KE554: Kvantekemi for medicinalkemi

Studerende, der følger kurset, forventes at:

• Have kendskab til indholdet af matematik-, fysik- og kemi-delen af kurserne på første studieår i bacheloruddannelsen.
• Kunne anvende de matematiske redskaber fra første år og KE551, samt klassisk fysik (specielt kinetisk og potentiel energi, impuls og impulsmoment, kræfter, Coulombpotentialet).

Kursets formål er at give de studerende en grundlæggende teoretisk forståelse for molekylers elektronstruktur, kemisk binding og reaktivitet samt optisk spektroskopi baseret på den kvantemekaniske beskrivelse af atomer og molekyler. 

Kurset introducerer det teoretiske grundlag for at studere emnerne NMR og anden spektroskopi, uorganisk ligand-felt teori m.v., fysisk organisk kemi, molecular modelling, samt ISA’er og bachelorprojekt i teoretisk kemi. Nogle af disse emner er obligatoriske, nogle er valgfri, og alle er placeret senere i uddannelsen.

I forhold til uddannelsens kompetenceprofil har kurset eksplicit fokus på at:

• Give kompetence til at fortolke elektroniske og vibrationelle egenskaber af molekyler ud fra kvantemekanikken, med særligt fokus på molekylorbitalteori
• Give færdigheder i at anvende kvantekemiske computerprogrammer til modellering af molekyler på et indledende niveau
• Give viden om og forståelse for molekylorbitalteori og den tilgrundliggende kvantemekanik såvel som det elementære teoretiske grundlag for vibrations-, elektronisk og fotoelektronspektroskopi.

For at opnå kursets formål er det læringsmålet for kurset, at den studerende demonstrerer evnen til at:

• redegøre for de kvantemekaniske postulater og principper og de nødvendige matematiske teknikker, specielt superpositionsprincippet og variationsprincippet.
• forklare løsningen af Schrödingerligningen for partikel i en kasse.
• opskrive både den elektroniske og den totale Hamiltonoperator for ethvert molekyle og forklare betydningen af de enkelte led.
• redegøre for og anvende Born-Oppenheimerapproksimationen, Pauliprincippet, Hunds regler, variationsprincippet, superpositionsprincippet.
• redegøre for den kvantemekaniske beskrivelse af impulsmoment (angulært moment) og dennes betydning med hensyn til at beskrive elektroners impulsmoment i atomer og lineære molekyler.
• redegøre for spin, fermioner og bosoner, og kobling af spin med spin.
• redegøre for løsningerne til Schrödingerligningen for én-elektron atomer og være i stand til at koble atomorbitalers impulsmoment og spin korrekt til totale værdier for flerelektronsystemer.
• anvende skærmingsbegrebet (shielding) til at forklare atomers egenskaber i molekyler: elektronegativitet, grundtilstanden af overgangsmetaller, mønstre i ioniseringsenergier og elektronaffiniteter, forskelle i bindingsegenskaber for forskellige oxidationstilstande.
• teoretisk forklare elektroniske UV/vis og PES spektre for alle typer molekyler ud fra molekylorbitalteori og dipol udvalgsregler.
• redegøre for den kvantemekaniske beskrivelse af en harmonisk oscillator og forklare hvordan den kan benyttes til at fortolke IR og Raman.
• udføre molekylorbitalberegninger med det kvantekemiske programsystem brugt ved computerøvelserne og fortolke resultaterne af beregningerne

Der lægges specielt vægt på, at den studerende er fortrolig med de begreber og sammenhænge, der knytter sig til kursets hovedemner, og kan kombinere disse begreber til at løse mere sammensatte opgaver inden for disse emner.

Kurset indeholder følgende faglige hovedområder:

• Schrödingerligningen og kvantemekaniske principper
• atomorbitaler, skærmning og atomorbitalenergier
• Born-Oppenheimer approksimationen
• molekylorbitaler og elektrontilstande
• variationsprincippet og perturbationsteori for to tilstande
• introduktion til beregningskvantekemi og vurdering af resultater
• elementær teoretisk baggrund for optisk vibrations-, elektronisk og fotoelektronspektroskopi

• Introfase (forelæsning): Antal timer: 26
• Træningsfase: Antal timer: 24, heraf 16 timer eksaminatorier og 8 timer computerøvelser.

Aktiviteter i studiefasen: Læsning af lærebog og kursusnoter, forberedelse til opgaveregning, forberedelse til computerøvelser og eksamensforberedelse.