SEPARAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI COMPOSTI ORGANICI

Modulo CARATTERIZZAZIONE STRUTTURALE DI COMPOSTI ORGANICI E LABORATORIO (Modulo 2)

Il corso si propone di fornire allo studente le conoscenze di base e la metodologia necessaria per l’interpretazione di spettri infrarosso (IR), ultravioletto-visibile (UV-Vis) e risonanza magnetica nucleare (NMR). Al termine del corso lo studente sarà in grado di effettuare una completa caratterizzazione strutturale e stereochimica di molecole organiche utilizzando in modo integrato spettri (NMR, MS, UV, IR).

L’attività di laboratorio sarà dedicata alla deduzione della struttura di un composto organico incognito tramite l’acquisizione di spettri (NMR, UV, IR) e la loro interpretazione

In riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, i risultati di apprendimento del corso sono:

 

D1 - Conoscenza e capacità di comprensione: 

Lo studente dovrà dimostrare la padronanza delle conoscenze di base dei moderni metodi di indagine spettroscopica nonché la capacità di comprensione delle caratteristiche fondamentali degli spettri (NMR, IR , MS e UV) di ogni molecola.

 

D2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione: 

Alla fine del corso lo studente dimostrerà la capacità di applicare le conoscenze acquisite, e il metodo scientifico per identificare una molecola tramite l'analisi combinata degli spettri ottenuti con le varie tecniche. Lo studente sarà in grado di risolvere problemi di caratterizzazione strutturale, anche complessi, e di simulare gli spettri di nuove molecole. Grazie all’attività svolta durante le ore di laboratorio, lo studente acquisirà padronanza nell'utilizzo di attrezzature complesse per l'acquisizione di spettri UV, IR e nell'elaborazione di spettri NMR applicati allo studio dei composti organici.

D3 - Autonomia di giudizio: 

Lo studente alla fine del corso saprà interpretare i dati raccolti in modo coerente, critico e corretto, correlandoli alle teorie appropriate. Lo studente sarà in grado di reperire informazioni su spettri di riferimento, costanti fisiche e dati analitici tramite database spettroscopici open access, letteratura scientifica, etc. Lo studente saprà decidere in modo autonomo quali metodiche siano più utili per risolvere un particolare problema strutturale, formulando ipotesi e scartando quelle non corrette. Lo studente sarà in grado di valutare l'approccio, le possibilità, e i limiti delle tecniche di caratterizzazione  della struttura di un composto organico, valutando in modo critico i parametri di qualità delle tecniche utilizzate.

Lo studente durante le esperienze di laboratorio e le esercitazioni dovrà sviluppare capacità organizzativa e capacità di lavorare in gruppo. Lo studente sarà in grado di progettare e condurre esperimenti in modo indipendente. 

 

D4 - Abilità comunicative: 

Lo studente dovrà essere in grado di comunicare in modo chiaro, sia in forma scritta che orale, le proprie conoscenze e la propria capacità interpretativa dei vari spettri così come i fondamenti teorici alla base delle tecniche di indagine spettroscopica. Al momento della definizione della struttura del composto organico, lo studente dovrà dimostrare e difendere la correttezza delle proprie deduzioni utilizzando la terminologia appropriata e gli standard di rappresentazione scientifica, adattando il livello di comunicazione al contesto. Lo studente sia durante le esercitazioni in aula che le esperienze di laboratorio dovrà mostrare di sapere riuscire a pianificare e gestire il tempo, così come interagire con i colleghi.

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di trasmettere agli studenti delle triennali le conoscenze acquisite sia in ambito teorico che sperimentale ai fini dell’interpretazione di spettri 1HNMR di composti orgnanici.

 

D5 - Capacità di apprendimento: 

A conclusione del corso, lo studente sarà in grado di risolvere un problema di identificazione strutturale in modo autonomo, mostrando la capacità di affrontarlo attraverso l’applicazione delle competenze maturate durante il corso. 

Lo studente sarà in grado di recuperare agevolmente informazioni dalla letteratura scientifica specializzata, banche dati spettroscopiche ed internet relative a tecniche analitiche, dati spettroscopici di riferimento e metodologie di caratterizzazione strutturale

Le competenze acquisite saranno utili per affrontare problemi complessi anche interdisciplinari relativi all'utilizzo di metodi di caratterizzazione strutturale. 

Lo studente sarà in grado di apprendere in modo autonomo nuove tecniche spettroscopiche avanzate e sviluppi strumentali, acquisendo le competenze necessarie per intraprendere studi futuri, affrontare nuove tematiche scientifiche o problematiche professionali nel campo dell'analisi strutturale (dalla ricerca accademica al controllo di qualità industriale

Lo studente sarà in grado di reperire le informazioni utili e interpretare criticamente i dati spettroscopici per formulare risposte scientificamente fondate e difendere le proprie proposte strutturali in diversi contesti comunicando efficacemente i risultati.

 

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

Il corso è strutturato in maniera tale da consentire l’acquisizione degli strumenti indispensabili per un’agevole interpretazione dei dati spettroscopici finalizzati alla caratterizzazione strutturale di composti organici di interesse biologico, farmaceutico e nutrizionale.

Il corso è organizzato in lezioni frontali, esercitazioni in aula e attività di laboratorio. Il Corso è suddiviso in 6 CFU: 4 di didattica frontale, 1 CFU di esercitazioni e 1 CFU di laboratorio

Durante le esercitazioni (1 CFU) saranno realizzate analisi guidate di spettri IR, MS, UV, NMR mono e bidimensionale al fine di identificare una molecola organica incognita. L’interpretazione dei dati spettrali viene effettuata dal docente in maniera interattiva con gli studenti.

La parte di laboratorio (1 CFU) si prefigge, invece, di realizzare il completamento del percorso formativo previsto dal corso intero. Durante le ore di questa parte del corso, saranno sviluppate esercitazioni pratiche volte all'acquizione degli spettri NMR, IR, UV e di massa e successiva interpretazione dei relativi dati spettrali.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Conoscenze di base di matematica e fisica.

Buone conoscenze sulla struttura e reattività dei composti organici.

La frequenza al corso è obbligatoria, dovendo lo studente frequentare almeno il 70% del monte ore del corso sia per le lezioni

frontali che per le lezioni di laboratorio (vedi regolamento didattico sezione 3.1)

Introduzione

Importanza delle tecniche spettroscopiche in chimica organica. Regioni dello spettro elettromagnetico e corrispondenti tecniche spettroscopiche.

Spettroscopia ultravioletta e visibile (UV-VIS)

Introduzione e concetti fondamentali. Analisi ed interpretazione di uno spettro UV-VIS: bande caratteristiche e intensità dell'assorbimento. Principali cromofori. Esercitazioni

Spettroscopia infrarossa (IR)

Introduzione e concetti fondamentali. Analisi ed interpretazione di uno spettro IR. Assorbimenti caratteristici dei principali gruppi funzionali di molecole organiche. Esercitazioni.

Introduzione alla Spettrometria di risonanza magnetica nucleare (NMR)

Proprietà magnetiche dei nuclei. Livelli energetici e popolazione di nuclei immersi in un campo magnetico. Processi dirilassamento. Spettroscopia NMR ad impulsi e a trasformata di Fourier (PFT- NMR). Spettrometri NMR.

Spettri 1H NMR

Spostamento chimico (chemical shift). Costante di schermo e sue componenti. Effetti induttivo, di anisotropia diamagnetica, di campo elettrico; effetti delle relazioni intermolecolari sul chemical shift. Protoni su atomi di ossigeno e azoto. Intensità dei segnali. L'accoppiamento 'spin-spin'.

Accoppiamenti scalari e dipolari. Sistemi di ordine zero e del 1° ordine. Equivalenza chimica ed equivalenza magnetica. Sistemi del 2° ordine. Esercitazioni.

Spettri 13C NMR

Caratteristiche del nucleo 13C. Classi di composti e spostamento chimico. Parametri da valutare nella esecuzione di un esperimento 13C NMR. Disaccoppiamento di spin (doppia risonanza). Disaccoppiamento eteronucleare a banda larga. Effetto nucleare Overhauser (NOE). NOE eteronucleare. Disaccoppiamento controllato (Gated decoupling). Esercitazioni.

Spettri 1H NMR e struttura molecolare

Equivalenza, simmetria e chiralità. Coppie di protoni omotopici, enantiotopici e diasterotopici. Effetti di un centro chirale. Accoppiamento virtuale. Costanti di accoppiamento: struttura e stereochimica. Accoppiamenti omonucleari: geminali, vicinali e a lunga distanza. Doppia risonanza omonucleare 1H-1H. Spettrometria per differenza ad effetto Overhauser (NOE). Effetto solvente e reagenti di shift. Esercitazioni.

NMR nei processi dinamici

Equilibrio conformazionale ed equilibrio chimico. Scambio veloce e scambio lento. Spettri NMR a temperatura variabile. Equazione di Eyring. Spettri NMR di composti contenenti idrogeni ‘mobili’.

Esperimenti avanzati e 2D NMR

Esperimenti monodimensionali avanzati: tempo di evoluzione e tempo di mescolamento. Evoluzione della magnetizzazione in sistemi AX, AX2 e AX3. J-modulation. Spettro DEPT. Spettro 1D-TOCSY. Esperimenti NMR bidimensionali (2D NMR). Spettri di correlazione omonucleare. Analisi degli spettri 1H-1H COSY e 1H-1H TOCSY. Esperimenti 1H-1H NOESY e ROESYe analisi degli spettri. Spettri di correlazione eteronucleare. Analisi degli spettri 1H-13C COSY (HETCOR) e di correlazione eteronucleare a lunga distanza 1H-13C (HMBC). Esercitazioni.

Spettri NMR di eteronuclei

Spettri 15N NMR: caratteristiche, regione di chemical shift, costanti 1H-15N.

Spettri 19F NMR: caratteristiche, regione di chemical shift, costanti 1H-19F. Spettri 31P NMR: caratteristiche, regione di chemical shift, costanti 1H-31P. Accoppiamenti multinucleari.

Interazioni proteina – ligando

Interazioni con piccoli ligandi. Sistemi diffusion limited, KD, equazioni. Scambio chimico: scambio lento e veloce. Scale di tempo e scambio chimico. Screening in vitro. Esperimenti per la caratterizzazione NMR: WaterLOGSY, STD, DOSY. Analisi delle tre tecniche e loro confronto.

Cenni di NMR allo stato solido (HR-MAS NMR)

Esercitazioni in aula

Analisi guidata di spettri (NMR, MS, UV, IR); uso integrato delle tecniche spettroscopiche studiate e svolgimento di problemi di determinazione della struttura di molecole organiche.

Laboratorio

Identificazione di una molecole organiche incognite mediante acquisizione e successivo studio di spettri NMR, UV e IR.

1. R.M. Silverstein, F.X. Webster e D.J. Kiemle, “Identificazione Spettroscopica Di Composti Organici” Casa Editrice Ambrosiana (Milano)
2. A. Randazzo, “Guida pratica alla interpretazione degli spettri NMR” Loghìa Publishing
3. L. D. Field, S. Sternhell, J.R. Kalman, “Organic Structures From Spectra” IV Edizione, John Wiley and Sons (Chichester New York Brisbane Toronto Singapore)
4. M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh, “Metodi Spettroscopici In Chimica Organica” EdiSES (Napoli)
5. Materiale didattico reso disponibile su www.studium.unict.it

L'esame, è teso ad accertare:

(a) l'acquisizione dei concetti di base del corso e la capacità di collegarli tra loro e con gli esperimenti svolti in laboratorio; 

(b) la capacità di esporre chiaramente i concetti usando usando adeguatamente il linguaggio scientifico, 

(c) la capacità di utilizzare e interpretare quantitativamente i dati sperimentali applicando i concetti e le metodologie acquisiti durante il corso.

 

L’esame di fine corso consiste in una prova scritta e una prova orale. La prova scritta, della durata di 2 ore, consiste nella risoluzione anche parziale di un problema di determinazione strutturale basato sull'interpretazione di spettri NMR mono e bidimensionali, MS, UV e IR.

Colloquio orale: verifica dell'apprendimento dei contenuti del corso

 

La verifica dell’apprendimento (prova scritta e prova orale) potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

 

Per l’attribuzione del voto finale si terrà conto dei seguenti parametri:

 

Voto 29-30 e lode: lo studente ha una conoscenza approfondita della teoria alla base di NMR, UV e IR; riesce correttamente a dedurre la struttura di una molecola organica dall’analisi degli spettri, integrare e analizzare gli spettri con l’elaborazione di concetti teorici, risolvendo autonomamente problemi anche di elevata complessità; ha ottime capacità comunicative e proprietà di linguaggio.

 

Voto 26-28: lo studente ha una buona conoscenza della teoria alla base di NMR, UV e IR; riesce a dedurre la struttura di una molecola organica dall’analisi degli spettri, integrare e analizzare gli spettri con l’elaborazione di concetti teorici, risolvendo in modo abbastanza autonomo problemi anche di elevata complessità; ha buone capacità comunicative e proprietà di linguaggio;

 

Voto 22-25: lo studente ha una discreta conoscenza della teoria alla base di NMR, UV e IR; riesce a dedurre in modo parziale la struttura di una molecola organica dall’analisi degli spettri, integrare e analizzare gli spettri con l’elaborazione di concetti teorici, risolvendo in modo non sempre lineare problemi anche di elevata complessità; espone gli argomenti in modo abbastanza chiaro con una discreta proprietà di linguaggio;

 

Voto 18-21: lo studente ha la minima conoscenza della teoria alla base di NMR, UV e IR; riesce a dedurre in modo parziale la struttura di una molecola organica dall’analisi degli spettri, integrare e analizzare gli spettri in modo modesto con l’elaborazione di concetti teorici, risolvendo in modo non sempre lineare problemi anche di elevata complessità; espone gli argomenti in modo sufficientemente chiaro sebbene la proprietà di linguaggio sia poco sviluppata;

 

Esame non superato: lo studente non possiede la conoscenza minima richiesta dei contenuti principali dell’insegnamento e non è in grado di dedurre la struttura di una molecola organica dall’analisi degli spettri. La capacità di utilizzare il linguaggio specifico è scarsissima o nulla e non è in grado di applicare autonomamente le conoscenze acquisite.

 

 

Il corso di Separazione e Caratterizzazione di Composti Organici è articolato in due moduli didattici distinti (Mod.1 Cromatografia e Spettrometria di Massa di Composti Organici e Mod. 2. Caratterizzazione Strutturale di Composti Organici e Laboratorio), ciascuno dei quali prevede un proprio esame finale. Il superamento di entrambi gli esami è condizione necessaria per l’acquisizione dei crediti formativi associati all’insegnamento.

 

Il voto finale dell’insegnamento viene determinato come media aritmetica dei voti conseguiti nei due moduli, espressi in trentesimi.

Si considera irrinunciabile la capacità da parte dello studente di affrontare (almeno in parte) la risoluzione di un problema di determinazione della struttura di una molecola organica sulla base degli spettri MS, IR, UV, NMR.

Esempi di domande: Analisi spettroscopica di composti organici che presentano gruppi OH; 1HNMR: Costante di schermo e chemical shift per effetto dell’anisotropia diamagnetica; Esperimenti di disaccoppiamento sul protone; 13C NMR: Generalità, Esperimento BB e effetto NOE, Off resonance; 1HNMR: Protoni omotopici, enantiotopici, diasterotopici; 2D NMR: Spettri HSQC e HMBC; Previsione di spettri NMR di isomeri di struttura; Effetto dell’intorno chimico sui chemical shift; Caratteristiche di uno spettro UV, epsilon e spostamento della bande; Effetto della coniugazione dei doppi legami su uno spettro UV; Analisi di spettri IR: regioni caratteristiche; Teoria IR; etc...