METODI FISICI IN CHIMICA ORGANICA Canale unico
Docente coordinatore e verbalizzante: ALESSIA CIOGLI
Docenti
Obiettivi formativi
Obiettivi formativi generali
Lo scopo del corso è quello di fornire allo studente le conoscenze di base per poter facilmente identificare e caratterizzare una sostanza organica, utilizzando metodologie cromatografiche ad elevate prestazioni in combinazione con le tecniche spettroscopiche e la spettrometria di massa. Tali tecniche si inseriscono a vari livelli nella complessa sequenza che, partendo dalla progettazione strutturale di nuove molecole, porta, attraverso la caratterizzazione di nuovi principi di interesse terapeutico, alla produzione e al controllo del farmaco. Il corso rappresenta pertanto un tassello di fondamentale importanza nei settori della sintesi organica e della ricerca analitica, nel controllo di qualità e nella formazione del bagaglio culturale del laureando in C.T.F.
Obiettivi formativi specifici
Comprensione ed interpretazione di spettri UV, FT-IR, NMR protonico e al carbonio-13. Delucidazioni strutturali di semplici composti organici a partire dalla loro formula bruta e dai dati spettroscopici. A partire da una miscela di pochi composti noti, proporre il metodo cromatografico più idoneo sulla base delle conoscenze acquisite.
Risultati di apprendimento attesi
Obiettivi formativi: comprensione ed interpretazione di spettri UV, FT-IR, NMR protonico e al carbonio-13. Delucidazioni strutturali di semplici composti organici a partire dalla loro formula bruta e dai dati spettroscopici. A partire da una miscela di pochi composti noti, proporre il metodo cromatografico più idoneo sulla base delle conoscenze acquisite.
Prerequisiti
Per un’agevole comprensione degli argomenti trattati nel Corso si consiglia di aver superato l'esame di Chimica organica I.
Programma dell’insegnamento
Tecniche cromatografiche ad elevate prestazioni
Concetti e definizioni delle diverse tecniche di separazione cromatografica (TLC, GC, HPLC, SFC) e loro campi di applicazione.
Cromatografia liquida ad elevate prestazioni (HPLC). Considerazioni di carattere generale. Definizione dei parametri cromatografici: ritenzione, selettività, efficienza, risoluzione. Equazione di Van Deemter. Valutazione della performance di una colonna cromatografica. Supporti cromatografici e loro caratteristiche chimico-fisiche: chimica superficiale, area superficiale, porosità, volume dei pori. Fasi legate chimicamente: caratteristiche e stabilità. Meccanismi di separazione: liquido-liquido, liquido-solido, in fase normale (NP) e in fase inversa (RP). Cromatografia a scambio ionico (IEC), a coppia ionica (PIC), di esclusione sterica (SEC), interazione idrofobica (HIC), ad interazione idrofilica (HILIC). Modalità di eluizione: isocratica e in gradiente. Rivelatori.
Cromatografia liquida UHPLC: considerazioni generali. Colonne per UHPLC.
Gas Cromatografia (HRGC). Considerazioni generali. Colonne Microbore e impaccate.
Separazioni stereoselettive ed enantioselettive. Approccio diretto e indiretto. Principali interazioni selector-selectand. Aspetti termodinamici delle separazioni enantioselettive. Principali fasi stazionarie chirali per HPLC.
Spettroscopia infrarossa (IR)
Considerazioni di carattere generale. Teoria e principi della spettroscopia infrarossa. Principali gruppi funzionali e loro assorbimenti IR caratteristici. Interpretazione di spettri infrarossi in Trasformata di Fourier (FT-IR) per l'identificazione di composti organici.
Spettroscopia ultravioletta (UV)
Considerazioni di carattere generale. Teoria e principi della spettroscopia ultravioletta. Relazione di Lambert-Beer. Transizioni elettroniche →*, n→*, n→*, →*. Strumentazione UV e solventi. Assorbimenti caratteristici di composti contenenti solo legami , di composti saturi contenenti elettroni n e di composti contenenti elettroni . Sistemi aromatici.
Spettrometria di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Considerazioni di carattere generale. Risonanza magnetica nucleare del protone (1H-NMR). Teoria: momento magnetico, numero quantico di spin, momento angolare, rapporto giromagnetico. Precessione di Larmor. Processi di rilassamento spin-reticolo e spin-spin. Campioni di riferimento e solventi. Schermo elettronico e spostamenti chimici: costanti di schermo nelle molecole complesse (termine diamagnetico locale, effetto dell'anisotropia dei legami vicini, effetto delle correnti d'anello, legame di idrogeno, effetto della polarità del solvente e effetto dell'anisotropia magnetica del solvente). Spostamento chimico e campo magnetico. Accoppiamento spin-spin e costanti di accoppiamento. Identificazione dei sistemi di spin. Protoni su eteroatomi. Velocità di scambio. Accoppiamento di protoni con altri nuclei. Equivalenza chimica (operazioni di simmetria) e magnetica. Sistemi di spin complessi. Effetti dovuti alla presenza di un elemento stereogenico. Accoppiamento tra protoni geminali e vicinali in sistemi rigidi: correlazioni di Karplus. Accoppiamento a grande distanza. Disaccoppiamento. Reagenti di shift. Effetto Nucleare Overhauser (NOE). Risonanza magnetica nucleare del carbonio (13C-NMR). Spettri in disaccoppiamento totale. Spettri off-resonance. Spettroscopia NMR bidimensionale (2D-NMR). Esperimenti DEPT e APT. Spettrometria NMR a temperatura variabile. Principi base delle tecniche dinamiche: D-HPLC e D-NMR. Interpretazione di spettri NMR per l'identificazione di composti organici.
Spettrometria di Massa (MS)
Sorgenti di ionizzazione: impatto elettronico (EI), ionizzazione chimica (CI), ionizzazione per elettronebulizzazione (ESI), ionizzazione chimica a pressione atmosferica (APCI), ionizzazione per desorbimento da laser assistita da matrice (MALDI).
Analizzatori: quadrupolo, tempo di volo (TOF), trappola ionica, Orbitrap. Ionizzazione a pressione atmosferica (API).
Termini e definizioni: rapporto massa/carica; ioni multi-carica; ione molecolare e picco base; risoluzione di massa. Massa nominale, massa monoisotopica, massa più abbondante. Frammentazione
Testi di riferimento
Silverstein, Webster, Kiemle. Identificazione spettrometrica di composti organici, Terza Edizione Italiana (2016) Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
Modalità di svolgimento
Le lezioni saranno svolte in presenza.
Frequenza
La frequenza ai corsi è obbligatoria.
Per un’agevole comprensione degli argomenti trattati nel Corso si consiglia di aver superato l'esame di Chimica organica I.
Modalità di esame
La prova scritta verte sulla delucidazione strutturale di una molecola organica a partire da spettri di 1H-NMR, 13C-NMR, FT-IR.
La prova orale darà maggior attenzione alla parte cromatografica e alla teoria.
Esempi di domande
Esempi di domande alla prova orale.
- Descrizione dell'equazione di van Deemter.
- Esempio di cromatografia a coppia ionica.
- Assorbimento UV di chetoni alfa-beta insaturi
- Spiegazione dell'effetto NOE
Programmazione delle attività didattiche
- Tecniche cromatografiche ad elevate prestazioni
Concetti e
definizioni delle diverse tecniche di separazione cromatografica (TLC, GC,
HPLC, SFC) e loro campi di applicazione. (2h) - Cromatografia liquida ad elevate prestazioni (HPLC). Considerazioni
di carattere generale. Definizione dei parametri cromatografici: ritenzione,
selettività, efficienza, risoluzione. (2h) - Equazione di Van Deemter. (2h)
- Valutazione della performance di una colonna cromatografica. Supporti
cromatografici e loro caratteristiche chimico-fisiche: chimica superficiale,
area superficiale, porosità, volume dei pori. (3h) - Fasi legate chimicamente: caratteristiche e stabilità, preparazione fase
C18. Meccanismi di separazione: fase normale (NP) e fase inversa (RP). (4h) - Cromatografia a scambio ionico (IEC), a coppia ionica (PIC), di
esclusione sterica (SEC), interazione idrofobica (HIC), ad interazione
idrofilica (HILIC). (2h) - Modalità di eluizione: isocratica e in
gradiente. Rivelatori (UV, PDA, RI, ELSD, MS). (4h) - Cromatografia
liquida UHPLC: considerazioni generali. Colonne per UHPLC. (1h) - Gas
Cromatografia (HRGC). Considerazioni generali. Colonne Microbore e impaccate. (2h)
- Separazioni
stereoselettive ed enantioselettive. Approccio diretto e indiretto. Principali
interazioni selector-selectand. Aspetti termodinamici delle separazioni
enantioselettive. Principali fasi stazionarie chirali per HPLC. (3h) - Spettroscopia infrarossa (IR)
Considerazioni di
carattere generale. Teoria e principi della spettroscopia infrarossa. (2h) - Principali gruppi funzionali e loro assorbimenti IR caratteristici.
Interpretazione di spettri infrarossi in Trasformata di Fourier (FT-IR) per
l'identificazione di composti organici. (6h) - Strumentazione e preparazione del campione. (1h)
- Spettroscopia ultravioletta (UV)
Considerazioni di carattere
generale. Teoria e principi della spettroscopia ultravioletta. Relazione di
Lambert-Beer. Transizioni elettroniche s→s*, n→s*,
n→p*, p→p*. Strumentazione UV e solventi.
Assorbimenti caratteristici di composti contenenti solo legami s, di composti saturi contenenti elettroni n
e di composti contenenti elettroni p.
Sistemi aromatici. (3h) - Spettrometria di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Considerazioni di
carattere generale. Risonanza magnetica nucleare del protone(1H-NMR).
Teoria: momento magnetico, numero quantico di spin, momento angolare, rapporto
giromagnetico. Precessione di Larmor. (3h) - Processi di rilassamento spin-reticolo e spin-spin. Campioni di
riferimento e solventi. Schermo elettronico e spostamenti chimici: costanti di
schermo nelle molecole complesse (termine diamagnetico locale, effetto
dell'anisotropia dei legami vicini, effetto delle correnti d'anello, legame di
idrogeno, effetto della polarità del solvente e effetto dell'anisotropia
magnetica del solvente) (3h). - Spostamento chimico e campo magnetico. Accoppiamento spin-spin e
costanti di accoppiamento. Accoppiamento tra protoni geminali e vicinali in
sistemi rigidi: correlazioni di Karplus. Accoppiamento a grande distanza.
Disaccoppiamento. (3h) - Identificazione dei sistemi di spin. (2h) Protoni
su eteroatomi. Velocità di scambio. Accoppiamento di protoni con altri nuclei. (2h) - Equivalenza chimica (operazioni di simmetria) e magnetica. Sistemi di
spin complessi. Effetti dovuti alla presenza di un elemento stereogenico. (3h)
Reagenti di shift. Effetto Nucleare Overhauser (NOE). (1h) - Risonanza magnetica nucleare del carbonio (13C-NMR). Spettri
in disaccoppiamento totale. Spettri off-resonance. Esperimenti DEPT e APT. (2h) - Spettroscopia NMR bidimensionale (2D-NMR): principali esperimenti. (2h)
- Spettrometria NMR a temperatura variabile. Principi base delle tecniche
dinamiche: D-HPLC e D-NMR. (2h) - Interpretazione di spettri NMR
per l'identificazione di composti organici. (5h) - Spettrometria di Massa (MS)
Sistemi di
ionizzazione: impatto elettronico, ionizzazione chimica, Fast Atom Bombardment
(FAB) - ESI - APCI – MALDI (cenni). Analizzatori: sistemi quadrupolari, ion
trap, Orbitrap. Accoppiamento HPLC-MS: ESI e APCI. (2h)
Lo ione
molecolare, masse esatte, abbondanze isotopiche, cluster isotopici.
Frammentazioni
caratteristiche negli spettri di massa, riarrangiamento di McLafferty. (2h)
Obiettivi per lo sviluppo sostenibile - Agenda ONU 2030
- Anno accademico2025/2026
- Corso di studio a cui afferisce l’insegnamentoChimica e tecnologia farmaceutiche
- Codice insegnamento1008213
- Anno e semestre3º anno - 2º semestre
- TipologiaBasic educational activities
- AmbitoDiscipline chimiche
- SSDCHIM/06
- Presenza obbligatoriaNo
- Linguaita
- CFU8 CFU
- Durata complessiva64 ore
- Distribuzione delle ore64 classroom hours