Proponowane wykłady specjalistyczne dla doktorantów Instytutu Chemii

Transkrypt

1 Proponowane wykłady specjalistyczne dla doktorantów Instytutu Chemii Chromatografia a trudne problemy rozdziału materii prof. zw. dr hab. Teresa Kowalska Techniki rozdzielania materii należące do chromatografii są wykorzystywane w każdym laboratorium szeroko rozumianej chemii analitycznej i odgrywają w nim jedną z kluczowych ról. Dzieje się tak, ponieważ realizacja naczelnych zadań chemii analitycznej, jakimi są identyfikacja i ocena ilościowa określonych związków, musi być poprzedzona ich wyodrębnieniem z bardzo niekiedy złożonej mieszaniny o nieznanym składzie. Zadania takie najpewniej i najskuteczniej można zrealizować przy pomocy właściwie dobranej techniki chromatograficznej. Jakkolwiek nie istnieje taka dziedzina nauk przyrodniczych ani przemysłu, w której chromatografia nie miałaby do odegrania znaczącej roli, to jednak na początek należałoby wymienić te obszary poznania, w których jej obecność jest wręcz nieodzowna. Obszarami takimi niewątpliwie jest analityka farmaceutyczna, analiza aminokwasów, peptydów i białek, a także analityka żywności i środowiskowa. Zadania poznawcze w obrębie każdego z tych obszarów dzielą się na takie, które można nieomal intuicyjne rozwiązać, oraz na inne, które stanowią bardzo poważne wyzwanie nie tylko dla chemików analityków, ale również dla specjalistów z innych dziedzin chemii. W ramach proponowanego cyklu wykładów zostaną przedstawione wybrane zadania z zakresu chromatografii o szczególnie dużym znaczeniu praktycznym, których rozwiązanie stanowi poważne wyzwanie dla chemika analityka. Omówione zostaną też najważniejsze techniki oraz strategie, pozwalające na rozwiązywanie niektórych spośród tzw. trudnych problemów rozdzielania materii. Analiza retrosyntetyczna prof. zw. dr hab. inż. Jarosław Polański Analiza retrosyntetyczna to metoda planowania syntezy organicznej w oparciu o identyfikacje w cząsteczce planowanego celu tak zwanych syntonów. Podstawy tej metody omawia się w ramach wykładu (I rok studiów uzupełniających) Introduction to organic synythesis. Student uzyska informacje w jaki sposób identyfikujemy syntony i jak odwzorowuje się syntony na konkretne reagenty. W jaki sposób notacja syntonowa porządkuje świat reakcji chemii organicznej. Metody teoretyczne w zastosowaniu do interpretacji danych eksperymentalnych prof. dr hab. Maria Jaworska Metody chemii obliczeniowej. Mechanika molekularna, dynamika molekularna. Metody ab-initio, metoda Hartree-Focka, metoda mieszania konfiguracji, metody perturbacyjne. Metody półempiryczne. Metoda funkcjonałów gęstości. Cząsteczka w roztworze, modele rozpuszczalnika. Struktura, optymalizacja geometrii. Izomeria, analiza konformacyjna. Energia reakcji chemicznych, mechanizmy reakcji. Energia wiązań chemicznych, energia dysocjacji. Energia oddziaływań międzycząsteczkowych. Spin, stany spinowe, moment magnetyczny cząsteczki, magnetyzm molekularny. Potencjały redoks, stała dysocjacji kwasowej pka. Widmo IR, widmo UV/Vis. Fosforescencja, fluorescencja. Rozkład gęstości elektronowej, mapy potencjału elektrostatycznego, zastosowanie do interpretacji reaktywności. Problemy współczesnej chemii koordynacyjnej prof. dr hab. Barbara Machura, dr hab. prof. UŚ Jan Małecki Celem wykładu jest zapoznanie ze współczesnymi aspektami chemii koordynacyjnej w zakresie syntezy, nowoczesnych metod badawczych i opisu struktury molekularnej i elektronowej związków kompleksowych (w tym polimerów koordynacyjnych) oraz interpretacji właściwości fizykochemicznych związków koordynacyjnych w oparciu o ich strukturę elektronową, molekularną i krystaliczną. Zostaną omówione również możliwości modelowania właściwości fizykochemicznych związków kompleksowych, w tym polimerów koordynacyjnych, poprzez odpowiedni dobór ligandów i jonu centralnego. Trwająca od wielu lat fascynacja związkami koordynacyjnymi jest konsekwencją ich szerokich zastosowań jako katalizatory licznych procesów przemysłowych i reakcji organicznych, jako magnetyki molekularne, materiały luminescencyjne czy leki. Szczegółowo zostaną omówione następujące zagadnienia: przybliżenie słabego i silnego pola; diagramy korelacyjne i reguły wyboru przejść elektronowych; jedno-, dwu- lub trójwymiarowe organiczno-nieorganiczne polimery koordynacyjne (elementy budulcowe, zasady projektowania, charakterystyka strukturalna oraz zastosowania), uporządkowanie magnetyczne (ferro-, antyferro, ferri-magnetyzm) w związkach wielordzeniowych oraz związki kompleksowe w diagnostyce i terapii chorób.

2 Kataliza homogeniczna w syntezie związków karbo- i heterocyklicznych prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Krompiec Trudno przecenić znaczenie związków karbocyklicznych, np. pochodnych cykloheksanu, benzenu, naftalenu czy antracenu oraz związków heterocyklicznych, w tym pirydyny, pirolu, furanu, kabazolu, oksiranów - są obecne w organizmach żywych, są wytwarzane przez przemysł farmaceutyczny, stosowane w przemyśle spożywczym, w nowoczesnej technologii elektronowej. Szczególne miejsce w syntezie tych związków zajmują katalizatory, a wśród tych ostatnich naturalne biokatalizatory oraz bedące ich imitacjami (coraz doskonalszymi) syntetyczne katalizatory - związki i kompleksy metali, w tym metaloorganiczne. W trakcie wykładu omówione zostaną nowoczesne metody otrzymywania związków karbo- i hetrocyklicznych z wykorzystaniem takich reakcji, jak metateza, różnego typu cykloaddycje ([4 + 2], [3 + 2], [ ] i inne), epoksydacja, karbonylowanie, addycja do wiązań wielokrotnych, katalizowanych kompleksami metali. Podane zostaną przykłady reakcji tandemowych i kaskadowych prowadzące od nieraz prostych substratów do zlożonych produktów cyklicznych, w tym pochodzenia naturalnego. Pokazane zostaną przykłady wykorzystania do tych reakcji katalizy z udziałem kompleksów metali przejściowych oraz połączenia tego wariantu z katalizą klasyczną (z udziałem kwasów Lewisa lub Bronsteda). Omówione bedą mechanizmy wybranych reakcji oraz praktyczne aspekty syntez, w tym problem odzielania katalizatora od produktu reakcji. Przedstawione zostaną ogólne i szczegółowe (dla wybranych reakcji) zasady doboru rodzaju metalu przejściowego, jego stopnia utlenienia oraz ligandów obecnych w strukturze aktywnej formy katalizatora do konkretnych reakcji. Kataliza homogeniczna jako nowoczesne narzędzie tworzenia wiązań chemicznych prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Krompiec Tworzenie wiązań chemicznych pomiędzy tymi samymi lub różnymi atomami, pojedynczych i wielokrotnych to podstawowe zadanie syntezy chemicznej. Dzięki umiejętności tworzeniu wiązań możemy "konstruować" w praktyce laboratoryjnej i przemysłowej nieomal dowolnie pomyślane struktury chemiczne. Szczególne miejsce w praktycznej realizacji zadania tworzenia wiązań chemicznych zajmuje kataliza homogeniczna, tj. kataliza z udziałem rozpuszczonych w układzie reakcyjnym kompleksów metali, głównie przejściowych. Od co najmniej 50 lat obserwujemy stały i coraz szybszy rozwój tej dziedziny chemii i technologii, czego dowodem są chociażby Nagrody Nobla za asymetryczną epoksydację oraz metatezę. W wykładzie omówione zostaną osiągnięcia katalizy homogenicznej, w tym najnowsze, w dziedzinie tworzenia wiazań węgiel-węgiel, węgielwodór, węgiel heteroatom (np. C-N, C-O) oraz heteroatom-heteroatom (np. N-N, S-S). Szczególna uwaga zostanie zwrócona na reakcje, których realizacja w warunkach klasycznej katalizy byłaby praktycznie niemożliwa, np. regio- i stereoselektywna synteza dużych pierścieni, cyklotrimeryzacja acetylenów, synteza asymetryczna z achiralnych reagentów. Omówione zostaną reakcje tandemowe i kaskadowe oraz takie, w których kataliza klasyczna (z udziałem kwasów) łączy się z katalizą z udziałem kompleksów metali, co daje spektakularne efekty w syntezie bardzo złożonych struktur (np. związków pochodzenia naturalnego). Reakcje cykloaddycji - teoria i praktyka prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Krompiec Od prawie stu lat, a w szczególności od odkrycia a potem intensywnego rozwoju reakcji Dielsa-Aldera, reakcje cykloaddycji stanowią jeden z fundamentów syntezy związków karbo- i heterocyklicznych. Wynika to z ich niezwykłych właściwości (dotyczy to zwłaszcza cykloaddycji [4 + 2]): maksymalnej "ekonomii atomowej", regio-, stereo-, a gdy stworzymy odpowiednie warunki to także enancjoselektywności. W wykładzie omówione zostaną reakcje cykloaddycji [2 + 1], [3 + 2], [4 + ], [ ], [4 + 4], [ ] i inne, a więc te mające już długą historię, jak i te niedawno odkryte. Analizowane będą reakcje termiczne, fotochemiczne, przebiegające z udziałem katalizatorów (szczególnie kompleksów metali przejściowych) oraz aktywowane wysokim ciśnieniem. Pokazane zostaną zastosowania reakcji cykloaddycji w syntezie związków pochodzenia naturalnego oraz syntezie leków - procesy jednoetapowe i wieloetapowe, w tym nowoczesne reakcje tandemowe i kaskadowe oraz enancjoselektywne. Omówione zostaną aspekty teoretyczne wybranych cykloaddycji, w tym reguły symetrii orbitali w odniesieniu do cykloaddycji [4 + 2] oraz mechanizmy tych reakcji (uzgodnionych i wieloetapowych). Wysłuchanie wykładu pozwoli na uzyskanie wiedzy odnośnie do znaczenia reakcji cykloaddycji we współczesnej chemi i technologii w tym szczególnie farmacji) - w obszarze badań i zastosowań praktycznych.

3 Metody analizy ilościowej w spektrometrii rentgenowskiej prof. dr hab. Rafał Sitko Rentgenowska spektrometria fluorescencyjna (XRF) jest techniką powszechnie stosowaną w wielu gałęziach przemysłu, m.in. metalurgicznym, geologicznym, szklarskim, cementowym. Ponadto wykorzystywana jest w badaniach dzieł sztuki, kryminalistyce, archeologii, monitoringu środowiska. Swoją popularność zawdzięcza możliwości przeprowadzenia jednoczesnej analizy wielopierwiastkowej przy minimalnym przygotowaniu próbki do pomiaru. Pomiar XRF może być również przeprowadzony bezpośrednio bez naruszenia struktury badanego obiektu. Uzyskanie wiarygodnych wyników wymaga jednak odpowiedniej korekcji efektów matrycowych będących jednym z głównych błędów w analizie XRF. W ramach wykładu zostaną omówione wybrane metody korekcyjne zarówno empiryczne, jak i teoretyczne. Szczególna uwaga poświęcona będzie algorytmom współczynników korekcyjnych oraz metodom opartych na tzw. parametrach podstawowych. Terapie przyszłości dr hab. Robert Musioł Dynamiczny rozwój medycyny i nauk pokrewnych zmienił na stałe nasz sposób myślenia o zdrowiu. Wiele nieuleczalnych do niedawna chorób udaje się dziś leczyć. Medycyna i farmacja korzystając ze zdobyczy genetyki, biologii i chemii oferuje nam obecnie terapie celowane, personalizowane leki czy terapie genowe. Coraz częściej mówi się o szczepionkach na raka czy nieśmiertelności. W trakcie wykładów zostaną przedstawione najważniejsze odkrycia nowoczesnej medycyny. Omówione będą również terapie alternatywne oraz nowe zagrożenia jakie stworzył gwałtowny rozwój wiedzy i umiejętności. Materiały luminescencyjne prof. dr hab. Wojciech Pisarski Celem wykładu jest zapoznanie z materiałami emitującymi światło w zakresie widzialnym lub promieniowanie w zakresie podczerwonym. Zostaną omówione podstawowe pojęcia związane z absorpcją i emisją światła oraz właściwości optyczne różnych materiałów. Wykład obejmuje między innymi wprowadzenie do fizyki laserów, gdzie zostaną przedstawione podstawowe zagadnienia związane z akcją laserową i inwersją obsadzeń. W ramach wprowadzenia do chemii lantanowców zostaną omówione diagramy poziomów wzbudzonych, procesy przekazywania energii wzbudzenia, relaksacja promienista i niepromienista oraz szereg parametrów spektroskopowych. Zagadnienia związane ze spektroskopią optyczną lantanowców w różnych materiałach: kryształach, szkłach, kompleksach, proszkach, nanomateriałach obejmują w szczególności poznanie zjawisk absorpcji, luminescencji i kinetyki jej zaniku, procesów promienistych i niepromienistych, procesów konwersji promieniowania podczerwonego na światło widzialne oraz mechanizmów przekazywania energii wzbudzenia. Zostaną omówione materiały do zastosowań laserowych, włókien światłowodowych, wzmacniaczy optycznych oraz konwertorów promieniowania. Właściwości fizykochemiczne materiałów XXI wieku dr hab. prof. UŚ Marzena Dzida Omówione zostanie otrzymywanie, właściwości i zastosowanie związków wytypowanych przez Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (ang. National Renewable Energy Laboratory) z amerykańskiego Departamentu Energii jako podstawowych otrzymywanych z biomasy, będących substratami do syntezy wielu związków chemicznych i otrzymywania wielu materiałów. Przedstawione zostanie w szczególności otrzymywanie i właściwości biopaliw I, II, III i IV generacji, z uwzględnieniem m. in. wyżej wymienionych związków. Omówione zostaną także właściwości i zastosowania cieczy jonowych, ze szczególnym uwzględnieniem ich wykorzystania w otrzymywaniu biopaliw II generacji. Przybliżone zostaną również metody wyznaczania stałych fizykochemicznych i wykorzystania wielkości fizykochemicznych do opisu właściwości materiałów wykorzystywanych w poszczególnych dziedzinach nauki i technologii takich jak technologia chemiczna, inżynieria naftowa, przemysł samochodowy, spożywczy, farmakologia.

4 Spektroskopia NMR polimerów dr hab. inż. Marek Matlengiewicz W ramach wykładu omawiane będą zagadnienia: identyfikacja polimerów i charakterystyka ich podstawowych parametrów za pomocą NMR (spektroskopia 1H i 13C); mikrostruktura łańcucha polimerowego: regioregularność i stereoregularność (taktyczność) łańcucha polimerowego; statystyka rozkładu sekwencji łańcucha; analiza NMR kopolimerów: skład kopolimeru i rozłożenie jednostek komonomerycznych wzdłuż łańcucha. Chemia fosforu dr hab. Jacek Nycz Związki fosforu odgrywają kluczową rolę w procesach życiowych organizmów. Pełnią one funkcje ważnych sygnalizatorów komórkowych, regulatorów (utrzymywanie odpowiedniego ph krwi) oraz funkcje strukturalne (główny składnik kości i zębów). Fosfor jest budulcem wielu aktywnych biologicznie związków w organizmie człowieka np. DNA (procesy kodowania, magazynowania i wykorzystywania informacji genetycznej) i ATP (gospodarka energetyczna organizmu). Związki fosforu znajdują się w strukturze białek. W ramach przedmiotu słuchacze będą mogli zaznajomić się z licznymi metodami syntetycznymi. Zostaną przedstawione podstawowe mechanizmy z udziałem związków fosforu. Zostaną także przedstawione podstawy z zakresu identyfikacji tych związków za pomocą technik NMR oraz ESR (EPR). Przedstawiona zostanie także krótka historia tej interesującej chemii. Pamiętajmy fosfor to życie. Chemia rodników dr hab. Jacek Nycz Chemia rodników towarzyszy nam od tak podstawowych i ważnych procesów jak oddychanie czy metabolizm. Jest związana z otrzymywaniem materiałów takich jak styropian (polistyren), czy plomby dentystyczne. Pomaga nam w walce z drobnoustrojami, co zawdzięczamy rodnikowi hydroksylowemu (woda utleniona). Dzięki procesom rodnikowym, czy z ich udziałem jest możliwe życie na Ziemi; biosynteza, czyli najpowszechniejszy i najważniejszy proces chemiczny. W ramach przedmiotu słuchacze będą mogli zaznajomić się z metodami generowania rodników, aplikacjami syntetycznymi. Zostaną przedstawione podstawy z zakresu identyfikacji rodników, układów paramagnetycznych, za pomocą technik ESR (EPR). W zarysie zostaną przestawione niektóre techniki NMR pozwalające na detekcje tych stanów np. CIDNP. Dzięki rodnikom, czy układom paramagnetycznym możliwa jest spektroskopia mas (MS). Przedstawiona zostanie również krótka historia tych indywiduów chemicznych od ich początku, tj. od 1900 roku, od pierwszych prac Gomberga poświęconych rodnikom. Proponowane wykłady specjalistyczne prowadzone w j. angielskim Molecular properties in quantum chemistry prof. dr hab. Monika Musiał Characterization of the electronic excitation energies, ionization potentials and electron affinities. Methods useful for determination of the wave-functions for excitation energies and ionized or electron attached states. Development of the ab initio methods for the calculation of molecular properties. Time-independent molecular properties. Derivatives for non-variational wave functions. Coupled Cluster and Equation-Of-Motion methods. The Hellmann-Feynman theorem. The excited state properties via a generalized expectation value approach. Various one-electron properties as a byproduct of derivative calculations with negligible extra cost. Presentation of the numerical results. Intermolecular interactions dr hab. prof. UŚ Rafał Podeszwa Intermolecular (van der Waals) interactions play an important role in many physical and chemical phenomena. Even though the intermolecular forces are much weaker than the ones forming chemical bonds, they are, for instance, the major component binding molecular crystal, liquids, and the secondary structure of proteins. The course will provide an overview of the problems where weak interactions are crucial and a range of methods that are useful in theoretical description and physical interpretation of the van der Waals. Some state-of-the art methods of modeling intermolecular interactions will also be given.

5 Electrical, optical and magnetic properties of molecules. Theoretical bases, computational methods, applications dr hab. Tadeusz Pluta The goal of the course is to provide solid foundations for understanding electric, optical and magnetic properties of molecules. These properties form a basis of modern spectroscopy and are essential in analyzing a vast variety of molecular phenomena, like intermolecular interactions. Besides being of pure academic interest, the knowledge of molecular properties constitutes a necessary step in the process of designing of novel materials, e.g. the higher-order electric properties determine the nonlinear optical response, a fundamental condition for any photonic material. The course is divided into two parts. The first part is devoted to the theoretical description of selected properties and computational methods used to calculate them. The required knowledge of quantum chemistry and of mathematical formalism is kept to a minimum. The second part is meant to be a practical, hands-on introduction to the dedicated software available in our group that allows the user to calculate many properties of interest. The course should be of particular interest for PhD students specializing in spectroscopy, molecular modeling, physical chemistry, material design. Microstructure of polymer chain dr hab. inż. Marek Matlengiewicz Elements of polymer chain microstructure. Relations between macroscopic properties of polymers and its microstructure. Regioregularity of the chain. Stereochemistry of vinyl polymers. Structure of copolymer chain copolymer composition and distribution of comonomers along the macromolecular chain. Statistical description of sequence distribution in the polymer chain. Microstructure studies of selected polymers: poliolefins, vinyl polymers, acrylic and methacrylic (co)polymers, styrene-butadiene rubbers. Physico-chemical investigations of ionic liquids in terms of their practical applications dr hab. Monika Geppert-Rybczyńska Ionic Liquids, ILs, (or Room Temperature Ionic Liquids, RTILs) are very popular compounds mainly due to their potential ability to replace molecular solvents in chosen applications. They are also regarded as projectable materials, what means the possibility for synthesis of ILs of demanded physico-chemical properties. In the frame of given lecture the leading features of these substances such as low volatility, a broad range for existence in a liquid state, inflammability, good miscibility or solubility with different kinds of molecular solvents, and others are discussed. The very important question is also the toxicity the real impact of ILs on environment. In the following part, the basic characteristics of properties of ILs in order to estimate their real potential as substitutes for molecular solvents is provided. This can be performed on the basis of analysis of selected physico-chemical properties and their relation with constitution of Ionic Liquids. Apart from above, the inspection of some existing applications and possible future prospects is presented. Basics of mathematical modeling and numerical data analysis Part A dr hab. Mirosław Chorążewski Chemists make extensive use of mathematical models to describe chemical processes and experimental results. Mathematical modeling and data analysis is an integral part of chemistry and chemical engineering to interpret the concepts or to simulate the chemical processes through the principles of mathematics. Numerical data analysis refers the mathematical analysis of number based experimental data points, for further interpretation as well as interpolation. This course outlines a basic introduction to mathematical modeling for numerical data analysis with non-mathematician s viewpoint. It is presented in a simple way and style through example based approach without using advanced mathematical concepts in order to understand by the postgraduate students. It is a beginner s guide for practicing chemist and chemical engineers. This course introduces the mathematical modeling techniques needed to address key questions in modern chemistry. Students will learn how to formulate, analyze and simulate mathematical models for some experimental chemical data. MS Excel, Statistica, MathCad (SMath), Octave as a examples of some software for mathematics will be used intensively during the course. Contents part A: Curves fitting interpolation and extrapolation of data using nth order polynomial equations. Numerical differentiation. Numerical integration. Differentiation derivatives. Quadratic equations. Methods for solving nonlinear equations. Bisection method. Regula Falsi method. Newton-Raphson method. Lagrange interpolation. Definite integrals.

6 Basics of mathematical modeling and numerical data analysis Part B dr hab. Mirosław Chorążewski Chemists make extensive use of mathematical models to describe chemical processes and experimental results. Mathematical modeling and data analysis is an integral part of chemistry and chemical engineering to interpret the concepts or to simulate the chemical processes through the principles of mathematics. Numerical data analysis refers the mathematical analysis of number based experimental data points, for further interpretation as well as interpolation. This course outlines a basic introduction to mathematical modeling for numerical data analysis with non-mathematician s viewpoint. It is presented in a simple way and style through example based approach without using advanced mathematical concepts in order to understand by the postgraduate students. It is a beginner s guide for practicing chemist and chemical engineers. This course introduces the mathematical modeling techniques needed to address key questions in modern chemistry. Students will learn how to formulate, analyze and simulate mathematical models for some experimental chemical data. MS Excel, Statistica, MathCad (SMath), Octave as a examples of some software for mathematics will be used intensively during the course. Contents part B: Differential equations. Partial differential equations. Orthogonal functions. Minimization of errors in the models. Requirements: Part A is required to pass part B. Carbon capture and sequestration: an overview of chemistry and materials involved to save our societies dr Alexander Lowe The course will cover the topic of climate change starting with the discussion of role of carbon dioxide, other greenhouse gases and pollutants in the environment. This will lead to a general discussion of the climate science models and the different predictions which have been made, as well as attempt to eliminate any myths regarding some controversy involving climate science and how we know that we are in danger. This will try an include the effects of climate change on the environment, which include acidification of the oceans and thermal storage. The concept of chemical equilibria with the earliest known method of industrialized carbon captures which are amine washing solutions. These solutions were exploited early to remove sulphur from sour natural gases. The evolution of the amine washing system will be discussed and will include its advantages and disadvantages in the current industrial climate. The second section will looks at other materials which have the potential to replace the amine washing process. This includes the absorption of gases onto porous solid materials, porous solid membranes, other type of amine washing liquids. For the final discussion will include what can be done with carbon dioxide. In this case there are a few options which can be discussed. The first discussion would the storage of carbon which would include, where, why and is it realistic. The second discussion would include the application of carbon dioxide within the modern economy; we can discuss the technologies which exist which make good use of carbon dioxide. The third and final topic would be the chemical reduction of carbon dioxide back into useful organic compounds. The overall goal of the course is to give the student a foundation on issues involving climate change and where there skills are important in this field.