Catalogo dei Corsi di studio

Obiettivi generali
Il corso di Metodi Fisici in Chimica Organica ha l’obiettivo di fornire allo studente le conoscenze fondamentali delle moderne tecniche cromatografiche e spettroscopiche, comunemente impiegate nello studio di molecole organiche nei laboratori di ricerca e di controllo. Il Corso ha inoltre l’obiettivo di fornire la capacità di Individuare le tecniche cromatografiche più adatte alla soluzione di problemi reali, e di comprendere spettri UV, IR, MS e NMR di molecole organiche. Al termine del corso lo studente acquisirà le competenze per analizzare in maniera approfondita spettri NMR, IR e MS, per ricavare a partire dalla loro analisi combinata la struttura di composti incogniti, e per prevedere le proprietà spettroscopiche di nuovi composti.

Obiettivi specifici
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Lo studente conosce e comprende i fondamenti delle moderne tecniche cromatografiche: adsorbimento, partizione, aspetti cinetica, equazione di van Deemter, composizione e morfologia delle fasi stazionarie, semplici relazioni struttura-ritenzione, interazione soluto-fase stazionaria-fase mobile. Lo studente conosce e comprende i fondamenti delle tecniche spettroscopiche: interazione materia-radiazione. Spettro elettromagnetico, lunghezza d’onda, frequenza, contenuto energetico, intensità della radiazione, assorbimento, emissione, scattering, stati eccitati, quantizzazione. Lo studente conosce e comprende i principi teorici e le applicazioni pratiche delle spettroscopie IR (oscillatore armonico, anarmonico, vibrazioni fondamentali, overtone, bande di combinazione, assorbimenti caratteristici dei principali gruppi funzionali), 1H-NMR e 13C-NMR (nuclei in un campo magnetico, risonanza, processi di rilassamento, schermo e costanti di schermo, accoppiamento spin-spin omo- ed etero-nucleare, sistemi di spin e notazione di Pople, relazione di Karplus) e MS (processi di ionizzazione e frammentazione, analizzatori). Lo studente conosce e comprende i principi teorici e le applicazioni pratiche delle tecniche strumentali accoppiate (LC-MS). Lo studente è in grado di comprendere come i parametri spettrali possono essere influenzati dalle condizioni sperimentali (stato fisico del campione, concentrazione, solvente, temperatura).

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente è in grado di scegliere la tecnica cromatografica più adatta in funzione della struttura dei composti da analizzare ed è in grado di descrivere il processo per la scelta di fasi stazionarie, fasi mobili e rivelatori. Lo studente è in grado di controllare e ottimizzare i parametri cinetici e termodinamici del processo cromatografico, ed è in grado di applicare le conoscenze acquisite a nuove problematiche tipiche dei contesti di ricerca e in ambito lavorativo. Lo studente è in grado di interpretare spettri IR, NMR, MS di semplici composti organici puri, ed è capace di scegliere la tecnica spettroscopica o la combinazione di più tecniche adatte alle diverse indagini strutturali (controllo della conversione di gruppi funzionali, identificazione di impurezze, ). Lo studente è in grado di applicare le tecniche strumentali conosciute a nuove problematiche che si possono presentare in ambiti di ricerca o di lavoro.

3. Autonomia di giudizio
Lo studente è in grado di integrare le conoscenze acquisite durante il corso con quelle proprie del filone chimico fisico-organico che caratterizza il Corso di Laurea in CTF (studio di equilibri, velocità di reazione, meccanismi di reazione, studio di intermedi, selettività, stereochimica). Lo studente sarà in grado di acquisire da banche dati ed interpretare dati multispettrali utili alla soluzione di problemi tipici in ambiti di ricerca e di produzione quali laboratori di sintesi, di controllo di qualità di principi attivi, laboratori di analisi di prodotti di origine naturale, di miscele complesse di metaboliti. Tali capacità sono stimolate e sviluppate tipicamente durante lo svolgimento di esercizi di interpretazione di spettri, durante le lezioni ed esercitazioni.

4. Abilità comunicative
Lo studente sarà in grado di comunicare quanto appreso in maniera chiara e rigorosa, sia a interlocutori non esperti sia ad esperti del settore. Lo studente è stimolato alla comunicazione interpersonale tipicamente durante le esercitazioni in aula.

5. Capacità di apprendimento
Lo studente avrà sviluppato capacità autonome di apprendimento relative alle tecniche cromatografiche e spettroscopiche attraverso la consultazione di banche dati, materiale bibliografico e letteratura scientifica disponibili on-line.

Programma

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. Interpretazione di spettri NMR per l'identificazione di composti organici.
Spettrometria di Massa (MS)
Sistemi di ionizzazione: impatto elettronico, ionizzazione chimica, Fast Atom Bombardment (FAB) - ESI - APCI - MALDI.
Analizzatori: a settore magnetico, a settore elettrico, sistemi quadrupolari, ion trap, sistemi a tempo di volo, orbitrap.
Lo ione molecolare, masse esatte, abbondanze isotopiche, cluster isotopici, calcolo della composizione elementare dello ione.
Frammentazioni caratteristiche negli spettri di massa, riarrangiamento di McLafferty.

Testo consigliato:
Silverstein, Webster, Kiemle. Identificazione spettrometrica di composti organici, Terza Edizione Italiana (2016) Casa Editrice Ambrosiana, Milano.

Prerequisiti

Superamento degli esami di chimica generale, chimica organica 1 e organica 2

Data inizio prenotazione	Data fine prenotazione	Data appello
01/01/2020	15/02/2023	16/02/2023
01/01/2020	14/03/2023	15/03/2023
01/01/2020	04/04/2023	14/04/2023
01/01/2020	20/06/2023	21/06/2023
07/06/2023	25/06/2023	26/06/2023
27/06/2023	16/07/2023	17/07/2023
01/01/2020	07/09/2023	08/09/2023
01/01/2020	21/09/2023	22/09/2023
01/01/2020	29/09/2023	30/09/2023

Programma

MODULO 1 (4CFU)

- 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 gassosa ad alta risoluzione (HRGC). Considerazioni di carattere generale. Colonne microbore e microcapillari impaccate. Rivelatori. Interfacciamento con la spettrometria di massa (GC-MS).
Separazioni stereoselettive ed enantioselettive. Approccio diretto e indiretto. Principali interazioni selector-selectand. Aspetti termodinamici delle separazioni enantioselettive. Principali fasi stazionarie chirali per HPLC. Fasi stazionarie chirali per HRGC: Chirasil-Val, derivati di ciclodestrine e fasi stazionarie di complessazione.

-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 sigma→sigma*, n→sigma*, n→p-greco*, p-greco→p-greco*. Strumentazione UV e solventi. Assorbimenti caratteristici di composti contenenti solo legami sigma, di composti saturi contenenti elettroni n e di composti contenenti elettroni p-greco. Sistemi aromatici.

Testi adottati

Silverstein, Webster, Kiemle. Identificazione spettrometrica di composti organici, Terza Edizione Italiana (2016) Casa Editrice Ambrosiana, Milano.

Prerequisiti

Per un’agevole comprensione degli argomenti trattati nel Corso si consiglia di aver superato l'esame di Chimica organica I.

Modalità di svolgimento

Le lezioni saranno svolte in presenza o in modalità mista in funzione delle disposizioni anti-covid vigenti.

Modalità di 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 valutazione

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.

Data inizio prenotazione	Data fine prenotazione	Data appello
14/11/2023	14/11/2023	15/11/2023
03/01/2024	17/01/2024	19/01/2024