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METODI CHIMICO FISICI IN CHIMICA ORGANICA (042FA)

A.A. 2021 / 2022

Periodo 
Primo semestre
Crediti 
8
Durata 
64
Tipo attività formativa 
Affine/Integrativa
Percorso 
[PDS0-2019 - Ord. 2019] comune
Syllabus 
Lingua insegnamento 

Italiano

Obiettivi formativi 

1. Conoscenza e capacità di comprensione: al termine del corso lo studente dovrà aver acquisito le conoscenze di base sulle tecniche spettroscopiche utilizzate correntemente per l'identificazione e per lo studio strutturale e conformazionale di composti organici.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione: al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite nel punto 1 per il riconoscimento della struttura di sostanze organiche incognite, interpretando gli spettri IR, nmr e di massa.

3. Autonomia di giudizio: al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di operare in autonomia, coordinando le informazioni ricavabili dagli spettri, così da ottenere una soluzione univoca. Queste conoscenze potranno essere utilizzate in corsi successivi, nello svolgimento della tesi, in un ambito lavorativo.

4. Abilità comunicative: al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di esporre chiaramente e con linguaggio tecnico corretto i risultati e le deduzioni effettuate

5. Capacità di apprendimento: al termine del corso lo studente avrà la capacità di comprendere i vari aspetti dell'applicazione di queste tecniche in campo chimico e biologico e sarà in grado di approfondire in modo autonomo gli argomenti trattati nel corso, anche tramite la consultazione di testi,di bibliografia specifica.

Prerequisiti 

Lo studente che accede a questo insegnamento deve conoscere la chimica organica, in particolare le principali classi dei composti organici, le principali tipologie delle reazioni organiche. Deve possedere delle nozioni di base di termodinamica e di fisica. Propedeuticità: Chimica Organica.

Contenuti 

Introduzione. Introduzione alla spettroscopia. Interazione sistemi molecolari e radiazione elettromagnetica. Caratterizzazione di un’onda elettromagnetica. Relazioni fondamentali. Lo spettro elettromagnetico. Livelli energetici negli atomi. Livelli energetici nelle molecole. Transizioni elettroniche, vibrazionali, rotazionali, di spin nucleare. Assorbimento ed emissione di energia. Equazione di Planck. Zone spettrali di differenti tipi di transizioni.
Spettroscopia UV-Visibile. Principi generali e strumentazione. Transizioni elettroniche, permesse e proibite. Cromofori e loro valori tipici di assorbimento. Caratteristiche delle bande: lunghezza d’onda, larghezza, intensità. Presenza di gruppi sostituenti. Shift batocromo, ipsocromo, auxocromo. Effetto solvente. La legge di Lambert-Beer. Spettri di emissione. Fluorescenza.
Spettroscopia Infrarossa. Principi. Strumentazione in onda continua. FTIR. Preparazione del campione. Campioni gassosi, liquidi, solidi. Modi normali di vibrazione: stretching e bending. Gradi di libertà e vibrazioni. Tipologia delle bande di assorbimento: bande fondamentali, overtone, bande di combinazione. Modello oscillatore armonico e anarmonico. Legge di Hooke. Principali frequenze vibrazionali dei più importanti gruppi funzionali. Alcani, alcheni, alchini, aromatici. Alcoli e fenoli. Effetto del legame idrogeno. Eteri. Ammine. Gruppo carbonilico: aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, esteri, ammidi. Nitrili. Composti solforati. Nitroderivati. Alogenoderivati.
Spettroscopia NIR. Principi generali. Campo spettrale. Bande. Misure quantitative. Spettroscopia Raman. Principi. Righe Stokes e anti-Stokes. Polarizzabilità e banda Raman.
Risonanza Magnetica Nucleare. Principi. Strumentazione ad onda continua. Preparazione dei campioni. Solventi deuterati. Riferimento. Trasformata di Fourier. Gli impulsi rf. FID. Parametri fondamentali dell’NMR. Chemical shift: effetti induttivi, ibridazione, anisotropia in sistemi contenenti elettroni . Protoni legati ad eteroatomi: effetto del legame idrogeno (concentrazione e temperatura), di scambio, di quadrupolo. Integrazione. Equivalenza chimica e magnetica. Accoppiamento e molteplicità dei segnali. Costante di accoppiamento. Effetto di B0. Valori tipici delle costanti di accoppiamento; geminali, vicinali ed alliliche in sistemi a catena aperta, ciclici, vinilici e aromatici. Spettri del I ordine e del II ordine. Eq. di Karplus. Diagrammi ad albero per l’interpretazione di multipletti complessi. Accoppiamento virtuale. Nuclei omotopici, enantiotopici, diastereotopici. Catene simmetriche. Reagenti di shifts per lo studio di composti chirali. 13C NMR: valori tipici di chemical shifts e J(13C-1H). Spettri 1H e 13C NMR delle principali classi di composti organici.
Tecniche multi-impulso: COSY, HETCOR, HMQC, HMBC, INADEQUATE, NOE, NOESY, ROESY, TOCSY. Discussione di esempi.
Spettrometria di Massa. Principi di spettrometria di massa. Ionizzazione e frammentazione. Scissione omolitica ed eterolitica. Riarrangiamenti e trasposizioni. Stabilità di ioni e radicali. Il picco molecolare ad alta e bassa risoluzione. Picchi isotopici. Ione molecolare e formula molecolare. Principali frammentazioni di gruppi funzionali.
Strumentazione. Ionizzazione ad impatto elettronico. Altre metodologia di ionizzazione: Ionizzazione chimica. FAB. MALDI. Elettrospray. Analizzatori di massa: settore magnetico, doppia focalizzazione, quadruplo, TOF, Ion trap. Detector. Tecniche MS-MS, GC-MS, HPLC-MS.

Metodi didattici 

Lezioni frontali utilizzando anche presentazioni power point. Esercitazioni in aula relative all'interpretazione di spettri IR, H1-nmr, C-13-nmr, MS, prima per singola tipologia, poi con uso combinato di tutte le tecniche. Gli esercizi proposti in aula sono analoghi a quelli proposti in sede d'esame.
Eventuali cambiamenti alle modalità qui descritte, che si rendessero necessari per garantire l'applicazione dei protocolli di sicurezza legati all'emergenza COVID19, saranno comunicati nel sito web di Dipartimento, del Corso di Studio e dell'insegnamento

Programma esteso 

Introduzione. Introduzione alla spettroscopia. Interazione sistemi molecolari e radiazione elettromagnetica. Caratterizzazione di un’onda elettromagnetica. Relazioni fondamentali. Lo spettro elettromagnetico. Livelli energetici negli atomi. Livelli energetici nelle molecole. Transizioni elettroniche, vibrazionali, rotazionali, di spin nucleare. Assorbimento ed emissione di energia. Equazione di Planck. Zone spettrali di differenti tipi di transizioni.
Spettroscopia UV-Visibile. Principi generali e strumentazione. Transizioni elettroniche, permesse e proibite. Cromofori e loro valori tipici di assorbimento. Caratteristiche delle bande: lunghezza d’onda, larghezza, intensità. Presenza di gruppi sostituenti. Shift batocromo, ipsocromo, auxocromo. Effetto solvente. La legge di Lambert-Beer. Spettri di emissione. Fluorescenza.
Spettroscopia Infrarossa. Principi. Strumentazione in onda continua. FTIR. Preparazione del campione. Campioni gassosi, liquidi, solidi. Spettroscopia in riflessione. DRIFTS. ATR. Modi normali di vibrazione: stretching e bending. Gradi di libertà e vibrazioni. Tipologia delle bande di assorbimento: bande fondamentali, overtone, bande di combinazione. Modello oscillatore armonico e anarmonico. Legge di Hooke. Principali frequenze vibrazionali dei più importanti gruppi funzionali. Alcani, alcheni, alchini, aromatici. Alcoli e fenoli. Effetto del legame idrogeno. Eteri. Ammine. Gruppo carbonilico: aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, esteri, ammidi. Nitrili. Composti solforati. Nitroderivati. Alogenoderivati.
Spettroscopia NIR. Principi generali. Campo spettrale. Bande. Misure quantitative. Calibrazione. Strumentazione. Esempi di applicazione nell’analisi quantitativa e nel controllo qualità.
Spettroscopia Raman. Principi. Righe Stokes e anti-Stokes. Polarizzabilità e banda Raman. Strumentazione. Esempi.
Risonanza Magnetica Nucleare. Principi. Strumentazione ad onda continua. Preparazione dei campioni. Solventi deuterati. Riferimento. Trasformata di Fourier. Gli impulsi rf. FID. Parametri fondamentali dell’NMR. Chemical shift: effetti induttivi, ibridazione, anisotropia in sistemi contenenti elettroni . Protoni legati ad eteroatomi: effetto del legame idrogeno (concentrazione e temperatura), di scambio, di quadrupolo. Integrazione. Equivalenza chimica e magnetica. Accoppiamento e molteplicità dei segnali. Costante di accoppiamento. Effetto di B0. Valori tipici delle costanti di accoppiamento; geminali, vicinali ed alliliche in sistemi a catena aperta, ciclici, vinilici e aromatici. Spettri del I ordine e del II ordine. Eq. di Karplus. Diagrammi ad albero per l’interpretazione di multipletti complessi. Accoppiamento virtuale. Nuclei omotopici, enantiotopici, diastereotopici. Catene simmetriche. Reagenti di shifts per lo studio di composti chirali. 13C NMR: valori tipici di chemical shifts e J(13C-1H). Spettri 1H e 13C NMR delle principali classi di composti organici. Spettroscopia nmr di altri nuclei: F-19, P-31, N-15.
Tecniche multi-impulso: COSY, HETCOR, HMQC, HMBC, INADEQUATE, NOE, NOESY, ROESY, TOCSY. Discussione di esempi.
Spettrometria di Massa. Principi di spettrometria di massa. Ionizzazione e frammentazione. Scissione omolitica ed eterolitica. Riarrangiamenti e trasposizioni. Stabilità di ioni e radicali. Il picco molecolare ad alta e bassa risoluzione. Picchi isotopici. Ione molecolare e formula molecolare. Principali frammentazioni di gruppi funzionali.
Strumentazione. Ionizzazione ad impatto elettronico. Alt

Modalità di verifica dell'apprendimento 

L'esame finale prevede una prova scritta e una prova orale.
La prova scritta (2h) consiste nel riconoscimento della struttura di un composto organico sulla base degli spettri di massa, IR, nmr, in maniera analoga alle esercitazioni svolte in aula.
Nella prova scritta deve essere individuata la struttura del composto e gli spettri interpretati nel dettaglio, così da dimostrare di essere in grado di operare in modo autonomo e saper decidere qual è la struttura corretta sulla base delle informazioni fornite.
Per accedere all’orale è indispensabile aver riconosciuto il composto.
Nella prova orale viene discusso l'elaborato e vengono poste alcune domande sulle tecniche illustrate nel corso e sulle loro peculiarità di applicazione.
Eventuali cambiamenti alle modalità qui descritte, che si rendessero necessari per garantire l'applicazione dei protocolli di sicurezza legati all'emergenza COVID19, saranno comunicati nel sito web di Dipartimento, del Corso di Studio e dell'insegnamento

Altre informazioni 

Il materiale didattico powerpoint è a disposizione su Moodle

Testi di riferimento 

R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle, D.L. Bryce "Identificazione Spettrometrica di Composti Organici", CEA, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, III ed., 2016.

M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh. Metodi Spettroscopici nella chimica organica, II Edizione, EdiSES, Napoli, 2010.
Skoog, Holler, Crouch, Chimica Analitica Strumentale, II Edizione, EdiSES, Napoli, 2009.


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