Luận văn thạc sĩ khoa học - đề tài nghiên cứu: “ Kiểm chứng quy luật thế vào phân tử anilin và nitrobenzen bằng lý thuyết Hoá học lượng tử”

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. Chọn hệ chất nghiên cứu, chọn phương pháp tính phù hợp với đối tượng nghiên cứu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Luận văn thạc sĩ khoa học - đề tài nghiên cứu: “ Kiểm chứng quy luật thế vào phân tử anilin và nitrobenzen bằng lý thuyết Hoá học lượng tử”Nguyễn Thị Lan Anh Luận văn thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Hoá học lượng tử bắt đầu phát triển từ khoảng những năm 30 của thế kỉXX và ngày càng chứng tỏ là một lý thuyết không thể thiếu trong mọi lĩnh vựchoá học. Hoá học lượng tử là nghành khoa học nghiên cứu các hệ lượng tử dựavào phương trình chính tắc của cơ học lượng tử do Schrodinger đưa ra năm1926, và nhanh chóng trở thành công cụ hữu ích của hóa lý thuyết để đi sâutìm hiểu, nghiên cứu vấn đề cốt lõi nhất của hoá học là cấu trúc và các tínhchất hoá lý của các chất. Sự xâm nhập ngày càng sâu rộng của hoá học lượng tử ( HHLT) vàohoá học hữu cơ ( HHHC) đem lại cho HHHC cơ sở lý thuyết vững vàng, tạođiều kiện cho HHHC phát triển mạnh mẽ, ngày càng có nhiều ứng dụng sâurộng trong khoa học công nghệ và đời sống. Trong lĩnh vực giảng dạy hoáhọc, nhờ có HHLT mà HHHC có được bản chất, quy luật và định lượng. Các quy luật phản ứng thế vào một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt là phảnứng thế vào vòng benzen, là những quy luật thực nghiệm được hình thành rấtlâu, và được sử dụng nhiều trong giảng dạy hoá học hữu cơ. Các nghiên cứukhoa học đã chỉ ra được hướng thế vào liên kết C – H trong vòng benzen. Tuynhiên cho đến nay chưa có tài liệu nào công bố số liệu giải thích và làm rõthêm những quy luật trên. Trong khi đó, các phần mềm được sử dụng trongtính toán HHLT ngoài việc xác định cấu trúc và đưa ra các tham số HHLT cònlàm sáng tỏ nhiều cơ chế của phản ứng hoá học, giải thích đúng đắn các quyluật hoá học, kiểm tra kết quả nhận được từ thực nghiệm. Hơn thế nữa, HHLTcòn thực hiện một số nghiên cứu mà thực nghiệm không thể làm được như dựđoán một số kết quả, khảo sát các hợp chất chuyển tiếp, các hợp chất trunggian có thời gian tồn tại ngắn. Hiện nay, việc đổi mới phương pháp dạy học đang được triển khai rộngkhắp trong toàn nghành giáo dục . Để chuyển quá trình dạy - học từ truyền thụ- chấp nhận sang hướng dẫn - chủ động khám phá tri thức, “Dạy bản chất, quyluật và có định lượng”. Trang 1Nguyễn Thị Lan Anh Luận văn thạc sĩ khoa học Trên thực tế, phương trình Schrodinger đối với hệ nhiều hạt rất phứctạp, không thể giải được một cách chính xác mà phải sử dụng các phươngpháp gần đúng. Có rất nhiều các phương pháp gần đúng với mức độ chính xáckhác nhau. Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, cácphần mềm ứng dụng của HHLT và hóa lý thuyết đã trở thành những công cụđắc lực trong việc hoàn chỉnh các phương pháp tính và đặc biệt cho phép giảicác bài toán lớn, phức tạp với tốc độ xử lý nhanh, ít tốn kém. Các phần mềmhoá học đã được xây dựng như: MOPAC, HYPERCHEM, GAUSSIAN…cóthể vận hành trên mọi hệ điều hành khác nhau, với các phiên bản thườngxuyên được nâng cấp. Tuỳ theo mục đích nghiên cứu, thời gian tính và đặcđiểm hệ chất nghiện cứu mà mỗi phần mềm có tính ưu việt riêng. Trong số đó, GAUSSIAN là phần mềm phát triển vượt trội về cácphương pháp ab initio (DFT) khá hiệu quả, được nhiều nhà nghiên cứu chuyênnghiệp sử dụng . Với các thuật toán được viết tốt hơn, các bước tối ưu hoá củaGaussian cần 4 chuẩn hội tụ trong khi Hyperchem chỉ có 1. Tuy chạy hơichậm nhưng có độ chính xác khá cao, vì thế đây là một công cụ hữu hiệu trợgiúp các nhà hoá học thực nghiệm trong nghiên cứu của mình . Từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “ Kiểm chứngquy luật thế vào phân tử anilin và nitrobenzen bằng lý thuyết Hoá họclượng tử”. Luận văn gồm các phần mở đầu, nội dung, kết luận, tài liệu tham khảovà phụ lục. Phần nội dung chính gồm 3 chương. Chương 1 : Tổng quan Chương 2 : Đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương 3 : Kết quả và thảo luận. Áp dụng phương pháp lượng tử gần đúng để khảo sát đối tượng nghiêncứu, chúng tôi sẽ giải quyết các vấn đề sau: 1. Chọn hệ chất nghiên cứu, chọn phương pháp tính phù hợp với đốitượng nghiên cứu. Trang 2Nguyễn Thị Lan Anh Luận văn thạc sĩ khoa học 2. Xác định các tham số lượng tử cho hệ chất nghiên cứu như: Hình họcphân tử, sự phân bố mật độ điện tích, năng lượng cho hệ chất nghiên cứu. 3. Thảo luận kết quả tính để đưa ra hướng thế electrophin và đối chiếuvới quy luật thế đã biết và đưa ra kết luận. 4. Áp dụng các kết quả trên vào việc giảng dạy hoá học ở phổ thông. Chúng tôi hy vọng các kết quả của luận văn có thể góp phần làm rõ hơnhướng thế electrophin vào phân tử anilin, nitrobenzen và là tài liệu tham khảocho việc giảng dạy hoá học ở trường phổ thông . Trang 3Nguyễn Thị Lan Anh Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC LƯỢNG TỬ.1.1.1. Phương trình Schrodinger. Sự biến đổi trạng thái vi mô theo thời gian của hệ lượng tử được mô tảbởi phương trình Schrodinger (1926) có dạng tổng quát: ħ ĤΨ (1.1) Ψ(q,t) – Hàm sóng mô tả trạng thái của hệ lượng tử theo tọa độ (q) vàthời gian (t). Nếu biết hàm sóng tại thời điểm t có thể xác định Ψ tại mọi thờiđiểm tiếp theo. Ĥ – Toán tử Hamilton của hệ. Phương trình (1.2) là phương trình vi phân tuyến tính thuần nhất nêncác nghiệm , , …độc lập cũng lập thành một nghiệm chung dưới dạngtổ hợp tuyến tính: Ψ(q,t) = + + …+ (1.2) Các thông tin về hệ lượng tử thu được từ việc giải phương trìnhSchroding ...