển dời xanh hay đỏ của liên kết hydro.


-11-

Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC LƯỢNG TỬ

1.1. Phương trình Schrưdinger
Theo cơ học cổ điển ta có thể xác định vị trí, tốc độ của một hạt trong hệ
tại một thời điểm tức thời và lực đặt lên hạt. Theo định luật 2 Newton thì trạng
thái của một hệ tại một thời điểm và sự chuyển động của nó được xác định
chính xác. Với việc áp dụng cơ học lượng tử vào các lĩnh vực hóa học, đặc biệt
là hóa học lượng tử đã giúp các nhà khoa học giải quyết được nhiều vấn đề
trong lý thuyết và thực nghiệm nhờ phương trình Schrưdinger [63], [2], [1] , [3]
(1926).
Phương trình Schrưdinger ở trạng thái dừng có dạng:
ˆ Ψ = EΨ
H

(1.1)

ˆ là tốn tử Hamilton.
Trong đó E là năng lượng toàn phần của hệ và H

Đối với hệ N electron và M hạt nhân, khi chỉ kể đến tương tác tĩnh điện
(bỏ qua tương tác quỹ đạo spin và những hiệu ứng tương đối tính khác), tốn
tử Hamilton có dạng:
ˆ  Tˆ  Tˆ  U  U  U
H
n
el
en
ee
nn

(1.2)

M
N
N M
M
M
Z
Z Z
1
1
1
ˆ 
H
 2M  2A   2  2p   r A    r    RA B
A 1
p 1
p 1 A 1 pA
p 1 q  p pq
A 1 B  A
A
AB

(1.3)

Tˆ n : toán tử động năng của hạt nhân
Tˆ el : là N toán tử động năng của N electron

Uen : là các tương tác hút tĩnh điện giữa N electron và M hạt nhân
Uee : là các tương tác đẩy tĩnh điện giữa N electron
Unn : là các tương tác đẩy tĩnh điện giữa M hạt nhân
2

∇2 : toán tử Laplace có dạng  

2
2
2


x 2 y 2 z 2

(1.4)

p, q: chỉ thứ tự các electron từ 1 đến N; A, B: chỉ các hạt nhân từ 1 đến M;


-12-

ZA , ZB: số đơn vị điện tích các hạt nhân A, B tương ứng;
rpq: khoảng cách giữa các electron thứ p và thứ q; rpA : khoảng cách giữa
electron thứ p và hạt nhân A; RAB: khoảng cách giữa hạt nhân A và B.
Ψ là hàm sóng, đặc trưng cho trạng thái của hệ lượng tử. Ψ là hàm xác
định, đơn trị, khả vi, liên tục, nói chung hàm phức và phải thoả mãn điều kiện
2

chuẩn hoá  Ψ dτ  1 .  xác định mật độ xác suất tìm thấy hệ trong phần tử
2

thể tích dτ trong khơng gian cấu hình của hệ.
Phương trình Schrưdinger chỉ giải chính xác cho hệ 1 hạt nhân và 1
electron như bài toán nguyên tử H và các ion tương tự. Các hệ có nhiều hơn 1
electron khơng thể giải chính xác được, do vi phạm hệ thức bất định

Heisenberg. Vì vậy đối với hệ có 2 electron trở lên ta chỉ có thể giải gần đúng.
Giải phương trình Schrưdinger sẽ thu được nghiệm là hàm sóng Ψ và năng
lượng E của hệ.
1.2. Sự gần đúng Born-Oppenheimer
Trong nguyên tử nhiều electron, sự gần đúng này coi hạt nhân đứng yên,
mỗi electron chuyển động độc lập với các electron khác trong một trường lực
tạo bởi hạt nhân nguyên tử và các electron cịn lại. Với sự gần đúng trên thì số
hạng thứ 2 trong phương trình (1.3) coi như bằng zero, và số hạng cuối cùng là
hằng số. Ba số hạng còn lại là tốn tử Hamilton của electron mơ tả chuyển động
của electron trong trường thế trung bình trên.
Sự gần đúng Born – Oppenheimer là sự gần đúng đầu tiên và có thể coi
là sự gần đúng “chính xác” trong nhiều sự gần đúng để làm đơn giản việc giải
phương trình Schrödinger [63], [2], [1].
ˆ
H
elec  

N

1 2 N M ZA N N 1
p  
 

p 1 2
p 1 A 1 rpA
p 1 q  p rpq

(1.5)

-13-

M M
M
Z A ZB
1
2
ˆ
H




E
({R
})


nucl
A
elec
A
A 1 2M A
A 1 B A R AB



(1.6)

Việc giải 2 phương trình trên, kết hợp với phương trình (1.1) ta sẽ thu

được hàm sóng và năng lượng của hệ.
1.3. Nguyên lý phản đối xứng hay nguyên lý loại trừ Pauli

ˆ elec trong (1.5) chỉ phụ thuộc vào tọa độ khơng gian của
Tốn tử H
electron, có nghĩa rằng nó chỉ tác dụng vào phần khơng gian của hàm sóng. Tuy
nhiên, để mơ tả đầy đủ thuộc tính một electron cần chỉ rõ spin và việc đưa spin
của electron vào phần khơng gian của hàm sóng là cần thiết. Gọi (ω) và (ω)
là 2 hàm spin ứng với spin-up (↑) và spin-down (↓). Hai hàm này trực chuẩn:
*()()d = *()()d = 1 hay  =  = 1

(1.7)

*()()d = *()()d = 0 hay  =  = 0

(1.8)

Vậy hàm sóng được gọi là hàm đối xứng nếu hàm này không đổi dấu khi
đổi chỗ 2 electron cho nhau. Hàm sóng được gọi là hàm phản đối xứng nếu
hàm này đổi dấu khi đổi chỗ 2 electron. Mở rộng cho N hạt đồng nhất, hàm
sóng tồn phần của hệ phải có tính đối xứng hoặc phản đối xứng khi hốn vị
một cặp hạt bất kì:
(X1,…Xi,…Xj,…XN) = -(X1,…Xi,…Xj,…XN)

(1.9)

Đây chính là nguyên lý phản đối xứng hay nguyên lý loại trừ Pauli.
1.4. Hàm sóng của hệ nhiều electron
Hàm sóng mơ tả trạng thái của hệ lượng tử phải đơn trị, liên tục, hữu hạn,
khả vi, nói chung là hàm phức và phải thỏa mãn điều kiện chuẩn hóa:

∫ǀΨǀ2dr=1

(1.10)

Theo nguyên lý phản đối xứng, hàm sóng tồn phần mơ tả trạng thái của
hệ là hàm sóng phản đối xứng. Để có tính phản đối xứng hàm sóng tồn phần
của hệ có số chẵn electron và vỏ electron kín được viết dưới dạng định thức
Slater:


-14-

Ψ elec =

ψ 1 (1 ) ψ 2 (1 )...ψ n (1 )
1 ψ 1 (2 ) ψ 2 (2 )...ψ n (2 )
N ! .................................
ψ 1 (n ) ψ 2 (n )...ψ n (n )

(1.11)

Với 1/ N! là thừa số chuẩn hóa, được xác định từ điều kiện chuẩn hóa
hàm sóng. Khi đổi tọa độ hai electron tương ứng với sự hoán vị hai hàng sẽ làm
thay đổi dấu của định thức. Nếu có hai electron có cùng spin chiếm cùng 1
orbital thì tương ứng với hai cột của định thức bằng nhau và định thức sẽ bằng
0. Vì vậy, chỉ có tối đa 1 electron có thể chiếm một orbital-spin (nguyên lý loại
trừ Pauli). Một định thức Slater gắn với tương quan trao đổi, có nghĩa rằng sự
chuyển động của hai electron với spin song song tương quan nhau. Tuy nhiên,
chuyển động của những electron với spin đối song chưa được xét đến. Đối với
hệ kín (N = 2n), hàm sóng một định thức Slater có thể mơ tả trạng thái của hệ,

cịn đối với hệ mở có số lẻ electron (N = 2n+1) hàm sóng phải là tổ hợp tuyến
tính của nhiều định thức Slater.
1.5. Cấu hình và trạng thái spin electron
Cấu hình electron xác định sự phân bố các electron và trạng thái của hệ
lượng tử, và có thể phân loại như sau: cấu hình vỏ đóng (closed shell) là cấu
hình ở trạng thái cơ bản có 2n electron chiếm n orbital, khơng có electron độc
thân; cấu hình vỏ mở (open shell) là cấu hình ở trạng thái cơ bản có số electron
α lớn hơn số electron β hoặc ngược lại. Một cấu hình electron chưa cho biết
đầy đủ trạng thái các electron nên từ cùng một cấu hình có thể có nhiều trạng
thái khác nhau. Trạng thái electron là một hàm sóng xác định mơ tả hệ lượng
tử. Trạng thái có năng lượng thấp nhất được gọi là trạng thái cơ bản.