Научный семинар "Актуальные задачи органической химии"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Декан ______________Цупак Е.Б.
"_____"__________________201__ г.
Рабочая программа дисциплины (модуля)
Научный семинар «Актуальные задачи органической химии»
Модуль «Органические материалы»
Направление подготовки (специальность)
020100 Химия
Магистерская программа «Современный органический и
неорганический синтез»
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Ростов-на-Дону, 2011
2
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины "Органические материалы " являются:
-
Дать четкое определение супрамолекулярной химии. Рассказать
об основных проблемах и современных тенденциях ее развития.
-
Рассказать о применении современных органических материалов,
как необходимого условия прогресса в науке и технике.
-
Обратить внимание на особенности электронного строения
материалов,
как
ключевой
компоненты,
предопределяющей
их
специфические свойства.
-
Дать общие сведения о дизайне, моделировании и производстве
молекулярных машин и молекулярных устройств.
-
Рассказать
о
прикладных
аспектах
различных
типов
молекулярных устройств.
2.Место дисциплины в структуре ООП специалитета
Предлагаемый спецкурс является дополнением к общему курсу
«Органическая химия». Состоит из восьми глав, отражающих главные
проблемы и современные тенденции развития супрамолекулярной химии и
химии органических материалов. В каждой главе обсуждены теоретические
основы (терминология, классификация, особенности строения), способы
получения, сфера применения и перспективы развития соответствующих
органических
материалов.
Наряду
с
лекциями
студенты
проходят
лабораторный практикум, в котором выполняют практические работы и
принимают участие в семинарских занятиях по избранным главам курса. Для
самосоятельной работы студентам предлагается написание рефератов по
отдельным темам.
Спецурс предполагает знание студентами в полном объеме курсов
«Органическая химия», «Теория строения молекул», «Квантовая химия»,
«Высокомолекулярные соединения», «Физическая химия», «Электрохимия»
и основных положений спецкурса «Теоретические основы органической
химии». В частности, они должны иметь хорошие представления о классах
3
органических соединений, типах химических и невалентных связей в
органических
соединениях,
свойствах
этих
связей,
специфическую
терминологию каждого из вышеперечисленных курсов.
3.
Компетенции
обучающегося,
формируемые
в
результате
освоения модуля.
В ходе изучения курса у студента частично формируются следующие
компетенции:
понимание
философских
концепций
естествознания,
роли
естественных наук (химии в том числе) в выработке научного мировоззрения
(ОК-4);
наличие
представления
о
наиболее
актуальных
направлениях
исследований в современной теоретической и экспериментальной химии
(синтез
и
применение
веществ
в
наноструктурных
технологиях,
исследования в экстремальных условиях, химия жизненных процессов,
химия и экология и другие) (ПК-1);
знание основных этапов и закономерностей развития химической
науки, пониманием объективной необходимости возникновения новых
направлений,
наличием
представления
о
системе
фундаментальных
химических понятий и методологических аспектов химии, форм и методов
научного познания, их роли в общеобразовательной профессиональной
подготовке химиков (ПК-2);
способность определять и анализировать проблемы, планировать
стратегию их решения (ПК-10);
В результате освоения модуля обучающийся должен:
Знать актуальные вопросы современной супрамолекулярной химии и
химии органических материалов;
Знать области применения различных органических материалов;
Иметь представление о синтезе и свойствах органических материалов,
используемых в технике и промышленности.
4
Уметь ориентироваться в научной литературе, несущей в себе
информацию о современных тенденциях развития химии органических
материалов и молекулярных машин;
Владеть навыками использования теоретического материала для
предсказания свойств различных систем, исходя из их строения.
4. Структура и содержание модуля
Общая трудоемкость дисциплины составляет 7 зачетных единиц, из
них – 133 аудиторных часа. Доля модуля составляет 36 часов.
1
2
1
Введение
Предмет супрамолекулярной
химии.
История
развития.
Тенденции
развития
электронных
органических
материалов.
Основные
положения
электронного
строения
материалов,
как
ключевой
компоненты,
предопределяющей их свойства.
Бесконечные
π-системы
–
введение в структуру связей.
Супрамолекулярная химия, и ее
роль в развитии цивилизации.
1
Органические проводники
Основные
термины:
напряжение,
проводники,
проводимость. Низкоразмерные
органические
проводники.
Специфика явлений переноса в
низкоразмерных
системах.
2
6
Самостояте
льная
работа
Практиче
ские
занятия
Виды учебной
работы, включая
самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в
часах)
Лекции
Неделя семестра
Семестр
№
п/п
Раздел
Дисциплины
Формы
текущего
контроля
успеваемост
и (по
неделям
семестра)
Форма
промежуточ
ной
аттестации
(по
семестрам)
5
3
4
Детали
атомной
структуры
кристаллов,
как
факторы,
определяющие
свойства
низкоразмерных
органических
молекулярных
проводников.
Способы получения, свойства и
применение основных классов
проводящих
полимеров:
полиацетилены,
полиарены,
полиаренвинилены,
полианилины.
Сверхпроводимость.
Органические
металлы
(синтетические
металлы).
Высокотемпературная
сверхпроводимость фуллеренов,
легированных
щелочными
металлами.
Перспективы
широкого
практического
применения
представителей
отряда С n в различных отраслях
техники и электронике.
1
Органические магнетики
Основы теории магнетизма:
магнитный
момент,
ферромагнетизм, парамагнетизм,
антиферромагнетизм,
ферримагнетизм,
критическая
температура,
точка
Кюри.
Молекурярные
органические
магнетики.
Роль
кристаллической структуры в
формировании
магнитных
свойств
молекулярных
кристаллов.
Полимерные
органические
магнитные
материалы, как высокоспиновые
органические
молекулы. Перспективы
практического применения.
Средства для записи и 1
хранения информации
Роль
молекулярной
информации в биологических
системах.
Матричный,
комплементарный
принцип
информационных
взаимодействий.
Информационные поля и сферы
живой формы материи. “От
генетической информации, через
молекулярную
структуру
и
4
4
6
5
6
7
информационные
взаимодействия,
к
биологическим
функциям
и
управлению”.
Наночипы.
Отдельная молекула, как ячейка
памяти.
Нанотрубки,
как
наиболее
обсуждаемая
и
перспективная
отрасль
наноинженерии.
Средства для нелинейной 1
оптики
Результаты теоретических и
экспериментальных
исследований
нелинейных
оптических
свойств
органических
материалов.
Зависимость
нелинейных
восприимчивостей
от
гиперполяризуемости
и
ориентации молекул. Принципы
молекулярной
инженерии
материалов
с высокой
нелинейной восприимчивостью.
Актуальность
и
междисциплинарная значимость
физики нелинейных оптических
процессов.
Перспективы
в
области изучения молекулярной
хиральности.
1
Ионные жидкости
Понятие
об
ионных
жидкостях. Ионные жидкисти на
основе
солей
имидазолия,
пиридиния, тетраалкилфофония.
Использование в органическом
синтезе
в
качестве
растворителей,
реагентов,
катализаторов. Использование в
технике.
Хиральные
и
парамагнитные
ионные
жидкости.
Средства для консервации 1
энергии
Химическая
энергия.
Теоретические
основы
консервации и высвобождения
энергии. Источники химической
энергии: АТФ, углеводы и др.
Ферменты.
Перспективы
использования нанотрубок в
элементах
питания
для
мобильных устройств.
6
4
4
7
Молекулярные устройства
8
1
6
Молекулярные
и
супрамолекулярные устройства.
Дизайн,
моделирование
и
производство
молекулярных
машин
и
молекулярных
устройств.
Создание
молекулярного ассемблера, как
основное
стратегическое
направлением
современных
работ в области молекулярной
нанотехнологии.
Машины
исцеления – машины ремонта
клеток.
Молетроника.
Молекулярные
компьютеры.
Хемосенсоры.
Молекулярные
переключатели.
5. Образовательные технологии
В рамках курса предусмотрено проведение семинарских занятий с
элементами
дискуссий.
При
проведении
курса
используются
презентационная форма подачи учебного материала, а также такие активные
формы проведения занятий как разбор конкретных проблемных ситуаций,
самостоятельная внеаудиторная работа. В целом в учебном процессе они
составляют не менее 20 процентов аудиторных занятий.
6.
Учебно-методическое
обеспечение
самостоятельной
работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
В плане самостоятельной работы студентам предлагается написание
рефератов и(или) подготовка презентаций с последующим обсуждением на
семинарских занятиях.
Ориентировочный перечень тем рефератов (презентаций):
1.
2. Полиацетилены: получение, свойства и проводимость.
2.
Полиарены: получение, свойства и проводимость.
3.
Полиаренвинилены: получение, свойства и проводимость.
4.
Полианилины: получение, свойства и проводимость.
5.
Фуллерены: проводники и магнетики.
8
6.
Эндофуллерены и эндонанотрубки.
7.
Молекулярные магнитные кластеры.
8.
Нанотрубки: получение и сфера применения.
9.
Графен.
10. Молекулярные моторы.
11. Молекулярные пропеллеры.
12. Молекулярные мускулы.
13. Молекулярная электроника.
14. Самовосстанавливающиеся материалы.
15. Топливные элементы (прямой метанольный, твердооксидные)
16. Бионика.
17. Оптические хемосенсоры.
18. Катенаны, ротаксаны, борромеева кольца.
19. Самосборка и самоорганизация органических молекул.
Ориентировочный перечень вопросов к зачету в устной форме
1.
История развития супрамолекулярной химии.
2.
Низкоразмерные органические проводники
3.
Способы
получения, свойства и применение основных
классов
проводящих полимеров.
4.
Органические металлы.
5.
Основы теории магнетизма.
6.
Парамагнетизм стабильных свободных радикалов.
7.
Магнитные полимеры.
8.
Металлорганические ферромагнетики.
9.
Роль молекулярной информации в биологических системах.
10. Принцип комплиментарности информационных взаимодействий.
11. Нанотрубки. Наночипы.
12. Нелинейные оптические свойства органических материалов.
13. Принципы молекулярной инженерии материалов с высокой нелинейной
9
восприимчивостью.
14. Органические светоизлучающие диоды.
15. Основные типы ионных жидкостей.
16. Применение ионных жидкостей.
17. Химическая энергия.
18. Органические солнечные батареи.
19. Искусственный фотосинтез.
20. Биотопливо.
21. Молекулярные устройства – переключатели, моторы, пропеллеры и др.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
(модуля)
а) основная литература:
1. Дж. В. Стид, Дж. Л. Этвуд. Супрамолекулярная химия. В 2-х томах, М.,
Академкнига, 2007.
2. E. V. Anslyn, D. A. Dougherty. Modern Physical Organic Chemistry.
University Scince Books; Sausalito, 2004.
3. Ж.-М. Лен. Супрамолекулярная химия. Новосибирск, Наука, 1998.
4. Ю.В. Ракитин, В.Т. Калашников. Современная магнетохимия. СПб,
Наука, 1994.
5. S.A. Wolf, D.D. Awshalom, R.A. Buhrman, J.M. Daughton, S. von Molnar,
M.L. Roukes, A.Y. Chtchelkanova, D.M. Treger. Spinotronics: A spin-Based
Electronics Vision for the Future. Science, 2001, 294, 1488.
6. А. Ленинджер. Основы биохимии. В 3-х томах, М, Мир, 1985.
7. Р. Силби, Д. Шемла, Ж. Зисса. Нелинейные оптические свойства
органических молекул и кристаллов. В 2-х томах. М, Мир,1989.
8. В. А. Брень. Флуоресцентные и фотохромные хемосенсоры. Успехи
химии, 2001, 70, №12, 152-174.
б) дополнительная литература:
1. С. Л. Давыдова. Удивительные макроциклы. Л, Химия, 1989.
10
2. Д. Марч. Органическая химия. Реакции, механизмы и структура. В 4-х
томах. М, Мир, 1987.
3. Р. Карлин. Магнетохимия. М., Мир, 1989.
4. 6. И.Ю. Галаев. Умные полимеры в биотехнологии и медицине. Успехи
химии, 1995, 64, № 5, 505-521.
в) Интернет-ресурсы:
1. Биотехнология. http://www.biotechnolog.ru
2. Биохимия. http://humbio.ru/humbio/default.htm;
http://www.biotechnologyonline.gov.au/index.html
3. Молекулярная электроника. http://edu.ioffe.ru/edu/molecular_el.html;
http://www.molecularcircuit.com
4. Наноматериалы
и
нанотехнологии.
http://www.nanoware.ru;
http://www.nanometer.ru;
5. http://www.portalnano.ru; http://www.nanotech-now.com
6. Магнетизм. http://www.omagnetizme.ru
7. Сверхпроводимость. http://www.superconductors.org/index.htm#top
8. Биомиметика (видео). http://rutube.ru/tracks/2718345.html
Кроме того для самостоятельной работы студентов требуется доступ к
электронным версиям научных периодических журналов и электронным
базам данных (например, Scopus).
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
Для преподавания дисциплины необходимы:
лекционные и семинарские аудитории, снабженные презентационным
оборудованием,
кафедральные лаборатории с необходимым набором реактивов, посуды
и оборудования,
факультетская библиотека,
компьютерный класс с доступом в Интернет.
11
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с
учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки
Химия.
Автор:
доцент кафедры органической химии О.В. Дябло
Рецензент:
профессор кафедры физической и коллоидной химии,
д.х.н. В.В. Луков
Программа одобрена на заседании УМК химического факультета ЮФУ
от ___________ года, протокол № ________.