Modelowanie molekularne

Prowadzący

Czas Trwania Warsztatów

25 godzin lekcyjnych (5 dni po 5 godzin lekcyjnych)

Modelowanie molekularne

Praktyczna chemia kwantowa

Czy zastanawiałeś się kiedyś dlaczego tak wiele mówi się dziś o kwantowym świecie cząsteczek, kwantach materii, elektronach i jakie to ma znaczenie dla każdego z nas? Czy wiesz, że bez równań Schrödingera i modelowania molekularnego (czyli chemii kwantowej) nie powstałby dziś żaden nowy lek? Cały otaczający nas świat zbudowany jest z protonów, elektronów i neutronów, do których stosują się zasady chemii kwantowej. To właśnie nowoczesne metody obliczeniowe pozwalają nam wejść w świat cząsteczek i spojrzeć na ich wewnętrzną budowę elektronową, dzięki czemu coraz dokładniej możemy obliczyć wiele kluczowych parametrów cząsteczek chemicznych.

Celem zajęć jest zapoznanie uczestników z podstawami oraz praktycznymi aspektami chemii obliczeniowej. Uczestnicy warsztatu nauczą się wykorzystywać nowoczesne metody symulacji komputerowych (wykorzystujące trójwymiarowe modele cząsteczek chemicznych) w celu przewidzenia kluczowych właściwości molekularnych modelowych układów chemicznych, takich jak: energia cząsteczki (entalpia, entropia, energia elektronowa), stabilność molekuły czy właściwości spektroskopowe (drgania cząsteczki). Dodatkowo, uczestniczy zajęć poznają techniki oraz sposoby badania mechanizmów reakcji. Własnoręcznie – przy pomocy komputera stworzą wirtualne symulacje pokazujące w jaki sposób w trakcie reakcji atomy łączą się ze sobą tworząc nowe struktury chemiczne. Zapoznają się z pojęciami kluczowymi dla reakcji chemicznych takimi jak: „kompleks aktywny”, „produkt pośredni”, „substrat” oraz „produkt końcowy” reakcji, z uwzględnieniem kluczowych różnic między nimi.

Do kogo kierowany jest ten warsztat?

Warsztat ten przygotowany jest dla osób zainteresowanych łączeniem ze sobą współczesnych aspektów chemii, informatyki oraz fizyki. 

Zakres eksperymentów obliczeniowych został tak dobrany aby uczestnicy zupełnie niezaprzyjaźnieni z praktyczną chemią obliczeniową mogli swobodnie w nich uczestniczyć i samodzielnie poznać świat trójwymiarowych cząsteczek chemicznych.

 Przed przystąpieniem do warsztatu uczestnicy powinni zapoznać się w zakresie podstawowym z definicjami następujących zagadnień i odpowiedzieć sobie na kilka prostych pytań:

1. Chemia teoretyczna i chemia obliczeniowa:

  • Czym są te dziedziny chemii i jaka była przyczyna ich powstania?

2. Budowa atomu (elektron, protony, neutron, gęstość elektronowa):

  • Czym są elektrony walencyjne?
  • Jakie są wartości ładunków elektronu, protonu i neutronu?
  • Jaka jest różnica pomiędzy elektronem a gęstością elektronową?
  • Czy elektron jest najmniejszą cząstką elementarną?

3. Drganie normalne cząsteczki chemicznej:

  • Ile drgań normalnych ma cząsteczka wody H2O?

Informacje dostępne w bazie encyklopedycznej Wikipedii, dotyczące powyższych zagadnień w zupełności wystarczą aby uczestniczyć w warsztacie. Dodatkowo, każdego dnia warsztatu przed rozpoczęciem ćwiczeń wszystkie zagadnienia potrzebne do zrozumienia obserwowanych zjawisk fizyko-chemicznych będą w przystępny sposób omawiane w trakcie wykładu wprowadzającego.

Niezbędny sprzęt i oprogramowanie

Uczestnik musi posiadać własny laptop z systemem operacyjnym Windows oraz pakietem MS Office. Dodatkowo, wyposażenie komputera w mysz zewnętrzną znacznie ułatwi pracę z programami do wizualizacji cząsteczek oraz poprawi komfort budowy trójwymiarowych modeli. Przed przystąpieniem do kursu należy zarejestrować się na stronie (https://orcaforum.kofo.mpg.de/app.php/portal) oraz pobrać program do obliczeń ORCA 4.1 z działu download. Dodatkowo, należy pobrać program do wizualizacji struktur chemicznych Avogadro (https://avogadro.cc/). Obydwa programy posiadają darmową licencję do celów edukacyjnych.

Dlaczego warto wziąć udział w tym warsztacie?

Biorąc udział w warsztacie Modelowanie molekularne – praktyczna chemia kwantowa, będziesz miał znakomitą okazję, aby:

  • nauczyć się tworzyć trójwymiarowe modele cząsteczek chemicznych;
  • poszerzyć wiedzę z zakresu praktycznej chemii kwantowej oraz chemii obliczeniowej;
  • wykonać symulacje, dzięki którym zobaczysz jak w rzeczywistości wyglądają cząsteczki chemiczne w trójwymiarze;
  • poznać popularne techniki obliczeniowe;
  • zrozumieć różnicę między entalpią a entropią;
  • opisać kluczowe zależności pomiędzy budową cząsteczki a jej właściwościami. 

Dodatkowo, wiedza pozyskana w trakcie prowadzonych doświadczeń „in silico” (na atomach krzemu procesora komputerowego) będzie dla uczestników istotnym wprowadzeniem do zajęć laboratoryjnych prowadzonych na uczelniach. Omawiane w trakcie warsztatu obliczeniowe techniki badawcze stanowią element kursów akademickich na takich kierunkach studiów jak: chemia ogólna, chemia medyczna, technologia chemiczna, biochemia, bioinformatyka, inżynieria chemiczna czy inżynieria materiałowa.

Program warsztatu

Każdego dnia ćwiczenia praktyczne poprzedzone będą krótkim wykładem wprowadzających, podczas którego uczestnicy dowiedzą się: jak wykonać krok po kroku zaplanowane eksperymenty, do czego mogą posłużyć w praktyce (nauce i przemyśle) uzyskane wyniki symulacji, aż w końcu kto i gdzie stosuje poszczególne techniki obliczeniowe.

Dzień pierwszy

Chemia kwantowa bez tajemnic

W pierwszym dniu poznasz podstawowe zagadnienia chemii kwantowej. Omówione zostaną praktyczne aspekty technik obliczeniowych oraz przygotowane zostanie środowisko komputerowe do wykonywania symulacji. Tego dnia zbudujesz swoją pierwszą trójwymiarową cząsteczkę, która powie Ci, jaki ma swój stan elektronowy i ile kryje elektronów. Dowiesz się także, dlaczego heksan C6H12 chętniej siedzi na krześle niż pływa łódką. 

Dzień drugi

Wypływ budowy cząsteczki na jej właściwości

W drugim dniu przyspieszamy z symulacjami! Rozpoczniemy od modyfikacji chemicznej naszych cząsteczek – czyli wprowadzimy dodatkowe atomy, dzięki czemu zmusimy nasze układy molekularne do tego żeby zachowywały się tak jak chcemy. Sprawdzimy czy indukcja chemiczna według Hammetta i Tafta działa, a dodatkowo dowiemy się, jakie ma ona znaczenie dla funkcjonowania żywych organizmów.

Dzień trzeci

Aniony, kationy, cząsteczki neutralne – jaka jest między nimi różnica?

Trzeciego dnia, dodając i zabierając ładunek elektryczny z badanych cząsteczek dowiemy się czym jest zasadowość i kwasowość w fazie gazowej i dlaczego jest inna niż w wodzie? Trójwymiarowa wizualizacja rozkładu elektronów na atomach cząsteczek o ładunku dodatnim oraz ujemnym pozwoli na łatwe zrozumienie różnicy pomiędzy elektrofilowością a nukleofilowością molekuł. Dodatkowo, poznamy, czym są i jaki rzeczywisty mają kształt orbitale molekularne, o których tyle się mówi na lekcjach w liceum.

Dzień czwarty

Modelowanie mechanizmów reakcji

Najważniejszy dzień warsztatu. Każdy uczestnik opisze przy pomocy metod chemii kwantowej mechanizm reakcji chemicznej. Po stworzeniu w świecie wirtualnym wybranych cząsteczek, połączymy je ze sobą. Pozwolimy im ze sobą efektywnie przereagować prowadząc do powstania produktów reakcji. Obliczymy „kompleks aktywny” wizualizując moment połączenia atomów w nową cząsteczkę chemiczną. Przenalizujemy parametry kinetyczne reakcji – czyli dowiemy się, która reakcja wybrana przez każdego z uczestnika była najszybsza i dlaczego!

Dzień piąty

Cząsteczka DNA – sterowanie chemiczne

Ostatniego dnia podsumujemy wszystkie poznane aspekty z życia cząsteczek na przykładzie cząsteczki życia – DNA. Wykorzystując charakterystyczne motywy strukturalne helisy DNA, uczestnicy wymodelują reakcje przeniesienia protonu pomiędzy zasadami. Dodatkowo, zmodyfikujemy chemicznie zasady DNA, tak aby pokazać wpływ otoczenia chemicznego na szybkość reakcji. Wszystko to zobrazuje w jaki sposób mutagenna modyfikacja chemiczna jednej części łańcucha DNA wpływa na zachowanie całego układu chemicznego.

I think it's much more interesting to live not knowing than to have answers which might be wrong.

Richard P. Feynman