Obiettivi formativi
Al termine del corso ci si attende che lo studente sia in grado di:
- Conoscenza e capacità di comprensione: conoscere le interazioni deboli utilizzate in chimica supramolecolare per il riconoscimento di cationi, anioni, molecole neutre e per il self-assembly; conoscere le correlazioni tra struttura e proprietà di riconoscimento molecolare di sistemi di tipo host; conoscere la teoria alla base dei metodi di determinazione delle stechiometrie dei complessi e delle costanti di complessazione; conoscere le tecniche di sintesi per le classi principali di composti macrocicli utilizzati come host; comprendere approfonditamente fenomeni di riconoscimento molecolare in ambito biomolecolare.
- Capacità di applicare conoscenza e comprensione: pianificare ed effettuare una titolazione UV-vis o NMR per la determinazione della costante di associazione anche lavorando in gruppo; determinare la costante di associazione e la stechiometria di un complesso a partire da dati spettroscopici applicando metodi di regressione nonlineare; recuperare tutte le informazioni bibliografiche necessarie a pianificare ed effettuare la sintesi di composti macrociclici; comprendere e prevedere la relazione fra struttura e proprietà di sistemi supramolecolari; comprendere una problematica riconducibile a fenomeni di riconoscimento molecolare, di eseguire una valutazione critica e di proporre soluzioni specifiche.
- Autonomia di giudizio: analizzare la struttura di un complesso supramolecolare individuando le interazioni responsabili della stabilità del complesso e valutando gli aspetti cinetici e termodinamici dell’interazione; identificare il grado di complementarietà e preorganizzazione di un legante; individuare le vie sintetiche più opportune per la preparazione di composti macrocicli; programmare una titolazione UV-vis o NMR valutandone tempi e modalità; raccogliere e interpretare dati spettroscopici per la determinazione di costanti di associazione e di valutare autonomamente i risultati ottenuti; reperire e vagliare articoli di letteratura nell’ambito della chimica supramolecolare; valutare criticamente le proprie conoscenze e capacità ed i propri risultati; organizzare il proprio lavoro e quello di gruppo.
- Capacità comunicative: esporre un articolo di letteratura su uno specifico argomento della chimica supramolecolare utilizzando, in maniera appropriata, la terminologia tipica del chimico supramolecolare; interagire con altre persone e lavorare in gruppo per progettare ed eseguire una titolazione UV-vis o NMR e utilizzare i dati ottenuti per determinare una costante di associazione.
- Capacità di apprendimento: discutere in modo critico l'impostazione teorica e la conseguente realizzazione sperimentale di ricerche attuali volte alla sintesi di nuovi recettori molecolari, allo studio dell'efficienza e selettività nella complessazione di specie molecolari ed alla realizzazione di "devices" che sfruttano le interazioni deboli intermolecolari; saper interpretare in termini di interazioni intermolecolari, applicando i concetti chiave della chimica supramolecolare, lavori di ricerca nell’ambito di temi di frontiera quali, ad esempio, il crystal engineering, la catalisi supramolecolare, le macchine molecolari, la nanotecnologia, il riconoscimento di macromolecole biologiche; recuperare agevolmente informazioni nell’ambito della chimica supramolecolare dalla letteratura, banche dati ed internet.
Prerequisiti
Per poter seguire con profitto il corso è fondamentale avere solide basi di Chimica Generale, Chimica Fisica e Chimica Organica.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso intende fornire agli studenti le conoscenze degli aspetti fondamentali della Chimica Supramolecolare (il riconoscimento molecolare, le forze intermolecolari, la termodinamica dei fenomeni di complessazione, le varie metodologie per la sintesi dei composti macrociclici, la complessazione di cationi, anioni e molecole neutre, l’interazione con biomacromoelecole, il self-assembly, la catalisi supramolecolare)
e la capacità di applicare tali concetti in tutti gli ambiti della chimica in cui i fenomeni di riconoscimento molecolare giocano un ruolo chiave.
Programma esteso
I vari aspetti della Chimica Supramolecolare. Il riconoscimento molecolare. Forze intermolecolari.
Termodinamica dei processi di complessazione (Ka - variazioni di energia libera di Gibbs, entalpia e entropia). Metodi per la determinazione delle stechiometrie dei complessi e delle costanti di complessazione (NMR, UV, Fluorescenza, Calorimetria,...).
Metodologie per la sintesi dei composti macrociclici (crown e aza-crown, calixareni, resorcinareni, ciclodestrine, cucurbiturili). Modificazioni sintetiche di macrocicli.
Eteri corona, criptandi, ciclofani e calixareni nella complessazione cationica: metodi di sintesi e di studio dei complessi. Applicazioni nel campo dell'imaging (MRI, Sonde luminescenti, radiolabeling), dei composti radioterapici, della disintossicazione da metalli e del trattamento di rifiuti radioattivi.
Complessazione di molecole neutre con eteri corona, ciclodestrine e ciclofani: studio dei complessi-parametri termodinamici e cinetici, effetto della struttura del "guest" e del solvente, l’effetto idrofobico.
Complessazione anionica.
Self-assembly.
Cavitandi da ciclotriveratrilene e da resorcina e loro utilizzo nel riconoscimento molecolare. Calix[n]areni come piattaforme molecolari per la sintesi di recettori per cationi, anioni, molecole neutre e macrobiomolecole.
Catalisi Supramolecolare.
Discussione di esempi applicativi del riconoscimento molecolare.
Bibliografia
Testi di Chimica Supramolecolare:
Supramolecular Chemistry, P.D. Beer, P. A. Gale, D.K. Smith, Oxford University
Primers, OUP, 1999.
Supramolecular chemistry, J.W. Steed, J.L. Atwood. - 2. ed
Chichester : Wiley, ©2009
Core concepts in supramolecular chemistry and nanochemistry , J.W. Steed, D.R. Turner, K.J. Wallace
Chichester : John Wiley & Sons, 2007
Testi e monografie di approfondimento:
Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials, J. W. Steed, P. A. Gale, Wiley 2012 (ISBN: 978-0-470-74640-0).
Comprehensive Supramolecular Chemistry. Executive editors Jerry L. Atwood...[et
al.] ; chairman of the editorial board Jean Marie Lehn. - [Oxford] : Pergamon, 1996.
- 11v.
Calixarenes Revisited. C.D. Gutsche, J.F. Stoddart Ed., Royal Society of Chemistry,
Cambridge, 1998.
Container molecules and their guests. D.J. Cram and J.M. Cram. - London : Royal
Society of Chemistry, 1994.
Crown ethers and cryptands. G.W. Gokel. - London : Royal Society of Chemistry,
1991.
Cyclophanes. F. Diederich. - London : Royal Society of Chemistry, 1991
TUTTI i testi sono disponibili nella biblioteca di Chimica.
Metodi didattici
Le attività didattiche prevedono lezioni (5CFU) ed esercitazioni di laboratorio (1CFU).
Le lezioni tratteranno, con modalità sia frontale che alternando modalità di apprendimento attivo, la parte teorica del programma. Verranno inoltre condotte attività di discussione critica di articoli di letteratura e esercitazioni sulla determinazione di costanti di associazione a partire da dati spettroscopici.
Le slide utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate con cadenza settimanale su Elly. Per scaricare le slide è necessaria l’iscrizione al corso su Elly.
Le esercitazioni di laboratorio, condotte a piccoli gruppi, consisteranno nella sintesi di un recettore molecolare e nella realizzazione di titolazioni UV-vis e NMR per la determinazione della costante di associazione di un complesso. Una relazione delle esperienze di laboratorio dovrà essere consegnata alla fine del corso.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione sommativa degli apprendimenti comprende la relazione delle esperienze di laboratorio e un esame orale, con peso rispettivamente del 20 e dell'80%.
La relazione, da svolgere secondo le modalità indicate a lezione, potrà essere svolta a coppie e dovrà comprendere una discussione critica dei risultati ottenuti. L'esame orale, in cui lo studente dovrà dimostrare di aver compreso e di essere in grado di applicare i concetti fondamentali di ogni argomento trattato, prevede tre parti:
1) l’esposizione e la discussione di un articolo di letteratura assegnato dalla docente in cui si valuterà oltre che la padronanza dei concetti della chimica supramolecolare anche la capacità di comunicazione con appropriato lessico disciplinare;
2) la discussione di uno studio preso dall’articolo di letteratura o dalla relazione di laboratorio in cui viene effettuata la determinazione di una costante di associazione per verificare che lo studente abbia acquisito sia i concetti teorici che gli aspetti pratici della termodinamica dei processi di complessazione;
3) alcune domande sul programma del corso per verificare l’acquisizione di concetti chiave non emersi dalla discussione di letteratura sulla complessazione di cationi, anioni, molecole neutre, self-assembly e sintesi di macrocicli.
Ogni punto dell'orale verrà valutato su scala 0-10 e i tre punteggi verranno sommati per ottenere la votazione in trentesimi.
La lode verrà assegnata agli studenti che oltre ad aver raggiunto il massimo punteggio sia nella relazione che nell'orale, avranno dimostrato un'ottima padronanza del lessico disciplinare.
Altre informazioni
Le date degli appelli su Esse3 sono indicative e devono essere concordate con la docente che è disponibile a modificarle a seconda delle esigenze dello studente.
Prima dell’esame lo studente dovrà richiedere alla docente l’articolo di letteratura da discutere.
