Nowoczesne zastosowania chemii organicznej

chemia

obowiązkowe

Studenci przystępujący do zajęć powinni posiadać podstawową wiedzę z chemii organicznej na poziomie licencjatu

w sali

Celem zajęć jest zapoznanie studentów z szerokim wachlarzem najnowszych zastosowań współczesnej syntezy organicznej, ze szczególnym naciskiem na zastosowania w nanotechnologii, syntezie „inteligentnych” materiałów funkcjonalnych oraz w konstruowaniu urządzeń i maszyn molekularnych.

Na wykładach pokażemy przykłady organicznych sensorów molekularnych, transporterów transbłonowych, przełączników i maszyn molekularnych, bloków budulcowych dla elektroniki organicznej, urządzeń skonstruowanych na bazie molekuł funkcjonalnych (takich jak OLED-y, OFET-y, ogniwa słoneczne, itp.) oraz materiałów nanostrukturalnych, takich jak COF-y i MOF-y. Wytłumaczymy zasady ich działania i konstruowania, kładąc szczególny nacisk na właściwości i funkcje molekuł, agregatów supramolekularnych i materiałów oraz na to, w jaki sposób te właściwości i funkcje wynikają z ich budowy.

Wykład 1. Wprowadzenie (M. Chmielewski):

- chemia organiczna jako podstawa współczesnej cywilizacji

- przegląd organicznych materiałów funkcjonalnych

- nowoczesne (nano)materiały funkcjonalne i materiały „inteligentne” jako podstawa technologii przyszłości

- zależność między strukturą molekularną/supramolekularną a właściwościami i funkcjami cząsteczek/materiałów

Wykład 2. Od receptorów molekularnych do sensorów, transporterów i katalizatorów (M. Chmielewski):

- podstawowe pojęcia chemii supramolekularnej (kompleksy gość-gospodarz, rozpoznanie molekularne, komplementarność kształtu i rozmiaru, itp.)

- przykłady molekuł funkcjonalnych działających w oparciu o rozpoznanie molekularne (sensory molekularne czułe na kationy/aniony/cząsteczki obojętne; sensory kolorymetryczne, fluorescencyjne, itd., transportery transbłonowe, katalizatory supramolekularne)

Wykład 3. Przełączniki i maszyny molekularne (W. Danowski):

- biologiczne przełączniki i maszyny molekularne: definicja, klasyfikacja i przykłady (białka motoryczne: dyneiny, kinezyny, miozyna, ATPazy; przełączniki: opsyny, kanały jonowe; układy złożone: rybosom)

- syntetyczne przełączniki molekularne: wpływ geometrii na właściwości cząsteczki (optyczne, elektryczne, potencjał redoks, moment dipolowy, itd.); przykłady przełączników molekularnych reagujących na zmiany pH, potencjału redoks, potencjału chemicznego, temperatury, itd.; porównanie grup fotowrażliwych (przełączników fotochemicznych, ugrupowań ulegających foto-dimeryzacji i grup fotolabilnych); przykłady wykorzystania przełączników molekularnych do konstrukcji materiałów i systemów odpowiadających na bodźce z wyróżnieniem (foto)przełączalnych receptorów anionów i kationów, responsywnych materiałów polimerowych oraz fotofarmakologii i optogenetyki

- Maszyny molekularne: definicja, kontrola ruchu rotacyjnego, motory molekularne napędzane światłem i potencjałem chemicznym, omówienie cyklu rotacyjnego wybranych motorów, wpływ budowy cząsteczki na szybkość rotacji, kontrola ruchu translacyjnego na przykładzie pompy molekularnej, omówienie sposobów wykorzystania kontrolowanego ruchu maszyn molekularnych do wykonania pracy i w konstrukcji materiałów

Wykład 4. Krystaliczne materiały nanoporowate (M. Chmielewski):

- przegląd naturalnych i syntetycznych materiałów porowatych

- wstęp do chemii retykularnej: struktura i projektowanie MOF-ów

- adsorbcja gazów w MOF-ach

- pre- i post-syntetyczna funkcjonalizacja MOF-ów

- przykładowe zastosowania MOF-ów (rozdzielanie i przechowywanie gazów, kataliza, baterie, superkondensatory, czujniki, nośniki leków, pozyskiwanie wody z powietrza)

- krystaliczne materiały porowate bazujące na odwracalnych wiązaniach kowalencyjnych - COF-y

- synteza, funkcjonalizacja i zastosowania COF-ów

Wykład 5. Materiały ciekłokrystaliczne (W. Lewandowski):

- projektowanie molekuł mezogenicznych (kontrola geometrii molekularnej, nadawanie molekułom silnego momentu dipolowego, uzyskiwanie właściwości emisyjnych, fotoprzełaczalności, itp.);

-organizacja molekuł w uporządkowane układy ciekłokrystaliczne (wpływ parametrów molekularnych na organizację molekuł w przestrzennie uporządkowane struktury, w tym możliwość uzyskania chiralnych struktur z achiralnych komponentów);

- zastosowanie materiałów ciekłokrystalicznych w nowoczesnych technologiach, w szczególności w optoelektronice i magazynowaniu energii.

Wykład 6. Polimery nanostrukturalne (G. Szczepaniak):

- nowoczesne metody syntezy polimerów

- kataliza w zastosowaniu do syntezy polimerów o zadanych właściwościach

Wykład 7. Elektronika organiczna (W. Danowski):

- przewodniki, półprzewodniki, złącza tunelowe, diody, złącza p-n, OLED-y, TADF, OFET-y, fotowoltaika organiczna, spintronika, efekt CISS

Przewidywany nakład pracy studenta w semestrze - 30 godz., w tym:

- udział w zajęciach 15 godz.

- przygotowanie do egzaminu 15 godz.

1) Jonathan W. Steed, David R. Turner, Karl J. Wallace, “Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry”

2) Vincenzo Balzani, Alberto Credi, Margherita Venturi „Molecular Devices and Machines: Concepts and Perspectives for the Nanoworld”

3) Omar M. Yaghi, Markus J. Kalmutzki, Christian S. Diercks, “Introduction to Reticular Chemistry: Metal‐Organic Frameworks and Covalent Organic Frameworks”

WIEDZA

Po zaliczeniu przedmiotu student:

- ma rozszerzoną wiedzę o miejscu chemii w systemie nauk ścisłych i przyrodniczych, oraz o jej znaczeniu dla rozwoju ludzkości (K_W01);

a w szczególności:

- zna szeroki wachlarz organicznych (nano)materiałów funkcjonalnych i ich zastosowań;

- wie, jakie są podstawowe zasady ich projektowania;

- zna podstawowe pojęcia chemii supramolekularnej i retykularnej,

UMIEJĘTNOŚCI

- potrafi dyskutować o miejscu chemii w systemie nauk ścisłych i przyrodniczych, oraz o jej znaczeniu dla rozwoju naszej cywilizacji (K_U11)

- potrafi w sposób zrozumiały także dla niespecjalistów przedstawić wyniki najważniejszych odkryć dokonanych w dziedzinie chemii i nauk pokrewnych (K_U12)

a w szczególności:

- umie powiązać właściwości i funkcje materiałów i cząsteczek z ich strukturą molekularną

- orientuje się w nowoczesnych zastosowaniach chemii organicznej i rozumie jej znaczenie dla rozwoju naszej cywilizacji

KOMPETENCJE SPOŁECZNE

- Rozumie potrzebę i zna możliwości ciągłego dokształcania się. Potrafi samodzielnie wyszukiwać informacje w literaturze (także obcojęzycznej) oraz korzystać z rad ekspertów (K_K01)

Egzamin pisemny na ocenę