METODI FISICI IN CHIMICA ORGANICA

Anno accademico 2019/2020 - 3° anno
Docente: Laura Legnani
Crediti: 8
SSD: CHIM/06 - Chimica organica
Organizzazione didattica: 200 ore d'impegno totale, 134 di studio individuale, 42 di lezione frontale, 24 di esercitazione
Semestre: Insegnamento annuale

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire agli studenti le basi teoriche e pratiche per interpretare gli spettri IR, NMR e di Massa dei principali composti organici.

Conoscenza e capacità di comprensione: il corso fornisce gli strumenti necessari per l'interpretazione di spettri e il riconoscimento di strutture organiche incognite.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: lo studente acquisisce durante le lezioni e le esercitazioni le capacità necessarie al riconoscimento delle funzionalità organiche, della quantificazioni degli atomi presenti e della connettività tra questi.

Capacità di apprendimento: lo studente diventa in grado di applicare la spettroscopia al riconoscimento di composti di natura organica.

Autonomia di giudizio: lo studente sviluppa capacità critica nell'analisi spettroscopica, dove si cimenta nell'interpretazione di spettri IR, NMR e massa.

Approfondimento di un caso esemplare: lo studente interpreta spettri di strutture incognite e discute la posizione dei segnali.

Capacità di risoluzione di un problema: gli spettri delle strutture incognite, registrati con diverse tecniche, sono interpretati dallo studente che affronta quindi le diverse problematiche relative alla valutazione di una struttura incognita e la presenza o meno dei diversi gruppi funzionali.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali (6CFU) ed esercitazioni in aula (2 CFU). Il docente si avvarrà di proiezioni Power Point.


Prerequisiti richiesti

Conoscenze di Chimica Organica


Frequenza lezioni

Frequenza obbligatoria secondo le norme del regolamento didattico del CdS in CTF come riportato nel link: https://www.dsf.ctf.it/sites/default/files/files/regolamento%20didattico%20CTF%202018-2019%20R.pdf


Contenuti del corso

Spettroscopia UV: concetti teorici fondamentali. Spettroscopia Infrarossa (IR). Concetti teorici fondamentali. Energia e frequenza vibrazionale in molecole biatomiche e poliatomiche . Vibrazioni di stiramento e di piegamento. Classificazioni delle bande di assorbimento. Modello per l'eccitazione vibrazionale del legame. Spettrofotometro IR a doppio raggio. Spettrometro FT-IR. Preparazione dei campioni e registrazione degli spettri per l' IR. Interpretazione spettri IR di alcani, alcheni, alchini, idrocarburi aromatici, alcoli, fenoli, eteri, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici e loro sali, anidridi, esteri , ammidi, ammine, nitrili, isocianati, immine, nitrocomposti, composti solforati, alogenuri alchilici e arilici. Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR). Proprietà magnetiche dei nuclei atomici. Transizioni di spin nucleare e loro energia. Precessione nucleare e risonanza magnetica nucleare. Popolazione dei livelli energetici. Spettrometro NMR CW. Sistema di riferimento fisso e sistema di riferimento ruotante. Tempi di rilassamento. Spettrometri a impulsi e trasformata di Fourier. Lo spostamento chimico. Shielding diamagnetica e costante di schermo. Fattori che provocano la variazione del chemical shift. Anisotropia diamagnetica. Molteplicità del segnale . Origine dello splitting. Accoppiamento geminale e vicinale. Accoppiamenti "long range": accoppiamenti meta e para in composti aromatici, accoppiamento allilico e omoallilico, accoppiamento virtuale, accoppiamenti a W in composti saturi. Fattori che infuenzano la costante di accoppiamento. Spostamento chimico e accoppiamento di protoni legati all'ossigeno, all'azoto e allo zolfo. Equivalenza chimica e magnetica. Protoni enantiotopici e diastereotopici. Spettri di primo e di secondo ordine. Sistemi AX, AB, AMX, ABX , AA'XX' e AA'BB'. Reagenti di Chemical shift. Disaccoppiamento omonucleare. Correlazioni empiriche per calcolare i chemical shift: regola di Shoolery per gli alcani e di Pascual-Meier-Simon per gli alcheni. Risonanza magnetica del 13C. Spettri totalmente accoppiati, completamente disaccoppiati e "off resonance". Nuclear Overhauser effect. Parametri di shift additivi in idrocarburi alifatici lineari e ramificati, negli alcheni e nei composti aromatici. APT, DEPT, spettri differenza NOE. Spettrosopia NMR in 2D: COSY, HETCOR. Spettrometria di Massa (MS). Concetti teorici fondamentali. Spettrometro di massa a singolo fuoco. Sorgente ionica a impatto elettronico. Sistemi di introduzione per campioni solidi, liquidi e gassosi. Analizzatore magnetico e sua equazione fondamentale. Potere risolutivo. Spettrometro di massa a doppio fuoco. Analizzatore quadrupolare, a trappola ionica e a tempo di volo . Rivelatore e registratore. Picco molecolare, picchi isotopici, picco base, picchi metastabili. Regola dell'azoto. Determinazione della composizione elementare dello ione molecolare. Principali meccanismi di frammentazioni: scissioni semplici omolitiche ed eterolitiche, scissioni con riarrangiamento. Fattori che regolano gli schemi generali di frammentazione. Frammentazioni tipiche di alcani, alcheni, alchini, cicloalcani, cicloalcheni, idrocarburi aromatici, alcoli, fenoli, eteri, tioli, tiofenoli, tioeteri, aldeidi, chetoni, esteri, acidi, anidridi, ammidi, ammine, nitrili, isocianati, nitrocomposti, composti alogenati. Chemical Ionization. Fast Atom Bombardment. Gascromatografo e HPLC accoppiati allo spettrometro di massa. Elettrospray. MALDI-TOF. Periodicamente saranno svolte esercitazioni in aula sotto forma di problemi sulla interpretazione di spettri IR, NMR e di Massa di composti organici a struttura incognita.


Testi di riferimento

1) R. M. Silverstein, F. x. Webster, D. J. Kiemle- Identificazione Spettrometrica di Composti Organici-II Edizione -Casa Editrice Ambrosiana.

 

2) M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh - Metodi Spettroscopici nella Chimica Organica – Edizione II- EdiSES- Via Nuova San Rocco 62/A Napoli.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Spettroscopia nell'infrarosso 1) cap. 2; 2) cap 2 
2Spettroscopia di risonanza magnetica protonica 1H1) cap.3 
3Spettroscopia NMR del Carbonio 131) cap. 4; 2) cap. 4 
4Spettroscopia NMR bidimensionale (2D)1) cap. 5 
5Spettrometria di massa 2) cap. 4 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

Prova scritta


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Definizione di molteplicità dei segnali in uno spettro NMR in base al numero di spin;

Stretching del carbonile nelle ammidi;

Struttura di uno spettro NOESY;

Definizione di spettro COSY;

Riconoscimento del picco base e dei picchi di frammentazione nella spettrometria di massa