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)

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 e UV e Massa) di ogni molecola.

D2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente dovrà mostrare capacità di applicare le conoscenze acquisite, 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.

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 – 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.

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.
Simulazione dell' analisi del profilo metabolico di estratti di frutti e piante mediante 1H NMR

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.

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...