Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Thiết kế các dẫn xuất urea có khả năng chống oxy hoá cho sản phẩm dầu mỏ...

Tài liệu Thiết kế các dẫn xuất urea có khả năng chống oxy hoá cho sản phẩm dầu mỏ

.PDF
136
25
137

Mô tả:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THANH HẢI THIẾT KẾ CÁC DẪN XUẤT UREA CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CHO CÁC SẢN PHẨM DẦU MỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Đà Nẵng – 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THANH HẢI THIẾT KẾ CÁC DẪN XUẤT UREA CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CHO CÁC SẢN PHẨM DẦU MỎ Chuyên ngành : Kỹ thuật Hoá học Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Minh Thông 2. PGS.TS. Phạm Cẩm Nam Đà Nẵng – 2019 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 đã 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 THIẾT KẾ CÁC DẪN XUẤT UREA CÓ KHẢ NĂNG CHỐNG OXY HÓA CHO CÁC SẢN PHẨM DẦU MỎ 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/6311++G(2df,2p)//B3LYP/6-311G(d,p). Kết quả thu được cho thấy các hợp chất 1-3-methylbenzyl-3phenylurea (U10a), 1-3-methylbenzyl-3-phenyl-thiourea (U10a S) và 1-3-methylbenzyl-3-phenylSelenourea (U10a Se) 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-3phenylurea (U10a). DESIGN OF ANTIOXIDANTS FROM UREA DERIVATIVES FOR PETROLEUM PRODUCTS 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 ++ G (2df, 2p) // B3LYP / 6-311G (d, p) model are calculated. The results show that compounds 1-3-methylbenzyl-3-phenylurea (U10a), 1-3-methylbenzyl-3-phenyl-thiourea (U10a S) and 1-3-methylbenzyl-3-phenylselenourea (U10a Se) are good antioxidants. Key words: Urea derivatives, antioxidants, DFT, chemical quantum calculation, 1-3-methylbenzyl-3phenylurea (U10a). MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1 2. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu đề tài ............................................... 2 3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ........................................................................ 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài ................................................................... 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU........................................... 7 1.1. Tổng quan về chất oxy hóa và chất chống oxy hóa.................................................. 7 1.1.1. Gốc tự do ....................................................................................................... 7 1.1.2. Chất chống oxy hóa ....................................................................................... 7 1.1.3. Cơ chế chống oxy hóa ................................................................................... 7 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về khả năng chống oxy hóa của các dẫn xuất từ Urea ................................................................................................................................. 9 CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ............................................................................................................................ 11 2.1. Phương trình Schrödinger ...................................................................................... 11 2.2. Nguyên lý không phân biệt các hạt đồng nhất ....................................................... 12 2.3. Nguyên lý loại trừ Pauli (Nguyên lý phản đối xứng) ............................................. 13 2.4. Hệ nhiều electron .................................................................................................... 14 2.4.1. Hàm sóng ..................................................................................................... 14 2.4.2. Cấu hình electron và trạng thái của hệ ........................................................ 15 2.5. Bộ hàm cơ sở .......................................................................................................... 15 2.6. Phương pháp tính toán ............................................................................................ 17 2.6.1. Phương pháp HartreeFock ......................................................................... 17 2.6.2. Phương pháp Roothaan ................................................................................ 18 2.6.3. Phương pháp bán kinh nghiệm .................................................................... 18 2.6.4. Phương pháp nhiễu loạn .............................................................................. 18 2.6.5. Phương pháp chùm tương tác (CoupledClusterCC) ............................... 19 2.6.6. Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional TheoryDFT) .................. 20 2.6.7. Xây dựng bề mặt thế năng (PES - Potential Energy Surface) ..................... 21 2.7. Phương pháp tính toán áp dụng trong luận văn ...................................................... 22 2.7.1. Tối ưu hóa cấu trúc và tính năng lượng điểm đơn....................................... 22 2.7.2. Tính toán các thông số nhiệt động học ........................................................ 23 2.7.3. Các phần mềm tính toán .............................................................................. 24 2.7.4. Sơ đồ quá trình tính toán ............................................................................. 28 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 29 3.1. Thiết kế và tối ưu hóa các dẫn xuất urea ................................................................ 29 3.1.1. Đánh giá sơ bộ hoạt tính chống oxy hóa của các dẫn xuất urea .................. 29 3.1.2. Thiết kế và tối ưu hóa các dẫn xuất urea mới có khả năng chống oxy hóa . 31 3.2. Đánh giá khả năng chống oxy hóa của các dẫn xuất Urea mới .............................. 33 3.3. Xây dựng bề mặt thế năng của phản ứng giữa một dẫn xuất urea tiêu biểu với CH3OO và tính hằng số tốc độ phản ứng ..................................................................... 36 3.3.1. Bề mặt thế năng của phản ứng giữa U10a với CH3OO .............................. 36 3.3.2. Động học phản ứng giữa U10a với CH3OO ............................................... 39 3.4. Đề xuất một số dẫn xuất thiourea và selenourea tương tự U10A .......................... 44 3.5. So sánh khả năng chống oxy hoá của các dẫn xuất urea tiêu biểu với Phenylenediamin ........................................................................................................... 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT 1. Các kí hiệu ∆H Biến thiên enthalpy của phản ứng, tại 298 K ∆G Biến thiên năng lượng tự do Gibbs P Product - Sản phẩm phản ứng d(C1N) Độ dài liên kết C1N (C1: Nguyên tử C tại vị trí số 1 của vòng thơm)  Hằng số thế Hammett Int Intermediate - Hợp chất trung gian TS Transition State - Trạng thái chuyển tiếp 2. Các chữ viết tắt HAT Hydrogen Atomic Transfer - Cơ chế chuyển nguyên tử hydrogen SET−PT Single Electron TransferProton Transfer - Cơ chế chuyển một electron SPLET chuyển proton) Sequential Proton Loss Electron Transfer - Cơ chế mất proton - chuyển electron) HF Phương pháp Hartree−Fock MOLCAO Linear Combination of Atomic Orbitals - Phương pháp tổ hợp tuyến tính orbital nguyên tử CCD CoupledCluster Doubles - Phương pháp cặp đôi chùm tương tác GTO STO IRC MEP EDG EWG Gaussian Type Orbital - Orbital kiểu Gaussian Staler Type Orbital - Orbital kiểu Staler Intrinsic Reaction Corrdinate - Tọa độ phản ứng nội Electrostatic Potential Map - Bề mặt thế tĩnh điện Electron Donating Group - Nhóm đẩy electron Electron Withdrawing Group - Nhóm hút electron BDE IE ETE ZPE PA PDE PES GE Bond Dissociation Energy - Năng lượng phân ly liên kết Ionization Energy - Năng lượng ion hóa Electron Transfer Enthalpy - Năng lượng chuyển electron Zero Point Energy - Năng lượng dao động điểm không Proton Affinity - Ái lực proton, hay còn gọi là năng lượng proton hoá Proton Dissociation Enthalpy - Năng lượng phân ly proton Potential Energy Surface - Bề mặt thế năng Ground Effect - Hiệu ứng nền RE TE Radical Effect - Hiệu ứng gốc tự do Total Effect - Hiệu ứng tổng RTA SCF Radical Trapping Antioxidant - Chất chống oxy hóa bắt gốc tự do Self Consistent Field - Trường tự hợp SOMO HOMO Semi (or Singly) Occupied Molecular Orbital 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 CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng 1.1. Thời gian cảm ứng khi sử dụng các dẫn xuất 1-(3methylbenzyl)-3-phenylurea làm chất chống oxy hóa Trang 10 3.1. Năng lượng phân ly liên kết (BDE, kcal/mol) của 10 dẫn xuất urea (U) tính ở mức lý thuyết B3LYP/6-311G(d,p) 30 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) 32 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. Năng lượng phân ly liên kết tính toán bằng phương pháp ROB3LYP/6-311++G(2df,2p)/ B3LYP/6-311G(d,p) Thông số nhiệt động tính toán trong pha khí tại ROB3LYP/6311++G(2df,2p)/ B3LYP/6-311G(d,p) Năng lượng tự do hoạt hóa Gibbs (G‡) và hằng số tốc độ phản ứng (k) Các thông số nhiệt động của U10a(S) và U10a(Se) tính tại ROB3LYP/6-311++G(2df,2p) (đơn vị kcal/mol) 34 35 44 47 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình 2.1. 3.1. 3.2. Trang Bề mặt thế năng 22 Tập hợp 10 dẫn xuất từ urea để đánh giá năng lượng phân ly liên kết Công thức cấu tạo của ba dẫn xuất urea từ U9 và U10 29 32 Bề mặt thế năng của phản ứng của U10a với CH3OO tại 3.3. 3.4. phương pháp 311G(d,p). ROB3LYP/6-311++G(2df,2p)/ B3LYP/6- 36 Phân bố điện tích Mulliken và mật độ spin (SD) trong trạng thái chuyển tiếp tại liên kết N3-H và C-H trong phản ứng U10a + 38 CH3OO 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 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 [13]; như dùng làm thuốc trừ sâu, chất điều khiển tăng trưởng cây và đặc biệt là làm phụ gia trong công nghiệp dầu mỏ [48]. 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 (PA)… và ứng dụng các cơ chế hóa học của quá trình để hạn chế sự phát triển gốc tự do [21], [22], [33], [36], [38]. 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 [18]. Đó là lý do có nhiều nghiên cứu [5] 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…[16] 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...[10]. 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”. 2 2. 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 [6], [36], [45], [49]. 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: Năm 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 [25]. Năm 2015, Romero-Hernandez và cộng sự cũng đã có những nghiên cứu sâu về thio (seleno) ureas and triazolyl glycoconjugates [40]. Năm 2016 Aksu và cộng sự cũng đánh giá hoạt tính chống oxy hóa của các urea dẫn xuất từ các dẫn xuất phenethylamines [5]. 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 [20], [32].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 [5], [13], [20], [23], [40], [48]. 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 [14], [51]. 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. 3 Liên quan đến khả năng chống oxy hoá của các dẫn xuất benzylurea, Hotten và cộng sự [20] đã nghiên cứu và đưa ra kết luận rằng 1-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 [20]. 3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3.1. 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 - 3.2. Nội dung nghiên cứu Tìm kiếm các hệ chất dẫn xuất mới có khả năng chống oxy hóa 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 dẫn xuất urea trong những 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. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu các dẫn xuất từ urea có cấu trúc tổng 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… 4 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. Hình 2. Hệ chất so sánh Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu trước đây chỉ tập trung hướng đến khả năng chống oxy hoá của các dẫn xuất benzylurea mà chưa quan tâm đến cơ chế của nó. Do đó mục tiêu của đề tài sẽ tập trung vào nghiên cứu một cách hệ thống hoạt tính chống oxy hoá của các dẫn xuất bất đối xứng của urea (1-(3-methylbenzyl)-3-phenylurea) 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). Me H 1 C N H H X C 2 3 N H Hình 3. Cấu trúc của 1-(3-methylbenzyl)-3-phenylurea cùng dẫn xuất thiourea và selenourea analogues (X= O, S and Se). 4.2. Phạm vi nghiên cứu - Tối ưu hóa cấu trúc các hợp chất của hệ nghiên cứu, trên cơ sở đó 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. - 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 N-N’-di-sec-butyl-pphenylenediamin (phụ gia chống oxy hóa cho xăng) với hệ chất nghiên cứu. 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 5 các nguyên tử nitơ bằng nhóm benzyl và phenyl. Theo đó, 1-(3-methylbenzyl)-3phenylurea (PU, 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 PU; - Xem xét quá trình dịch chuyển nguyên tử hydro xảy ra tại liên kết C-H hay NH 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 oxy hoá của PU; - Thiết kế các hợp chất 1-(3-methylbenzyl)-3-phenylthiourea (PTU) và 1-(3methylbenzyl)-3-phenylselenourea (PSU) làm cơ sở để tính toán và so sánh. 5. Phương pháp nghiên cứu - 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 [15] 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 (DFT) 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) để làm rõ quá trình ức chế và dập tắt gốc tự do trong cơ chế chống oxy hoá của các dẫn xuất urea. Chúng tôi sử dụng qui trình tính toán ROB3LYP/6-311++G(2df,2p)//B3LYP/6311G(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 tate Theory: TST) của Eyring [11]. 6 Tính toán động học bằng cách sử dụng phần mềm Eyringpy 1.02 [8], [9]. 6. 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. 7 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 oxy 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 oxy hoá trong thực phẩm, hoạt chất chống oxy 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, đây là quá trình này làm đóng cặn trong xăng dầu và gây phá huỷ động cơ [29]. 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, SETPT, SPLET. 1.1.3.1. Cơ chế HAT (Hydrogen Atomic Transfer) Cơ chế dịch chuyển nguyên tử hydrogen (HAT) này cho thấy chất chống oxy hoá 8 UH sẽ dập tắt gốc tự do ROO• (peroxyl), HO• (hydroxyl)… bằng cách chuyển một nguyên tử hydrogen trong một nhóm của UH 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•), H(UH) 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-) – Hf(UH) PDE= Hf(UN•) + Hf(H+) – Hf(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= Hf(U−) + Hf(H+) – Hf(UH) ETE= Hf(U•) + Hf(e−) – Hf(U−) 9 Enthalpy tổng của hệ ở điều kiện chuẩn (298K, 1atm) được xác định theo phương trình: H= 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 [31]. 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-4hydroxyl-aniline, các sản phẩm thu được có đặc tính chống oxy hoá và kháng khuẩn cao [39]. Kerr đã nghiên cứu, tính toán, phân tích và tổng hợp được N-(2-(2-oxo-1imidazolidinyl) ethyl) - 3- phenyl urea có khả năng chống lại quá trình ôxy hoá gây ra bởi các gốc tự do và đưa vào ứng dụng trong enzym chống oxy hoá để bảo vệ động-thực vật [24]. Trong lĩnh vực dầu mỏ, Eugene F. Hill và David O. De Pree đã tìm ra N-aryl- 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 [19]. 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 [42]. 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-(3fluorophenyl)-N-(4-methoxyphenyl)-4-oxoazetidine-1-carboxamide với mục đích ứng dụng trong y học, làm giảm quá trình lão hoá cơ thể người [30]. 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
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan