THIẾT KẾ VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CỦA CÁC DẪN XUẤT TỪ UREA SỬ DỤNG TRONG DẦU MỎ

Dựa trên một số dẫn xuất benzylureas, 1-3-methylbenzyl-3-benzylurea và các dẫn xuất khác được thiết kế mới và đánh giá hoạt tính chống oxy hóa bằng cách thông qua kết quả tính toán lượng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG 7

MỞ ĐẦU 9

A LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 9

B TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 10

C MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 11

C1 Mục tiêu 11

C2 Nội dung nghiên cứu 11

D ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 11

D1 Đối tượng nghiên cứu 11

D2 Phạm vi nghiên cứu 12

E PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

F Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI 14

Chương 1 15

TỔNG QUAN HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 15

1.1 Tổng quan về chất oxy hóa và chất chống oxy hóa 15

1.1.1 Gốc tự do 15

1.1.2 Chất chống oxy hóa 15

1.1.3 Cơ chế chống oxy hóa 16

1.1.3.1 Cơ chế HAT (Hydrogen Atomic Transfer) 16

1.1.3.2 Cơ chế SET-PT (Single Electron Transfer  Proton Transfer) 16

1.1.3.3 Cơ chế SPLET (Sequential Proton Loss Electron Transfer) 17

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về khả năng chống oxy hóa của các dẫn xuất từ urea17 Chương 2 20

LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 20

2.1 Phương trình Schrödinger [36, 37, 38, 39] 20

2.2 Nguyên lý không phân biệt các hạt đồng nhất [38, 40] 22

2.3 Nguyên lý loại trừ Pauli (Nguyên lý phản đối xứng) [37, 38, 39, 40, 41] 22

2.4 Hệ nhiều electron 23

2.4.1 Hàm sóng [37, 38, 40, 42] 23

2.4.2 Cấu hình electron và trạng thái của hệ [37, 38, 40] 24

2.5 Bộ hàm cơ sở [37, 38, 40, 43] 25

2.6 Phương pháp tính toán [37, 38, 40, 42, 44] 27

2.6.1 Phương pháp Hartree  Fock 27

2.6.3 Phương pháp bán kinh nghiệm 28

2.6.4 Phương pháp nhiễu loạn 28

2.6.5 Phương pháp chùm tương tác (Coupled  Cluster  CC) 30

2.6.6 Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory  DFT) 30

2.6.7 Xây dựng bề mặt thế năng (PES - Potential Energy Surface) 31

2.7 Phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận văn 32

2.7.1 Tối ưu hóa cấu trúc và tính năng lượng điểm đơn 32

2.7.2 Tính toán các thông số nhiệt động học 33

Chương 3 35

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Thiết kế và tối ưu hóa các dẫn xuất urea 35

3.1.1 Đánh giá sơ bộ hoạt tính của các dẫn xuất urea 35

3.1.2 Thiết kế và tối ưu hóa các dẫn xuất urea có khả năng chống oxy hóa 37

3.2 Thông số nhiệt động hóa học của các dẫn xuất thiết kế để xác định khả năng chống oxy hóa 40

3.3 Xây dựng bề mặt thế năng của phản ứng giữa một dẫn xuất urea tiêu biểu hoặc CH3OO và tính hằng số tốc độ phản ứng 42

3.3.1 Bề mặt thế năng của phản ứng giữa U10a với CH3OO 42

3.3.2 Động học phản ứng giữa U10a với CH3OO 45

3.4 Đề xuất một số dẫn xuất thiourea và selenourea tương tự U10a 46

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 54

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SỸ (Bản sao) 55

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của tôi dưới sự đồng hướng dẫn của PGS.

TS Phạm Cẩm Nam và Tiến sĩ Nguyễn Minh Thông Kết quả trong luận văn được chúng tôi thu thập số liệu, nghiên cứu và tính toán với số liệu trung thực, khách quan Kết quả này là sự phối hợp thực hiện cùng với nghiên cứu sinh Đinh Quý Hương, Đại học Sư phạm Huế do PGS.TS Phạm Cẩm Nam hướng dẫn; Vì vậy, các số liệu nhận được sẽ được sử dụng cho mục đích nghiên cứu trong Luận văn T iếnhạc sĩ sau này.

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô, Ban Lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa (ĐHĐN) và Trường Đại học Phạm Văn Đồng (Quảng Ngãi) đã tạo điều kiện cho tôi được học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Cẩm Nam; Thầy luôn thường xuyên quan tâm, tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tôi từng bước hoàn thành Luận văn đúng tiến độ và đảm bảo chất lượng; cảm ơn sự hợp tác của NCS Đinh Quý Hương (Đại học Sư phạm Huế) và các thành viên trong nhóm nghiên cứu của Thầy đã luôn đoàn kết, giúp đỡ, tạo điều kiện về cơ sở vật chất và đóng góp các ý kiến hữu ích cho việc hoàn thiện Luận văn.

Đồng cảm ơn anh, chị, em phòng Hóa tính toán đã chia sẽ, giúp đỡ nhau nhằm bổ trợ cho quá trình nghiên cứu.

Tôi cảm ơn toàn thể giáo viên Khoa Hóa và Nhà trường trang bị kiến thức cho tôi khi thực hiện Luận văn.

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh động viên và giúp

đỡ tôi trong quá trình thực hiện Luận văn này.

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Tóm tắt - Gần đây, các dẫn xuất urea đã được nghiên cứu, tổng hợp thành công và

được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế ; Đặc biệt, chúng

là chất chống oxy hóa hiệu quả và có đặc tính kháng khuẩn cao Trong các sản phẩm dầu mỏ hay chất dẻo, các gốc tự do được xem là nguyên nhân và nguồn gốc của quá trình oxy hoá dẫn đến những ảnh hưởng về tuổi thọ và chất lượng của vật liệu cũng như về hiệu quả kinh tế Do đó, nghiên cứu các hợp chất có khả năng chống oxy hóa cao là mục tiêu chính của đề tài này; các dẫn xuất từ benzylurea là một trong các lựa chọn cho mục đích ngăn ngừa và hạn chế sự hình thành các gốc tự do Dựa trên một

số dẫn xuất benzylureas, 1-(3-methylbenzyl)-3-benzylurea và các dẫn xuất khác được thiết kế mới và đánh giá hoạt tính chống oxy hóa bằng cách thông qua kết quả tính toán lượng tử hóa học, sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) cho các đại lượng nhiệt động đặc trưng theo ba cơ chế chống oxy hóa (HAT, SET-PT và SPLET) Các thông số nhiệt động được tính toán bao gồm BDE, IE, PA, ETE… tại

mô hình tính toán ROB3LYP/6-311++G(2df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p) Kết quả thu được cho thấy các hợp chất 1-3-methylbenzyl-3-phenylurea (U10a), 1-3- methylbenzyl-3-phenyl-thiourea (U10a S) and 1-3-methylbenzyl-3-3-phenyl- Selenourea (U10a Se) 1-methylbenzyl-3-phenylurea (U9a); 1,3-trifloromethylbenzyl- urea (U9b) và 1,3-methylbenzyl-3-benzyl-urea (U10a) có khả năng chống oxy hoá tốt.

Từ khoá: Dẫn xuất urea, chất chống oxy hoá, DFT, tính toán lượng tử hoá học,

1-(3-methylbenzyl)-3-benzylurea (U10a).

Abstract - Recently, urea derivatives have been successfully researched, synthesized

and commercialized in many sections of industry, agriculture and health; especially, they are effective antioxidants and high antibacterial properties In petroleum or plastic products, free radicals are the cause and source of oxidation which effects on the lifetime (aging) and quality of materials as well as economic efficiency For this reason, studying high activity of antioxidant compounds is the main topic of thesis; Benzylurea derivatives are one of the best options to prevent and limit or stop free radical formation Based on benzylureas derivatives, 1-(3-methylbenzyl)-3- benzyllurea and some new derivatives are designed and evaluated antioxidant activity

by chemical quantum calculation, using density function method (DFT) for thermodynamic quantities characterized in three antioxidant mechanisms (HAT, SET-PT and SPLET) Thermodynamic parameters including BDE, IE, PA, ETE at the ROB3LYP / 6-311 ++ calculation model G (2df, 2p) // B3LYP / 6-311G (d, p) model are cC alculated The results show that compounds 1-3-methylbenzyl-3-

phenylurea (U10a), and methylbenzyl-3-phenyl-thiourea (U10a S) and methylbenzyl-3-3-phenyl-Selenourea (U10a Se) are good antioxidants.

3-Key words: Urea derivatives, antioxidants, DFT, chemical quantum calculation,

1-(3-methylbenzyl)-3-benzylurea (U10a).

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

1 Các kí hiệu

∆H : Biến thiên enthalpy của phản ứng, tại 298 K

d(C1N) : Độ dài liên kết C1N (C1: Nguyên tử C tại vị trí số 1 của vòng thơm)

Int : Intermediate - Hợp chất trung gian

TS : Transition State - Trạng thái chuyển tiếp

STO : Staler Type Orbital - oO rbital kiểu Staler

IRC : Intrinsic Reaction Corrdinate - tT ọa độ phản ứng nội

MEP : Electrostatic Potential Map - bB ề mặt thế tĩnh điện

EDG : Electron Donating Group - nN hóm đẩy electron

EWG : Electron Withdrawing Group - nN hóm hút electron

BDE : Bon Dissociation Energy - Năng lượng phân ly liên kết

IE : Ionization Energy - nN ăng lượng ion hóa

ETE : Electron Transfer Enthalpy - nN ăng lượng chuyển electron

ZPE : Zero Point Energy - nN ăng lượng dao động điểm không

PA : Proton Affinity - áÁ i lực proton, hay còn gọi là năng lượng proton hoá PDE : Proton Dissociation Enthalpy - nN ăng lượng phân ly proton

PES : Potential Energy Surface - bB ề mặt thế năng

RE : Radical Effect - hH iệu ứng gốc tự do

TE : Total Effect - hH iệu ứng tổng

RTA : Radical Trapping Antioxidant - cC hất chống oxy hóa bắt gốc tự do SCF : Self Consistent Field - trường Trường tự hợp

S OU MO: Semi (or Singly) Occupied Molecular Orbital

HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital – Orbital phân tử bị chiếm cao nhất

LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital – Orbital phân tử chưa bị chiếm thấp nhất

3 Quy ước viết tên thuật ngữ khoa học và hợp chất hóa học

Để tăng tính hội nhập quốc tế, trong Luận văn này, các thuật ngữ khoa học, tên hợp chất hóa học…được viết theo các quy ước sau:

Thuật ngữ khoa học

Các thuật ngữ khoa học đã có thuật ngữ Tiếng Việt tương đương và thông dụng sẽ được viết bằng thuật ngữ khoa học Tiếng Việt.

Các thuật ngữ khoa học chưa có các cụm thuật ngữ Tiếng Việt tương đương

sẽ được viết nguyên tên Tiếng Anh của cụm thuật ngữ đó, ví dụ enthalpy, orbital…

Tên hợp chất hóa học

Sử dụng thống nhất tên theo quy định của IUPAC và viết bằng Tiếng Anh, thay vì dịch sang Tiếng Việt Ví dụ: viết nitrogen thay vì viết là ni-tơ, hay amine thay vì amin…

4 Hệ thống đơn vị

Năng lượng : eV (hay kcal/mol khi nói về năng lượng ion hóa)

Chiều dài liên kết : ký hiệu Å, Ångström.

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Thời gian cảm ứng khi sử dụng các dẫn xuất

1-(3-methylbenzyl)-3-phenylurea làm chất chống oxy hóa

22

Bảng 3 1 Năng lượng phân ly liên kết (BDE, kcal/mol) của 10 dẫn

xuất urea (U)

42

Bảng 3 2 Một số thông số cấu trúc lựa chọn của các chất nghiên cứu

được tối ưu hóa bằng phương pháp B3LYP/6-311G(d,p)

44

Bảng 3 4 Thông số nhiệt động tính toán trong pha khí tại 47

ROB3LYP/6-311++G(2df,2p) /B3LYP/6-311G(d,p)

Bảng 3 5 Năng lượng tự do hoạt hóa Gibbs ( G‡) và hằng số tốc G‡) và hằng số tốc

độ phản ứng (k)

52

Bảng 3 6 Các thông số nhiệt động của U10a(S) và U10a(Se) tính tại

ROB3LYP/6-311++G(2df,2p) (đơn vị lkcal/mol)

Phụ lục

Bảng PL Tọa độ xyz của các nguyên tử trong các các dẫn xuất

U10a(S) và U10a(Se) tối ưu tại B3LYP/6-311G(d,p)

Bảng PL Tính toán động học của phản ứng chuyển nguyên tử H tại

N1 của U10a đến CH3OO

Phụ lục

Bảng PL Tính toán động học của phản ứng chuyển nguyên tử H tại

C2 của U10a đến CH3OO

Phụ lục

Bảng PL Tính toán động học của phản ứng chuyển nguyên tử H tại

N3 của U10a đến CH3OO

Phụ lục

MỞ ĐẦU

Các hợp chất dẫn xuất từ urea là những hợp chất có vai trò rất quan trọng trong đời sống và đang thu hút quan tâm nghiên cứu vì chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp và dược phẩm [CITATION IGallou \l 1033 ] ; chúng được như dùng làm thuốc trừ sâu, chất điều khiển tăng trưởng cây và đặc biệt là làm phụ gia trong công nghiệp dầu mỏ [CITATION TVishnyakova \l 1033 ].

Hóa học tính toán ra đời, với khả năng cung cấp thông tin chính xác, khả năng tiên đoán hiện tượng hóa học, việc áp dụng các phương pháp tính toán trong hóa lượng tử đã trở thành công cụ đắc lực trong nghiên cứu hóa học Sử dụng các phần mềm tính toán hiện đại trong hóa học lượng tử cho phép tiến hành nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc phân tử, khả năng phản ứng, các thông số động học, cơ chế phản ứng, các thông tin về phổ Hiện nay cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, nhiều phần mềm tính toán hóa học lượng tử ra đời đã trở thành một công cụ đắc lực trong việc nghiên cứu

Với sự phát triển của hóa học tính toán, việc nghiên cứu khả năng chống oxy hóa của các chất có thể thông qua các cơ chế đã có dựa trên việc tính toán các đại lượng nhiệt động học quan trọng như năng lượng phân ly liên kết (BDE), ái lực proton…

và ứng dụng các cơ chế hóa học của quá trình hạn chế sự phát triển gốc tự do [CITATION 3PRa \m 4NRP \m 5RLP \m 6KIn \m 7KUI \l 1033 ].

Trong thời đại ngày nay, dầu mỏ được coi có vai trò hết sức quan trọng trên thế giới Nhiều sản phẩm từ dầu mỏ có ứng dụng to lớn trong cuộc sống Tuy nhiên, nhiều vật liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ như dầu nhờn, vật liệu polymer, chất dẻo, cao su… không đảm bảo độ bền trong quá trình sử dụng Nguyên nhân là do các gốc tự

do như peroxyl ROO hay hydroxyl OH… sinh ra, chúng gây ra các phản ứng hóa học, làm giảm độ bền vật liệu, làm tăng mài mòn động cơ [CITATION 8WLH \l 1033 ] Đó là lý do có nhiều nghiên [CITATION 9KAk \l 1033 ] cứu trên thế giới liên quan đến vấn đề sử dụng các chất chống oxy hóa để ngăn chặn hay hạn chế các phản ứng liên quan đến các gốc tự do nhằm tăng tính bền hay tính ổn định của các vật liệu làm

từ dầu mỏ, polymer, cao su…[CITATION 10FGu \l 1033 ]

Các hợp chất được tổng hợp từ các tiền chất urea được biết đến là những chất chống oxy hóa bằng cách giữ gốc tự do hay dập tắt gốc tự do, ngăn chặn quá trình oxy hóa của các gốc tự do như OH, ROO Đặc biệt trong quá trình chế tạo và sử dụng vật liệu polymer, lưu hóa cao su, dầu nhờn [CITATION 11EFH \l 1033 ] Do

đó chúng tôi đề xuất nghiên cứu đề tài “THIẾT KẾ CÁC DẪN XUẤT UREA CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HOÁ CHO SẢN PHẨM DẦU MỎ”.

B TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Từ cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, các nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các chất chống oxy hóa trong quy trình công nghiệp quan trọng, chẳng hạn như công tác phòng chống kim loại ăn mòn, lưu hóa cao su, và sự trùng hợp của nhiên liệu trong các ô nhiễm của động cơ đốt trong

Về sau đó, các nghiên cứu về vai trò của chất chống oxy hóa trong lĩnh vực hóa sinh được dùng trong việc chống quá trình oxy hóa của chất béo không no, đó là nguyên nhân làm ôi thực phẩm hay quá trình lão hóa trong cơ thể cũng được quan tâm[CITATION 5RLP \m 12NMT \m 13WaG \m 14KAI \l 1033 ].

Việc nghiên cứu quá trình chống oxy hóa các gốc tự do như OH, ROO… không những trong cơ thể sống mà còn trong vật liệu vẫn đang được quan tâm và thực hiện Cho đến nay đã có nhiều bằng sáng chế liên quan đến các hợp chất chống oxy hóa cho các hydrocarbon được đăng ký Nhiều công trình nghiên cứu khoa học

đã được thực hiện.

Một vài công trình liên quan được liệt kê như sau: nN ăm 2009 , Khan và cộng

sự đã công bố các tổng hợp bất đối xứng các hợp chất dẫn xuất của urea và đánh giá khả năng ứng dụng [CITATION 15KMK \l 1033 ] Năm 2015, Romero-Hernandez và

cộng sự cũng đã có những nghiên cứu sâu về thio (seleno) ureas and triazolyl glycoconjugates [CITATION Europeanjournalofmedicinal \l 1033 ] Năm 2016 Aksu

và cộng sự cũng đánh giá hoạt tính chống oxy hóa của các urea dẫn xuất từ các dẫn xuất phenethylamines [CITATION 9KAk \l 1033 ].

Những nghiên cứu về khả năng chống oxy hóa của urea và hướng ứng dụng trong công nghiệp dầu mỏ theo sự hiểu biết của chúng tôi là không nhiều Một vài nghiên cứu về tổng hợp, đặc trưng cũng như các đề xuất ứng dụng của urea cũng được các tác giả quan tâm nghiên cứu và công bố [CITATION 17NTM \m SynthesisandinvitroAntioxidant \n \y \t \l 1033 ] Hầu như chưa có một nghiên cứu chi tiết nào về khả năng ứng dụng các dẫn xuất urea trong việc sử dụng làm chất chống oxy hóa trong dầu mỡ hay vật liệu nhựa, cao su…

Ngày nay, các dẫn xuất từ urea và các hợp chất liên quan đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì chúng có nhiều tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, y tế [CITATION TVishnyakova \m BHotten \m LAT1 \m ADhananjayJagtap \m IGallou \m KAk \l 1033 ] Gần đây, các dẫn xuất urea đi từ phenethylamine mới đã được tổng hợp thành công, chúng thể hiện hoạt tính sinh học

và tính chống oxi hoá tốt Ngoài ra các dẫn xuất urea bất đối xứng như N,

N’-diarylureas thể hiện hoạt tính sinh học cao và có khả năng chống oxi hoá tốt [CITATION YYi \m GBo1 \l 1033 ].

Các hợp chất bất đối xứng benzylurea được đầu tư nghiên cứu và ứng dụng làm chất chống oxy hoá trong các hỗn hợp hydrocacbon, dầu nhờn, polyolefin và trong các polymer khác có sử dụng benzylurea làm chất ức chế oxi hoá Thêm vào

đó, chúng còn được sử dụng như là tác nhân chống lão hoá và bền nhiệt trong tổng hợp cao su.

Liên quan đến khả năng chống oxy hoá của các dẫn xuất benzylurea, Hotten

và cộng sự [CITATION BHotten \l 1033 ] đã nghiên cứu và đưa ra kết luận rằng akylbenzyl-phenylureas có khả năng chống oxy hoá rất cao đối với các hydrocacbon như polypropene, polyisobutene, poly-4-methyl-1-pentene, mỡ bôi trơn và nhiều hợp chất cũng như quá trình khác [CITATION BHotten \l 1033 ].

1-C MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

C1 Mục tiêu

Thiết kế và nghiên cứu các dẫn xuất mới từ urea có hoạt tính chống oxy hóa tốt trên cơ sở phân tích các thông số nhiệt động học dựa trên các cơ chế chống oxy hóa

C2 Nội dung nghiên cứu

- Tìm kiếm các hệ chất dẫn xuất có khả năng chống oxy hóa mới đề xuất cho nghiên cứu ;

- Tính toán các thông số nhiệt động học liên quan đến hoạt tính chống oxy hóa của một số dẫn xuất từ urea như năng lượng phân ly liên kết (BDE) , ái lực proton (PA) , năng lượng ion hóa (IE) , năng lượng tách proton (PDE)… của các hệ chất nghiên cứudẫn xuất urea trong các môi trường khác nhau;

- Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa dựa trên các thông số nhiệt động học và bề mặt thế năng phản ứng dập tắt gốc tự do của các dẫn xuất urea nghiên cứu;

- Xây dựng mối quan hệ và phân tích sự tương quan giữa các thông số nhiệt động và thông số cấu trúc cũng như tìm ra sự liên hệ giữa các thông số;

- Thiết kế các hợp chất mới từ dẫn xuất urea có hoạt tính chống oxy hóa cao

- Thực hiện một vài thí nghiệm kiểm chứng khả năng chống oxy hóa của dẫn xuất urea thiết kế.

D1 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu các dẫn xuất từ urea có cấu trúc tổng quan quát được thể hiện trên Hình 1, trên cơ sở đánh giá sơ bộ năng lượng liên kết tại hai liên kết N-H, chúng tôi đề xuất nghiên cứu chi tiết các dẫn xuất bất đối xứng benzylurea thể hiện trên Hình 1.

Hình 1 Hệ chất nghiên cứu ban đầu

R1 = H, halogen, alkyl, phenyl… và R2: H, phenyl…

Trong đó có thể sử dụng hợp chất đã được thương mại hoá để làm chất so sánh

và đánh giá các đặc tính của hợp chất nghiên cứu.

H N

CH3

CH3N

H

H3C

CH3

N-N'-di-sec-butyl-p-phenylenediaminN-N’-di-sec-butyl-p-phenylenediamin

và các dẫn xuất mới bằng cách thay thế O tại nhóm carbonyl bằng các nguyên tố S và

Se thông qua các thông số nhiệt động và làm rõ cơ chế và phương thức chống oxy hoá đặc trưng dựa trên cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT)

X 2

Hình 3 Cấu trúc của 1-(3-methylbenzyl)-3-phenylurea cùng dẫn

xuất thiourea và selenourea analogues (X= O, S and Se).

D2 Phạm vi nghiên cứu

- Tính toán các thông số nhiệt động liên quan đến cơ chế chống oxy hóa gồm BDE, IE, PA… và thông số cấu trúc khác Phân tích sự ảnh hưởng của nhóm thế đến

sự thay đổi các thông số trên theo bản chất và vị trí của chúng thông qua giản đồ Từ

đó tối ưu hóa cấu trúc các hợp chất của hệ nghiên cứu.

- Trên cơ sở các cơ chế chống oxy hóa và các hợp chất đã nghiên cứu đề xuất

và thiết kế các hợp chất dẫn xuất mới từ urea có hoạt tính chống oxy hóa tốt.

- Đánh giá và so sánh khả năng chống oxy hóa của phenylenediamin (phụ gia chống oxy hóa cho xăng) với hệ chất nghiên cứu.

N-N’-di-sec-butyl-p-Hầu hết các nghiên cứu hiện nay chỉ tập trung vào khả năng chống oxy hoá mà chưa đề cập đến cơ chế và bản chất của nó Vì vậy, đề tài tập trung vào việc nghiên cứu một cách có hệ thống hoạt tính chống oxy hoá của các dẫn xuất Urea bằng cách thay thế các nguyên tử Nitơ bằng nhóm benzyl và phenyl Theo đó, 1-(3- methylbenzyl)-3-phenylurea ( BU , xem Hình 3) được nghiên cứu và tính toán nhằm làm rõ đặc trưng của cơ chế và phương thức chống oxy hoá dựa trên quá trình dịch chuyển nguyên tử Hydro (HAT) Qua đó, đề tài tập trung giải quyết các vấn đề:

- Quan sát và đánh giá cấu cấu trúc BU ;

- Xem xét quá trình dịch chuyển nguyên tử Hydro xảy ra tại liên kết C-H hay N-H trong hợp chất urea;

- Ảnh hưởng của nhóm thế methyl tại vị trí ortho và para của vòng benzyl;

- Ảnh hưởng của oxy đến khả năng chống oxi hoá của BU

- Thiết kế các hợp chất 1-(3-methylbenzyl)-3-phenylthiourea ( BTU ) và methylbenzyl)-3-phenylselenourea ( BSU ) làm cơ sở để tính toán và so sánh.

- Tổng quan lý thuyết, các phương pháp hóa tính toán của hoá học lượng tử; tổng quan các bài báo quốc tế và các nguồn tài liệu khác có liên quan đến vấn đề nghiên cứu;

- Sử dụng phương pháp trong hoá học tính toán bằng cách ứng dụng phần mềm Gaussian 09, Gaussview 5 và các phần mềm hóa học [CITATION 19MFr \l 1033 ] để

tính toán các thông số nhiệt động cần thiết;

- Áp dụng thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) được các nhà khoa học sử dụng như công cụ đắc lực cho việc nghiên cứu các hệ chất khối lượng phân tử lớn, bất đối xứng… với độ chính xác và hiệu quả cao.

Để khảo sát hệ chất nghiên cứu, ảnh hưởng nhóm thế đến BDE, chúng tôi chọn phương pháp của thuyết phiếm hàm mật độ để khảo sát và tính toán hệ nghiên cứu, đồng thời tiến hành tối ưu và tính toán các thông số cần thiết.

Tối ưu hoá cấu trúc phân tử, hợp chất trung gian, trạng thái chuyển tiếp tại mức lý thuyết DFT; đề xuất và xây dựng bề mặt phản ứng của gốc tự do ROO với các dẫn xuất urea thông qua tối ưu hóa các trạng thái chuyển tiếp (TS), phức chất…

Chúng tôi sử dụng các thông số nhiệt động (BDE, IE, PDE, PA, ETE…) liên quan đến ba cơ chế của phản ứng (HAT, SET-PT, SPLET) và các thông số nhiệt động (BDE, IE, PDE, PA, ETE…) để làm rõ quá trình ức chế và dập tắt gốc tự do trong cơ chế chống oxy hoá của các dẫn xuất urea.

ROB3LYP/6-311++G(2df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p) để áp dụng trong phần mềm Gaussian 09 nhằm tìm ra các thông số nhiệt động và đưa ra đánh giá.

Bề mặt thế năng phản ứng (PES) được tính toán và thiết lập dựa trên các hợp chất trung gian và trạng thái chuyển tiếp hình thành khi phản ứng xảy ra; trên cơ sở

đó, các tính toán động học của phản ứng được thực hiện thông qua lý thuyết trạng thái chuyển tiếp (Transition state Theory: TST) của Eyring [CITATION HEy \l

1033 ]

Tính toán động học bằng cách sử dụng phần mềm Eyringpy 1.02 [CITATION EDz \l 1033 ][CITATION EDz1 \l 1033 ]

F Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI

Với mục đích đánh giá khả năng chống oxy hóa của các dẫn xuất từ urea thông qua sử dụng phần mềm tính toán hóa học để tính toán các thông số nhiệt động, xây dựng bề mặt thế năng, kết quả đạt được sẽ phục vụ cho cơ sở lý thuyết trong việc nghiên cứu các hợp chất hóa học; qua đó tìm ra được nhiều chất chống oxy hóa phù hợp ứng dụng cho thực tế Do đó, đề tài vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực dầu mỏ và polymer.

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về chất oxy hóa và chất chống oxy hóa

Việc nghiên cứu các hợp chất oxy hoá và các hợp chất chống oxy hoá có vai trò rất quan trọng trong thực tiễn Thực tế cho thấy, việc nghiên cứu các hợp chất chống ôo xy hoá không những trong lĩnh vực thực nghiệm mà còn trong cả lĩnh vực tính toán; không những trong lĩnh vực hoá sinh mà còn cả ngay trong công nghiệp vật liệu.

Đối với lĩnh vực hoá sinh, nhiều nghiên cứu được ứng dụng cho quá trình chống oô xy hoá trong thực phẩm, hoạt chất chống ôo xy hoá trong vitamin Đặc biệt, các chất chống oxy hoá có nguồn gốc từ thiên nhiên đóng vai trò hết sức quan trọng đối với quá trình lão hoá cơ thể người, chúng ngăn chặn sự thoái hoá tế bào bằng cách ngăn chặn và cắt đứt chuỗi phản ứng của gốc tự do.

Trong công nghiệp, chất chống oxy hoá được bổ sung vào trong nhiên liệu và dầu bôi trơn để ngăn chặn quá trình oxy hoá, chúng cũng được thêm vào trong xăng dầu để tránh quá trình polymer hoá-quá trình này làm đóng cặn trong xăng dầu và gây phá huỷ động cơ [CITATION Antioxidantsintechnology \l 1033 ].

1.1.1 Gốc tự do

Gốc tự do được hình thành bởi một phân tử có một điện tự độc thân chưa được ghép đôi, chưa tạo thành cặp Trong chuỗi phản ứng, gốc tự do liên tục được sinh ra; bước đầu tiên của phản ứng là khởi tạo gốc tự do Tiếp theo đó, gốc tự do này sẽ phản ứng với một phân tử ổn định khác để tạo thành sản phẩm và một gốc tự do khác; từ đó phát triển chuỗi phản ứng liên hoàn cho đến khi không còn tác nhân hoặc gốc tự do hoàn toàn bị phá huỷ.

1.1.2 Chất chống oxy hóa

Chất chống oxy hoá là các hợp chất làm chậm hoặc dập tắt quá trình oxy hoá Người ta thường bổ sung chất chống oxy hoá vào quá trình phản ứng để làm chậm hay dừng quá trình oxy hoá bằng cách bắt giữ gốc tự do hoặc phá vỡ chuỗi phản ứng của gốc tự do; chúng làm chậm tốc độ lan truyền của phản ứng bằng cách phản ứng với gốc tự do và tạo ra các sản phẩm không có gốc tự do hoặc có gốc tự do không có tính oxy hoá.

1.1.3 Cơ chế chống oxy hóa

Quá trình chống oxy hoá có thể mô tả và diễn giải theo ba cơ chế: HAT,

SET-PT, SPLET

1.1.3.1 Cơ chế HAT (Hydrogen Atomic Transfer)

Cơ chế dịch chuyển nguyên tử hydrogen (HAT) này cho thấy chất chống ôo xy hoá AU H sẽ dập tắt gốc tự do ROO•(peroxyl), HO• (hydroxyl)…, bằng cách chuyển một nguyên tử hydrogen trong một nhóm của AU H sang gốc tự do Có thể mô tả quá trình này như sau:

UH + ROO• → U• + ROOH Gốc U• tạo thành có thể phản ứng với các gốc tự do khác theo các phản ứng khác nhau để tạo thành các sản phẩm khác và không sinh ra thêm gốc tự do nào Hiệu quả của cơ chế này tuỳ thuộc vào khả năng chuyển nguyên tử hydrogen trong phân tử amine và được quyết định bởi enthalpy phân cắt đồng ly (năng lượng phân ly liên kết

- BDE) của liên kết N-H, được xác định theo phương trình:

BDE(U-H) = H(U•) + H(H•) – H(UH)

Với BDE(U-H) là năng lượng phân ly liên kết của liên kết U-H; H(U•), H(H•)

và, hH ( AU H) lần lượt là enthalpy của U•, H•, UH tương ứng.

1.1.3.2 Cơ chế SET-PT (Single Electron TransferProton Transfer)

Cơ chế dịch chuyển electron - chuyển proton (SET-PT) này thực hiện qua hai bước, được mô tả theo hai quá trình sau:

UH + ROO• → UH+• + ROO• (1) → U• + ROOH (2) Quá trình (1) chuyển một electron từ amine sang gốc tự do là bước quan trọng nhất và được quyết định bằng năng lượng ion hoá (IE- Ionization energy); quá trình

(2) chuyển một proton để tạo thành aminyl được đánh giá và xác định bằng năng lượng phân tách proton (PDE- Proton dissociation enthalpy) Có thể đánh giá khả năng oxy hoá của một hợp chất theo cơ chế SET-PT nhờ vào các giá trị IE và PDE, các giá trị này được xác định theo phương trình:

IE= Hf(UH+•) + Hf(e-) – H (UH)

PDE= Hf(UN•) + Hf(H+) – H(UH+•)

1.1.3.3 Cơ chế SPLET (Sequential Proton Loss Electron Transfer)

Cơ chế mất electron-chuyển proton (SPLET) gồm hai bước:

- Mất proton H+ của hợp chất UH theo phản ứng UH → U− + H+

Bước này được đặc trưng bằng ái lực proton (PA-Proton affinity);

- Dịch chuyển electron:

U− + ROO• → U• + ROO−ROO− + H+ → ROOH Bước này được đặc trưng bằng năng lượng chuyển electron (ETE- Electron Transfer Enthalpy)

Các thông số nhiệt động PA và ETE được tính toán theo phương trình:

PA= H(U−) + H(H+) – H(UH)

ETE= H(U•) + H (e−) - H(U−) Enthalpy tổng của hệ ở điều kiện chuẩn (298K, 1atm) được xác định theo phương trình:

Hf= E0 + ZPE + Htrans + Hrot + Hvib + RT Trong đó: E0 là tổng năng lượng của hệ, ZPE là năng lượng dao động của hệ ở điểm không; Htrans, Hrot, Hvib tương ứng là enthalpy dịch chuyển tịnh tiến, enthalpy quay, enthalpy dao động trong hệ [CITATION Pha \l 1033 ].

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về khả năng chống oxy hóa của các dẫn xuất từ urea

Năm 2017, Chamarthi Naga Raju và cộng sự đã nghiên cứu thiết kế, tổng hợp

và đánh giá đặc tính chống oxy hoá của các đẫn xuất Ure/Thioure đi từ

3,5-dichloro-4-hydroxyl-aniline, các sản phẩm thu được có đặc tính chống oxy hoá và kháng khuẩn cao[CITATION designsynthesisandbioevaluation \l 1033 ].

Kerr đã nghiên cứu, tính toán, phân tích và tổng hợp được imidazolidinyl)ethyl)-3-phenyl urea có khả năng chống lại quá trình ôo xy hoá gây ra bởi các gốc tự do và đưa vào ứng dụng trong enzym chống oxy hoá để bảo vệ động- thực vật [CITATION Ker \l 1033 ].

N-(2-(2-oxo-1-Trong lĩnh vực dầu mỏ, Eugene F Hill và David O De Pree đã tìm ra N'-(p-hydroxyphenyl) urea có tính năng ức chế oxy hoá mà không gây ảnh hưởng đến các tính chất khác bằng cách thay thế amine tự do của hợp chất N-p- hydroxyphenyl urea bằng gốc aryl Sản phẩm thu được dùng làm phụ gia chống oxy hoá cho xăng [CITATION Eug \l 1033 ].

N-aryl-Năm 2016, Nhóm nghiên cứu của Sudhamani H đã thiết kế và tổng hợp được nhiều hợp chất đi từ dẫn xuất của urea và thiourea, chúng cho khả năng chống oxy hoá ở mức từ trung bình đến tốt và được đưa vào ứng dụng trong thực tế để làm tác nhân chống oxy hoá và kháng khuẩn [CITATION HSu \l 1033 ].

Từ phenyl urea, Veera Raghavulu và cộng sự đã tính toán, thiết kế và tổng hợp được 1-[(1E)-2-(3-fluorophenyl) ethylidene]-3-(4-ethoxyphenyl) urea và 3-chloro-2- (3-fluorophenyl)-N-(4-methoxyphenyl)-4-oxoazetidine-1-carboxamide với mục đích ứng dụng trong y học, làm giảm quá trình lão hoá cơ thể người [CITATION Synthesisandinvitro \l 1033 ].

Một trong những dãy hợp chất có hoạt tính chất chống oxy hóa hiệu quả trong các sản phẩm dầu mỏ, nhựa, chất dẻo là các dẫn xuất của benzylurea Cụ thể, Hotten

và các cộng sự bằng các kết quả thực nghiệm đã đăng ký các bản quyền sáng chế về dãy các hợp chất mới dẫn xuất từ urea (xem Hình 2) sử dụng cho mục chống oxy hóa cho các vật liệu hydrocarbon Đây là các dẫn xuất bất đối xứng của urea được tổng hợp theo phản ứng cộng amine vào isocinate

PhNCO + PhCH2NH2  PhNHCONHCH2Ph (Ph: nhóm phenyl: C6H5-) Các sản phẩm sau khi tổng hợp được đánh giá hoạt tính chống oxy hóa thông qua các thí nghiệm trực tiếp trên nền polypropylene; sở dĩ polypropylene được sử dụng vì chúng dễ dàng bị oxy hóa khi không có chất bảo vệ; ngược lại, khi đưa vào chất bảo vệ thì có sự thay đổi rất rõ rệt, giúp cho việc đánh giá khả năng chống oxy hóa được dễ dàng Theo đó, bằng cách cho 10g mẫu bột polypropylene với kích thước qua sàng No.100 mesh (d= 0.149 mm) được trộn với chất chống oxy hóa trong

môi trường oxy với áp suất 100 psi (pound force per squred inch = 0.0680 atm) trong bình phản ứng kín không rỉ (tiêu chuẩn ASTM), đánh giá thời gian cảm ứng (thời gian bắt đầu có những phản ứng hóa học của quá trình oxy hóa - induction period) Kết quả đo thời gian cảm ứng của một số hợp chất được thể hiện trên Bảng 1.1

Bảng 1 1 Thời gian cảm ứng khi sử dụng các dẫn xuất

1-(3-methylbenzyl)-3-phenylurea làm chất chống oxy hóa

( giờ )

Rõ ràng rằng, với các dẫn xuất đối xứng từ urea, ví dụ PhNHCONHPh, 3Me PhNHCONHPh-3Me hoặc PhNHCONHCOPh, khả năng chống oxy hóa là không đáng kể; ngược lại với dẫn xuất bất đối xứng từ urea như PhNHCONHCH2Ph, PhNHCONHCH2Ph-3Me thì hiệu quả chống oxy hóa được thể hiện rất rõ rệt Trên

-cơ sở đó, chúng tôi tập trung khảo sát đánh giá về mặt hóa tính toán lượng tử các thông số nhiệt động liên quan đến khả năng chống oxy hóa, cơ chế phản ứng của một

số dẫn xuất đối xứng và bất đối xứng từ urea (Cấu trúc của hợp chất nghiên cứu này được thể hiện trên Hình 3.1 của phần kết quả và thảo luận).

Chương 2

LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

2.1 Phương trình Schrödinger [CITATION Cơsởhóahọclượngtử \m

NguyễnĐìnhHuề \m LevineIN2000 \m SzaboA \l 1033 ]

Để mô tả trạng thái hệ lượng tử của các hạt, người ta đưa ra đưa ra hàm toạ độ của chúng, gọi là hàm sóng (Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm (Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm) là hàm phụ thuộc vào thời gian Vì vậy, chúng ta cần một hàm sóng thể hiện sự thay đổi theo thời gian để xác định trạng thái của hệ tại thời điểm t Trong không gian một chiều, hệ một hạt chuyển động có phương trình sóng Schrödinger phụ thuộc vào thời gian như sau:

m: khối lượng của hạt

Hàm sóng toàn phần mô tả trạng thái của hệ Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm(x,t) phụ thuộc vào toạ độ x và thời gian t Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm(x,t) là hàm liên tục, xác định, khả vi, đơn trị; là hàm phức và chuẩn hoá.

Phương trình Schrӧdinger (2.1.1) rất phức tạp, đây là phương trình phụ thuộcdinger (2.1.1) rất phức tạp, đây là phương trình phụ thuộc vào không gian và thời gian Do đó, khi khảo sát hệ lượng tử, chúng ta phải khảo sát

ở trạng thái dừng, tức chỉ khảo sát ở trạng thái phụ thuộc vào toạ độ mà không phụ thuộc vào thời gian Phương trình Schrӧdinger (2.1.1) rất phức tạp, đây là phương trình phụ thuộcdinger ở trạng thái dừng có dạng:

ˆH : toán tử Hamilton

E là giá trị năng lượng riêng của ˆH .

Trạng thái dừng ở đây được hiểu là trạng thái mà xác suất tìm thấy hạt không thay đổi, không phụ thuộc theo thời gian, nghĩa là

(x, t) (x)

   Toán tử Hamilton là tổng động năng của electron, động năng hạt nhân, lực hút của hạt nhân với electron, lực đẩy giữa electron và lực đẩy giữa các hạt nhân; toán tử Hamilton gồm toán tử động năng và thế năng, được biểu diễn theo phương trình sau:

mi: khối lượng của hạt nhân i ( i=1 n )

mk: khối lượng của hạt nhân k ( k=1 q )

ZA, ZB: số đơn vị điện tích các hạt nhân A và B tương ứng

rij: khoảng cách giữa electron thứ i và thứ j

rik: khoảng cách giữa electron thứ i và hạt nhân k

Rkp: khoảng cách giữa hai hạt nhân k và p

Chỉ có thể giải chính xác phương trình Schrӧdinger (2.1.1) rất phức tạp, đây là phương trình phụ thuộcdinger đối với hệ một hạt nhân và một electron (bài toán đối với nguyên tử H và các ion tương tự) Đối với hệ có nhiều hơn một electron, chúng ta chỉ có thể giải gần đúng vì không thể biết chính xác thành phần tương tác đẩy giữa các electron.

Born-Oppenheimer xem hạt nhân là đứng yên đối với hệ nhiều electron Do vậy,

sự chuyển động của electron không phụ thuộc vào vận tốc hạt nhân mà phụ thuộc vào vị trí của hạt nhân Điều đó có nghĩa là toán tử động năng, tức là biểu thức thứ 2 của phương trình (2.1.4), bằng không (0) Toán tử Hamilton có dạng:

 : hàm sóng mô tả chuyển động của electron

2.2 Nguyên lý không phân biệt các hạt đồng nhất [CITATION LevineIN2000 \

m QuantumChemistryFifthEdition \l 1033 ]

Đối với hệ nhiều electron, ta không thể xác định chính xác đồng thời vị trí của chúng tại những thời điểm khác nhau Vì vậy phương trình sóng Schrӧdinger (2.1.1) rất phức tạp, đây là phương trình phụ thuộcdinger không thể được giải chính xác Ta chỉ có thể tính xác suất, mật độ xuất hiện, tại một vị trí xác định của hạt mà thôi.

Nguyên lý không phân biệt giữa các hạt đồng nhất chỉ ra “các hạt trong một hệ đồng nhất là không thể phân biệt được” Theo đó, đối với hệ nhiều electron, mỗi electron chuyển động độc lập với các electron khác trong một trường trung bình đối xứng cấu tạo bởi hạt nhân và các electron còn lại (bỏ qua tương tác đẩy giữa các electron).

2.3 Nguyên lý loại trừ Pauli (Nguyên lý phản đối xứng) [CITATION

NguyễnĐìnhHuề \m LevineIN2000 \m SzaboA \m

Với α(ω) là hàm spin-up (↑) và β(ω) là hàm spin-down (↓), thì ta có hai hàm:

và ∫α*(ω)β(ω)dω = ∫β*(ω)α(ω)dω = 0

(2.1.8) Hay nói cách khác, hai hàm này là trực chuẩn, nghĩa là:

1

     

Theo đó, một electron được mô tả không chỉ bằng toạ độ không gian r mà còn

toạ độ spin ω, được biểu diễn qua hàm x={r,ω} Lúc này hàm sóng n electron được

viết: Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm(x1, x2, …, xn).

Do toán tử Hamilton không có yếu tố spin nên việc làm cho hàm sóng phụ thuộc vào spin không mang lại ý nghĩa Do đó, để thỏa mãn điều kiện này, cần thêm điều kiện đối với một hàm sóng: một hàm sóng nhiều electron phải phản xứng với sự trao đổi (đổi chỗ) tọa độ x (gồm phần không gian và spin) của bất kỳ 2 electron nào, khi đó:

Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm(x1,…,xi,…,xj,…xn) = Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm((x1,…,xi,…,xj,…xn) (2.1.9)

Đây chính là nguyên lý phản đối xứng hay nguyên lý loại trừ Pauli.

Phương trình Schrödinger không giải được chính xác vì không thể xác định thế năng tương tác đẩy giữa 2 electron do không thể định vị vị trí của 2 electron trong không gian Vấn đề này hoàn toàn phù hợp với nguyên lý phản đối xứng bởi sự không phân biệt giữa các hạt đồng nhất, nghĩa là mật độ, xác suất tìm thấy hạt không

phụ thuộc vào hoán đổi vị trí của 2 electron bất kì trong hệ.

Với |Ψ(xΨ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm(x1,…,xi,…,xj,…xn) |Ψ(x2 = |Ψ(xΨ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm((x1,…,xi,…,xj,…xn)|Ψ(x2 (2.1.10) Suy ra: Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm(x1,…,xi,…,xj,…xn) = Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm(x1,…,xi,…,xj,…xn) là hàm phản đối xứng hay: Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm(x1,…,xi,…,xj,…xn) = Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm(x1,…,xi,…,xj,…xn) là hàm đối xứng

Hàm sóng toàn phần mô tả trạng thái của hệ phải là hàm phản đối xứng

χ( X )=ψi( r ).α( ω) hay χ( X )=ψi( r ) β( ω)

Với hệ nhiều electron (n electron), ta có:

Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàmel(x1,x2, ,xn)=χ1(x1).χ2(x2) χn(xn)

(2.1.11) Trong đó χi được gọi là các orbital spin (i = 1  n); x là tọa độ orbital spin.

Để phù hợp với nguyên lý phản đối xứng (hàm đổi dấu, không phải hàm tích), người ta viết hàm sóng toàn phần của hệ n electron dưới dạng định thức Slater

1 1 2 1 i 1 n 1

1 2 2 2 i 2 n 2 1/2

el

1 n 2 n i n n n

(x ) (x ) (x ) (x ) (x ) (x ) (x ) (x ) (N!)

Sự đổi chỗ của hai hàng trong định thức (2.1.12) sẽ làm đổi dấu của định thức, điều này tương ứng với sự đổi chỗ của 2 electron Do đó, định thức Slater thoả mãn nguyên lý phản đối xứng.

Có thể nhận thấy nếu 2 electron chiếm giữ cùng một orbital spin thì sẽ tương ứng với hai hàng của định thức có giá trị bằng nhau, định thức bằng không và hàm sóng bị triệt tiêu

Như vậy từ yêu cầu phản đối xứng đẫn đến nguyên lý loại trừ Pauli “không thể

có nhiều hơn một electron chiếm giữ một orbital spin”.

Để đơn giản và thuận tiện, người ta thường viết định thức Slater dưới dạng chuẩn hoá:

trong Hoá học lượng tử: Phương pháp lý thuyết (phương pháp ab–initio) và Phương

pháp bán kinh nghiệm (dùng một số tham số theo kinh nghiệm để thay cho số tích phân).

2.4.2 Cấu hình electron và trạng thái của hệ [CITATION NguyễnĐìnhHuề \m LevineIN2000 \m QuantumChemistryFifthEdition \l 1033 ]

Sự phân bố các electron trong orbital của hệ lượng tử được gọi là cấu hình electron Có thể phân loại/phân biệt cấu hình electron như sau:

- Cấu hình vỏ đóng (closed shell): là cấu hình có 2n electron chiếm n orbital ở trạng thái cơ bản, không có electron độc thân;

- Cấu hình vỏ mở (open shell): là cấu hình có số electron α lớn hơn số electron β ở trạng thái cơ bản hoặc ngược lại;

- Cấu hình hạn chế (restricted): là cấu hình mà 2 hàm spin  và  khi có 2 electron

ghép đôi được sử dụng chung trong một hàm không gian Các electron độc thân thuộc về các hàm không gian khác nhau; chỉ các MO bị chiếm bởi các electron

không ghép đôi mới được xử lý riêng biệt Cấu hình này dùng trong phương pháp tính toán HatreeFock là RHF (vỏ đóng) hoặc ROHF (vỏ mở);

- Cấu hình không hạn chế (unrestricted): là cấu hình mà hàm spin  và  thuộc hai

hàm không gian khác nhau, nghĩa là không suy biến năng lượng Tất cả các electron đều được xử lý ở các orbital không gian riêng biệt Cấu hình này có thể sử dụng với

hệ có 2n hoặc 2n+1 electron ở các dạng vỏ đóng, mở và trạng thái kích thích Ưu điểm của UHF là năng lượng thu được thấp hơn và nhanh hội tụ Tuy nhiên, UHF có hàm sóng thu được thường không ở trạng thái spin thuần khiết (pure spin).

Một cấu hình electron chưa cho biết đầy đủ trạng thái các electron, vì vậy từ cùng một cấu hình có thể có nhiều trạng thái khác nhau Trạng thái electron là một hàm sóng xác định mô tả hệ lượng tử; trạng thái có năng lượng thấp nhất được gọi là trạng thái cơ bản.

2.5 Bộ hàm cơ sở [CITATION NguyễnĐìnhHuề \m LevineIN2000 \m

Tập các AO gọi là bộ hàm cơ sở được sử dụng trong Hoá tính toán lượng tử.

Số AO càng nhiều thì việc giải phương trình càng có độ chính xác cao nhưng việc tính toán gặp nhiều khó khăn.

Có ba loại bộ hàm cơ sở:

- Bộ hàm tối thiểu (minimal basic sets): bao gồm tất cả các orbital vỏ trong và orbital vỏ hóa trị;

- Bộ hàm hóa trị (valence basis sets): chỉ có các orbital vỏ hóa trị;

- Bộ hàm mở rộng (extended basis sets): là tập cơ sở tối thiểu bổ sung thêm các orbital của lớp bên ngoài vỏ hóa trị (orbital ảo – virtual orbital) Một bộ hàm cơ sở được biểu diễn bởi hai phần: bán kính R(r) và phần góc

Y(,) và được biểu diễn:

r R

 r: toạ độ orbital,

RA : tọa độ hạt nhân nguyên tử A,

CS, CG : hệ số, bao gồm cả phần góc,

, α là hệ số mũ của các hàm STO và GTO tương ứng.

Hàm STO có độ chính xác cao hơn nhưng khó khăn hơn trong việc tính toán

vì số lượng tích phân phải tính nhiều hơn Trên thực tế, người ta thực hiện hai cách

Các loại bộ hàm cơ sở thường gặp:

 Bộ STO-nG (kiểu Pople): là tổ hợp của hàm STO với n hàm PGTO với n= 2÷6, thường sử dụng n= 3;

 Bộ k-nlG (kiểu Pople): mỗi orbital của bộ hóa trị thứ nhất được mô tả bởi n hàm PGTO còn mỗi orbital của bộ hóa trị thứ 2 được mô tả bởi một hàm PGTO;

 Bộ cơ sở knlmG: bộ cơ sở hóa trị tách ba, với k là số hàm PGTO dùng làm orbital lõi, mỗi orbital của bộ hóa trị thứ nhất, hai và ba lần lượt được mô tả bởi n, l, m hàm PGTO;

 Bộ hàm cơ sở tương quan phù hợp (correlation consistent basis set): gồm các loại bộ cơ sở sau: ccpVDZ, ccpVTZ, ccPVQZ, ccpV5Z và ccpV6Z;

 Bộ cơ sở phân cực phù hợp (polarization consistent basis set): tương tự

bộ hàm cơ sở phù hợp tương quan nhưng chỉ được dùng cho phương pháp DFT.

2.6 Phương pháp tính toán [CITATION NguyễnĐìnhHuề \m LevineIN2000 \m QuantumChemistryFifthEdition \m QuantumChemistryThirdEdition \m

Hàm sóng đơn giản mô tả hệ n electron là định thức Slater:

Trong đó: εi là năng lượng orbitalspin HF

f(1) là toán tử một electron hiệu dụng, được gọi là toán tử Fock Phương trình (2.1.18) không tuyến tính và được giải bằng phương pháp lặp.

Phương pháp HartreeFock chỉ áp dụng cho hệ nguyên tử, khó áp dụng đối với

hệ phân tử Để khắc phục vấn đề này, ta sử dụng phương pháp của Roothaan, tức là thay thế AO bằng MO trong phương trình HF Đây được gọi là phương pháp MO- LCAO (Linear Combination of Atomic Orbitals).

Phương trình Roothaan được giải tương tự như phương trình HF, nghĩa là bằng phương pháp lặp SCF nhưng phức tạp hơn do số lượng tích phân quá lớn.

2.6.3 Phương pháp bán kinh nghiệm

Phương pháp này sử dụng các tham số rút ra được từ thực nghiệm để thay thế cho các tích phân trong khi giải phương trình hàm sóng Schrödinger; nhờ đó mà việc tính toán đơn giản và tiết kiệm hơn nhưng vẫn cho kết quả tương tự Do đó, phương pháp bán kinh nghiệm được dùng rộng rãi trong nghiên cứu Hoá học lượng tử, đặc biệt là đối với các hệ phức tạp Các phương pháp bán kinh nghiệm thường dùng là INDO, MINDO, AM1, NDDO, CNDO, PM3 …

2.6.4 Phương pháp nhiễu loạn

Để giải gần đúng nhất phương trình Schrödinger, ta phải bỏ qua các thành phần nhỏ trong toán tử Hamilton, sau đó thực hiện phép hiệu chỉnh cần thiết để có

kết quả tốt nhất Đây chính là cơ sở của phương pháp nhiễu loạn Lý thuyết về phương pháp nhiễu loạn áp dụng cho bài toán không suy biến và suy biến.

2.6.4.1 Nhiễu loạn không suy biến

Bài toán này giải phương trình Schrӧdinger (2.1.1) rất phức tạp, đây là phương trình phụ thuộcdinger HΨ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm ˆ  E Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm

n n n bằng cách đưa bài toán về bài toán nguyên tử hidro, nghĩa là giải phương trình ˆH Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm0 0n  E Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm0n 0n Đây là bài toán gần đúng cấp 0, sau đó hiệu chỉnh toán tử Hamilton H H ˆ  ˆ 0   H ' ˆ ta sẽ có phương trình:

E0n và hàm riêng Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm0n không nhiễu loạn,

ˆH ' là toán tử nhiễu loạn.

Triển khai toán tử ˆH thu được:

Giải hệ này sẽ cho ta kết quả gần đúng cấp 1, 2, 3,

Bài toán càng chính xác khi số lượng phương trình trong hệ càng nhiều.

2.6.4.2 Nhiễu loạn suy biến

Bài toán suy biến là giải bài toán tổ hợp tuyến tính:

Φ = c Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm + c Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm + + c Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm =  c Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm

Bài toán có mức suy biến là d.

Trong tính toán hiện nay thường dùng các phương pháp nhiễu loạn suy biến MPn (n là bậc nhiễu loạn): MP2, MP3, MP4, MP5,

2.6.5 Phương pháp chùm tương tác (CoupledClusterCC)

Phương pháp này xét đến cấu hình electron bị kích thích của hệ, phương trình

có dạng: Ψ) Trạng thái của hệ sẽ thay đổi theo thời gian nên hàm = e ΦˆT o (2.1.22)

ˆT : toán tử kích thích,

Φo : hàm sóng HF trạng thái cơ bản được chuẩn hóa.

Việc sử dụng các phương pháp gần đúng để giải phương trình (2.1.22) sẽ cho

ta một số phương pháp thông dụng được áp dụng hiện nay là CCSD(T) và CCSDT1, trong đó CCSD(T) được sử dụng thường xuyên hơn.

2.6.6 Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional TheoryDFT)

Thuyết này biểu diễn hệ các electron bằng một hàm mật độ electron.

2.6.6.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng DFT

Định lý HohenbergKohn:

Định lý 1: Mật độ electron ρ (  r ) xác định thế ngoài Vext(  r ) , hàm sóng

Ψ (  r ) cũng như các tính chất khác của hệ ở trạng thái cơ bản.

Định lý 2: Đối với một ma trận mật độ thử ¯ρ (  r ) bất kì không âm và có

∫ ¯ρ (  r ) dr=N thì E[ ρ (  r ) ]≥E

oPhương trình KohnSham (KS): phương trình này được xây dựng bằng cách thay bài toán nhiều electron bằng một tập hợp tương đương các phương trình một electron:

Trong đó: εi là năng lượng orbital Kohn–Sham

VXC là thế tương quan trao đổi, VXC= δEEXC[ ρ ]

δEρ Phương trình này được giải theo SCF.

Phương pháp DFT là sự kết hợp giữa dạng của phiếm hàm tương quan và phiếm hàm trao đổi.

và thuộc tính electron của các chất hữu cơ.

2.6.7 Xây dựng bề mặt thế năng (PES - Potential Energy Surface)

Để xét trạng thái cấu trúc hệ phân tử hay các phản ứng nhiệt động, trong hoá học lượng tử, người ta thường xây dựng bề mặt thế năng của một hệ Bề mặt thế năng

có thể mô tả thay đổi năng lượng toàn bộ của hệ; cC ụ thể là nó cho biết cách thức năng lượng của một hệ thay đổi khi có thay đổi nhỏ trong cấu trúc hệ Đây là quan hệ toán học gắn với cấu trúc phân tử.

Ở bề mặt thế năng, ta có thể xác định các điểm dừng trên bề mặt (chính là đạo hàm bậc nhất tại toạ độ triệt tiêu) Chỉ có một điểm dừng có nghĩa bao gồm các cực tiểu (toàn phần và cục bộ), cực đại (toàn phần và cục bộ), điểm yên ngựa (tham khảo Hình 1).

Hình 2 1 Bề mặt thế năng của phản ứng Trạng thái chuyển tiếp chính là điểm yên ngựa, có năng lượng cao nhất nằm giữa hai cực tiểu.

Dựa vào bề mặt thế năng PES, chúng ta có thể xác định toạ độ phản ứng nội,

đó là điểm yên ngựa di chuyển xuống điểm cực tiểu Vì vậy, khi xác định trạng thái

chuyển tiếp, chúng ta cần kiểm tra lại bằng cách xác định toạ độ phản ứng nội nhằm khẳng định chính xác trạng thái chuyển tiếp.

2.7 Phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận văn

2.7.1 Tối ưu hóa cấu trúc và tính năng lượng điểm đơn

Sử dụng phần mềm Gausian 09 [CITATION Gaussian9 \l 1033 ] để tối ưu hóa cấu trúc các chất liên quan trong luận văn này bằng phiếm hàm mật độ B3LYP; kết hợp giữa B3LYP với bộ hàm cơ sở (basis set) phù hợp tại 6-311G(d,p) để tối ưu cấu trúc các phân tử nghiên cứu Dựa trên cấu trúc đã tối ưu năng lượng của phân tử được tính toán tại mức năng lượng lý thuyết cao hơn, sử dụng từ khóa ROB3LYP/6-311+ +G(2df,2p) để đạt được các kết quả có độ chính xác cao.

Từ khóa để tối ưu cấu trúc các chất được mô tả qua dòng lệnh:

Để tối ưu cấu trúc:

# B3LYP/6-311G(d,p) opt freq

Để tính năng lượng ở mức :

# ROB3LYP/6-311++G(2df,2p) test

2.7.2 Tính toán các thông số nhiệt động học

2.7.2.1 Dữ liệu cơ bản nhận từ output file của Gaussian 09

Dựa trên file dữ liệu xuất ra sau khi chạy trên phần mềm Gaussian 09, dữ liệu này cung cấp các giá trị năng lượng hệ (E), giá trị hiệu chỉnh năng lượng tại 0K ( Z ZPE), hiệu chỉnh enthalpy tại 298K (TCE) , hiệu chỉnh năng lượng tự do Gibbs (TCG) … và nhận được các giá trị năng lượng (E) hay enthalpy (H) cho từng chất Ví

dụ sau đây sẽ làm rõ hơn các giá trị cần thiết thu được sau khi tính toán tối ưu hóa và tính năng lượng điểm đơn:

Zero-point correction= 0.253025 (Hartree/Particle)

Thermal correction to Energy= 0.267884

Thermal correction to Enthalpy= 0.268828

Thermal correction to Gibbs Free Energy= 0.207225

Sum of electronic and zeropoint Energies=

-726.610413

Sum of electronic and thermal Energies=

2.7.2.2 Tính toán các thông số nhiệt động liên quan đến hoạt tính chống oxy hóa :

Dựa trên 3 cơ chế chính được dùng để đánh giá khả năng chống oxy hóa: Cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT), cơ chế chuyển electron-chuyển proton (SET-PT) và cơ chế mất proton chuyển electron (SPLET) Các đại lượng tương ứng: Năng lượng đứt liên kết (BDE), năng lượng ion hóa (IE), ái lực proton (PA), năng lượng phân ly proton (PDE) và năng lượng chuyển electron (ETE) sẽ được tính toán như sau:

Năng lượng phân ly liên kết của liên kết U-H : (BDE)

BDE(UH) = H(U•) + H(H•) – H(UH)

Năng lượng ion hóa của AH : (IE)

IE= Hf(UH+•) + Hf(e-) – H (UH) Năng lượng tách phân ly proton (PDE)

PDE= Hf(UH•) + Hf(H+) – H(UH+•) Năng lượng mấtÁi lực proton của UH (PA)

PA= H(U−) + H(H+) – H(UH) Năng lượng tách electron từ anion U−(ETE)

ETE= H(U•) + H (e−) - H(U−) Trong đó:

H(UH) là enthalpy của dẫn xuất urea

H(U) là enthalpy của gốc tự do dẫn xuất urea

H(UH ) là enthalpy của ion dương gốc tự do (radical cation) dẫn xuất urea+

H(U− ) là enthalpy của ion âm dẫn xuất urea

H(H) là enthalpy của gốc tự do hydro

H(H+ ) là enthalpy của ion dương hydro

H(e- ) là enthalpy của electron

Tổng enthalpy của cấu tử X, H(X), ở nhiệt độ T được tính bằng biểu thức sau: H (X)f=

E0 + ZPE + Htrans + Hrot + Hvib + RT Trong đó: E0 là tổng năng lượng của hệ, ZPE là năng lượng dao động của hệ ở điểm không; Htrans, Hrot, Hvib tương ứng là enthalpy dịch chuyển tịnh tiến, enthalpy quay, enthalpy dao động trong hệ.

2.7.2.3 Tính toán và xây dựng bề mặt thế năng của phản ứng giữa chất nghiên cứu với gốc tự do

Bề mặt thế năng được tính toán và tối ưu cho từng chất phản ứng (reactants), sản phẩm (products) các phức có thể có (Int) và trạng thái chuyển tiếp (TS) Các bước tối ưu được tiến hành tương tự như trên, tuy nhiên trong trường hợp trạng thái chuyển tiếp cần sử dụng các dòng lệnh cơ bản sau:

# opt(calcfc,ts) freq B3LYP/6-311G(d,p)

Tương tự như trên, dữ liệu từ output file sẽ giúp tính toán năng lượng tương đối của phức chất, trạng thái chuyển tiếp… khi so sánh với năng lượng của các chất phản ứng Trên cơ sở đó sẽ xây dựng được bề mặt thế năng của phản ứng nghiên cứu CÁC PHẦN MỀM TÍNH TOÁN

Phần mềm Gaussian 09W

Gaussian là một trong những phần mềm hiệu quả nhất để tính toán hóa lượng

tử hiện nay Phần mềm này có hầu hết các phương pháp tính từ bán thực nghiệm đến ab-initio và lý thuyết phiếm hàm mật độ [32] Phần mềm này luôn được cập nhật, nghiên cứu và phát triển bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới, đặc biệt trong đó có Pople J A là người đã đoạt giải Nobel hóa học vào năm 1998 với những đóng góp to lớn về việc nghiên cứu phương pháp tính toán trong hóa học lượng tử.

Trên cơ sở những định luật cơ bản của cơ học lượng tử, Gaussian tính toán năng lượng, cấu trúc phân tử và tần số dao động của hệ thống phân tử, cùng với rất nhiều những tính chất khác của phân tử Phần mềm Gaussian có thể được dùng để nghiên cứu các phân tử và các phản ứng dưới các điều kiện khác nhau, bao gồm cả những hình thái bền và những hợp chất rất khó hoặc không thể quan sát được bằng thực nghiệm như là cấu trúc chuyển tiếp và những trạng thái trung gian có thời gian tồn tại rất ngắn

Phần mềm Gaussian ra đời đầu tiên vào năm 1970 với phiên bản Gaussian 70 Sau đó, liên tục được cập nhật và hoàn thiện với các phiên bản Gaussian 76, Gaussian 80, Gaussian 82, Gaussian 86, Gaussian 88, Gaussian 90, Gaussian 92,

Gaussian 94, Gaussian 03W và Gaussian 09W Phần mềm Gaussian 09W được cập nhật và được bổ sung thêm nhiều tính năng mới so với phiên bản trước, như cải thiện

và mở rộng tính năng của phương pháp solvat hóa theo mô hình phân cực liên tục PCM, cho phép xác định được nhiều thuộc tính phân tử trong dung môi, khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, tăng cường khả năng dò tìm trạng thái chuyển tiếp… Các bộ hàm cơ sở cũng rất phong phú cho phép người sử dụng dễ dàng chọn phương án tính toán phù hợp với vấn đề của mình [28].

Phần mềm Gaussview 5

Gaussview 5 là phần mềm hỗ trợ cho phần mềm Gaussian 09 trong việc xây dựng cấu trúc ban đầu Ngoài ra, Gaussview còn được dùng để hiển thị các kết quả tính toán của Gaussian dưới dạng đồ họa (như các cấu trúc phân tử ban đầu, các cấu trúc phân tử đã được tối ưu hóa, kiểu dao động, phổ, hệ số orbital phân tử, mật độ electron, điện tích ) [31] Nhờ đó, việc kiểm tra các kết quả tính toán trở nên đơn giản và dễ dàng hơn.

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thiết kế và tối ưu hóa các dẫn xuất urea

3.1.1 Đánh giá sơ bộ hoạt tính chống oxy hóa của các dẫn xuất urea

Để có cơ sở khoa học thiết kế các hợp chất chống oxy hóa mới từ dẫn xuất ureaNhư đã trình bày ở trên , một số hợp chất urea được đề xuất nghiên cứu sơ bộ năng lượng phân ly liên kết N-H và C-H như được mô tả trênở Hình 3.1.