1.2. Цели и задачи курса.

Дисциплина "Молекулярный дизайн катализаторов" предназначена для студентов 5 курса и магистрантов НГУ, предварительно прослушавших курсы по строению вещества, квантовой механике и катализу.
Основной целью освоения дисциплины является обучение подходам создания молекулярных моделей химических объектов с использованием структурных баз данных и программ молекулярного моделирования. Для достижения поставленной цели выделяются следующие задачи курса:

• Ознакомление с основами создания молекулярных моделей химических систем для наиболее важных типов каталитических процессов.
• Ознакомление с принципами построения программ молекулярного моделирования на примерах доступных программных комплексов.
• Приобретение навыков работы со структурными базами данных.
• Создание молекулярных моделей в рамках индивидуальных тем дипломных работ, выполняемых студентами, и проведение расчетов свойств химических систем с использованием этих моделей.

1.3. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:

иметь представление об основных подходах создания молекулярных моделей в области катализа и выявлении наиболее важных экспериментальных аспектов для построения таких моделей

знать основные источники структурной информации, необходимые для построения молекулярных моделей, и принципы организации программ молекулярного моделирования

уметь на основании экспериментальных данных, структурных баз данных и программ молекулярного моделирования построить модель адсорбционного и/или активного центра катализатора или модели реагирующих веществ

уметь проводить расчеты энергетических или спектральных характеристик построенных моделей или формулировать необходимые требования к расчету их свойств (если это невозможно сделать на имеющихся компьютерах и с имеющимся программным обеспечением).

1.4. Формы контроля

Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрено выполнение индивидуальной для каждого из студентов курсовой работы по созданию молекулярных моделей исследуемых объектов (в рамках выполняемой дипломной работы) и проведения расчетов для этих моделей с использованием подходящих для этого методов (молекулярной механики, квантовой механики (полуэмпирические методы - MNDO, AM1, PM3 и/или метод Хартри-Фока ab initio), молекулярной динамики. По результатам защиты курсовой работы и собеседования по материалам прочитанных лекций выставляется оценка в рамках дифференцированного зачета.

Текущий контроль. Все занятия проводятся в компьютерном классе Института катализа СО РАН, в ходе которых студенты овладевают практическими навыками работы со структурной информацией и базами данных, обучаются основам построения молекулярных моделей химических объектов на основании экспериментальных данных, а также расчетам в рамках имеющегося программного обеспечения.

Выполнение указанных видов работ является обязательным для всех студентов, а результаты текущего контроля служат основанием для выставления оценок в ведомость контрольной недели на факультете.

2.1. Новизна курса (научная, содержательная; сравнительный анализ с подобными курсами в России и за рубежом), его актуальность - для дисциплин специальной подготовки.
Курс построен с учетом современных требований к уровню знаний научных сотрудников. Базируется на ранее изучаемых курсах физической химии и строения вещества. Вместе с тем в НГУ эти курсы являются существенно более краткими по сравнению с аналогичными курсами ведущих вузов России. Сравнительный анализ может быть проведен по материалам соответствующих интернет-страниц лаборатории строения и квантовой механики молекул МГУ и Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева .

Материалы по ознакомительному курсу лекций по молекулярному моделированию в органической химии приведены на сервере химического факультета Королевского колледжа (Великобритания)

2.2. Тематический план курса (распределение часов).

2.3. Содержание отдельных разделов и тем.

Лекция 1.

• Общие принципы дизайна (разработки) катализаторов.
• Примеры разработки катализаторов (метанирования, селективного гидрирования, риформинга, селективного и полного окисления и т.п. – классические подходы).
• Молекулярное распознавание (Считывание информации, Молекулярные рецепторы, Матричный синтез, Супрамолекулярный катализ, Комплементарность активного центра и субстрата).
• Эффекты сближение химических объектов, групп.

Лекции 2-3.

• Молекулярное моделирование живой природы.
• Молекулярный дизайн катализаторов живой природой:
  • Активные центры ферментов.
  • Коплементарность строения ферментов и переходного активного центра.
  • Полифункциональность активных центров, эффекты микросреды.
• Строение и механизмы действие наиболее важных ферментов.
• Биомиметика. Молекулярные пинцеты, ловушки и прочее.
• Химические модели гемоглобина, миоглобина, нитрогеназы, фотосистемы растений.

Лекции 4-5.

• Методы приготовления катализаторов на основе иммобилизованных ферментов, клеток – использование материалов природы для конструирования каталитических систем.
• Транспорт в химических системах (Рецепторы, Мембраны).

• Транспорт посредством носителей (carrier – mediated transport) - аналог физического катализа.

  • Образование комплекса носитель-субстрат на межфазной границе.
  • Диффузия комплекса через мембрану.
  • Высвобождение субстрата.
  • Обратная диффузия свободного носителя.
  • Симпорт, антипорт.
• Транспорт в трансмембранных каналах.
• Сопряженные процессы переноса.
  • Электрон-сопряженный симпорт.
  • Протон-сопряженный перенос в рН-градиенте.
  • Фотон сопряженные процессы.
  • Электронпроводящие устройства.
• Явления спилловера.
• Водород.
• Кислород.
• Туннелирование электронов

Лекция 6 .

• Методы организации проведения каталитических процессов.
• Принципы построения каталитических систем с использованием мембранных материалов.
  
  • Топливные элементы.
  • Фотохимические процессы.
  • Жидкости чувствительные к воздействию полей.
• Формирование нанообъектов.
• Высокотемпературные методы формирования веществ с заданными свойствами.
  
  • Ультразвуковое разложение веществ.
  • Плазменное и высокотемпературное распыление материалов.
• Темплатный синтез химических объектов с заданными свойствами

Лекция 7.

Нанесенные металлорганические катализаторы
Разработка катализаторов с заданными молекулярно-ситовыми свойствами. Цеолиты и цеолито-подобные вещества. Слоистые материалы с регулируемым межслоевым пространством.

Лекции 8-10 и практические занятия

Математические методы моделирования и исследования строения и свойств химических объектов на примере программ молекулярного моделирования (HyperChem, ChemOffice).
Практические занятия по моделированию химических объектов (каталитических центров):

1. Типовые задачи курса, решение которых возможно с использованием программ HYPERCHEM.
2. Ознакомление с возможностями поиска структурной информации в доступных в ИК СО РАН структурных базах (База Данных Кристаллических структур неорганических веществ - Inorganic Crystal Structure Database, Кембриджская Структурная База данных – Cambridge Structural Database).
3. Программы-конвекторы для преобразования форматов ввода структурной информации в программы HYPERCHEM. BABEL

2.4. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы (в объеме часов, предусмотренных образовательным стандартом и рабочим учебным планом данной дисциплины):

Построение 3D моделей химических молекул, кристаллов; белков, молекул ДНК, полимеров, полисахаридов. Cоздание иллюстраций для научных статей.
Основные стадии важнейших каталитических реакций (в рамках программы).
Принципы построения программ молекулярного моделирования.
Основы метода молекулярной механики.
Основные виды расчетов с использованием методов квантовой механики и так далее в рамках программы…

3.2. Примеры тем выполненных курсовых работ:

1. Построение атомной модели цеолита ZSM-5 и возможных мест локализации a -центров.
2. Построение атомных моделей цеолита феррьерита. Молекулярная динамика диффузии молекул бутена-1 и бутена-2 в порах феррьерита.
3. Построение атомных моделей поверхности катализаторов на основе Ni_0.5Zr₂(PO₄)₃.
4. Оценка устойчивости пропильных радикалов и продуктов их взаимодействия с кислородом с использованием метода MNDO.
5. Ориентация молекулы азота в комплексах с бренстедовскими кислотными центрами цеолитов типа ZSM-5 с использованием полуэмпирического метода PM3.
6. Определение устойчивости цис- и транс-вербенилгидроперекисей с использованием полуэмпирических методов MNDO, AM1 и РМ3.
7. Моделирование структуры терпиноидных комплексов ванадия для реакции сульоксидирования.
8. Моделирование процесса адсорбции молекулы водорода на кластере меди (111) методом ZINDO1.
9. Квантовохимические расчеты процесса адсорбции кислорода на Pd(100) методом DFT.
10. Проверка воможности использования 13C-ЯМР спектроскопии в совокупности с высокоэффективной жидкостной хроматографией для анализа сложной смеси углеводов на основании теоретических расчетов их ЯМР спектров с использованием метода TNDO/2.
11. Квантовохимическое моделирование взаимодействия атома переходного металла (Ni) с поверхностью карбида кремния с использованием пакета программ HyperChem7.0.
12. Изучение влияния закрепленных на поверхности атомов никеля на колебательный спектр SiO₂.

3.3. Образцы вопросов для подготовки к экзамену (дифференцированному зачету, зачету).

См.2.4 и программу лекций.

3.4. Список основной и дополнительной литературы.

Литература, рекомендуемая для прочтения в рамках курcа "Молекулярный дизайн катализаторов":

1. HyperChem, Computational Chemistry, Hypercube, Inc. 1996 библиотека ИК
2. Л.Н.Кулешова, М.Ю.Антипин, Кембриджская Структурная База данных как инструмент для исследований структурных свойств органических молекулярных кристаллов. - Успехи химии, 68(1) 1999.
3. D.L.Trimm, Design of Industrial Catalysts. - Chemical Engineering Monographs 11, Elsievier Sci.Publ. Comp., 1980. библиотека ИК
4. Г.Дюга, К.Пенни, Биоорганическая химия (Химические подходы к механизму действия ферментов). - М., "Мир", 1983. ГПНТБ
5. Ж.-М. Лен, Супрамолекулярная химия (Концепции и перспективы). - Новосибирск, "Наука", 1998. библиотека ИК
6. J.Rebek, Jr., Molecular Recognition with Model Systems. - in Angew.Chem.Int.Ed.Engl. 29 (1990) 245-255.
7. R.Hoss and F.Vogtle, Template Syntheses. - Angew.Chem.Int.Ed.Engl. 33(1994) 375-384.
8. Surface Organometallic Chemistry: Molecular Approaches to Surface Catalysis. ed. J.-M.Basset et al. - NATO ASI Series, Series C: Mathematical and Physical Sciences, v.231, Kluwer Academic Publishers, 1988. библиотека ИК
9. У.Буркерт, Н.Эллинджер, Молекулярная механика. - М., "Мир", 1986.
10. A.E.Shilov, Metal Complexes in Biomimetic Chemical Reactions: N₂ Fixation in Solutions, Activation and oxidation of alkanes, Chemical models of Photosynthesis. - NY, CRS Press, 1997. библиотека ИК
11. K.I.Zamaraev, V.L.Kuznetsov, Catalysts and Adsorbents, in Chemistry of Advanced Materials. ed. C.N.R.Rao. - IUPAC, Chemistry for the 21^st Century, Blackwell Sci.Publications, 1993, 321-350. библиотека ИК
12. Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Compounds, A comprehensive Handbook in Two Volumes (eds. B.Cornils, W.A.Herrman), VCH, 1996. библиотека ИК
13. Handbook of Heterogeneous Catalysis, (eds. G.Ertl, H.Knozinger, J.Weitkamp), Wiley-VCH, vol.1-5 (1997). – библиотека ИК
14. A Molecular View of Heterogeneous Catalysis. (ed. E.G.Derouane), 1 La Bibliotheque Scientifique Franequi est publiee avee le concours de la fondation Franequi, De Boeck & Larcier s.a. , Departement DE Boeck Universite, Parix, Brusselles, 1998. - библиотека ИК
15. W.C.Conner, Jr., and J.L.Falconer, Spillover in Heterogeneous Catalysis, Chem.Rev. (1995) 95, 759-788. - ГПНТБ.
16. A.L.Linsebigler, G.Lu, and J.Yates, Jr. Photocatalysis on TiO₂ Surfaces: Principles, Mechanisms, and Selected Results, Chem.Rev. (1995) 95, 735-758. - ГПНТБ.
17. W.C.Conner, Jr., and J.L.Falconer, Spillover in Heterogeneous Catalysis, Chem.Rev. (1995) 95, 759-788. - ГПНТБ.
18. Thermal-Spray Processing of Materials – MRS Bulletin, 25, No.7 (2000).
19. Applications of Ultrasound to Material Chemistry – MRS Bulletin, 20, No.4 (1995).
20. Solid Electrolites – MRS Bulletin, 25, No.3 (2000).
21. The Materials Science of Field-Responsible Fluids – MRS Bulletin, 23, No.8 (1998).
22. Novel Methods of Nanoscale Wire Formation - MRS Bulletin, 24, No.8 (1999).
23. Emerging Methods for Micro- and Nanofabrication - MRS Bulletin, 26, No.7 (2001).