авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«1 Сборник примерных программ базовых дисциплин учебных циклов C.1-C.3 ФГОС подготовки выпускников по специальности 020201 «Фундаментальная и ...»

-- [ Страница 2 ] --

Реакции SN1-типа. Кинетика, стереохимия, зависимость SN1 процесса от природы радикала, уходящей группы, растворителя. Карбокатионы, факторы, определяющие их устойчивость. Перегруппировки карбокатионов. Методы генерирования карбокатионов.

Понятие о ионных парах.

Методы получения галогеналканов из алканов, алкенов, спиртов.

6. Спирты и простые эфиры Одноатомные спирты. Методы получения: из алкенов, карбонильных соединений,галогеналканов, сложных эфиров и карбоновых кислот.

Свойства спиртов. Спирты, как слабые О-Н кислоты. Спирты, как основания Льюиса.

Замещение гидроксильной группы в спиртах на галоген (под действием галогеноводородов, галогенидов фосфора, хлористого тионила). Механизм и стереохимия замещения, перегруппировки с гидридным перемещением. Реагенты регио- и стереоспецифического замещения (комплексы трифенилфосфина с галогенами и четыреххлористым углеродом). Дегидратация спиртов.

Окисление первичных спиртов до альдегидов и карбоновых кислот, вторичных спиртов до кетонов. Реагенты окисления на основе хромового ангидрида и двуокиси марганца.

Механизм окисления спиртов хромовым ангидридом.

Двухатомные спирты. Методы синтеза. Свойства. Окислительное расщепление 1,2-диолов (иодная кислота, тетраацетат свинца). Пинаколиновая перегруппировка.

Простые эфиры. Методы получения: реакция Вильямсона, алкоксимеркурирование алкенов, межмолекулярная дегидратация спиртов. Свойства простых эфиров: образование оксониевых солей, расщепление кислотами. Гидропероксиды. Краун-эфиры. Получение и применение в синтетической практике.

Оксираны. Способы получения. Раскрытие цикла в них под действием электрофильных и нуклеофильных агентов.

7. Реакции элиминирования Реакции a - и b -элиминирования. Классификация механизмов b -элиминирования: Е1, Е и Е1cb. Направление элиминирования. Правила Зайцева и Гофмана. Стереохимия элиминирования: син- и анти-элиминирование. Конкуренция процессов Е2 и SN2, Е1 и SN1. Факторы влияющие на эту конкуренцию.

Использование реакций элиминирования для синтеза алкенов, диенов и алкинов.

8. Металлоорганические соединения Литий- и магнийорганические соединения.

Методы синтеза: взаимодействие металла с алкил- или арилгалогенидами.

Представление о шкале С-Н кислотности углеводородов.

Строение реактивов Гриньяра. Равновесие Шленка.

Литий- и магнийорганические соединения в синтезе углеводородов, спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот.

Диалкил- и диарилкупраты. Получение и применение этих комплексных соединений для синтеза предельных углеводородов, диенов, спиртов, несимметричных кетонов и в реакциях сопряженного присоединения к a, b -ненасыщенным карбонильным соединениям.

9. Ароматичность. Ароматические углеводороды Строение бензола. Формула Кекуле. Молекулярные орбитали бензола. Аннулены.

Аннулены ароматические и неароматические. Концепция ароматичности. Правило Хюккеля. Ароматические катионы и анионы. Конденсированные ароматические углеводороды: нафталин, фенантрен, антрацен, азулен и др.. Гетероциклические пяти- и шестичленные ароматические соединения ( пиррол, фуран, тиофен, индол, азолы, пиридин, хинолин).

Антиароматичность на примере циклобутадиена, циклопропенил-аниона, катиона циклопентадиенилия. Критерии ароматичности: квантовохимический, энергетический (теплоты гидрирования) и магнитный.

Получение ароматических углеводородов в промышленности - каталитический риформинг нефти, переработка коксового газа и каменноугольной смолы.

Лабораторные методы синтеза: реакция Вюрца-Фиттига и другие реакции кросс сочетания, алкилирование бензола и аренов по Фриделю-Крафтсу, восстановление жирноароматических кетонов.

Каталитическое гидрирование аренов, восстановление аренов по Берчу. Реакции замещения водорода в боковой цепи алкилбензолов на галоген. Окисление алкилбензолов и конденсированных ароматических углеводородов до карбоновых кислот.

10. Реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду Классификация реакций ароматического электрофильного замещения. Общие представления о механизме реакций, кинетический изотопный эффект в реакциях электрофильного замещения водорода в бензольном кольце. Представление о p - и s комплексах. Структура переходного состояния. Изотопный обмен водорода как простейшая реакция электрофильного замещения. Аренониевые ионы в реакциях электрофильного замещения. Влияние заместителя на скорость и направление электрофильного замещения. Согласованная и несогласованная ориентация.

Нитрование. Нитрующие агенты. Механизм реакции нитрования. Нитрование бензола и его замещенных. Нитрование нафталина, бифенила и других аренов. Галогенирование.

Галогенирующие агенты. Механизм реакции галогенирования аренов и их производных.

Сульфирование. Сульфирующие агенты. Механизм реакции. Кинетический и термодинамический контроль в реакции сульфирования на примере фенола и нафталина.

Превращения сульфогруппы.

Алкилирование аренов по Фриделю-Крафтсу. Алкилирующие агенты. Механизм реакции.

Полиалкилирование. Побочные процессы - изомеризация алкилирующего агента и конечных продуктов. Синтез диарил- и триарилметанов. Триарилметилкатионы, анионы и радикалы. Методы их генерирования и стабильность.

Ацилирование аренов по Фриделю-Крафтсу. Ацилирующие агенты. Механизм реакции.

Региоселективность ацилирования. Формилирование по Гаттерману-Коху и другие родственные реакции.

11. Нуклеофильное ароматическое замещение Общие представления о механизме нуклеофильного замещения.

1. Механизм отщепления-присоединения на примере превращения галогенбензолов в фенолы и ароматические амины. Методы генерирования и фиксации дегидробензола.

Строение дегидробензола.

2. Механизм присоединения-отщепления SN Ar, примеры реакций и активирующее влияние электроноакцепторных заместителей. Анионные s -комплексы Мейзенгеймера и их строение.

3. SN1-Механизм ароматического нуклеофильного замещения в реакциях гидролиза катиона арендиазония.

12. Альдегиды и кетоны Методы получения альдегидов и кетонов из спиртов, производных карбоновых кислот, алкенов (озонолиз), алкинов (гидроборирование), на основе металлорганических соединений. Ацилирование и формилирование аренов.

Промышленное получение формальдегида, ацетальдегида (Вакер-процесс) и высших альдегидов (гидроформилирование).

Строение карбонильной группы, ее полярность и поляризуемость. Общие представления о механизме нуклеофильного присоединения по карбонильной группе альдегидов и кетонов. Кислотный и основной катализ. Присоединение воды, спиртов, тиолов. Защита карбонильной группы. Получение бисульфитных производных и циангидринов.

Взаимодействие альдегидов и кетонов с илидами фосфора ( Виттиг), как метод синтеза алкенов..

Взаимодействие альдегидов и кетонов с азотистыми основаниями. Получение иминов и енаминов. Оксимы, гидразоны, фенилгидразоны. Реакция Кижнера. Реакции альдегидов и кетонов с металлоорганическими соединениями. Синтез спиртов.

Кето-енольная таутомерия. Енолизация альдегидов и кетонов в реакциях галогенирования, изотопного обмена водорода и рацемизации оптически активных кетонов. Кислотный и основной катализ этих реакций.

Кето-енольная таутомерия кетонов, 1,3-дикетонов и 1,3-кетоэфиров. Влияние структурных факторов на положение кето-енольного равновесия и зависимость его от соотношения С-Н и О-Н кислотности кетона и енола. Двойственная реакционная способность енолят-ионов. Интерпретация данных в рамках принципа ЖМКО.

Альдольно-кротоновая конденсация альдегидов и кетонов в кислой и щелочной среде, механизм реакций. Направленная альдольная конденсация разноименных альдегидов с использованием литиевых борных енолятов и кремниевых эфиров енолов. Конденсация альдегидов и кетонов с малоновым эфиром и другими соединениями с активной метиленовой группой. Аминометилирование альдегидов и кетонов (Манних). Бензоиновая конденсация.

Восстановление альдегидов и кетонов до спиртов, реагенты восстановления;

восстановление С=О группы до СН2 -группы: реакции Кижнера-Вольфа и Клемменсена.

Ион-радикальная димеризация альдегидов и кетонов. Окисление альдегидов, реагенты окисления. Окисление кетонов перкислотами по Байеру-Веллигеру.

Диспропорционирование альдегидов по Канниццаро (прямая и перекрестная реакции) a -, b -Непредельные альдегиды и кетоны. Методы получения: конденсации, окисление аллиловых спиртов и др.. Сопряжение карбонильной группы с двойной углерод углеродной связью. Реакции 1,2- и 1,4-присоединения литийорганических соединений,, триалкилборанов, диалкил- и диарилкупратов, аминов, цианистого водорода, галогеноводородов. Сопряженное присоединение енолятов и енаминов (Михаэль).

Восстановление a -, b -непредельных карбонильных соединений.

13. Карбоновые кислоты Методы синтеза: окисление первичных спиртов и альдегидов, алкенов, алкилбензолов;

гидролиз нитрилов и других производных карбоновых кислот;

синтез на основе металлоорганических соединений;

синтезы на основе малонового эфира. Получение муравьиной кислоты и уксусной кислот.

Строение карбоксильной группы. Физико-химические свойства кислот: ассоциация, диссоциация, влияние заместителей на кислотность. Галогенирование кислот по Гелю Фольгарду-Зелинскому. Пиролитическая кетонизация, электролиз по Кольбе, декарбоксилирование по Хунсдиккеру.

Галогенангидриды. Получение с помощью галогенидов фосфора, тионилхлорида, бензоилхлорида. Свойства: взаимодействие с нуклеофильными реагентами (вода, спирты, аммиак, амины, гидразин, металлоорганические соединения). Восстановление до альдегидов - по Розенмунду и комплексными гидридами металлов. Взаимодействие диазометана с галогенангидридами карбоновых кислот (реакция Арндта-Эйстерта).

Ангидриды. Методы получения: дегидратация кислот с помощью Р2 О5 и фталевого ангидрида;

ацилирование солей карбоновых кислот хлорангидридами. Реакции ангидридов кислот.

Кетен. Получение и свойства.

Сложные эфиры. Методы получения: этерификация карбоновых кислот (механизм), ацилирование спиртов и их алкоголятов ацилгалогенидами и ангидридами, алкилирование карбоксилат-ионов, реакции кислот с диазометаном. Методы синтеза циклических сложных эфиров - лактонов.

Реакции сложных эфиров: гидролиз (механизм кислотного и основного катализа), аммонолиз, переэтерификация;

взаимодействие с магний- и литийорганическими соединениями, восстановление до спиртов и альдегидов комплексными гидридами металлов.

Сложноэфирная и ацилоиновая конденсации.

Ацетоуксусный эфир и его использование в синтезе. Кето-енольная таутомерия эфиров b кетокислот, амбидентный характер енолят-иона.

Амиды. Методы получения: ацилирование аммиака и аминов, пиролиз карбоксилатов аммония. Синтез циклических амидов - лактамов. Свойства: гидролиз, восстановление до аминов, дегидратация амидов. Понятие о секстетных перегруппировках. Перегруппировки Гофмана, Курциуса.

Нитрилы. Методы получения: дегидратация амидов кислот (с помощью Р2 О5, SОCl2, РОCl3), алкилирование амбидентного цианид-иона. Свойства: гидролиз, аммонолиз, восстановление комплексными гидридами металлов до аминов, взаимодействие с магний и литийорганическими соединениями.

Двухосновные кислоты. Методы синтеза: окислительное расщепление циклоолефинов и циклических кетонов, окисление полиалкилбензолов. Главные представители: щавелевая кислота, диэтилоксалат в сложноэфирной конденсации. Малоновая кислота: синтезы с малоновым эфиром, реакция Михаэля, конденсации с альдегидами (Кневенагель).

Янтарная кислота, ее ангидрид, имид, N-бромсукцинимид. Адипиновая кислота.

Конденсация Дикмана. Ацилоиновая конденсация эфиров дикарбоновых кислот как метод синтеза средних макроциклов.

Фталевая и терефталевая кислоты, промышленные методы получения. Фталевый ангидрид, фталимид и его использование в синтезе.

15. Нитросоединения Нитроалканы. Методы синтеза из алкилгалогенидов (амбидентный характер нитрит-иона).

Строение нитрогруппы. Кислотность и таутомерия нитроалканов. Реакции нитроалканов с азотистой кислотой. Конденсация с карбонильными соединениями. Восстановление в амины.

Ароматические нитросоединения. Восстановление нитроаренов в кислой и щелочной среде. Бензидиновая перегруппировка. Восстановление одной нитрогруппы в полинитроаренах.

16. Амины Методы получения аминов: алкилирование аммиака и аминов по Гофману, фталимида калия (Габриэль), восстановление азотсодержащих производных карбонильных соединений и карбоновых кислот, нитросоединений. Перегруппировки Гофмана и Курциуса. Восстановительное аминирование карбонильных соединений. Взаимодействие альдегидов и кетонов с формиатом аммония (Лейкарт).

Амины как основания. Сравнение основных свойств алифатических и ароматических аминов. Влияние на основность аминов заместителей в ароматическом ядре.

Алкилирование и ацилирование аминов. Защита аминогруппы. Термическое разложение гидроксидов тетраалкиламмония по Гофману. Идентификация и разделение первичных, вторичных и третичных аминов с помощью бензолсульфохлорида (проба Хинсберга).

Взаимодействие первичных, вторичных и третичных алифатических и ароматических аминов с азотистой кислотой. Окисление и галогенирование аминов. Реакции электрофильного замещения в бензольном ядре ароматических аминов.

17. Диазосоединения Ароматические диазосоединения. Реакции диазотирования первичных ароматических аминов. Механизм, природа нитрозирующего агента. Строение и устойчивость солей диазония. Стабильные ковалентные формы диазосоединений. Кислотно-основные равновесия с участием катиона арендиазония.

Реакции диазосоединений с выделением азота: замена диазогруппы на гидроксил-, галоген-, циан-, нитрогруппу и водород.

Реакции диазосоединений без выделения азота: восстановление до арилгидразинов, азосочетание. Азосочетание как реакция электрофильного замещения. Азо- и диазосоставляющие, условие сочетания с аминами и фенолами. Азокрасители.

18. Фенолы Фенолы. Методы получения: щелочное плавление аренсульфонатов, замещение галогена на гидроксил, гидролиз солей арендиазония. Кумольный метод получения фенола в промышленности.

Свойства: фенолы как ОН-кислоты, влияние заместителей на кислотность фенолов.

Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре фенолов: галогенирование, сульфирование, нитрование, нитрозирование и алкилирование. Карбоксилирование фенолятов щелочных металлов по Кольбе. Формилирование фенолов по Реймеру-Тиману, механизм образования салицилового альдегида. Формилирование фенолов по Вильсмайеру. Перегруппировка аллиловых эфиров фенолов (Кляйзен). Окисление фенолов, в том числе пространственно затрудненных. Понятие об ароксильных радикалах.

Хиноны. Получение о- и п-бензохинонов, антрахинона. Хиноны как диенофилы в реакциях Дильса-Альдера.

19. Алициклические соединения. Циклоалканы и их производные Классификация алициклов. Энергия напряжения циклоалканов и ее количественная оценка на основании сравнения теплот образования и теплот сгорания циклоалканов и соответствующих алканов. Типы напряжения в циклоалканах и подразделение циклов на малые, средние циклы и макроциклы. Строение циклопропана, циклобутана, циклопентана, циклогексана. Конформационный анализ циклогексана. Аксиальные и экваториальные связи в конформации "кресло" циклогексана. Конформации моно- и дизамещенных производных циклогексана. Влияние конформационного положения функциональных групп на их реакционную способность на примере реакций замещения, отщепления и окисления.

Методы синтеза циклопропана, циклобутана и их производных. Особенности химических свойств соединений с трехчленным циклом. Синтез соединений ряда циклопентана и циклогексана. Синтез соединений со средним размером цикла (ацилоиновая конденсация).

20. Гетероциклические соединения Классификация гетероциклов.

Пятичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом. Фуран, тиофен, пиррол.

Синтез 1,4-дикарбонильных соединений (Пааль-Кнорр), взаимные переходы (реакция Юрьева). Реакции электрофильного замещения в пятичленных ароматических гетероциклах: нитрование, сульфирование, галогенирование, формилирование, ацилирование. Ориентация электрофильного замещения.

Индол. Синтез производных индола из фенилгидразина и кетонов (Фишер). Реакции электрофильного замещения в пиррольном кольце индола: нитрование, формилирование, галогенирование.

Шестичленные ароматические гетероциклы с одним гетероатомом.

Пиридин и хинолин. Синтез хинолина и замещенных хинолинов из анилинов по Скраупу и Дебнеру-Миллеру. Пиридин и хинолин как основания. Реакции пиридина и хинолина с алкилгалогенидами.

Окисление и восстановление пиридина и хинолина. Реакции электрофильного замещения в пиридине и хинолине: нитрование, сульфирование, галогенирование. N-Окись пиридина и хинолина и их использование в реакции нитрования. Нуклеофильное замещение атомов водорода в пиридине и хинолине в реакциях с амидом натрия (Чичибабин) и фениллитием.

Активация метильной группы в 2- и 4-метилпиридинах и хинолинах. 2-Метилпиридины и хинолины как метиленовые компоненты в конденсациях с альдегидами.

22. Аминокислоты, пептиды и белки Номенклатура аминокислот. Природные аминокислоты. Хиральность аминокислот, образующих протеины. Кислотно-основные амфотерные свойства природных аминокислот.

Синтезы a -аминокислот и разделение рацемических форм. Номенклатура пептидов.

Основные принципы синтеза полипептидов;

защита аминогруппы и активация карбоксильной группы. Твердофазный синтез пептидов. Общие принципы определения строения пептидов и белков. Первичная, вторичная и третичная структура белков.

Понятие о ферментах и ферментативном катализе.

24. Углеводы Моносахариды и полисахариды. Классификация и стереохимия моносахаридов. Альдозы (альдотреозы, альдопентозы, альдогексозы) и кетозы. Стереохимия альдоз и кетоз в проекциях Фишера. Циклические полуацетали альдогексоз - глюкопиранозы и глюкофуранозы. a - и b -Аномеры. Формулы Хеуорса для аномерных моносахаридов.

Таутомерия циклических и открытых форм в растворах моносахаридов, мутаротация глюкозы, конформации пиранозного цикла. Реакции моносахаридов. Получение гликозидов, как особой формы циклических ацеталей. Синтез простых и сложных эфиров моносахаридов. Окисление альдоз до альдоновых кислот, лактонизация альдоновых кислот. Исчерпывающее окисление моносахаридов иодной кислотой. Образование озазонов при взаимодействии с фенилгидразином. Синтез моносахаридов по Килиани Фишеру и деградация по Волю-Руффу.

Дисахариды (биозы): мальтоза, целлобиоза, лактоза, сахароза. Полисахариды - целлюлоза и крахмал.

25. Физические методы исследования в органической химии Инфракрасная спектроскопия. Природа ИК спектров, способы их изображения, характеристические частоты поглощения.

Электронная спектроскопия. Природа спектров, типы электронных переходов, понятие о хромофорных группировках, способ изображения УФ спектров.

Спектры протонного магнитного резонанса. Природа, основные характеристики:

химический сдвиг, интенсивность, мультиплетность сигналов протонов;

спин-спиновое взаимодействие.

Масс-спектрометрия. Основные принципы, молекулярный ион, изотопный состав ионов, основные пути фрагментации важнейших классов органических соединений.

Литература ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Программа лекционного курса. Основной поток.

Предмет и составные части физической химии. Связь с другими дисциплинами (математика, физика, классическая физика, квантовая механика, различные разделы химии) ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Основные понятия химической термодинамики. Система и среда. Фаза. Компонент.

Гомогенные и гетерогенные системы. Термодинамические переменные. Интенсивные и экстенсивные величины. Температура. Уравнение состояния. Уравнения состояния идеального газа, газа Ван-дер-Ваальса. Теорема о соответственных состояниях.

Вириальное уравнение состояния. Теорема о соответственных состояниях. Уравнения состояния для твердых тел и жидкостей. Термические коэффициенты.

Теплота и работы различного рода. Работа расширения. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении.

Закон Гесса и его следствия. Теплоты QV и Qp. Энтальпия. Стандартные энтальпии химических реакций. Калориметрический метод измерения энтальпий химических реакций. Возможность расчета энтальпий методами квантовой химии. Энтальпия сгорания. Энтальпия образования. Простые вещества. Зависимость энтальпии реакции от температуры. Формула Кирхгоффа. Зависимость теплоемкости от температуры.

Зависимость энтальпии химической реакции от давления.

Второй закон термодинамики и его различные формулировки. Энтропия. Уравнение второго начала термодинамики для обратимых и необратимых процессов. Производство энтропии. Некомпенсированная теплота Клаузиуса и работа, потерянная в необратимом процессе. Обоснование второго начала термодинамики. Теорема Карно - Клаузиуса.

Изменение энтропии в различных процессах. Изменение энтропии изолированной системы и направление процесса.

Математический аппарат термодинамики. Фундаментальное уравнение Гиббса.

Внутренняя энергия, как однородная функция объема, энтропии и числа молей.

Уравнение Гиббса-Дюгема. Термодинамические потенциалы, как результат преобразования Лежандра внутренней энергии. Соотношения Максвелла и их использование для вывода различных термодинамических соотношений. Уравнение Гиббса – Гельмгольца.

Свойства термодинамических потенциалов U,H,F,G. Различные формы записи условий термодинамического равновесия. Критерий самопроизвольного протекания процессов.

Химический потенциал. Его различные определения. Химический потенциал идеального и неидеального газов. Стандартный химический потенциал компонента в газовой фазе.

Летучесть (фугитивность.) Различные методы вычисления летучести из опытных данных.

РАСТВОРЫ. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ Энергия Гиббса и энергия Гиббса смешения растворов. Среднемольная и парциальные энергии Гиббса в двухкомпонентных системах.

Давление насыщенного пара жидких растворов. Закон Рауля и закон Генри. Идеальные и неидеальные растворы. Химический потенциал компонента в растворе. Метод активностей. Коэффициенты активности и их определение по парциальным давлениям компонент. Стандартные состояния при определении химических потенциалов компонент в жидких и твердых растворах. Симметричная и несимметричная системы отсчета.

Термодинамическая классификация растворов. Функции смешения для идеальных и неидеальных растворов. Предельно разбавленные растворы, атермальные, регулярные растворы и их свойства.

Парциальные мольные величины и их определение из опытных данных для бинарных систем. Уравнения Гиббса-Дюгема-Маргулеса. Обобщенное уравнение Гиббса - Дюгема.

Зависимость парциальных мольных объемов в системе С2Н5ОН – Н2О от состава.

Гетерогенные системы. Вывод условия фазового равновесия. Вывод условия мембранного равновесия. Правило фаз Гиббса и его вывод.

Фазовые равновесия в однокомпонентных системах. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса и его применение к различным фазовым равновесиям. Диаграммы состояния воды, серы, фосфора и углерода. Наноуглеродные материалы. Фазовые переходы первого рода.

Пластические фазовые переходы. Жидкие кристаллы. Фазовые переходы второго рода.

Фазовые равновесия в двухкомпонентных системах. Уравнение Шредера.

Криоскопическое и эбуллиоскопические уравнения. Осмос как пример мембранного равновесия. Уравнения Вант-Гоффа, его термодинамический вывод. Экстракционное равновесие. Равновесие жидкость - пар в двухкомпонентных системах. Равновесные составы пара и жидкости. Различные виды фазовых диаграмм p-x (T=const), T-x (p=const).

Термодинамический вывод законов Гиббса - Коновалова.

Диаграммы состояния (плавкости) двухкомпонентных систем и их анализ на основе правила фаз. Расслаивание в двухкомпонентных системах.

ХИМИЧЕСКИЕ И АДСОРБЦИОННЫЕ РАВНОВЕСИЯ Вывод условия химического равновесия. Химическая переменная. Изотерма Вант-Гоффа.

Изменение энергии Гиббса при химической реакции. Химическое сродство. Закон действия масс. Стандартная энергия Гиббса химической реакции. Константа равновесия.

Различные виды констант равновесия и связь между ними.

Химические равновесия в растворах. Константы равновесия при различном выборе стандартных состояний для участников реакции. Химическое равновесие в разбавленном растворе. Влияние инертного растворителя.

Гетерогенные химические равновесия с образованием и без образования твердых растворов.

Зависимость констант равновесия от температуры и давления. Уравнение изобары реакции и его термодинамический вывод.

Третий закон термодинамики. Постулат Нернста. Постулат Планка. Расчеты абсолютной энтропии химических соединений.

Таблицы термодинамических величин. Приведенные термодинамические потенциалы.

Современные методы расчета равновесных составов.

Явления адсорбции. Адсорбент. Адсорбат. Полная и избыточная адсорбции.

Мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция. Определение адсорбции по Гиббсу.

Адсорбция из растворов и газовой фазы. Изотермы и изобары адсорбции. Уравнение Ленгмюра, его термодинамический вывод и условия применимости. Уравнение Генри.

Константа адсорбционного равновесия.

Полимолекулярная адсорбция, ее описание методом Брунауэра - Эмета - Теллера (БЭТ).

Вывод уравнения БЭТ. Использование уравнения БЭТ для определения поверхности адсорбентов.

ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Механическое описание молекулярной системы. Макро-и микросостояния системы.

Энтропия и термодинамическая вероятность. Метод ячеек Больцмана.

Фазовые Г - и -пространства. Основные постулаты статистической термодинамики.

Плотность вероятности (функция распределения) и ее свойства. Эргоидная гипотеза.

Ансамбли Гиббса. Микроканонический ансамбль. Канонический ансамбль.

Плотность вероятности в каноническом ансамбле. Сумма по состояниям. Энтропия канонического ансамбля. Связь суммы по состояниям с основными термодинамическими функциями - внутренней энергии, энтропией, энергией Гельмгольца, энергией Гиббса, теплоемкостью и химическим потенциалом.

Молекулярная сумма по состояниям и сумма по состояниям макроскопической системы.

Поступательная сумма по состояниям. Составляющие энтропии, внутренней энергии и теплоемкости, обусловленные поступательным движением. Формула Закура - Тетроде.

Функция распределения Максвелла - Больцмана. Ее использование для вычисления средних скоростей и энергий молекул в идеальных газах.

Вращательная сумма по состояниям для жесткого ротатора. Составляющие для внутренней энергии, теплоемкости, энтропии, обусловленные вращательным движением.

Ядерные суммы по состояниям. Орто- и параводород и их термодинамические свойства.

Внутреннее вращение и заторможенное вращение.

Колебательная сумма по состояниям. Составляющие внутренней энергии, теплоемкости и энтропии, обусловленные колебательным движением. Электронные суммы по состояниям.

Расчет констант равновесия химических реакций в идеальных газах методом статистической термодинамики.

Межмолекулярные взаимодействия. Статистическая термодинамика реальных систем.

Конфигурационный интеграл для реального газа. Метод Урселла-Майера. Статистическое рассмотрение вириального уравнения.

Метод ячеек в статистической термодинамике жидкостей. Расчет энтропии смешения в рамках решеточной модели раствора. Теории теплоемкости Эйнштейна и Дебая.

ЭЛЕМЕНТЫ ЛИНЕЙНОЙ ТЕРМОДИНАМИКИНЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ Описание необратимых процессов в термодинамике. Потоки. Силы. Феноменологические законы для скоростей процессов. Производство энтропии. Линейные законы. Связь между сродством и скоростью химической реакции. Перекрестные явления. Принцип Кюри, соотношения Онсагера.

Стационарные состояния системы и теорема Пригожина.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА Химическая кинетика - наука о скоростях и механизмах химических реакций. Основные понятия химической кинетики. Скорость химической реакции в закрытой и открытой системах. Кинетический закон действия масс и область его применимости: реакции в газовой фазе и растворах, твердофазные реакции. Порядок реакции. Кинетические кривые.

Реакции переменного порядка и изменение порядка в ходе реакции на примере реакции образования НВr. Молекулярность элементарных актов реакций.

Прямая и обратная задачи химической кинетики. Зависимость константы скорости от температуры. Уравнение Аррениуса. "Эффективная" и "истинная" энергии активации.

Необратимые реакции первого порядка. Время полупревращения и среднее время жизни исходных молекул. Необратимые реакции второго порядка. Автокатализ. Определение констант скорости из опытных данных. Методы определения порядка реакции.

Сложные реакции. Принцип независимости элементарных стадий. Обратимые реакции первого порядка. Скорость и сродство химической реакции. Определение элементарных констант из опытных данных. Параллельные реакции. Последовательные реакции на примере двух необратимых реакций первого порядка.

Кинетический анализ процессов, протекающих через образование промежуточных продуктов. Метод квазистационарности Боденштейна и область его применимости.

Квазиравновесие. Уравнение Михаэлиса - Ментэн. Определение кинетических постоянных этого уравнения из опытных данных. Кинетика каталитических реакций с конкурентным и неконкурентным ингибированием, субстратным торможением.

Цепные реакции. Элементарные процессы возникновения, продолжения, разветвления и обрыва цепей. Длина цепи. Применение метода квазистационарности для составления кинетических уравнений неразветвленных цепных реакций на примере «темновой»

реакции образования НВr.

Разветвленные цепные реакции. Кинетические особенности разветвленных цепных реакций. Предельные явления в разветвленных цепных реакциях на примере реакции окисления водорода. Полуостров воспламенения. Период индукции. Зависимость скорости реакции на нижнем пределе воспламенения от диаметра сосуда и природы его поверхности. Применение метода квазистационарных концентраций для описания предельных явлений в окрестностях первого и второго пределов воспламенения.

Реакции в потоке. Реакторы идеального вытеснения и идеального смешения. Определение кинетических постоянных для различных реакций первого порядка в реакторах идеального смешения и вытеснения.

Колебательные реакции. Схема Лоттка-Вольтерра. Фазовый портрет. Устойчивость стационарного состояния. Точки бифуркации.

Использование адиабатического приближения для описания элементарных актов химической реакции: поверхность потенциальной энергии, путь реакции, энергия активации. Современные возможности расчета поверхностей потенциальной энергии.

Теория активированного комплекса (ТАК). Свойства активированного комплекса.

Статистический расчет константы скорости бимолекулярной реакции. Основные допущения ТАК и область её применимости. Трансмиссионный коэффициент.

Туннелирование. Энергия активации ТАК и её связь с опытной энергией активации.

Зависимость предэкспоненциального множителя от температуры.

Термодинамический аспект теории активированного комплекса. Энтропия активации.

Соотношения между опытной энергией активации и энтальпией активации ТАК.

Теория активных соударений (ТАС). Формула Траутца – Льюиса для бимолекулярной реакции. Сопоставление результатов ТАС с экспериментом. Стерический множитель ТАС.

Сопоставление результатов ТАС и ТАК для бимолекулярных реакций. Оценка стерического множителя ТАС.

Мономолекулярные реакции. ТАК в применении к мономолекулярным реакциям. Область применимости полученных соотношений. ТАС в применении к мономолекулярным реакциям. Схема Линдемана и ее сопоставление с опытными данными. Причины неточности схемы Линдемана. Поправки Хиншельвуда. Понятие о теории РРКМ.

Тримолекулярные реакции. Наблюдаемое падение константы скорости с температурой.

Применение ТАС и ТАК для описания тримолекулярных реакций с участием окиси азота.

Реакции в растворах. Роль диффузии. Уравнение Смолуховского. Учет неидеальности.

Уравнение Бренстеда-Бьеррума. "Клеточный эффект".

Фотохимические реакции. Элементарные фотохимические процессы. Принцип Франка Кондона. «Двухквантовые» процессы. Эксимеры, эксиплексы и их свойства. Квантовый выход. Закон фотохимической эквивалентности Эйнштейна. Закон Бугге-Ламберта-Бэрра.

Определение кинетических постоянных фотохимических реакций методом квазистационарных концентраций. Схема Штерна-Фолмера. Фотохимическая реакция образования HBr.

КАТАЛИЗ Основные понятия катализа. Гомогенный и гетерогенный катализ. Ферментативный катализ. Нанесенные катализаторы. Молекулярно-селективные катализаторы. Активность и селективность катализаторов. Число оборотов (TOF) и предельное число оборотов (TON). Нанокатализаторы. Примеры механизмов каталитических процессов.

Гомогенный катализ. Кислотно-основной катализ. Классификация реакций кислотно основного типа. Кинетика и механизм реакций специфического кислотного катализа.

Функции кислотности Гаммета и их использование для вычисления скорости реакции и кинетических постоянных. Суперкислоты. Твердые кислоты как катализаторы. Кинетика и механизм реакций общего кислотного катализа. Уравнение Бренстеда. Корреляционные уравнения для энергий активации. Специфический и общий основной катализ.

Гетерогенный катализ. Определение скорости гетерогенной каталитической реакции.

Макрокинетика. Роль диффузии в кинетике гетерогенных реакций. Различные режимы протекания реакций (кинетическая и внешняя кинетическая области;

область внешней и внутренней диффузии). Кинетика Лэнгмюра-Хиншельвуда для реакции на однородной поверхности катализатора. Особенности кинетики и записи константы равновесия в адсорбционном слое.

Кинетика гетерогенно-каталитических реакций с диффузионными ограничениями. Внешняя диффузия (метод равнодоступной поверхности). Кинетика каталитических реакций во внутренней диффузионной области. Решение кинетической задачи Зельдовича-Тиле для необратимой реакции первого порядка. Фактор Тиле. Диффузионное торможение. Энергия активации в кинетической и внутренней диффузионной области.

Теория мультиплетов Баландина. Принцип геометрического и энергетического соответствия. Область применения теории мультиплетов. Нанесенные катализаторы.

Теория активных ансамблей Кобозева.

ЭЛЕКТРОХИМИЯ Химический и электрохимический способы осуществления окислительно восстановительных реакций. Электрохимическая цепь и ее компоненты. Определение теоретической электрохимии, ее разделы и связь с задачами прикладной электрохимии.

Понятие электрохимического потенциала.

Развитие представлений о строении растворов электролитов (Т. Гротгус, М. Фарадей, С. Аррениус, И.А. Каблуков). Основные положения теории Аррениуса. Недостатки этой теории. Соотношение между энергией кристаллической решетки и энергией сольватации ионов в рамках модели Борна. Ион-дипольное взаимодействие как основное условие устойчивости растворов электролитов. Термодинамическое описание ион-ионного взаимодействия. Понятия средней активности и среднего коэффициента активности;

их связь с активностью и коэффициентом активности отдельных ионов. Основные допущения теории Дебая - Гюккеля. Потенциал ионной атмосферы. Уравнения для коэффициента активности в первом, втором и третьем приближении теории Дебая Гюккеля. Современные представления о растворах электролитов.

Неравновесные явления в растворах электролитов. Потоки диффузии и миграции.

Формула Нернста - Эйнштейна. Диффузионный потенциал. Удельная и эквивалентная электропроводность. Числа переноса и методы их определения. Подвижности ионов и закон Кольрауша. Физические основы теории Дебая - Гюккеля - Онзагера;

электрофоретический и релаксационный эффекты;

эффекты Вина и Дебая Фалькенгагена. Зависимость подвижности ионов от их природы, от природы растворителя, от температуры и концентрации раствора. Механизм электропроводности водных растворов кислот и щелочей.

Условия электрохимического равновесия на границах раздела фаз и в электрохимической цепи. Связь ЭДС со свободной энергией Гиббса. Уравнения Нернста и Гиббса Гельмгольца для равновесной электрохимической цепи. Понятие электродного потенциала. Классификация электродов и электрохимичеких цепей. Определение коэффициентов активности и чисел переноса на основе измерений ЭДС.

Понятия поверхностного, внешнего и внутреннего потенциалов;

разности потенциалов Гальвани и Вольта. Двойной электрический слой и его роль в кинетике электродных процессов. Электрокапиллярные явления;

основное уравнение электрокапиллярности;

уравнение Липпмана. Емкость двойного электрического слоя;

причины ее зависимости от потенциала электрода. Адсорбционный метод изучения двойного электрического слоя.

Модельные представления о структуре двойного слоя. Теория Гуи - Чапмена - Грэма;

сходство и различия этой теории с теорией ионной атмосферы Дебая - Гюккеля.

Плотность тока как мера скорости электродного процесса;

поляризация электродов.

Стадии электродного процесса. Механизмы массопереноса: диффузия, миграция и конвекция. Три основных уравнения диффузионной кинетики и общий подход к решению ее задач. Зависимость тока от потенциала в условиях медленной стационарной диффузии к плоскому электроду. Полярография. Уравнение для тока в теории замедленного разряда;

ток обмена и перенапряжение. Зависимость скорости стадии разряда от строения двойного слоя на примере электровосстановления ионов гидроксония и пероксидисульфата на ртутном электроде. Физический смысл энергии активации в условиях замедленного разряда. Сопряженные реакции в электрохимической теории коррозии. Методы защиты металлов от коррозии. Химические источники тока;

их виды и основные характеристики.

ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Полторак О.М. “Термодинамика в физической химии” Высшая школа, 2. Еремин Е.Н. “Основы химической термодинамики” Высшая школа, 3. Эткинс П., де Паула Дж. "Физическая химия", Мир, 4. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Электрохимия: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1987. с.

5. Еремин Е.Н. Основы химической кинетики: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1976. 374 с.

6. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики:. Учеб. М.: Высш. шк., 1984.

463 с.

7. Б.В. Романовский Б.В. Основы химической кинетики, 2006 г.

Дополнительная Смирнова Н.А. Методы статистической термодинамики в физической химии: Учеб.

пособие. 2-е изд., перераб. и допол. М.: Высш. шк., 1982. 456 с.

Герасимов Я.И. и др. Курс физической химии:: В 2 т. М.: Химия. 1969. Т.1-2.

Пригожин И., Кондепуди Д. "Современная термодинамика", изд. Мир, 2002.

Мюнстер А. «Химическая термодинамика» изд. Мир Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику: Учеб. пособие.

М.: Высш. шк., 1983. 400 с.

Программу составили:

Коробов М.В., профессор кафедры Физической химии.

  ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»

Рекомендуется для специальности «Фундаментальная и прикладная химия» как общая для всех специализаций базовая дисциплина профессионального цикла.

Квалификация (степень) – специалист Цели и задачи дисциплины Курс «Химические основы биологических процессов» представляет собой теоретический и практический фундамент знаний об основных химических свойствах живого, которые рассматриваются на основе определения понятия «живое».

Особенностью курса является выделение основных химических свойств живых систем и формулировка базовых принципов в терминах химии (в отличие от биологии и медицины). Курс «Химические основы биологических процессов» является фундаментом для таких специальных курсов, как химия белка, химия нуклеиновых кислот, основы биохимии, энзимология, клеточная и молекулярная биология, основы генетической инженерии, основы иммунологии, физико-химические методы исследования биомакромолекул, бионанонауки, бионанотехнология и т.п.

Преподавание химических основ биологических процессов в университетах ставит своей главной целью раскрыть смысл основных химических закономерностей биологических процессов, особенно структуре биологических мембран, реализации генетических программ и ферментативного катализа, научить студента понимать химическую целесообразность биологических процессов, ознакомить с основами механизмов действия лекарственных средств, дать понятия о биотехнологии и нанобиотехнологии.

В результате освоения дисциплины студент должен:

Знать основы современных теорий в области химии нуклеиновых кислот и белков, и способы их применения для решения теоретических и практических задач.

Уметь самостоятельно ставить задачу по химической биологии, выбирать оптимальные пути и методы ее решения, обсуждать результаты исследований, ориентироваться в современной литературе, вести научную дискуссию.

В ходе изучения дисциплины “Химические основы биологических процессов” студент приобретает (или закрепляет) следующие компетенции:

понимает принципы работы современной научной аппаратуры при проведении научных исследований (ОК-6);

владеет основами теории фундаментальных разделов химии (прежде всего неорганической, аналитической, органической, физической, химии высокомолекулярных соединений, химии биологических объектов, химической технологии) (ПК-2);

представляет теоретические основы химического эксперимента, связанного с получением и исследованием биологических объектов, биополимеров и других биологически активных химических веществ (ПК-4);

представляет теоретические основы биотехнологического производства (ПК-5);

способен применять основные законы химии при обсуждении полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных (ПК-3).

I часть Химическая биология Введение.

Понятие о химической биологии. Дисциплины на стыке основных наук: уравнения математической физики, физическая химия, химическая биология.

Что такое жизнь с точки зрения химика. Фундаментальные и прикладные цели изучения дисциплины «Химические основы биологических процессов». Живое как система. Определение живого, основные функции живого, основные свойства живого.

Многообразие и систематика живых систем. Строение клеток. Клетка как минимальная единица живого.

Два основных типа биологических макромолекул: белки и нуклеиновые кислоты.

Ковалентная химическая связь. Нековалентные химические взаимодействия: ионные взаимодействия, водородная связь, Ван дер Ваальсовы взаимодействия. Особые свойства воды. Т.н. «гидрофобные взаимодействия». Амфифильные молекулы.

Мицеллообразование. Супрамолекулярные комплексы. Самосборка. Макромолекулы как предельный случай организации молекул в пространстве. Супрамакромолекулярные комплексы.

Биологические мембраны: липидный бислой.

Биологические мембраны: определение, строение и свойства. Липиды:

классификация, химическая структура. Фосфолипиды, их амфифильность. Липидные мицеллы, бислои, липосомы.

Структура и функция белка.

Протеом - белковый портрет клетки. Уровни организации структуры белка.

Первичная структура: белок как линейная информационная макромолекула, обладающая направленностью. Аминокислоты: классификация по структуре бокового радикала.

Определение первичной структуры белка методом масс-спектрометрии. N-конец и C конец макромолекулы белка.

Типы вторичной структуры белка: альфа-спираль и бета-структура. Водородная связь в основной полипептидной цепи.

Третичная структура белка, конформация полипептидной цепи. Сложная поверхность белка, специфичность взаимодействия с другими молекулами. Связывание и катализ.

Четвертичная структура белка. Cупрамакромолекулярные комплексы.

Функции белков. Мутации в молекуле белка.

Мембранные белки. Особенности строения. Типы трансмембранного транспорта.

Аквапорин обеспечивает проницаемость мембраны для воды, пассивная диффузия.

Селективность аквапорина по отношению к протону.

Обмен веществом и энергией.

Обмен энергией как предмет изучения биоэнергетики. Аденозинтрифосфат (АТР) универсальный реакционный модуль биохимических реакций. Термодинамика биохимических реакций.

Фотосинтез. Электрохимический потенциал. Активный транспорт протонов:

бактериородопсин как протонный насос.

Структура нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные, линейные, полярные биомакромолекулы. ДНК и РНК. ДНК как сополимер двухатомного спирта (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Структура гетероциклических оснований:

пурины и пиримидины. Первичная структура ДНК. Вторичная структура двутяжевой ДНК. Изогеометричность комплементарных пар, стэкинг-взаимодействия. Топология ДНК, суперспирализация.

Биосинтез нуклеиновых кислот.

I. Понятие о репликации. Полуконсервативный механизм, механизм реакции полимеризации нуклеозидтрифосфатов как мономеров. ДНК – полимераза.

Три этапа репликации - инициация, элонгация и терминация. Проблема полярности. Фрагменты Оказаки. Топологическая проблема репликации. Антибиотики и яды. Ингибиторы топоизомеразы — антибиотики. Противовирусные и противораковые препараты на основе аналогов субстратов.

II. Понятие о транскрипции. Механизм полимеризации рибонуклеозидтрифосфатов как мономеров. РНК-полимераза.

Три этапа транскрипции - инициация, элонгация и терминация. Сигналы транскрипции, промотор. Ингибиторы транскрипции: блок матрицы, блок фермента, аналоги субстратов. Яды, антибиотики, противовирусные и противораковые препараты.

Обратная транскриптаза.

Биосинтез белка.

Отличия РНК от ДНК Первичная структура РНК. Вторичная структура однотяжевой РНК. Третичная структура РНК. Мимикрия пространственной структуры РНК и белка. РНК-ферменты – рибозимы. Функции нуклеиновых кислот.

Понятие о трансляции. Основная "догма" молекулярной биологии. Генетический код, его свойства. Декодирование аминоацил-тРНК-синтетазой. Активация аминокислот. Аминоациладенилат. Рибосома - наноробот для биосинтеза белка.

Механизм реакции образования пептидной связи. Стадии процесса трансляции.

Регуляция экспрессии генов. Система передачи сигнала.

Фенотип клетки. Протеом.

Прокариоты: Операторно - промоторный участок ДНК, регуляторный белок, оперон. 2 типа контроля у прокариот: негативный и позитивный. 4 варианта регуляции экспрессии генов прокариот при участии лиганда. Триптофановый оперон.

Эукариоты: избыточность и неоднозначность регуляции.

Сигналы для клетки. Ответы клетки. Дифференцировка, блоки, каскады. Пример – эмбриогенез. Три типа систем передачи сигнала. Четыре свойства системы передачи сигнала. Усиление и объединение сигнала. Каскад фосфокиназ. Модель нейронной сети. Нелинейность функции выхода, обучаемость, устойчивость.

Рак как множественное нарушение системы передачи сигнала для деления клеток.

Геном, плазмиды, вирусы.

Геном: определение, размеры. Ген: определение, структура.

Строение генов прокариот.

Строение генов эукариот. Сплайсинг, химия сплайсинга, "конструктор РНК". Домены в структуре белка. Иммунный ответ, иммуноглобулины.

Комбинаторика экзонов антител.

Динамика генома. Рекомбинация ДНК.

Плазмиды - "генетические аксессуары". Структура плазмид и основные свойства.

Вирусы – химические (неживые) супрамолекулярные комплексы. Примеры вирусов прокариот и эукариот. Ретровирусы.

Генетическая инженерия.

Анализ геномов. Определение первичной структуры ДНК. Автоматический синтез ДНК. Полимеразная цепная реакция.

Эндонуклеазы рестрикции. Полиморфизм длины рестрикционных фрагментов.

Дактилоскопия ДНК.

Клонирование. Примеры терапевтического клонирования.

Генная инженерия - 4 основных этапа конструирования рекомбинантных ДНК..

Векторная ДНК, два типа автономно реплицирующихся векторов, основные свойства векторов. Введение ДНК в клетку, трансформация и трансфекция. Клонирование рекомбинантной ДНК. Скриниг клонотеки и идентификация клонов. Трансгенные организмы. Генотерапия.

Основная литература по курсу:

1. Leningher A.L., Nelson D.L., Cox M.M. Principles of Biochemistry (2nd ed.). Worth Publishers, 1993.

2. Я. Кольман, К.Г. Рём. Наглядная биохимия. М., Мир, 2004.

3. Э. Рис, М. Стенберг. Введение в молекулярную биологию. М., Мир, 2002.

II часть Энзимология ТЕМА 1: ОБЩИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ФЕРМЕНТОВ 1. Ферменты как природные катализаторы. Основные отличия ферментативного катализа от традиционного химического. Ферменты в химии.

2. Источники ферментов. Нахождение ферментов в природных объектах, локализация ферментов в клетке.

3. Биосинтез ферментов. Посттрансляционная модификация. Сборка ферментов.

Кофакторы и простетические группы.

4. Методы выделения биополимеров: особенности и трудности. Методы фракционирования белков. Хроматография, электрофорез и изоэлектрическая фокусировка. Критерии чистоты ферментных препаратов 5. Энергия и силы в биосистемах. Взаимодействия в белковой молекуле:

ковалентные, водородные связи, гидрофобные и электростатические взаимодействия.

6. Уровни структурной организации белков: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры, понятие о сверхвторичных структурах и доменах.


7. Стабильность белков (ферментов). Денатурация и инактивация. Принципы стабилизации ферментов 8. Химическая модификация белков (ферментов). Виды ферментных препаратов.

9. Классификация ферментов.

ТЕМА 2: КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА 10. Стационарная кинетика ферментативных реакций. Методы обработки экспериментальных данных.

11. Кинетические схемы Михаэлиса и Анри, их дискриминация.

12. Трехстадийная схема ферментативного катализа. Константы скорости в элементарных стадиях ферментативного катализа. Лимитирующие стадии ферментативных реакций.

13. Ингибирование ферментов. Обратимые и необратимые ингибиторы. Основы ингибиторного анализа.

14. Влияние рН на скорость ферментативной реакции, рН-зависимости кинетических параметров.

15. Температурные зависимости скоростей ферментативных реакций.

Термоинактивация ферментов.

16. Активные центры ферментов. Каталитические и сорбционные подцентры ферментов. Основные структурные элементы. Специфичность и эффективность ферментативного катализа.

17. Физикохимические причины ускорения ферментативных реакций. Эффекты сближения и ориентации, усиление реакционной способности в ансамблях функциональных групп, эффекты среды. Теории ферментативного катализа.

18. Общий кислотно-основной катализ в механизме действия ферментов.

Промежуточные соединения в ферментативном катализе.

19. Активные центры ферментов и механизмы катализируемых реакций. Понятия о химических механизмах действия -химотрипсина, трипсина, эластазы, папаина, пепсина, лизоцима, карбоксипептидазы, рибонуклеазы, карбоангидразы.

ТЕМА 3: ПРИКЛАДНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ 20. Прикладная энзимология, основные направления развития и области практического использования ферментов. Биоконверсия вещества и энергии.

21. Иммобилизованные биокатализаторы. Носители и методы иммобилизации.

Основные характеристики иммобилизованных ферментов.

22. Использование ферментов в химическом синтезе. Принципы конструирования реакционных систем.

23. Использование ферментов в химическом анализе и медицинской диагностике.Иммуноферментный анализ. Биолюминесцентный анализ.

Биосенсоры.

24. Ферменты в медицине. Лекарственные препараты на основе ферментов и их регуляторов.

25. Основные мишени действия лекарственных препаратов.

26. Ферменты антибактериального действия. Особенности строения клеточной стенки бактерий.

27. Нестероидные противовоспалительные препараты.

28. Транспорт в живых системах. Рецепторы и системы передачи сигнала. Понятие о гормональной регуляции.

29. Механизмы обеспечения целостности организма и иммунитет.

30. Инженерия биокатализаторов и биокаталитических систем.

31. Современное состояние и тенденции развития химической энзимологии Рекомендуемая литература к части II Энзимология 1. A.L.Leninger, D.L.Nelson, M.M.Cox "Principles of Biochemistry", Worth Publishers, Inc.: N.Y., 2. И.В.Березин, К.Мартинек "Основы физической химии ферментативного катализа", М.: Высшая Школа, 3. Г.Шульц, Р.Ширмер "Принципы структурной организации белков" М.: Мир, 4. Э.Фёршт "Структура и механизм действия ферментов", М.: Мир, 5. С.Д.Варфоломеев "Химическая энзимология", М.: Академия, 6. И.В.Березин, Н.Л.Клячко,А.В.Левашов и др. "Иммобилизованные ферменты" (Биотехнология. Кн.7), М.: Высшая Школа, 1987.

7. Е.В.Румянцев, Е.В.Антина, Ю.В.Чистяков "Химические основы жизни", М.:

Химия, 2007.

Составители:

д.х.н., профессор кафедры химии природных соединений Химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова А.М. Копылов д.х.н., профессор, кафедры энзимологии Химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова А.В. Левашов   ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Программа для подготовки специалистов ОБЪЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Целью курса "Высокомолекулярные соединения" является знакомство студентов с основами науки о полимерах и ее важнейшими практическими приложениями, знание которых необходимо каждому химику, независимо от его последующей узкой специализации.

Объективная основа формирования фундаментальной научной дисциплины "Высокомолекулярные соединения" заключается а том, что полимерное состояние особая форма существования веществ, которая в основных физических и химических проявлениях качественно отличается от низкомолекулярных веществ. Главное внимание в курсе уделяется рассмотрению основных свойств высокомолекулярных соединений отличных от свойств низкомолекулярных веществ. С одной стороны, большие размеры и цепное строение макромолекул обуславливают появление ряда важных специфических свойств, которые определяют практическую ценность полимеров как материалов, а также их биологическое значение. С другой стороны, химические превращения и синтез полимеров осуществляются в результате ряда обычных химических реакций хорошо известных из органической химии низкомолекулярных соединений. Однако, участие в этих реакциях макромолекул, макрорадикалов, макроионов вносит качественно новые аспекты в рассмотрение обычных химических реакций.

Лекционному курсу "Высокомолекулярные соединения" сопутствует выполнение студентами лабораторных работ, которые охватывают все основные разделы курса: синтез полимеров, химические превращения, механические свойства, структура полимеров, растворы полимеров, полиэлектролиты. По каждому разделу студент выполняет одну лабораторную работу. Таким образом, теоретические знания, полученные студентами при прослушивании лекционного курса, закрепляются приобретением практических навыков работы с высокомолекулярными соединениями.

1. ВВЕДЕНИЕ Основные понятия и определения: полимер, олигомер, макромолекула, мономерное звено, степень полимеризации, контурная длина цепи. Молекулярные массы и молекулярно-массовые распределения (ММР). Усредненные (средние) молекулярные массы (среднечисловая, средневесовая). Важнейшие свойства полимерных веществ, обусловленные большими размерами, цепным строением и гибкостью макромолекул.

Роль полимеров в живой природе и их значение как промышленных материалов (пластмассы, каучуки, эластомеры, волокна и пленки, покрытия, клеи). Предмет и задачи науки о высокомолекулярных соединениях (полимерах). Место науки о полимерах как самостоятельной фундаментальной области знания среди других фундаментальных химических дисциплин. Её роль в научно-техническом прогрессе, развитии нанотехнологий и основные исторические этапы ее развития.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ Классификация полимеров в зависимости от происхождения, химического состава и строения основной цепи и топологии макромолекул. Однотяжные и двухтяжные макромолекулы. Природные и синтетические полимеры. Органические, элементоорганические и неорганические полимеры. Линейные, разветвленные, лестничные и сшитые полимеры, дендримеры. Гомополимеры, сополимеры, блок сополимеры, привитые сополимеры. Гомоцепные и гетероцепные полимеры.

Биополимеры, основные биологические функции белков, рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот. Краткая характеристика и области применения важнейших представителей различных классов полимеров.

3. ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗОЛИРОВАННЫХ МАКРОМОЛЕКУЛ Конфигурация макромолекул и конфигурационная изомерия. Локальные и конфигурационные изомеры в макромолекулах полимеров монозамещенных этиленов и диенов. Стереоизомерия и стереорегулярные макромолекулы. Изотактические и синдиотактические полимеры.

Конформационная изомерия и конформации макромолекул. Внутримолекулярное вращение и гибкость макромолекулы. Количественные характеристики гибкости макромолекул (среднеквадратичное расстояние между концами цепи, радиус инерции макромолекулы, статистический сегмент, персистентная длина). Свободно-сочлененная цепь как идеализированная модель гибкой макромолекулы. Функция распределения расстояний между концами свободносочлененной цепи (гауссовы клубки). Средние размеры макромолекулы с учетом постоянства валентных углов. Энергетические барьеры внутреннего вращения;

понятие о природе тормозящего потенциала. Поворотные изомеры и гибкость реальных цепей. Связь гибкости (жесткости) макромолекул с их химическим строением: факторы, влияющие на гибкость реальных цепей. Упорядоченные конформации изолированных макромолекул (полипептиды, белки, нуклеиновые кислоты).

Полимер-полимерные комплексы синтетических и природных полимеров. Кооперативные конформационные превращения.

4.МАКРОМОЛЕКУЛЫ В РАСТВОРАХ.

Термодинамика растворов полимеров. Термодинамический критерий растворимости и доказательство термодинамической равновесности растворов. Фазовые диаграммы систем полимер - растворитель. Критические температуры растворения. Неограниченное и ограниченное набухание.

Зависимость растворимости от молекулярной массы. Физико-химические основы фракционирования полимеров.

Термодинамическое поведение макромолекул в растворах и их особенности по сравнению с поведением молекул низкомолекулярных веществ. Отклонения от идеальности и их причины. Уравнение состояния полимера в растворе. Второй вириальный коэффициент и -температура (-условия). Невозмущенные размеры макромолекул в растворе и оценка гибкости.

Концентрированные растворы полимеров и гели. Ассоциация макромолекул в концентрированных растворах и структурообразование. Жидкокристаллическое состояние жесткоцепных полимеров. Лиотропные жидкокристаллические ситемы и их фазовые диаграммы. Особенности реологических и механических свойств концентрированных растворов.

Методы определения молекулярных масс полимеров. Определение среднечисловой молекулярной массы из данных по осмотическому давлению растворов полимеров.

Светорассеяние как метод определения средневесовой молекулярной массы полимеров.

Определение размеров макромолекул.

Гидродинамические свойства макромолекул в растворах. Вязкость разбавленных растворов. Приведенная и характеристическая вязкости. Связь характеристической вязкости с молекулярной массой и средними размерами макромолекул. Вискозиметрия как метод определения средневязкостной молекулярной массы. Уравнение Флори-Фокса и Марка-Куна-Хаувинка.


Диффузия макромолекул в растворах. Гельпроникающая хроматография как метод оценки молекулярной массы полимеров.

Седиментация макромолекул (ультрацентрифугирование). Определение молекулярных масс методами ультрацентрифугирования и диффузии.

Ионизующиеся макромолекулы (полиэлектролиты). Химические и физико-химические особенности поведения ионизирующихся макромолекул (поликислот, полиоснований и их солей). Количественные характеристики силы поликислот и полиоснований.

Электростатическая энергия ионизированных макромолекул. Специфическое связывание противоионов. Кооперативные конформационные превращения ионизирующихся полимеров в растворах. Изоэлектрическая и изоионная точка. Амфотерные полиэлектролиты.

5.ПОЛИМЕРНЫЕ ТЕЛА Структура и основные физические свойства полимерных тел. Особенности молекулярного строения полимеров и принципы упаковки макромолекул. Аморфные и кристаллические полимеры. Условия, необходимые для кристаллизации полимеров.

Температура кристаллизации и температура плавления. Структура и надмолекулярная организация кристаллических полимеров. Различия и сходство в структурной организации кристаллических и аморфных полимеров. Термотропные жидкокристаллические (мезоморфные) полимеры.

Термомеханические свойства аморфных полимеров - три физических состояния..

Высокоэластическое состояние. Термодинамика и молекулярный механизм высокоэластической деформации. Энтропийная природа высокоэластичности. Связь между равновесной упругой силой и удлинением. Нижний предел молекулярных масс, необходимых для проявления высокоэластичности. Релаксационные явления в полимерах.

Механические и диэлектрические потери. Принцип температурно-временной суперпозиции.

Стеклообразное состояние. Особенности полимерных стекол. Вынужденная эластичность и изотермы растяжения. Механизм вынужденно-эластической деформации.

Предел вынужденной эластичности. Хрупкость полимеров.

Вязко-текучее состояние. Механизм вязкого течения. Кривые течения полимеров.

Зависимость температуры вязкого течения от молекулярной массы. Аномалии вязкого течения. Формование изделий из полимеров на режиме вязкого течения.

Пластификация полимеров. Правила объемных и молярных долей. Механические модели аморфных полимеров.

Свойства кристаллических полимеров. Термомеханические кривые кристаллических и кристаллизующихся аморфизованных полимеров. Изотермы растяжения и молекулярный механизм “холодного течения” кристаллических полимеров и полимерных стекол при растяжении.

Ориентированные структуры кристаллических и аморфных полимеров. Анизотропия механических свойств. Способы ориентации. Принципы формования ориентированных волокон и пленок из расплавов и растворов. Особенности формирования жидкокристаллической фазы;

получение суперпрочных волокон и пластиков.

Композиционные и наполненные полимеры.

Долговечность полимерных материалов и механизм разрушения полимеров.

Теоретическая и реальная прочность полимеров. Ударная прочность полимеров.

6. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ Особенности реакционной способности функциональных групп макромолекул.

Химические реакции, не приводящие к изменению степени полимеризации макромолекул:

полимераналогичные и внутримолекулярные превращения. Примеры использования полимераналогичных превращений и внутримолекулярных реакций для получения новых полимеров.

Химические реакции, приводящие к изменению степени полимеризации макромолекул.

Деструкция полимеров. Механизм цепной и случайной деструкции. Деполимеризация.

Термоокислительная и фотохимическая деструкция. Механодеструкция. Принципы стабилизации полимеров.

Сшивание полимеров (вулканизация каучуков, отверждение эпоксидных смол).

Использование химических реакций макромолекул для химического и структурно химического модифицирования полимерных материалов и изделий. Привитые и блок сополимеры - основные принципы синтеза и их физико-химические свойства.

7.СИНТЕЗ ПОЛИМЕРОВ Классификация основных методов получения полимеров. Полимеризация.

Термодинамика полимеризации. Понятие о полимеризационно-деполимеризационном равновесии. Классификация цепных полимеризационных процессов.

Радикальная полимеризация. Инициирование радикальной полимеризации. Типы инициаторов. Реакции роста, обрыва и передачи цепи. Кинетика радикальной полимеризации при малых степенях превращения. Понятие о квазистационарном состоянии. Псевдоживая радикальная полимеризация. Молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение полимеров, образующихся при радикальной полимеризации. Полимеризация при глубоких степенях превращения.

Радикальная сополимеризация. Уравнение состава сополимеров. Относительные реакционные способности мономеров и радикалов. Роль стерических, полярных и других факторов;

схема Q-е.

Способы проведения полимеризации: в массе, в растворе, в суспензии и в эмульсии.

Катионная полимеризация. Характеристика мономеров, способных вступать в катионную полимеризацию. Катализаторы и сокатализаторы. Рост и ограничение роста цепей при катионной полимеризации. Влияние природы растворителя. Кинетика процесса.

Анионная полимеризация. Характеристика мономеров, способных вступать в анионную полимеризацию. Катализаторы анионной полимеризации. Инициирование, рост и ограничение роста цепей при анионной полимеризации. “Живые цепи”.

Координационно-ионная полимеризация в присутствии гомогенных и гетерогенных катализаторов типа Циглера - Натта. Принципы синтеза стереорегулярных полимеров.

Особенности ионной полимеризации циклических мономеров.

Поликонденсация. Типы реакций поликонденсации. Основные различия полимеризационных и поликонденсационных процессов. Термодинамика поликонденсации и поликонденсационное равновесие. Молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение при поликонденсации. Кинетика поликонденсации.

Проведение поликонденсации в расплаве, в растворе и на границе раздела фаз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Современные тенденции и новые направления в науке о полимерах. Перспективы промышленного производства полимеров. Полимерное материаловедение и нанотехнология.

Литература ОСНОВНАЯ 1. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения, Учебник, М. Академия, 2. Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров: Учебник М.: КолосС, 3. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики.

Интеллект, Долгопрудный, 4. Киреев В.В. Высокомолекулярные соединения, Учебник М.: Высшая Школа, 5. Практикум по высокомолекулярным соединениям, под редакцией В.А. Кабанова, Учебное пособие, М.: Химия, ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ 1. Энциклопедия полимеров, М. Изд.БСЭ, т.т. 1-3 2. Химическая энциклопедия, М.: Издательство БРЭ, в т-т.1-5 (1988-1998) 3. Элиас Г.Г. Мегамолекулы, Ленинград, Химия, 4. Elias H.G., An Introduction to Polymer Science, VCH, Weinheim, 5. Young R., Lovell P., Introduction to Polymers, Chapman&Hall, London, 6. Stevens M. Polymer Chemistry, Oxford University Press, Oxford, 7.

Программу составили:

профессор, академик РАН Кабанов В.А., профессор, чл-корр. РАН Шибаев В.П.

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Химический факультет ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ (Программа для подготовки специалистов) 1. Введение.

Дисциплина «Химическая технология» завершает базовую подготовку студентов по химическим дисциплинам в университетском образовании. Она имеет целью сформировать основы технологического мышления, раскрыть взаимосвязи между развитием химической науки и химической технологии, подготовить выпускников университетов к активной творческой работе по созданию перспективных процессов, материалов и технологических схем.

Особенностью университетского курса химической технологии является активное использование и углубление тех знаний, которые студенты приобретают при изучении предшествующих курсов, включая многие разделы математики, физики, химической термодинамики, химической кинетики и катализа, химии неорганических и органических соединений.

Важную функцию в изучении предмета химической технологии, помимо лекционного курса, несут лабораторные и семинарские занятия. Лабораторный практикум призван дать выпускникам конкретные знания об «инструментарии» химической технологии. Путем выполнения экспериментальных работ на модельных установках студенты изучают основные закономерности классических технологических процессов и приобретают навыки использования базовых математических моделей процессов при интерпретации экспериментальных данных. На семинарские занятия целесообразно вынести ключевые для экспертизы технологических решений вопросы составления и анализа материальных, энергетических и эксергетичесих балансов химико технологических систем, а также наиболее сложные в теоретическом отношении вопросы построения математических моделей.

Самостоятельным этапом в изучении дисциплины является учебно производственная практика студентов на химических предприятиях или опытных производствах научно-исследовательских институтов. Практика призвана закрепить знания, полученные студентами на лекционных, семинарских и лабораторных занятиях;

познакомить их с реальными методами контроля и управления сложными ХТП;

приблизить к актуальным проблемам действующих химических производств. На учебно производственную практику целесообразно вынести вопросы современной экономики химических производств и маркетинга. Учебно-педагогический процесс на производственной практике строится по специальной учебной программе.

2. Общие вопросы химической технологии Роль и масштабы использования химических процессов в различных сферах материального производства. Сырьевая и энергетическая база химических производств.

Тенденции развития техносферы и возрастающее значение проблем ресурсо- и энергосбережения, обеспечения безопасности химических производств, защиты окружающей среды.

Химическое производство как сложная система. Основные этапы создания химико технологических систем (ХТС). Структурная иерархия технологических систем:

молекулярные процессы – макрокинетика – аппараты – производства – глобальные проблемы развития техносферы. Роль математического моделирования в решении задач проектирования и эксплуатации ХТС.

Фундаментальные критерии эффективности использования сырья и энергоресурсов в ХТП. Интегральные уравнения баланса материальных потоков в технологических системах. Показатели расхода различных видов сырья;

относительный выход продукта. Интегральные уравнения баланса потоков энергии. Сопоставление масштабов изменения различных форм энергии в типовых процессах. Коэффициенты преобразования энергии. Термодинамическая неравноценность различных форм энергии;

термодинамическая шкала качества тепловой энергии. Интегральное уравнение баланса энтропии;

рост энтропии в технологическом процессе. Эксергия как мера потенциальной работоспособности системы. Уравнение баланса эксергии;

связь между потерями эксергии и производством энтропии. Коэффициенты преобразования эксергии. Основные источники производства энтропии в технологических процессах;

общее выражение скорости производства энтропии через потоки субстанций и их движущие силы. Основные направления повышения эффективности использования сырьевых и энергетических ресурсов. Комплексное использование сырья. Энерготехнологические схемы и их сущность.

Химическая технология и материаловедение. Современная систематика материалов по составу, свойствам и функциональному назначению. Материалы как важная категория продуктов химической технологии. Воспроизводимость свойств материалов как ключевая проблема материаловедения. Функциональные материалы в химической технологии:

катализаторы, адсорбенты, электроды, мембраны, сенсоры и др. Параметры ныне применяемых функциональных материалов и прогнозируемые характеристики. Ресурс функциональных материалов – один из важнейших критериев их использования в технологии. Конструкционные материалы как фактор, лимитирующий применение экстремальных физических воздействий в технологии. Химическое сопротивление металлических и неметаллических материалов. Методы защиты металлов и сплавов от коррозии. Основные виды неметаллических конструкционных материалов. Роль новых материалов при разработке эффективных технологических схем и интенсификации технологических процессов.

Экономические показатели эффективности химических производств. Технико экономические особенности химической промышленности. Основные производственные фонды, оборотные средства и трудовые ресурсы производств. Критерии эффективности их использования. Структура затрат на производство и реализацию продукции.

Себестоимость продукции, прибыль и ценообразование в химической промышленности.

Оценка эффективности инвестиционных проектов.

3. Теоретические основы химической технологии.

Макроскопическая теория физико-химических явлений – теоретическая база химической технологии. Основные макроскопические переменные параметры, характеризующие перенос и превращение вещества, импульса и энергии в распределенных неравновесных системах. Обобщенная форма дифференциальных уравнений баланса, связывающих функции плотности, потока и источника субстанции.

Конвективный и кондуктивный перенос субстанции. Классические законы пропорциональности кондуктивных потоков химического компонента, импульса и теплоты градиентам концентрации, скорости и температуры. Характеристика коэффициентов переноса в различных средах. Конкретные частные формы дифференциальных уравнений баланса вещества, импульса и энергии.

Элементы механики газов и жидкостей. Представление о множестве экспериментально наблюдаемых режимов обтекания сплошной средой тела правильной формы в зависимости от интервала изменения критерия гидродинамического подобия Рейнольдса. Режимы течения сплошной среды в каналах и при фильтрации через плотные слои гранулированных материалов. Расчет профиля скорости и перепада давления в прямолинейном канале (щелевом или цилиндрическом). Течения, обусловленные градиентами плотности и поверхностного натяжения.

Механизмы переноса импульса в потоке. Число Рейнольдса, как мера сравнения двух основных механизмов переноса импульса. Неравноценность масштабов движения по разным направлениям, гидродинамический пограничный слой. Уравнения Прандтля.

Толщина гидродинамического пограничного слоя. Значение экспериментальных и теоретических методов механики сплошных сред для химической технологии.

Краткие сведения о насосах, компрессорных машинах и турбинах. Методы смешения фаз и разделения гетерогенных систем. Тепловые процессы в химической технологии. Способы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение, и соответствующие уравнения теплопереноса. Технологические способы нагревания и охлаждения. Теплообменные аппараты. Математическое моделирование процессов теплообмена. Коэффициенты теплопереноса;

полуэмпирические критериальные соотношения. Представление о сложении термических сопротивлений и лимитирующем сопротивлении. Пути интенсификации процессов теплообмена и повышения их термодинамической эффективности.

Массообменные процессы. Основные принципы массообменных процессов в системах газ–жидкость, жидкость–жидкость, газ–твердое тело, жидкость–твердое тело.

Равновесные, кинетические и механические факторы в организации процессов межфазного массообмена. Моделирование стационарного процесса абсорбции. Аналогия с теплообменом. Коэффициенты массопереноса;

полуэмпирические критериальные соотношения. Средства интенсификации массообмена.

Аппаратурное оформление и моделирование процессов разделения смесей веществ методом ректификации. Другие аналогичные процессы разделения, осуществляемые по схеме с обращением потока смеси. Расчет требуемой высоты колонны для заданной степени разделения в стационарном безотборном режиме работы колонны. Связь между глубиной разделения и производительностью колонны. Основные источники энергозатрат в ректификации и пути их снижения.

Мембранная технология разделения смесей веществ. Равновесные и кинетические факторы, определяющие эффективность мембранного разделения. Иерархическая структура современных мембранных материалов. Теоретическая минимальная работа разделения. Конструкция мембранных аппаратов. Многоступенчатые каскады разделительных модулей. Комбинирование мембранных и адсорбционных модулей.

Проблема масштабного перехода в химической технологии при реализации лабораторных исследований в промышленности. Продольная дисперсия и модель Тейлора-Ариса. Химические реакторы. Основные типы химических реакторов;

примеры их использования в технологии важнейших химических продуктов. Принципы построения многоуровневых математических моделей процессов в гетерогенных каталитических реакторах.

Химико-технологические процессы как объект управления. Входные и выходные параметры системы;

параметры состояния, конструкционные и управляющие параметры;

функциональный оператор системы Задача выбора адекватной математической модели и параметрической идентификации объекта.

4.Структура и технологические схемы химических производств.

Масштабы мирового производства важнейших групп химических продуктов в тоннажном и стоимостном выражении, удельном энергопотреблении, стоимости и сроках службы основных видов оборудования. Прогнозные данные о сырьевом обеспечении крупномасштабных промышленных химических процессов, включая переработку первичных энергоресурсов во вторичные, производство металлов и полимерных материалов, минеральных удобрений, серной кислоты и т.д. Общие сведения об основных источниках промышленных отходов и выбросов, их воздействие на окружающую среду.

Сложность и многовариантность решения задачи синтеза и оптимизации технологической схемы крупного химического производства. Принцип многостадийного осуществления химического преобразования исходного сырья в конечные продукты с оптимальным варьированием вдоль траектории процесса температуры и давления, точек ввода реагентов и вывода побочных продуктов химических превращений, использованием вспомогательных рабочих веществ селективного действия (катализаторов, абсорбентов и т.д.), организацией местных рециклов материальных потоков. Структурная организация процессов теплообмена и вспомогательных потоков теплоносителей в современных технологических системах, направленная на утилизацию теплоты (термической эксергии) экзотермических стадий процесса при проведении его эндотермических стадий. Необходимость оптимизации не отдельных стадий, а технологической схемы производства в целом. Вода как сырье и компонент химических производств;

процессы водоподготовки и подсистемы водооборота в промышленности.

Подсистемы контроля и управления технологическими процессами. Виды технологического анализа на химических предприятиях. Перспективы использования суперкомпьютеров для анализа динамического поведения многоступенчатых технологических систем и оптимального управления действующими производствами.

Анализ технологических схем некоторых важнейших химических производств Технология азота Ключевое значение технологии связывания атмосферного азота в производстве продовольствия. Структура современного производства аммиака из природного газа:

основные блоки и связи. Гибкое использование гетерогенных катализаторов в многоступенчатой схеме приготовления и очистки азотоводородной смеси. Наиболее важные схемные решения, направленные на энергосбережение: сопряжение эндотермической реакции конверсии метана и экзотермических процессов окисления топлива в шахтном реакторе;



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.