Obiettivi formativi
Conoscenze e comprensione
Il corso si propone di fornire allo studente i mezzi necessari per l'analisi strutturale di molecole organiche mediante l'impiego di tecniche spettroscopiche 1D e 2D NMR avanzate. Alla fine del corso lo studente sarà in grado di:
• identificare autonomamente la struttura di un composto organico mediante l’interpretazione di una serie di spettri 1D e 2D NMR;
• utilizzare la strumentazione scientifica, di elaborare i dati sperimentali, di pianificare ed eseguire l'analisi e la caratterizzazione di campioni reali;
• avvalersi di metodi computazionali per l'elaborazione dei dati.
• pianificare e condurre a termine una sperimentazione attraverso attività individuale e/o di gruppo.
• valutare criticamente le proprie conoscenze e capacità ed i propri risultati;
• interpretare osservazioni, raccogliere ed interpretare dati dalla misurazione in laboratorio;
• programmare attività sperimentale valutandone tempi e modalità;
• dimostrare capacità autonoma di giudizio nel valutare e quantificare i risultati sperimentali;
• valutare criticamente i parametri di qualità di tecniche analitiche alternative in funzione della natura del problema sperimentale;
• valutare le possibilità e i limiti di tecniche analitiche e di caratterizzazione più avanzate affrontando e risolvendo problemi complessi ad esse legati.
• sostenere un contraddittorio sulla base di un giudizio sviluppato autonomamente su problematiche inerenti ai propri studi;
• interagire con altre persone e lavorare in gruppo anche su progetti multidisciplinari.
• apprendere in modo autonomo nuove tematiche scientifiche o problematiche professionali;
• continuare a studiare autonomamente soluzioni a problemi complessi anche interdisciplinari, reperendo le informazioni utili per formulare risposte e sapendo difendere le proprie proposte in contesti specialistici e non.
Prerequisiti
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Contenuti dell'insegnamento
Proprietà magnetiche dei nuclei.
Modello Vettoriale.
Trasformata di Fourier e manipolazione dei dati NMR.
Spettroscopia NMR bidimensionale.
Formalismo degli operatori prodotto.
Fenomeni di rilassamento e scambio chimico.
Funzionamento di un moderno spettrometro NMR.
Interpretazione di spettri 1D e 2D NMR e determinazione della struttura di un composto organico.
Laboratorio: impiego dello spettrometro NMR e registrazione di alcuni spettri 1D (1H e 13C) e 2D (COSY e HSQC) NMR di composti organici.
Programma esteso
• Proprietà dei nuclei: momento angolare e momento angolare di spin. Magnetismo microscopico. Correlazione tra magnetismo e momento angolare di spin.
• Frequenze NMR e “Chemical Shift”. Forma e larghezza dei segnali. Accoppiamento scalare. L'esperimento NMR di base.
• Livelli energetici e spettri NMR. Spettro per uno spin. Livelli energetici per due spin accoppiati. Spettro NMR per due spin accoppiati.
• Modello Vettoriale. La magnetizzazione. Precessione degli spin e frequenza di Larmor. Rilevamento segnale NMR. Impulsi. Impulsi "on resonance". Campo di riferimento rotante. Sequenza base impulso-acquisizione. Calibrazione degli impulsi. Spin-Echo. Impulsi di diversa fase. Effetti "off-resonance" e impulsi "soft".
• Trasformata di Fourier e data processing. Rappresentazione del FID. Forma e fase del segnale. Manipolazione del FID e dello spettro. Zero filling.
• Concetti fondamentali di spettroscopia 2D NMR. Esperimenti 2D NMR con trasferimento di coerenza mediante J-coupling. COSY e DQF-COSY : sequenza impulsi ed interpretazione degli spettri. Spettroscopia NMR a doppio quanto. Spettroscopia 2D NMR eterocorrelata HMQC, HSQC e HMBC: sequenze di impulsi ed interpretazione degli spettri. Spettroscopia di correlazione TOCSY: sequenza di impulsi ed interpretazione dello spettro.
• Rilassamento e Effetto Overhauser Nucleare (NOE). L'origine del fenomeno di rilassamento nucleare. Meccanismi di rilassamento. Il tempo di correlazione. Popolazione degli stati. Rilassamento longitudinale di spin rosolati. Rilassamento longitudinale dipolare di due spin. NOE. Rilassamento trasversale. Rilassamento dovuto ad anisotropia di chemical shift. Rilassamento incrociato.
• NOEDif, NOESY e ROESY: sequenze di impulsi ed interpretazione degli spettri.
• Esercitazioni: determinazione della struttura di molecole organiche complesse mediante spettroscopia 1D e 2D NMR.
• Funzionamento di un moderno Spettrometro NMR. Magnete e Probe, Lock Channel, Shim e omogeneità del campo magnetico. Sintetizzatore di RF, amplificatore e duplexer. Ricevitore e Quadrature detection. Convertitore analogico-digitale e limiti della digitalizzazione.
• Acquisizione e manipolazione di spettri 1D NMR (1H e 13C).
Bibliografia
Dispense del docente, esempi di esercizi e casi oggetto dell'esame. Questi materiali sono pubblicati dall'inizio del corso sulla piattaforma Elly. Costituiscono il supporto principale per la preparazione dell'esame.
Testi di base:
• Harald Gunther - NMR Spectroscopy, Basic Principles, Concepts, and Apllication in Chemistry, 3rd edition, Wiley - VCH, 2013.
• Oliver Zerbe & Simon Jurt - Applied NMR Spectroscopy for Chemists and Life Scientists, Wiley-VCH, 2014.
Testi suggeriti per la parte teorica:
• James Keller "Understanding NMR Spectroscopy", 2nd Edition, Wiley, 2010.
• Neil E. Jacobsen - NMR Data Interpretation explained, Wiley, 2016
• Antonio Randazzo - Guida pratica alla interpretazione di spettri NMR, Loghia, 2017
Testi suggeriti per il laboratorio:
• John S. Harwood & Huaping Mo - Practical NMR Spectroscopy Laboratory Guide: Using Bruker Spectrometers, Academic Press, 2015
• Matthias Findeisen & Stefan Berger - 50 and More Essential NMR Experiments: A Detailed Guide, Wiley-VCH, 2013
Metodi didattici
Il corso impiegherà lezioni frontali di 1 o 2 ore distribuite su tre giorni per settimana. L'esercitazione pratica di laboratorio si articolerà in 4 turni di 2 ore ciascuno.
Modalità verifica apprendimento
L'esame sarà costituito da una prova scritta e da una prova orale. Nella prova scritta i candidati dovranno assegnare ad un composto organico di struttura nota le risonanze di diversi spettri 1D e 2D NMR (MAX. 21/30). La prova orale riguarderà domande sulle tematiche teoriche della prima parte del corso (MAX. 9/30).
La dimostrazione di una conoscenza di base dei contenuti del corso, che includa la capacità di assegnare le risonanze di spettri 1D e 2D NMR alla struttura di un composto organico, determina una valutazione dell’esame pari a 18-21/30. Una descrizione puntuale degli aspetti strumentali e sperimentali della tecnica NMR determina un punteggio pari a 21-24/30. Una discussione esauriente ed approfondita degli aspetti teorici della tecnica NMR con risposte fornite facendo uso di un linguaggio appropriato determina un voto pari a 27-30/30. La capacità del candidato di porsi di fronte a problemi nuovi insieme con l’individuazione di possibili problematiche e applicazioni determina l'assegnazione di una valutazione con lode.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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