Università degli Studi di Padova Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Dipartimento di Scienze Chimiche Chimica computazionale: uno strumento per la comprensione dei processi molecolari dalla ricerca teorica al metodo computazionale Antonino Polimeno Università degli Studi di Padova Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Dipartimento di Scienze Chimiche Strumenti per la comprensione dei processi molecolari: dalla ricerca teorica al metodo computazionale 9 Chimica “tradizionale” e chimica computazionale 9 Metodi di calcolo di proprietà di sistemi chimici 9 Esempi ed applicazioni 9 Conclusioni: verso un laboratorio virtuale? Robert Boyle (1627-1691) Antoine Lavoisier (1743-1794) Stanislao Cannizzaro (1826–1910) Linus Pauling (1901-1994) Chimica teorica & chimica computazionale Teoria & calcolo CHIMICA TEORICA 9 Sviluppo di teorie e modelli per – dinamica e reattività chimica – interpretazione di spettroscopie – proprietà strutturali e dinamiche di fluidi complessi 9 usando metodi di – meccanica statistica – meccanica quantistica – termodinamica (di equilibrio e non-equilibrio) CHIMICA COMPUTAZIONALE 9 Sviluppo di algoritmi 9 Implementazione di programmi di calcolo 9 Utilizzo di pacchetti di software – calcoli molecolari quantomeccanici – meccanica molecolare e ibridi QM-MM – simulazioni di Dinamica Molecolare e Montecarlo – metodi mesoscopici di simulazione Chimica teorica/computazionale (1) La chimica teorica è la branca della chimica che si occupa dello sviluppo di modelli matematici, matematici basati sulla meccanica classica e sulla meccanica quantistica, di sistemi chimici (molecole singole, cluster/aggregati, sistemi supramolecolari e fasi/materiali). Chimica teorica/computazionale (2) La chimica computazionale è la branca della chimica che si occupa dell’implementazione dei modelli teorici nella forma di codici di calcolo e della loro applicazione alla simulazione di sistemi chimici, con lo scopo di calcolarne le grandezze fisiche caratteristiche e prevederne le proprietà chimiche. Chimica teorica/computazionale (3) 9 La potenza predittiva delle simulazioni è legata alle caratteristiche delle macchine che si hanno a disposizione. 9 Il numero di operazioni floating-point per secondo (FLOPS) e la capacità di memoria sono i più importanti parametri che determinano la possibilità di eseguire simulazioni in tempi ragionevoli. 9 Nonostante già nei primi anni del XX secolo il supporto teorico per la formulazione dei modelli fosse pronto, il grande sviluppo della chimica computazionale si è avuto negli ultimi 30 anni, anni proprio perché si è iniziato a disporre di sistemi hardware sufficientemente potenti. da www.wikipedia.org (Chimica computazionale) cdc.6600 card reader (1964) Blue Gene: 70.72 Teraflops (2004) Chimica computazionale 9 Il calcolo permette di interpretare i dati sperimentali (es. spettroscopie ottiche e magnetiche) relativi a sistemi chimici esistenti 9 Il calcolo permette di determinare le proprietà di sistemi molecolari che per motivi tecnici od economici non sono misurabili sperimentalmente 9 I metodi della chimica computazionale possono essere di grande utilità per la progettazione di nuovi sistemi chimici (design molecolare) con le proprietà chimico-fisiche desiderate OR RO eRO OR hν Previsione delle proprietà di materiali Struttura e dinamica di proteine Modelli di strutture supramolecolari Dinamica molecolare di fluidi complessi Metodi (1) / meccanica classica e quantistica 1. Metodi classici: classici le proprietà molecolari sono descritte mediante modelli basati sulla elettrostatica e sulla meccanica classica 2. Metodi quantomeccanici: quantomeccanici le caratteristiche molecolari vengono descritti in termini quantistici Metodi (2) • • • • Metodi per il calcolo di strutture elettroniche – Richiamo dei concetti fondamentali della meccanica quantistica: hamiltoniani atomici e molecolari, equazione di Schrödinger,principio variazionale, momenti angolari – Metodi per la meccanica quantistica: rappresentazione di Dirac, spazi funzionali, basi di funzioni – Metodo di Hartree-Fock: determinanti di Slater, principio di autoconsistenza; implementazione di Roothaan: scelta e classificazione delle basi di orbitali atomici – Teoria del funzionale densità: teorema KS, densità locale, gradiente, metodi ibridi Metodi semiempirici: descrizione e parametrizzazione; meccanica molecolare: campi di forze e loro parametrizzazione; implementazione, vantaggi e limitazioni dei metodi MM Caratterizzazione ed impiego di software computazionale: Gamess, Gaussian, Spartan, Cerius, Tinker, Gromacs, CHARMM; calcolo di strutture e elettroniche ed ottimizzazione di geometrie molecolari Metodologie computazionali per fasi condensate e loro implementazione – Determinazione di proprietà di equilibrio di fasi condensate: Dinamica Molecolare; cenni ai metodi Monte Carlo e Dinamica Browniana Fondamenti: meccanica quantistica e meccanica classica Meccanica quantistica (1) 9 9 9 Le caratteristiche molecolari vengono descritti in termini quantomeccanici: gli atomi sono descritti dall’equazione di Schroedinger Ogni atomo è descritto come un nucleo carico positivamente circondato da elettroni che interagiscono con gli elettroni di altri atomi per formare gli orbitali molecolari (responsabili dei legami chimici) I metodi quantomeccanici possono a loro volta essere suddivisi in due sottocategorie: i metodi ab initio (soluzione completa) e i metodi semiempirici (soluzioni approssimate) Meccanica quantistica (2) Una particella (es. un elettrone) descritta dalla meccanica quantistica è rappresentabile come una funzione d’onda definita in tutto lo spazio e variabile nel tempo Ψ(x,t) Meccanica quantistica (3) 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Metodi ab initio Metodo di Hartree Fock (HF) Metodi post-HF Metodi CI Metodo MCSCF Metodi perturbativi Metodo Coupled Cluster Teoria del funzionale della densità (DFT) Metodi semi-empirici: metodo di Hückel / metodo INDO / metodo NDDO Meccanica e dinamica molecolare (1) 9 La meccanica molecolare è quella branca delle chimica computazionale che si prefigge lo scopo di descrivere le molecole tramite le leggi della fisica classica. 9 La meccanica molecolare è basata sul concetto di force field o campo di forze: potenziale che descrive le caratteristiche energetiche che la molecola genera in un particolare ambiente, in una certa conformazione, o rispetto ad un’altra molecola. Meccanica e dinamica molecolare (2) Force field MM Distribuzione di carica Meccanica e dinamica molecolare (3) 9 Nella dinamica molecolare le molecole vengono descritte dall’equazione di Newton del moto 9 Ogni atomo o gruppo di atomi è trattato come una massa m, con una posizione x nello spazio e dotato di una velocità v; la forza agente sull’atomo è calcolata come la somma delle forze dovute agli atomi circostanti 9 Le equazioni di Newton del moto sono risolte numericamente per calcolare le traiettorie degli atomi 9 La dinamica molecolare nell'ultimo ventennio ha trovato grandi applicazioni nello studio delle proteine, dei lipidi e dei polimeri Dalla molecola isolata alla fase macroscopica Calcolo di proprietà termodinamiche, spettroscopiche, reattività chimica Dinamica Molecolare / Monte Carlo Force Fields (FF) Potential Energy Surfaces (PESs) Trattamento implicito/esplicito del mezzo (solvente) Calcolo degli stati elettronici molecolari Metodi: meccanica quantistica Meccanica quantistica / QM • Le tecniche di calcolo quanto-meccanico permettono lo studio di proprietà molecolari (momento di dipolo, polarizzabilità, densità elettronica etc.) a partire dalla soluzione numerica dell'equazione di Schrödinger – metodi ab initio: calcoli autoconsistenti di Hartree-Fock (HF), interazione di configurazione (CI); metodi DFT. DFT L'equazione di Schrödinger viene risolta in modo `esatto' (mediante un'espansione della funzione d'onda su una base di funzioni note, o mediante l'applicazione di tecniche perturbative) – metodi semiempirici: metodi di Hückel, Hückel esteso, PPP, i vari metodi NDO (neglect of differential overlap); varie approssimazioni e parametrizzazioni sono introdotte per semplificare gli integrale numerici a uno, due o più elettroni che sono definiti nell'approccio esatto Metodi QM (1) / Hamiltoniani • La definizione dell'hamiltoniano completo di un sistema atomico o molecolare non è affatto un problema semplice. • Si trascurano termini di interazione con campi elettrici e magnetici, che sono peraltro di grande importanza per l'interpretazione di osservabili spettroscopici • Si ignorano correzioni di natura relativistica, • restano da considerare in dettaglio i vari termini di interazione elettrostatiche e magnetiche dei nuclei e degli elettroni. Metodi QM (2) / Hamiltoniani 2 2 ⎛ ⎞ 2 e 1 1 e 1 2 2 2 ˆ ˆ ˆ ˆ H =− ∇R − ∇1 + ∇ 2 − + ⎜ ⎟+ 2mHe 2me 4πε 0 ⎝ | R − r1 | | R − r2 | ⎠ 4πε 0 | r1 − r2 | 2 2 ( ) Metodi QM (3) / Grandezze scalate Massa me = 9.1091 × 10-31 Kg Lunghezza a0 = 0.52917 × 10-10 m Momento h / 2π = 4.16336 × 10-33 J s-1 Energia ε = 4.359 × 10-18 J Carica e = 1.602 × 10-19 C Metodi QM (4) / Equazione di Schroendinger Hˆ = Tn + Te + U n − n + U n −e + U n −e Hˆ el Hˆ Ψ ( Q, x ) = E Ψ ( Q, x ) ∂Ψ ( Q, x, t ) ˆ = H Ψ ( Q , x, t ) ∂t HOMO del pirrolo calcolato con il metodo Extended Huckel (isosuperficie a 0.06 u.a.) Metodi QM (5) / Born-Oppenheimer Hˆ = Tˆn + Tˆe + U n − n + U n −e + U n −e Hˆ el Hˆ elϕn ( Q | x ) = ε n (Q)ϕ n ( Q | x ) Ψ ( Q, x ) = ∑ cn ( Q ) ϕn ( Q | x ) ⎡Tˆn + ε n (Q) ⎤ cn ( Q ) = En cn ( Q ) ⎣ ⎦ Metodi QM (6) / Born-Oppenheimer Superficie che rappresenta l'orbitale 1s in un piano molecolare (H2+) Superficie che rappresenta l'orbitale 2p in un piano molecolare (H2+) Metodi QM (7) / Hartree Fock •L'approssimazione di Hartree consiste nell'identificare la funzione d'onda multielettronica (autofunzione dell'hamiltoniano elettronico) come il prodotto di Hartree di N funzioni d'onda monoelettroniche. •Evidentemente, l'approssimazione di Hartree agisce a due livelli si assume una forma di funzione d'onda compatibile solo con un hamiltoniano separabile dei N elettroni; si trascura il principio di indistinguibilità e dunque non si applica il principio di Pauli. •L'approssimazione di Hartree-Fock (HF) consiste nell'obbligare la funzione d'onda ad obbedire al principio di Pauli, assumendo che la sua forma non sia un prodotto di Hartree, bensì un determinante di Slater. Metodi QM (8) / Hartree-Fock ⎛ S1 (1) … S n (1) ⎞ 1 ⎜ ⎟ Ψ= ⎜ ⎟ n! ⎜ ⎟ S n S n ( ) ( ) n ⎝ 1 ⎠ ⎛ αi ⎞ S j ( i ) = ϕ j ( xi ) ⎜ ⎟ ⎝ βi ⎠ Metodi QM (9) / Hartree Fock •Una funzione d'onda multielettronica è approssimata da una somma finita di prodotti di funzioni monoelettroniche. •Quali sono le funzioni monoelettroniche spaziali e di spin (spinorbitali) S1,..., SN che assicurino che l'energia totale della molecola sia più vicina a quella esatta? -Allo scopo di determinare i migliori spinorbitali Si si impiega il principio variazionale: -si calcola il valore di attesa (la media) dell'hamiltoniano elettronico rispetto al determinante di Slater, - si ottiene una valore numerico che è sempre maggiore dell'energia esatta del sistema multi-elettronico. Metodi QM (10) / Implementazione E= Ψ | Hˆ | Ψ Ψ|Ψ ϕi ( x ) = ∑ ail χ l ( x ) F11 − ES11 F21 − ES 21 … FN −11 − ES N −11 FN 1 − ES N 1 F12 − ES12 F22 − ES22 … Rapporto di Rayleigh-Ritz Linear Combination of Atomic Orbitals / LCAO … … … F1N −1 − ES1N −1 F2 N −1 − ES2 N −1 … FN −12 − ES N −12 … FN −1N −1 − ES N −1N −1 FN 2 − ES N 2 … FNN −1 − ES NN −1 Diagonalizzazione F1N − ES1N F2 N − ES2 N … FN −1N − ES N −1N FNN − ES NN =0 Metodi QM (11) / Implementazione Scelta di una base Definizione di una geometria molecolare Q(0) Scelta di una matrice densità P(0) Calcolo e storage degli integrali ad 1 e 2 elettroni Costruzione e soluzione della matrice HF No P(n) sostituisce P(n-1) No Sì Minimo di energia totale ? Costruzione e soluzione della nuova matrice densità P(n) ~ P(n-1) ? Sì Geometria ottimizzata Metodi QM (12) / Metodi semiempirici • Extended Hückel theory (EHT) • Formalismo NDDO (neglect of diatomic differential overlap): si considerano solo gli integrali biatomici (µν|λσ) con µ, ν e λ, σ sullo stesso atomo – MNDO / Non considera in modo accurato i sistemi ciclici, tende a sovrastimare i calori di formazione molecolari – AM1, PM3 / Migliore trattamento dei sistemi ciclici; PM3 tende a sottostimare le cariche parziali atomiche • Problemi con il trattamento di legami idrogeno, eteroatomi ad alto peso molecolare Metodi: meccanica classica Dalla molecola isolata alla fase condensata 1. Processi dinamici e proprietà statiche di oggetti molecolari (sonde) in fasi fluide (solvente) – Sonde macroscopiche (10-100 µm) – Sonde ‘mesoscopiche’ (10-100 nm) – Sonde molecolari (0.1-1.0 nm) 2. Determinazione della dinamica accoppiata sonda/solvente 3. Solvatazione dinamica: influenza della dinamica del mezzo sulla reattività molecolare 4. Valutazione di coefficienti di dissipazione (e.g. diffusione) da proprietà macroscopiche (viscosità) 5. Valutazione di proprietà macroscopiche da caratteristiche molecolari 6. Influenza della dinamica soluto/solvente su osservabili spettroscopici Meccanica molecolare (1) µm nm Metodi MM (2) / Scale micro-macro Sonde Macroscopiche Approccio idrodinamico (il mezzo è descritto come continuo, senza dettagli molecolari) details) Sonde Mesoscopiche Metodi misti (trattamento esplicito di alcuni gradi di libertà molecolari accoppiati con coordinate solvente) Sonde molecolari Dinamica molecolare / metodi stocastici (trattamento esplicito di gradi di libertà molecolari) Metodi MM (3) / Esempio: sonde macroscopiche in fluidi anisotropi Metodi MM (4) / Esempio: sonde macroscopiche in fluidi anisotropi • Variabili di campo • Densità / Velocità / Direttore • Equazioni idrodinamiche dv ρ = ∇ ⋅σ dt σij = − pδ ij − π ik G +g +∇⋅π = 0 ∂nk + α1nk n p Akp ni n j + α 2 ni N j + α 3n j Ni + α 4 Aij + α 5ni nk Akj + α 6 n j nk Aki ∂r j v Metodi MM (5) / Esempio: sonde macroscopiche in fluidi anisotropi B γ= -1.08 Reff / V = 1 δ = 0.2 B⊥v c/a = 2 Metodi MM (6) / Esempio: cristalli liquidi 1. 2. Proprietà ottiche di display lc mediante soluzione numerica di equazioni idrodinamiche e di Poisson Geometrie complesse e griglie adattabili u u u 3 1 u 2 0 ms 10ms 20ms 30ms 2 p n u 1 u 3 Metodi MM (7) / Approcci molecolari • • • Dinamica classica con interazioni a due corpi Inclusione di forze di interazione conservative (FORCE FIELDS) Inclusione di forze stocastiche e termini di attrito (dinamica browniana, dissipative particle dynamics) • Soluzione numerica delle equazioni di Newton 1 ri ( t + ∆t ) = ri ( t ) + ∆tv i ( t ) + ∆t 2fi ( t ) 2 v i ( t + ∆t ) = v i ( t ) + ∆tfi ( t ) fi ( t + ∆t ) = fi ( ri ( t + ∆t ) , v i ( t + ∆t ) ) 1 v i ( t + ∆t ) = v i ( t ) + ∆t ⎡⎣fi ( t ) + fi ( t + ∆t ) ⎤⎦ 2 Metodi MM (8) / Studio di un materiale liquido cristallino polimerico • Modello coarsed-grained per un polimero nematico • Potenziali di interazione elastica + repulsione ‘soffice’ • Interazione anisotropica mediante potenziale P2 Metodi MM (9) / dinamica di proteine Ribbon diagram della struttura cristallina di (a) AKeco e (b) AKeco in complesso con l’inibitore AP5A. Metodi MM (10) / dinamica di proteine Mobilità della proteina AKeco da calcoli di dinamica molecolare Metodi: un esempio QM-MM Solvente Metodi QM-MM (1) / Fluoroionofori 4-(1-aza-4,7,10-trioxacyclododecyl) benzonitrile (DMABN-Crown 4) O N O N O O O N N O 4-(1-aza-4,7,10,13-tetraoxacyclopentadecyl)benzonitrile (DMABN-Crown 5) O Metodi QM-MM (2) / Fluorescenza di DMABN-derivati • I sensori di fluorescenza sono dispositivi molecolari che in seguito al legame reversibile con ioni o molecole subiscono uno spostamento consistente delle bande nello spettro di emissione. • In base allo spostamento e alla variazione del rapporto tra le intensità dei picchi si possono ricavare informazioni qualitative e quantitative sulle specie presenti in soluzione. • Insieme ad altri sistemi molecolari, il DMABN-Crown4 e il DMABN-Crown5 sono stati studiati per l'esigenza di coniugare una molecola che presenti due distinte bande di emissione (e quindi fluorescenza) legate al trasferimento di carica intramolecolare con uno ionoforo elettron-donatore in grado di complessare il catione. • La complessazione dovrebbe diminuire il trasferimento di carica e di conseguenza la banda TICT che ne deriva. Metodi QM-MM (3) / Effetti conformazionali in sistemi TICT 1. Stokes shift statici e dinamici di cromofori semplici (cumarina 503, 4-N,N-dimetilamminobenzonitrile / DMABN e altri sistemi ICT) . 2. Approccio teorico basato sull’accoppiamento di coordinate molecolari (e.g. angoli torsionali) con coordinate solvente. 3. Calcolo di effetti solvatocromici (influenza della polarità del solvente su fluorescenza) e dinamica (transient Stokes shift). Metodi QM-MM (3) / Fluorescenza • La doppia fluorescenza osservata per il DMABN subisce delle notevoli modifiche con la polarità del solvente. • In solventi apolari appare una banda di fluorescenza (LE / Locally Excited). • In solventi polari appare una banda a lunghezze d'onda maggiori (CT / Charge Transfer) mentre la banda LE diminuisce. Metodi QM-MM (4) / Modello di Grabowski Modello TICT per il DMABN – A* rappresenta la conformazione ruotata di 90 rispetto alla conformazione dello stato fondamentale. La barriera tra le conformazioni A* e B* giustifica gli effetti termici sulla cinetica di interconversione. Metodi QM-MM (5) / Modello diffusivo • La dinamica di interconversione è descritta con un processo diffusivo accoppiato ad un'unica coordinata di polarizzazione del solvente. • Il grado di libertà interno della molecola di DMABN nello stato eccitato è l'angolo tra il gruppo ammino (donatore) e il piano aromatico (accettore). • La dinamica del trasferimento di carica nello stato eccitato è descritta con un modello stocastico continuo. • La coordinata interna è accoppiata con una coordinata solvente. Metodi QM-MM (6) / Modello diffusivo ∂ P (ϕ , X , t ) = −Γˆ P (ϕ , X , t ) + S (ϕ , X , t ) ∂t I (λ , t ) = ∫∫ dϕ dXe(ϕ , X ) g[λ − λ (ϕ , X )]P(ϕ , X , t ) hc λ (ϕ , X ) = E1 (ϕ , X ) − E0 (ϕ , X ) Metodi QM-MM (7) / Modello diffusivo Integrazione QM+MDE Multidimensional Diffusion Equation (MDE) Fluorescence I(λ,t) PES Momenti di dipolo QM / Ab initio, semiempirici in vacuo Tensori di diffusione Solvente (statica/dinamica) Modelli idrodinamici Teorie dielettrici (Onsager) Metodi QM-MM (8) / Modello diffusivo • QM: le PES e i momenti di dipolo elettrici del sistema prototipo (DMABNCrown4) sono stati calcolati con metodi ab initio (CIS) e semiempirici (ZINDO) per diverse geometrie interne (angoli torsionali e conformazioni di anello). • Sono state selezionate 5 conformazioni stabili di anello (I-V) per le quali si può determinare la dipendenza dall’angolo torsionale DONATORE/ACCETTORE. • Il calcolo QM si effettua in vacuo, senza correzioni dovute al solvente (che nel modello sono introdotte successivamente correggendo la PES). Metodi QM-MM (9) / Modello diffusivo DMABN-Crown4: esempio di conformazione con angolo torsionale pari a 0 e 90 + momento di dipolo elettrico Metodi QM-MM (10) / Gradi di libertà interni MF ym zm xm z y x LF I gradi di libertà individuati sono le coordinate rototraslazionali (r,Ω), l’angolo torsionale D/A (ϕ) e le conformazioni di anello (σ) Metodi QM-MM (11) / PES Energia dello stato fondamentale e dei primi due stati eccitati per una conformazione del DMABN-Crown4. Componenti cartesiane del momento di dipolo dello stato fondamentale e dei primi due stati eccitati per una conformazione del DMABN-Crown4. Metodi QM-MM (12) / Solvente implicito F∞ 2 1 2 µi − µi ⋅ X + X Ei = ε i − 2 2 For F0,∞ 2(ε 0,∞ − 1) 1 = 4π V ε vacuo 2(ε 0,∞ + 1) For = F0 − F∞ La PES ottenuta dal calcolo QM viene corretta per tenere conto dell’interazione elettrostatica (dipolo molecolare - coordinata vettoriale di polarizzazione locale solvente X) / modello semplificato di Onsager Metodi QM-MM (13) Spettri simulati Spettri stazionari di emissione di DMABNcrown4 in cicloesano (A), etere etilico (B), acetonitrile (C) Metodi QM-MM (14) / Time Resolved Fluorescence Metodi QM-MM (15) / Fluorescenza in presenza di ioni Mg2+ Conclusioni Prospettive e sviluppi 9 Dinamica molecolare quantistica: metodi Carr-Parrinello etc. 9 Metodi misti per lo studio di reazioni chimiche in fasi condensate (es. QM/MM) 9 Previsione di proprietà elettriche, magnetiche ed ottiche di materiali complessi 9 Design molecolare Virtual Experiments (click on the experiments below to launch interactive teaching practicals) Interactive Organic Mechanisms Metal ions in solution Superconductor preparation Organo transition metals Nickel(II) complexes Simple inorganic solids VSEPR Symmetry About this site [ About Us ][ What's Here ][ Plug-ins and Help ] [ Links ][ Write to Us ] Awards June 2002, ScientificAmerican.com has selected the Virtual Chemistry Laboratory web site as a winner of the 2002 Sci/Tech Web Awards NewScientist, Science, Yell, DTI, BBC Education Web Guide.......... *NEW Flash Periodic Table* "Pre-University Chemistry Course" (an on-line chemistry course, chapters last updated Mar. 2003)Winner of the 2001 RSC Exemplarchem Competition. 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