SCIENZE CHIMICHEScienze chimicheAnno accademico 2023/2024

9794336 - METODI PER LO STUDIO DI PROCESSI DI RICONOSCIMENTO MOLECOLARE

Docente: CARMELO SGARLATA

Risultati di apprendimento attesi

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.

Conoscenza e capacità di comprensione:

Conoscenza degli aspetti fondamentali relativi agli equilibri di riconoscimento molecolare e di complessazione host-guest nonché alla determinazione dei principali parametri di binding.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate:

Sviluppo degli strumenti per la comprensione ed applicazione delle principali tecniche analitiche per l’ottimizzazione delle condizioni sperimentali, la determinazione e quantificazione delle specie e delle forze guida relative agli eventi di riconoscimento molecolare. Sviluppo del necessario senso critico per la presentazione del dato analitico ottenuto.

Autonomia di giudizio:

Capacità di elaborare soluzioni alle problematiche associate allo studio degli equilibri in soluzione che coinvolgono specie ioniche e/o molecolari nonché di raccogliere, analizzare ed interpretare criticamente i dati sperimentali sulla base delle conoscenze acquisite.

Abilità comunicative:

Acquisire adeguata proprietà di linguaggio e capacità di esporre con rigore gli argomenti trattati nel corso.

Capacità di apprendere:

Capacità di sviluppare strumenti e competenze per intraprendere con successo i successivi percorsi di studio con un elevato livello di autonomia.

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.

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 sperimentali. Scelta della tecnica e dell’intervallo di concentrazione del titolante e titolato. Rapporto di complessazione e probabilità di binding. Relazione tra osservabile fisico e concentrazione delle specie. Isoterma di binding. Metodi grafici per la determinazione della stechiometria e della costante di equilibrio, principali limitazioni.

Elaborazione dei dati. Metodo dei minimi quadrati non lineari. Principali software. Simulazione di una titolazione spettrofotometrica ed analisi dei dati.

Determinazione delle forze guida alla base dei processi di riconoscimento molecolare in soluzione. Determinazione del ΔH di una reazione: misura diretta del calore vs. metodo di van’t Hoff. Calorimetria isoterma di titolazione. Principio della tecnica e condizioni operative. Calibrazione di un calorimetro. 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

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 sperimentali. Scelta della tecnica e dell’intervallo di concentrazione del titolante e titolato. Rapporto di complessazione e probabilità di binding. Relazione tra osservabile fisico e concentrazione delle specie. Isoterma di binding. Metodi grafici e 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; articoli monografici
4Elaborazione dei dati. Metodo dei minimi quadrati non lineari. Principali software. Uso dei fogli di calcolo. Simulazione di una titolazione spettrofotometrica ed analisi dei dati.7. D. A. Skoog, D. M. West, F. J. Holler, S. R. Crouch, Fondamenti di Chimica Analitica, 3° ed., Edises, 2015; articoli monografici
5Determinazione delle forze guida alla base dei processi di riconoscimento molecolare in soluzione. Determinazione del ΔH di una reazione: misura diretta del calore vs. metodo di van’t Hoff. Calorimetria isoterma di titolazione. Principio della tecnica e condizioni operative. Calibrazione di un calorimetro. Determinazione di K e ΔH di una reazione mediante titolazioni calorimetriche. Elaborazione dei dati, principali modelli e software. Analisi simultanea di differenti osservabili fisici.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; articoli monografici

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame orale volto ad accertare il livello di conoscenza dello studente sugli argomenti trattati durante le lezioni. Verrà inoltre verificata la capacità dello studente di esporre i contenuti con un linguaggio scientifico appropriato nonché il senso critico acquisito dallo stesso nell'affrontare problematiche di carattere applicativo.

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

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

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 sperimentali per effettuare 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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