Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Kierunek i poziom studiów: Chemia. Drugi. Sylabus modułu: Chemia kwantowa i modelowanie molekularne (0310-CH-S2-B-062) 1. Informacje ogólne koordynator modułu dr hab. prof. UŚ Maria Jaworska rok akademicki 2014/2015 semestr I (letni) forma studiów Stacjonarne sposób ustalania Średnia ważona ocen z egzaminu(70%) i z laboratorium(30%) oceny końcowej modułu 2. Opis dydaktycznych i pracy nazwa Wykład prowadzący treści 0310-CH-S2-B-062_fs_1 dr hab. prof. UŚ Maria Jaworska, dr hab. Andrzej Bąk Treści : 1. Postulaty mechaniki kwantowej. Funkcja falowa, operatory kwantowomechaniczne, własności, konstrukcja. Zależne od czasu równanie Schrödingera. Równanie własne operatora, funkcje własne, wartości własne, komutator. Wartość średnia operatora kwantowomechanicznego. (3 godz.) 2. Cząstka w pudle potencjału, rozwiązanie równania Schrödingera, funkcje własne, liczby kwantowe. Oscylator harmoniczny, równanie Schrödingera, funkcja falowa oscylatora, funkcje Hermite a. (3 godz.) 3. Atom wodoru i jonów wodoropodobnych. Orbitrale atomowe, część radialna, część kątowa, liczby kwantowe. Spin elektronu, spinorbitale. (3 godziny) 4. Atom wieloelektronowy. Powłoki atomowe. Konfiguracje atomowe. Zakaz Pauliego, reguła Hunda, termy atomowe (3 godziny) 5. Zasada wariacyjna, metoda wariacyjna. Metoda Ritza, metoda LCAO MO. (3 godz.) 6. Cząsteczki dwuatomowe, orbitale molekularne cząsteczek dwuatomowych, klasyfikacja. Cząsteczki wieloatomowe, cząsteczki o sprzężonych wiązaniach podwójnych, cząsteczki aromatyczne. (3 godz.) 7. Metoda Hartree-Focka, fermiony, antysymetryzacja funkcji falowej. Wyznacznik Slatera. Funkcje bazy. (2 godz.) 8. Metody posthartree-fockowskie. Pozdział metod obliczeniowych chemii teoretycznej. Metody perturbacyjne i wariacyjne. Metody półempiryczne (2 godziny) 9. Metoda DFT. Twierdzenia Hohenberga-Kohna. Funkcjonał wymienno-
Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 2 korelacyjny. Metoda Kohna-Shama. (3 godz.) 10. Przybliżenie Borna-Oppenheimera. Powierzchnia energii potencjalnej. Gradient i hesjan. Optymalizacja geometrii. Częstości drgań molekularnych. (2 godz.) 11. Reaktywność chemiczna. Ładunki atomowe, potencjały elektrostatyczne, analiza populacyjna. Reagenty, produkty, stan przejściowy reakcji. Funkcje termodynamiczne, funkcja rozdziału. (1 godz.) 12. Elementy mechaniki molekularnej. Pole siłowe. (1 godz.) 13. Oddziaływania międzycząsteczkowe. Oddziaływania elektrostatyczne, indukcyjne, dyspersyjne. (1 godz.) 14. Wstępne zagadnienia chemoinformatyki. Geneza przedmiotu chemoinformatyka. Chemoinformatyka a chemometria. Dane Gromadzenie i kompleksowość danych. Informacja. Przetwarzanie danych. Model. Wiedza. (2 godz.) 15. Przestrzeń chemiczna. Cząsteczka w zapisie wektorowym. Populacja cząsteczek chemicznych. Informatyka a chemia. owanie cząsteczek chemicznych. Sposoby przedstawiania wzorów empirycznych cząsteczek organicznych i nieorganicznych (2 godz.) 16. Reprezentacja i przeszukiwanie struktur chemicznych. Topologia molekularna. Notacja liniowa. Notacja liniowa Sybyl. y i stereochemia w SMILES. Wprowadzanie i wyprowadzanie (input/output) struktur chemicznych. Molfiles i SDfiles. Inne formaty plików. Edytory molekularne. Modelowanie molekularne. Generatory struktur 2D i 3D. Budowanie modeli in silico. (2 godz.). 17. Zastosowanie modelowania molekularnego w chemoinformatyce. Powierzchnie cząsteczkowe, van der Waalsa, Connolly ego. Powierzchnie dostępne i niedostępne dla rozpuszczalnika. Powierzchnie jamy enzymatycznej. Izo-powierzchnie gęstości elektronowej. Kwantochemiczne deskryptory powierzchni i kształtów molekularnych Mezeya (1 godz. ) 18. Reprezentacja reakcji chemicznych. Typy reakcji Centrum reakcji. Efekty fizykochemiczne. Rozkład ładunków. Proste metody ilościowej interpretacji reaktywności chemicznej. owanie reakcji chemicznej. Notacja Dugundji- Ugi ego B+R=E. Nazwy chemiczne generowane in silico. Nomenklatura chemiczna. Dane w cemii. Podstawowa teoria baz danych. Wyszukiwarki internetowe. Poszukiwanie struktur i podstruktur. Beilstein Hanbook of Organic Chemistry. Beistein CrossFire plus Reactions oraz zaawansowane bazy danych niezbędne w badaniach chemicznych. (2 godz.) 19. Komputerowo wspomagane odkrywanie wiedzy przez eksplorację baz danych. Literatura chemiczna. Drukowane i cyfrowe źródła literatury chemicznej. Formułowanie zaawansowanych zapytań do bazy Beilstein Hanbook of Organic Chemistry. Graf reakcji chemicznych. Architektura chemii. Formułowanie zaawansowanych pytań do systemu baz danych Discovery Gate. Synteza i retro synteza chemiczna in silico. Nomenklatura syntonów. Operacje na syntonach. Modyfikacje syntonu. Umpolung. Synton vs reagent. Drzewo syntez. Komputerowo wspomagane projektowanie syntez chemicznych. (CASD) CHMTRN (CHeMistry TraNslator). LHASA. WODCA. Symulowanie reakcji chemicznych In silico. EROS. (2 godz.) 20. Wspomagana komputerowo analiza struktur chemicznych. Problemy in silico syntez w poszukiwaniu właściwości. Komputerowo wspomagane
Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 3 projektowanie molekularne. Modelowanie QSAR in silico. Prosty model regresyjny Hanscha. Deskryptory molekularne. Wielowymiarowość w QSAR. Wzrost wymiarowości QSAR od 1D do 6D QSAR (1 godz.) 21. Problemy analizy danych w QSAR. Porównawcza analiza pola cząsteczkowego (CoMFA) przykładem metody QSAR metoda analizy danych niezależnych od receptora. Porównawcza analiza energii wiązania (COMBINE) - przykładem zaawansowanej analizy danych zależnych od receptora w modelowaniu QSAR. Problemy prawdopodobieństwa w projektowaniu molekularnym. Kompleksowość danych biologicznych. Redukcjonizm w chemii i chemoinformatyce. Problemy analizy danych masowych. Różnorodność molekularna ( molecular diversity). Domena QSAR. (1 godz. prof. J. Polański) 22. Internet rewolucja oddziaływań międzyludzkich. Chemiczne zasoby Internetu. Obliczenia rozproszone w chemoinformatyce. Handel internetowy w chemii i chemoinformatyce. Internet a filozofia i rozwój chemo(informatyki). Nowe trendy w chemoinformatyce (1 godz.) metody prowadzenia dydaktycznych (kontaktowych) pracy własnej opis pracy własnej organizacja obowiązkowa uzupełniająca adres strony www Jak w opisie modułu 45 40 Praca ze wskazaną literaturą przedmiotu obejmująca samodzielne przyswojenie wiedzy odnośnie wskazanych zagadnień na wykładzie. Wykład prowadzony przez cały semestr 3 godz. tygodniowo. 1.W. Kołos, Chemia kwantowa, PWN, Warszawa 2. A. Gołębiewski, Elementy mechaniki i chemii kwantowej, PWN, Warszawa, 1982. 3. J. Polański, A. Bąk, Podstawy chemoinformatyki leków, Uniwersytet Śląski, 2010 1. L. Piela, Idee Chemii Kwantowej, PWN, Warszawa, 2003 nazwa Laboratorium prowadzący treści dr hab. prof. UŚ Maria Jaworska; dr hab. Andrzej Bąk Treści : 1. Podstawowe pojęcia i prawa mechaniki kwantowej. (4 godz.) 2. Ścisłe i przybliżone rozwiązania równania Schroedingera. (8 godz.)
Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 4 metody prowadzenia dydaktycznych (kontaktowych) pracy własnej opis pracy własnej organizacja obowiązkowa uzupełniająca adres strony www 3. Pakiety obliczeniowe chemii kwantowej. (4 godz.) 4. Metoda Hartree-Focka i metody posthartree-fockowskie. (4 godz.) 5. Teoria funkcjonałów gęstości elektronowej. (4 godz.) 6. Wyznaczanie optymalnej geometrii. (4 godz.) 7. Wyznaczanie struktury elektronowej atomów i cząsteczek. (4 godz.) 8. Wyznaczanie własności molekularnych (4 godz.) 9. Oddziaływania międzycząsteczkowe w chemii kwantowej. (4 godz.) 10. Chemoinformatyka wstęp teoretyczny. Problemy wprowadzania danych. (4 godz.) 11. Projektowanie molekularne notacja linowa cząsteczek, kodowanie SMILES, wybrane edytory molekularne (4 godz.) 12. Projektowanie molekularne standardy wymiany informacji strukturalnej, pakiety do modelowania molekularnego (4 godz.) 13. Projektowanie molekularne chemoinformatyczne bazy danych (4 godz.) 14. Omówienie projektu obliczeniowego (4 godz.) Jak w opisie modułu 60 50 Przygotowanie teoretyczne do z tematów poruszanych na wykładzie. Rozwiązywanie zagadnień podanych przez prowadzącego. Wykonanie obliczeń przy użyciu dostępnych pakietów chemii kwantowej i modelowania molekularnego. Przygotowanie sprawozdań z przeprowadzonych na zajęciach obliczeń. Zajęcia laboratoryjne, 4 godziny tygodniowo 1. A. Gołębiewski, Elementy mechaniki i chemii kwantowej, PWN, Warszawa, 1982. 2. W. Kołos, Chemia kwantowa, PWN, Warszawa 2. J. Polański, A. Bąk, Podstawy chemoinformatyki leków, Uniwersytet Śląski, 2010 Praca zb. Pod red. A. Bąka, Laboratorium projektowania molekularnego. Materiały do ćwiczeń, Uniwersytet Śląski, 2010 1. L. Piela, Idee Chemii Kwantowej, PWN, Warszawa, 2003, nazwa Konsultacje prowadzący treści 0310-CH-S2-B-062_fs_3 dr hab. Maria Jaworska, prof. UŚ, dr hab. Andrzej Bąk Pole opcjonalne Konsultacje indywidualne/grupowe w formie bezpośredniej mające na celu pomoc w
Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 5 metody prowadzenia dydaktycznych (kontaktowych) pracy własnej opis pracy własnej organizacja obowiązkowa uzupełniająca adres strony www rozwiązywaniu bieżących trudności wynikających z realizacji treści programowych modułu Jak w opisie modułu 15 Konsultacje odbywają się zgodnie z ustalonymi ze mi terminami (podanymi do wiadomości studentów na pierwszych zajęciach), lub po wcześniejszym ustaleniu terminu (jeżeli inny niż ustalony) Pole opcjonalne Pole opcjonalne 3. Opis sposobów efektów kształcenia modułu Egzamin kod(-y) 0310-CH-S2-B-062_fs_1 Dr hab. Maria Jaworska, prof. UŚ.; dr hab. Andrzej Bąk 0310-CH-S2-B-062_w_1 Postulaty chemii kwantowej. Dokładne i przybliżone rozwiązania równania Schrödingera. Metda kombinacji liniowej. Metoda LCAO MO. Metoda Hartree- Focka. Bazy funkcyjne. Metody wyznaczania korelacji elektronowej. Metody posthartreefockowskie. Metoda funkcjonałów gęstości równania Kohna-Shama. Funkcja rozdziału wyznaczanie wartości funkcji termodynamicznych. Optymalizacje geometrii. Teoretyczne badanie reaktywności chemicznej. Oddziaływania międzycząsteczkowe. Metody półempiryczne. Mechanika molekularna. Podstawy chemoinformatyki. owanie cząsteczek chemicznych. Topologia molekularna. Modelowanie molekularne w chemoinformatyce. Reprezentacja reakcji chemicznej. Chemiczne bazy danych. Komputerowa analiza struktur chemicznych. Chemiczne zasoby internetu. Skala ocen: 51-60% prawidłowych odpowiedzi 3,0
Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 6 Kolokwium pisemne kod(-y) Sprawozdanie kod(-y) 61-70% prawidłowych odpowiedzi 3,5 71-80% prawidłowych odpowiedzi 4,0 81-90% prawidłowych odpowiedzi 4,5 91-100% prawidłowych odpowiedzi 5,0 Egzamin pisemny Po części wykłady z chemii kwantowej i z modelowania molekularnego odbędą się częściowe egzaminy dotyczące danej części. Dr hab. Maria Jaworska, prof. UŚ.; dr hab. Andrzej Bąk 0310-CH-S2-B-062_w_2 1. Podstawowe pojęcia i prawa mechaniki kwantowej. 2. Ścisłe i przybliżone rozwiązania równania Schroedingera. 3. Metody obliczeniowe chemii kwantowej oparte na funkcji falowej. 4. Metody DFT 5. Własności molekularne 6. owanie cząsteczek chemicznych. Topologia molekularna. 7.Reprezentacja reakcji chemicznej. 8. Chemiczne bazy danych. 9. Komputerowa analiza struktur chemicznych. Skala ocen: 51-60% prawidłowych odpowiedzi 3,0 61-70% prawidłowych odpowiedzi 3,5 71-80% prawidłowych odpowiedzi 4,0 81-90% prawidłowych odpowiedzi 4,5 91-100% prawidłowych odpowiedzi 5,0 4 kolokwia pisemne na punkty, 3 kolokwia - chemii kwantowa, 1 kolokwium modelowanie molekularne Na zaliczenie z laboratorium składa się średnia ocena z: kolokwiów pisemnych (70%) oraz sprawozdań pisemnych (30%) Dr hab. Maria Jaworska; Dr hab. Andrzej Bąk kod 0310-CH-S2-B-062_w_3 1. Wyznaczanie optymalnej geometrii i własności molekularnych. 3. Wyznaczanie struktury elektronowej atomów i cząsteczek. 4. Oddziaływania międzycząsteczkowe w chemii kwantowej 5.owanie molekularne, edytory molekularne 6.Projektowanie molekularne wymiana informacji strukturalnych, bazy danych Skala ocen:
Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 7 3.0 przedstawienia wyników 3.5 wyniki wraz z elementami opisu użytych metod obliczeniowych 4.0 wyniki wraz z opisem użytych metod obliczeniowych 4.5 niekompletne opracowanie na ocenę 5.0 5.0 wyniki wraz z częścią teoretyczną oraz z wnioskami z obliczeń 2 sprawozdania z przeprowadzonych obliczeń kwantowochemicznych i modelowania molekularnego na podane w ch merytorycznych tematy. Sprawozdanie powinno być oddane prowadzącemu zajęcia do dwóch tygodni po zajęciach Na zaliczenie z laboratorium składa się średnia ocena z: kolokwiów pisemnych (70%) oraz sprawozdań pisemnych (30%) Ocenianie ciągłe kod(-y) Dr hab. Andrzej Bąk Wykorzystanie umiejętności nabytych w laboratorium 0310-CH-S2-B-062_w_4 Ocena praktycznych umiejętności pracy w laboratorium projektowania molekularnego, na podstawie wyników uzyskanych na poszczególnych ćwiczeniach.