8. Dydaktyka jak kinetyka

Wpis z roku chyba 2005, który przypominam tu w celach porządkowych

Dydaktyka - jej definicję można znaleźć w Wilkipedii. Postanowiłem zmienić nieco podręcznikową definicję dydaktyki chemii, tak aby nadać jej nieco bardziej żartobliwy, ale nie pozbawiony naukowego sensu naukowy charakter: Dydaktyka jest katalizatorem podnoszenia poziomu wiedzy. 

Proces przyswajania wiedzy składa się z dwóch etapów. Od poziomu wiedzy A uczymy się. Gromadzimy wiedzę właściwą i nadmiarową, która osiąga maksymalny poziom w punkcie B^#. Następuje moment zrozumienia (błysk geniuszu). Problem zaczyna się wyjaśniać. Odrzucamy zbędną wiedzę nadmiarową i schodzimy do poziomu C, w którym uzyskaliśmy prawdziwe zrozumienie, ugruntowaliśmy wiedzę. Jesteśmy mądrzejsi.

Kinetyczne zadanie dydaktyki: Maksymalne obniżenie bariery aktywacji zrozumienia, po której problem zaczyna się wyjaśniać.

Punktem wyjściowym dydaktyki nauk ścisłych jest oryginalne rozwiązanie naukowe bądź techniczne. Droga, po której autor doszedł do tego rozwiązania, jest zazwyczaj zbyt trudna do prześledzenia. Być może sam autor nie jest w stanie jej prześledzić. Dydaktyka jest tu walcem, który tę drogę wyrównuje. Potem każdy kto chce włożyć nieco wysiłku może tą drogą podążać.

Główne problemy dydaktyki chemii

Problemy wewnętrzne Problem bezruchu. Jak na tablicy pokazać ruch prowadzący do reakcji. Problem kolejności (czy pokazywać najpierw filmy reagujących cząsteczek, a potem wprowadzać abstrakcyjne symbole, czy olać to i robić, jak dotychczas). Problem ważności (czy podstawą rozważań teoretycznych mają być wyniki doświadczeń - casus cykloheksanu, czy proste ale szczególne przypadki geometryczne) Problem gigantyzmu (jak wobec olbrzymiej ilości struktur i reakcji uogólnić to wszystko). Problem wszechobecnych wyjątków (reakcje ogólne stanowią niewielki procent wszystkich reakcji). Problem odwrotnej polskiej notacji seksistowskiej. W polskiej nomenklaturze teroii kwasów i zasad Lewisa jest ten kwas i  ta zasada. Powinno być odwrotnie, ten zasad i ta kwasa. Chyba jasne dlaczego... Problem chemii kwantowej. Chemię kwantową można sformalizować za pomocą matematyki przestrzeni Hilberta, dlaczego nie uogólnić tego jeszcze bardziej? Problem aromatyczności. Ile czasu poświęci się jeszcze na naukowe rozważania o snach XIX wiecznej chemii, dlaczego nie rozpatruje się np.  problemu alifatyczności? Problem zewnętrzny Problem deprecjacji. Chemia używana jest, jak stara, tania dziwka, dostarczająca cywilizacyjnych przyjemności (tworzywa, lekarstwa, benzyna, barwniki, pachnidła). Po użyciu mówi się, że jest brzydka i śmierdzi... Po czym używa się jej ponownie.

Uwaga generalna

Młodzi chemicy mają gorzej   Obserwujemy na naszej Uczelni zdecydowanie zmniejszenie odsetku studentów z użytecznym, podstawowym wykształceniem chemicznym. Przyczyn tego zjawiska jest wiele. Jednym z nich jest zdecydowane obniżenie poziomu dydaktyki chemii w szkołach ponadpodstawowych. Przejawem zastępowanie niezbędnych doświadczeń teorią - koszmar. Nie będę się jednak rozwodzić nad żałosnym stanem nauczania chemii. Zwrócę uwagę na jeszcze jeden problem, który nie jest związany ze szkołami średnimi, ale wręcz odwrotnie, ze szkołami wyższymi i każdą instytucją państwową, albo prywatną (o ile taka istnieje) powołaną z mocy prawa do uprawiania nauk chemicznych. Myślę o naszym kraju, myślę o Polsce.   Problem który mam na myśli związany jest z niemal całkowitym wyrugowaniem języka polskiego z publikacji naukowych. Oczywiście język angielski jest konieczny w takich publikacjach, to jest jasne. Pytanie powstaje, jak młody człowiek ma się zapoznać z najnowszymi osiągnięciami chemii, skoro wszystko jest po angielsku? Usłyszę głosy oburzenia - przecież są paranaukowe czasopisma, są Wiadomości Chemiczne, Chemia i Biznes i sporo innych. Tak, ale to wszystko stanowczo za mało. Nie byłoby pewnie kłopotu, gdyby szybkość nauczania początkowego języka angielskiego była tak duża, jak szybkość rozwoju zainteresowań naukowych wśród młodych, chłonących świat ludzi. Tak jednak nie jest. Powstaje bariera dostępu do nowoczesnej, być może trudnej, ale jednak do wiedzy. Co z tym zrobić? Przyspieszyć nauczanie angielskiego? Nie! Rozwiązanie jest proste, ale wymagające patrzenia ku przyszłości z nastawieniem na szacunek dla języka polskiego. Każda publikacja naukowa, tworzona w Kraju, a publikowana po angielsku (choćby za granicą), ma mieć swój dokładny odpowiednik opublikowany w internecie w języku polskim. W ten sposób usunęłoby się przepaść dostępu do nauki, jaka powstała w latach siedemdziesiątych XX w., gdy zaprzestano publikować po polsku, przynajmniej w obszarze nauk chemicznych.

7. Utlenianie toluenu za pomocą manganianu(VII) potasu - możliwy mechanizm reakcji

 

Reakcje redoks bywają utrapieniem uczniów zgłębiających tajniki chemii zarówno na poziomie szkoły średniej jak i na studiach chemicznych. Zagadnienie to nie jest łatwe z tego względu na to, że zazwyczaj rozpatruje się bilans masowy takich reakcji. Z takiego bilansu wychodzi, że kilka (albo nawet kilkanaście) cząsteczek reaguje z kilkoma innymi cząsteczkami, co daje wiele cząsteczek produktów. Mnie, jako chemika organika, nie zadowala podejście bilansowe bo zamazuje mechanizm reakcji, a więc kolejność prostych reakcji, które prowadzą do produktów. Nie neguję konieczności bilansowania bo bilans pozwala na obliczenie pieniędzy, które się wkłada w reakcję licząc na zysk ze sprzedaży produktów. Chcę tylko, aby popatrzeć nieco bardziej szczegółowo na taką reakcję. 

Za przykład wziąłem mechanizm utleniania toluenu za pomocą KMnO₄. Jest to reakcja rodnikowa (przeniesienia pojedynczych elektronów) pomiędzy toluenem a nadmanganianem:

6. Doktorat z chemii organicznej

 Promotorem mojej pracy doktorskiej na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej był nieodżałowanej pamięci prof. Jerzy Suwiński. Recenzentami byli, prof. Wojciech Zieliński oraz prof. Andrzej Maślankiewicz. Wykonanie badań do doktoratu oraz jego napisanie to była dla mnie przygoda naukowa o niezwykłej wartości merytorycznej i intelektualnej. Obrona odbyła się w czerwcu 1994 roku, tuż po śmierci mojego Ojca. 

Poniżej znajduje się telegraficzny skrót zagadnień chemicznych, które zajmowały mnie w doktoracie i przyniosły mi stopień doktora inżyniera nauk chemicznych. 

Reactions of 1,4-Dinitroimidazoles with Compounds Containing

a Primary Amino-Group 

1. 1,4-Dinitroimidazoles react with selected primary amines to give 1-alkyl-substituted-4-nitroimidazoles:

2. Conditions were very mild in these reactions: 

• Room temperature
• Water or water-methanol solution (or disspersion)
• pH range = 7 - 9.5
• Reaction time from minutes to hours
• Products were usually obtained as precipitates
• Yields were from moderate to high 

3. Scope of products obtained.

3.1. 1,4-Dinitroimidazole (or its 2-methyl- or 5-methyl derivative) reacts with primary aliphatic amines to give 1-alkyl-4-nitroimidazoles. Decreasing of pH level is compensed by addition of 1M potassium hydroxide solution during the reacton, eg:

3.2. 1,4-Dinitroimidazole (or its 2-methyl derivative) reacts with alpha-aminoacids in weak alkaline solution to give α-(4-nitroimidazol-1-yl)alkanecarboxylic acids after acidification with conc. HCl, eg:

Besides histidine, there were used: Gly, (S)-Val, (S)-Asp, (R,S)-Asn, (S),(R,S)-Phe, (S)-Thyr, (R),(S),(R,S)-Ala, (S)-His, (R,S)-Glu and (R,S)-Trp.

α-(4-nitroimidazol-1-yl)alkanecarboxylic acid esthers were obtained in the reaction of 1,4-dinitroimidazoles (14DNI) with α-aminoacid methyl (or ethyl) esther hydrochlorides after addition of sodium bicarbonate to water-methanol suspension of substrates at 0 °C: Besides histidine, there were used methyl esters of: Gly, (R),(S),(R,S)-Ala, [2(R,S),3(R,S)]-Thr, (S)-Ser, (S)-Ileu, (S)-Tyr, (S)-Val, (S)-Phe.

2-Methyl-1,4-initroimidazole reacts with dipeptides under conditions similar to the reaction of 1,4dinitroimidazoles with α-aminoacids. Dipeptide used: Gly-Gly, Gly-(R,S)-Ala, (R,S)-Ala-(R,S)-Ala, Gly-(S)-Ala, (R)-Ala-(R)-Ala (S)-Ala-(S)-Ala, (S)-Ala-Gly.

3.3. 1,4-Dinitroimidazoles react with various anilines to give 1-aryl-4-nitroimidazoles in water-methanol suspension (eventualy with the addition of Britton-Robinson buffer, pH  7): 

R = 2-COOH, 3-COOH, 4-COOH, 4-COOEt, 3-OH, 4-SO₃K, 4-SO₂NH₂.

3.4. 1,4-Dinitroimidazoles react with aminopyridines in two ways:

3.4.1. 2-(or 3)-Aminopyridines give pyrid-2-(or3)-yl-4-nitroimidazoles e.g.: 

3.4.2. With 4-aminopyridine the reaction runs via the cine-substitution:

 3.5. Unusual reaction of 2-methyl-1,4-dinitroimidazole with hydrazine leads to an expansion of the imidazole ring. A derivative of 1,2,4-triazine is formed with an N-N bridge between either triazine rings. This derivative was obtained as a dihydrate of p-toluenesulfonate salt (see an X-ray spectrum):

3.6. In the reaction of 1,4-dinitroimidazoles with t-butoxycarbonylhydrazine (an example of N-monosubstituted hydrazine) the imidazole ring is crashed, and glyoxal dihydrazones are formed:

3.7. A reaction of 1,4-dinitroimidazole with N-aminomorpholine gives two main products, expected ANRORC product and the unexpected product of oxidation of the hydrazine moiety to form the unusual four membered nitrogen chain:

3.8. Other interesting products obtained in the reaction of 1,4-dinitroimidazoles with α-amino-ε-caprolactam or with 4-AMINOTEMPO radical.

3.9. Sepctacular reactions of 1,4-dinitroimidazoles with compounds containing a primary amino-group: Reactons of 1,4-dinitroimidazoles with chiral aminoacids give chiral products wirh retention of chirality:

3.10. Reactions of 1,4-dinitroimidazoles with [¹⁵N]Glycine give products containing [¹⁵N]isotope in the 1-position of the imidazole ring:

3.11. The plausible mechanism consists of: the Addition of Nucleophile (here the primary amino compound) to 1,4-dinitroimidazole, Ring Opening of the imidazole moiety, Ring Closure, and finally the rearomatization reaction with the elimination of nitroamide (so called ANRORC type mechanism):

References:

1. J. Suwiński, W. Szczepankiewicz, „Nitroimidazoles. Part XII. Reactions of 1,4-dinitroimidazoles with aminopyridines”, Polish. J. Chem., 1991, 65, 515-518.

2. J. Suwiński, W. Szczepankiewicz, „Synthesis of methyl esters of (2S or 2R) 2-(4-nitro-1-3imidazolyl)alkanecarboxylic acids”, Tetrahedron: Asymm., 1991, 2, 941-942.

3. J. Suwinski, W. Szczepankiewicz, „Synthesis of (2-methyl-4-nitro-1-[¹⁵N]imidazolyl)acetic acid”, J. Labell. Compd. Radiopharm., 1992, 31, 159-162.

4. J. Suwinski, W. Szczepankiewicz, M Widel, „Nitroimidazoles, XIV: Synthesis of 4-nitroimidazoles with 1-substituent containing acid, ester or phenol functions, and radiosensitizing efficiency of some of these compounds” Arch. Pharm. (Weinheim), 1992, 325, 317-324.

5. H. Llempen, E. Salwińska, J. Suwiński, W. Szczepankiewicz, „Nitroimidazoles. Part XV. Reactions of 1,4-dinitroimidazoles with aromatic amines”, Polish J. Chem., 1992, 66, 943-950.

6. H. Llempen, E. Salwińska, J. Suwiński, W. Szczepankiewicz, E. Dziwiński, „Nitroimidazoles. Part XVIII. EI Mass Spectrometry of 1-Aryl-4-nitroimidazoles in Standard Conditions”, Polish J. Chem., 1993, 67, 1745-1753.

7. J. Suwiński, W. Szczepankiewicz, „Synthesis of 2-methyl-4(5)nitro[¹⁵N1(3)]imidazole from 2-methyl-4(5)-nitroimidazole”, J. Labell. Comp. Radiopharm., 1996, 38, 395-401.

8. J. Suwiński, W. Szczepankiewicz, E. M. Holt, „Reactions of 1,4-Dinitroimidazoles with Hydrazines”, Tetrahedron, 1996, 52, 14905-14916.

5. Naukowiec profesjonalista i choć amator to jednak artysta

Te miniaturki zeskanowałem z wybranych, oryginalnych rysunków i malunków, które stworzyłem dawno, dawno temu bo w latach 2002-2003. Byłem wówczas na stażu zagranicznym, na Uniwersytecie Hasselt w Belgii (Flandria). Te twory były wyrazem tęsknoty za rodziną i  krajem. Umieściłem w tych szkicach, tę część duszy, której nie można opisać za pomocą metody naukowej. Znałem przynajmniej jednego Naukowca, który malował, ale nie ujawniał szerszej publiczności swoich artystycznych zainteresowań. Rozumiem to postępowanie. Rygor naukowy każe patrzeć na własne, nieprofesjonalne próby artystyczne z ogromną dozą krytycyzmu, wykraczającą stanowczo za daleko poza obszar krytyki dozwolonej dla nauki. Myślę jednak, że nieprofesjonalnie nie musi oznaczać, kiczowato. A jeśli nawet, to i kicz ma swoje miejsce w naszym życiu. Odważyłem się pokazać część mojego wnętrza, tę nienaukową część.

Ten sposób malowania nazwałem "Polami Kwantowymi"

Później (lata 2014-2016), niektóre z przedstawionych tu sposobów rysowania przekształciły się w nowy typ wytworów artystycznych. Pokażę je w jednym z kolejnych wpisów.

3. Humor rysunkowy z dawnych lat (i jeden absurdalny tekst)

W ciągu kilkunastu pierwszych lat mojej pracy na Uczelni często odbywały się seminaria naukowe, proszone wykłady, kwitło naukowe życie. Obecnie formy tego zakwitu trochę się zmieniły. Po tamtych czasach pozostało mi sporo notatek, w których oprócz informacji naukowych bazgrałem rozmaite bohomazy. Paradoksalnie skupiałem się w ten sposób na temacie prelekcji. Nie wiem, czy są śmieszne (chyba nie), ale pokazują też kawałek mojej, na poły amatorsko-artystycznej duszy zanurzonej w profesjonalno-chemiczny sos:

Były też takie seminaria, że rysowałem kwiatki. Musiałem więc mieć kwiecisty nastrój. Być może ktoś opowiadał o estrach, albo kolorach - już nie pamiętam.

I na końcu, w miejscu, do którego chyba nikt nie dotrze, umieszczam zdjęcie adresu. Otrzymałem przesyłkę, która była zaadresowana na Katolicki Uniwersytet Lubelski w... Gliwicach i trafiła do mnie :)

Do post scriptum dodam absurdalny tekst, który napisałem po wysłuchaniu jakiejś prelekcji na temat oczyszczania związków organicznych. Powstał jakieś 27 lat temu:

Analiza przypuszczalna

Zanim przystąpimy do pracy w laboratorium, musimy przemyśleć szczegóły naszego pomysłu. Myślenie kreatywne jest bardzo podobne do znanego w praktyce preparatywnej procesu oczyszczania związków chemicznych przez krystalizację z roztworu. Zatem mamy pomysł, który składa się ze zbioru myśli (czyli przypuszczeń), z których jedne są genialne, drugie takie sobie, a trzecie idiotyczne. Musimy odseparować genialne przypuszczenia (zwane z cudzoziemska hipotezami) od niepotrzebnego balastu nic nie wartych idiotyzmów. W tym celu siadamy wygodnie w fotelu i magmę myślową zadajemy świeżo destylowanym przypuszczalnikiem. Mieszamy przez chwilę i przystępujemy do intensywnej pracy umysłowej. Wiadomo - wysiłek myślowy daje efekt grzania się mózgu. To dobrze, wtedy ogrzewa się przypuszczalnik, co pociąga za sobą rozpuszczenie wszelkiej maści przypuszczeń. Gdy jesteśmy już dostatecznie rozgrzani (nagrzani?), to okazuje się, że powstały roztwór przypuszczeń jest mętny od zawartych w mieszaninie, ordynarnych niedopuszczeń. Na gorąco odsączamy niedopuszczenia i utylizujemy je zgodnie z normami ISO (znaczy się - zapominamy). Po takiej pracy dajemy ochłonąć umysłowi, co powoduje ochładzanie wstępnie oczyszczonego roztworu przypuszczeń. Ochładzanie to powoduje wytrącenie się różnej wielkości i jakości przypuszczałów, które odsączamy od przypuszczalnika wyczerpanego i poddajemy selekcji. Średnie i niezbyt dobrze wykształcone przypuszczały możemy poddać analizie przypuszczalnej, ale niekoniecznie. Najpiękniejsze przypuszczały poddajemy analizie rentgenoprzypuszczalnej, za pomocą metod bezpośrednich, i dostajemy piękną, trójwymiarową strukturę naszych przypuszczeń. Oglądamy je i uzbrojeni w taką wiedzę udajemy się do laboratorium, aby przeprowadzić syntezę - przypuszczalną oczywiście.