МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

Факультет биологии и экологии

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по развитию образования

_Е.В.Сапир "_"2012 г.

Рабочая программа дисциплины послевузовского профессионального образования (аспирантура) Основы квантово-химического моделирования и оценки реакционной способности органических соединений по специальности научных работников 02.00.03 Органическая химия Ярославль 1. Цели освоения дисциплины Целями освоения дисциплины «Основы квантово-химического моделирования и оценки реакционной способности органических соединений» в соответствии с общими целями основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура) (далее - образовательная программа послевузовского профессионального образования) являются:

- знание основных постулатах и математическом аппарате квантовой механики;

- представление о приближенных методах решения квантово-механических задач;

- представления об основных положениях квантовой химии;

- знание о неэмпирических и полуэмпирических методах изучения электронного строения атомов и молекул, применение получаемых данных для решения научных и прикладных задач органической химии;

- знание и применение теории реакционной способности органических соединений для решения научных и прикладных задач.

2. Место дисциплины в структуре образовательной программы послевузовского профессионального образования Данная дисциплина относится к разделу обязательные дисциплины (подраздел дисциплины по выбору аспиранта ОД.А.05) образовательной составляющей образовательной программы послевузовского профессионального образования по специальности научных работников 02.00.03 Органическая химия.

Дисциплина «Основы квантово-химического моделирования и оценки реакционной способности органических соединений» показывает пути решения одной из основных проблем современной органической химии – установление характера и природы связи «структурасвойства».

Для изучения данной дисциплины необходимы «входные» знания, умения, полученные в процессе обучения по программам специалитета или бакалавриата – магистратуры, а также при изучении дисциплины «Современная органическая химия)» в аспирантуре и готовность обучающегося, к восприятию знаний и навыков, необходимых при освоении данной дисциплины и приобретенных в результате освоения предшествующих дисциплин. Освоение данной дисциплины необходимо как предшествующее для выполнения и защиты диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук.

3. Требования к результатам освоения содержания дисциплины «Основы квантово-химического моделирования и оценки реакционной способности органических соединений»

В результате освоения дисциплины «Основы квантово-химического моделирования и оценки реакционной способности органических соединений» обучающийся должен:

знать:

- методы решения квантово-химических задач;

- неэмпирические и полуэмпирические методы изучения электронного строения атомов и молекул.

уметь:

- оценивать и анализировать электронное строение атомов и молекул;

- осуществлять неэмпирические и полуэмпирические расчеты электронного строения атомов и молекул, интерпретировать полученные результаты;

- оценивать реакционную способность карбо- и гетероароматических структур.

владеть:

- неэмпирическими и полуэмпирическими методами расчетов;

- методами оценки реакционной способности.

4. Структура и содержание дисциплины «Основы квантово-химического моделирования и оценки реакционной способности органических соединений»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

Курс № Раздел Виды учебной работы, включая Формы текущего Неделя п/ Дисциплины самостоятельную работу обучаю- контроля успеваемости п щихся, и трудоемкость (в часах) (по неделям) Форма обуч.: очная/заочная Форма промежуточной аттестации Лекций менной теории химического строения.

ное взаимодействие и его описание в квантовой химии.

программное обеспечение квантово-химических расчетов.

многоатомных молекул на основе метода МО онной способности органических соединений.

Содержание дисциплины Тема 1. Основы современной теории химического строения. Уравнение Шредингера для атомов и молекул. Разделение электронного и ядерного движений. Адиабатическое приближение. Электронные, колебательные и вращательные состояния молекул. Поверхность потенциальной энергии. Представление молекулярных орбиталей (МО) в виде линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО).

Тема 2. Полуэмпирические методы квантовой химии. Методы, использующие нулевое дифференциальное перекрывание. Расширенный метод Хюккеля. Метод Хюккеля для электронных систем. Возможности и ограничения применения полуэмпирических методов квантовой химии. Неэмпирические методы. Методы с использованием функционалов матрицы плотности.

Тема 3. Межмолекулярное взаимодействие и его описание в квантовой химии. Ориентационная и индукционная составляющие. Дисперсионное взаимодействие. Ван-дер-Ваальсовы комплексы. Водородная связь.

Тема 4. Современное программное обеспечение квантово-химических расчетов. Наиболее распространенные программные комплексы (MOPAC, GAUSSIAN и др.).

Тема 5. Анализ геометрического и электронного строения многоатомных молекул на основе метода МО. Органические соединения. Приближения, используемые при расчетах и при интерпретации электронного строения органических соединений. Эффекты среды. Моделирование интермедиатов и переходных структур.

Тема 6. Теория реакционной способности органических соединений. Индексы реакционной способности: индексы свободной валентности, заряды на атомах, индексы Фукуи, энергии катионной, анионной и радикальной локализации. Поиск структуры переходных состояний.

5. Образовательные технологии В преподавании используются мультимедийные презентации, иллюстрации, таблицы, методические пособия.

В преподавании курса используются активные и интерактивные технологии проведения занятий в сочетании с внеаудиторной работой.

6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы обучающихся В качестве средств текущего контроля используется 1 контрольная работа, а также выполняемые в рамках самостоятельной работы задания. Промежуточная аттестация (зачет) дает возможность выявить уровень профессиональной подготовки аспиранта по данной дисциплине.

Контрольная работа № Основные положения современной теории химического строения.

Подобрать подход и получить данные квантово-химического моделирования заданной структуры.

С использование различных методов оценить степень взаимодействия двух органических молекул, содержащих разнообразные функциональные группы.

Провести расчет заданной структуры различными методами с использование различных программных комплексов.

Проанализировать результаты выполненных в Задании № 3 расчетов и сделать заключение об особенностях геометрического и электронного строения.

Поиск структуры переходного состояния для заданного процесса.

1. Уравнение Шредингера для атомов и молекул. Разделение электронного и ядерного движений. Адиабатическое приближение.

2. Электронные, колебательные и вращательные состояния молекул..

3. Поверхность потенциальной энергии.

4. Представление молекулярных орбиталей (МО) в виде линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО).

5. Учет симметрии ядерной конфигурации при рассмотрении электронной задачи.

6. Полуэмпирические методы квантовой химии.

7. Неэмпирические методы квантовой химии.

8. Современное программное обеспечение квантово-химических расчетов.

9. Межмолекулярное взаимодействие и его описание в квантовой химии.

10. Особенности квантово-химического моделирования строения гетероциклических ароматических соединений.

11. Индексы реакционной способности.

12. Моделирование промежуточных частиц.

13. Учет влияния среды в квантово-химическом моделировании.

14. Моделирование ППЭ для реакций карбо- и гетероароматических систем.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины а) основная литература: ( не более двух наименований – желательно наличие в библиотеке) Майер И. Избранные главы квантовой химии. - БИНОМ. Лаборатория знаний, Грибов Л. А., Муштакова С. П. Квантовая химия. - Гардарики, б) дополнительная литература:

Русаков А. И., Мендкович А. С., Гультяй В. П., др. Структура и реакционная способность органических анион-радикалов. - Мир, Орлов В.Ю., Котов А.Д., Русаков А.И. Функционализация карбо- N,O-содержащих гетероароматических систем. - Мир, О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин. Органическая химия. В 4 ч. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2005. Ч.1, 568 с.; Ч. 2, 624 с.; Ч. 3. 544 с.; Ч. 4, 728 с.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

1. Журналы научной электронной библиотеки (elibrary.ru) 2. Журналы американского химического общества (http://pubs.acs.org) 3. Доступ к патентным базам данных компании Questel (http://www.qpat.com/) 4. Organic Chemistry Portal (http://www.organic-chemistry.org/) 5. Журналы Wiley-VCH (http://www.wiley-vch.de/publish/en/journals/alphabeticIndex/?

sID=g2l06r5eqi7q28ioctnuhhimo1) 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины Вычислительный кластер T-Blade (HPC 0012800- Программное обеспечение: пакеты квантовохимических программ Компьютерный класс – 7 рабочих мест.

Программа составлена в соответствии с федеральными государственными требованиями к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура) (приказ Минобрнауки от 16.03.2011 г. № 1365) с учетом рекомендаций, изложенных в письме Минобрнауки от 22.06.2011 г. № ИБ – 733/12.

Программа одобрена на заседании кафедры органической и биологической химии 17.10.2012 г. (протокол № 5)