Załącznik do Zarządzenia nr 56

Nazwa pola
Komentarz
Nazwa przedmiotu (w języku
polskim oraz angielskim)
Podstawy Chemii Organicznej, Bioorganicznej i Nauki o
Materiałach
Introduction to Organic, Bioorganic Chemistry and Materials
Science
CBMiM PAN
Jednostka oferująca przedmiot
Liczba punktów ECTS
Sposób zaliczenia
Język wykładowy
Określenie, czy przedmiot
może być wielokrotnie
zaliczany
Skrócony opis przedmiotu
5
Egzamin
Polski
Jednorazowo
W ramach wykładów przedstawiane są podstawy termodynamiki i
kinetyki chemicznej przy czym zakłada się , że Doktoranci mieli już
możliwość zetknięcia sie z poruszanymi zagadnieniami podczas
studiów. Ograniczony czas wykładu pozwala na przedstawienie
podstaw termodynamiki formalnej umożliwiających wprowadzenie
wielkości termodynamicznych i zależności termodynamicznych
istotnych z p-tu widzenia praktykującego chemika. Wielkości, na
które położony jest nacisk to potencjał termodynamiczny, który
charakteryzuje równowagę chemiczną. Doktoranci uczą się
(przypominają sobie) jak wyznaczać wielkości termodynamiczne i jak
wyznaczone wielkości wykorzystać do opisu równowagi chemicznej.
W części dotyczącej kinetyki chemicznej przypomniane są
podstawowe zależności kinetyczne oraz przedstawione metody badań
i sposoby wyznaczania równań kinetycznych. Pokazany jest sposób
analizy reakcji złożonych. Omówione są teorie kinetyczne oraz
pokazane jest jak w tych teoriach wykorzystuje się wielkości
termodynamiczne. Omawiany jest też sposób wykorzystania
parametrów z teorii kinetycznych do badań mechanizmów reakcji.
W części z zakresu tematyki bioorganicznej wykład stanowi
omówienie podstawowych klas związków występujących w
organizmach żywych i ich struktury chemicznej i właściwości
biologicznych.
W zakresie podstaw chemii organicznej zostaną omówione wszystkie
ważniejsze pojęcia i teorie pozwalające zrozumieć naturę związku
organicznego, zależności między strukturą a właściwościami oraz
jego reaktywność, takie jak: teorie, rodzaje, charakterystyki i
wielkości fizykochemiczne określające
wiązanie chemiczne;
reaktywność wiązań chemicznych; grupy funkcyjne; efekty steryczne
i elektronowe indukcyjne i mezomeryczne; inne pojęcia jak np.
elektroujemność,
tautomeria,
aromatyczność,
polarność,
polaryzacja, polaryzowalność, itp.
W zakresie podstaw chemii polimerów zostaną omówione
podstawowe pojęcia i definicje związane z chemią polimerów i
makrocząsteczek, różnice między właściwościami polimerów i
związków
małocząsteczkowych
oraz
chemiczne
struktury
makrocząsteczek naturalnych i syntetycznych.
Podkreślona zostanie też wybitna rola makrocząsteczek w
funkcjonowaniu organizmów żywych oraz materiałów polimerowych
we współczesnej cywilizacji człowieka. Przedstawiony zostanie
rozwój nauki o polimerach w ujęciu historycznym. Wskazane zostaną
rosnące problemy związane z masowym wykorzystaniem polimerów
syntetycznych oraz sposoby ich wyeliminowania.
1
Pełny opis przedmiotu
(do 1.000 znaków)
Przedmiot wykładany jest w dwóch częściach- pierwsza obejmuje
podstawy termodynamiki chemicznej, która ze względu na
ograniczony czas wykładu (2 godz.) obejmuje zwięzłe przedstawienie
w postaci prezentacji podstawowych pojęć i zależności między
wielkościami termodynamicznymi.
-Na wstępie (w celu łatwiejszego śledzenia wykładu) w postaci
diagramu przedstawione są współzależności między różnymi
pojęciami i zagadnieniami termodynamicznymi.
-Wprowadzone są pojęcia:
układu termodynamicznego, termodynamicznej funkcji stanu,
różnych rodzajów przemian termodynamicznych
-Omówione są zasady termodynamiki
-Omówione są właściwości termodynamicznych funkcji stanu ze
zwróceniem uwagi na funkcje stanowiące tzw. potencjał
termodynamiczny, opisujące równowagę chemiczną a więc
najbardziej przydatne w pracy chemika
- Przedstawienie sposobów obliczania potencjału
termodynamicznego (standardowej entalpii swobodnej) oraz innych
funkcji termodynamicznych (entalpii i entropii standardowej;
Podanie przykładów obliczeń
- Wyprowadzenie jednego najważniejszych równań: Go = -RTlnK;
pokazanie sposobów jego wykorzystania do znajdowania położenia
równowagi reakcji w oparciu o efekty cieplne oraz odwrotnie.
- Przedstawienie zależności stałej równowagi od temperatury,
(izobara Van’t Hoffa) ; Przykłady obliczeń
- Pojęcie potencjału chemicznego, roztwory idealne i rzeczywiste;
pojęcie aktywności termodynamicznej
-Wskazanie na możliwość obliczeń wielkości termodynamicznych w
oparciu o molekularną interpretacja entropii, stałej równowagi,
potencjału termodynamicznego itd.
- Pokazanie związku między kinetyką a termodynamiką.
Druga część wykładów dotycząca podstaw kinetyki chemicznej
(również 2 godz.) obejmuje:
-Przedstawienie podstawowych pojęć dotyczących szybkość reakcji i
równań kinetycznych
-Krótkie omówienie metod badania szybkości reakcji
- Omówienie metod wyznaczania rzędu reakcji oraz stałej szybkości
reakcji i przedstawienie równań kinetycznych zerowego, pierwszego,
drugiego rzędu
- Wprowadzenie pojęć i omówienie (na przykładach) reakcji
złożonych; pokazanie sposobu analizy reakcji złożonych
-Przedstawienie zależność stałej szybkości reakcji od temperatury
(równanie Arrheniusa)i możliwości wykorzystania tej zależności
-Omówienie teorii kinetycznych, wprowadzenie zależności
termodynamicznych do kinetyki chemicznej
-Przedstawienie na przykładach w jaki sposób teorie kinetyczne
(parametry aktywacji) umożliwiają badanie mechanizmów reakcji
-Pokazanie w jaki sposób można wpływać na parametry kinetyczne
(katalizatory, efekt izotopowy, efekt solny) Kwasy nukleinowe –
budowa monomerów i oligomerów DNA i RNA, cechy helisy DNA,
kod genetyczny i reguły parowania, przepływ informacji genetycznej
(replikacja, transkrypcja, translacja).
Podstawy chemii bioorganicznej obejmować będą następujące
zagadnienia :aminokwasy, peptydy i białka –struktura
2
aminokwasów, geometria wiązania peptydowego, wiązania
disiarczkowe, struktura białek, funkcje białek (katalizatory,
przenoszenie sygnałów, strukturalne), podstawowe wiadomości o
enzymach.
Węglowodany – struktura liniowa i cykliczna cukrów prostych,
izomeria optyczna, anomery, wiązania glikozydowe, konformacja
pierścieni piranozowych i furanozowych, di- i polisacharydy na
przykładzie sacharozy, laktozy, celulozy, glikogenu, oligosacharydy
jako modyfikacje potranslacyjne białek.
Lipidy i błony biologiczne – struktura i nazewnictwo kwasów
tłuszczowych, typy lipidów (fosfolipidy, glikolipidy, cholesterol),
błony biologiczne - dwuwarstwy lipidowe, liposomy, micele.
Steroidy – struktura, funkcje, podstawowe hormony płciowe.
Podstawy chemii organicznej obejmują następujące zagadnienia:
- Związki organiczne jako elementy materii zbudowane z wielu
wiązań chemicznych
- Wiązania chemiczne,orbitale atomowe i cząsteczkowe,
hybrydyzacja orbitali
-Skale elektroujemności dla atomów
-Model planetarny budowy atomu Rutherforda-Bohra oraz typy
wiązań chemicznych oparte na modelu atomu Bohra
-Charakterystyczne wiązania chemiczne wybranych grup atomów
-Grupy funkcyjne
-Orbitale atomowe
-Równanie Schrödingera i funkcja falowa, funkcja wlasna, orbital
-Konfiguracja elektronowa atomów
i typy orbitali atomowych
-Zasady obowiązujące przy określaniu konfiguracji elektronowej
atomów (reguła Hunda i zasada wyłączności Pauliego)
-Orbital cząsteczkowy (wiązanie kowalencyjne)
-Metoda orbitali molekularnych (MO lub LCAO – MO)
-Metoda wiązań walencyjnych (VB)
-Orbitale molekularne sigma
-Orbitale molekularne pi
-Typy hybrydyzacji
-Rodzaje dysocjacji wiązania kowalencyjnego
-Cechy wiązania kowalencyjnego: długość wiązania, energia
dysocjacji wiązania, energia wiązania, polarność wiązania,
polaryzacja wiązania, polaryzowalność wiązania, moment dipolowy
wiązania, grupy , cząsteczki
-Twardość/miękkość atomów, kwasów i zasad
-Struktura i właściwości fizyczne cząsteczek
- Siły oddziaływań międzycząsteczkowych:Wiązanie jonowe,
Wiązania kowalencyjne a słabe oddziaływania międzycząsteczkowe,
-Międzycząsteczkowe wiązania słabsze niż kowalencyjne:
Oddziaływanie typu dipol-dipol, Wiązanie wodorowe, Siły van der
Waalsa, Związki addycyjne ,
-Kompleksy donor-akceptror (Kompleksy, w których akceptorem jest
metal a donorem olefina lub związek aromatyczny, Kompleksy, w
których akceptorem jest związek organiczny, Kompleksy eterów
koronowych z jonami metali. Kryptandy i kryptaty, Związki
inkluzyjne, Katenany i rotaksany
3
-Kataliza przeniesienia międzyfazowego
(„phase-transfer catalysis”, PTC)
-Typy rozpuszczalników
-Koncepcje kwasowości Lewisa i Bronsteda
-Stałe kwasowości i zasadowości, pH, pKa, pKb
-Pojęcia nukleofila i elektrofila,
-Efekty steryczne i elektronowe indukcyjne i mezomeryczne
-Tautomeria,
-Aromatyczność i antyaromatyczność
-Stosowane symbole graficzne w chemii organicznej
W ramach podstaw chemii polimerów omówione zostaną
następujące zagadnienia:
-Polimery i makrocząsteczki – podstawowe definicje
- Różnice między związkami małocząsteczkowymi a wielkocząsteczkowymi – kiedy cząsteczka staje się makrocząsteczką?
-Wybrane parametry charakteryzujące polimery - lepkość, średnie
masy molowe i funkcje rozrzutu mas molowych makrocząsteczek;
metody pomiaru.
- Jak wielkie są makrocząsteczki?
-Biomakrocząsteczki i polimery naturalne: struktury, ich rola w
organizmach żywych.
-Polimery syntetyczne: struktury i typowe zastosowania
-Polimery (bio)degradowalne.
-Synteza polimerów - podział procesów polimeryzacji.
-Nauka o polimerach – rys historyczny.
Literatura
Efekty uczenia się
P. W. Atkins „Chemia fizyczna”, PWN, 2007
P.W. Atkins i inni „Chemia fizyczna: Zbiór zadań z rozwiązaniami”,
PWN 2009
H. Buchowski, W. Ufnalski „Podstawy termodynamiki. Wykłady z
chemii fizycznej” 1994. 1998
S. K. Upaghyay „Chemical Kinetics and Reaction Dynamics”,
Anamaya Publishers, 2007
M. Bełtowska-Brzezinska „Podstawy kinetyki chemicznej” – skrypt
do wykładów UAM, 2009;
Chemia Bioorganiczna
J. Berg, J. Tymoczko, L. Stryer
PWN wyd. 5, 2005.
Zwięzły kurs chemii org., A. Zwierzak,
Chemia organiczna, J. Mc Murry,
Reactions, mechanisms and structure, J. March
Chemia Polimerów, red.: Z. Florjańczyk, S. Penczek, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
Tom I: Makrocząsteczki i metody ich otrzymywania (1995)
Tom II: Podstawowe polimery syntetyczne i ich zastosowania (1997)
Tom III: Polimery naturalne i polimery o specjalnych
właściwościach (1998)
G. Odian, Principles of Polymerization, Wiley-Interscience, 4th
edition, Hoboken 2004
Macrogalleria: http://pslc.ws/mactest/maindir.htm
oraz, dla zainteresowanych doktorantów, rozszerzony wykaz
literatury w zestawie przeźroczy stanowiących podstawę wykładu
1. Doktorant zapoznaje się (przypomina sobie i systematyzuje)
wcześniej zdobytą wiedzę) z podstawowych zależności z w zakresie
termodynamiki i kinetyki chemicznej.
4
2. Poznaje w jaki sposób badać równowagę chemiczną i jak
wykorzystać zależności termodynamiczne do interpretacji
zaobserwowanych efektów reakcji (np. rodzaj otrzymanych
produktów, wydajności, efekty cieplne)
3. Poznaje jak wykorzystać zależności kinetyczne do planowania i
interpretacji reakcji chemicznych oraz do badań mechanizmów
reakcji chemicznej.
4. Zaznajamia się z podstawowymi klasami związków występujących
w organizmie, ich strukturą chemiczną i funkcjami biologicznymi.
5. Zapoznaje się z podstawowymi pojęciami i teoriami w zakresie
chemii organicznej,
6.Rozumie zależności pomiędzy wiązaniem chemicznym, budową
cząsteczki złożoną z wielu różnych wiązań chemicznych a jej
właściwościami fizykochemicznymi
7.Zapoznaje się z różnymi rodzajami silnych i słabych oddziaływań
międzycząsteczkowych
8.Potrafi samodzielnie projektować nowe cząsteczki o zadanych
właściwościach
9.Uzyskuje podstawową wiedzę o polimerach i makrocząsteczkach
jako odrębnej klasie związków chemicznych
10.Potrafi wyjaśnić rolę polimerów w funkcjonowaniu organizmów
żywych i współczesnej cywilizacji, łącznie z historycznym rozwojem
nauki o polimerach jako nowoczesnej dyscypliny naukowej.
11.Potrafi opisać metody syntezy jak i przedstawić struktury
chemiczne najważniejszych polimerów naturalnych i syntetycznych.
12.Poznaje zasadnicze różnice między właściwościami związków
małocząsteczkowych i wielkocząsteczkowych.
Metody i kryteria oceniania
Wykład kończy się egzaminem w formie pisemnej. Oceny wystawiane
są w oparciu o kryterium punktowe, przy czym pozytywna ocena
wystawiana jest po uzyskaniu minimum 50% maksymalnej ilości
możliwych do zdobycia punktów.
Praktyki zawodowe w ramach
przedmiotu
Nie dotyczy
5
Nazwa pola
Cykl dydaktyczny, w którym
przedmiot jest realizowany
Sposób zaliczenia przedmiotu w
cyklu
Forma(y) i liczba godzin zajęć
oraz sposoby ich zaliczenia
Imię i nazwisko koordynatora/ów
przedmiotu cyklu
Imię i nazwisko osób
prowadzących grupy zajęciowe
przedmiotu
Atrybut (charakter) przedmiotu
Komentarz
Semestr I
Egzamin
20 godzin
Prof. Włodzimierz Stańczyk
Dr hab. Melania Bednarek, Prof. Piotr Bałczewski, Prof.
Barbara Nawrot, Prof. Andrzej Duda
Obligatoryjny
Efekty uczenia się, zdefiniowane 1. Doktorant zapoznaje się (przypomina sobie i systematyzuje)
dla danej formy zajęć w ramach wcześniej zdobytą wiedzę) z podstawowych zależności z w
przedmiotu
zakresie termodynamiki i kinetyki chemicznej.
2. Poznaje w jaki sposób badać równowagę chemiczną i jak
wykorzystać zależności termodynamiczne do interpretacji
zaobserwowanych efektów reakcji (np. rodzaj otrzymanych
produktów, wydajności, efekty cieplne)
3. Poznaje jak wykorzystać zależności kinetyczne do planowania
i interpretacji reakcji chemicznych oraz do badań mechanizmów
reakcji chemicznej.
4.Poznaje strukturę kwasów nukleinowych i ich monomerów,
umie zdefiniować zasady przekazywania informacji genetycznej,
poznaje reakcje syntezy enzymatycznej DNA i RNA, umie nazwać
podstawowe procesy, w które zaangażowane są kwasy
nukleinowe.
W chemii białek poznaje strukturę aminokwasów, wie, jaka jest
struktura polipeptydu i jaka jest geometria wiązania
peptydowego, zna strukturę I, II, III i IV-rzędową białek i
oddziaływań stabilizujących strukturę białek .
Umie zdefiniować pojęcie izomerii optycznej na przykładzie
cukrów prostych, zna strukturę podstawowych cukrów prostych,
dwucukrów i polisacharydów.
Poznaje strukturę fosfolipidów i dwuwarstw, które tworzą.
Zna strukturę podstawowych steroidów i umieć określić, jaką
funkcję spełniają w organizmie.
5.Doktorant zapoznaje się z podstawowymi pojęciami i teoriami
w zakresie chemii organicznej,
6.Rozumie zależności pomiędzy wiązaniem chemicznym, budową
cząsteczki złożoną z wielu różnych wiązań chemicznych a jej
właściwościami fizykochemicznymi
7.Zapoznaje się z różnymi rodzajami silnych i słabych
oddziaływań międzycząsteczkowych
8.Potrafi samodzielnie projektować nowe cząsteczki o zadanych
właściwościach
Metody i kryteria oceniania danej Wykład kończy się egzaminem. Studenci (doktoranci) otrzymują
formy
zajęć
w
ramach pełny zakres pytań dotyczących wymaganej wiedzy.
przedmiotu
Metody dydaktyczne
Wykład interaktywny
Literatura
Jak wyżej
6
7