Aufbau und Inhalte der Schwerpunktfächer

Spezielle elementorganische Verbindungen der Hauptgruppenelemente (HGEe), Verbindungen mit HGE-HGE–Mehrfachbindungen, Chemie subvalenter HGEe, Clusterverbindungen von HGEen, Anorganische Ringe und Käfige, Aktuelle Entwicklungen in der HGE-Chemie;

Stoffchemie der Übergangsmetalle, Koordinationschemie, Synthese, Charakterisierung und Reaktivität ausgewählter Substanzklassen, Einführung in die Bioanorganische Chemie, Aktuelle Entwicklungen in der Übergangsmetall-Chemie,ggf. vertiefend Anorganische Aspekte der Biochemie und Medizinischen Chemie; ggf. vertiefend spezielle Aspekte der Metallorganischen Chemie im Hinblick auf homogenkatalytische Anwendungen.

Planung und Durchführung von Forschungsexperimenten, Reaktionsführung unter Inertgasbedingungen (Schlenkrohrtechnik, Glovebox), Trennung und Aufarbeitung, Aufnahme und Interpretation von Spektren, Kristallzucht für die Kristallographie, Abfassung wissenschaftlicher Berichte auf dem Gebiet der anorganischen Chemie, Präsentation von Forschungsergebnissen.

Die Organische Chemie ist eine der Kernfächer der Chemie, deren theoretische und praktische Grundlagen im Bachelorstudium erlernt wurden. Im Masterstudium sollen nun vertiefte Kenntnisse vermittelt werden, die es dem Studierenden erlauben, erfolgreich selbständige Forschung im Bereich der Organischen Chemie in Industrie und öffentlichen Forschungseinrichtungen durchzuführen. Das Angebot der Lehrveranstaltungen berücksichtigt hierbei sowohl das für den Berufsalltag als Chemiker nötige vertiefte Wissen in moderner organischer Synthesechemie und spektroskopischen Analysemethoden (NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie für Fortgeschrittene) als auch die vorhandenen Forschungsschwerpunkte, die durch die Dozenten der Organischen Chemie in Würzburg vertreten sind. Diese reichen von der Naturstoffchemie und Wirkstoffforschung, Bioorganischen und Supramolekularen Chemie, Physikalischen Organischen Chemie bis hin zu Organischen Materialien. Durch Arbeitskreispraktika erhält der Master-Studierende einen direkten Einblick in aktuelle Forschungsprojekte der Organischen Chemie, wie er sie gegebenenfalls in der Master- und später in einer Doktorarbeit fortführen kann. Mit diesem Konzept garantieren wir für eine Ausbildung, mit der Sie für das Berufsleben als Chemiker bestens gerüstet sind. 

Konzepte und Methoden der Physikalischen Chemie sind unerlässlich für die aktuelle Forschung in Gebieten wie den Nano-, Material-, Bio- und Lebenswissenschaften sowie in der Energie- oder Umweltforschung. Während die Laserspektroskopie zu den wichtigsten Werkzeugen zählt, gehören schnelle chemische Reaktionen oder inter- und intramolekulare Wechselwirkungen zu den interessantesten Phänomenen. Wir bieten in diesem Schwerpunktfach eine Einführung in die Grundlagen der Laserspektroskopie sowie Spezialveranstaltungen zu den Themen Mechanismen chemischer Reaktionen, Steuerung ultraschneller Prozesse, Eigenschaften und Anwendungen von Nanomaterialien und Kräfte zwischen Molekülen an. Ausgewählte Anwendungen werden in Praktikumsversuchen vorgestellt. Diese Veranstaltungen sind auch für Studierende mit den Schwerpunktfächern „Funktionsmaterialien“, „Supramolekulare Chemie“ und „Theoretische Chemie“ von besonderem Interesse.

Die Biochemie beschäftigt sich mit den molekularen Grundlagen der Lebensprozesse und deren systematischer und quantitativer Analyse. Wie sind die biologischen Grundbausteine zusammengesetzt? Welchen Einfluss haben diese auf den Stoffwechsel und welche Art von molekularen Maschinen spielt eine Rolle bei der Interaktion und Kommunikation zwischen Zellen und Geweben?

Wir bieten in diesem Schwerpunktfach eine Einführung in die Grundlagen der Molekularphysiologie, funktionellen Biochemie und Entwicklungsbiochemie. Ausgewählte Methoden und Themen der Molekularbiologie, Klonierung und Expression von Proteinkonstrukten, Kristallisation und kristallografischer Datensammlung werden in Praktikumsversuchen vertieft. Weitere praktische Themen umfassen die Degradation von Proteinen, die Regulationsmechanismen der eukaryotischen Proteinbiosynthese und die Analyse von makromolekularen RNA/Protein-Komplexen.

Funktionsmaterialien finden sich in allen Bereichen des modernen Lebens wieder. So z.B. in Kommunikations- und Unterhaltungselektronik (z.B. in Displays), in Beschichtungen (z.B. Teflonpfannen) und Oberflächenfunktionalisierungen bzw. -strukturierungen (selbstheilende bzw. selbstreinigende Oberflächen „Lotus-Effekt“) bis hin zur Medizintechnik (biokompatible bzw. bioabbaubare Werkstoffe). Anders als klassische Strukturmaterialien, die durch ihre äußere Form ihre Funktion erfüllen (z.B. PVC-Abflussrohre oder Weingläser), sind Funktionsmaterialien speziell auf ihr Anwendungsprofil hin maßgeschneidert. So werden organische oder anorganische Halbleiter gezielt so synthetisiert, dass sie für den Einsatz in z.B. Solarzellen oder Leuchtdioden optimal sind.

Das Schwerpunktfach „Funktionsmaterialien“ vermittelt durch eine ausgewogene Mischung aus Pflicht- und Wahlpflichtveranstaltungen die Grundlagen sowie speziellere Kenntnisse der Synthese und der physikalischen und chemischen Eigenschaften anorganischer, organischer und Hybridmaterialien sowie über deren Anwendungen in Funktionsbauteilen. Ein verpflichtendes Materialwissenschaftliches Praktikum veranschaulicht an ausgewählten Versuchen die Synthese, physikochemische Charakterisierung und Wirkungsweise einiger moderner Funktionsmaterialien, z.B. Aufbau und Vermessung einer organischen Solarzelle; Oberflächencharakterisierung mit Rastersondenmikroskopie, Bildung einer Antireflexschicht auf Glas durch Sol/Gel-Tauchbeschichtung etc.. Eine Projektarbeit in einem der beteiligten Arbeitskreise vermittelt einen direkten Einblick in aktuelle Forschungsthematiken und die hierbei angewandten Arbeitstechniken.

Organokatalyse: Focus auf enantioselektiven Umsetzungen; Prinzipien; Green Chemistry; Substanzklassen von Organokatalysatoren und ihre Einsatzbereiche: z.B. Amine, Phosphine, Phosphonium- und Ammoniumsalze, N-Heterocyclische Carbene etc. Biokatalyse: Enzyme in der organischen Synthese, mechanistische Aspekte enzymatischer Reaktionen: Stereo-, Chemo-, Regioselektivität, spezielle Enzym-katalysierte Reaktionen, z.B. Hydrolyse, Aldolreaktionen etc.; Focus auf state-of-the-art Biokatalysatoren. Ribozyme, katalytische Antikörper, Struktur, Mechanismen, Kinetik, Enzym-Produktion, Anwendung von Enzymen in Lösung, Raum-Zeit-Ausbeute und Produktivität, Immobilisierung von Enzymen, Immobilisierung von Mikroorganismen, Charakterisierung immobilisierter Biokatalysatoren, Prozesse.

Elementorganische Verbindungen der Übergangsmetalle (Struktur, Bindungsverhältnisse, Anwendungen, Spektroskopie, typische Reaktionen); Spezielle Substanzklassen z. B. Carben-, Carbin-, Silylen-, Olefinkomplexe; Metallocenophane, Halbsandwich- und Tripeldeckerkomplexe; Homogene Katalyse (Katalysatordesign, Hydrierung, Hydroformylierung, C-C-Verknüpfungsreaktionen, enantioselektive Katalyse).

Planung und Durchführung von Forschungsexperimenten, Synthese und Charakterisierung geeigneter Katalysatoren, Trennung und Aufarbeitung homogenkatalytischer Ansätze, Aufnahme und Interpretation von Spektren, Kristallzucht für die Kristallographie, ggf. Reaktionsführung unter Inertgas (Schlenkrohrtechnik, Glovebox), Abfassung wissenschaftlicher Berichte auf dem Gebiet der Homogenkatalyse, Präsentation von Forschungsergebnissen.

Die Medizinische Chemie befasst sich mit allen chemischen Aspekten der Arzneistoffe. Dies schließt die Suche nach neuen Zielstrukturen (Targets) und deren Validierung, die Entwicklung neuer Wirkstoffe (Leitstrukturen) und deren Optimierung hinsichtlich pharmakodynamischer und pharmakokinetischer Aspekte, die Synthese, Testung und Analytik von Arzneistoffen ein.

Wirkstoffdesign/Prinzipien der Wirkstofffindung:
Grundlagen: Drug Targets (Art und Klassifizierung), Targetvalidierung, Wirkmechanismen, Protein-Ligand-Wechselwirkungen, Prinzipien der Arzneistoffentwicklung, Strategien der Wirkstofffindung, Lead-finding, Lead-optimization, Fallbeispiele, Prodrug-Strategien, Bioisosterie, Struktur-Wirkungs-Beziehungen, Naturstoffe
Experimentelle Methoden: Bioassays, High-Throughput-Screening, Kombinatorische Chemie
Theoretische Methoden: Molecular Modelling, Struktur-basiertes Wirkstoffdesign, Pharmakophormodelle, Docking, Virtuelles Screening, Simulationsmethoden, De-novo-Design, Ligand-basiertes Wirkstoffdesign, QSAR, Vorhersagen pharmakokinetischer und toxikologischer Größen (ADME) Umgang mit verschiedenen Software-Paketen

Pharmazeutisch-Medizinische Chemie:
Chemie der Arzneistoffe, gegliedert nach Indikationsgebieten: Molekulare Wirkmechanismen, Pharmakologie, Analytik der Arzneistoffe, Synthese der Arzneistoffe, Biotransformation, Pharmakokinetik einzelner Arzneistoffe

Praktikum:
Ausgewählte Methoden und Themen der Medizinischen Chemie (Synthese, Testung, Analytik, Theorie/Design, Pharmakokinetik)

Während sich die klassische Chemie mit Molekülen und deren Synthese mittels kovalenter Bindungen beschäftigt, befasst sich die Supramolekulare Chemie mit größeren Molekülverbän­den und deren Aufbau durch vergleichsweise schwache zwischenmolekulare Wechselwirkungen. Damit ist die Supramolekulare Chemie eine die klassischen Fächer AC, OC und PC übergreifende Disziplin, der zudem eine bedeutende Bindegliedfunktion zwischen den Material- und Lebenswissenschaften zukommt. Letztere basieren ausnahmslos auf supramole­kularen Phänomenen wie z.B. der Erkennung von Wirkstoffen durch ihre Rezepto­ren, der Faltung von Biopolymeren wie DNA, RNA und Proteine oder der Selbstorganisation von Lipiden zu Zellmembranen. In der Pflichtvorlesung "Grundlagen der Supramolekulare Chemie" (5 ECTS) wird ein Überblick gegeben, welcher molekulare und biomolekulare Rezeptoren, supramoleku­lare Polymere, Hydro- und Organogele, Micellen und Vesikel, lyotrope und thermo­trope Flüssigkristalle sowie Anwendungsbeispiele aus der Pharma-, Kosmetik- und der chemischen Industrie beinhaltet. Im Pflichtpraktikum (5 ECTS) werden molekulare Er­kennungs- und Selbstorganisationsprozesse analysiert sowie die strukturelle Charakterisierung großer Molekülverbände erlernt, wozu spektroskopische (NMR, MS, UV/Vis), kalorimetri­sche und mikroskopische Methoden (Rasterkraftmikroskopie, Elektronenmikroskopie) zum Einsatz kommen. Für die verbleibenden 15 ECTS Punkte können je nach persönlicher Nei­gung Veranstaltungen aus dem Bereich der Lebens- bzw. Materialwissenschaften oder der chemischen Grundfä­cher gewählt werden.

Die Theoretische Chemie hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem unerlässlichen Instrument der universitären und industriellen Forschung entwickelt. Zu ihren wichtigsten Werkzeugen gehören quantenchemische und quantendynamische Verfahren, welche die elektronische bzw. die Schwingungsstruktur von Molekülen in ihrer korrekten quantenmechanischen Form wiedergeben. Für komplexere Systeme und Fragestellungen werden empirische Verfahren wie Kraftfelder und Moleküldynamik (Newtonsche Bewegungen von Molekülen) eingesetzt. Die Anwendung all dieser Methoden ermöglicht ein grundlegendes Verständnis der Eigenschaften von Molekülen und genaue Vorhersagen über neue Verbindungen.

In den Vorlesungen Grundlagen und Anwendungen der Quantenchemie (früher: Computational Chemistry) werden die Methoden der Theoretischen Chemie vorgestellt und in den zugehörigen Übungen am Computer ausprobiert. Ihre physikalischen Grundlagen werden in der Vorlesung Quantendynamik diskutiert. Die zur Entwicklung neuer und Verbesserung bestehender Methoden notwendige Programmierung wird im Modul Numerische Methoden und Programmieren (früher: Programmieren in Theoretischer Chemie) erlernt. In den Arbeitsgruppenpraktika werden unterschiedlichste Anwendungen aus dem Bereich der Spektroskopie, der Biochemie und der Materialwissenschaften behandelt.

Der Spezialisierungsgang Theoretische Chemie bildet die Teilnehmer optimal für eine Promotion in Theoretischer Chemie aus. Bisherige Erfahrungen zeigen, dass Absolventen der Theoretischen Chemie vielfältige Jobangebote aus der Industrie und Universität erhalten. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung der Theoretischen Chemie in der chemischen Forschung ist der Spezialisierungsgang aber auch für Studierende von Interesse, die ihre Zukunft im Experiment sehen. Ihnen ermöglicht er eine gute Einschätzung der Genauigkeit berechneter Daten und eventuell begleitende Rechnungen zum eigenen Experiment.