Chemia obliczeniowa w laboratorium organicznym

Autorzy są absolwentami i pracownikami Wydziału Chemii UMK. Specjalizują się w różnych dziedzinach chemii: obliczeniowej (AKK), organicznej (MZB) i kwantowej (DK). Pracując w zespołach interdyscyplinarnych, nabrali przekonania o konieczności popularyzacji metod chemii obliczeniowej wśród eksperymentatorów przy jednoczesnym zwróceniu uwagi na ograniczenia stosowanych przybliżeń. Prowadzili autorski przedmiot „Organiczna Chemia Obliczeniowa dla studentów studiów licencjackich”. Zaproponowany przez nich kurs metod chemii obliczeniowej, organizowany pod nazwą Toruńska Szkoła Chemii Obliczeniowej, spotkał się z dużym zainteresowaniem doktorantów i pracowników reprezentujących różne uczelnie. Od roku 2011 kurs prowadzony jest w ramach projektu pn. „Wzmocnienie potencjału dydaktycznego UMK w Toruniu w dziedzinach matematyczno-przyrodniczych”, realizowanego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki. Autorzy tworzą nieformalną grupę badawczą, w której duży nacisk stawiany jest na wspieranie rozwoju młodych adeptów chemii. „[…] jest to jedna z bardzo nielicznych pozycji literaturowych, napisanych w języku polskim, traktujących o współczesnej chemii obliczeniowej będącej w obecnych czasach autonomiczną dyscypliną naukową w ramach szeroko rozumianej chemii teoretycznej. W chwili obecnej możemy obserwować dynamiczny rozwój chemii obliczeniowej. Świadczy o tym gwałtowny wzrost liczby publikacji naukowych w tej dziedzinie, ale również coraz częściej wyniki obliczeń kwantowo-chemicznych są integralną częścią prac stricte eksperymentalnych. Przyczyną tego faktu jest nie tylko szerokie rozpowszechnienie technologii informatycznych, ale również łatwy dostęp do szeregu wydajnych i bardzo dobrze opracowanych programów i pakietów obliczeniowych integrujących szereg metod współczesnej chemii kwantowej […]. Prezentowany podręcznik z założenia jest skierowany do czytelników, którzy nie będąc specjalistami, chcieliby w sposób rzetelny i efektywny rozwiązywać problemy badawcze z zakresu chemii organicznej przy wykorzystaniu narzędzi teoretycznych będących elementami składowymi najbardziej popularnego pakietu obliczeniowego Gaussian. Największa i zarazem najciekawsza część podręcznika skonstruowana jest w postaci przewodnika, który prowadzi czytelnika po ścieżce różnych problemów badawczych chemii organicznej, które mogą być analizowane na drodze obliczeniowej. Towarzyszy temu niezwykle przejrzysty i zarazem wnikliwy opis możliwych rozwiązań tych zagadnień”. Z recenzji prof. dr. hab. Wojciecha Bartkowiaka

Wprowadzenie / 9 Przedmowa / 11 1. Elementy chemii kwantowej / 17 1.1. Energia układu / 19 1.2. Powierzchnia energii potencjalnej / 24 1.3. Warsztat z narzędziami / 27 1.3.1. Metoda wariacyjna / 28 1.3.2. Szeregi funkcyjne / 29 1.3.3. Rachunek zaburzeń / 31 1.4. Przybliżenie jednoelektronowe / 32 1.5. Bazy funkcyjne/ 38 1.6. Metody chemii kwantowej / 43 1.6.1. Sposoby uwzględniania korelacji elektronowej / 45 1.6.2. Teoria funkcjonałów gęstości/ 47 2. Opis układów π-elektronowych / 51 2.1. Przybliżenie π-elektronowe / 51 2.2. Metoda H¨uckla / 52 2.2.1. Cząsteczka etylenu / 54 2.2.2. Annuleny / 61 2.2.3. Widmo absorpcyjne / 62 2.2.4. Rozkład ładunku π-elektronowego Rząd wiązania π / 65 3. Struktura pojedynczej cząsteczki / 71 3.1. Wstęp / 71 3.2. Wspołrzędne kartezjańskie i wewnętrzne / 74 3.3. Gaussian09 - struktura inputu / 81 3.4. Gaussian09 - energia układu / 83 3.5. Gaussian09 - optymalizacja geometrii / 115 3.5.1. Aldehyd octowy/ 116 3.5.2. (1S)-(–)-α-Pinen/ 131 3.6. Gaussian09 - analiza drgań harmonicznych / 140 3.6.1. Aldehyd octowy / 142 3.7. Gaussian09 - stan przejściowy / 157 3.7.1. Amoniak / 158 3.7.2. Aldehyd 3-aminoakrylowy / 164 3.8. Gaussian09 - analiza powierzchni energii potencjalnej / 167 3.8.1. Glicyna / 167 3.9. Gaussian09 - skan powierzchni energii potencjalnej / 173 3.9.1. Oddziaływanie benzenu z kationem sodu / 173 3.9.2. 1,2-Dichloroetan / 177 3.10. Gaussian09 - ścieżki reakcji / 184 4. Właściwości spektroskopowe cząsteczek / 193 4.1. Gaussian09 - widmo UV / 193 4.1.1. Etylen / 195 4.1.2. Izopren / 202 4.1.3. Metyloheksahydronaftalenon / 208 4.2. Gaussian09 - widmo NMR / 211 4.2.1. 2-Buten - przesunięcie chemiczne w 1H NMR / 214 4.3. Gaussian09 - skręcalność właściwa / 223 4.3.1. Kwas (S)-(−)-parakonowy / 228 5 Cząsteczka w otoczeniu chemicznym / 237 5.1. Słabe oddziaływania międzymolekularne / 237 5.1.1. Gaussian09 - energia oddziaływania międzymolekularnego / 243 5.1.2. Gaussian09 - zautomatyzowany sposób liczenia oddziaływań / 251 5.1.3. Gaussian09 - skan oddziaływania po odległości / 254 5.2. Gaussian09 - modelowanie efektów rozpuszczalnikowych / 259 5.2.1. Optymalizacja geometrii w rozpuszczalniku / 262 5.2.2. Swobodna entalpia solwatacji / 266 5.2.3. Wpływ efektów rozpuszczalnikowych na stan równowagi chemicznej / 269 5.2.4. Wpływ efektów rozpuszczalnikowych na wysokość barier rotacji / 272 5.2.5. Widmo IR w fazie skondensowanej / 273 5.2.6. Przesunięcie solwatochromowe / 279 5.2.7. Wpływ rozpuszczalnika na położenie sygnałów NMR / 282 5.2.8. Wpływ rozpuszczalnika na skręcalność / 283 6. Chemia obliczeniowa w pracy eksperymentalnej / 287 6.1. Lipofilowość / 287 6.1.1. Zasady kwasów nukleinowych / 289 6.2. Kwasowość/zasadowość / 292 6.2.1. Deprotonowanie pirolu / 292 6.2.2. Stała proteolizy / 300 6.2.3. Potencjał redox / 302 6.3. Reaktywność produktów pośrednich / 303 6.4. Reaktywność układów aromatycznych / 305 6.4.1. Aromatyczność układów organicznych / 305 6.4.2. Substytucja elektrofilowa w pierścieniu aromatycznym / 314 6.4.3. Substytucja elektrofilowa w układach heterocyklicznych / 317 6.5. Opis układow otwartopowłokowych / 318 6.5.1. Kation, rodnik i anion allilowy / 321 6.6. Reakcje pericykliczne / 327 6.6.1. Reakcje cykloaddycji / 328 6.6.2. Reakcje elektrocyklizacji / 339 7. Zadania i ćwiczenia / 345 A Linux: Rzecz o wolności / 361 A.1. Logowanie / 361 A.2. Komunikacja pomiędzy maszynami / 362 A.2.1. ssh, scp / 362 A.2.2. Window(s) na świat: PuTTy, WinSCP / 364 A.3. Podstawowe komendy / 364 A.4. Edytor tekstu / 367 A.5. Inne przydatne narzędzia / 370 B Rozwiązania zadań / 375 Bibliografia / 413 Indeks rzeczowy / 433 Ilustracje / 439