scienze chimiche

Conoscenza dei fondamenti teorici e delle applicazioni dei principali metodi statistici e chemiometrici di impiego in ambito chimico.

Conoscenza dei principali aspetti della statistica inferenziale in chimica analitica
Conoscenza dei fondamenti teorici dei principali metodi chemiometrici utilizzati in ambito scientifico
Conoscenza degli aspetti salienti del controllo di qualità e del campionamento.

Progettare, selezionare ed ottimizzare procedure ed esperimenti
Estrarre la massima informazione possibile sul sistema in esame attraverso l’analisi e l’interpretazione dei dati
Valutare problematiche inerenti il controllo qualità e il campionamento.

Capacità di affrontare su base chemiometrica l’analisi di un problema complesso
Esporre in modo chiaro l’impostazione e l’interpretazione dei risultati ottenuti dopo l’applicazione di un metodo chemiometrico
Capacità di trasferire le conoscenze di base acquisite a nuove problematiche applicative anche a carattere interdisciplinare.

Cenni storici e concetti generali sulla chemiometria
Statistica descrittiva e inferenziale
Variabili random discrete e continue, funzioni densità di probabilità e di distribuzione cumulativa. Rappresentazioni grafiche di distribuzioni univariate, momenti di una distribuzione, misure di tendenza centrale e di dispersione, indici di forma: asimmetria e curtosi, entropia di una distribuzione, funzione generatrice dei momenti, distribuzioni di uso più frequente.
Inferenza statistica: concetti generali. Approccio frequentista: stima puntuale di un parametro di popolazione, intervallo di fiducia. Approccio Bayesiano: teorema di Bayes, intervalli credibili. Confronto fra intervalli di fiducia ed intervalli credibili.
Richiami sui test di ipotesi: errori di tipo I e II e potenza dei test. Doppio t-test ad una cosa (TOST) per la valutazione dell’equivalenza. Confronto fra t-test e TOST.
Dati aberranti: generalità. Test Q di Dixon per uno o più dati aberranti. Test di Grubbs. Individuazione dei dati aberranti mediante i Box-and-Whiskers plot di Tukey. Deviazione assoluta dalla mediana (MAD).
Test per il confronto fra più varianze: Fmax test di Hartley; test di Bartlett; S test di Levene.
Analisi della varianza (ANOVA) e confronto multiplo fra medie
ANOVA ad una via: concetti generali. Ripartizione della variabilità totale. Somme dei quadrati e Quadrati Medi. Valori attesi per i Quadrati Medi nell’ANOVA ad una via. Fattori fissi e fattori random nell’ANOVA ad una via.
Confronto multiplo fra medie: concetti generali. Test di Fisher e di Fisher-Hayter sulla minima differenza significativa, test di Tukey, Tukey-Kramer, Bonferroni, multiple range test di Duncan, test di Dunnett per confronti con un controllo. Confronto multiplo fra medie mediante metodi non parametrici: test di Kruskal-Wallis e test di Dunn.
Metodi di regressione
Regressione lineare semplice. Varianze e distribuzioni degli stimatori di intercetta e pendenza. ANOVA relativa alla regressione lineare. Coefficienti di determinazione e
di correlazione. Intervalli di fiducia e di predizione per i responsi sottoposti a regressione lineare. Mancanza di adattamento nella regressione semplice lineare. Calibrazione e regressione inversa. Intervalli di Wald e di inversione. Disegno sperimentale per la calibrazione.
Regressione lineare univariata di ordine m: equazioni matriciali, stima della varianza, speranza matematica e varianza del vettore dei coefficienti, intervalli di fiducia.
Regressione lineare multipla: stima della varianza, speranza matematica e varianza del vettore dei coefficienti, intervalli di fiducia, multicollinearità, coefficiente di determinazione. Criteri per la scelta dei regressori nella regressione lineare multipla. Applicazione della regressione lineare multipla all’analisi multicomponente.
Deriva e validazione di un modello. Tecniche di validazione. Validazione dei metodi di regressione. Parametri che misurano la capacità predittiva di un modello. Metodi diagnostici per la regressione: residui e valori-leva. Dati aberranti e dati influenti nella regressione lineare semplice.
Disegno sperimentale ed ottimizzazione
Disegno sperimentale: generalità. Problemi con l’approccio “una variabile per volta”. Stadi per il disegno di un esperimento. Modelli empirici. Disegni di screening: disegni fattoriali completi e frazionati; disegno di Plackett-Burman.
Ottimizzazione di processo con il disegno sperimentale. Operazione evolutiva di tipo Box. Ottimizzazione mediante simplesso. Metodo dell’ascesa più ripida. Metodi della superficie di risposta. Disegni compositi centrali. Disegni di Box-Behnken. Campi di applicazione del disegno sperimentale.
Disegno miscela: considerazioni generali. Tipi di disegno miscela: simplesso-reticolo, simplesso-centroide, a vertici estremi. Modelli di primo, secondo e terzo grado. Uso del disegno sperimentale nella scienza delle separazioni: disegni di screening, approccio del simplesso, metodi basati sulla superficie di risposta. Applicazione del disegno miscela all’ottimizzazione delle fasi mobili in HPLC.
Metodi multivariati
Concetti generali sui metodi multivariati. Matrici di covarianza e di correlazione.
Analisi delle Componenti Principali (PCA): aspetti generali, determinazione degli autovalori e degli autovettori, proiezione dei dati, interpretazione geometrica delle componenti principali. Stadi di un’elaborazione PCA. Risultati di un’elaborazione PCA: score, loadings e scree plot, cerchio della correlazione. Esempi di elaborazioni PCA.
Calibrazione inversa nell’analisi multi-componente: uso della Regressione Lineare Multipla (MLR). Regressione delle Componenti Principali (PCR). Regressione con i Minimi Quadrati Parziali (PLS). Confronto fra gli approcci MLR, PCR e PLS.
Analisi dei Cluster (CA): concetti generali. Analisi dei Cluster Gerarchica (HCA): approcci agglomerativi e divisivi, tipi di distanza impiegati più comunemente, matrici delle distanze e delle somiglianze. Algoritmi di raggruppamento nella HCA: legame singolo, completo, medio e fra centroidi, metodo di Ward. Metodi di raggruppamento non gerarchici: algoritmo delle k medie.
Metodi di classificazione: concetti generali, matrice di confusione, probabilità a priori, sensibilità e specificità. Metodo dei k vicini più prossimi (K-NN). Analisi discriminante: concetti generali. Analisi Discriminante Lineare (LDA): proiezione dei dati su un nuovo asse, funzione discriminante lineare di Fisher e sua massimizzazione. Classificazione di un nuovo oggetto mediante LDA. LDA con più di due classi. Limitazione della LDA e confronto con la PCA.
Cenni su controllo di qualità e campionamento
Qualità delle misure analitiche, metodi per il controllo di qualità. Carte di controllo Shewhart per i valori medi. Lunghezza media di una corsa (ARL). Carte di controllo CUSUM. Test di competenza. Prove collaborative inter-laboratorio. Valutazione dell’incertezza complessiva su una misura.
Campionamento: concetti generali. Aspetti chiave di un piano di campionamento: luogo/tempo del campionamento dalla popolazione target, tipo di campioni, minima quantità di campione per analisi, numero di campioni da analizzare, minimizzazione della varianza totale associata all’analisi. Cenni sul campionamento per l’accettazione basato su variabili.

Esame orale con una domanda per ciascuna macroarea del programma di insegnamento.

M. Forina, Fondamenta per la Chimica Analitica, e-book, ISBN 9788890406461.
L. Saliani, Manuale di statistica per la ricerca e la professione, 2005 (disponibile online).
R. Todeschini, Introduzione alla Chemiometria, EdiSES, 1998.
D.C. Montgomery, Design and analysis of experiments, 9a edizione, John Wiley & Sons Inc., 2017.
J.N. Miller, J.C. Miller e R.D. Miller, Statistics and chemometrics for analytical chemistry, 7a edizione, Pearson Prentice Hall, 2017.
M. Otto, Chemometrics - Statistics and Computer Application in Analytical Chemistry, 3a edizione, Wiley-VCH, 2017.
D. Harvey, Analytical Chemistry 2.0, eText, Chapter 7, 2008
S.L.R. Ellison, V.J. Barwick, T.J. Duguid Farrant, Practical Statistics for the Analytical Scientist, 2a edizione, RSC Publishing, 2009.

Gli obiettivi formativi del corso sono di fornire i principi e le applicazioni della spettrometria di massa (MS), sia di tipo basilare che avanzato (spettrometria di massa ad alta risoluzione e accuratezza), e gli aspetti di base e applicativi della metabolomica oggetto di specifiche esperienze di laboratorio, previa formazione in aula all’uso di software di ricerca dedicato. Fornire le basi per identificare specie chimiche come proteine, peptidi, lipidi, ecc. con l'uso di banche dati e per le determinazioni quantitative delle sostanze di interesse. Sarà sviluppata anche una parte dedicata alle procedure di estrazione e purificazione di campioni complessi
Al termine del corso, lo studente dovrebbe essere in grado di:

• prevedere l’approccio MS più appropriato, in termini di rapporto potenzialità/costi, per la risoluzione di problemi analitici complessi;
• di valutare criticamente l’esito delle ricerche effettuate con software bioinformatici;
• Stabilire lo strumento più appropriato per affrontare e risolvere un problema analitico.

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:

• descrivere i principi e le basi della spettrometria di massa.
• identificare quale sorgente utilizzare (ESI, APCI, APPI, ICP, MALDI, ICP, DART, ecc.) e quale analizzatore è più adatto all’analisi di un campione.
• utilizzare la spettrometria di massa per risolvere problemi scientifici e tecnologici.
• applicare le conoscenze di spettrometria di massa in diversi campi, come la medicina, l'ambiente, l'industria e la ricerca.
• sviluppare le capacità di comunicazione scientifica e di lavoro di squadra.
• utilizzare la spettrometria di massa come strumentazione analitica.

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:

• Definire la spettrometria di massa e i suoi obiettivi.
• Descrivere le sorgenti, gli analizzatori e i detector impiegate nella spettrometria di massa.
• Scegliere la strumento (sorgente-analizzatore-detector) più appropriato per un determinato problema.
• Eseguire il riconoscimento qualitativo che quantitativo di una sostanza.
• Interpretare uno spettro di massa.
• Scrivere un rapporto scientifico che abbia previsto l’impiego della spettrometria di massa.

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:

• Sviluppare e utilizzare la spettrometria di massa per risolvere problemi scientifici e tecnologici.
• Applicare le conoscenze e le abilità analitiche della spettrometria di massa per stabilire la presenza di metaboliti primari e secondari in campioni di esseri viventi animali e vegetali.
• Comunicare le proprie conoscenze e abilità in modo efficace a un pubblico sia specialistico che non specialistico.
• Lavorare in modo efficace in un gruppo e con altri professionisti.
• Sviluppare capacità di apprendimento continuo e di adattamento al cambiamento.

Spettrometria di massa (MS): terminologia di base per descrizione di uno spettro di massa. Introduzione alla MS. Cenni storici. Panoramica della MS; MS è una scatola nera? Breve cenno alle tecniche di ionizzazione in MS. Cosa fornisce uno spettro di massa: il valore m/z. Rappresentazione di uno spettro a barre o in profilo. Caratteristiche di uno spettrometro di massa: sensibilità; rapporto segnale/rumore; limite di rilevazione e di quantificazione. Thomson e la misura del rapporto m/z dell’elettrone. Termini e definizioni IUPAC in MS. Massa nominale, massa esatta (teorica) e massa accurata degli isotopi naturali. Distribuzioni isotopiche. Formula chimica, massa nominale, massa esatta e massa accurata di una sostanza. Distribuzioni isotopica del carbonio.
Tecniche di ionizzazione. Confronto fra ionizzazione in fase gassosa e per desorbimento. Ionizzazione soft e hard. Requisiti di pressione e proprietà auspicabili per le sorgenti di ionizzazione.
Caratteristiche degli analizzatori di massa: analizzatori a scansione e senza scansione. Range di massa, trasmissione ionica, velocità di scansione, risoluzione. Errore di massa e accuratezza di massa, ciclo utile (duty cycle), velocità di acquisizione dati e tandem MS.
Analizzatori di massa a quadrupolo (filtro di massa): equazioni di Mathieu e diagrammi di stabilità. Risoluzione di massa di un quadrupolo. Confronto tra risoluzione e intensità del segnale. Discriminazione di massa dei quadrupoli. Ponti ionici. Esapoli e ottapoli. Rilevazione: metodi per rilevare gli ioni: coppa di Faraday, moltiplicatori di elettroni secondari (serie di dinodi e channetron), fotomoltiplicatori. Micro moltiplicatori di elettroni in serie (MCP). Modalità di scansione di uno spettrometro di massa: scan mode e monitoraggio degli ioni selezionati (SIM).
Trappole ioniche quadrupolari tridimensionali (3D-QIT): geometria e diagrammi di stabilità. Funzionamento di una trappola ionica 3D: intrappolamento e raffreddamento degli ioni. Caricamento della trappola con automatic gain control (AGC). Scansioni basate su instabilità selettiva sulle masse. Calcolo dell’intervallo di masse, del Low Mass Cut Off (LMCO) e delle frequenze secolari degli ioni. Eccitazione di ioni per risonanza. Effetti spazio-carica e modulazione assiale. Espulsione di ioni per risonanza. Approcci per l’isolamento di ioni in trappola ionica. Stadi di un esperimento MS/MS condotto in una trappola ionica tridimensionale. Pro e contro delle trappole ioniche tridimensionali. Trappole ioniche lineari (LIT): descrizione generale e voltaggi applicati. Stadi di un esperimento MS/MS condotto in una trappola ionica lineare. Confronto fra trappole ioniche tridimensionali e lineari. Esperimenti MS multi-evento con strumenti a trappola ionica lineare.
Analizzatori di massa a tempo di volo (ToF): effetto sulla risoluzione della dispersione temporale, spaziale ed energetica nel corso della ionizzazione. Equazione per il tempo di volo in condizioni reali. Calibrazione. MALDI-ToF-MS: aspetti generali, delayed extraction, focalizzazione energetica e miglioramento della risoluzione mediante reflectron. Range dinamico di un TOF. Analizatori TOF con accelerazione ortogonale. Tandem MS nei sistemi TOF.
Spettrometria di massa a risonanza ionica di ciclotrone con trasformata di Fourier (FTICR-MS): cella ICR, moti ionici ciclotronico, di intrappolamento e magnetron. Sequenza di eventi in una misura FT-ICR-MS. Eccitazione a banda larga e risoluzione. Misure MS/MS in FT-ICR-MS: modalità di eccitazione ionica. Tandem MS negli FTICRMS: IRMPD ed ECD. Spettrometri ibridi LIT/FT-ICR-MS. Analizzatore di massa Orbitrap: iniezione degli ioni, frequenze caratteristiche, moto ionico orbitale. Risoluzione a confronto: FTICR-MS e Orbitrap-MS.
Analizzatori di massa a settore magnetico. Spettrometro di massa a focalizzazione semplice. Settore elettrostatico e analizzatore a doppia focalizzazione. Equazioni del moto. Scansione del voltaggio o del campo magnetico. Geometria dei sistemi a doppia focalizzazione: BE ed EB. Magneti con laminazione radiale.
Ionizzazione Elettrospray (ESI): cenni storici e stadi fondamentali del processo. Requisiti della fase mobile. Analogia fra un’interfaccia ESI e una cella elettrochimica. Generazione di ioni in fase gassosa in ESI-MS: fissione colombiana ed evaporazione ionica. Tipo di ioni e spettri di peptidi e proteine in ESI-MS. Relazione fra ioni in soluzione e ioni in fase gassosa. Riduzione della carica ionica a seguito di interazioni in fase gassosa o decomposizione indotta da collisione (CAD). Studio ESI-MS di composti non covalenti. Aspetti quantitativi in ESI-MS. Passaggio da ESI-MS convenzionale a nano-ESI-MS. Vantaggi, svantaggi e applicazioni generali dell’ESI-MS. Confronto fra ESI-MS e altre tecniche di ionizzazione. Desorption electrospray ionization (DESI-MS). Configurazione di una sorgente DESI. Meccanismi di formazione degli ioni in DESI. Proprietà analitiche della DESI. Sorgenti APCI (ionizzazione chimica a pressione atmosferica) e APPI (fotoionizzazione a a pressione atmosferica).
Matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI)-MS: target plate, caratteristiche del laser e delle matrici. Caratteristiche delle matrici MALDI. Processo di desorbimento in MALDI-MS, MALDI “plume”. Meccanismi di generazione di ioni primari: ionizzazione multi-fotone di singole molecole, energy pooling e modelli multi-centro, trasferimento di protone in stato eccitato (ESPT), reazioni di disproporzionamento, desorbimento di ioni pre-formati, ionizzazione termica. Meccanismi proposti per la ionizzazione secondaria in MALDI-MS. Intensità ed effetti di soppressione del segnale MALDI-MS. Desorbimento-ionizzazione su silicio (DIOS).
Spettrometria di massa inorganica. Spettrometro di massa con sorgente al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS). Generazione del plasma. ICPMS ad ablazione laser. Elementi da analizzare in ICP-MS. Introduzione del campione, ionizzazione. Potenziale di ionizzazione. Interfaccia tra ICP ed MS. Analizzatori a bassa ed alta risoluzione. Interferenze spettrali: isobariche, poliatomiche, a doppia carica ionica e dipendenti da matrice. Cellette di collisione. Analisi quali e quantitativa.
Spettrometria di massa dei rapporti isotopici (IRMS). Isotopi stabili. Rapporti isotopici per standard di riferimento primari. Valori delta, δ, per gli standard isotopici distribuiti dall'AIEA. Abbondanza isotopica e origine geografica. Alcune “regole” generali IRMS: configurazione strumentale. Introduzione del campione. Lo spettrometro di massa Nier.
Spettrometri di massa ibridi che includono una trappola ionica quadrupolare e un analizzatore a tempo di volo: MALDI-QIT-TOF, LC-ESI-QIT-TOF. Spettrometri di massa ibridi Quadrupolo-Tempo di Volo (Q-ToF): MALDI-Q-ToF, LC-ESI-Q(q)-ToF-MS con singolo o doppio reflectron.
Spettrometria di massa tandem. Applicazioni e modalità operative di analizzatori MS/MS. Product Ion Spectrum. Multiple Reaction Monitoring (MRM/SRM). Precursor Ion Scan. Constant Neutral Loss Spectrum. Strategie alternative per la frammentazione: SORICID, IRMPD, ECD. Confronto fra comuni analizzatori MS/MS.
Ruolo della velocità di acquisizione nell’accoppiamento fra spettrometria di massa e tecniche cromatografiche.
Spettrometria di mobilità ionica (IMS): concetti generali, metodi per l’introduzione del campione e per la ionizzazione degli analiti. Mobilità ionica: equazioni generali. Spettrometrie di mobilità ionica basate su tubo di deriva (DTIMS), onda viaggiante (TWIMS) e forma d’onda asimmetrica ad alto campo (FAIMS). Analizzatore a Mobilità Differenziale (DMA). Accoppiamento fra Spettrometria di Mobilità Ionica e Spettrometria di Massa (IMS-MS). LC-ESI-DTIMS-MS, FAIMS-MS. Applicazioni della IMS tal quale o in accoppiamento alla spettrometria di massa.
Campionamento, pretrattamento del campione e tecniche di estrazione. Metodi di estrazione basati su:utilizzo del solvente, adsorbenti, membrane. Metodi di estrazione diretti
Attività di laboratorio. Il laboratorio didattico si compone di alcune esercitazioni pratiche volte al riconoscimento mediante MS, LC-MS o GC-MS di sostanze presenti in campioni reali.

• Studio del pattern isotopico di una formula chimica empirica.
• Identificazione di un fosfolipide (o altro metabolita) mediante ricerca in banca dati, a partire dal peso molecolare e dall’interpretazione dello spettro ESI-MS/MS.
• Analisi MS ed MS/MS di un campione reale.

È prevista la verifica dell’apprendimento alla fine del corso mediante colloquio orale sugli argomenti trattati e valutazione delle relazioni di laboratorio. Verranno formulate domande per stabilire la capacità di risolvere un problema analitico di identificazione, caratterizzazione e quantificazione mediante spettrometria di massa di una sostanza organica e inorganica. La verifica riguarderà la capacità di interpretare uno spettro di massa e il pattern isotopico di uno ione.
Verrà richiesto altresì di illustrare i principi teorici e di funzionamento di sorgenti, analizzatori e detector impiegati nella spettrometria di massa organica e inorganica.
La durata dell’esame è di circa 1 ora. La commissione verificherà il raggiungimento degli obiettivi formativi dell'insegnamento. Quando questi non sono raggiunti, lo studente è invitato ad approfondire lo studio e ad avvalersi di ulteriori spiegazioni da parte del docente titolare.
Non sono previste prove intermedie.

J.H. Gross, Spettrometria di massa, EdiSES 2018. Capitolo Spettrometria di massa del libro “Chimica analitica” a cura di L. Sabbatini , C. Malitesta , P. Pastore, Edises 2025. Articoli della letteratura scientifica segnalati a lezione.

Adeguate conoscenze nel campo della chimica fisica e nanochimica e proprietà dei materiali. Conoscenza delle principali tecniche e strumentazioni di laboratorio al fine di: condurre un esperimento, raccogliere e interpretare dati scientifici derivanti dall'osservazione e dalle misure effettuate in laboratorio, rappresentarli graficamente e commentarli criticamente

Conoscenza e comprensione dei materiali, anche alla nanoscala, dei processi all’interfaccia, rilevanti per applicazioni tecnologiche

Le conoscenze di chimica fisica dei materiali e delle interfacce consentiranno alla studentessa e allo studente di disporre degli strumenti utili per comprendere, analizzare con approccio scientifico soluzioni tecnologiche, inserite in contesti più ampi (o interdisciplinari) connessi al settore di studio al fine di fornire professionale descrizione e elaborare possibili soluzioni.

• Descrittore di Dublino 3:
  Autonomia di giudizio
  Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di analizzare in maniera critica (nano)materiali e fenomeni che si originano alle interfacce, supportando le proprie osservazioni sulla base di conoscenze teoriche nell’ambito della chimica-fisica con riferimento allo stato attuale degli studi nel panorama internazionale. Il raggiungimento di tale competenza sarà stimolata mediante la discussione in aula e attraverso la presentazione di contesti attuali e stimolando alla partecipazione di seminari attinenti agli argomenti dell’insegnamento.
• Descrittore di Dublino 4:
  Abilità comunicative
  Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di presentare la termodinamica alla base dei fenomeni all’interfaccia, anche nell’ambito della nanochimica, sulla base delle conoscenze acquisite, a interlocutori in contesti accademici e/o professionali, riuscendo e comunicare in maniera chiara e utilizzando la terminologia scientifica specifica del settore. Tale competenza sarà stimolata mediante discussioni in classe sulla base della letteratura scientifica.
• Descrittore di Dublino 5:
  Capacità di apprendere in modo autonomo
  Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di capacità di apprendimento che consentano loro di continuare a studiare per lo più in modo auto-diretto o autonomo. Tale competenza sarà sviluppata attraverso la lettura in autonomia di letteratura internazionale con attinenza alle tematiche del corso, che dovranno essere discussi con la docente.

Tensione superficiale, Isoterma di adsorbimento di Gibbs.
Transizioni di stato in presenza di interfacce. Condensazione capillare, Isoterme di adsorbimento/desorbimento per il calcolo dell’area superficiale di materiali porosi.
Leggi di scala. Ostwald ripening.
Nucleazione di una goccia. Equazione di Kelvin.
Nanochimica. Sintesi di nanoparticelle secondo il modello di La Mer: nucleazione e crescita di nanoparticelle. Cinetica e termodinamica del processo di nucleazione. Effetto della temperatura e della pressione. Sintesi mediante hot-injection. Sinterizzazione
Stabilizzazione colloidale: Teoria DLVO, stabilizzazione sterica.
Equazione di Young-Laplace. Sottoraffreddamento.
Proprietà dei materiali alla nanoscala: proprietà ottiche, magnetiche, dipendenti dalle dimensioni.
Esperienze: Misure di tensione superficiale per la determinazione dell’eccesso superficiale, Sintesi di nanoparticelle di Au mediante metodo Turkevich e stabilizzazione colloidale, Costruzione e caratterizzazione della cella di Grätzel, Purificazione di soluzioni colloidali di nanoparticelle e caratterizzazione spettroscopica.

I risultati dell’apprendimento raggiunti saranno valutati attraverso prove orali che mireranno ad accertare: l’acquisizione delle conoscenze specifiche del corso, le competenze linguistiche, in particolare l’utilizzo di lessico scientifico del settore, la capacità di presentare in maniera organica gli argomenti del corso. Alla votazione della prova orale concorreranno le relazioni delle esperienze di laboratorio.

The Colloidal Domain- D. Fennel Evans;
Introduction to Colloid and Surface Chemistry- Duncan J Shaw;
Colloidal Fundation of Nanoscience- D. Berti, G. Palazzo
Dispense e approfondimenti saranno forniti e disponibili su canali Teams

Acquisire i fondamenti per l’analisi strutturale di composti organici e inorganici allo stato solido cristallino

• Al termine dell’insegnamento lo studente conosce:
  le leggi della simmetria che governa la materia allo stato solido cristallino;
  le leggi della diffrazione dei raggi X da composti cristallini;
  il percorso teorico/sperimentale che porta alla determinazione di una struttura cristallina
• Al termine dell’insegnamento lo studente sa:
  utilizzare le leggi della simmetria attraverso l’uso dei gruppi spaziali
  impostare un esperimento di diffrazione di raggi X su cristallo singolo
  interpretare i dati dell’analisi strutturale

L’insegnamento è impartito secondo una rigorosa successione fra lezioni teoriche e esercitazioni. Queste ultime sono svolte sia in aula e in laboratorio con esercizi e test di complessità crescente svolte sia individualmente che in gruppo con un’interazione continua con il docente. A turno, gli studenti sono invitati a esporre e discutere in pubblico i risultati dei loro esercizi.
Gli studenti sviluppano capacità di
Valutare se raccogliere dati cristallografici
Scegliere le condizioni sperimentali migliori per il dato campione
Effettuare un’analisi critica dei risultati
Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di
presentare i risultati di un esperimento con proprietà di linguaggio
lavorare in gruppo
Nel corso dell’insegnamento ai discenti sono forniti sia strumenti metodologici che materiale didattico (dispense, accesso a software cristallografici gratuiti e database) per affrontare in autonomia studi successivi
Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di

• Utilizzare software cristallografici gratuiti per l’analisi strutturale

La simmetria
Lo stato cristallino e le operazioni isometriche. Gli elementi di simmetria con e senza componente traslazionale. I reticoli e le loro proprieta’ razionali. Vincoli delle periodicita’ sulla simmetria e viceversa. Classi puntuali. Sistemi cristallini. Reticoli di Bravais. Gruppi spaziali. Rappresentazione matriciale degli operatori di simmetria. Esercitazioni in aula su: simmetria puntuale, simmetria planare, gruppi spaziali.
Il reticolo reciproco
Relazioni metriche fra reticolo diretto e reticolo reciproco. Il reticolo reciproco come trasformata di Fourier del reticolo diretto. Simmetria nello spazio reciproco
La diffrazione dei raggi X da parte dei cristalli
Analogie e differenze fra la diffrazione ottica e la diffrazione di raggi X. Generazione e monocromatizzazione dei raggi X. Scattering Thomspon. Scattering Compton. Fattore atomico di diffusione. Fattore di temperatura. Diffrazione di un cristallo. Equazioni di Laue e di Bragg. Sfera di Ewald. Il fattore di struttura. Esperimenti di diffrazione di raggi X. Il diffrattometro automatico per cristallo singolo. Misura delle intensita’ di diffrazione. Riduzione dei dati. Fasi della determinazione del gruppo spaziale
Esercitazione in laboratorio: fasi di una raccolta dati. Scelta dei parametri sperimentali. Determinazione della cella elementare. Misura delle intensita’ di diffrazione. Analisi delle intensita’ di diffrazione. Determinazione sperimentale del gruppo spaziale: analisi delle estinzioni sistematiche
Soluzione e affinamento delle strutture cristalline
Il problema della fase in cristallografia. Metodi di soluzione strutturale: metodo di Patterson, metodi diretti.
Completamento e affinamento della struttura. Minimi quadrati non lineari. Sintesi di Fourier delle differenze
Esercitazioni guidate in isola didattica su soluzione completamento e affinamento strutturale con software gratuiti

Prova scritta in itinere(facoltativa) che determina il 33 % del voto finale, colloquio orale con impiego di lavagna tradizionale.
Nel corso dell’esame saranno valutati i seguenti aspetti: padronanza e grado di approfondimento nella conoscenza delle tematiche dell’insegnamento; capacità di risolvere problemi/esercizi proposti; capacità di comunicare le proprie conoscenze durante l’esame collegando gli argomenti in modo logico; competenza nell’impiego del lessico specialistico; chiarezza nell’esposizione; capacità di effettuare autonomamente collegamenti fra le diverse parti del programma d’insegnamento; capacità di ragionamento critico sullo studio effettuato.Il voto finale è attribuito in trentesimi. L’esame si intende superato quando il voto è maggiore o uguale a 18.
L’esame parte con la verifica delle conoscenze dello studente sulla simmetria cristallina attraverso un esercizio con domande di approfondimento. Successivamente si affronteranno le diverse parti del programma di insegnamento. Saranno proposti argomenti con un grado di complessità e approfondimento crescente al fine di stabilire a quale livello di conoscenze, fondamentale, intermedio o elevato, sia pervenuto lo studente. Il raggiungimento del livello basico comporterà un voto finale tra 18-21.Il raggiungimento del livello intermedio comporterà un voto finale tra 22-26.Il raggiungimento del livello elevato comporterà un voto finale tra 27-30 . In caso di dimostrazione di completa padronanza della disciplina potrà essere attribuita la votazione massima con lode

Appunti delle lezioni
AAVV Fundamentals of Crystallography, Edited by C. Giacovazzo, Oxford Science Publications , 2nd edition
Solo capitoli selezionati indicati dal docente
Materiale didattico disponibile sulla classe Teams dell’insegnamento

Conoscenza dell’ambiente e studio degli effetti delle attività antropiche su di esso.
Gli/Le studenti/studentesse dovranno: 1) acquisire le basi teoriche della chimica dei processi naturali atmosferici, delle acque e del suolo, 2) individuare le problematiche chimiche legate alle attività antropiche e ai loro effetti sull'ambiente, 3) conoscere i principali cambiamenti ambientali global, 4) conoscere le principali specie chimiche di rilevanza ambientale, le loro proprietà, il loro ruolo in contesto naturale e antropico, nonché le principali tecnologie impiegabili per la loro rimozione.

Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di riconoscere e saper illustrare le soluzioni e le tecnologie impiegate per limitare e contrastare gli effetti dell'inquinamento chimico sull'ambiente.

Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di riconoscere e saper illustrare le soluzioni e le tecnologie impiegate per limitare e contrastare gli effetti dell'inquinamento chimico sull'ambiente

Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di gestire una problematica ambientale specifica, proponendo delle azioni di monitoraggio, indicando metodologie e tecniche di analisi, e proporre azioni di mitigazione in funzione del contesto di riferimento.
Abilità comunicative
Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di esporre in modo chiaro, breve e preciso le informazioni contenute negli articoli scientifici relativi alla chimica ambientale, elaborare adeguate modalità di disseminazione dei risultati scientifici attraverso forme che rendano la partecipazione del pubblico attiva, inclusiva e consapevole per incoraggiare un’attenzione alle tematiche ambientali.
Capacità di apprendere in modo autonomo
Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di Individuare e utilizzare fonti di informazione specialistiche autorevoli per comprendere appieno la letteratura scientifica ambientale.

Aspetti generali della Chimica dell'Ambiente
I cicli biogeochimici e il coinvolgimento dei comparti ambientali
Chimica della stratosfera
Chimica e fisica dello strato di ozono, buchi dell'ozono e altri siti di riduzione di questo elemento, agenti chimici che causano la distruzione dell'ozono.
L'inquinamento a livello del suolo all'esterno e in ambienti confinati.
Il processo dello smog fotochimico.
Le piogge acide. Effetti ecologici delle piogge acide e dello smog fotochimico.
I particolati nell'inquinamento dell'aria.
Indici della qualità dell'aria e caratteristiche della materia particolata.
Effetti sulla salute degli inquinanti presenti nell’aria esterna.
Inquinamento dell'aria domestica.
L’effetto serra e il riscaldamento planetario.
Chimica delle acque naturali.
Il sistema carbonato. Concentrazione ionica nelle acque naturali e in quelle potabili. Inquinamento e purificazione delle acque.
Composti organici tossici
Pesticidi. Accumulo dei composti organoclorurati nei sistemi biologici.
Principi di tossicologia.
Insetticidi organofosforici e carbammati.
Erbicidi.
Diossine. Individuazione delle diossine negli alimenti e nell'acqua.
PCB.
Effetti esercitati dalle diossine e dai PCB sulla salute dell'uomo. Idrocarburi policiclici aromatici (IPA).
Proprietà cancerogene degli IPA. Meccanismo di cancerogenesi degli IPA.
Altri composti organici tossici di interesse ambientale.
Trasporto per lunghe distanze degli inquinanti atmosferici.
Metalli pesanti tossici
Hg, Pb, Cd, Cr. As
Norme comunitarie e italiane in tema di inquinamento e tutela delle risorse ambientali.

Lo/la studente/studentessa sarà valutato/a sulla base di un colloquio orale che verterà sugli argomenti trattati nel corso. Il colloquio avrà l’obiettivo di verificare il raggiungimento degli obiettivi formativi indicati.

Colin Baird, Michael Cann, Chimica Ambientale, Zanichelli, Bologna.
Stanley E. Manahan, Chimica dell’Ambiente, Piccin, Padova.

Apprendimento della teoria della struttura elettronica molecolare e di altri modelli di forze interatomiche.
Apprendimento di programmi per il calcolo della struttura elettronica, della sua visualizzazione, precisione e ambito di utilizzo.
Applicazioni alla determinazione strutturale, dei cammini di reazione, dell'interpretazione di spettri e della fotochimica.

• rappresentazione della struttura elettronica della materia e le sue conseguenze
• funzionamento ed applicazione dei programmi di calcolo della struttura
  elettronica
• rappresentazioni della materia
• sapere costruire un modello tridimensionale di una molecola
• sapere avviare un calcolo di struttura elettronica con piena comprensione
  dei parametri coinvolti
• sapere applicare tali metodi a problemi reali, come modellizzazione di
  cinetiche, interpretazione di spettri ed altro.

Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di

• eseguire calcoli di stuttura elettronica in autonomia
• eseguire calcoli di dinamica molecolare e affini in autonomia
• costruire una relazione adeguata dei problemi svolti.
• trovare il necessario al suo problema nella documentazione
• consultare i gruppi di aiuto all'uso del software
• riconoscere le limitazioni di quanto ha appreso e l'esistenza di altre soluzioni.

• hamiltoniana molecore di base e approssimazione Born-Hoppenheimer
• metodi mono-determinantali e schemi di risoluzione
• metodi multi-determinantali
• metodi perturbativi e loro applicazione al calcolo della correlazione
• metodi CC
• metodi DFT
• rappresentazioni del potenziale di core
• forze interatomiche: modelli euristici
• dinamica molecolare
• intersezioni coniche
• dettagli sull'uso del software adottato: gabedit, avogadro, orca

Assegnazione di una tesina di calcolo sulla base degli interessi dello studente o
anche del lavoro svolto in altri corsi. La tesina richiede un impegno di lavoro di
circa 24 ore ed espone un calcolo effettuato dallo studente in autonomia, anche se può ricorrere al tutoraggio del docente ogni volta che abbia un dubbio sull'opportunità delle scelte compiute. La tesina viene escussa durante un esame orale.

Roy McWeeney: Molecular Quantum Chemistry
A.S. Davidov: Meccanica Quantistica
W. Koch: A Chemist’s Guide to Density Functional Theory
F. Ciriaco: dispense, anche disponibili all'indirizzo:
http://puccini.chimica.uniba.it/didattica/corsi/chim-comp/

L’insegnamento si propone di far acquisire agli studenti nozioni sulla composizione chimico e sulle tecnologie di produzione dei principali alimenti nonché nozioni relative al controllo analitico delle produzioni agroalimentari per garantirne la sicurezza e la qualità delle stesse.

L'impostazione dell'insegnamento consente allo studente di conseguire conoscenze a livello specialistico relative alla complessità della chimica degli alimenti, rispondendo alle problematiche che la caratterizzano.
In particolare, l’insegnamento permette di acquisire adeguate conoscenze sia in generale, che per specifici alimenti, riguardanti
o Nozioni sulla qualità e la sicurezza e degli alimenti
o le caratteristiche chimico-fisiche degli alimenti
o i metodi di conservazione degli alimenti
o i metodi di produzione
o le analisi chimico-fisiche

L'acquisizione della capacità di applicare conoscenze e comprensione sarà verificata mediante discussioni in aula, o in sede di esame, su problematiche del settore, dove allo studente sarà richiesta la formulazione di ipotesi risolutive, evidenziando le sue capacità di applicare i concetti appresi nella massima autonomia, con particolare riferimento alle seguenti tematiche:
o capacità di condurre indagini chimico-fisiche su alimenti, interpretarne i risultati e ottimizzarli modificando opportunamente le tecnologie di produzione;
o capacità di sviluppare tecnologie di produzione, conservazione, trattamento, in grado di salvaguardare le componenti degli alimenti;

• Autonomia di giudizio
  Lo studente dovrà, con l'aiuto del docente, sviluppare una adeguata autonomia di giudizio attraverso un costante confronto con le problematiche esistenti nel settore della chimica degli alimenti, proponendo interpretazioni personali e dimostrando buone capacità fattive nella soluzione di tali problematiche. La verifica dell'acquisizione dell'autonomia di giudizio si baserà sia sulle prove d'esami, sia durante lo svolgimento dell'insegnamento.
• Abilità comunicative
  La verifica dell'acquisizione di questa competenza verrà vagliata alla fine di ciascun modulo didattico nonché durante lo svolgimento dell'insegnamento, laddove gli studenti, sotto la guida dei docenti, potranno tenere seminari su argomenti concordati (discussione su articoli scientifici)
• Capacità di apprendere in modo autonomo
  Lo studente dovrà acquisire la capacità di studiare in modo autonomo e di acquisire informazioni consultando sia libri e riviste del settore, sia i più recenti mezzi informatici. Per sviluppare al meglio questa capacità, durante i corsi saranno assegnate delle attività di approfondimento di alcune tematiche per le quali lo studente dovrà dimostrare la capacità di elaborare lo stato dell'arte, partendo da più fonti. La capacità di apprendimento verrà valutata attraverso verifiche informali durante il corso.

Introduzione alla Chimica degli alimenti: Qualità degli alimenti, Contaminanti degli alimenti, Adulterazione degli alimenti, Compiti della chimica degli alimenti.
Principali classi di sostanze presenti negli alimenti: Acqua; Amminoacidi, peptidi e proteine; Enzimi; Lipidi; Carboidrati; Additivi e aromi; Sostanze aromatiche; Esaltatori di sapidità; Sostituti dello zucchero ed edulcoranti; Coloranti; Conservanti; Vitamine; Sali minerali; Contaminanti (Elementi in tracce, Pesticidi, Idrocarburi aromatici policiclici (PAH), Nitrosammine, Tossine batteriche, Micotossine)
Richiami di metodi per l'analisi degli alimenti: Metodi di pretrattamento del campione; Metodi cromatografici; Spettroscopia atomica e molecolare; Spettrometria di massa; Metodi innovativi (Introduzione alla spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, Metodi isotopici nell'analisi degli alimenti).
Principali alimenti e analisi: Olio di oliva; Cereali; Latte e derivati; Carne e pesce; Acqua; Vino, Uova, Caffé, Miele

L’esame consiste in una prova orale sugli argomenti trattati nel corso ed eventualmente sulla discussione di un articolo scientifico, preventivamente concordato, riguardante problematiche agroalimentari. La prova orale sarà articolata su 3 quesiti principali, ciascuno dei quali valutabile con un punteggio variabile tra 0 e 10
Criteri di valutazione

• Conoscenza e capacità di comprensione:
  completezza delle conoscenze acquisite sia in generale, che per specifici alimenti, riguardanti la loro caratterizzazione, qualità e sicurezza
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
  capacità dello studente di applicare i concetti appresi nella massima autonomia
• Autonomia di giudizio:
  capacità di ragionamento critico sullo studio effettuato
• Abilità comunicative:
  competenza nell’impiego del lessico specialistico
  chiarezza dell’esposizione.
• Capacità di apprendere in modo autonomo:
  eventuale approfondimento personale degli argomenti trattati
  Il voto finale è attribuito in trentesimi. L’esame si intende superato quando il voto è maggiore o uguale a 18. Per conseguire una valutazione elevata lo studente deve avere sviluppato autonomia di giudizio e adeguata capacità di argomentazione ed esposizione.

Chimica degli alimenti:
P. Cabras, A. Martelli (a cura di): Chimica degli alimenti, Piccin, Padova, 2004.
T. P. Coultate: La chimica degli alimenti, Zanichelli, Bologna, 2005.
H.-D. Belitz, W. Grosch: Food Chemistry, Springer, Berlin, 1999.
L. Debellis, A. Poli (a cura di): Alimentazione, nutrizione e salute, Edises, Napoli, 2019.
Chimica analitica e problematiche analitiche degli alimenti:
R. S. Singhal, P. R. Kulkarni, D. V. Rege: Handbook of Indices of Food Quality and Authenticity, Woodhead Publishing Ltd., Cambridge, 1997
H. Egan, R. S. Kirk, R. Sawyer: Pearson's Chemical Analysis of Foods, 8th Ed., Churchill Livingstone, Edinburgh, 1981
F. Tateo: Analisi dei prodotti alimentari, Chiriotti, Pinerolo, 1978
Qualunque testo generale di chimica analitica ed organica.
Sono disponibili come supporto i PDF delle lezioni reperibile sulla classe Teams

Il corso intende fornire agli studenti nozioni di termodinamica irreversibile, approfondimenti di cinetica e fondamenti dell’analisi del ciclo di vita allo scopo di trasmettere le conoscenze e gli strumenti necessari per affrontare e risolvere problematiche inerenti i sistemi biologici ed ambientali

Conoscenza e comprensione dei principi della termodinamica irreversibile, delle cinetiche complesse e dell’analisi del ciclo di vita

Acquisizione di procedure metodologiche per applicazioni della termodinamica irreversibile, della cinetica chimica e dell’analisi del ciclo di vita a sistemi reali

• Autonomia di giudizio
  Acquisizione di autonomia nella valutazione e interpretazione di dati sperimentali e nell’impostazione delle strategie di applicazione delle nozioni studiate
• Abilità comunicative
  Capacità di comunicare in forma scritta e orale, in italiano ed in inglese, anche con utilizzo di sistemi multimediali.
• Capacità di apprendere in modo autonomo
  Capacità di recuperare agevolmente le informazioni dalla letteratura, banche dati ed internet.

Termodinamica dei processi irreversibili
-I processi irreversibili vicini all’equilibrio: I fondamenti della termodinamica e l’irreveribilità, considerazioni sull’entropia, le equazioni fenomenologiche, postulati della termodinamica dei processi irreversibili, fluttazioni e campo di validità della termodinamica dei processi irreversibili, gli stati stazionari, fluttazioni e relazioni di reciprocità di Onsager,
-I processi irreversibili lontani dall’equilibrio: Equazioni fenomenologiche non lineari, le cinetiche chimiche, equazione di Lotka.
Cinetiche complesse
Le reazioni a catena, le esplosioni, la polimerizzazionei, le reazioni oscillanti, metodi di integrazione numerica di cinetiche di sistemi complessi.
Auto-organizzazione, emergia e transformity:
-Il maximum power principle e l’efficienza dei sistemi, emergia e transformity, sostenibilità ed indici emergetici, un’applicazione di analisi energetica. Modello ecodinamico.
Adsorbimento
-Definizioni, isoterme di adsorbimento, energetica dell’adsorbimento, fenomeni di adsorbimento all’interfaccia solido-liquido
Biomasse. Energie alternative, indicatori di sostenibilità
-Struttura delle biomasse vegetali, composizione chimica della lignocellulosa, energia delle biomasse vegetali, biomasse e benzina verde, geotermia, energia eolica, il fotovoltaico, solare a bassa temperatura, carbone e celle a combustibile, le idrocentraline, gas naturale, concetto di sostenibilità, equilibrio sostenibile ed esempi di indicatori di sostenibilità.
Analisi del Ciclo di vita
-Sviluppo sostenibile e Gestione del ciclo di vita (Life Cycle Management): Triple Bottom Line e Life Cycle Thinking;
-Life Cycle Assessment (LCA): definizione, finalità e inquadramento normativo;
-Tipologie di LCA
-LCA al servizio dell’industria

• Cicli di vita;
  -Fasi della LCA: definizione di obiettivo e ambito, analisi dell’inventario, valutazione dell’impatto, interpretazione
  -Casi studio: LCA di un prodotto e LCA di un semplice processo chimico

Esame orale

1)“Appunti sulla Termodinamica dei Processi Irreversibili” V. Vitagliano – Liguori Editore
2“Chimica Fisica per le Scienze Ambientali”C. Dejak, D. Pitea, C.Rossi, E. Tiezzi, Etaslibri
3) “Chimica Fisica” Terza edizione italiana, Peter W. Atkins – Zanichelli

Approfondimento degli studi della Laurea di I° livello, sviluppo ed applicazione di idee originali nei vari contesti del mondo lavorativo in campo chimico, ivi compreso quello della ricerca. Sviluppo della capacità di progettare progetti sintetici innovativi e sostenibili.

Acquisizione di una solida e rigorosa conoscenza dei principali processi industriali della chimica inorganica e dei relativi fondamenti teorici, con particolare attenzione ai principi della sostenibilità, all’efficienza nell’impiego delle risorse e dell’energia e alla riduzione dell’impatto ambientale dei processi. Lo studente acquisirà gli strumenti necessari per comprendere i fenomeni chimici e chimico-fisici alla base dei processi considerati e per riconoscerne gli aspetti più rilevanti in termini di sostenibilità. Al raggiungimento di tali obiettivi contribuiranno le lezioni teoriche e, ove possibile, visite a impianti industriali. Il livello delle conoscenze e della capacità di comprensione acquisite sarà verificato durante la prova d’esame.

Capacità di applicare le conoscenze acquisite all’analisi e all’interpretazione dei fenomeni chimici e chimico-fisici coinvolti nei processi della chimica inorganica industriale, utilizzando correttamente i principi che li governano. Capacità di applicare tali conoscenze all’analisi, al controllo e alla gestione dei processi, valutandone anche gli aspetti connessi alla sostenibilità, all’efficienza nell’impiego delle risorse e dell’energia e alla riduzione dell’impatto ambientale. La verifica delle capacità acquisite sarà effettuata in sede di esame.

Autonomia di giudizio
Lo studente dovrà dimostrare di avere acquisito attitudine al ragionamento scientifico e capacità critica nell’analisi dei processi della chimica inorganica, anche in relazione alla loro sostenibilità, all’impiego delle risorse e dell’energia e all’impatto ambientale. Dovrà inoltre essere in grado di confrontare criticamente processi e soluzioni alternative sulla base delle conoscenze acquisite. Il raggiungimento di tali obiettivi sarà verificato in sede di esame.
Abilità comunicative
Acquisizione di una corretta terminologia scientifica e chimica e di capacità espositive caratterizzate da chiarezza, rigore e proprietà di linguaggio. Lo studente dovrà essere in grado di esporre correttamente definizioni, concetti, principi e problematiche relativi ai contenuti del corso e di discutere con chiarezza e appropriatezza le caratteristiche dei processi considerati, compresi gli aspetti connessi alla loro sostenibilità. Tali abilità saranno valutate in sede di esame.
Capacità di apprendere in modo autonomo
Acquisizione della capacità di approfondire autonomamente tematiche relative alla chimica sostenibile attraverso la consultazione critica di testi, banche dati e letteratura scientifica, nonché di individuare collegamenti con le altre discipline del corso di studi. Lo studente dovrà inoltre acquisire gli strumenti necessari per aggiornare autonomamente le proprie conoscenze in relazione all’evoluzione dei processi e delle tecnologie orientate alla sostenibilità. L’acquisizione di tali capacità sarà verificata attraverso la discussione degli argomenti oggetto della prova d’esame.

Concetti base di chimica sostenibile, economia circolare.
Scienza e sostenibilità nell'industria chimica e ruolo della chimica
Solventi alternativi
Uso di biomasse per ottenere energia, prodotti chimici e fuels.
Uso di CO2 e concetto di economia circolare del carbonio
Plastiche bio e plastiche biodegradabili

Colloquio orale

Materiale distribuito durante le lezioni

Il corso ha l'obiettivo di fornire conoscenze e competenze per utilizzare il modelling come strumento per lo studio di un network metabolico. Gli studenti acquisiranno la capacità di valutare in maniera autonoma quale sia l'approccio e quali siano le tecniche più appropriate alla modellizzazione di un sistema biologico, in termini di costi e risultati, relativamente a uno specifico obiettivo di interesse.

Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà conoscere e comprendere:
i principi concettuali della modellizzazione dei sistemi biologici e dei network metabolici;
la formalizzazione di un meccanismo di reazione mediante sistemi di equazioni differenziali ordinarie e matrici stechiometriche;
i principali metodi analitici e numerici per lo studio di sistemi cinetici deterministici;
i principi fondamentali della modellizzazione stocastica dei sistemi reagenti;
le condizioni di equilibrio e di stato stazionario e i principi dell'analisi di stabilità;
i principi fondamentali della Flux Balance Analysis (FBA);
i principi fondamentali della Metabolic Control Analysis (MCA);
le basi matematiche e computazionali necessarie per implementare tali metodologie in ambiente MATLAB.

Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:
tradurre un meccanismo cinetico in un sistema di equazioni differenziali;
tradurre una mappa metabolica in una matrice stechiometrica;
scrivere e utilizzare script e funzioni MATLAB per implementare modelli matematici di sistemi chimici e biologici;
applicare metodi analitici e numerici per l'integrazione di sistemi ODE e valutarne l'appropriatezza;
effettuare analisi cinetiche formali ed empiriche;
costruire workflow di simulazione e rappresentare graficamente i risultati;
implementare modelli stocastici e simulazioni mediante algoritmo di Gillespie;
costruire modelli FBA di network metabolici semplificati e risolvere i relativi problemi di ottimizzazione lineare;
applicare la MCA, calcolare coefficienti di controllo ed elasticità e verificarne le relazioni fondamentali;
confrontare differenti strategie di modellizzazione in funzione del sistema e dell'obiettivo dello studio.

Attraverso le esercitazioni computazionali e la discussione di casi di studio, lo studente svilupperà le seguenti competenze trasversali.
Autonomia di giudizio (DD3)
Lo studente sarà in grado di:
valutare criticamente le ipotesi alla base di un modello;
verificare la qualità e la plausibilità delle soluzioni numeriche;
riconoscere limiti quali stiffness, instabilità numerica, sottodeterminazione e sensibilità ai parametri;
distinguere tra comportamento dinamico, equilibrio e stato stazionario;
interpretare correttamente oscillazioni e fluttuazioni stocastiche;
selezionare criticamente l’approccio più appropriato — deterministico, stocastico, FBA o MCA — rispetto al problema biologico considerato;
valutare il rapporto tra complessità del modello, informazioni richieste e capacità predittiva.
Abilità comunicative (DD4)
Lo studente sarà in grado di:
descrivere in modo formalmente corretto un modello matematico di un sistema chimico o biologico;
presentare la struttura di un modello implementato in MATLAB e illustrare le principali scelte algoritmiche;
rappresentare e comunicare efficacemente i risultati mediante figure, grafici e altre forme di visualizzazione;
descrivere e giustificare l’intero workflow di modellizzazione, dalla definizione del problema alle equazioni, all’implementazione computazionale e all’interpretazione dei risultati;
argomentare con linguaggio tecnico appropriato la scelta del metodo numerico o della strategia modellistica adottata.
Capacità di apprendere in modo autonomo (DD5)
Durante lezioni ed esercitazioni saranno forniti riferimenti a repository, toolbox, dataset e modelli biochimici disponibili in rete. Al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di:
approfondire autonomamente nuovi modelli e tecniche di simulazione;
utilizzare documentazione tecnica, repository e toolbox MATLAB;
affrontare sistemi e dataset non trattati esplicitamente durante il corso sviluppando autonomamente nuovi script e workflow;
formalizzare un nuovo problema di modellizzazione chimico-biologica e scegliere la metodologia più appropriata;
aggiornarsi autonomamente sulle metodologie computazionali per la modellizzazione dei sistemi biologici.

Introduzione alla modellizzazione dei sistemi biologici
Approccio riduzionista e approccio sistemico. Modelli matematici e computazionali. Scelta del livello di descrizione.
Cinetica chimica
Meccanismi di reazione. Velocità di reazione. Equazioni stechiometriche. Legge di azione di massa. Sistemi cinetici di equazioni differenziali ordinarie e cenni ai sistemi alle derivate parziali. Sistemi autonomi. Legge di Arrhenius.
Analisi cinetica formale
Costruzione del sistema ODE a partire dal meccanismo di reazione. Integrazione diretta. Metodo delle matrici per sistemi del primo ordine. Metodi approssimati. Metodi numerici.
Analisi cinetica empirica
Equazione cinetica. Metodo dell'integrazione diretta. Metodo differenziale. Metodo dei tempi di frazionamento. Metodo dell'isolamento. Metodo delle velocità iniziali.
Equilibrio e stabilità di sistemi ODE
Notazione generale per sistemi ODE cinetici. Matrici stechiometriche. Vettore delle velocità. Punti di equilibrio. Linearizzazione e analisi di stabilità. Sistemi oscillanti.
Stati stazionari dei network biochimici
Mappe metaboliche, pathways e networks. La cellula come sistema chimico reagente aperto e compartimentalizzato.
Flux Balance Analysis (FBA)
Analisi stechiometrica dei network metabolici e relazioni di conservazione. Matrice stechiometrica. Gradi di libertà. Sistemi sottodeterminati e sovradeterminati. Vincoli sui flussi. Funzione obiettivo. Programmazione lineare.
Metabolic Control Analysis (MCA)
Coefficienti di controllo. Elasticità. Coefficienti di risposta. Teorema della somma e teorema della connettività. Applicazione della MCA a catene di reazioni lineari e ramificate.
Modelli stocastici
Introduzione alla cinetica stocastica. Richiami di teoria della probabilità. Processi markoviani. Probabilità di reazione e Master Equation. Simulazioni Monte Carlo e algoritmo di Gillespie. Ruolo delle fluttuazioni stocastiche. Decadimento esponenziale e sistema oscillante Lotka-Volterra.
Richiami matematici
Algebra matriciale. Calcolo differenziale e integrale. Espansione in serie di funzioni.
Esercitazioni computazionali in MATLAB
introduzione all'ambiente MATLAB;
calcolo matriciale;
rappresentazione grafica di funzioni e dati;
elementi di programmazione;
integrazione numerica di sistemi ODE;
soluzione di sistemi del primo ordine mediante metodi matriciali;
analisi empirica di dati simulati per la determinazione di un meccanismo di reazione incognito;
simulazioni stocastiche;
costruzione di un modello cellulare di un pathway metabolico semplificato;
analisi FBA del modello;
calcolo dei coefficienti di controllo e verifica del teorema della somma.

La verifica dell apprendimento avviene mediante esame orale finale.
Durante il colloquio lo studente è chiamato a discutere criticamente problemi relativi alla modellizzazione di sistemi chimici e biologici, con particolare riferimento alla loro evoluzione temporale e alle condizioni di equilibrio o stato stazionario.
La prova verifica sia la conoscenza dei principi teorici sia la capacità di applicarli alla formulazione e all'analisi di modelli matematici e computazionali.
Allo studente potrà essere richiesto, ad esempio, di:

• tradurre un meccanismo cinetico in un sistema di equazioni differenziali;
• discutere strategie analitiche o numeriche per la soluzione del sistema;
• analizzare equilibrio e stabilità di un sistema dinamico;
• confrontare una descrizione deterministica con una stocastica;
• ricavare la matrice stechiometrica da una mappa metabolica;
• formulare e discutere un problema di Flux Balance Analysis;
• applicare i principi della Metabolic Control Analysis;
• discutere l implementazione computazionale in MATLAB e interpretare criticamente i risultati di una simulazione.
  Potranno essere effettuate verifiche in itinere facoltative, con funzione prevalentemente formativa e di autovalutazione. Tali verifiche non sostituiscono l esame finale.
  Il voto finale è espresso in trentesimi. L esame è superato con una votazione pari o superiore a 18/30.
  Nella formulazione del voto saranno considerate:
• conoscenza e comprensione dei contenuti;
• capacità di formalizzare matematicamente il problema;
• correttezza nell'applicazione dei metodi;
• capacità di analizzare criticamente modelli e risultati;
• capacità di collegare differenti argomenti dell'insegnamento;
• chiarezza e appropriatezza del linguaggio scientifico.
  In accordo con i criteri generali del Regolamento del Corso di Studio:
  18–22 – Sufficiente: preparazione sufficiente e conoscenza adeguata agli obiettivi minimi; capacità essenziale di applicare i concetti e analizzare un semplice problema di modellizzazione.
  23–26 – Soddisfacente: buona comprensione degli argomenti e discreta capacità di applicare i metodi, analizzare i problemi e strutturare correttamente le argomentazioni.
  27–29 – Accurato: preparazione accurata, ottima conoscenza degli argomenti e buona padronanza dei metodi matematici e computazionali; capacità di analisi critica e di collegamento.
  30–30 e lode – Lodevole: preparazione eccellente e piena padronanza della materia e del linguaggio scientifico; capacità di applicare autonomamente i metodi a problemi anche nuovi e di sviluppare analisi critiche rigorose.
  Un voto inferiore a 18/30 corrisponde a una preparazione insufficiente rispetto agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

(1) E. Klipp, W. Liebermeister, C. Wierling, A. Kowald, H. Lehrach, Systems Biology, Wiley-Blackwell.
(2) D. Fell, Understanding the Control of Metabolism, Portland Press.
(3) Dispense di lezione predisposte dal docente.

• Acquisizione della conoscenza delle proprietà chimico-fisiche dipendenti dalla dimensione di materiali nanostrutturati inorganici e ibridi
• Acquisizione di conoscenze sugli approcci chimici per ottenere tali nanomateriali
• Comprensione delle modalità di integrazione delle nanostrutture in sistemi e dispositivi per applicazioni specifiche
• Conoscenza dei concetti generali e dei fenomeni chimico-fisici rilevanti nel campo dei nanomateriali. Conoscenza dei cambiamenti nelle dimensioni finite sulle proprietà dei materiali nanostrutturati
• Strategie di sintesi di nanomateriali, nanoparticelle e nanocristalli come building-block per materiali nanostrutturati e componenti nanocompositi
• Capacità di progettare le proprietà di materiali nanostrutturati attraverso opportune strategie di sintesi.
• Capacità di identificare le proprietà in funzione delle dimensioni a seconda delle applicazioni specifiche (materiali da design)
• Autonomia di giudizio
• Capacità di valutare approcci multidisciplinari alla progettazione, implementazione, caratterizzazione e applicazione di materiali nanostrutturat
• Capacità di selezionare tecniche appropriate per la determinazione e valutazione delle proprietà chimico-fisiche di materiali nanostrutturati
• Capacità di identificare approcci multiscala adatti alla delucidazione delle proprietà dei materiali nanostrutturati
• Abilità comunicative
• Conoscenza del linguaggio scientifico e terminologia appropriata in riferimento al campo dei nanomateriali e delle nanoscienze
• Conoscenza dei fondamenti della comunicazione scientifica
• Capacità di presentare risultati scientifici
• Capacità di apprendere in modo autonomo
• Acquisizione di conoscenze attraverso l'uso appropriato della letteratura scientifica e di banche dati ed esperimenti online, adeguatamente progettati, eseguiti e interpretati
• Valutazione critica dei risultati sperimentali attraverso procedure di standardizzazione e confronto con fonti bibliografiche

• Introduzione. Nanotecnologie, nanoscienze, nanochimica, nanomateriali, nanoparticelle e nanocristalli: terminologia e definizioni
• Approcci sintetici e loro rilevanza per la progettazione di nanomateriali con proprietà chimico-fisiche dipendenti dalle dimensioni
• Studio, determinazione e interpretazione delle proprietà originarie di nanoparticelle e nanocristalli inorganici. Relazione struttura-funzione relativa alle proprietà optoelettroniche dei materiali nanostrutturati
• Ruolo della superficie, interfaccia e chimica di superficie nei nanomateriali, strategie di ingegneria delle superfici e strumenti di indagine chimico-fisica per lo studio delle loro caratteristiche attraverso diverse scale dimensionali
• (Auto)assemblaggi di nanoparticelle e nanocristalli: meccanismi di (auto)organizzazione, dalla scala molecolare alla nanoscala, fino alla mesoscala: strategie sperimentali e studio delle proprietà chimico-fisiche dei risultanti materiali nanostrutturati
• Nanocompositi a base polimerica contenenti nanoparticelle e nanocristalli: fabbricazione e studio delle proprietà originali derivanti dalla combinazione dei vari componenti nel composito
• Integrazione di nanomateriali in sistemi e dispositivi per applicazioni tecnologiche, comprese le scienze della vita, la conversione dell'energia e l'ambiente.
• Nanomateriali e società: impatto sociale ed economico, sicurezza, ambiente e salute, considerazioni etiche

l voto finale sarà attribuito in trentesimi, e l'esame è superato se si ottiene almeno 18 su 30. Una prova orale valuterà il livello di conoscenza e comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma (70%) mentre una relazione scritta sulle esperienze di laboratorio e sulla loro discussione critica, volta a valutare la capacità di applicare concetti teorici a esperienze pratiche (30%)

• Conoscenza e capacità di comprensione:
  o Livello minimo:
• proprietà chimico-fisiche dipendenti dalle dimensioni in materiali inorganici nanostrutturati
• i fondamenti della relazione struttura-proprietà nei nanomateriali inorganici
• classificazione di metodologie sintetiche e strategie di controllo delle proprietà chimico-fisiche dipendenti dalle dimensioni
• classificazione delle metodologie di funzionalizzazione superficiale dei materiali nanostrutturati
• classificazione delle strategie di fabbricazione di sistemi organizzati basati su nanoparticelle e nanocristalli e nanocompositi.
  o Livello intermedio:
• leggi di scala nei nanomateriali
• meccanismi di sintesi colloidale delle nanoparticelle
• meccanismi alla base delle strategie per l'ingegneria della superficie delle nanoparticelle
• comprensione dei fenomeni alla base dell'organizzazione delle nanostrutture e della fabbricazione di nanocompositi
  o Livello superiore
• conoscenza dettagliata dei meccanismi di sintesi per controllare la forma e le dimensioni di nanoparticelle e nanocristalli
• conoscenza dettagliata delle strategie per l'autoassemblaggio delle nanoparticelle e la preparazione dei nanocompositi e la loro applicazione per ottenere materiali funzionali per applicazioni specifiche
• identificazione di strategie di funzionalizzazione superficiale di materiali nanostrutturati secondo specifiche applicazioni
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate
  o Tutti i livelli: conoscenza del potenziale tecnologico delle proprietà chimico-fisiche dei materiali nanostrutturati
  o Si prevede la capacità di identificare metodi sperimentali in grado di modulare e controllare le proprietà dei materiali nanostrutturati risultanti
• Autonomia di giudizio
  o Livello minimo: valutazione della capacità di identificare metodi di sintesi, funzionalizzazione e tecniche di fabbricazione di nanomateriali in funzione delle proprietà finali dei materiali nanostrutturati,
  o Livello intermedio e superiore: valutazione della capacità di identificare strategie di preparazione delle nanostrutture, tecniche di caratterizzazione e metodologie di integrazione in materiali, sistemi e dispositivi secondo le loro potenziali applicazioni tecnologiche, in una visione multidisciplinare
• Abilità comunicative
  o Tutti i livelli: valutazione del livello di conoscenza dei seguenti elementi: struttura e componenti di relazioni scientifiche, presentazione di dati sperimentali, illustrazioni, grafici, tabelle, bibliografia, organizzazione della presentazione
• Capacità di apprendimento
  o Tutti i livelli: La capacità di apprendimento sarà valutata durante l'esame sondando in modo sempre più approfondito le capacità dello studente
  Verifica dell'acquisizione delle conoscenze teoriche e sperimentali del corso e capacità di integrarle nell'ambito del quadro fisico-chimico complessivo.
  Punteggi:
  Da 1 a 17 - lo studente non è in grado di fornire una descrizione di base dei processi e delle proprietà dei materiali discussi durante il corso.
  Dalle 18 alle 24 - lo studente è in grado di fornire una descrizione di base dei processi e delle proprietà dei materiali discussi durante il corso.
  Da 25 a 27 - lo studente è in grado di fornire una buona descrizione dei processi e delle proprietà dei materiali discussi durante il corso.
  Da 28 a 30 e lode - lo studente è in grado di fornire una descrizione avanzata dei processi e delle proprietà dei materiali discussi durante il corso, correlandoli opportunamente con la teoria.

“Concept of Nanochemistry” L. Cademartiri, G. A. Ozin Weinheim, Wiley-VCH
“Nanostructures and Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications” Guozhong Cao Ying Wang World Scientific.
Articoli scientifici, review e capitoli di libri selezionati indicati come materiale di riferimento durante il corso, insieme alle slide delle lezioni integreranno i testi di riferimento

• Comprendere la relazione tra struttura, funzione e dinamica delle proteine.
• Padroneggiare le tecniche sperimentali e computazionali per l’analisi proteomica.
• Applicare metodi di spettrometria di massa (MS) e bioinformatica per l’identificazione e quantificazione proteica

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:

• Spiegare i principi chimici e fisici delle proteine, incluse le proprietà degli amminoacidi, il ripiegamento proteico e le modificazioni post-traduzionali (PTM).
• Comprendere il flusso di lavoro dell'analisi proteomica, dalla preparazione del campione all'interpretazione dei dati.
• Confrontare diverse tecniche di spettrometria di massa (MS) (MALDI-TOF, ESI-Orbitrap, tandem MS) e le loro applicazioni.

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:

• Utilizzare software di proteomica (MaxQuant, Mascot, PEAKS) per elaborare i dati grezzi di spettroscopia (MS).
• Cercare e convalidare i risultati utilizzando database proteomici (UniProt, PRIDE).
• Eseguire analisi statistiche per identificare proteine differenzialmente espresse.
• Progettare strategie sperimentali per problemi del mondo reale (ad esempio, scoperta di biomarcatori, meccanismi patologici).
• Valutare criticamente la letteratura scientifica sulla ricerca proteomica.
• Comprendere limiti e sfide (contaminazione dei campioni, riproducibilità dei dati).

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di:

• Acquisire esperienza pratica applicabile nel mondo accademico, biotecnologico e farmaceutico.
• Sviluppare competenze per ruoli di ricerca, diagnostica e sviluppo di farmaci. Questo corso garantisce una solida base sia teorica che pratica, preparando gli studenti a posizioni di ricerca avanzata o industriali nella proteomica e nei settori correlati.

Modulo 1: Basi Chimiche e Strutturali delle Proteine
1. Amminoacidi e legame peptidico
o Proprietà chimico-fisiche, classificazione (idrofobi, polari, carichi).
o Calcolo del punto isoelettrico (pI) e comportamento in soluzione.
2. Struttura proteica
o Livelli di organizzazione (primaria, secondaria, terziaria, quaternaria).
o Ruolo delle forze intermolecolari (legami H, interazioni idrofobiche, ponti S-S).
Modulo 2: Metodi Tradizionali e Introduzione alla Spettrometria di Massa
1. Tecniche classiche
o Elettroforesi (SDS-PAGE), cromatografia.
2. Fondamenti di MS
o Ionizzazione (ESI, MALDI), analizzatori (TOF, Orbitrap) e tandem MS.
Modulo 3: Approcci Proteomici (Bottom-Up/Top-Down) e Quantificazione
1. Bottom-Up Proteomics
o Digestione enzimatica (tripsina), Peptide Mass Fingerprinting (PMF), database search.
2. Top-Down Proteomics
o Analisi di proteine intatte, vantaggi per le PTM.
3. Quantificazione
o Metodi label-free e basati su isotopi (SILAC, iTRAQ).
Modulo 4: Strumenti Bioinformatici e Applicazioni
1. Database e software
o Strumenti per l’identificazione (Mascot, MaxQuant) e l’annotazione (UniProt, KEGG).
2. Applicazioni avanzate
o Studio di pathway, interazioni proteina-proteina, proteomica single-cell.

La durata dell’esame è di circa 1 ora. La commissione verificherà il raggiungimento degli obiettivi formativi dell'insegnamento. Quando questi non sono raggiunti, lo studente è invitato ad approfondire lo studio e ad avvalersi di ulteriori spiegazioni da parte del docente titolare. Non sono previste prove intermedie. Il voto finale è espresso in trentesimi. La valutazione finale sarà ottenuta tramite un colloquio orale, in cui verrà valutato il livello di comprensione e le capacità di problem-solving relative alla proteomica. L'esame orale mira a valutare la capacità generale di analizzare e interpretare criticamente gli argomenti trattati nell'ambito della proteomica. L'esame si considera superato con un voto minimo di diciotto su trentesimi. Per ottenere una valutazione elevata, lo studente deve aver sviluppato autonomia di giudizio e adeguate capacità di argomentazione e presentazione. Il voto massimo, "lode", sarà assegnato per una prestazione eccellente. Le date delle prove scritte saranno disponibili su Esse 3, così come i risultati. A seconda del numero di studenti, l'esame orale si svolgerà in più sessioni a partire dalla data indicata su Esse 3.

Libri: Principles of Proteomics (R. Twyman, 2013), Proteomica (T. Alberio, M. Fasano, P. Roncada, 2021).
Software: Mascot, PEAKS, Skyline, Cytoscape.
Database: UniProt, PRIDE Archive, Human Protein Atlas.

Conoscenza approfondita dei principi della spettroscopia NMR. Partendo dalle basi teoriche poggaite sulla meccanica quantistica. Oò cprsp èer,etterà agli studenti capire gli effetti degli impulsi dei rf all'interno delle sequenze più utilizzate, sia monodimentsionali che bidimensionali. Permetterà agli studenti di cpmpscere le tecmiche di indagine più adatte al riconosciento di specie incognite, oltre ad una trattazione quantitativa dei moti delle specie presenti nelle soluzioni sotto indagine.

Il corso fornisce solide conoscenze della spettroscopia NMR basate sui principi della Meccanica Quantistica- Lo studente deve approfondire le basi della spettroscopia NMR e impara ad utilizzarle attraverso le diverse tecniche pulsate implementate sullo spettrometro NMR dato in uso allo studente. Inoltre prende familiarità con la strumentazione NMR imparando quale sia la migliore scelta dei tanti parametri sperimentali.

Le conoscenze dello studente saranno evidenti dalla verifica di esame, quando applicherà le tecniche pulsate adeguate alla risoluzione della molecola. In tal modo avrà acquisito una conoscenza pratica dei principi teorici che potrà applicare direttamente sulla strumentazione che gli viene affidata.

In questo corso lo studenta sviluppa una sesnsibilità che potrà utilizzare in altri corsi e nella vita lavorativa. Il corso gli permette, infatti, di sviluppare una metodologia di ricerca razionale nella delucidazione di strutture chimiche mediamente complesse scegliendo le tecniche più adatte. Infine l'rganizzazione dei dati ottenuti in una relazione orale permetterà allo studente di accrescere le competenze comunicative.

Introduzione
Momenti angolari e magnetici di spin. Livelli energetici. Frequenza angolare di Larmor Modello vettoriale e magnetizzazione macroscopica. Effetto di un impulso a radiofrequenza. Descrizione della magnetizzazione in sistema di riferimento rotante. Segnale NMR. Effetto sulla amgnetizzazione dei diversi angoli di impulsi e impulsi on-resonance ed off-resonance e fase del segnale.
Strumentazione NMR – Descrizione dei diversi componenti: magnete, sintetizzatore, pulse programmer, probe, preamp, amplificatore, ADC detection in quadratura, componente reale ed immaginario, composizione del segnale ed effetti degli shift di fase degli impulsi o del ricevitore. Fast Fourire Transform
NMR Monodimensionale
Descrizione quantomeccanica di un insieme di spin. Popolazione e magnetizzazione. Descrizione matriciale e matrice densità ed evoluzione temporale. Effetto di un impulso. Regole geometriche per l’evoluzione sotto impulso e sotto precessione libera. Dagli operatori al segnale. Descrizione di impulso e acquisizione e della sequenza di spin-echo. Sistemi debolmente accoppiati e costante di accoppiamento. Introduzione degli operatori prodotto. Regole di evoluzione sotto accoppiamento. Spin-echo per sistemi accoppiati e J-modulation. Transfer di polarizzazione e transizioni doppio-quantiche. Spin-echo per sistemi eteronucleari di tipo InS. Accoppiamento forte: sistemi AB paragonati a sistemi AX. Sequenze INEPT, DEPT e APT
NMR Bidimensionale
Fourier Transform in 2D. Segnale coseno modulato e seno modulato. Riconoscimento delle frequenze: Metodo Stats e metodo TPPI. Spettroscopia di correlazione: COSY, picchi diagonali e cross peak. DQF-COSY e TOCSY. Spettroscopia di correlazione eteronucleare: HSQC e HMQC. Correlazioni long range: HMBC. Correlazioni spaziali: NOESY
NMR Relaxation
Moti molecolari e meccanismi di rilassamento. Tempo di correlazione. Funzione di correlazione e densità spettrale. Popolazione, magnetizzazione e rilassamento longitudinale Misura del T1. Rilassamento in sistemi accoppiati. NOE e sua misura: NOE transiente e NOE stazionario. Rilassamento trasversale e misura del T2.
Esercizi numerici sui diversi argomenti del corso da svolgere a casa e in aula.

La verifica delle conoscenze sarà fatta dando un campione e lo studente dovrà utilizzare lo spettrometro NMR e implementare le tecniche mono e bidimensionale per caratterizzare la molecola.

J. Keeler Understanding NMR Spectroscopy – J. Keeler - Wiley
M.H. Levitt SPIN DYNAMICS - Basics of Nuclear Magnetic Resonance - Wiley

L'insegnamento ha lo scopo di fornire le basi molecolari di natura chimico-farmaceutica necessarie alla comprensione dei processi farmacodinamici e farmacocinetici che regolano l’azione dei farmaci, alla valutazione delle correlazioni struttura-proprietà, alla progettazione di modifiche strutturali mirate ad ottimizzare le proprietà chimico-fisiche di un candidato farmaco, all’utilizzo delle diverse strategie di scoperta e ottimizzazione di molecole bioattive.

o Concetti di farmacodinamica
o Proprietà molecolari di un farmaco
o Strategie razionali per la progettazione di un farmaco

o Correlazione tra struttura chimica e proprietà chimico-fisiche di un farmaco
o Modulazione delle trasformazioni metaboliche di una sostanza bioattiva (progettazione di peptidomimetici, disegno di profarmaci)
o Progettazione di variazioni strutturali per l’ottimizzazione della proprietà farmacocinetiche di un candidato farmaco
o Utilizzo di approcci ligand- e structure-based per il disegno razionale di nuovi farmaci

• Descrittore di Dublino 3:
• Autonomia di giudizio
  o Interpretare in modo critico le relazioni struttura-proprietà molecolari
  o Disegnare modifiche strutturali mirate a migliorare le proprietà ADME di un farmaco
  o Scegliere una strategia opportuna di supporto al disegno razionale di un composto hit o all’ottimizzazione di una molecola lead
  Descrittore di Dublino 4:
• Abilità comunicative
  o Esposizione accurata dei concetti acquisiti nel DD1
  o Uso di terminologia appropriata nella valutazione di casi studio
  Descrittore di Dublino 5:
• Capacità di apprendere in modo autonomo
  o Comprensione e valutazione critica di approcci per la progettazione di nuove entità molecolari o per modifiche strutturali in progetti di drug discovery

1. Drug discovery.
Definizioni ed obiettivi. Processo di drug discovery. Strategie di hit/lead discovery. Bersagli dei farmaci. Fasi dell’azione di un farmaco.
2. Interazioni farmaco-bersaglio.
Fondamenti di farmacodinamica. Interazioni deboli, hydrogen bonding, halogen bonding. Interazioni (pseudo)covalenti.
3. Proprietà molecolari dei farmaci.
Fondamenti di farmacocinetica. Proprietà chimico-fisiche dei farmaci. Metabolismo dei farmaci. Strategie di modulazione delle trasformazioni metaboliche. Esempi di bioattivazione metabolica dei farmaci.
Peptidomimetici. Progettazione dei pro-drugs.
4. Esempi di meccanismi molecolari di azione dei farmaci (principi e case studies).
Inibitori enzimatici: analoghi dello stato di transizione, substrati suicidi, inibitori covalenti. Farmaci attivi sugli acidi nucleici: agenti intercalanti e alchilanti, chain-terminator.
5. Progettazione razionale di un farmaco. Modificazioni di un composto hit: omologazione, (bio)isosteria, semplificazione, analoghi rigidi. Relazioni
struttura-attività (SAR). Metodi ligand-based: proprietà molecolari, analisi conformazionale, derivazione del farmacoforo, procedure di docking molecolare, QSAR, 3D-QSAR. Approcci target-based: structure-based, fragment-
base. Case studies.

Modalità di verifica dell’apprendimento
Colloquio orale basato su tre domande volte a verificare: i) la capacità di correlare struttura chimica e proprietà chimico-fisiche delle molecole bioattive e di progettare modifiche strutturali; ii) la conoscenza delle strategie di progettazione razionale di un nuovo farmaco.
Criteri di valutazione

• Conoscenza e capacità di comprensione:
  o Comprensione delle relazioni struttura-proprietà dei farmaci
  o Conoscenza delle strategie di hit-discovery e hit-to-lead-optimization
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
  o Elaborazione di relazioni struttura-proprietà
  o Progettazione di modifiche strutturali mirate
• Autonomia di giudizio:
  o Capacità di valutazione critica di proprietà molecolari
  o Capacità di analisi di casi-studio
• Abilità comunicative:
  o Chiarezza e linearità nell’esposizione
  o Uso di terminologia appropriata
• Capacità di apprendere:
  o Capacità di analisi e giudizio critico
  Criteri di misurazione dell'apprendimento e di attribuzione del voto finale
  Il voto finale viene assegnato in trentesimi. L'esame si intende superato quando il voto è maggiore o uguale a 18. Il voto è determinato da una valutazione complessiva riguardante la chiarezza dell'esposizione, la completezza delle conoscenze acquisite, la proprietà del vocabolario specifico della materia, l'approfondimento conoscenza e capacità di analizzare domande e fornire risposte adeguate.
  In particolare, la ripartizione dei voti è la seguente:
  Insufficiente: 0-17
  Mancanza, incompletezza e inadeguata conoscenza degli argomenti contenuti nel programma, utilizzo di lessico non tecnico
  Sufficiente: 18-20
  Conoscenza sufficiente degli argomenti contenuti nel programma e adeguatezza complessiva del lessico tecnico utilizzato
  Adeguato: 21-23
  Adeguata conoscenza degli argomenti contenuti nel programma, adeguata capacità di argomentare e di fare collegamenti tra i vari argomenti, utilizzo di lessico tecnico adeguato
  Buono: 24-26
  Buona conoscenza degli argomenti contenuti nel programma, buona capacità di approfondimento e di critica attraverso l'utilizzo di un lessico tecnico adeguato
  Distinto: 27-28
  Conoscenza più che buona degli argomenti contenuti nel programma, capacità di approfondimento più che buona, di collegamento tra i vari argomenti, di critica e padronanza del lessico tecnico
  Eccellente: 29-30
  Ottima conoscenza degli argomenti contenuti nel programma, ottima capacità di approfondimento e collegamento tra i diversi argomenti, nonché critica e padronanza del vocabolario tecnico
  Eccellente: 30 e lode
  Ottima conoscenza degli argomenti contenuti nel programma, spiccata capacità di approfondimento, di collegamento tra i vari argomenti, di critica e padronanza del lessico tecnico.

Patrick. Chimica farmaceutica (III ed.)

Conoscenza dei principali agenti chemio- e radio-terapici e diagnostici inorganici, delle strategie di targeting e delivery, e dei recenti sviluppi nel campo della biomedicina e delle nanotecnologie. Attività di laboratorio comprendenti la sintesi e la caratterizzazione strutturale e spettroscopica di alcuni medicinali inorganici, con esperienze di cristallizzazione ed esercitazioni pratiche allo spettrometro NMR.

Lo studente deve dimostrare la capacità di organizzare discorsivamente le conoscenze acquisite sugli argomenti del corso ed esporle con competenza, utilizzando un lessico specialistico e una terminologia scientifica appropriata.

Lo studente deve dimostrare di essere in grado di svolgere attività laboratoriali, come la preparazione e l’analisi NMR di un composto inorganico utilizzato in biomedicina.

Sarà valutata la capacità dello studente di determinare se un composto inorganico possa essere sfruttato in ambito biomedico.
Gli elementi di valutazione della prova orale includono il rigore espositivo, il grado di approfondimento degli argomenti trattati e la capacità dello studente di correlare diversi aspetti.
Sarà valutata sia attraverso l’esecuzione delle operazioni previste durante le attività laboratoriali, sia attraverso il colloquio orale.

Elementi inorganici e loro ruolo nei processi biologici e in medicina. Cenni di chimica di coordinazione. Modalità di interazione di ioni e complessi metallici con biomolecole. Antitumorali a base di platino. Misurazione della citotossicità in vitro e in vivo dei farmaci inorganici. Strategie di drug targeting e delivery. Composti inorganici in diagnostica medica. Agenti di contrasto per raggi-X. Agenti di contrasto per la risonanza magnetica per immagini (MRI): composti di gadolinio, nanoparticelle superparamagnetiche di ossido di ferro (SPION), magnetofarmaci. Nanomedicina. Cenni di radiochimica. Radiofarmaci. Kit diagnostici a base di 99mTc e loro utilizzo nella tomografia a emissione di fotone singolo (SPECT/CT). Radiotraccianti a base di iodio. Radionuclidi con affinità per il tessuto osseo. Imaging mediante tomografia a emissione di positroni (PET). Composti inorganici utilizzati in biomedicina a base di Ag, Sb, V, Cr, Au, Ga, Bi, Ti, Ru, Li, As. Cenni sulla tossicità di alcuni metalli e composti inorganici.
L’attività di laboratorio prevede la sintesi di semplici composti di coordinazione, prove di cristallizzazione e analisi dei prodotti ottenuti mediante spettroscopia NMR eteronucleare.

La verifica dell’apprendimento avverrà attraverso una prova orale, durante la quale allo studente verranno poste almeno due domande su tutti gli argomenti del corso e sulle esperienze laboratoriali.

Dispense del docente, articoli scientifici.
Bioinorganic Medicinal Chemistry. Edited by Enzo Alessio. Wiley-VCH, 2011. ISBN: 978-3-527-32631-0

Modalità di verifica dell’apprendimento
Prova scritta con quesiti a risposta aperta e colloquio orale. Durante la prova scritta lo studente può avvalersi della Tavola periodica (fornita dal docente) e della calcolatrice.
Risultati di apprendimento attesi
Abilità nella descrizione di molecole semplici; capacità di risoluzione di problemi di stechiometria; capacità di prevedere l’esito di una reazione.
Criteri di misurazione dell'apprendimento e di attribuzione del voto finale
Il voto finale è attribuito in trentesimi. L’esame è superato quando il voto finale è maggiore o uguale a 18/30. Il voto finale si basa sulla votazione conseguita nella prova scritta e sulla valutazione della prova orale. Per accedere alla prova orale è richiesta una votazione minima di 15/30 nella prova scritta (generalmente costituita da 3 quesiti, ciascuno dei quali contribuisce con un massimo di 10 punti al punteggio totale). E’ necessaria una votazione minima di 28/30 nella prova scritta ed un’eccellente prova orale per l’assegnazione della lode.

Il corso fornisce una conoscenza approfondita delle principali classi di materiali molecolari e polimerici utilizzati nella fotonica, elettronica e optoelettronica organica, con particolare attenzione ai semiconduttori π-coniugati, complessi organometallici fotoluminescenti e materiali organici con configurazione elettronica radicalica. Vengono esplorate le correlazioni tra le proprietà dei materiali e la loro struttura molecolare o supramolecolare nello stato solido. Inoltre, il corso affronta la progettazione molecolare di materiali organici per applicazioni funzionali, incluse le vie sintetiche e i principi di base per la purificazione e caratterizzazione dei materiali.
Gli studenti sviluppano competenze nell'analisi indipendente, imparando a valutare e selezionare strutture molecolari specifiche per fotonica e optoelettronica, nonché a identificare percorsi sintetici adatti e sostenibili per materiali mirati. Le capacità comunicative sono rafforzate attraverso la descrizione delle proprietà dei materiali organici, la redazione di rapporti sperimentali e l'uso di strumenti digitali per la presentazione delle conoscenze. Infine, si sviluppano abilità di lavoro in team e la capacità di razionalizzare e riprodurre percorsi sintetici per materiali organici destinati a queste applicazioni tecnologiche.

Descrittore di Dublino 1: conoscenza e capacità di comprensione
o Conoscenza delle principali classi di materiali organici per l'elettronica organica e l';optoelettronica.
o Conoscenza della struttura dei dispositivi optoelettronici.
o Capacità di correlare la struttura molecolare con le proprietà ottiche, elettroniche e optoelettroniche, tenendo conto anche dell';organizzazione dello stato solido dei semiconduttori organici.

Descrittore di Dublino 2: capacità di applicare conoscenza e comprensione
o Progettare la sintesi sperimentale, la caratterizzazione e la purificazione di un semiconduttore organico

Descrittore di Dublino 3: capacità critiche e di giudizio

• Autonomia di giudizio
  Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di
  o Essere in grado di valutare la fattibilità di una sintesi organica
  o Essere in grado di svolgere una ricerca bibliografica
  Descrittore di Dublino 4: capacità di comunicare quanto si è appreso.
• Abilità comunicative
  Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di
  o Essere in grado di scrivere una relazione di laboratorio
  o Essere in grado di mostrare in modo efficace e schematico i risultati riportati in letteratura
  o Essere in grado di presentare (oralmente e per iscritto) i risultati sperimentali
  Descrittore di Dublino 5: capacità di proseguire lo studio in modo autonomo nel corso della vita.
• Capacità di apprendere in modo autonomo
  Al termine dell’insegnamento lo/la studente/studentessa dovrà essere in grado di
  o Essere in grado di valutare e discutere la validità dei risultati riportati in letteratura, con la capacità di prevedere nuovi possibili sviluppi.

Organic Semiconductors:
Studio dei livelli HOMO/LUMO e della teoria delle bande per i semiconduttori organici. Meccanismi di trasporto di carica: polaron, bipolaron, solitoni.
Semiconduttori organici con configurazione elettronica open-shell; livelli SOMO e SUMO. Principali applicazioni in optoelettronica e ottica.
Considerazioni generali sulle principali tecniche di deposizione dei materiali organici: Spin-coating, Dipping, Doctor Blade, Inkjet deposition, Roll-to-roll printing.
Organic Field Effect Transistors:
Architettura del dispositivo e meccanismo di funzionamento. Esempi di semiconduttori di tipo p e n.
Organic Light Emitting Diodes (OLEDs):
Architettura del dispositivo e meccanismo di funzionamento. Elettroluminescenza nei semiconduttori organici: eccitoni singolett, doppiette e triplette. Esempi di emettitori fluorescenti. Sintonizzazione del band-gap nei sistemi policondotti: lunghezza di coniugazione, effetto dei sostituenti, effetti sterici, interazioni intercatena. Annihilazione triplet-triplet. Emettitori di fluorescenza ritardata termicamente attivata (TADF) e meccanismo di emissione. Iniezione di carica ed efficienza del dispositivo. OLED multilayer: esempi di materiali ETHB, ECHB e di trasporto per hole ed electron. OLED host-guest: struttura e meccanismo di funzionamento. OLED fosforescenti (PHOLEDs): struttura e meccanismo di funzionamento. Esempi di emettitori fosforescenti. OLED a emissione bianca (WOLEDs): generazione di luce bianca, modulazione e eliminazione. Emettitori di luce bianca: emettitori multipli e singoli.
Multiple Emitters:
Vantaggi e svantaggi dei dispositivi basati su emettitori singoli (SOLEDs), miscele polimeriche. Emettitori singoli: emettitori excimeri, composti a emissione multipla. Polimeri a emissione bianca.
Organic Photovoltaics:
BHJ, DSSC. BHJ: struttura e meccanismo di funzionamento. Accettori di hole/elettroni. Celle Grätzel: struttura e meccanismo di funzionamento. Coloranti tipici utilizzati nei DSSC.
Part 2:
Sintesi di polimeri policondotti: omocoppia ossidativa, processi elettrochimici, reazioni di policondensazione. Sintesi di poli-p-fenilenevinilene (PPVs): reazioni di Wessling e Gilch, reazione di Wittig. Reazioni di accoppiamento incrociato catalizzate da metalli di transizione con reattivi organometallici e alogenuri arilici: reazioni di Suzuki-Miyaura, Kumada, Stille, Negishi, Hayama. Reazioni di accoppiamento incrociato senza composti organometallici: reazioni di Heck, Heck-Cassar-Sonogashira, arilazione diretta. Progettazione di un percorso sintetico tramite retrosintesi. Esempi ed esercitazioni sulla sintesi di molecole policondotte.
Laboratorio:
Conoscenza delle principali reazioni di accoppiamento incrociato catalizzate da metalli di transizione e metodi di purificazione e caratterizzazione dei materiali organici coniugati.

Esame Orale

Organic semiconductors (Wiley Interscience); Stable Radicals: Fundamentals and Applied Aspects of Odd-Electron Compounds (Wiley)

Conoscenza dei principali agenti chemio- e radio-terapici e diagnostici inorganici, delle strategie di targeting e delivery, e dei recenti sviluppi nel campo della biomedicina e delle nanotecnologie. Attività di laboratorio comprendenti la sintesi e la caratterizzazione strutturale e spettroscopica di alcuni medicinali inorganici, con esperienze di cristallizzazione ed esercitazioni pratiche allo spettrometro NMR.

Elementi inorganici e loro ruolo nei processi biologici e in medicina. Cenni di chimica di coordinazione. Modalità di interazione di ioni e complessi metallici con biomolecole. Antitumorali a base di platino. Misurazione della citotossicità in vitro e in vivo dei farmaci inorganici. Strategie di drug targeting e delivery. Composti inorganici in diagnostica medica. Agenti di contrasto per raggi-X. Agenti di contrasto per la risonanza magnetica per immagini (MRI): composti di gadolinio, nanoparticelle superparamagnetiche di ossido di ferro (SPION), magnetofarmaci. Nanomedicina. Cenni di radiochimica. Radiofarmaci. Kit diagnostici a base di 99mTc e loro utilizzo nella tomografia a emissione di fotone singolo (SPECT/CT). Radiotraccianti a base di iodio. Radionuclidi con affinità per il tessuto osseo. Imaging mediante tomografia a emissione di positroni (PET). Composti inorganici utilizzati in biomedicina a base di Ag, Sb, V, Cr, Au, Ga, Bi, Ti, Ru, Li, As. Cenni sulla tossicità di alcuni metalli e composti inorganici.
L’attività di laboratorio prevede la sintesi di semplici composti di coordinazione, prove di cristallizzazione e analisi dei prodotti ottenuti mediante spettroscopia NMR eteronucleare.

La verifica dell’apprendimento avverrà attraverso una prova orale, durante la quale allo studente verranno poste almeno due domande su tutti gli argomenti del corso e sulle esperienze laboratoriali.

Dispense del docente, articoli scientifici.
Bioinorganic Medicinal Chemistry. Edited by Enzo Alessio. Wiley-VCH, 2011. ISBN: 978-3-527-32631-0

Il corso fornisce le basi concettuali e sperimentali della fotochimica e della fotofisica molecolare e supramolecolare.
Lo studente imparerà a descrivere i processi di formazione e di disattivazione degli stati elettronici eccitati: rilassamento fotofisico mono- e bimolecolare, trasferimento di energia e di elettroni, reazioni fotochimiche. Conoscerà inoltre le principali tecniche sperimentali, sia in stato stazionario sia risolte nel tempo, e le sorgenti di luce, compresi i laser.
Il corso fornisce gli strumenti per determinare in laboratorio i parametri fondamentali di un fotoprocesso: rese quantiche di emissione e di reazione, tempi di vita degli stati eccitati, costanti di quenching, efficienza di trasferimento di energia, flusso fotonico mediante attinometria.
Sono discusse le applicazioni tecnologiche, energetiche, ambientali e biomediche della fotochimica: fotocatalisi e sintesi fotochimica, conversione dell’energia solare e combustibili solari, sensori e sonde fluorescenti, dispositivi optoelettronici, terapia fotodinamica. Sono trattati anche gli effetti indesiderati dell’interazione luce-materia (fotodegradazione dei materiali, danni da radiazione UV) e i processi fotoindotti nei sistemi biologici (fotosintesi, visione).

• descrivere l’interazione tra radiazione e molecole, le regole di selezione e i fattori che determinano forma e intensità delle bande di assorbimento ed emissione;
• illustrare le proprietà degli stati eccitati e i loro processi di disattivazione radiativa e non radiativa;
• spiegare i meccanismi di trasferimento di energia e di elettroni e le principali classi di reazioni fotochimiche;
• conoscere principi e strumentazione delle tecniche fotofisiche e fotochimiche stazionarie e risolte nel tempo e il funzionamento dei laser;
• descrivere sistemi naturali e artificiali fotochimicamente attivi e le principali applicazioni della fotochimica
• analizzare processi intra- e intermolecolari che coinvolgono stati eccitati a partire da dati spettroscopici e cinetici;
• determinare sperimentalmente rese quantiche, tempi di vita, costanti di quenching (equazione di Stern-Volmer) ed efficienze e distanze di trasferimento (FRET);
• scegliere la tecnica, la sorgente e le condizioni sperimentali più adatte allo studio di un sistema molecolare o supramolecolare;
• elaborare dati sperimentali con software dedicati (fitting, deconvoluzione, analisi multicomponente);
• individuare le applicazioni della fotochimica nei settori industriale, energetico, ambientale e sensoristico.

Autonomia di giudizio (D3)

• valutare criticamente dati sperimentali e di letteratura relativi a sistemi elettrochimici;
• confrontare processi elettrochimici e alternative convenzionali basate su fonti fossili in termini di efficienza energetica, impatto ambientale e sostenibilità, anche in relazione all’uso di energia e materie prime rinnovabili;
• proporre e motivare soluzioni tecniche alternative a problemi di processo, di corrosione o di accumulo energetico;
• operare con responsabilità professionale ed etica, nel rispetto delle norme di sicurezza e del codice deontologico.
  Abilità comunicative (D4)
• esporre i contenuti del corso con chiarezza e lessico tecnico appropriato, anche con supporti multimediali;
• presentare e discutere un approfondimento basato sulla letteratura scientifica, anche in lingua inglese, davanti a un pubblico di specialisti e non;
• sostenere un confronto argomentato su una problematica di elettrochimica industriale e redigere brevi relazioni tecniche.
  Capacità di apprendere (D5)
• reperire e consultare in autonomia banche dati bibliografiche (es. Scopus, Web of Science, SciFinder), letteratura scientifica e brevettuale e normativa tecnica;
• aggiornarsi autonomamente sugli sviluppi delle tecnologie elettrochimiche, in vista dell’attività professionale, della tesi di laurea o degli studi di dottorato.

1. Richiami di struttura elettronica e di simmetria (4 h). Orbitali, configurazioni elettroniche e stati elettronici di atomi e molecole. Stati di singoletto e di tripletto, con l’esempio dell’ossigeno molecolare. Stati eccitati di molecole poliatomiche (es. formaldeide) e di composti di coordinazione. Elementi di teoria dei gruppi applicata alle transizioni elettroniche.
2. Interazione radiazione-materia (4 h). Probabilità di transizione e momento di dipolo di transizione. Regole di selezione e di intensità delle transizioni. Principio di Franck-Condon. Gruppi cromofori. Effetti del solvente (solvatocromismo) e dei sostituenti. Legge di Lambert-Beer e sue deviazioni.
3. Fotofisica molecolare (6 h). Diagramma di Jablonski. Regole di Kasha e di El-Sayed. Transizioni radiative (fluorescenza, fosforescenza, fluorescenza ritardata) e non radiative (conversione interna, intersystem crossing). Relazione di Strickler-Berg. Cinetica dei processi di decadimento, tempi di vita e rese quantiche. Quenching dinamico e statico, equazione di Stern-Volmer. Anisotropia di fluorescenza.
4. Processi bimolecolari (5 h). Eccimeri ed ecciplessi. Trasferimento di energia: meccanismi di Förster (FRET) e di Dexter. Upconversion per annichilazione tripletto-tripletto. Trasferimento elettronico fotoindotto: teoria di Marcus e regione invertita, equazione di Rehm-Weller. Ossigeno di singoletto.
5. Reazioni fotochimiche e fotocatalisi (5 h). Principali classi di reazioni fotochimiche. Fotoisomerizzazione, fotocromismo e interruttori molecolari. Catalisi fotoredox e fotocatalisi eterogenea con semiconduttori (es. TiO₂). Fotopolimerizzazione. Fotodegradazione e fotostabilità di materiali e farmaci. Attinometria chimica e determinazione della resa quantica della reazione.
6. Sorgenti di luce e tecniche sperimentali (5 h). Lampade e LED. Laser: principi, inversione di popolazione, cavità e modi, Q-switching e mode-locking. Laser di impiego pratico: a stato solido, a gas, a eccimeri, a colorante, a semiconduttore. Applicazioni chimiche dei laser. Spettrofluorimetria stazionaria. Conteggio di singoli fotoni correlato nel tempo (TCSPC). Fotolisi a lampo e assorbimento transiente dai femtosecondi ai microsecondi. Cenni di microscopia a fluorescenza, FLIM e tecniche di superrisoluzione.
7. Fotochimica applicata e supramolecolare (3 h). Fotosintesi naturale e artificiale; combustibili solari. Fotoelettrochimica dei semiconduttori e celle fotoelettrochimiche (scissione dell’acqua, DSSC). Il processo della visione. Emettitori per OLED (fluorescenza ritardata termicamente attivata, TADF). Sensori e sonde fluorescenti. Terapia fotodinamica. Dispositivi e macchine molecolari fotoattivabili.
Esperienze di laboratorio (15 h)

• Determinazione della resa quantica di fluorescenza con il metodo relativo.
• Misure di quenching della fluorescenza e applicazione dell’equazione di Stern-Volmer.
• Trasferimento di energia per risonanza (FRET) nel citocromo c.
• Studio termodinamico dell’interazione ligando-proteina (eosina-lisozima) mediante fluorescenza.
• Analisi quantitativa di una miscela di fluorofori a partire dagli spettri di fluorescenza.
  Per ogni esperienza è richiesta l’elaborazione dei dati con software dedicati (ad es. Origin, Excel, Python) e la redazione di una relazione scritta.

La verifica comprende la valutazione delle relazioni di laboratorio e un colloquio orale.

• Relazioni di laboratorio. Vanno consegnate almeno 7 giorni prima dell’appello. Devono mostrare autonomia nell’elaborazione dei dati e nella capacità di interpretarli; la consegna è necessaria per accedere all’orale.
• Colloquio orale (anche con uso della lavagna): una domanda sull’attività di laboratorio, a partire dalle relazioni, e almeno due domande sui contenuti teorici del programma.
• Approfondimento facoltativo (massimo 10 minuti, con slide): presentazione di un’applicazione della fotochimica o di un sistema supramolecolare fotoattivo descritto in letteratura, seguita da una discussione sui punti di forza e sulle criticità del sistema.

Testi di riferimento

• V. Balzani, P. Ceroni, A. Juris, Photochemistry and Photophysics: Concepts, Research, Applications, Wiley-VCH, 2014.
• A. Gilbert, J. Baggott, Essentials of Molecular Photochemistry, Blackwell Science.
  Testi consigliati per approfondimento
• N.J. Turro, V. Ramamurthy, J.C. Scaiano, Modern Molecular Photochemistry of Organic Molecules, University Science Books, 2010.
• J.R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy, 3ª ed., Springer, 2006 (tecniche di fluorescenza e laboratorio).
• P. Klán, J. Wirz, Photochemistry of Organic Compounds: From Concepts to Practice, Wiley, 2009.
• M. Montalti, A. Credi, L. Prodi, M.T. Gandolfi, Handbook of Photochemistry, 3ª ed., CRC Press, 2006 (dati e metodi sperimentali).
• Dispense e slide delle lezioni.

Utilizzo di tutto i metodi scientifici per l’interpretazione dei dati sperimentali di processi chimici innovativi, capacità critica di approccio alla chimica organica.

Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di
Conoscere e comprendere gli aspetti meccanicistici della chimica organica allo scopo di spiegare e controllare la reattività delle reazioni organiche
Acquisizione di procedure metodologiche e strumentali ad ampio spettro per razionalizzare le reazioni organiche allo scopo di poterle applicare anche in campo industriale
Acquisizione di consapevole autonomia nel programmare una sintesi valutandone la reale fattibilità, e giudizio nel valutare e quantificare i risultati

Capacità di comunicare in forma scritta e orale, in italiano ed in inglese, anche con utilizzo di sistemi multimediali;
o capacità di presentare una propria attività di ricerca o di rassegna ad un pubblico di specialisti o di profani;
o capacità di sostenere un contraddittorio sulla base di un giudizio sviluppato autonomamente su una problematica inerente la chimica organica

• Capacità di apprendere in modo autonomo
  Al termine dell’insegnamento lo studente dovrà essere in grado di
  proseguire autonomamente, con le conoscenze di base maturate in questo corso, studi più approfonditi ed affrontare eventuali colloqui e selezioni per posizioni nell’industria chimica-

Lo studente deve essere in grado di interagire con competenze in campo economico e ingegneristico

Introduzione allo studio dei meccanismi di reazione. Protocollo d’indagine dei meccanismi di reazione. Criteri basati sullo studio dei prodotti: studio meccanicistico della reazione di von Richter. Criteri cinetici: velocità assoluta e relativa; correlazioni di energia libera. Teorie cinetiche: a) degli urti in fase gas e in soluzione, b) dello stato di transizione (TS). Calcolo della velocità assoluta di reazione: superficie di energia potenziale, diagramma di contorno, diagramma di sezione. Percorso di minima energia: principio di reversibilità microscopica; postulato di Hammond.. Effetto isotopo cinetico primario e secondario. Esempi
Principio di Bell-Evans-Polanyi (BEP). Corollari del principio BEP: correlazioni di energia libera, principio di reattività/selettività, postulato di Hammond. Sostituzione elettrofila aromatica: selettività inter- e intramolecolare (eq. di Brown). Limiti di estrapolabilità della relazione Ea/Hreaz.
Effetto dei sostituenti. Origine empirica dell'equazione di Hammett. Tabella dei normali di Hammett. Meccanismi di trasmissione dell'effetto elettronico: a) induttivo, b) di campo (modello di Kirkwood-Weistheimer), c) coniugativo. Trasmissione dell'effetto elettronico dalla posizione meta e para. I (iduttivo) e R (di risonanza). Coniugazione incrociata: –, + e ° di Taft; equazioni di Yukawa-Tsuno e di Yoshioka-Hamamoto. Equazioni multiparametriche (Taft, Jaffé): I, R. Sigma induttivi: '. Significato di . Influenza del solvente sul valore di . Valore di nelle reazioni a stadi.
Alcuni esempi dell’effetto del sostituente.
Effetto solvente. Classificazione dei solventi. Costante dielettrica, momento di dipolo, polarizzabilità. Ioni liberi, coppia ionica intima e coppia ionica separata dal solvente. Teoria dell'effetto solvente di Hughes-Ingold. Correlazione tra effetto solvente e costante dielettrica (polarità) o indice di rifrazione (polarizzabilità). Effetto solvente: contributo entalpico ed entropico. Trattamento termodinamicodell'effetto solvente.
Nucleofilicità/basicità. Definizione hard/soft di acidi e basi. Principio HSAB di Pearson.
Catalisi acida e basica generale e specifica Velocità dei processi di trasferimento protonico. Andamenti tipici logk/pH. Determinazione delle singole costanti cinetiche di un processo acido- o base-catalizzato. Costanti di acidità in mezzi non acquosi.
Effetto sale: primario, secondario. Effetto sale e catalisi basica nella sostituzione nucleofila aromatica con ammine. Effetto rallentante dello ione comune. Reazione di ritorno esterno/interno in reazioni di solvolisi.
Teoria degli Orbitali di Frontiera e Reazioni pericicliche. Applicazione della teoria FMO (Frontier Molecular Orbital) ad alcune reazioni chimiche con esempi.
Imparare a scrivere un meccanismo di reazione ragionevole: applicazione dei modelli teorici per la sintesi di composti organici di interesse industriale.

Colloquio orale ed impiego di lavagna tradizionale per risolvere esercizi.

Dispense e appunti di lezione
Modern Physical Organic Chemistry Eric V. Anslyn Dennis A. Dougherty (University Science Book)
The art of writing reasonable organic reaction mechanism

Il corso si propone di fornire agli studenti una conoscenza approfondita dei principi teorici e delle applicazioni dei Processi di Ossidazione Avanzata (Advanced Oxidation Processes, AOPs) per il trattamento delle matrici ambientali contaminate. Particolare attenzione sarà dedicata ai meccanismi di generazione delle specie reattive, agli aspetti cinetici e termodinamici dei processi di degradazione degli inquinanti, ai criteri di selezione delle tecnologie più appropriate e alla valutazione della loro efficienza, sostenibilità e applicabilità su scala reale. Attraverso l'analisi critica della letteratura scientifica, casi di studio ed esperienze sperimentali, gli studenti svilupperanno competenze nell'interpretazione dei dati sperimentali, nella progettazione di strategie di trattamento e nella valutazione delle prestazioni dei diversi processi ossidativi, acquisendo autonomia nell'affrontare problematiche complesse nel campo della chimica ambientale e delle tecnologie per la depurazione delle acque.

Acquisire una conoscenza approfondita dei principi teorici, dei meccanismi di reazione e delle applicazioni dei Processi di Ossidazione Avanzata (AOPs) per il trattamento delle matrici ambientali contaminate. Comprendere le basi cinetiche e termodinamiche dei processi ossidativi, i criteri di selezione delle diverse tecnologie e le principali metodologie sperimentali impiegate per la valutazione delle loro prestazioni. Gli studenti dovranno dimostrare conoscenze e capacità di comprensione che estendano e consolidino quelle già acquisite, consentendo loro di interpretare criticamente la letteratura scientifica e di applicare tali conoscenze allo sviluppo di soluzioni innovative nel settore della chimica ambientale e delle tecnologie di depurazione.

Applicare i principi dei Processi di Ossidazione Avanzata (AOPs) alla progettazione e alla valutazione di strategie per il trattamento di matrici ambientali contaminate. Analizzare criticamente dati sperimentali e risultati riportati nella letteratura scientifica, selezionando il processo ossidativo più appropriato in funzione delle caratteristiche del contaminante, della matrice e degli obiettivi del trattamento. Gli studenti dovranno dimostrare la capacità di interpretare risultati sperimentali, confrontare differenti approcci tecnologici, risolvere problematiche in contesti anche interdisciplinari e comunicare in modo chiaro, rigoroso e scientificamente corretto le proprie conclusioni.

DD3 – Autonomia di giudizio
Essere in grado di valutare criticamente i diversi Processi di Ossidazione Avanzata (AOPs), selezionando la strategia di trattamento più appropriata in funzione delle caratteristiche del contaminante, della matrice ambientale e degli obiettivi del processo. Gli studenti dovranno motivare le proprie scelte sulla base di evidenze scientifiche, dimostrando capacità di analisi critica, autonomia di giudizio e consapevolezza dei limiti e delle potenzialità delle diverse tecnologie.
DD4 – Abilità comunicative
Essere in grado di presentare e discutere criticamente casi di studio e articoli scientifici riguardanti i Processi di Ossidazione Avanzata, utilizzando una terminologia scientifica appropriata e argomentando in modo chiaro, rigoroso e coerente le proprie conclusioni. La discussione durante le lezioni sarà incoraggiata al fine di sviluppare capacità di confronto scientifico e comunicazione efficace.
DD5 – Capacità di apprendere in modo autonomo
Essere in grado di reperire, selezionare e analizzare autonomamente informazioni provenienti da testi specialistici, articoli scientifici e altre fonti autorevoli, sviluppando un approccio critico all'aggiornamento continuo delle conoscenze e alla valutazione delle più recenti innovazioni nel campo dei Processi di Ossidazione Avanzata e delle tecnologie per il trattamento delle matrici ambientali.

Il corso affronta i principi teorici e le applicazioni dei Processi di Ossidazione Avanzata (Advanced Oxidation Processes, AOPs) per il trattamento delle matrici ambientali contaminate, con particolare riferimento alla degradazione di inquinanti organici persistenti nelle acque.
Saranno sviluppati i seguenti argomenti:
1. Introduzione ai Processi di Ossidazione Avanzata
Inquinamento delle matrici ambientali.
Principi fondamentali dei Processi di Ossidazione Avanzata (AOPs).
Meccanismi di generazione delle specie reattive dell'ossigeno (ROS).
Aspetti cinetici e termodinamici dei processi ossidativi.
2. Processi di ossidazione basati sull'ozono
Ozonizzazione convenzionale.
Ozonizzazione a pH alcalino.
Sistemi O₃/H₂O₂.
Sistemi O₃/catalizzatore.
Sistemi combinati O₃/Fenton.
3. Processi di Fenton e fotoassistiti
Processo Fenton.
Processo Elettro-Fenton.
Processi di ossidazione assistiti da radiazione UV.
Meccanismi di fotogenerazione delle specie ossidanti.
4. Fotocatalisi eterogenea
Principi della fotocatalisi eterogenea.
Materiali semiconduttori per applicazioni fotocatalitiche.
Drogaggio dei semiconduttori.
Sistemi ibridi TiO₂/UV/agenti ossidanti.
Strategie per il miglioramento dell'efficienza fotocatalitica.
5. Tecnologie avanzate e processi integrati
Processi basati sugli ultrasuoni.
Wet Air Oxidation (WAO).
Altri approcci innovativi di ossidazione avanzata.
Processi combinati di adsorbimento e ossidazione avanzata per la rimozione degli inquinanti.
6. Analisi critica della letteratura scientifica
Presentazione e discussione di articoli scientifici riguardanti l'applicazione dei Processi di Ossidazione Avanzata per la degradazione di contaminanti ambientali.
Analisi critica delle metodologie sperimentali, dei risultati ottenuti e delle prospettive di sviluppo delle tecnologie AOPs.

La verifica dell'apprendimento consiste in una prova orale durante la quale lo studente presenterà, mediante una presentazione multimediale, un articolo scientifico selezionato dalla letteratura internazionale riguardante l'applicazione dei Processi di Ossidazione Avanzata (AOPs) per il trattamento di matrici ambientali contaminate. La discussione sarà finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e comprensione dei principi teorici, dei meccanismi di funzionamento e delle applicazioni dei diversi AOPs, nonché la capacità di interpretare criticamente i dati sperimentali, confrontare differenti strategie di trattamento e motivare le scelte tecnologiche adottate. La prova consentirà inoltre di valutare le capacità di comunicazione scientifica, l'appropriatezza del linguaggio tecnico e l'autonomia nell'organizzazione e nell'esposizione degli argomenti.

Dispense e appunti di lezioni
Articolo scientifici e review

Approfondire le conoscenze nell’ambito della chimica dei composti di coordinazione (complessi metallici, cluster e sistemi bioinorganici) con modelli del legame chimico e della reattività.

o Approfondire le conoscenze nell’ambito della chimica dei composti di coordinazione;
o Fornire strumenti teorici e competenze tecniche per la caratterizzazione delle proprietà di sistemi complessi, quali i sistemi biologici.

o Razionalizzare la reattività, la struttura elettronica e le proprietà magnetiche dei complessi dei metalli del blocco d ed f, sulla base di elementi teorici e modelli qualitativi;
o Conoscere gli strumenti fondamentali per l'interpretazione di dati sperimentali;
o Comprendere e modellizzare siti di coordinazione metallici in solidi ionici e proteine.

• Autonomia di giudizio
  o Attraverso le lezioni teoriche e le esercitazioni, sviluppare capacità decisionali e autonomia di giudizio nel valutare possibilità e limiti dei modelli teorici e delle tecniche di caratterizzazione studiati;
  o Valutare le correlazioni struttura-proprietà dei composti di coordinazione, risolvendo quesiti articolati a risposta aperta.
• Abilità comunicative
  o Esporre i contenuti del corso in forma scritta e orale in modo rigoroso e puntuale;
  o Dare una spiegazione, in maniera circostanziata, a fenomeni e osservazioni.
• Capacità di apprendere in modo autonomo
  o Sviluppare un ragionamento logico ed un approccio critico a problemi nuovi;
  o Trovare soluzioni a quesiti complessi (anche di natura interdisciplinare), reperendo, nel materiale didattico del corso, le informazioni utili a formulare le risposte.

COMPOSTI DI COORDINAZIONE. Elementi di transizione: proprietà periodiche. Composti di coordinazione: definizione. Il legame nei composti di coordinazione. Numeri e geometrie di coordinazione. Teoria del legame di valenza. Teoria del campo cristallino (simmetria ottaedrica, tetraedrica, quadrato-planare). Teorema di Jahn-Teller. Teoria del campo dei leganti. Stati elettronici e termini spettroscopici. Diagrammi di correlazione. Spettri elettronici e proprietà magnetiche di complessi metallici. Luminescenza. Legami metallo-metallo. Cluster metallici. Elementi del blocco f.
REATTIVITA’ DEI COMPOSTI DI COORDINAZIONE. Labilità e inerzia. Meccanismi di sostituzione dei leganti (in complessi ottaedrici e quadrato-planari). Meccanismi di reazioni redox. Equazione di Marcus. Reazioni fotochimiche.
CHIMICA BIOINORGANICA. Gli ioni metallici nei sistemi biologici. Metalloproteine e metalloenzimi (Zn, Fe, Cu, Co, Mo). Chelanti e farmaci a base di ioni metallici.

Modalità di verifica dell’apprendimento
Prova scritta con quesiti a risposta aperta e colloquio orale. Durante la prova scritta lo studente può avvalersi della Tavola periodica (fornita dal docente) e della calcolatrice.
Risultati di apprendimento attesi
Abilità nella descrizione di molecole semplici; capacità di risoluzione di problemi di stechiometria; capacità di prevedere l’esito di una reazione.
Criteri di misurazione dell'apprendimento e di attribuzione del voto finale
Il voto finale è attribuito in trentesimi. L’esame è superato quando il voto finale è maggiore o uguale a 18/30. Il voto finale si basa sulla votazione conseguita nella prova scritta e sulla valutazione della prova orale. Per accedere alla prova orale è richiesta una votazione minima di 15/30 nella prova scritta (generalmente costituita da 3 quesiti, ciascuno dei quali contribuisce con un massimo di 10 punti al punteggio totale). E’ necessaria una votazione minima di 28/30 nella prova scritta ed un’eccellente prova orale per l’assegnazione della lode.

Mark Weller, Tina Overton, Jonathan Rourke, Fraser Armstrong. La Chimica Inorganica di Atkins (3a edizione italiana), Zanichelli (2021); ISBN: 9788808720269

Colloquio orale ed impiego di lavagna tradizionale per risolvere esercizi.

Il corso si propone di fornire agli studenti i concetti di base, una panoramica di tecniche sperimentali e un’ampia casistica di risultati e teorie di interesse nel campo delle applicazioni dei laser alle principali suddivisioni della chimica, ovvero struttura e proprietà della materia; sintesi e reattività; analisi.
Al termine del corso, gli studenti avranno acquisito e i seguenti concetti:

• Principi di funzionamento e principali categorie di sorgenti laser
• Sicurezza di laboratorio laser
• Spettroscopie laser
• Fotochimica laser
• Ablazione laser per analisi e produzione di materiali
• Descrittore di Dublino 1: conoscenza e capacità di comprensione;
  Gli studenti acquisiranno concetti fondamentali sul funzionamento e l’utilizzo di sorgenti laser nei vari campi delle scienze chimiche, incluse applicazioni industriali e di ricerca
• Descrittore di Dublino 2: capacità di applicare conoscenza e comprensione;
  Gli studenti apprenderanno ad operare in maniera consapevole e sicura sorgenti laser di alta potenza e apparati sperimentali per spettroscopia laser.

Risultati di apprendimento previsti
Da indicare per ciascun Descrittore di Dublino (DD=
DD1 Conoscenza e capacità di comprensione
DD2 Conoscenza e capacità di comprensione applicate
DD3-5 Competenze trasversali

• Descrittore di Dublino 1: conoscenza e capacità di comprensione;
  Gli studenti acquisiranno concetti fondamentali sul funzionamento e l’utilizzo di sorgenti laser nei vari campi delle scienze chimiche, incluse applicazioni industriali e di ricerca
• Descrittore di Dublino 2: capacità di applicare conoscenza e comprensione;
  Gli studenti apprenderanno ad operare in maniera consapevole e sicura sorgenti laser di alta potenza e apparati sperimentali per spettroscopia laser.
• Descrittore di Dublino 3: capacità critiche e di giudizio;
  Gli studenti apprenderanno ad acquisire dati sperimentali di spettroscopia laser, ad analizzarli con software dedicati e a discuterli tramite redazione di relazioni di laboratorio.
• Descrittore di Dublino 4: Abilità comunicative
  Al termine dell’insegnamento, gli studenti dovranno essere in grado di argomentare in maniera efficace le relazioni di laboratorio, nonché di discutere gli argomenti del corso, inserendoli nel contesto più ampio delle specificità dell’uso di sorgenti laser nella chimica.
• Descrittore di Dublino 5: capacità di proseguire lo studio in modo autonomo nel corso della vita.
  Il corso avrà un approccio orientato alla risoluzione concreta di problemi sperimentali e allo studio di applicazioni industriali e di ricerca, allo scopo di preparare gli studenti del secondo anno del corso di laurea magistrale al loro lavoro di tesi e alla loro professione di chimici.

• Principi di funzionamento e proprietà dei laser.
• Tipologie di sorgenti laser.
• Fondamenti ed applicazioni di spettroscopie laser per lo studio di sistemi atomici e molecolari. Per ciascuna delle tecniche presentate saranno discussi dei casi di studio selezionati per mostrarne le potenzialità pratiche.
• Tecniche di laser scattering: Raman, Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS), Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS).
• Fluorescenza indotta da laser (Laser-Induced Fluorescence, LIF); assorbimento; fotoacustica.
• Ablazione laser per l’analisi chimica: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS); Laser Ablation – Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry (LA-ICP-MS).
• Reazioni chimiche indotte da laser: principi fondamentali e applicazioni industriali e di ricerca.
• Principi, specificità ed esempi di fotochimica laser.
• Sintesi di materiali tramite tecniche di ablazione laser: film sottili, nanomateriali, grafene.
• Applicazioni avanzate (es. Metodi di additive manufacturing; terapia fotodinamica e teranostica; pulitura laser di beni culturali).
• Sicurezza in laboratorio laser.
• Esperienze di laboratorio (es. spettroscopia di plasmi indotti da laser; ablazione laser per la sintesi di nanoparticelle in liquido).

La verifica dell’apprendimento consisterà in un esame orale che verterà sugli argomenti del corso e sulla discussione delle relazioni di laboratorio nel contesto più ampio delle tematiche affrontate a lezione.

Helmut H. Telle, Angel González Ureña, Robert J. Donovan - Laser chemistry_ spectroscopy, dynamics and applications-John Wiley & Sons (2007)
David L. Andrews - Lasers in Chemistry-Springer-Verlag Berlin Heidelberg (1997)
I testi di riferimento saranno integrati da review su argomenti specifici forniti dalla docente (es. terapia fotodinamica laser, deposizione di film sottili con laser pulsati) e dalle dispense di lezione.