Thạc Sĩ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số tham số lượng tử đến tính axit của dãy benzoic thế

Lý do chọn đề tài

Trong hóa học phổ thông có nhiều khái niệm trừu tượng của lí thuyết về cấu tạo chất và quy tắc phản ứng mà học sinh phải học tập một cách cưỡng ép, công nhận, nhất là trong hóa học hữu cơ như quy tắc cộng Maccopnhicop, quy tắc tách Zaixep, quy luật thế vào nhân benzen khi có sẵn nhóm thế .
Việc sử dụng các phương pháp tính hóa lượng tử để khảo sát, kiểm chứng một cách định lượng quy tắc trên đã và đang được nhiều giáo viên hóa học quan tâm như: Luận án tiến sĩ khoa học Hóa học trường ĐHSPHN của Phan Quang Thái (1996), Nghiên cứu cấu trúc phân tử của một số hợp chất hữu cơ có chứa dị tố và một số tính chất hóa lí của chúng bằng phương pháp hóa học lượng tử; Chu Nhật Hà (2009), Sử dụng AM1 để kiểm chứng tính axit của các axit benzoic thế với một số nhóm thế ở vị trí para và meta,
Phát triển tiếp hướng nghiên cứu đó chúng tôi tiến hành: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số tham số lượng tử đến tính axit của dãy benzoic thế


MỞ ĐẦU
Tính chất của mọi chất đều phụ thuộc vào cấu trúc lớp vỏ của các nguyên tử, các liên kết và tương tác giữa chúng. Việc nghiên cứu về cấu trúc nguyên tử, phân tử, ảnh hưởng của cấu trúc đến những tính chất lí, hóa học của các chất là nhiệm vụ cơ bản của hóa học lượng tử.
Hóa học lượng tử là một ngành khoa học nghiên cứu các hệ lượng tử dựa vào phương trình chính tắc của cơ học lượng tử được Schrodinger đưa ra năm 1926 [13]. Đó là một công cụ hữu ích của hóa lí thuyết để đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu vấn đề cốt lõi nhất của hóa học đó là cấu trúc và các tính chất hóa lí của các chất.
Ngày nay, hóa học lượng tử ngày càng chứng tỏ là một lí thuyết không thể thiếu được trong mọi lĩnh vực hóa học. Hóa học lượng tử không chỉ giải thích đúng đắn các quy luật hóa học đã được tích lũy từ lâu, làm sáng tỏ nhiều cơ chế phản ứng hóa học mà còn dự đoán hướng giải quyết vấn đề hóa học phức tạp, giúp cho các quá trình thực nghiệm một hướng đi đúng và hiệu quả.
Những năm gần đây, với sự phát triển nhanh của tin học đã làm cho khả năng ứng dụng của hóa học lượng tử trở thành phổ cập và trở thành phương pháp ứng dụng hữu hiệu. Nhiều phần mềm liên quan đến lý thuyết hóa học lượng tử đã được xây dựng và phổ biến rộng rãi làm cho hóa học lượng tử có sức hút ngày càng tăng.
Trên thực tế, phương trình Schrodinger đối với hệ nhiều hạt rất phức tạp, không thể giải được một cách chính xác mà phải sử dụng các phương pháp gần đúng. Có rất nhiều phương pháp gần đúng với nhiều mức độ chính xác khác nhau. Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của máy tính điện tử, các phần mềm ứng dụng của hóa lượng tử và hóa lý thuyết đã trở thành những công cụ đắc lực trong việc hoàn chỉnh các phương pháp tính và đặc biệt cho phép giải các bài toán lớn, phức tạp với tốc đọ xử lí nhanh, ít tốn kém. Các phần mềm Hóa học đã được xây dựng và đáp ứng mọi yêu cầu vận hành trên mọi hệ điều hành như: MOPAC, GAUSSIAN, HYPERCHEM với các phiên bản thường xuyên được nâng cấp. tùy theo mục đích nghiên cứu, thời gian tính và đặc điểm hệ chất nghiên cứu mà mỗi phương pháp có tính ưu việt riêng.
GAUSSIAN là một phần mềm phát triển các phương pháp Ab initio (DFT) khá tốt, được nhiều nhà nghiên cứu chuyên nghiệp dùng. Các thuật toán được viết tốt hơn, optimization step của Gaussian cần 4 chuẩn hội tụ được thỏa mãn trong khi Hyperchem chỉ có 1. Tuy chạy hơi chậm nhưng nó có độ chính xác khá cao, vì thế đây là một công cụ hữu hiệu trợ giúp cho các nhà hóa học thực nghiệm trong nghiên cứu của mình [22].
Sự biến đổi tính chất axit – bazo của các hợp chất hữu cơ thường được dự đoán một cách định tính bằng các hiệu ứng electron, hiệu ứng không gian hoặc trong một số trường hợp thì có thể định hướng bán thực nghiệm bằng phương trình Hammet thông qua các thông số và hằng số Hammet Thế nhưng đối với các hợp chất axit hoặc bazo thơm khi có nhóm thế ở vị trí octo thì do ảnh hưởng của hiệu ứng octo, (là tổ hợp của nhiều yếu tố như hiệu ứng không gian loại 1, hiệu ứng không gian loại 2, hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng trường, liên kết hidro nội phân tử ) phương trình Hammet không áp dụng được, nên việc dự đoán trước sự biến đổi tính chất axit – bazo của chúng gặp khó khăn [14,15].
Áp dụng phương pháp lượng tử gần đúng để khảo sát đối tượng nghiên cứu, chúng tôi sẽ giải quyết các vấn đề sau:
1. Tiến hành nghiên cứu một số tham số lượng tử của một số chất thuộc dãy benzoic thế bằng phần mềm Gaussian.
2. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số lượng tử tới tính axit của dãy này
3. Sử dụng phần mềm phân tích dữ liệu ( data analysis) có trong Microsoft Exel, nhằm xây dựng phương trình bán thực nghiệm để tính pKa cho các phân tử thuộc dãy benzoic thế dựa trực tiếp vào các tham số lượng tử tính được.
4. Tính toán lí thuyết pKa của một số chất khác trong dãy benzoic thế mà chưa có số liệu thực nghiệm, nhất là đối với các chất thuộc dãy octo mà phương trình Hammet không nghiệm đúng.


CấU TRúC LUậN VĂN
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Kết luận