CCC:Курс по моделированию химических процессов Медведева М.Г.

На данной странице находится вики-версия курса по моделированию химических процессов, разработанного Медведевым М.Г. в 2017-2022 годах. Данный курс преподавался Медведевым М.Г. в ВХК РАН (2017-н.в.), Химическом факультете МГУ (2018-2019), факультете Химии ВШЭ (2020-н.в.) и факультете ИнфоХимии ИТМО (2021-н.в.).

Введение

Ключевой идеей курса является рассмотрение любого молекулярного моделирования (как квантовохимического, так и молекулярно-механического) как попытки описания ИСТИНЫ (той, которая непостижима, а не этой) через использование различных приближений. То есть, если на классических курсах квантовой химии разговор идёт о том, "что мы доучли, перейдя от метода Хартри-Фока к методу MP2", в данном курсе вопрос ставится так: "чем мы пренебрегли, перейдя от ИСТИНЫ (численного решения уравнения Шрёдингера) к методу MP2".

Чтобы получить адекватный ответ (от латинского ad aequatus, "почти равный [ИСТИНЕ]"), нам нужно сделать такие приближения (пренебрежения), которые [почти] не повлияют на результат; то есть, получаемый в результате моделирования результат должен [почти] не отличаться от того, который мы бы получили, если бы сделали расчёт вообще без приближений: используя численное решение времязависимого уравнения Шрёдингера для всех частиц во вселенной, проследили бы её эволюцию в ходе всего времени протекания реакции/процесса.

В рамках курса рассматриваются ряд ключевых вопросов:

1. Необходимые пререквизиты для использования компьютера в химии;
2. Что можно сделать с помощью молекулярного моделирования;
3. Как использовать квантовохимические расчёты для:
   1. Установления механизма химической реакции,
   2. Установления движущей силы химической реакции (какие электронные эффекты делают реакцию возможной/невозможной термодинамически и кинетически),
   3. Оптимизации условий/реагентов/катализатора химической реакции с проведением минимального количества экспериментов,
   4. Предсказание спектральных свойств химического соединения;
4. Какие приближения используются в молекулярном моделировании, когда ими ни в коем случае нельзя пользоваться, и что делать в таких случаях.

Домашнее задание

Частью курса являются три практических задания:

1. Расчёт скоростей и констант равновесия простых реакций.
2. Установление механизма сложной реакции.
3. Установление условий, при которых NO₂ теряет свой цвет.

Видео-лекции

Ссылки на видеозаписи лекций Медведева М.Г., прочитанные в ИТМО в сентябре 2021 года:

Лекции 0-2: https://www.youtube.com/watch?v=c63_tuRNh-0

Лекция 3: https://www.youtube.com/watch?v=Czj0sUQFV0c

Лекции 4-5: https://www.youtube.com/watch?v=Hce7GMnmOnM

Лекция 6: https://www.youtube.com/watch?v=kgtVniKANwc

Лекция 7: https://www.youtube.com/watch?v=Oi95vxSNfsQ

Лекция 8: https://www.youtube.com/watch?v=NHtMcKjTlqY

Особенности проведения курса в различных ВУЗах

Как указано выше, данный курс преподаётся в различных ВУЗах и, соответственно, в каждом из них проводятся экзамены по нему. В данном разделе приведена общая информация по подготовке и сдаче экзаменов и/или контрольных задач.

1 курс ВШЭ (в рамках курса "Информационные технологии в химии")

Оценка по данной части курса состоит из двух частей: баллы за 3 практических задания (30%) и баллы за экзамен (70%).

Практические задачи начинают выполняться на семинарах, завершаются и оформляются как в них указано во внеклассное время; сдаются и идут в ведомость как домашние задания.

Задание на экзамен: придумайте применение квантовой химии в вашей научной работе (или курсовой), которое позволит вам получить какое-то качественно новое понимание происходящего на молекулярном уровне. Формат представления:

1. Над улучшением какой макроскопической характеристики вы работаете (выход реакции, прочность полимера, цвет соединения, etc.), каково её целевое значение?
2. С какими микроскопическими характеристиками (на молекулярном уровне) связана (то есть, является следствием или коррелирует) данная макроскопическая характеристика?
3. Как посчитать данные микроскопические характеристики с помощью методов молекулярного моделирования? Как можно подробнее изложите последовательность действий.

1 курс ИТМО (модуль "Молекулярное моделирование")

В рамках данного модуля студенты ИТМО получают возможность (которой они могут не пользоваться) самостоятельно исследовать механизм одной из реакций, опубликованных в последние несколько лет в одном из ведущих научных журналов. Реакцию они находят самостоятельно, либо получают от инструкторов курса. Если в результате исследования реакции удаётся получить какое-то новое понимание её механизма на молекулярном или электронном уровне, студент получает возможность участвовать в подготовке научной статьи. Порядок работы:

1. Поиск в литературе (или в подобранной инструктором выборке) интересной студенту реакции.
2. Изучение литературы по данной реакции, выяснение известных экспериментальных и теоретических данных о молекулярном механизме реакции.
3. Постановка вопроса о реакции: другой механизм? необычный электронный эффект? сложносочинённое переплетение реакционных путей?
4. Подготовка и защита блок-плана проекта.
5. Проведение расчётов и анализ полученных результатов.
6. Оценка новизны и значимости полученных результатов.
7. В случае достаточной новизны - подготовка публикации.

3-4 курс ВХК РАН (спецкурс "Молекулярное моделирование в органической химии")

Оценка по данному спецкурсу состоит из трёх частей: выполнение домашних работ (20%), защита творческой задачи (40%) и устный ответ без подготовки на 3 вопроса из Списка вопросов к экзамену (40%). Защита творческой задачи и ответы на теоретические вопросы происходят на экзамене.

Задание по творческой задаче: она должна быть связана с вашей работой или с другим интересующим вас аспектом химии, а также она должна быть решаема с помощью квантовохимических расчётов (с помощью известных вам физических моделей). По итогам первой части спецкурса учащиеся представляют свой проект (по аналогии с экзаменационной задачей для 1 курса ВШЭ, см. выше) и блок-план его реализации. После чего в течение второй части спецкурса они реализуют данный проект и защищают его на экзамене. Главный критерий - получено новое качественное понимание изучаемого процесса на молекулярном уровне.