METODI PER LO STUDIO DI PROCESSI DI RICONOSCIMENTO MOLECOLARE

CHIM/01 - 6 CFU - 2° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

CARMELO SGARLATA
Email: sgarlata@unict.it
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Scienze Chimiche - Ed. 1, V.le A. Doria 6, 95125 Catania
Telefono: 095 7385111
Orario ricevimento: Tutti i giorni previo appuntamento telefonico o via email


Obiettivi formativi

Il corso si prefigge di fornire gli strumenti per lo studio degli equilibri e per la determinazione delle specie complesse, delle costanti di stabilità e delle forze guida alla base dei processi di riconoscimento molecolare in soluzione mediante l’uso delle principali tecniche analitiche e dei più comuni metodi e programmi per l’analisi dei dati. Verranno inoltre fornite conoscenze di base per il monitoraggio dei processi di binding all’interfaccia solido-liquido.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali

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

Conoscenza dei concetti fondamentali di Chimica Generale ed Inorganica, Chimica Analitica (equilibri in soluzione ed analisi strumentale) e Chimica Organica



Frequenza lezioni

Frequenza obbligatoria come indicato nel Regolamento didattico del corso di laurea e nel Regolamento didattico di Ateneo



Contenuti del corso

Riconoscimento molecolare: principi generali. Interazioni deboli non-covalenti tra molecole. Effetto idrofobico. Complessazione di specie cariche e/o neutre in soluzione. Panoramica sui principali recettori (host e capsule supramolecolari) per il riconoscimento di guest cationici, anionici e neutri.

Equilibri di complessazione host-guest. Equilibri multipli. Competizione tra leganti. Ruolo della forza ionica, del solvente e del pH sugli equilibri di riconoscimento molecolare. Equilibri acido-base e distribuzione delle specie. Costante di formazione condizionale. Controllo del pH: criteri per la scelta dei migliori agenti tamponanti.

Determinazione delle specie complesse e delle costanti di equilibrio mediante le principali tecniche analitiche (UV-vis, fluorescenza, NMR, ITC). Progettazione di una titolazione host-guest. Ottimizzazione delle condizioni per la preparazione delle soluzioni. Errori nell’acquisizione dei dati. Isoterma di binding. Metodi grafici per la determinazione della stechiometria e della costante di equilibrio dei complessi host-guest. Principali limitazioni.

Elaborazione dei dati. Metodo dei minimi quadrati non lineari. Principali software. Uso dei fogli di calcolo per l’elaborazione dei dati ottenuti da una titolazione.

Determinazione dell’energetica di reazione e delle forze guida alla base dei processi di riconoscimento molecolare in soluzione. Misura diretta del calore di reazione vs. misura indiretta (metodo di van’t Hoff). Calorimetria isoterma di titolazione. Principio della tecnica e condizioni operative. Determinazione di K e ΔH di una reazione mediante titolazioni calorimetriche. Elaborazione dei dati, principali modelli e software. Analisi simultanea di differenti osservabili fisici per lo studio di equilibri multipli in sistemi host-guest complessi.

Cenni sui processi di riconoscimento molecolare all’interfaccia solido-liquido. Tecniche SPR e QCM-D, principi generali. Determinazione in tempo reale delle interazioni molecolari all’interfaccia (cinetica di reazione e affinità di binding).



Testi di riferimento

Capitoli selezionati dai seguenti libri di testo:

1. J. W Steed, J. L. Atwood, Supramolecular Chemistry, 2° ed., John Wiley & Sons, 2009

2. J. W. Steed, D. R. Turner, K. Wallace, Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley & Sons, 2007

3. E. V. Anslyn, D. A. Dougherty, Modern Physical Organic Chemistry, University Science Books, 2005

4. J. L. Atwood, G. W. Gokel, L. Barbour editors, Comprehensive Supramolecular Chemistry II, 2 ed., Vol. 2: Experimental and computational methods in supramolecular chemistry, Elsevier, 2017

5. J. W Steed, P. A. Gale editors, Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials, Vol. 1-3, John Wiley & Sons, 2012

6. D. C. Harris, Chimica Analitica Quantitativa, terza ed., Zanichelli, Bologna, 2017

7. D. A. Skoog, D. M. West, F. J. Holler, S. R. Crouch, Fondamenti di Chimica Analitica, 3° ed., Edises, 2015


Altro materiale didattico

Slides delle lezioni, articoli monografici sullo studio degli equilibri di complessazione host-guest, sull’impiego delle principali tecniche analitiche e sull’analisi dei dati. Il materiale verrà reso disponibile su Studium (https://studium.unict.it/dokeos/2021/courses/22477/)



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Riconoscimento molecolare: principi generali. Interazioni deboli non-covalenti tra molecole. Effetto idrofobico. Complessazione di specie cariche e/o neutre in soluzione. Panoramica sui principali recettori (host e capsule supramolecolari) per il riconoscimento di guest cationici, anionici e neutri.1. J. W Steed, J. L. Atwood, Supramolecular Chemistry, 2° ed., John Wiley & Sons, 2009; 2. J. W. Steed, D. R. Turner, K. Wallace, Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry, John Wiley & Sons, 2007 
2Equilibri di complessazione host-guest. Equilibri multipli. Competizione tra leganti. Ruolo della forza ionica, del solvente e del pH sugli equilibri di riconoscimento molecolare. Equilibri acido-base e distribuzione delle specie. Costante di formazione condizionale. Controllo del pH: criteri per la scelta dei migliori agenti tamponanti.6. D. C. Harris, Chimica Analitica Quantitativa, terza ed., Zanichelli, Bologna, 2017; 7. D. A. Skoog, D. M. West, F. J. Holler, S. R. Crouch, Fondamenti di Chimica Analitica, 3° ed., Edises, 2015 
3Determinazione delle specie complesse e delle costanti di equilibrio mediante le principali tecniche analitiche (UV-vis, fluorescenza, NMR, ITC). Progettazione di una titolazione host-guest. Ottimizzazione delle condizioni per la preparazione delle soluzioni. Errori nell’acquisizione dei dati. Isoterma di binding. Metodi grafici per la determinazione della stechiometria e della costante di equilibrio dei complessi host-guest. Principali limitazioni.3. E. V. Anslyn, D. A. Dougherty, Modern Physical Organic Chemistry, University Science Books, 2005 4. J. L. Atwood, G. W. Gokel, L. Barbour editors, Comprehensive Supramolecular Chemistry II, 2 ed., Vol. 2, Elsevier, 2017 
4Elaborazione dei dati. Metodo dei minimi quadrati non lineari. Principali software. Uso dei fogli di calcolo per l’elaborazione dei dati ottenuti da una titolazione.7. D. A. Skoog, D. M. West, F. J. Holler, S. R. Crouch, Fondamenti di Chimica Analitica, 3° ed., Edises, 2015; articoli monografici 
5Determinazione dell’energetica di reazione e delle forze guida alla base dei processi di riconoscimento molecolare in soluzione. Misura diretta del calore di reazione vs. metodo di van’t Hoff. Calorimetria isoterma di titolazione. Principi e condizioni operative. Determinazione di K e ΔH di una reazione mediante titolazioni calorimetriche. Elaborazione dati, principali modelli e software. Analisi simultanea di differenti osservabili per lo studio di equilibri multipli in sistemi host-guest complessi.4. J. L. Atwood, G. W. Gokel, L. Barbour editors, Comprehensive Supramolecular Chemistry II, 2 ed., Vol. 2, Elsevier, 2017; 5. J. W Steed, P. A. Gale editors, Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials, Vol. 1-3, John Wiley & Sons, 2012 
6Cenni sui processi di riconoscimento molecolare all’interfaccia solido-liquido. Tecniche SPR e QCM-D, principi generali. Determinazione in tempo reale delle interazioni molecolari all’interfaccia (cinetica di reazione e affinità di binding).4. J. L. Atwood, G. W. Gokel, L. Barbour editors, Comprehensive Supramolecular Chemistry II, 2 ed., Vol. 2, Elsevier, 2017; 5. J. W Steed, P. A. Gale editors, Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials, Vol. 1-3, John Wiley & Sons, 2012 


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Esame orale

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


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

Le domande verteranno esclusivamente sugli argomenti presentati durante le lezioni.

Esempi:

Host per il riconoscimento di guest cationici. Effetto idrofobico. Effetto del pH sugli equilibri di complessazione host-guest. Problematiche connesse all'uso di tamponi. Condizioni per una titolazione host-guest. Metodi grafici per l'elaborazione dei dati. Metodo dei minimi quadrati. Caratteristiche di uno strumento per calorimetria ITC. Elaborazione di dati calorimetrici.




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