SEPARAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI COMPOSTI ORGANICI

Obiettivi formativi

• CROMATOGRAFIA E SPETTROMETRIA DI MASSA DI COMPOSTI ORGANICI (Modulo 1)

  Lo scopo del corso è quello di fornire agli studenti i principi teorici e applicativi di:

  - metodi cromatografici al fine di un loro utilizzo per la separazione e purificazione di composti organici;

  - spettrometria di massa (MS);

  - utilizzo accoppiato di tecniche separative (GC, LC) con la MS;

  - uso della MS nella determinazione della struttura di composti organici.

  ll laureato in Scienze Chimiche - Curriculum Chimica organica e bioorganica, con l’insegnamento di CROMATOGRAFIA E SPETTROMETRIA DI MASSA DI COMPOSTI ORGANICI amplia ed approfondisce le conoscenze di base nei settori di ambito caratterizzante, acquisite con la laurea di primo livello. Matura, inoltre, una preparazione scientifica avanzata sugli aspetti relativi alle metodologie di studio chimico con particolare riferimento ai composti bioorganici e di intersse biologico.

  In particolare, gli obiettivi formativi specifici di questo corso sono: comprendere i principi sui quali è basato l'isolamento di composti organici da matrici naturali anche di natura biologica, i metodi e le tecniche che si utilizzano a tale scopo, i principi che stanno alla base della caratterizzazione dei composti organici mediante la spettrometria di massa, le tecniche utilizzate per ottenere e interpretare spettri di massa e i principi dell'accoppiamento cromatografia- spettrometria di massa.

  Più in dettaglio, con riferimento ai Descrittori di Dublino, questo insegnamento contribuisce ad acquisire le seguenti competenze trasversali:

  Conoscenza e capacità di comprensione

  • capacità di ragionamento induttivo e deduttivo.
  • capacità di capire i principi e i metodi sui quali è basata la separazione dei composti organici.
  • capacità di capire i principi e i metodi sui quali è basata l'identificazione dei composti organici mediante spettrometria di massa.

  Capacità di applicare conoscenza

  • capacità di individuare la tecnica più opportuna per l'isolamento e la purificazione di composti organici.
  • capacità di identificare una composto organico mediante lo studio del suo spettro di massa.

  Autonomia di giudizio

  • capacità di ragionamento critico
  • capacità di prevedere il risultato di una separazione cromatografica.
  • capacità di prevedere il risultato dell'utilizzo di una particolare tecnica di spettrometria di massa.

  Abilità comunicative

  • capacità di descrivere in forma orale, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico il risultato di una procedura cromatografica, di spettrometria di massa o di un'analisi cromatrografia/spettrometria di massa.
• 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)

  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 forniti da ogni sostanza (NMR, IR e UV e Massa).

  D2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente dovrà mostrare il possesso della capacità di applicare le proprie conoscenze, e l'abilità di identificare una molecola tramite l'analisi combinata degli spettri ottenuti con le varie tecniche. Dovrà essere in grado di simulare gli spettri di nuove molecole e di saper decidere quali metodiche siano più utili per risolvere un particolare problema strutturale.
  D3 - Autonomia di giudizio: gli studenti dovranno essere in grado di progettare e condurre esperimenti in modo indipendente. Alla fine del corso dovranno saper interpretare i dati raccolti in modo coerente, critico e corretto, correlandoli alle teorie appropriate; in aggiunta dovranno saper formulare ipotesi e scartare quelle non corrette.

  D4 - Abilità comunicative: Lo studente dovrà essere in grado di comunicare in modo chiaro e con un linguaggio adeguato le proprie conoscenze e la propria capacità interpretativa dei vari spettri a specialisti e non.

  D5 - Capacità di apprendimento: gli studenti dovranno essere 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.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

• CROMATOGRAFIA E SPETTROMETRIA DI MASSA DI COMPOSTI ORGANICI (Modulo 1)

  Il corso prevede 6 CFU dei quali 4 di lezioni frontali e 2 di esercitazioni in aula. Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necesarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel Syllabus.

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

  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 di interesse biologico, farmaceutico e nutrizionale.

  Il corso è organizzato in lezioni frontali, esercitazioni in aula e attività di laboratorio.

  Durante le lezioni frontali, al fine di stimolare l’attenzione degli studenti, il docente periodicamente organizza dei brevi test (5-10 min) che gli studenti seguiranno direttamente in forma anonima su dispositivi elettronici di loro possesso (smartphone, tablet, ecc.).

  Durante le esercitazioni 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.

Prerequisiti richiesti

• CROMATOGRAFIA E SPETTROMETRIA DI MASSA DI COMPOSTI ORGANICI (Modulo 1)

  Conoscenza della chimica organica di base.

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

  Conoscenze di base di matematica e fisica.

  Buone conoscenze sulla struttura e reattività dei composti organici.

Frequenza lezioni

• CROMATOGRAFIA E SPETTROMETRIA DI MASSA DI COMPOSTI ORGANICI (Modulo 1)

  Il regolamento del corso prevede la frequenza obbligatoria di almeno il 70 % delle ore curriculari previste per l'insegnamento (28 ore di lezioni fontali e 24 di esercitazioni).

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

  La frequenza al corso è obbligatoria, dovendo lo studente frequentare almeno il 70% del monte ore del corso (vedi regolamento didattico sezione 3.1)

Contenuti del corso

• CROMATOGRAFIA E SPETTROMETRIA DI MASSA DI COMPOSTI ORGANICI (Modulo 1)

  CROMATOGRAFIA

  Principi teorici delle separazione cromatografica.Tempo di ritenzione e volume di ritenzione. Fattore di capacità. Selettività, risoluzione, simmetria dei picchi. Efficienza di una colonna cromatografica e piatto teorico. Migrazione differenziale degli analiti e allargamento della banda cromatografica: percorsi muitipli (effetto Eddy), diffusione longitudinale, trasferimento di massa in fase mobile, fase mobile stagnante e fase stazionaria. Equazione di Van Deemter. Allargamento della banda non dovuto alla colonna.

  Classificazione delle tecniche cromatografiche:

  - Cromatografia liquida di adsorbimento (liquido/solido, LS). Cromatografia liquida a pressione atmosferica su colonna (LPC) e cromatografia su strato sottile (TLC). Descrizione del sistema cromatografico a pressione atmosferica.

  - cromarografia liquida ad alta prestazione su colonna (HPLC).

  Caratteristiche delle fasi stazionarie utilizzate in HPLC in fase normale (liquido/solido) e in HPLC in fase inversa (RP-HPLC, liquido/liquido). Descrizione del sistema cromatografico ad alte prestazioni. La valvola di iniezione del campione ("loop").

  Le pompe: pompa a siringa, a pistone singolo, pompa reciprocate a doppio pistone. Smorzatori di pressione (dampers).

  Fasi mobili per HPLC: proprietà fisiche, potere eluente e selettività. Preparazione della fase mobile: anidrificazione, filtrazione e degasaggio. Preparazione del campione. Fase mobile e fase stazionaria. Esempi di separazione di composti organici mediante HPLC in fase normale e inversa. Ottimizzazione delle condizioni cromatografiche.

  Rivelatori per cromatografia liquida. Proprietà generali: (limite di rivelazione (LOD), range dinamico lineare (LDM). Rivvelatori: UV-VIs, Diode array, indice di rifrazione, fluorescenza. spettrometro di massa.

  - Cromatografia ad esclusione molecolare. Principi. Fasi stazionarie e fasi mobili. esampi di separazione di biopolimeri.

  - Cromatografia a scambio ionico. Principi. Fasi mobili e fasi stazionarie. Esempi di separazione di composti organici. L'analizzatore di amminoacidi.

  - Cromatografia di affinità. Principi. Fase mobile e fase stazionaria. Cromatografia di affinità colorante proteina per la purificazione delle proteine.

  - Gas cromatografia.

  Descrizione di un sistema cromatografico. Gascromatografia di adsorbimento (gas solido, GSC) e gascromatografia di ripartizione (gas liquido, GLC). Colonne capillari e impaccate. Il gas di trasporto. Fasi stazionarie solide e liquide. Scelta delle fase stazionaria.

  Rivelatori per gascromatografia: conducibilità termica (TCD), a ionizzazione di fiamma (FID), a ionizzazione di fiamma alcalina, a cattura di elettroni (ECD). Spettrometro di massa

   

  SPETTROMETRIA DI MASSA.

  Cos’è la Spettrometria di Massa. Principi del metodo. Schema a blocchi di uno strumento. Lo spettro di massa.

  - Tecniche di ionizzazione e tipi di analizzatori.

  La sorgente di ionizzazione per interazione elettronica (EI).

  Analizzatori magnetici e potere risolutivo. Analizzatori a doppia focalizzazione (magnetici - elettrostatici). Alta risoluzione. Masse nominali, masse esatte, masse monoisotopiche, masse molecolare relative. Massa esatta e determinazione della formula molecolare.

  Ione molecolare e picchi isotopici. Criteri per il riconoscimento dello ione molecolare. Informazioni deducibili dollo ione molecolare e dai picchi isotopici. Regola dell'azoto.

  Ionizzazione per impatto elettronico (EI). Principi delle reazioni di frammentazione degli ioni organici e interpretazione dregli spettri di massa per EI. Cenni alla teoria del quasi equilibrio. Classificazione delle reazioni di frammentazione. Scissione di legami sigma e riarrangiamenti. Regola degli elettroni pari. Localizzazione della carica. Criteri per la valutatione dell'intensità degli ioni frammento.

  Scissione dei legami sigma in molecole che non contengono gruppi funzionali. Frammentazione di composti contenenti doppi legami o eteroatomi. Scissione alfa (processo promosso dal sito radicalico). Scissione induttiva (processo promosso dal sito carico). Frammentazione dei composti ciclici. Riarrangiamenti. Frammentazioni tipiche delle più comuni classi di sostanze organiche.

  - Ionizzazioni per desorbimento: ionizzazione laser assistita da matrice (MALDI). La sorgente MALDI. Principi operativi. Matrici MALDI. Preparazione del campione. Calibrazione in MALDI.

  - Analizzatori a tempo di volo (TOF). Principi operativi. Miglioramento del potere risolutivo: delayed extraction e ion reflector.

  - Ionizzazione per elettronebulizzazione (ESI). Principi operativi. Formazione e trasferimento degli ioni nella sorgente ESI.

  - Ionizzazione chimica a pressione atmosferica (APCI). Principi operativi.

  - Analizzatore quadrupolare. Principi operativi.

  - Analizzatore a trappola ionica. Principi operativi

  - Spettrometria di massa tandem. Spettrometria di massa tandem nello spezio e nel tempo.

  - accoppiamento gascromatografia/spettrometria di massa (GC/MS) s comatografia liquida ad alte prestazioni in fase inversa/spettrometria si massa (RP-HPLC/MS).

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

  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 – legante

  Interazioni con piccoli leganti. 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.

   

  Esercitazioni di fine corso

  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 molecola incognita mediante analisi NMR, MS, UV e IR

  Analisi del profilo metabolico di estratti di frutti e piante mediante ¹H NMR

Testi di riferimento

• CROMATOGRAFIA E SPETTROMETRIA DI MASSA DI COMPOSTI ORGANICI (Modulo 1)

  1.R. Cozzi, P. Protti, T. Ruaro, ANALISI CHIMICA STRUMENTALE, Zanichelli, 2001

  2. J. H. Gross, MASS SPECTROMETRY- A Textbook, Springer 2011

  3. F.W. McLafferty, INTERPRETATION OF MASS SPECTRA University Science Books1980

  4. K.A. Rubinson, J.F. Rubinson, Chimica analitica strumentale, 1a ed.,Bologna, Zanichelli, luglio 2002. ISBN 88-08-08959-2

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

Programmazione del corso

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

• CROMATOGRAFIA E SPETTROMETRIA DI MASSA DI COMPOSTI ORGANICI (Modulo 1)

  L'esame di profitto consiste in una prova orale svolta mediante un colloquio fra lo studente e la commissione esaminatrice teso ad accertare il grado di apprendimento e comprensione degli argomenti contenuti nel programma del corso. In particolare, sarà valutata la pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate, la qualità dei contenuti, la capacità di collegamento con altri temi oggetto del programma, la capacità di riportare esempi, la proprietà di linguaggio tecnico e la capacità espressiva complessiva dello studente.

  La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.
  
  
  

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

  Prova orale (vedi anche: prove di fine corso)

  
  PROVE IN ITINERE

  Al momento della compilazione di questo Syllabus, non sono previste prove in itinere

  
  PROVE DI FINE CORSO

  - Prova scritta: risoluzione anche parziale di un problema di determinazione strutturale (tempo disponibile 2h). Il compito non costituisce una prova di ammissione all'orale, che lo studente può comunque decidere di sostenere.

  -Colloquio orale: verifica dell'apprendimento dei contenuti del corso

  La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• CROMATOGRAFIA E SPETTROMETRIA DI MASSA DI COMPOSTI ORGANICI (Modulo 1)

  Le domande di esame vertono su tutti gli argomenti trattati nelle lezioni.

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

  Non ci sono domande più frequenti di altre (se non per evento casuale) in quanto tutti i contenuti trattati a lezione sono considerati ugualmente importanti per una adeguata preparazione e sono oggetto, a rotazione, di interrogazione all’esame. 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.

  Si veda anche: argomenti minimi irrinunciabili.