Chemia kwantowa i modelowanie

Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział
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
rok akademicki
semestr
forma studiów
sposób ustalania
oceny końcowej
modułu
informacje
dodatkowe
dr hab. prof. UŚ Maria Jaworska
2014/2015
I (letni)
Stacjonarne
Średnia ważona ocen z egzaminu(70%) i z laboratorium(30%)
2. Opis zajęć dydaktycznych i pracy studenta
nazwa
Kod
Wykład
0310-CH-S2-B-062_fs_1
prowadzący
grupa(-y)
treści zajęć
dr hab. prof. UŚ Maria Jaworska, dr hab. Andrzej Bąk
Wszystkie grupy studenckie
Treści merytoryczne:
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
Wydział
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. Kodowanie 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. Kody 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. Kodowanie reakcji chemicznej. Notacja DugundjiUgi’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
Wydział
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
zajęć
liczba godzin
dydaktycznych
(kontaktowych)
liczba godzin
pracy własnej
studenta
opis pracy
własnej
studenta
organizacja
zajęć
literatura
obowiązkowa
literatura
uzupełniająca
adres strony
www zajęć
informacje
dodatkowe
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
Kod
Laboratorium
0310-CH-S2-B-062_fs_2
prowadzący
grupa(-y)
treści zajęć
dr hab. prof. UŚ Maria Jaworska; dr hab. Andrzej Bąk
Treści merytoryczne:
1. Podstawowe pojęcia i prawa mechaniki kwantowej. (4 godz.)
2. Ścisłe i przybliżone rozwiązania równania Schroedingera. (8 godz.)
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział
metody
prowadzenia
zajęć
liczba godzin
dydaktycznych
(kontaktowych)
liczba godzin
pracy własnej
studenta
opis pracy
własnej
studenta
organizacja
zajęć
literatura
obowiązkowa
literatura
uzupełniająca
str. 4
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 zajęć 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,
adres strony
www zajęć
informacje
dodatkowe
nazwa
Konsultacje
prowadzący
grupa(-y)
treści zajęć
Kod
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
Wydział
metody
prowadzenia
zajęć
liczba godzin
dydaktycznych
(kontaktowych)
liczba godzin
pracy własnej
studenta
opis pracy
własnej
studenta
organizacja
zajęć
literatura
obowiązkowa
literatura
uzupełniająca
adres strony
www zajęć
informacje
dodatkowe
str. 5
rozwiązywaniu bieżących trudności wynikających z realizacji treści programowych
modułu
Jak w opisie modułu
15
Konsultacje odbywają się zgodnie z ustalonymi ze studentami terminami (podanymi
do wiadomości studentów na pierwszych zajęciach), lub po wcześniejszym ustaleniu
terminu (jeżeli inny niż ustalony)
Pole opcjonalne
Pole opcjonalne
3. Opis sposobów weryfikacji efektów kształcenia modułu
Nazwa
Kod
Egzamin
0310-CH-S2-B-062_w_1
kod(-y) zajęć
osoba(-y)
przeprowadzająca(e) weryfikację
grupa(-y)
wymagania
merytoryczne
0310-CH-S2-B-062_fs_1
kryteria oceny
Skala ocen:
51 - 60% prawidłowych odpowiedzi – 3,0
Dr hab. Maria Jaworska, prof. UŚ.; dr hab. Andrzej Bąk
Wszystkie grupy studenckie
Postulaty chemii kwantowej. Dokładne i przybliżone rozwiązania równania
Schrödingera. Metda kombinacji liniowej. Metoda LCAO MO. Metoda HartreeFocka. 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. Kodowanie cząsteczek chemicznych. Topologia
molekularna. Modelowanie molekularne w chemoinformatyce. Reprezentacja
reakcji chemicznej. Chemiczne bazy danych. Komputerowa analiza struktur
chemicznych. Chemiczne zasoby internetu.
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział
str. 6
61 - 70% prawidłowych odpowiedzi – 3,5
71 - 80% prawidłowych odpowiedzi – 4,0
81 - 90% prawidłowych odpowiedzi – 4,5
91 - 100% prawidłowych odpowiedzi – 5,0
przebieg procesu
weryfikacji
informacje
dodatkowe
Egzamin pisemny
Po części wykłady z chemii kwantowej i z modelowania molekularnego odbędą się
częściowe egzaminy dotyczące danej części.
Nazwa
Kod
Kolokwium pisemne
0310-CH-S2-B-062_w_2
kod(-y) zajęć
osoba(-y)
przeprowadzająca(e) weryfikację
grupa(-y)
wymagania
merytoryczne
0310-CH-S2-B-062_fs_2
kryteria oceny
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
przebieg procesu
weryfikacji
informacje
dodatkowe
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, prof. UŚ.; dr hab. Andrzej Bąk
Wszystkie grupy studenckie
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. Kodowanie cząsteczek chemicznych. Topologia molekularna.
7.Reprezentacja reakcji chemicznej.
8. Chemiczne bazy danych.
9. Komputerowa analiza struktur chemicznych.
Nazwa
kod
Sprawozdanie
0310-CH-S2-B-062_w_3
kod(-y) zajęć
osoba(-y)
przeprowadzająca(e) weryfikację
grupa(-y)
wymagania
merytoryczne
kryteria oceny
0310-CH-S2-B-062_fs_2
Dr hab. Maria Jaworska; Dr hab. Andrzej Bąk
Wszystkie grupy studenckie
1. Wyznaczanie optymalnej geometrii i własności molekularnych.
3. Wyznaczanie struktury elektronowej atomów i cząsteczek.
4. Oddziaływania międzycząsteczkowe w chemii kwantowej
5.Kodowanie molekularne, edytory molekularne
6.Projektowanie molekularne – wymiana informacji strukturalnych, bazy danych
Skala ocen:
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział
przebieg procesu
weryfikacji
informacje
dodatkowe
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 wymaganiach 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%)
Nazwa
Kod
0310-CH-S2-B-062_w_4
Ocenianie ciągłe
0310-CH-S2-B-062_fs_2
kod(-y) zajęć
osoba(-y)
Dr hab. Andrzej Bąk
przeprowadzająca(e) weryfikację
grupa(-y)
wymagania
merytoryczne
kryteria oceny
przebieg procesu
weryfikacji
informacje
dodatkowe
Wykorzystanie umiejętności nabytych w laboratorium
Ocena praktycznych umiejętności pracy w laboratorium projektowania molekularnego, na
podstawie wyników uzyskanych na poszczególnych ćwiczeniach.