Obiettivi formativi
D1 – Conoscenza e capacità di comprensione
Lo/a studente/ssa saprà descrivere le principali interazioni intermolecolari responsabili dell’organizzazione strutturale nei cristalli. Saprà comprendere e prevedere le relazioni tra struttura e proprietà di materiali cristallini. Conoscerà le problematiche legate alla predizione di strutture cristalline, anche in relazione alla proprietà intellettuale. Conoscerà il modello dei sintoni supramolecolari, la classificazione ed esemplificazione di motivi strutturali comuni allo stato solido per composti ibridi organici/inorganici. Conoscerà i requisiti stereochimici per la progettazione di composti di coordinazione supramolecolari in forma di aggregati poliedrici, motivi polimerici monodimensionali, bidimensionali, tridimensionali. Conoscerà la Cambridge Structural Database per l’analisi di motivi strutturali in composti cristallini e per il data mining.
D2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo/a studente/ssa avrà la capacità di analizzare ed interpretare la struttura tridimensionale di un cristallo, in termini di geometria, simmetria ed energia. Avrà la capacità di utilizzare i databases cristallografici per data mining. Avrà la capacità di prevedere e progettare le più comuni modalità di assemblaggio tridimensionale. Sarà capace di impostare un processo di cristallizzazione, pianificando i parametri necessari.
Conoscerà l’utilizzo della diffrazione di raggi X su cristallo singolo.
D3 - Autonomia di giudizio
Lo/a studente/ssa sarà in grado di valutare autonomamente le correlazioni struttura-proprietà utilizzando le più moderne tecniche di data mining e analisi strutturale. Conoscerà i campi e limiti di utilizzo delle tecniche di diffrazione.
D4 – Abilità communicative
Lo/a studente/ssa sarà in grado di reperire informazioni e comunicare su problematiche relative alla chimica strutturale.
D5 - Capacità di apprendimento
Lo/a studente/ssa sarà in grado di recuperare informazioni attraverso banche dati e web, e sarà in grado di continuare a studiare autonomamente la materia della chimica strutturale.
Prerequisiti
Conoscenze di base di chimica strutturale, acquisite negli insegnamenti della laurea triennale.
Contenuti dell'insegnamento
Origini fisiche delle interazioni tra molecole: contributi elettrostatici, dispersivi e repulsivi.
Origine della simmetria e periodicità nella struttura dei cristalli molecolari.
Principali interazioni intermolecolari responsabili dell’organizzazione strutturale nei cristalli.
Descrizione del ruolo delle interazioni nell'auto assemblaggio di molecole tramite il modello dei sintoni supramolecolari.
Classificazione ed esemplificazione di motivi strutturali comuni allo stato solido per composti molecolari e polimerici, con particolare attenzione a MOF e polimeri di coordinazione.
Termodinamica e cinetica dei processi di cristallizzazione.
Database cristallografici nel crystal engineering
Esercitazioni: utilizzo della Cambridge Structural Database per l’analisi di motivi strutturali in composti cristallini.
Programma esteso
Natura delle interazioni tra molecole. Principio dell’impacchettamento compatto nei cristalli molecolari. Simmetria. Principio dell’aufbau di Kitaigorodskii per la razionalizzazione dei motivi strutturali.
• Principali interazioni intermolecolari responsabili dell’organizzazione strutturale nei cristalli: interazioni di natura elettrostatica, legame di idrogeno convenzionale, legame di idrogeno debole, interazioni tra sistemi con carattere p, interazioni metallo-metallo, interazioni tra alogeni, interdigitazione tra anelli aromatici.
• Sintoni supramolecolari.
• Classificazione ed esemplificazione di motivi strutturali comuni allo stato solido per composti ibridi organici/inorganici: reti di composti di coordinazione assemblati tramite legame di idrogeno, reti diamondoidi, eliche inorganiche infinite, polimeri di coordinazione, solidi porosi. Problema dell’interpenetrazione.
• Requisiti stereochimici per la progettazione di composti di coordinazione supramolecolari in forma di aggregati poliedrici, motivi polimerici monodimensionali, bidimensionali, tridimensionali.
. Database cristallografici nel crystal engineering
• Esercitazioni: utilizzo della Cambridge Structural Database per l’analisi di motivi strutturali in composti cristallini.
Materiali porosi: MOF, COF, materiali porosi non covalenti.
Cristallizzazione: modello di Nucleazione Classica e a Due Stadi. La driving force per la cristallizzazione la solubilità la sovrassaturazione la nucleazione Polimorfismo Nucleazione meccanismi di nucleazione nuclei critici nucleazione in sistemi polimorfi Crescita meccanismi di crescita trasporto di massa morfologia Tecniche di caratterizzazione.
Bibliografia
Crystal Engineering: A Textbook, Gautam R. Desiraju, Jagadese J. Vittal, Arunachalam Ramanan, World Scientific Publishing Co Pte Ltd ( 2011)
Letteratura scientifica indicata a supporto di argomenti specifici.
Metodi didattici
Lezioni frontali per 52 ore, comprese esercitazioni su banche dati.
Modalità verifica apprendimento
Si può optare per una modalità di verifica distribuita su due prove parziali, o su un esame orale.
Prove parziali: 1. discussione scritta di una struttura cristallina in termini geometrici ed energetici; 2. discussione orale di una domanda sui materiali proosi e una domanda sui processi di cristallizzazione. La valutazione finale è la media dei due risultati.
Esame orale: verifica di conoscenze e capacità di comprensione, capacità di applicare conoscenze, autonomia di giudizio, e capacità comunicative. La prova si articola in tre domande, una relativa alle interazioni intermolecolari, una relativa al crystal engineering di MOF, una relativa alla cristallizzazione. La scala di valutazione si articola in: 18-23 = conoscenza delle interazioni e delle modalità di assemblaggio dei materiali cristallini; 24-27= capacità di discutere le possibilità di design e predizione dell'assemblaggio srutturale, anche attraverso metodi computazionali e di data mining; 28-30= dimostrazione di autonomia critica nella comprensione dei fattori termodinamici e cinetici responsabili dell'ottenimento di un prodotto cristallno. La prova ha durata di 30-40 minuti.
Altre informazioni
Materiale didattico scaricabile da web (software per molecular graphics, esempi, applicazioni). Slides del corso a disposizione su web.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Questo insegnamento concorre alla realizzazione degli obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile, SDG4 Quality Education
