Metodi chimici per le biotecnologie
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di fornire agli studenti le nozioni di base di i) chimica analitica ii) chimica fisica iii) spettrometria di massa iv) spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, per rendere gli studenti autonomi nello studio di processi e reazioni di interesse biologico. Il corso, opportunamente accompagnato da esercitazioni pratiche di laboratorio, è dedicato all'acquisizione di competenze relative alle più comuni tecniche analitiche di base e strumentali (elettroanalitiche, spettroscopiche, cromatografiche, NMR e di massa).
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di:
-interpretare dati di titolazioni analitiche (pHmetria, complessazione, precipitazione, redox)
- comprendere e applicare principi di conduttimetria, spettroscopia e cromatografia, anche in relazione alle esperienze di laboratorio
- comprendere e applicare principi della termodinamica e gli aspetti teorici e pratici della cinetica chimica
- commentare e discutere equazioni e grafici presentati a lezione
- interpretare spettri e individuare la struttura di semplici composti organici dai relativi spettri 1H e 13C NMR e MS.
-interpretare dati di titolazioni analitiche (pHmetria, complessazione, precipitazione, redox)
- comprendere e applicare principi di conduttimetria, spettroscopia e cromatografia, anche in relazione alle esperienze di laboratorio
- comprendere e applicare principi della termodinamica e gli aspetti teorici e pratici della cinetica chimica
- commentare e discutere equazioni e grafici presentati a lezione
- interpretare spettri e individuare la struttura di semplici composti organici dai relativi spettri 1H e 13C NMR e MS.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Elementi di Chimica Analitica
Principi analitici di base. Preparazione di soluzioni standard ed esercizi sulla preparazione delle soluzioni.
Approfondimenti di varie tipologie di titolazioni per il riconoscimento e la determinazione quantitativa di specie chimiche (pHmetria, complessometria, precipitazione, redox).
Esercizi sul trattamento dei dati di titolazione. Tecniche elettroanalitiche conduttimetriche: conduttimetria diretta ed indiretta. Tecniche spettroscopiche: UV-vis, fluorimetria, polarimetria.
Tecniche di separazione cromatografica. Tecniche elettroanalitiche potenziometriche.
Elementi di Chimica Fisica
Fondamenti: Equazione di stato dei gas perfetti. Termodinamica chimica: il primo principio (conservazione dell'energia). Energia interna ed entalpia. Secondo principio ed entropia. Variazioni entropiche nel sistema e nell'ambiente. Il carattere spontaneo delle reazioni chimiche. Energia di Gibbs e sua variazione. Il potenziale chimico. Cinetica chimica. Leggi cinetiche, costanti di velocità e ordini di reazione. Metodi per la determinazione della legge cinetica. La dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura. L'equazione di Arrhenius.
Risonanza Magnetica Nucleare (NMR):
- Lo spin e il fenomeno della risonanza
- Le osservabili NMR: il chemical shift, le costanti di accoppiamento e l'integrale
- Esperimenti mono dimensionali del protone e del carbonio
- Esperimenti bidimensionali: COSY e HSQC
- Analisi spettri NMR 1D e 2D di molecole organiche
- Effetto Overhauser: cenni alla teoria, esempi ed applicazioni
- Applicazioni della tecnica NMR per l'analisi della struttura 3D delle proteine e per lo studio dell'interazione ligando-proteina
Spettrometria di massa:
- Principi della spettrometria di massa
- Sorgenti di Ionizzazione: Impatto elettronico, Ionizzazione Chimica, ESI, FAB, MALDI
- Analizzatori: Analizzatore magnetico, a doppia focalizzazione, quadrupolo, trappola ionica, TOF, FT-ICR
- Principali reazioni di frammentazione di composti organici, esempi ed applicazioni
- Analisi spettri di MS di molecole organiche
- Spettrometria di massa abbinata alla cromatografia (GC e LC)
LABORATORIO SPERIMENTALE: durante il laboratorio sperimentale lo studente acquisirà familiarità nella preparazione di soluzioni, nella determinazione/risoluzione di miscele mediante l'uso di opportune tecniche analitiche, e nella raccolta di dati sperimentali (dati spettrofotometrici, di conducibilità, potenziometrici e calorimetrici), che verranno poi processati sulla base di opportune relazioni chimico-fisiche.
Principi analitici di base. Preparazione di soluzioni standard ed esercizi sulla preparazione delle soluzioni.
Approfondimenti di varie tipologie di titolazioni per il riconoscimento e la determinazione quantitativa di specie chimiche (pHmetria, complessometria, precipitazione, redox).
Esercizi sul trattamento dei dati di titolazione. Tecniche elettroanalitiche conduttimetriche: conduttimetria diretta ed indiretta. Tecniche spettroscopiche: UV-vis, fluorimetria, polarimetria.
Tecniche di separazione cromatografica. Tecniche elettroanalitiche potenziometriche.
Elementi di Chimica Fisica
Fondamenti: Equazione di stato dei gas perfetti. Termodinamica chimica: il primo principio (conservazione dell'energia). Energia interna ed entalpia. Secondo principio ed entropia. Variazioni entropiche nel sistema e nell'ambiente. Il carattere spontaneo delle reazioni chimiche. Energia di Gibbs e sua variazione. Il potenziale chimico. Cinetica chimica. Leggi cinetiche, costanti di velocità e ordini di reazione. Metodi per la determinazione della legge cinetica. La dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura. L'equazione di Arrhenius.
Risonanza Magnetica Nucleare (NMR):
- Lo spin e il fenomeno della risonanza
- Le osservabili NMR: il chemical shift, le costanti di accoppiamento e l'integrale
- Esperimenti mono dimensionali del protone e del carbonio
- Esperimenti bidimensionali: COSY e HSQC
- Analisi spettri NMR 1D e 2D di molecole organiche
- Effetto Overhauser: cenni alla teoria, esempi ed applicazioni
- Applicazioni della tecnica NMR per l'analisi della struttura 3D delle proteine e per lo studio dell'interazione ligando-proteina
Spettrometria di massa:
- Principi della spettrometria di massa
- Sorgenti di Ionizzazione: Impatto elettronico, Ionizzazione Chimica, ESI, FAB, MALDI
- Analizzatori: Analizzatore magnetico, a doppia focalizzazione, quadrupolo, trappola ionica, TOF, FT-ICR
- Principali reazioni di frammentazione di composti organici, esempi ed applicazioni
- Analisi spettri di MS di molecole organiche
- Spettrometria di massa abbinata alla cromatografia (GC e LC)
LABORATORIO SPERIMENTALE: durante il laboratorio sperimentale lo studente acquisirà familiarità nella preparazione di soluzioni, nella determinazione/risoluzione di miscele mediante l'uso di opportune tecniche analitiche, e nella raccolta di dati sperimentali (dati spettrofotometrici, di conducibilità, potenziometrici e calorimetrici), che verranno poi processati sulla base di opportune relazioni chimico-fisiche.
Prerequisiti
Conoscenze dei concetti di base della chimica generale, inorganica e organica, della struttura molecolare, della matematica e del calcolo numerico.
Metodi didattici
Lezioni frontali, esercitazioni in aula, esercitazioni in laboratorio.
Materiale di riferimento
- S. P.J. Higson, Analytical Chemistry, Oxford University Press
- G. D. Christian, Analytical Chemistry, Wiley-VCH
- P.W. Atkins, Physical Chemistry, una qualunque edizione
- Guida Pratica alla Interpretazione di Spettri NMR, Antonio Randazzo, Loghia, 2018
- Dispense dei docenti (costituiscono integrazione ai libri di testo)
- G. D. Christian, Analytical Chemistry, Wiley-VCH
- P.W. Atkins, Physical Chemistry, una qualunque edizione
- Guida Pratica alla Interpretazione di Spettri NMR, Antonio Randazzo, Loghia, 2018
- Dispense dei docenti (costituiscono integrazione ai libri di testo)
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La verifica dell'apprendimento avverrà mediante esame scritto. L'esame è organizzato in una prova scritta del valore massimo di 30/30 (trenta) e lode. La prova sarà divisa in tre parti: una parte verterà sugli elementi di chimica analitica, una sugli elementi di chimica fisica e una su NMR e MS. Ogni parte sarà composta da una domanda teorica ed un esercizio ed assegnerà un massimo di 10 (dieci) punti. Il voto finale terrà in considerazione anche la valutazione della relazione sulle esperienze svolte in laboratorio fino a un massimo di 3 punti aggiuntivi.
Eventuali informazioni aggiuntive sulle modalità di valutazione saranno illustrate durante il corso.
L'esame avrà una durata di due ore e mezza.
Eventuali informazioni aggiuntive sulle modalità di valutazione saranno illustrate durante il corso.
L'esame avrà una durata di due ore e mezza.
CHIM/02 - CHIMICA FISICA - CFU: 6
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 2
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 2
Esercitazioni: 24 ore
Esercitazioni di laboratorio a posto singolo: 24 ore
Lezioni: 40 ore
Esercitazioni di laboratorio a posto singolo: 24 ore
Lezioni: 40 ore
Docente/i
Ricevimento:
Previo appuntamento da concordare per email
Dipartimento di Chimica, Edificio 5, Corpo A, Ala Ovest, Piano 3