Scienze chimiche

L’obiettivo principale del corso è fornire agli studenti le conoscenze fondamentali sulle strategie di valorizzazione della biomassa e della biomassa di scarto per la produzione di bioenergia, bio-chemicals, bioplastiche e altri bioprodotti. Il corso intende inoltre fornire gli strumenti per comprendere e applicare i principi della chimica sostenibile e della bioraffineria nella scelta e nell’analisi dei processi di pretrattamento e conversione della biomassa. Le principali conoscenze acquisite riguarderanno: il concetto di biomassa e le principali tipologie di biomassa di interesse per la valorizzazione; il concetto di bioraffineria e il suo ruolo nei modelli di produzione circolare; le principali tecnologie di pretrattamento della biomassa in funzione dei successivi processi di conversione; il concetto di molecole piattaforma e il loro impiego nella produzione di bio-chemicals e bioprodotti; i principali processi catalitici per la trasformazione delle molecole piattaforma trattate a lezione; i principali processi di conversione della biomassa per la produzione di bioenergia. Le principali abilità sviluppate saranno: riconoscere le diverse tipologie di biomassa e valutarne il potenziale impiego per la produzione di bioenergia, bio-chemicals, bioplastiche e altri bioprodotti; comprendere e applicare il concetto di bioraffineria; collegare le caratteristiche della biomassa e le tecnologie di pretrattamento ai successivi processi di conversione; individuare similitudini e differenze tra diversi processi di trasformazione della biomassa; elaborare criteri di scelta basati sui principi della chimica sostenibile per l’analisi di processi catalitici e di conversione della biomassa.

Il corso introduce la valorizzazione della biomassa e della biomassa di scarto come risorsa rinnovabile per la produzione di energia, chemicals e materiali sostenibili. Saranno trattate le principali tecnologie di pretrattamento e conversione, con attenzione ai principi della chimica sostenibile, alle strategie di bioraffineria e alla trasformazione delle principali molecole piattaforma in bioprodotti ad alto valore aggiunto. Il corso affronterà inoltre i processi di recupero energetico e presenterà casi studio di ricerca e sviluppo e applicazioni industriali, evidenziando il ruolo della biomassa nella transizione verso modelli produttivi più circolari e a minore impatto ambientale.

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Il corso prevede lezioni frontali su tutti gli argomenti del programma e ed esperienze pratiche in laboratorio, in modo da facilitare lo studente nell’apprendimento.

Composizione della biomassa e ruolo della biomassa di scarto come risorsa rinnovabile per la produzione di energia, chemicals e materiali. Tecnologie chimiche, fisiche e biotecnologiche per il pretrattamento della biomassa e dei residui di biomassa, preliminari ai successivi processi di valorizzazione. Principi di chimica sostenibile applicati alla trasformazione della biomassa. Strategie di valorizzazione della biomassa e della biomassa di scarto per la produzione di biocarburanti, prodotti chimici e materiali, con riferimento al concetto di bioraffineria. Identificazione delle principali molecole piattaforma e studio di reazioni catalitiche chiave per la loro conversione, quali deossigenazione, trasferimento di idrogeno, formazione di legami C–C, ossidazione selettiva e processi a cascata. Esempi di conversione delle molecole piattaforma in bioprodotti ad alto valore aggiunto. Processi per la conversione, l’accumulo e il recupero di energia. Confronto tra diverse strategie di valorizzazione in termini di consumo energetico, generazione di rifiuti, costi e sostenibilità complessiva. Sinergie tra processi di valorizzazione e casi studio di ricerca, sviluppo e applicazioni industriali.

La prova di profitto prevede 1) la valutazione di relazioni scritte sulle attività di laboratorio e 2) una prova orale. La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 30 minuti avente lo scopo di verificare il livello di competenza e conoscenza raggiunte dallo studente relativamente ai contenuti del programma. Attraverso la prova orale, verrà valutata la capacità di elaborazione degli stessi contenuti, sia in termini di proprietà di linguaggio che di organizzazione dell'esposizione. Sia le conoscenze e le competenze acquisite che la capacità di elaborazione dei contenuti discussi a lezione sono infatti ritenute essenziali al fine della formazione professionale degli studenti. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa)

-Materiale fornito dal docente. TESTI CONSIGLIATI (disponibili previo accesso con credenziali di ateneo in: https://www.proquest.com/): - Sze Ki Lin C., Kaur G., Li C. and Yang X. (Eds.), “ Waste valorisation: Waste streams in a circular economy” (2020), John Wiley & Sons, - Kuila A., Mukhopadhyay M. (Eds.), “Biorefinery production technologies for chemicals and energy” (2020), John Wiley & Sons - Brown R. C. (Ed.), “Thermochemical processing of biomass: Conversion into fuels, chemicals and power” (2019), John Wiley & Sons

L'obiettivo del corso consiste nel fornire agli studenti i concetti fondamentali della catalisi omogenea ed eterogenea applicata alla sintesi organica e in particolare alla sintesi asimmetrica. Le principali conoscenze acquisite riguardano l'uso di catalizzatori metallici con ligandi chirali, catalizzatori organici, e catalizzatori acido-basici nei principali processi organici fondamentali quali la reazione di addizione aldolica, la reazione di addizione di Mannich, la reazione di Michael, la reazione di Diels-Alder e le reazioni di epossidazione e di riduzione. Al termine del corso lo studente deve essere in grado di analizzare e razionalizzare l'effetto di un catalizzatore sia sulla reattività che sulla regio- e diastereoselettività del processo organico.

Catalisi e sviluppo sostenibile. Aspetti cinetici della catalisi. Catalisi omogenea con complessi metallici. Catalisi omogenea senza metalli: acidi e basi di Brønsted, organocatalisi. Catalisi asimmetrica omogenea. Catalisi eterogenea: recupero e riciclo del catalizzatore. Strategie per l'immobilizzazione del catalizzatore omogeneo. Confronto dell'attività catalitica tra i diversi tipi di supporto e confronto con il catalizzatore omogeneo.

Per poter seguire efficacemente il corso di Catalisi in Chimica Organica è necessario conoscere i contenuti di Chimica Organica 1 e Chimica Organica 2 del corso di laurea di Chimica.

Il corso è organizzato nel seguente modo: -Lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso con esempi della letteratura recente. -Esercitazione che prevede la ricerca bibliografica di un esempio della letteratura recente sulla catalisi metallica o organica sia in fase omogeneo che eterogenea ed esposizione dell'articolo da parte dello studente ai colleghi del corso.

Aspetti fondamentali della catalisi: sostituzione della reazione stechiometrica con un ciclo catalitico. Sviluppo sostenibile, impatto ambientale. Aspetti cinetici della catalisi. Profilo di reazione e coordinata di reazione: pre-equilibrio, catalizzatore precursore e catalizzatore attivo. Concetti base in catalisi: interazione catalizzatore/substrato, deattivazione del catalizzatore, inibizione, avvelenamento. Numero di turnover (TOF) e frequenza di turnover (TOF). Catalisi omogenea con complessi metallici. Scambio dei ligandi, dissociazione e coordinazione. Catalisi omogenea senza metalli: acidi e basi di Brønsted, organocatalisi. Organocatalisi non covalente: legame idrogeno. Organocatalisi covalente: formazione di enammine. Uso dell'acqua come mezzo di reazione nella catalisi omogenea con complessi metallici e nell'organocatalisi. Catalisi asimmetrica omogenea. Applicazione alle principali classi di reazioni organiche: formazione del legame carbonio-carbonio (condensazione aldolica, Michael, Mannich, Diels-Alder), ossidazioni e riduzioni. Catalisi omogenea vs Catalisi eterogenea. Catalisi eterogenea: recupero e riciclo del catalizzatore. Il concetto di sito attivo. Modello di Langmuir-Hinshelwood per la catalisi eterogenea. I supporti solidi: organici, inorganici, materiali ibridi organici-inorganici. La scelta del supporto: area specifica superficiale, accessibilità del substrato, stabilità. Catalizzatori chirali supportati su matrici insolubili. Strategie per l'immobilizzazione del catalizzatore omogeneo: adsorbimento, incapsulamento, legame covalente, interazione elettrostatica, auto-assemblamento. Confronto dell'attività catalitica per alcuni dei ligandi chirali più comuni: catalizzatore omogeneo vs catalizzatore eterogeneo e nell'ambito dei catalizzatori eterogenei confronto tra i diversi tipi di supporto. Catalisi mediante nanoparticelle metalliche.

Una prova orale finalizzata ad accertare il livello di conoscenza riguardo le diverse tipologie di catalisi applicate ai processi fondamentali in sintesi organica. Verrà inoltre verificata la capacità di analizzare e razionalizzare l'effetto del catalizzatore sia sulla reattività che sulla regio- e diastereoselettività del processo organico. Vengono formulate 2-3 domande a stimolo chiuso con risposta aperta. Durata della prova 30-40 minuti. La prova consentirà di verificare il raggiungimento degli obiettivi formativi attesi in relazione alla formazione professionale della figura di chimico. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti compensativi e alle misure dispensative previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa).

1. Dispense del docente; 2. Catalysis: Concept and Green Applications; 3. Gadi Rothenberg, Wiley WCH, 2008. 4. Recoverable and recyclable catalysts; M. Benaglia, Wiley, 2009. 5. Catalyst Immobilization: Methods and Applications; M. Benaglia, A. Puglisi; Wiley 2020

Scopo del corso è fornire una comprensione avanzata, seppur qualitativa, dei fenomeni alla base della reattività chimica organica, principalmente in termini di teoria degli orbitali molecolari. L’applicazione di questa teoria viene valuata soprattutto nello studio delle reazioni pericicliche. Inoltre, una parte consistente del corso riguarda lo studio della reattività dei composti organometallici, delle più importanti reazioni catalizzate da complessi di metalli di transizione e delle loro applicazioni in sintesi organica. Le principali conoscenze acquisite saranno: - conoscenze teoriche qualitative sulla teoria degli orbitali molecolari; - conoscenze teoriche sulla formazione del legame chimico e sulla reattività chimica in generale; - conoscenze teoriche sulla teoria degli orbitali molecolari di frontiera; - conoscenze sull’applicazione della teoria degli orbitali molecolari di frontiera alle reazioni pericicliche termiche e fotochimiche; - conoscenze sulle proprietà e reattività delle principali classi di composti organometallici e sulle loro applicazioni in sintesi organica; - conoscenze sull’utilizzo di complessi dei metalli di transizione in sintesi organica; - conoscenza dei concetti fondamentali della sintesi organica moderna. Le principali abilità (cioè la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno: - capacità di progettazione di una reazione chimica organica; - abilità nell’individuare e risolvere problemi di tipo sintetico; - capacità di pianificare una sintesi multistadio.

Teoria degli orbitali molecolari di frontiera nella chimica organica moderna. Concetti fondamentali sulla reattività chimica. Reazioni pericicliche termiche e fotochimiche. Principali processi basati sull'utilizzo di reagenti organometallici o catalizzati da complessi di metalli di transizione e loro applicazione nella sintesi organica.

Al fine della comprensione degli argomenti oggetto dell'insegnamento è necessario aver sostenuto con successo i corsi di Chimica Organica 1 e Chimica Organica 2.

Il corso prevede lezioni teoriche frontali su tutti gli argomenti del programma ed esercitazioni in aula consistenti nella risoluzione di problemi sintetici e nella pianificazione di sintesi multistadio.

Richiami alla teoria degli orbitali molecolari. Teoria degli orbitali di frontiera. Orbitali di frontiera HOMO, LUMO e SOMO. Il concetto di coordinata di reazione. Concetti fondamentali sulla reattività chimica: basicità e nucleofilicita`, acidità ed elettrofilicita`, nucleofili ed elettrofili hard e soft. Reazioni pericicliche termiche. Le regole di Woodward-Hoffmann. Cicloaddizioni 1,3-dipolari, reazioni chelotropiche; riarrangiamenti sigmatropici: il riarrangiamento di Cope, il riarrangiamento 1,3-sigmatropico e il riarrangiamento di Claisen e loro applicazioni alla sintesi organica. Reazioni elettrocicliche. La reazione di Diels-Alder: reattività e selettività. Reazioni 1,3-dipolari. Reazioni pericicliche fotochimiche. Le regole di Woodward-Hoffmann per le reazioni pericicliche fotochimiche. Cicloaddizioni fotochimiche, riarrangiamenti sigmatropici fotochimici, reazioni elettrocicliche fotochimiche. Composti organometallici del litio, magnesio, zinco, stagno: caratteristiche strutturali, preparazione e reattività. Reazioni di scambio idrogeno/metallo, alogeno/metallo e metallo/metallo e loro applicazioni in sintesi organica. Gli organocuprati: caratteristiche strutturali, preparazione e loro impiego nella sintesi organica. Composti organometallici dei metalli di transizione: teoria generale, il modello di Dewar-Chatt-Duncanson, la regola dei 18 elettroni, classificazione dei ligandi dei metalli di transizione. Caratteristiche strutturali e preparazione dei complessi dei metalli di transizione. Processi fondamentali che coinvolgono i complessi dei metalli di transizione; il ciclo catalitico. Reazioni di cross-coupling. Applicazioni di metalli di transizione nell'attivazione di composti organici insaturi. Applicazione di metallo-carbeni ottenuti da diazo-composti. Metallo-carbeni e reazione di metatesi. Processi palladio-catalizzati su substrati allilici; reazione di Tsuji-Trost. Reazione di Pauson-Khand. Processi di C-H attivazione di substrati aromatici; directing groups e regioselettività. Strategie per le funzionalizzazioni selettive in meta o para. Cenni sulle C-H funzionalizzazione di carboni sp3. Applicazioni sintetiche.

La prova di profitto consiste in un colloquio orale di circa 40 minuti. La prova è finalizzata all’accertamento della conoscenza delle basi teoriche della chimica organica, nonchè la capacità dello studente di applicare le conoscenze acquisite alla progettazione di sintesi organiche. La valutazione complessiva della prova di esame terrà conto dei seguenti aspetti: correttezza e adeguatezza delle risposte, capacità di elaborazione e connessione concettuale, padronanza e proprietà di linguaggio, secondo le seguenti rispettive percentuali: 60%, 20%, 20%. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa).

Materiale utilizzato durante le lezioni fornito in formato elettronico dal docente.

Gli studenti che frequentano il corso conoscono: la composizione chimicofisica media delle tre sfere ambientali, la natura e le proprietà dei potenziali inquinanti maggioritari ed i principi sui quali si basano gli interventi di monitoraggio, prevenzione e risanamento dei fenomeni di inquinamento, cronico e acuto, dell’ambiente. Sulla base di tali conoscenze acquisite sapranno: identificare quali possono essere le principali fonti di inquinamento e le maggiori conseguenze sull’equilibrio di un ecosistema e programmare le azioni da porre in atto per prevenire e/o sanare eventuali danni ambientali.

Il Corso prevede una introduzione delle caratteristiche chimiche e fisiche dei comparti ambientali; lo studio della chimica e degli inquinanti principali nell'acqua, nell'atmosfera e nel suolo; cenni su alcuni biocombustibili e loro implicazioni ambientali.

Gli argomenti trattati nel Corso sono, per loro natura, multi-disciplinari. Lo studente, per frequentare il Corso in maniera proficua, deve possedere una buona conoscenza delle tre discipline chimiche fondamentali (chimica organica, chimica inorganica e chimica fisica)

Il Corso è organizzato con lezioni frontali sugli argomenti del programma. Nel credito di laboratorio verranno organizzate visite didattiche della durata di 2- 4 ore in laboratori e impianti esterni che si occupano di problematiche ambientali e/o esercitazioni di trattamento di dati analitici da monitoraggio ambientale.

Caratteristiche chimiche e fisiche dei comparti ambientali L'idrofsera L'atmosfera La geosfera e il suolo Principi di chimica e biochimica acquatica Natura e classi di inquinanti delle acque Inquinanti inorganici nell'acqua: metalli pesanti, metalloidi e ioni e loro comportamento chimico Inquinanti e microinquinanti organici Cenni di trattamento delle acque L'atmosfera e la chimica atmosferica reazioni chimiche e fotochimiche reazioni acido-base nell'atmosfera reazioni dell'ossigeno, dell'azoto e dei composti azotati atmosferici reazioni dell'ozono Inquinanti primari e loro effetti ambientali Inquinanti secondari e loro formazione Inquinanti organici e loro reattività nell'atmosfera Lo smog fotochimico Le piogge acide Distruzione dello strato di ozono stratosferico Le particelle nell'atmosfera e loro formazione Gas serra La chimica del suolo Natura e principali fonti degli inquinanti del suolo Inquinamento legato alle pratiche agricole Inquinamento causato dai rifiuti Comportamento chimico degli inquinanti nei suoli Cenni sui biocombustibili

L'esame prevede una prova orale della durata sufficiente ad accertare il livello di conoscenza e la capacità di comprensione raggiunta dallo studente sui contenuti indicati nel programma. Con riferimento agli apprendimenti attesi si reputa questa modalità come la più idonea alla verifica mentre riguardo l'utilità ai fini della formazione professionale, la prova orale prepara lo studente anche per futuri colloqui di lavoro. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa) Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

"Chimica dell'ambiente" di Stanley E. Manahan, Edizione italiana a cura di Lelio Zoccolillo, Editore: Piccin Nuova Libraria S.p:A., Padova "Ecologia Applicata" di Renato Vismara, Biblioteca Scientifica Hoepli, Editore: Ulrico Hoepli S.p.A. - Milano Appunti di lezione

Una volta completato il corso, gli studenti saranno in grado di: -Spiegare i principi base e i postulati della teoria quantistica; -Spiegare i fondamenti teorici, gli ambiti applicativi e i limiti dei moderni metodi di struttura elettronica comunemente utilizzati nella ricerca chimica; -Scegliere il metodo computazionale più adatto per affrontare ciascuna problematica chimica; -Implementare semplici metodi struttura elettronica (Hartree-Fock, DFT).

La chimica quantistica svolge un ruolo fondamentale nella ricerca chimica internazionale. Sfruttando i metodi della chimica teorica, consente di calcolare strutture, energie, interazioni e proprietà delle molecole, contribuendo allo sviluppo di farmaci, catalizzatori e materiali funzionali. Lo scopo di questo corso è di presentare e spiegare, ad un livello avanzato, i metodi teorici comunemente utilizzati in chimica quantistica per la risoluzione di problemi chimici.

È necessaria una conoscenza di base della chimica generale, della chimica fisica e della chimica inorganica. Per affrontare le esercitazioni in maniera ottimale, è consigliata la conoscenza (anche rudimentale) di almeno un linguaggio di programmazione.

Il corso è organizzato in una serie di lezioni frontali abbinate ad esercitazioni pratiche al calcolatore.

Introduzione generale alla teoria quantistica: Postulati fondamentali, autovalori e autofunzioni, osservabili e operatori, il principio variazionale, il teorema di Helmann-Feynman, relazioni di Heisemberg, stati stazionari e non, leggi di conservazione e simmetria, il processo di misura. Introduzione al problema elettronico: Unità atomiche, l’Hamiltoniano, separabilità, l’approssimazione di Born-Oppenheimer, le funzioni d’onda elettroniche, gli orbitali, l’antisimmetria, determinanti di Slater, lo spin, la densità elettronica, energia di un determinante, l’approssimazione di Hartree-Fock, determinanti eccitati, la funzione d’onda elettronica esatta, seconda quantizzazione. Metodi di struttura elettronica basati sulla funzione d’onda: Le equazioni di Hartree-Fock e la loro derivazione, gli operatori di Coulomb e di scambio, l’operatore di Fock, proprtietà della funzione d’onda Hartree-Fock, il teorema di Koopman, il teorema di Brillouin, il set di base, le equazioni di Roothan, gli integrali bielettronici e le loro approssimazioni, la procedura SCF. Conseguenze dello spin: UHF vs ROHF. Limiti del metodo Hartree-Fock. La Correlazione elettronica. Interazione di configurazione, CI completa e suo troncamento. Limiti della CI. La teoria delle perturbazioni, serie RSPT. Analisi, calcolo e rappresentazione dei termini RSPT. Møller-Plesset Perturbation Theory e i suoi limiti. L’espansione in cluster della funzione d’donda, introduzione al metodo coupled cluster, cenni sul metodo CCSD(T). Cenni sui metodi teorici basati sulla correlazione locale. Introduzione ai metodi MCSCF, con enfasi su CASSCF e CASPT2. Una breve introduzione alle teorie multi-reference basate sul coupled cluster. Teoria del funzionale della densità: I teoremi di Hohenberg e Kohn, il metodo Khon-Sham, funzionali di scambio e correlazione moderni. La scala di Jacobs, dai funzionali LDA ai "double hybrid". Correzioni di Van der Waals.

Esame orale.

Dispense fornite dal docente, esercizi e tutorial computazionali. I testi di riferimento sono: A. Szabo, Neil S. Ostlund. Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory

Il corso ha come fulcro lo studio delle interazioni deboli in sistemi organici, e può essere diviso in tre parti. Una prima parte riguarda gli effetti che le interazioni deboli hanno sulla reattività chimica, sugli equilibri, sulla stereochimica e sul meccanismo delle reazioni organiche. La seconda parte riguarda l’importanza delle interazioni deboli nei sistemi anfifilici autoorganizzati e nel riconoscimento ionico e molecolare. La terza parte riguarda alcune esperienze di laboratorio per approfondire concetti forniti nelle lezioni frontali, in particolare la catalisi micellare e l’effetto solvente nell’equilibrio chimico. L’obiettivo primario dell’insegnamento è di fornire agli studenti le basi concettuali per analizzare e interpretare gli effetti del mezzo di reazione sui processi chimici e gli effetti delle interazioni deboli nel riconoscimento ionico e molecolare. A fine corso lo studente dovrebbe essere in grado di stabilire qualitativamente l'effetto che il solvente ha su un generico processo chimico e avere una conoscenza critica dei principali sistemi colloidali autoassemblati e delle loro proprietà. Le principali conoscenze acquisite saranno: -Conoscere le interazioni deboli, classificandole in termini di energia e di distanza d’interazione. -Conoscere la classificazione dei liquidi in base alle proprietà chimico-fisiche macroscopiche e microscopiche. -Conoscere le principali scale dei parametri empirici della polarità del solvente. -Conoscere il processo di solvatazione e i vari tipi di solvatazione che si possono avere. -Conoscere l’importanza della solvatazione dal confronto con i processi in fase gassosa. -Conoscere le condizioni per cui si possono formare coppie ioniche. -Conoscere i principali sistemi auto assemblati di natura anfifila. -Conoscere le principali caratteristiche, proprietà e applicazioni dei sistemi autoassemblati Le principali abilità (cioè la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno: -Classificare i mezzi di reazione in base alle loro proprietà EPD/EPA, HBD/HDA e alla loro capacità ionizzante e/o dissociante. -Prevedere l’effetto livellante o differenziante di un mezzo di reazione nei confronti delle proprietà acido-base di un soluto. -Prevedere l’effetto del mezzo sugli equilibri acido base di Lewis e di Brønsted. -Prevedere l’effetto del mezzo sugli equilibri tautomerici e conformazionali. - Prevedere l’effetto del mezzo sulla reattività di reazioni chimiche. -Prevedere l’effetto del mezzo sul controllo stereochimico e sul meccanismo della reazione. -Essere in grado di prevedere gli effetti micellari sulla reattività e sulla selettività di reazione -Essere in grado di sfruttare i sistemi autoorganizzati come potenziali nano-reattori.

Lo scopo principale del corso è fornire una panoramica dettagliata del coinvolgimento e dell’importanza delle interazioni deboli in molteplici aspetti della chimica organica. Infatti, le interazioni deboli determinano tutti gli effetti solvente, così come influenzano i processi di riconoscimento ionico e molecolare. Temi generali trattati. Le forze d'interazione deboli principi generali. Interazioni soluto solvente. Effetti del solvente sugli equilibri chimici e sulle velocità di reazione in fase omogenea. Interazioni non covalenti nei sistemi nanostrutturati auto-organizzati, effetti micellari

Per seguire e apprendere i contenuti del corso, in maniera più conveniente e proficua, lo studente dovrebbe possedere le seguenti conoscenze di base: Conoscenza dei meccanismi di reazione delle principali reazioni organiche; Conoscenza della teoria dello stato di transizione; Conoscenza della teoria cinetica; Conoscenza dell’effetto del sostituente e delle correlazioni lineari di energia libera; Conoscenza degli equilibri prototropici: acido-base e tautomerici; Conoscenza della stereoisomeria e della stereoselettivita. Queste conoscenze sono dei prerequisiti importanti per lo studente che intenda seguire il corso con profitto.

Il corso di Interazioni Deboli in Chimica Organica prevede esercitazioni di laboratorio ed è così organizzato: -Lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti del corso della durata di 2 ore ciascuna. -Esperimenti dimostrativi in aula. Vengono organizzati ed eseguiti dal docente circa 10 esperimenti dimostrativi relazionati ad aspetti e concetti del corso. Gli esperimenti eseguiti in aula, con il contributo degli studenti, hanno una durata massima di 20 minuti. L’obiettivo di queste dimostrazioni è di aumentare l’interesse degli studenti e permettere un più facile apprendimento dei concetti formulati durante la lezione. - Esperienze di Laboratorio - Valutazione in itinere del grado di apprendimento degli studenti tramite risoluzione collegiale di casi di studio. Quest’attività è una forma di allenamento alla prova di esame.

Le forze intermolecolari e loro classificazione. Interazioni implicanti molecole polari. Forze ione-dipolo, dipolo-dipolo, dipolo-dipolo indotto, dipolo istantaneo-dipolo indotto. Interazioni speciali: legame idrogeno e le proprietà uniche dell'acqua, interazioni idrofobiche ed idrofiliche. Interazioni electron pair donor ed electron pair acceptor (EPD e EPA). Effetto idrofobico. Lo stato liquido. Classificazione dei liquidi. Alcuni parametri caratteristici per la classificazione dei mezzi liquidi: pressione interna, pressione coesiva, permettività relativa, fattore elettrostatico, ecc.. Scale empiriche della polarità del solvente. Interazioni soluto solvente Solventi livellanti e differenzianti. Solvatazione semplice e solvatazione selettiva: omo- ed eteroselettiva. Ionizzazione e dissociazione. Effetti solvente sulla posizione di equilibri chimici in fase omogenea Considerazioni generali. Effetti solvente su equilibri acido-base. Effetti solvente su equilibri tautomerici prototropici e matellotropici. Effetti solvente su equilibri cheto-enolici. Effetti solvente su equilibri conformazionali. Effetti solvente su equilibri di isomerizzazione cis/trans e E/Z. Effetti solvente su equilibri a trasferimento elettronico. Predizione di proprietà relazionate ad interazioni deboli (interazioni di composti organici con biomolecole, equilibri acido-base ed equilibri tautomerici). Effetti solvente sulla velocità di reazioni chimiche in fase omogenea Considerazioni generali. Reattività in fase gassosa. Teoria qualitativa degli effetti solvente sulle velocità di reazione. Regole di Hughes-Ingold e loro limiti. Effetto solvente per reazioni con stato di transizione di tipo dipolare o isopolare. Teoria quantitativa degli effetti solvente sulle velocità di reazione: considerazioni generali ed applicazione a reazioni tra molecole neutre ed apolari, neutre e dipolari, neutre e ioni e tra ioni. Effetti di solvatazione specifica sulle velocità di reazione. Influenza della specifica solvatazione anionica sulla velocità di reazioni di tipo SN. Effetti di solventi protici e dipolari aprotici su reazioni di tipo SN e separazione degli effetti. Accelerazione delle reazioni base catalizzate in solventi dipolari aprotici. Influenza della solvatazione specifica di cationi sulla velocità di reazioni di tipo SN. Influenza del solvente sulla reattività di nucleofili ambidendati. Effetto del solvente sul meccanismo e sulla stereochimica di alcune reazioni organiche modello. Effetti sale sulla cinetica di reazione. Interazioni deboli in sistemi auto-organizzati Principi generali dell'autoaggregazione e interazioni coinvolte. Ordine e mobilità in sistemi autoassemblati. Sistemi host-guest. Aggregazione di molecole anfifiliche in: micelle, cristalli liquidi, idrogel, monostrati, doppi strati, vescicole e micelle inverse. Proprietà ed applicazioni. Effetti dei sistemi autorganizzati sulla reattività e selettività di processi chimici. Cenni sulle interazioni di tali sistemi con biomolecole: enzimi e DNA.

L’esame prevede solo una prova orale, che consiste in una discussione della durata di circa 40 minuti finalizzata all’accertamento delle capacità dello studente di prevedere gli effetti che le interazioni deboli provocano su processi chimici. Più in dettaglio vengono formulati 4 quesiti, che coprono i principali contenuti del corso: 2 domande sono inerenti agli effetti solvente sulle reazioni ed equilibri chimici, 2 domande sono incentrate sulle caratteristiche, proprietà ed applicazioni dei sistemi auto-assemblati. Per la parte di laboratorio gli studenti dovranno preparare una breve relazione. La prova ha l’obiettivo di valutare la capacità dello studente di collegare ed applicare le conoscenze, apprese durante corso e lo studio individuale, per risolvere problemi di casi reali. La valutazione complessiva della prova di esame tiene conto, oltre della capacità dello studente di applicare le conoscenze acquisite, anche della capacità di esposizione e della padronanza dei termini utilizzati. Gli argomenti oggetto delle domande sono concepiti per mettere in evidenza le competenze teorico-sperimentali acquisite dallo studente, che consentiranno di avere una visione generale e integrata delle conoscenze scientifiche per potenziare le capacità di sintesi e di analisi fondamentali nello studio e nell’interpretazione di ogni tipo di fenomeno. Le studentesse e gli studenti con disabilità e/o con DSA sono invitate/i a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa)

Gli studenti possono utilizzare i seguenti testi per la consultazione degli argomenti trattati: C. Reichardt, Solvent and Solvent Effects in Organic Chemistry, VCH third Ed. 2003 J. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, Academic Press Ed. 1992. M. J. Rosen. Surfactants and interfacial phenomena, Wiley-Interscience, 3rd Ed. 2004 Il materiale didattico dei contenuti del corso è fornito direttamente dal docente in forma elettronica come files pdf. Tutti i testi di adottati sono a disposizione degli studenti interessati.

L’obiettivo primario dell’insegnamento è di fornire agli studenti le basi concettuali per contribuire a progettare o per utilizzare prodotti di digitalizzazione in applicazioni chimiche, anche industriali. Inoltre, poiché si discuteranno anche potenziali applicazioni in spettroscopia, spettrometria di massa, spettroscopia magnetica nucleare e sintesi organica, lo studente avrà la possibilità di consolidare ed approfondire queste tematiche. Attività di laboratorio supporteranno il processo di apprendimento. A fine corso lo studente dovrebbe essere in grado di comprendere le principali strategie di digitalizzazione in campo chimico, e sapere progettazione e utilizzare strategie volte all’ottimizzazione di processi, all’utilizzo di banche dati, alla progettazione inversa.

La chimica moderna è la spina dorsale della nostra società, ma è anche considerata un importante contributo all'inquinamento ambientale globale e alla crisi climatica. La transizione verso un futuro sostenibile richiede una trasformazione radicale del modo in cui i processi chimici sono progettati sviluppati e utilizzati. Questo richiede innovazione sull’uso dei dati, una aumentata flessibilità e trasparenza di flussi di informazioni chimiche e una aumentata sostenibilità dei processi a partire dalla progettazione molecolare fino alle problematiche che affrontano la complessità delle interazioni tra la chimica e la salute umana e dell’ambiente. Il corso mostrerà come sia possibile una efficiente riduzione dei costi di ricerca e sviluppo mediante una opportuna digitalizzazione ed uso intelligente dei dati sperimentali. Verranno riportate le tecniche di simulazione per identificare i composti chimici e prevedere il loro impatto ambientale.

Conoscenze di base in chimica generale e organica, competenze informatiche di base.

Il corso prevede esercitazioni di laboratorio ed è così organizzato: - Lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti del corso della durata di 2 ore ciascuna. - Esperienze di laboratorio sia dimostrative che in gruppi. - Valutazione in itinere del grado di apprendimento degli studenti tramite risoluzione collegiale di casi di studio. Quest’attività è una forma di allenamento alla prova di esame.

• Definizione e importanza dell'innovazione digitale in chimica • Storia e sviluppo della chimica computazionale • Meccanica Molecolare e quantistica in chimica • Dinamica molecolare • Introduzione al big data e al machine learning • Applicazioni del machine learning nella previsione delle proprietà molecolari • Algoritmi di machine learning comuni (regressione, reti neurali) • Uso dell'intelligenza artificiale per la sintesi automatizzata • Robotica in laboratorio e chimica automatizzata • Strumentazione e controllo di processi tramite IA • Tecniche di visualizzazione molecolare e rappresentazione dei dati • Strumenti software per la visualizzazione 3D (PyMOL, Chimera, Sybyl) • Analisi dei dati e grafici interattivi • Produzione, digitalizzazione ed uso di dati spettrali (LC-MS, NMR) • Applicazione dei dati spettrali digitalizzati per la ricerca avanzata ed high-throughput • Discussione sui trend futuri nell'innovazione digitale in chimica • Applicazione di tecniche innovative in attuali progetti di ricerca e sviluppo • Integrazione di varie tecnologie per affrontare progetti di ricerca

L’esame prevede una prova orale che consiste nel rispondere ad una domanda volta a risolvere un problema reale con gli strumenti forniti durante il corso, una domanda di laboratorio sulla produzione di dati sperimentali di NMR e LC-MS/MS (inclusa la lettura di uno spettro) oltre ad una discussione della durata di circa 30 minuti finalizzata all’accertamento delle capacità dello studente di descrivere ed applicare i concetti acquisiti.

Il materiale didattico dei contenuti del corso è fornito direttamente dal docente in forma elettronica come pdf. Per ulteriore materiale contattare i docenti

Padronanza degli argomenti trattati. Ci si attende che gli studenti siano in grado di: 1) descrivere la struttura e la reattività dei composti di coordinazione e organometallici; 2) analizzare criticamente il funzionamento dei principali sistemi catalitici; 3) illustrare il ruolo della catalisi nei processi relativi alla produzioni di combustibili derivanti da fonti rinnovabilie nella catalisi organica.

Struttura e reattività dei complessi di coordinazione e dei composti organometallici. Aspetti fondamentali della catalisi: principi cinetici e tipologia di legami chimici e stadi elementari dei processi catalitici. Catalizzatori molecolari ed eterogenizzati. Catalisi nei processi per la produzione di combustibili da fonti rinnovabili. Catalisi di Cross Coupling. Chimica dell'oro.

Laurea Triennale in Chimica, Chimica Industriale, CTF e Ingegneria Chimica.

Lezioni frontali su tutti gli argomenti del corso ed esercitazioni di laboratorio individuali.

Proprietà generali dei complessi di coordinazione e organometallici. Reattività dei composti di coordinazione e organometallici contenenti leganti alchilici, arilici, idrurici, carbonilici, fosfinici, piridinici, carbenici, alchenici, alchinici, ecc. Reazioni di addizione ossidativa, eliminazione riduttiva, inserzione migratoria, eliminazione di idrogeno, addizioni nucleofile ed elettrofile a leganti coordinati. Processi catalitici di rilevanza industriale: idrogenazione di alcheni, idroformilazione, metatesi di alcheni, polimerizzazione di olefine, ecc. Processi catalitici per la produzione di combustibili rinnovabili: de-strutturazione di biomasse, processi fotosintetici naturali e artificiali, foto- ed elettro-idrogenazione della CO2, water splitting, ossidazione dell’acqua, ecc. Meccanismi fondamentali delle reazioni di cross coupling con Palladio. Composti organometallici di oro e ruolo in catalisi omogenea.

Esame orale (circa 40 minuti) per verificare che gli studenti siano in grado analizzare criticamente la struttura e la reattività dei composti di coordinazione, il funzionamento dei sistemi catalitici, sulla base di considerazioni strutturali e meccanicistiche, e la possibilità di generare combustibili da fonti rinnovabili.

Materiale fornito dal docente.

Il modulo “Indagini di Sistemi Complessi” rappresenta l’unico insegnamento di Termodinamica di non-equilibrio e di dinamica non-lineare per gli studenti della Laurea Magistrale in Scienze Chimiche. L’obiettivo principale di questo modulo è quello di fornire agli studenti le basi concettuali e metodologiche per affrontare l’indagine interdisciplinare di Sistemi Complessi. Le principali conoscenze che devono esser acquisite da parte dello studente sono: •criteri evolutivi di sistemi chimico-fisici fuori dall’equilibrio; •auto-organizzazione; •determinismo caotico e strutture frattaliche; •Complessità Naturale ed Epistemologica. Le conoscenze acquisite consentiranno allo studente di: •provare a predire l’evoluzione di sistemi fuori dall’equilibrio; •studiare sperimentalmente processi chimico-fisici di auto-organizzazione; •apprezzare i limiti conoscitivi della scienza quando si trattano processi deterministici caotici; •caratterizzare le strutture frattaliche.

Proprietà dei Sistemi Complessi e Complessità Epistemologica. Fondamenti della termodinamica di non-equilibrio e della dinamica non-lineare. Reazioni chimiche oscillanti. Caos e Frattali. Si effettueranno 4 esperienze di laboratorio per testare i principi della Termodinamica di non-equilibrio e della dinamica non-lineare.

Conoscenza della Termodinamica di equilibrio.

Il corso è organizzato in due fasi. La prima fase consiste nelle lezioni frontali (per un totale di 5 CFU) svolte in aula su tutti gli argomenti del corso e coadiuvato da filmati. La seconda fase consiste in quattro esercitazioni di laboratorio (per un totale di 2 CFU) della durata di sei ore ciascuna. Le esperienze verranno condotte presso il Laboratorio di Fotofisica e Fotochimica del Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie. Gli studenti saranno divisi in gruppi (massimo tre studenti per gruppo) ed eseguiranno le esperienze in parallelo utilizzando diverse strumentazioni disponibili nel laboratorio.

Gli argomenti che sono trattati sono i seguenti:1) Introduzione alla Complessità Naturale ed alla Scienza della Complessità. 2) Rivisitazione approfondita del II Principio della Termodinamica. 3) Termodinamica di non-equilibrio. Flussi e Forze. Regimi lineare e non-lineare. Produzione di entropia e criteri di evoluzione per sistemi fuori dall'equilibrio. 4) Analisi lineare di stabilità degli stati stazionari: stati stabili, instabili ed oscillanti. 5) Relazioni ecologiche, reazioni chimiche e biochimiche oscillanti. Onde chimiche. Strutture di Turing. Precipitazioni periodiche. 6) Approfondimenti sulle dinamiche in regime non-lineare: Biforcazioni e Determinismo Caotico. Esempio della convezione. 7) Frattali. 8) Sfide della Complessità Naturale ed Epistemologica. In laboratorio vengono eseguiti degli esperimenti che consentono di testare la parte teorica del corso.

L’apprendimento degli argomenti del corso è testato in due modi. Una prova scritta che consiste nella stesura delle relazioni delle esperienze di laboratorio. Una prova orale con domande inerenti gli argomenti svolti nella parte frontale del corso. Le relazioni dovranno esser consegnate prima di sostenere la prova orale. Le relazioni di laboratorio consentiranno di verificare la capacità di rielaborare e presentare i dati sperimentali. La prova orale prevederà domande sui principi della Termodinamica di non-equilibrio e della dinamica non-lineare. Gli studenti e le studentesse dovranno dimostrare di aver acquisito le metodologie ed i principi indispensabili per affrontare l’indagine dei Sistemi Complessi. La prova orale durerà tra i 30 e 40 minuti. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa)

P. L. Gentili, “Untangling Complex Systems: A Grand Challenge for Science”, CRC Press, 2018, ISBN 9781466509429.

Principali conoscenze acquisite - Caratteristiche principali dei processi sol-gel. - Applicazione del processo sol-gel nella fabbricazione di materiali ibridi. - Meccanismo di nucleazione e crescita dei cristalli. - Sintesi e crescita dei cristalli mediante processi solvotermici. - Processo di formazione dei vetri e principatipologie di vetro. - Caratteristiche e impieghi dei processi di formazione dei solidi da fase vapore. - Caratteristiche strutturali e reattività dei solidi a strati. - Principali caratteristiche del processo di intercalazione nei solidi a strati. - Caratteristiche strutturali e reattività dei solidi microporosi, mesoporosi e macroporosi. - Principali caratteristiche dei materiali compositi: micro- e nano-compositi. - Nozioni di base sulle tecniche per la caratterizzazione delle proprietà termiche, meccaniche ed elettriche dei materiali. Principali abilità - Previsione qualitativa della morfologia dei materiali ottenuti via sol-gel sulla base delle condizioni di sintesi. - Previsione della morfologia di cristalli ottenuti da fasi liquide (soluzioni o fusi). - Progettazione della sintesi di materiali ibridi mediante il processo sol-gel. - Progettazione della sintesi di solidi cristallini in condizioni idrotermali. - Impiego del trasporto in fase vapore per la purificazione dei materiali o la crescita di cristalli. - Valutazione del tipo di reattore ai fini della formazione di solidi da fase vapore. - Impiego di tecniche TGA e DSC per la caratterizzazione termochimica dei materiali - Impiego di tests stress – strain per la caratterizzazione meccanica dei materiali. - Valutazione qualitativa dei meccanismi di scambio ionico/intercalazione mediante diffrattometria a raggi X.

Sintesi dei materiali: processi sol-gel e solvotermici, crescita di cristalli, formazione dei vetri, deposizione chimica da fase vapore, processo aerosol. Reattività: reazioni solido-solido, sinterizzazione, processi di intercalazione. Solidi a strati: argille, idrotalciti, fosfati e fosfonati dei metalli tetravalenti. Solidi micro-, meso- e macro-porosi. Compositi polimerici. Tecniche di caratterizzazione dei materiali: analisi termica, studi diffrattometrici, adsorbimento di gas, misure ottiche.

Si richiede di aver conseguito una laurea triennale in Scienze Chimiche.

Il corso consiste in 35 ore di lezioni in aula. Per circa la metà degli argomenti trattati sono a disposizione dispense a cura del docente. Il corso prevede anche 24 ore di esercitazioni in laboratorio, incentrate sulla sintesi di composti crsitallini porosi e nanocompositi a base di fillers inorganici e sulla loro caratterizzazione mediante diffrazione a raggi X, TGA e assorbimento di gas.

Definizione di materiale. FORMAZIONE DI SOLIDI DA FASI LIQUIDE Processi sol-gel. Definizione di sol, di gel e di processo sol-gel. Xerogels e aerogels. Fattori sterici ed elettrostatici che influenzano la stabilità di un sol. Reazioni sol-gel degli alcossi silani: idrolisi e condensazione catalizzate da acidi e basi. Invecchiamento ed essiccamento dei gels: super crytical drying. Processo sol-gel per la sintesi degli ossidi metallici. Precursori inorganici: reazioni di olazione ed ossolazione. Precursori alcossidi: reattività in funzione delle dimensioni e dell'elettronegatività del metallo e del grado di oligomerizzazione dell’alcossido. Materiali ibridi inorgano-organici. Materiali ottenuti per intrappolamento di molecole organiche in un gel. Materiali ottenuti per funzionalizzazione di un gel con molecole organiche legate covalentemente. Polimeri ibridi inorgano-organici. Vetri. Definizione di vetro. Fattori che influenzano la formazione di un vetro. Formazione di vetri e cristallizzazione: velocità di nucleazione e crescita dei cristalli in funzione della temperatura; curve TTT. Caratteristiche della silice vetrosa; vetri a base di silicati e di borati; vetri commerciali: pyrex e vycor; vetri a base di calcogeni; vetri ceramici; vetri metallici. Precipitazione. Caratteristiche del precipitato in relazione alla velocità di formazione dei nuclei e alla velocità di crescita dei cristalli. Formazione di precipitati per idrolisi forzata e per decomposizione di complessi di ioni metallici. Precipitazione controllata a doppio getto. Processi solvotermici; sintesi idrotermali, crescita idrotermale di cristalli singoli. FORMAZIONE DI SOLIDI DA GAS Trasporto in fase vapore e sue applicazioni. Deposizione chimica da fase vapore (CVD): definizione, generalità e applicazioni. Velocità di crescita dei films. Reattori a pareti calde e fredde. CVD per la deposizione di alluminio, silice e diamante. Tecniche di tipo CVD: plasma enhanced CVD, laser assisted CVD, atomic layer deposition. Processi non-CVD: deposizione fisica da fase vapore (PVD), molecular beam epitaxy. Generalità dei processi aerosol. Coversione gas-particella, morfologia delle particelle e degli aggregati, processo Aerosil. Coversione particella-particella, morfologia delle particelle. Tipi di reattori per il processo aerosol: fiamma, fornace, laser, plasma. Formazione di films mediante il processo aerosol. REATTIVITÀ DEI SOLIDI Reazioni solido-solido controllate dalla diffusione dei reagenti; reazioni solido-solido controllate dalla formazione dei nuclei. Processi di sinterizzazione. Reazioni di intercalazione. Intercalazione nei materiali a strati. Tipi di intercalazione: diretta, elettrointercalazione, intercalazione di polimeri, pillaring di composti a strati. Intercalazione diretta: basi di Lewis nel fosfato di zirconio, alogeni e metalli nella grafite, metalli alcalini nei disolfuri dei metalli di transizione. Grafene e nano tubi di carbonio. Elettrointercalazione: intercalazione - deintercalazione di Li nelle batterie al litio. Intercalazione di polimeri ed oligomeri. Pillaring di composti a strati: intercalazione dello ione Keggin; composti pillared derivanti dalla funzionalizzazione degli strati del fosfato di zirconio; uso di composti pillared nella catalisi selettiva di forma. ESEMPI DI CLASSI DI MATERIALI INORGANICI Classificazione dei silicati. Alluminosilicati a strati: caratteristiche strutturali, sostituzione isomorfa di Si(IV) con Al(III) e di Al(III) con Mg(II) e di Mg(II) con Li(I). Argille: rigonfiamento ed esfoliazione. Argille anioniche. Allumino silicati tridimensionali: feldspati e zeoliti. Caratteristiche strutturali delle zeoliti, proprietà di scambio ionico e catalitiche in relazione al rapporto Si/Al; impiego delle zeoliti nella catalisi selettiva di forma. Solidi micro-porosi, meso-porosi e macro-porosi. Materiali compositi: micro- e nano-compositi. Interazioni filler-matrice. Approcci sintetici per la preparazione di nano compositi polimerici. TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE CHIMICO FISICA Analisi termica: termogravimetria, analisi termica differenziale, calorimetria differenziale a scansione. Test meccanici di tipo sforzo- deformazione: comportamento elastico, viscoso e viscoelastico. Modulo elastico, sforzo di snervamento, sforzo di rottura. Meccanismi di deformazione dei polimeri amorfi. Determinazione dell’area superficiale dei solidi mediante adsorbimento di gas. Isoterma di Langmuir. Modello BET e isoterme BET. Tipi di isoterme di adsorbimento. Isteresi e condensazione capillare. Tecniche per la misura della conducibilità elettrica. Misure a due e quattro elettrodi. Misure in corrente continua e in corrente alternata. Impedenza e spettroscopia di impedenza. Applicazione della spettroscopia di impedenza allo studio dei sistemi policristallini.

Il corso prevede un esame orale che consiste in una discussione di circa trenta minuti di alcuni degli argomenti trattati nel corso (formazione di solidi da fase gas, da soluzioni e da fusi, reattività dei solidi, solidi lamellari, solidi micro-, meso- e macro-porosi, tecniche di caratterizzazione dei materiali). Il primo argomento della discussione è scelto dallo studente. La prova ha lo scopo di valutare sia la conoscenza degli argomenti del programma, sia la capacità di esposizione e di elaborazione delle conoscenze acquisite. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

A.R. West, "Solid State Chemistry and its applications", J. Wiley U. Schubert, N. Hüsing, "Synthesis of Inorganic Materials", Wiley-VCH

L’obiettivo di questo corso è quello di fornire allo studente - un panorama aggiornato sull’utilizzo del fotovoltaico organico inserito nel contesto delle fonti di energia rinnovabile attualmente a disposizione - nozioni sui costituenti base di una cella fotovoltaica organica con particolare attenzione alle componenti organiche presenti nell “active layer” - esemplificazione di problematiche sintetiche nella preparazione di polimeri e molecole organiche utilizzabili nel fotovoltaico organico - ruolo del chimico organico nell’ambito del fotovoltaico organico

L’esame di Materials for Renewable Energy Sources introduce lo studente alla tecnologia del fotovoltaico organico. In modo particolare illustra quali sono i materiali organici adatti per il funzionamento di una cella fotovoltaica e ne spiega le metodologie più adatte per la loro sintesi e il loro suolo nella morfologia dell'active layer

Al fine di seguire il corso con profitto è utile che lo studente possieda nozioni base di fisica quali conduzione elettrica e caratteristiche di materiali semiconduttori, inoltre è importante che abbia chiari concetti di chimica organica e che sappia quindi riconoscere i vari gruppi funzionali ed applicare alla sintesi dei semiconduttori organici le reazioni caratteristiche studiate.

Tutte le lezioni svolte saranno di tipo frontale. Il docente illustrerà gli argomenti del corso con l'ausilio di presentazioni powerpoint, gli studenti saranno invitati ad intervenire attivamente durante la lezione commentando le problematiche affrontate. Le sides del docente verranno pubblicate su UNistudium e/o piattaforma Teams. La frequentazione delle lezioni non è obbligatoria ma comunque consigliata

Il Corso prevede lezioni di tipo frontale in cui il docente si confronterà spesso con gli studenti per verificare se i concetti esposti sono chiari e per stimolare un approccio critico dello studente alla materia di esame. • Introduzione al Corso: Materiali per l’energia e importanza delle metodologie usate per la loro preparazione; l'Energia: analisi della produzione, del consumo e della conservazione; cenni sulle fonti di energia rinnovabile e non rinnovabile. • L'Energia Solare: Generalità; l'effetto fotovoltaico, le tre generazioni fotovoltaiche. • Cenni sulle celle fotovoltaiche inorganiche: Celle al silicio mono e poli-cristallino; celle a film sottile: silicio amorfo, CIGS, CIS, CdTe. • Celle fotovoltaiche organiche: principi e limiti di funzionamento; celle ad eterogiunzione piana, ad eterogiunzione dispersa(BHJ), celle ibride. • Materiali organici coniugati molecolari e polimerici per la conversione fotovoltaica. • Strategie per la sintesi: Reazioni di policondensazione; Metodo del precursore solubile; processi di homocoupling ossidativo; reazioni di cross-coupling. • Strategie sintetiche per modulare i valori di band-gap. • Cross-coupling: generalità, meccanismi, ciclo catalitico, catalizzatori impiegati. • Coupling di Suzuki, Heck, Sonogashira, Stille, Negishi: applicazioni alla sintesi di semiconduttori organici. • Esempi di polimeri organici semiconduttori: metodi di preparazione ed applicazioni: Poliparafenilenivinileni (PPV)Politiofeni (PT) Policarbazoli (PC) Polifluoreni (PF) e polimeri complessi • Piccole molecole organiche impiegate nel fotovoltaico organico (smBHJ): confronto con i semiconduttori polimerici, sintesi ed applicazioni. • Eteroarilazione diretta come approccio sintetico alternativo alle reazioni di cross-coupling: applicazioni e limiti. • Sostenibilità dei processi chimici: principi generali ed applicazioni alla sintesi di semiconduttori organici Reazioni di cross-coupling in flusso (reazioni in reattori e micro reattori). o Sistemi catalitici eterogenei e recuperabili Palladio supportati Uso di celle fotovoltaiche applicate ad altri dispositivi Importanza della morfologia dell'active layer e metodologie per migliorarla Celle ibride e tandem

L'esame prevede una sola prova di tipo orale. Allo studente verrà richiesto di esporre diversi argomenti illustrati durante il corso, per quelli di tipo discorsivo sarà sufficiente una chiara e puntuale esposizione, per quelli invece riguardanti ad esempio una particolare metodologia sintetica verrà richiesto di saper scrivere il meccanismo coinvolto. Lo studente inoltre dovrà saper esporre in maniera critica il ruolo e le problematiche affrontate da un chimico organico nella progettazione, sintesi e messa sul mercato di molecole e polimeri utili per il fotovoltaico organico. La durata dell'esame sarà di circa 30-40 minuti. Il voto finale della prova di esame terrà conto delle conoscenze acquisite dallo studente durante lo studio, il loro grado di approfondimento e la capacità critica di saper riconoscere vantaggi e svantaggi del fotovoltaico organico ed infine il giusto inquadramento del chimico organico nella tecnologia fotovoltaica. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Slides commentate durante le lezioni

L'obiettivo principale dell'insegnamento è quello di fornire allo studente le nozioni di base ed avanzate riguardanti i metodi più diffusi per l’analisi strutturale a livello molecolare con specifico riferimento ai sistemi inorganici e organometallici. A tale scopo, verranno principalmente affrontate tecniche spettroscopiche di risonanza magnetica nucleare (NMR) e di risonanza paramagnetica elettronica (EPR). Dopo un una breve introduzione per richiamare i principi di base, lo studente sarà guidato verso l’approfondimento di metodologie più avanzate basate su esperimenti sia mono- che bidimensionali (NMR). Le conoscenze acquisite permetteranno allo studente l'analisi critica dei risultati di esperimenti spettroscopici, sia semplici che più complessi, e la possibilità quindi di progettare ulteriori analisi o esperimenti per la risoluzione di problemi riguardanti la struttura molecolare e supramolecolare di sistemi inorganici, anche in riferimento alla loro reattività. Inoltre, verranno forniti brevissimi cenni ad altre tecniche come la spettroscopia vibrazionale, la spettroscopia elettronica e la spettrometria di massa, con particolare enfasi alle loro applicazioni in ambito inorganico. Le lezioni teoriche saranno affiancate da sessioni di laboratorio (soprattutto NMR) in cui lo studente potrà comprendere meglio le potenzialità e le limitazioni sperimentali delle tecniche trattate durante il corso, utilizzando sistemi inorganici o organometallici anche sintetizzati dallo studente stesso.

Principi di base della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Tecniche monodimensionali in singola e doppia risonanza. Tecniche multidimensionali: connessione attraverso i legami (COSY, HSQC, HMQCe HMBC); connessione attraverso lo spazio: NOESY, HOESY, ROESY; connessione attraverso lo scambio chimico (EXSY). Tecniche avanzate per lo studio di sistemi supramolecolari: PGSE e DOSY. Principi di base ed applicazioni della spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR): spettri EPR di radicali organici, inorganici e dei complessi dei metalli di transizione; cenni a tecniche avanzate, tecniche multi-impulso e tecniche in doppia risonanza.

Conoscenze di base dei fenomeni di interazione tra radiazione elettromagnetica e materia.

Il corso prevede sia lezioni teoriche in classe che esercitazioni sperimentali.

• Richiami dei principi di base di risonanza magnetica nucleare (NMR): livelli energetici, condizione di risonanza, teoria dello spostamento chimico, il modello vettoriale, la trasformata di Fourier e il processamento dei dati. - Tecniche monodimesionali: la sequenza base 90°-FID, rilassamento longitudinale (T1) e l'inversion recovery, rilassamento trasversale (T2) e spin-echo, ottimizzazione della sensibilità. - Teoria dell'accoppiamento scalare, disaccoppiamento, sequenze in doppia risonanza, sequenze con impulsi multipli ( SPT, SPI, INEPT, DEPT...) - Introduzione alle tecniche multidimensionali: schema generale di un esperimento 2D: i periodi di preparazione, evoluzione, mescolamento e acquisizione. - Connessione attraverso i legami: correlazione attraverso singolo legame (spettri COSY, spettri HSQC e HMQC), correlazione attraverso più legami (spettri HMBC). - Connessione attraverso lo spazio: principi dell'accoppiamento dipolare e dell'effetto nucleare Overhauser, esperimenti in stato stazionario e cinetica di crescita del NOE, stima delle distanze internucleari, esperimenti bidimensionali (NOESY e ROESY). - Studio di fenomeni dinamici e della reattività in sistemi inorganici ed organometallici con tecniche NMR. - Principi di base di risonanza paramagnetica elettronica (EPR): momento magnetico dell’elettrone e livelli elettronici; accoppiamento con spin nucleare e strutturazione iperfine; rilassamento, gli spettri EPR di radicali organici, inorganici e dei complessi dei metalli di transizione; cenni a tecniche avanzate, tecniche multi-impulso e tecniche in doppia risonanza. - Esercitazioni di laboratorio: caratterizzazione strutturale di complessi di metalli di transizione tramite tecniche NMR avanzate. La parte dedicata al laboratorio verrà utilizzata principalmente per illustrare i componenti di uno spettrometro NMR in trasformata di Fourier e per formare lo studente riguardo all’acquisizione, processamento ed interpretazione dei principali esperimenti 1D e 2D NMR in fase liquida omogena. Inoltre, lo studente (o gruppi di studenti) avrà la possibilità di eseguire esperimenti NMR su campioni preparati dallo studente stesso in laboratorio e di approfondirne la caratterizzazione strutturale anche in riferimento al monitoraggio in situ della reattività.

La valutazione finale viene effettuata attraverso un colloquio orale, con lo scopo di verificare le conoscenze acquisite e la capacità dello studente di rielaborare in forma corretta i contenuti proposti durante il corso. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Materiale didattico fornito dal docente. Una copia delle diapositive utilizzate durante le lezioni frontali sarà messa a disposizione degli studenti attraverso la piattaforma UNISTUDIUM.

Applicare il formalismo di Dirac e quello matriciale della meccanica quantistica ai sistemi chimici. Utilizzare il modello dell'oscillatore armonico per descrivere il moto vibrazionale nelle molecole. Spiegare l'approssimazione di Born-Oppenheimer e il suo significato per le superfici di energia potenziale. Analizzare fenomeni come scattering, effetto tunnel e reazioni chimiche utilizzando la meccanica quantistica dipendente dal tempo.

Introduzione ai principi della meccanica quantistica. Formalismo di Dirac. Modelli quantistici: particella in una scatola, oscillatore armonico, rotore rigido, atomo di idrogeno. Metodi di approssimazione: approssimazione di Born-Oppenheimer, teoria delle perturbazioni. Effetti non adiabatici. Dinamica quantistica: equazione di Schrödinger dipendente dal tempo, regola aurea di Fermi, effetto tunnel quantistico e penetrazione di barriere. Teoria dello scattering molecolare. Applicazioni alla chimica: superfici di energia potenziale, dinamica di reazione, transizioni vibrazionali e rotazionali. Programmazione in chimica computazionale: soluzione di equazioni differenziali della meccanica quantistica, uso di software di chimica computazionale applicato alla dinamica molecolare. Sessione pratica.

Basi della meccanica quantistica, chimica fisica, rudimenti di programmazione

Lezioni frontali con slide e derivazioni alla lavagna, sessioni di problem-solving, laboratori computazionali, discussioni di gruppo su articoli recenti o di rassegna.

1. Introduzione alla teoria quantistica in chimica Contesto storico: fallimenti della meccanica classica nello spiegare i fenomeni atomici Emersione della teoria quantistica: ipotesi di Planck, Einstein e l'effetto fotoelettrico Dualità onda-particella e ipotesi di de Broglie Equazione di Schrödinger: forme dipendenti e indipendenti dal tempo Stati quantistici, ampiezze di probabilità e postulati di misura 2. Formalismo matematico e notazione di Dirac Spazio di Hilbert e insiemi di base Operatori lineari, operatori hermitiani, autofunzioni e autovalori Notazione di Bra-ket e prodotti interni/esterni Commutatori, principio di indeterminazione e osservabili compatibili Valori attesi, algebra degli operatori e rappresentazioni matriciali 3. Modelli quantistici di sistemi semplici Particella in una scatola: quantizzazione dell'energia, degenerazione, struttura del nodo Oscillatore armonico: superficie di energia potenziale, energia del punto zero, operatori a scala Rotore rigido: livelli di energia rotazionale, quantizzazione del momento angolare Atomo di idrogeno: soluzioni esatte, quanti numeri, funzioni d'onda radiali e angolari Armoniche sferiche e forme orbitali 4. Metodi di approssimazione nella meccanica quantistica molecolare Approssimazione di Born-Oppenheimer: separazione del moto nucleare ed elettronico, conseguenze per la struttura molecolare e la spettroscopia Accoppiamento non adiabatico: rottura dell'approssimazione BO, intersezioni coniche, transizioni vibroniche 5. Dinamica quantistica Equazione di Schrödinger dipendente dal tempo: soluzione formale, operatori di evoluzione Teoria delle perturbazioni dipendente dal tempo: immagine di interazione, probabilità di transizione Regola d'oro di Fermi: derivazione e uso in spettroscopia e scattering Effetto tunnel quantistico: penetrazione di barriere unidimensionali, stima della velocità di tunneling, tunneling nelle reazioni di trasferimento di protoni ed elettroni Dinamica dei pacchetti d'onda: coerenza, sovrapposizione ed evoluzione temporale Introduzione alla teoria dello scattering molecolare: sezioni d'urto, spostamenti di fase, risonanza 6. Applicazioni molecolari della meccanica quantistica Superfici di energia potenziale (PES): multidimensionali superfici, minimi, stati di transizione, percorsi di reazione Dinamica di reazione: reazioni elementari, teoria degli stati di transizione, costanti di velocità di reazione

Esame finale (70%): copre tutti i contenuti del corso. Relazioni di laboratorio/progetto finale (30%): un progetto di chimica computazionale o l'illustrazione di un lavoro in letteratura Durata media dell'esame orale: circa 20 minuti, durata della presentazione circa 15 minuti Valutazione: voto finale in trentesimi ottenuto dalla media pesata dei voti conseguiti per l'orale e la presentazione Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

-Modern Quantum Mechanics, J. J. Sakurai and Jim Napolitano. Cambridge University Press. -Molecular Quantum Mechanics, P.W. Atkins & R.S. Friedman .Supplementary material provided by the teacher

Applicare il formalismo di Dirac e quello matriciale della meccanica quantistica ai sistemi chimici. Utilizzare il modello dell'oscillatore armonico per descrivere il moto vibrazionale nelle molecole. Spiegare l'approssimazione di Born-Oppenheimer e il suo significato per le superfici di energia potenziale. Analizzare fenomeni come scattering, effetto tunnel e reazioni chimiche utilizzando la meccanica quantistica dipendente dal tempo.

Introduzione ai principi della meccanica quantistica. Formalismo di Dirac. Modelli quantistici: particella in una scatola, oscillatore armonico, rotore rigido, atomo di idrogeno. Metodi di approssimazione: approssimazione di Born-Oppenheimer, teoria delle perturbazioni. Effetti non adiabatici. Dinamica quantistica: equazione di Schrödinger dipendente dal tempo, regola aurea di Fermi, effetto tunnel quantistico e penetrazione di barriere. Teoria dello scattering molecolare. Applicazioni alla chimica: superfici di energia potenziale, dinamica di reazione, transizioni vibrazionali e rotazionali. Programmazione in chimica computazionale: soluzione di equazioni differenziali della meccanica quantistica, uso di software di chimica computazionale applicato alla dinamica molecolare. Sessione pratica.

Basi della meccanica quantistica, chimica fisica, rudimenti di programmazione

Lezioni frontali con slide e derivazioni alla lavagna, sessioni di problem-solving, laboratori computazionali, discussioni di gruppo su articoli recenti o di rassegna.

1. Introduzione alla teoria quantistica in chimica Contesto storico: fallimenti della meccanica classica nello spiegare i fenomeni atomici Emersione della teoria quantistica: ipotesi di Planck, Einstein e l'effetto fotoelettrico Dualità onda-particella e ipotesi di de Broglie Equazione di Schrödinger: forme dipendenti e indipendenti dal tempo Stati quantistici, ampiezze di probabilità e postulati di misura 2. Formalismo matematico e notazione di Dirac Spazio di Hilbert e insiemi di base Operatori lineari, operatori hermitiani, autofunzioni e autovalori Notazione di Bra-ket e prodotti interni/esterni Commutatori, principio di indeterminazione e osservabili compatibili Valori attesi, algebra degli operatori e rappresentazioni matriciali 3. Modelli quantistici di sistemi semplici Particella in una scatola: quantizzazione dell'energia, degenerazione, struttura del nodo Oscillatore armonico: superficie di energia potenziale, energia del punto zero, operatori a scala Rotore rigido: livelli di energia rotazionale, quantizzazione del momento angolare Atomo di idrogeno: soluzioni esatte, quanti numeri, funzioni d'onda radiali e angolari Armoniche sferiche e forme orbitali 4. Metodi di approssimazione nella meccanica quantistica molecolare Approssimazione di Born-Oppenheimer: separazione del moto nucleare ed elettronico, conseguenze per la struttura molecolare e la spettroscopia Accoppiamento non adiabatico: rottura dell'approssimazione BO, intersezioni coniche, transizioni vibroniche 5. Dinamica quantistica Equazione di Schrödinger dipendente dal tempo: soluzione formale, operatori di evoluzione Teoria delle perturbazioni dipendente dal tempo: immagine di interazione, probabilità di transizione Regola d'oro di Fermi: derivazione e uso in spettroscopia e scattering Effetto tunnel quantistico: penetrazione di barriere unidimensionali, stima della velocità di tunneling, tunneling nelle reazioni di trasferimento di protoni ed elettroni Dinamica dei pacchetti d'onda: coerenza, sovrapposizione ed evoluzione temporale Introduzione alla teoria dello scattering molecolare: sezioni d'urto, spostamenti di fase, risonanza 6. Applicazioni molecolari della meccanica quantistica Superfici di energia potenziale (PES): multidimensionali superfici, minimi, stati di transizione, percorsi di reazione Dinamica di reazione: reazioni elementari, teoria degli stati di transizione, costanti di velocità di reazione

Esame finale (70%): copre tutti i contenuti del corso. Relazioni di laboratorio/progetto finale (30%): un progetto di chimica computazionale o l'illustrazione di un lavoro in letteratura Durata media dell'esame orale: circa 20 minuti, durata della presentazione circa 15 minuti Valutazione: voto finale in trentesimi ottenuto dalla media pesata dei voti conseguiti per l'orale e la presentazione Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

-Modern Quantum Mechanics, J. J. Sakurai and Jim Napolitano. Cambridge University Press. -Molecular Quantum Mechanics, P.W. Atkins & R.S. Friedman .Supplementary material provided by the teacher

Applicare il formalismo di Dirac e quello matriciale della meccanica quantistica ai sistemi chimici. Utilizzare il modello dell'oscillatore armonico per descrivere il moto vibrazionale nelle molecole. Spiegare l'approssimazione di Born-Oppenheimer e il suo significato per le superfici di energia potenziale. Analizzare fenomeni come scattering, effetto tunnel e reazioni chimiche utilizzando la meccanica quantistica dipendente dal tempo.

Introduzione ai principi della meccanica quantistica. Formalismo di Dirac. Modelli quantistici: particella in una scatola, oscillatore armonico, rotore rigido, atomo di idrogeno. Metodi di approssimazione: approssimazione di Born-Oppenheimer, teoria delle perturbazioni. Effetti non adiabatici. Dinamica quantistica: equazione di Schrödinger dipendente dal tempo, regola aurea di Fermi, effetto tunnel quantistico e penetrazione di barriere. Teoria dello scattering molecolare. Applicazioni alla chimica: superfici di energia potenziale, dinamica di reazione, transizioni vibrazionali e rotazionali. Programmazione in chimica computazionale: soluzione di equazioni differenziali della meccanica quantistica, uso di software di chimica computazionale applicato alla dinamica molecolare. Sessione pratica.

Basi della meccanica quantistica, chimica fisica, rudimenti di programmazione

Lezioni frontali con slide e derivazioni alla lavagna, sessioni di problem-solving, laboratori computazionali, discussioni di gruppo su articoli recenti o di rassegna.

1. Introduzione alla teoria quantistica in chimica Contesto storico: fallimenti della meccanica classica nello spiegare i fenomeni atomici Emersione della teoria quantistica: ipotesi di Planck, Einstein e l'effetto fotoelettrico Dualità onda-particella e ipotesi di de Broglie Equazione di Schrödinger: forme dipendenti e indipendenti dal tempo Stati quantistici, ampiezze di probabilità e postulati di misura 2. Formalismo matematico e notazione di Dirac Spazio di Hilbert e insiemi di base Operatori lineari, operatori hermitiani, autofunzioni e autovalori Notazione di Bra-ket e prodotti interni/esterni Commutatori, principio di indeterminazione e osservabili compatibili Valori attesi, algebra degli operatori e rappresentazioni matriciali 3. Modelli quantistici di sistemi semplici Particella in una scatola: quantizzazione dell'energia, degenerazione, struttura del nodo Oscillatore armonico: superficie di energia potenziale, energia del punto zero, operatori a scala Rotore rigido: livelli di energia rotazionale, quantizzazione del momento angolare Atomo di idrogeno: soluzioni esatte, quanti numeri, funzioni d'onda radiali e angolari Armoniche sferiche e forme orbitali 4. Metodi di approssimazione nella meccanica quantistica molecolare Approssimazione di Born-Oppenheimer: separazione del moto nucleare ed elettronico, conseguenze per la struttura molecolare e la spettroscopia Accoppiamento non adiabatico: rottura dell'approssimazione BO, intersezioni coniche, transizioni vibroniche 5. Dinamica quantistica Equazione di Schrödinger dipendente dal tempo: soluzione formale, operatori di evoluzione Teoria delle perturbazioni dipendente dal tempo: immagine di interazione, probabilità di transizione Regola d'oro di Fermi: derivazione e uso in spettroscopia e scattering Effetto tunnel quantistico: penetrazione di barriere unidimensionali, stima della velocità di tunneling, tunneling nelle reazioni di trasferimento di protoni ed elettroni Dinamica dei pacchetti d'onda: coerenza, sovrapposizione ed evoluzione temporale Introduzione alla teoria dello scattering molecolare: sezioni d'urto, spostamenti di fase, risonanza 6. Applicazioni molecolari della meccanica quantistica Superfici di energia potenziale (PES): multidimensionali superfici, minimi, stati di transizione, percorsi di reazione Dinamica di reazione: reazioni elementari, teoria degli stati di transizione, costanti di velocità di reazione

Esame finale (70%): copre tutti i contenuti del corso. Relazioni di laboratorio/progetto finale (30%): un progetto di chimica computazionale o l'illustrazione di un lavoro in letteratura Durata media dell'esame orale: circa 20 minuti, durata della presentazione circa 15 minuti Valutazione: voto finale in trentesimi ottenuto dalla media pesata dei voti conseguiti per l'orale e la presentazione Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

-Modern Quantum Mechanics, J. J. Sakurai and Jim Napolitano. Cambridge University Press. -Molecular Quantum Mechanics, P.W. Atkins & R.S. Friedman .Supplementary material provided by the teacher

Applicare il formalismo di Dirac e quello matriciale della meccanica quantistica ai sistemi chimici. Utilizzare il modello dell'oscillatore armonico per descrivere il moto vibrazionale nelle molecole. Spiegare l'approssimazione di Born-Oppenheimer e il suo significato per le superfici di energia potenziale. Analizzare fenomeni come scattering, effetto tunnel e reazioni chimiche utilizzando la meccanica quantistica dipendente dal tempo.

Introduzione ai principi della meccanica quantistica. Formalismo di Dirac. Modelli quantistici: particella in una scatola, oscillatore armonico, rotore rigido, atomo di idrogeno. Metodi di approssimazione: approssimazione di Born-Oppenheimer, teoria delle perturbazioni. Effetti non adiabatici. Dinamica quantistica: equazione di Schrödinger dipendente dal tempo, regola aurea di Fermi, effetto tunnel quantistico e penetrazione di barriere. Teoria dello scattering molecolare. Applicazioni alla chimica: superfici di energia potenziale, dinamica di reazione, transizioni vibrazionali e rotazionali. Programmazione in chimica computazionale: soluzione di equazioni differenziali della meccanica quantistica, uso di software di chimica computazionale applicato alla dinamica molecolare. Sessione pratica.

Basi della meccanica quantistica, chimica fisica, rudimenti di programmazione

Lezioni frontali con slide e derivazioni alla lavagna, sessioni di problem-solving, laboratori computazionali, discussioni di gruppo su articoli recenti o di rassegna.

1. Introduzione alla teoria quantistica in chimica Contesto storico: fallimenti della meccanica classica nello spiegare i fenomeni atomici Emersione della teoria quantistica: ipotesi di Planck, Einstein e l'effetto fotoelettrico Dualità onda-particella e ipotesi di de Broglie Equazione di Schrödinger: forme dipendenti e indipendenti dal tempo Stati quantistici, ampiezze di probabilità e postulati di misura 2. Formalismo matematico e notazione di Dirac Spazio di Hilbert e insiemi di base Operatori lineari, operatori hermitiani, autofunzioni e autovalori Notazione di Bra-ket e prodotti interni/esterni Commutatori, principio di indeterminazione e osservabili compatibili Valori attesi, algebra degli operatori e rappresentazioni matriciali 3. Modelli quantistici di sistemi semplici Particella in una scatola: quantizzazione dell'energia, degenerazione, struttura del nodo Oscillatore armonico: superficie di energia potenziale, energia del punto zero, operatori a scala Rotore rigido: livelli di energia rotazionale, quantizzazione del momento angolare Atomo di idrogeno: soluzioni esatte, quanti numeri, funzioni d'onda radiali e angolari Armoniche sferiche e forme orbitali 4. Metodi di approssimazione nella meccanica quantistica molecolare Approssimazione di Born-Oppenheimer: separazione del moto nucleare ed elettronico, conseguenze per la struttura molecolare e la spettroscopia Accoppiamento non adiabatico: rottura dell'approssimazione BO, intersezioni coniche, transizioni vibroniche 5. Dinamica quantistica Equazione di Schrödinger dipendente dal tempo: soluzione formale, operatori di evoluzione Teoria delle perturbazioni dipendente dal tempo: immagine di interazione, probabilità di transizione Regola d'oro di Fermi: derivazione e uso in spettroscopia e scattering Effetto tunnel quantistico: penetrazione di barriere unidimensionali, stima della velocità di tunneling, tunneling nelle reazioni di trasferimento di protoni ed elettroni Dinamica dei pacchetti d'onda: coerenza, sovrapposizione ed evoluzione temporale Introduzione alla teoria dello scattering molecolare: sezioni d'urto, spostamenti di fase, risonanza 6. Applicazioni molecolari della meccanica quantistica Superfici di energia potenziale (PES): multidimensionali superfici, minimi, stati di transizione, percorsi di reazione Dinamica di reazione: reazioni elementari, teoria degli stati di transizione, costanti di velocità di reazione

Esame finale (70%): copre tutti i contenuti del corso. Relazioni di laboratorio/progetto finale (30%): un progetto di chimica computazionale o l'illustrazione di un lavoro in letteratura Durata media dell'esame orale: circa 20 minuti, durata della presentazione circa 15 minuti Valutazione: voto finale in trentesimi ottenuto dalla media pesata dei voti conseguiti per l'orale e la presentazione Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

-Modern Quantum Mechanics, J. J. Sakurai and Jim Napolitano. Cambridge University Press. -Molecular Quantum Mechanics, P.W. Atkins & R.S. Friedman .Supplementary material provided by the teacher

Applicare il formalismo di Dirac e quello matriciale della meccanica quantistica ai sistemi chimici. Utilizzare il modello dell'oscillatore armonico per descrivere il moto vibrazionale nelle molecole. Spiegare l'approssimazione di Born-Oppenheimer e il suo significato per le superfici di energia potenziale. Analizzare fenomeni come scattering, effetto tunnel e reazioni chimiche utilizzando la meccanica quantistica dipendente dal tempo.

Introduzione ai principi della meccanica quantistica. Formalismo di Dirac. Modelli quantistici: particella in una scatola, oscillatore armonico, rotore rigido, atomo di idrogeno. Metodi di approssimazione: approssimazione di Born-Oppenheimer, teoria delle perturbazioni. Effetti non adiabatici. Dinamica quantistica: equazione di Schrödinger dipendente dal tempo, regola aurea di Fermi, effetto tunnel quantistico e penetrazione di barriere. Teoria dello scattering molecolare. Applicazioni alla chimica: superfici di energia potenziale, dinamica di reazione, transizioni vibrazionali e rotazionali. Programmazione in chimica computazionale: soluzione di equazioni differenziali della meccanica quantistica, uso di software di chimica computazionale applicato alla dinamica molecolare. Sessione pratica.

Basi della meccanica quantistica, chimica fisica, rudimenti di programmazione

Lezioni frontali con slide e derivazioni alla lavagna, sessioni di problem-solving, laboratori computazionali, discussioni di gruppo su articoli recenti o di rassegna.

1. Introduzione alla teoria quantistica in chimica Contesto storico: fallimenti della meccanica classica nello spiegare i fenomeni atomici Emersione della teoria quantistica: ipotesi di Planck, Einstein e l'effetto fotoelettrico Dualità onda-particella e ipotesi di de Broglie Equazione di Schrödinger: forme dipendenti e indipendenti dal tempo Stati quantistici, ampiezze di probabilità e postulati di misura 2. Formalismo matematico e notazione di Dirac Spazio di Hilbert e insiemi di base Operatori lineari, operatori hermitiani, autofunzioni e autovalori Notazione di Bra-ket e prodotti interni/esterni Commutatori, principio di indeterminazione e osservabili compatibili Valori attesi, algebra degli operatori e rappresentazioni matriciali 3. Modelli quantistici di sistemi semplici Particella in una scatola: quantizzazione dell'energia, degenerazione, struttura del nodo Oscillatore armonico: superficie di energia potenziale, energia del punto zero, operatori a scala Rotore rigido: livelli di energia rotazionale, quantizzazione del momento angolare Atomo di idrogeno: soluzioni esatte, quanti numeri, funzioni d'onda radiali e angolari Armoniche sferiche e forme orbitali 4. Metodi di approssimazione nella meccanica quantistica molecolare Approssimazione di Born-Oppenheimer: separazione del moto nucleare ed elettronico, conseguenze per la struttura molecolare e la spettroscopia Accoppiamento non adiabatico: rottura dell'approssimazione BO, intersezioni coniche, transizioni vibroniche 5. Dinamica quantistica Equazione di Schrödinger dipendente dal tempo: soluzione formale, operatori di evoluzione Teoria delle perturbazioni dipendente dal tempo: immagine di interazione, probabilità di transizione Regola d'oro di Fermi: derivazione e uso in spettroscopia e scattering Effetto tunnel quantistico: penetrazione di barriere unidimensionali, stima della velocità di tunneling, tunneling nelle reazioni di trasferimento di protoni ed elettroni Dinamica dei pacchetti d'onda: coerenza, sovrapposizione ed evoluzione temporale Introduzione alla teoria dello scattering molecolare: sezioni d'urto, spostamenti di fase, risonanza 6. Applicazioni molecolari della meccanica quantistica Superfici di energia potenziale (PES): multidimensionali superfici, minimi, stati di transizione, percorsi di reazione Dinamica di reazione: reazioni elementari, teoria degli stati di transizione, costanti di velocità di reazione

Esame finale (70%): copre tutti i contenuti del corso. Relazioni di laboratorio/progetto finale (30%): un progetto di chimica computazionale o l'illustrazione di un lavoro in letteratura Durata media dell'esame orale: circa 20 minuti, durata della presentazione circa 15 minuti Valutazione: voto finale in trentesimi ottenuto dalla media pesata dei voti conseguiti per l'orale e la presentazione Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

-Modern Quantum Mechanics, J. J. Sakurai and Jim Napolitano. Cambridge University Press. -Molecular Quantum Mechanics, P.W. Atkins & R.S. Friedman .Supplementary material provided by the teacher

L'esame orale viene condotto per verificare (a) l'acquisizione dei concetti di base e specialistici della meccanica quantistica di sistemi dipendenti dal tempo (b) la comprensione formale e applicata di tecniche spettroscopiche di interesse chimico; (c) la capacità dello studente di esporre concetti anche complessi in modo chiaro, usando adeguatamente il linguaggio tecnico-scientifico, (d) la capacità di progettare esperimenti spettroscopici per acquisire informazioni specifiche su campioni macroscopici di varia natura, (e) la capacità di utilizzare le conoscenze acquisite per risolvere in modo propositivo problemi nuovi come richiesto per un proficuo inserimento nel mondo del lavoro o per affrontare in modo autonomo e competente lo studio richiesto per il terzo ciclo di istruzione superiore. Il superamento dei punti (a) e (b) definisce il requisito minimo per il superamento dell’esame (soglia). Cinque punti sono assegnati al punto (c), quattro punti al punto (d) e tre al punto (e). La lode richiede la completa padronanza degli argomenti esposti e nessun intervento di correzione da parte del docente. Lo studente che non superi un esame può presentarsi dopo un intervallo di almeno due settimane e comunque non più di due volte per sessione. Nella rara eventualità in cui lo studente sia riprovato per più di quattro volte, l’esame potrà essere sostenuto una sola volta per sessione.

La Spettroscopia può essere intesa come lo studio della meccanica quantistica applicata. Per questo il corso si propone di fornire gli strumenti di interpretazione dei risultati di misure condotte su sistemi molecolari con tecniche stazionarie di spettroscopia lineare.

E' necessario che lo studente abbia già acquisito conoscenze di analisi matematica, elettromagnetismo e meccanica quantistica.

Il corso prevede lo svolgimento in aula di lezioni frontali su tutti gli argomenti del corso. All’inizio di ogni lezione verranno brevemente riassunti i concetti necessari a sviluppare il nuovo argomento. Ciascuno dei concetti di base sarà riferito all’interpretazione di spettri di letteratura, o applicato alla risoluzione di esercizi dimostrativi. Le ultime quattro/sei ore di lezione saranno dedicate ad un riassunto dei concetti illustrati per evidenziare i collegamenti e stimolare il confronto tra le caratteristiche delle diverse tecniche presentate.

1. Introduzione alla spettroscopia molecolare. Descrizione delle proprietà elettriche della materia. Equazione di Schröedinger e approssimazione di Born-Oppenheimer. I gradi di libertà molecolari. Descrizione classica della radiazione elettromagnetica. Teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo. Coefficienti di Einstein. Ampiezza naturale di banda. La legge di Lambert-Beer. 2. Requisiti generali della strumentazione Le sorgenti e i detectors. I monocromatori. Gli interferometri Fabry-Perot e Michelson 3. La spettroscopia rotazionale di molecole biatomiche Il rotatore rigido: trattazione classica e quantomeccanica (cenni). Livelli energetici, popolazione dei livelli, regole di selezione e spettri rotazionali. Effetto Stark. Il rotatore non rigido. 4. La spettroscopia Raman rotazionale Diffusione Rayleigh e diffusione Raman. Interpretazione dell'effetto Raman. Ellissoide di polarizzabilità. Regole di selezione nell'effetto Raman. Spettri Raman rotazionali di molecole biatomiche. Cenni sulla strumentazione. Livelli rotazionali e statistica nucleare. 5. La spettroscopia rotazionale di molecole poliatomiche Momenti principali di inerzia, ellissoide dei momenti e classificazione delle molecole in base ai loro momenti d'inerzia. Molecole lineari: regole di selezione e spettri rotazionali, determinazione di distanze di legame, effetto Stark. Spettri rotazionali di rotori prolati e oblati. Spettri Raman rotazionali di molecole top-simmetriche. Spettri di molecole asimmetriche. 6. La spettroscopia vibrazionale di molecole biatomiche L'oscillatore armonico: trattazione classica e quantomeccanica (cenni). Livelli energetici, regole di selezione e spettri vibrazionali. Funzioni di energia potenziale per un legame chimico. L'oscillatore non armonico. Energie di dissociazione. La spettroscopia Raman vibrazionale: teoria classica e quantistica. Geometrie di scattering e proprietà di polarizzazione. 7. La spettroscopia vibrazionale di molecole poliatomiche Gradi di libertà vibrazionali. La natura delle vibrazioni normali e delle coordinate normali. Trattazione quantomeccanica delle vibrazioni molecolari (cenni). Frequenze di gruppo. Cenni di teoria dei gruppi. Le proprietà di simmetria delle coordinate normali. Regole di selezione: l?attività infrarossa e Raman. Calcolo delle frequenze vibrazionali e delle coordinate normali di H2O. 8. Gli spettri vibrorotazionali Regole di selezione e transizioni per il modello Rotatore rigido-oscillatore armonico. Accoppiamento di rotazioni e vibrazioni. Bande parallele e perpendicolari di molecole lineari e symmetric top. 9. Gli spettri elettronici di molecole biatomiche Classificazione degli stati elettronici di una molecola. Regole di selezione. Analisi vibrazionale di un sistema di bande. Sequenze e progressioni. Tavola di Deslandres e sua utilizzazione per derivare costanti molecolari. Struttura rotazionale delle bande in uno spettro elettronico (parabole di Fortrat). Valutazione delle energie di dissociazione. 10. La spettroscopia Raman risonante Teoria di Kramers-Heisemberg-Dirac dell?effetto Raman. Intensificazione per risonanza. Fattori di disturbo allo scattering risonante. Risonanza Franck-Condon e fenomeni di accoppiamento vibronico. Profili di eccitazione RR.

La verifica dell'apprendimento prevede un'unica prova orale della durata di trenta-quarantacinque minuti. All'inizio della prova il candidato presenterà un argomento a piacere per la durata di dieci minuti circa e poi sosterrà un colloquio a stimolo aperto con risposta aperta.

J. M. HOLLAS, High resolution Spectroscopy, Second Edition, John Wiley & Sons, 1998. J.L. McHALE, Molecular Spectroscopy, First edition, Prentice Hall, 1999.

L'esame orale viene condotto per verificare (a) l'acquisizione dei concetti di base e specialistici della meccanica quantistica di sistemi dipendenti dal tempo (b) la comprensione formale e applicata di tecniche spettroscopiche di interesse chimico; (c) la capacità dello studente di esporre concetti anche complessi in modo chiaro, usando adeguatamente il linguaggio tecnico-scientifico, (d) la capacità di progettare esperimenti spettroscopici per acquisire informazioni specifiche su campioni macroscopici di varia natura, (e) la capacità di utilizzare le conoscenze acquisite per risolvere in modo propositivo problemi nuovi come richiesto per un proficuo inserimento nel mondo del lavoro o per affrontare in modo autonomo e competente lo studio richiesto per il terzo ciclo di istruzione superiore. Il superamento dei punti (a) e (b) definisce il requisito minimo per il superamento dell’esame (soglia). Cinque punti sono assegnati al punto (c), quattro punti al punto (d) e tre al punto (e). La lode richiede la completa padronanza degli argomenti esposti e nessun intervento di correzione da parte del docente. Lo studente che non superi un esame può presentarsi dopo un intervallo di almeno due settimane e comunque non più di due volte per sessione. Nella rara eventualità in cui lo studente sia riprovato per più di quattro volte, l’esame potrà essere sostenuto una sola volta per sessione.

La Spettroscopia può essere intesa come lo studio della meccanica quantistica applicata. Per questo il corso si propone di fornire gli strumenti di interpretazione dei risultati di misure condotte su sistemi molecolari con tecniche stazionarie di spettroscopia lineare.

E' necessario che lo studente abbia già acquisito conoscenze di analisi matematica, elettromagnetismo e meccanica quantistica.

Il corso prevede lo svolgimento in aula di lezioni frontali su tutti gli argomenti del corso. All’inizio di ogni lezione verranno brevemente riassunti i concetti necessari a sviluppare il nuovo argomento. Ciascuno dei concetti di base sarà riferito all’interpretazione di spettri di letteratura, o applicato alla risoluzione di esercizi dimostrativi. Le ultime quattro/sei ore di lezione saranno dedicate ad un riassunto dei concetti illustrati per evidenziare i collegamenti e stimolare il confronto tra le caratteristiche delle diverse tecniche presentate.

1. Introduzione alla spettroscopia molecolare. Descrizione delle proprietà elettriche della materia. Equazione di Schröedinger e approssimazione di Born-Oppenheimer. I gradi di libertà molecolari. Descrizione classica della radiazione elettromagnetica. Teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo. Coefficienti di Einstein. Ampiezza naturale di banda. La legge di Lambert-Beer. 2. Requisiti generali della strumentazione Le sorgenti e i detectors. I monocromatori. Gli interferometri Fabry-Perot e Michelson 3. La spettroscopia rotazionale di molecole biatomiche Il rotatore rigido: trattazione classica e quantomeccanica (cenni). Livelli energetici, popolazione dei livelli, regole di selezione e spettri rotazionali. Effetto Stark. Il rotatore non rigido. 4. La spettroscopia Raman rotazionale Diffusione Rayleigh e diffusione Raman. Interpretazione dell'effetto Raman. Ellissoide di polarizzabilità. Regole di selezione nell'effetto Raman. Spettri Raman rotazionali di molecole biatomiche. Cenni sulla strumentazione. Livelli rotazionali e statistica nucleare. 5. La spettroscopia rotazionale di molecole poliatomiche Momenti principali di inerzia, ellissoide dei momenti e classificazione delle molecole in base ai loro momenti d'inerzia. Molecole lineari: regole di selezione e spettri rotazionali, determinazione di distanze di legame, effetto Stark. Spettri rotazionali di rotori prolati e oblati. Spettri Raman rotazionali di molecole top-simmetriche. Spettri di molecole asimmetriche. 6. La spettroscopia vibrazionale di molecole biatomiche L'oscillatore armonico: trattazione classica e quantomeccanica (cenni). Livelli energetici, regole di selezione e spettri vibrazionali. Funzioni di energia potenziale per un legame chimico. L'oscillatore non armonico. Energie di dissociazione. La spettroscopia Raman vibrazionale: teoria classica e quantistica. Geometrie di scattering e proprietà di polarizzazione. 7. La spettroscopia vibrazionale di molecole poliatomiche Gradi di libertà vibrazionali. La natura delle vibrazioni normali e delle coordinate normali. Trattazione quantomeccanica delle vibrazioni molecolari (cenni). Frequenze di gruppo. Cenni di teoria dei gruppi. Le proprietà di simmetria delle coordinate normali. Regole di selezione: l?attività infrarossa e Raman. Calcolo delle frequenze vibrazionali e delle coordinate normali di H2O. 8. Gli spettri vibrorotazionali Regole di selezione e transizioni per il modello Rotatore rigido-oscillatore armonico. Accoppiamento di rotazioni e vibrazioni. Bande parallele e perpendicolari di molecole lineari e symmetric top. 9. Gli spettri elettronici di molecole biatomiche Classificazione degli stati elettronici di una molecola. Regole di selezione. Analisi vibrazionale di un sistema di bande. Sequenze e progressioni. Tavola di Deslandres e sua utilizzazione per derivare costanti molecolari. Struttura rotazionale delle bande in uno spettro elettronico (parabole di Fortrat). Valutazione delle energie di dissociazione. 10. La spettroscopia Raman risonante Teoria di Kramers-Heisemberg-Dirac dell?effetto Raman. Intensificazione per risonanza. Fattori di disturbo allo scattering risonante. Risonanza Franck-Condon e fenomeni di accoppiamento vibronico. Profili di eccitazione RR.

La verifica dell'apprendimento prevede un'unica prova orale della durata di trenta-quarantacinque minuti. All'inizio della prova il candidato presenterà un argomento a piacere per la durata di dieci minuti circa e poi sosterrà un colloquio a stimolo aperto con risposta aperta.

J. M. HOLLAS, High resolution Spectroscopy, Second Edition, John Wiley & Sons, 1998. J.L. McHALE, Molecular Spectroscopy, First edition, Prentice Hall, 1999.

Seguendo regolarmente e con profitto il corso lo studente acquisirà: - conoscenza dei principi che determinano le proprietà elettroniche e chimiche di materiali organici ed inorganici; - conoscenza degli effetti dimensionali e di superficie sulle proprietà elettroniche dei nanomateriali; - capacità di razionalizzare i fenomeni ottici e spettroscopici e saperli descrivere, usando i principi ed i modelli fondamentali acquisiti; - capacità di usare un linguaggio tecnico-scientifico adeguato alle problematiche trattate.

Metodi e modelli per descrivere il comportamento elettronico ed ottico di un materiale, inteso come sistema collettivo organico o inorganico. Relazione tra proprietà chimico-fisiche e dimensionalità dei materiali; metodi per descrivere le principali proprietà elettroniche ed ottiche di materiali di nanostrutturati e nanoibridi.

Al fine di poter comprendere i contenuti concettuali e seguire il corso con profitto lo studente dovrebbe aver acquisito le conoscenze di base relative: - Equazioni di Maxwell - Legami chimici; modello degli orbitali molecolari. - Basi quantistiche dell’interazione radiazione materia.

Il corso è organizzato in due parti di lezioni frontali svolte in aula su tutti gli argomenti del corso con l'ausilio di dispositivi video: La prima parte (per un totale di 4 CFU) riguarda lo sviluppo di metodi e modelli per descrivere il comportamento di sistemi collettivi organici o inorganici La seconda fase consiste (per un totale di 4 CFU) consiste nell’uso dei metodi e modelli per descrivere le principali proprietà di materiali di nanostrutturati e nanoibridi.

Programma: Stato cristallino. Ordine traslazionale: reticoli semplici e complessi, cellula primitiva. Cristalli covalenti: fononi ed eccitoni. Capacità termica. Cristalli ionici: polaritoni e plasmoni. Interazione fonone-elettrone. Assorbimento ottico nei semiconduttori Cristalli bi- e mono-dimensionali. Etero-strutture quantistiche. Eccitoni nelle strutture quantistiche. Transizioni intrabanda e interbanda. Dispositivi di emissione di luce.

La verifica del grado di apprendimento viene condotta mediante una prova orale, che consiste in una discussione della durata di circa 40-45 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e la capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma. La prova orale deve consentire inoltre di verificare la capacità comunicative dello studente con linguaggio tecnico scientifico adequato alle tematiche trattate; durante la verifica viene anche valutata la capacità di applicare i concetti teorici ad esercitazioni numeriche-pratiche. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Materiale didattico consigliato e/o messo a disposizione dai docenti.

Seguendo regolarmente e con profitto il corso lo studente acquisirà: - conoscenza dei principi che determinano le proprietà elettroniche e chimiche di materiali organici ed inorganici; - conoscenza degli effetti dimensionali e di superficie sulle proprietà elettroniche dei nanomateriali; - capacità di razionalizzare i fenomeni ottici e spettroscopici e saperli descrivere, usando i principi ed i modelli fondamentali acquisiti; - capacità di usare un linguaggio tecnico-scientifico adeguato alle problematiche trattate.

Metodi e modelli per descrivere il comportamento elettronico ed ottico di un materiale, inteso come sistema collettivo organico o inorganico. Relazione tra proprietà chimico-fisiche e dimensionalità dei materiali; metodi per descrivere le principali proprietà elettroniche ed ottiche di materiali di nanostrutturati e nanoibridi.

Al fine di poter comprendere i contenuti concettuali e seguire il corso con profitto lo studente dovrebbe aver acquisito le conoscenze di base relative: - Equazioni di Maxwell - Legami chimici; modello degli orbitali molecolari. - Basi quantistiche dell’interazione radiazione materia.

Il corso è organizzato in due parti di lezioni frontali svolte in aula su tutti gli argomenti del corso con l'ausilio di dispositivi video: La prima parte (per un totale di 4 CFU) riguarda lo sviluppo di metodi e modelli per descrivere il comportamento di sistemi collettivi organici o inorganici La seconda fase consiste (per un totale di 4 CFU) consiste nell’uso dei metodi e modelli per descrivere le principali proprietà di materiali di nanostrutturati e nanoibridi.

Programma: Stato cristallino. Ordine traslazionale: reticoli semplici e complessi, cellula primitiva. Cristalli covalenti: fononi ed eccitoni. Capacità termica. Cristalli ionici: polaritoni e plasmoni. Interazione fonone-elettrone. Assorbimento ottico nei semiconduttori Cristalli bi- e mono-dimensionali. Etero-strutture quantistiche. Eccitoni nelle strutture quantistiche. Transizioni intrabanda e interbanda. Dispositivi di emissione di luce.

La verifica del grado di apprendimento viene condotta mediante una prova orale, che consiste in una discussione della durata di circa 40-45 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e la capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma. La prova orale deve consentire inoltre di verificare la capacità comunicative dello studente con linguaggio tecnico scientifico adequato alle tematiche trattate; durante la verifica viene anche valutata la capacità di applicare i concetti teorici ad esercitazioni numeriche-pratiche. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Materiale didattico consigliato e/o messo a disposizione dai docenti.

L'obiettivo principale dell'insegnamento consiste nel fornire agli studenti le conoscenze di base per comprendere le proprietà della materia soffice e il suo studio attraverso tecniche spettroscopiche. Le principali conoscenze acquisite saranno: -fondamenti di fisica ottica; -fondamenti di chimica fisica della materia soffice; -conoscenze di base sulla dinamica molecolare dei sistemi in fase condensata; -conoscenze di base di alcune tecniche spettroscopiche per lo studio della materia soffice. Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno: -razionalizzare il comportamento dei sistemi esaminati sulla base delle loro proprietà molecolari; -interpretare dati spettroscopici riguardanti lo studio della materia soffice; -interpretare le leggi, i modelli e le equazioni introdotti per descrivere i fenomeni chimico-fisici considerati.

Principi di ottica e applicazioni spettroscopiche. Proprietà della materia soffice, processi dinamici e tecniche spettroscopiche per il loro studio, con esempi applicativi.

Elementi di base di fisica e di spettroscopia molecolare.

Lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio.

• Radiazione elettromagnetica: equazioni di Maxwell e correzione della legge di Ampère. Generazione e propagazione delle onde elettromagnetiche. Trasporto di energia e intensità dell’onda elettromagnetica. Spettro elettromagnetico. Propagazione della luce nel vuoto e nella materia. Riflessione e rifrazione della luce. Riflessione totale (ATR). - Polarizzazione dell’onda elettromagnetica. Polarizzazione per riflessione. Birifrangenza. Polarizzazione lineare, circolare ed ellittica. Attività ottica e dicroismo circolare. - Specchi e lenti. Formazione dell’immagine, ottica geometrica e ottica ondulatoria. Cenni a specchi piani e sferici. Lenti sottili (applicazioni, strumenti ottici comuni). - Interferenza ed esperimento di Young. Coerenza spaziale e temporale. Interferenza da lamine sottili. - Diffrazione e teoria ondulatoria. Diffrazione attraverso apertura circolare. Risoluzione ottica spaziale. - Spettroscopia FT-IR e ATR-FTIR. Principi dell’IR. Interferometro di Michelson. Trasformata di Fourier continua e discreta. Vantaggi della FT-IR. - Strumentazione dispersiva: spettroscopia Raman dispersiva. Meccanismo di funzionamento del laser. Reticoli di diffrazione. Dispersione e potere risolutivo. - Caratteristiche generali della materia soffice: interazioni intermolecolari, organizzazione strutturale, dinamica, parametro d’ordine e transizioni di fase, polidispersione. - Tecniche per lo studio della materia soffice: microscopia, diffusione della luce (light scattering), scattering di raggi X e neutroni, reologia, calorimetria, altri metodi spettroscopici. - Scale temporali di alcuni processi chimici di interesse. Funzioni di autocorrelazione nel tempo e fluttuazioni. - Aspetti teorici e applicativi di diverse tecniche spettroscopiche: IR, Raman, Dynamic Light Scattering. Depolarized light scattering, Brillouin scattering.

L’esame prevede una prova orale e una relazione su un’esperienza di laboratorio. La prova orale consiste in una discussione finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti trattati. Essa consentirà inoltre di verificare la capacità di applicare correttamente le conoscenze teoriche e di comunicare quanto acquisito con proprietà di linguaggio, organizzando in modo autonomo l’esposizione degli argomenti. La relazione di laboratorio consentirà di verificare la capacità dello studente di elaborare e presentare i risultati relativi all’esperienza svolta. Il voto finale risulterà dalla media delle valutazioni delle due prove. La durata dell’esame varia in base all’andamento della prova stessa. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Fondamenti di fisica - David Halliday e Robert Resnick Chimica Fisica - Peter William Atkins, Julio De Paula, James Keeler Scattering di Luce Dinamico – con applicazioni in Chimica, Biologia Fisica- B.B. Berne, R. Pecora Fisica della Materia Soffice - Masao Doi

L'obiettivo principale di questo corso è fornire agli studenti conoscenze di base generali sui diversi aspetti, problemi e applicazioni delle collisioni atomiche e molecolari, inclusi i processi nucleari. In particolare: - gli studenti saranno in grado di spiegare e discutere gli approcci teorici di base per la descrizione delle collisioni molecolari e della dinamica di reazione, nonché della cinetica microscopica; - gli studenti saranno in grado di descrivere le tecniche sperimentali più comuni e i loro limiti nello studio delle collisioni atomiche e molecolari; - gli studenti saranno in grado di descrivere la struttura dei nuclei, spiegarne la stabilità e comprendere l'origine degli elementi chimici; - gli studenti acquisiranno familiarità con i principi del decadimento radioattivo e la loro cinetica; - gli studenti comprenderanno l'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia, i principi delle reazioni nucleari e il loro possibile utilizzo per produrre energia.

In questo corso sarà affrontato lo studio dei fenomeni dovuti alle collisioni fra atomi e molecole e ai loro esiti in termini di proprietà macroscopiche dei sistemi chimici. Una parte significativa del corso sarà dedicata allo studio dei processi che coinvolgono i nuclei, con elementi di radiochimica e chimica nucleare.

• Conoscenze di Fisica a livello di lauree scientifiche di Primo Livello (indispensabile) - Conoscenze di cinetica chimica a livello di lauree scientifiche di Primo Livello (indispensabile) - Conoscenze di base sulla struttura di atomi e molecole, inclusi orbitali atomici e molecolari (indispensabile).

Lezioni frontali e laboratorio

• La struttura del nucleo • Decadimenti radioattivi • Cinetica dei decadimenti radioattivi • Reazioni nucleari e applicazioni • Collisioni molecolari e reazioni elmentari • Superfici di energia potenziale • Sezioni d'urto differenziali • Sezioni d'urto state-specific • Coefficienti di velocità terminci e microcanonici • Tecniche del vuoto

L'esame prevede un test scritto preliminare e una prova orale che consiste in una discussione della durata di circa 30-40 minuti, finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunti dallo studente sui contenuti indicati nel programma. La prova orale consentira', inoltre, di verificare la capacita' di comunicazione dell'allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione.

Mark Brouard, Title: Reaction Dynamics (Oxford Chemistry Primers) Peter McPherson, Title: Principles of Nuclear Chemistry (Essential Textbooks in Chemistry) Le copie delle slides mostrate a lezione saranno disponibili su piattaforma Unistudium.

L'obiettivo principale di questo corso è fornire agli studenti conoscenze di base generali sui diversi aspetti, problemi e applicazioni delle collisioni atomiche e molecolari, inclusi i processi nucleari. In particolare: - gli studenti saranno in grado di spiegare e discutere gli approcci teorici di base per la descrizione delle collisioni molecolari e della dinamica di reazione, nonché della cinetica microscopica; - gli studenti saranno in grado di descrivere le tecniche sperimentali più comuni e i loro limiti nello studio delle collisioni atomiche e molecolari; - gli studenti saranno in grado di descrivere la struttura dei nuclei, spiegarne la stabilità e comprendere l'origine degli elementi chimici; - gli studenti acquisiranno familiarità con i principi del decadimento radioattivo e la loro cinetica; - gli studenti comprenderanno l'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia, i principi delle reazioni nucleari e il loro possibile utilizzo per produrre energia.

In questo corso sarà affrontato lo studio dei fenomeni dovuti alle collisioni fra atomi e molecole e ai loro esiti in termini di proprietà macroscopiche dei sistemi chimici. Una parte significativa del corso sarà dedicata allo studio dei processi che coinvolgono i nuclei, con elementi di radiochimica e chimica nucleare.

• Conoscenze di Fisica a livello di lauree scientifiche di Primo Livello (indispensabile) - Conoscenze di cinetica chimica a livello di lauree scientifiche di Primo Livello (indispensabile) - Conoscenze di base sulla struttura di atomi e molecole, inclusi orbitali atomici e molecolari (indispensabile).

Lezioni frontali e laboratorio

• La struttura del nucleo • Decadimenti radioattivi • Cinetica dei decadimenti radioattivi • Reazioni nucleari e applicazioni • Collisioni molecolari e reazioni elmentari • Superfici di energia potenziale • Sezioni d'urto differenziali • Sezioni d'urto state-specific • Coefficienti di velocità terminci e microcanonici • Tecniche del vuoto

L'esame prevede un test scritto preliminare e una prova orale che consiste in una discussione della durata di circa 30-40 minuti, finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunti dallo studente sui contenuti indicati nel programma. La prova orale consentira', inoltre, di verificare la capacita' di comunicazione dell'allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione.

Mark Brouard, Title: Reaction Dynamics (Oxford Chemistry Primers) Peter McPherson, Title: Principles of Nuclear Chemistry (Essential Textbooks in Chemistry) Le copie delle slides mostrate a lezione saranno disponibili su piattaforma Unistudium.

L'obiettivo principale di questo corso è fornire agli studenti conoscenze di base generali sui diversi aspetti, problemi e applicazioni delle collisioni atomiche e molecolari, inclusi i processi nucleari. In particolare: - gli studenti saranno in grado di spiegare e discutere gli approcci teorici di base per la descrizione delle collisioni molecolari e della dinamica di reazione, nonché della cinetica microscopica; - gli studenti saranno in grado di descrivere le tecniche sperimentali più comuni e i loro limiti nello studio delle collisioni atomiche e molecolari; - gli studenti saranno in grado di descrivere la struttura dei nuclei, spiegarne la stabilità e comprendere l'origine degli elementi chimici; - gli studenti acquisiranno familiarità con i principi del decadimento radioattivo e la loro cinetica; - gli studenti comprenderanno l'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia, i principi delle reazioni nucleari e il loro possibile utilizzo per produrre energia.

In questo corso sarà affrontato lo studio dei fenomeni dovuti alle collisioni fra atomi e molecole e ai loro esiti in termini di proprietà macroscopiche dei sistemi chimici. Una parte significativa del corso sarà dedicata allo studio dei processi che coinvolgono i nuclei, con elementi di radiochimica e chimica nucleare.

• Conoscenze di Fisica a livello di lauree scientifiche di Primo Livello (indispensabile) - Conoscenze di cinetica chimica a livello di lauree scientifiche di Primo Livello (indispensabile) - Conoscenze di base sulla struttura di atomi e molecole, inclusi orbitali atomici e molecolari (indispensabile).

Lezioni frontali e laboratorio

• La struttura del nucleo • Decadimenti radioattivi • Cinetica dei decadimenti radioattivi • Reazioni nucleari e applicazioni • Collisioni molecolari e reazioni elmentari • Superfici di energia potenziale • Sezioni d'urto differenziali • Sezioni d'urto state-specific • Coefficienti di velocità terminci e microcanonici • Tecniche del vuoto

L'esame prevede un test scritto preliminare e una prova orale che consiste in una discussione della durata di circa 30-40 minuti, finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunti dallo studente sui contenuti indicati nel programma. La prova orale consentira', inoltre, di verificare la capacita' di comunicazione dell'allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione.

Mark Brouard, Title: Reaction Dynamics (Oxford Chemistry Primers) Peter McPherson, Title: Principles of Nuclear Chemistry (Essential Textbooks in Chemistry) Le copie delle slides mostrate a lezione saranno disponibili su piattaforma Unistudium.

L'obiettivo principale di questo corso è fornire agli studenti conoscenze di base generali sui diversi aspetti, problemi e applicazioni delle collisioni atomiche e molecolari, inclusi i processi nucleari. In particolare: - gli studenti saranno in grado di spiegare e discutere gli approcci teorici di base per la descrizione delle collisioni molecolari e della dinamica di reazione, nonché della cinetica microscopica; - gli studenti saranno in grado di descrivere le tecniche sperimentali più comuni e i loro limiti nello studio delle collisioni atomiche e molecolari; - gli studenti saranno in grado di descrivere la struttura dei nuclei, spiegarne la stabilità e comprendere l'origine degli elementi chimici; - gli studenti acquisiranno familiarità con i principi del decadimento radioattivo e la loro cinetica; - gli studenti comprenderanno l'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia, i principi delle reazioni nucleari e il loro possibile utilizzo per produrre energia.

In questo corso sarà affrontato lo studio dei fenomeni dovuti alle collisioni fra atomi e molecole e ai loro esiti in termini di proprietà macroscopiche dei sistemi chimici. Una parte significativa del corso sarà dedicata allo studio dei processi che coinvolgono i nuclei, con elementi di radiochimica e chimica nucleare.

• Conoscenze di Fisica a livello di lauree scientifiche di Primo Livello (indispensabile) - Conoscenze di cinetica chimica a livello di lauree scientifiche di Primo Livello (indispensabile) - Conoscenze di base sulla struttura di atomi e molecole, inclusi orbitali atomici e molecolari (indispensabile).

Lezioni frontali e laboratorio

• La struttura del nucleo • Decadimenti radioattivi • Cinetica dei decadimenti radioattivi • Reazioni nucleari e applicazioni • Collisioni molecolari e reazioni elmentari • Superfici di energia potenziale • Sezioni d'urto differenziali • Sezioni d'urto state-specific • Coefficienti di velocità terminci e microcanonici • Tecniche del vuoto

L'esame prevede un test scritto preliminare e una prova orale che consiste in una discussione della durata di circa 30-40 minuti, finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunti dallo studente sui contenuti indicati nel programma. La prova orale consentira', inoltre, di verificare la capacita' di comunicazione dell'allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione.

Mark Brouard, Title: Reaction Dynamics (Oxford Chemistry Primers) Peter McPherson, Title: Principles of Nuclear Chemistry (Essential Textbooks in Chemistry) Le copie delle slides mostrate a lezione saranno disponibili su piattaforma Unistudium.

Al termine del corso, lo studente dovrà essere in grado di: Risolvere l'equazione di Schrödinger dipendente dal tempo con un metodo di base. Derivare e applicare le approssimazioni improvvise e adiabatiche. Derivare la teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo e la Regola d'Oro di Fermi. Illustrare le connessioni tra gli approcci newtoniano, lagrangiano e hamiltoniano alla meccanica classica. Illustrare come gli spettri elettronici possano essere calcolati tramite le funzioni di autocorrelazione. Applicare i metodi di Fourier e degli operatori di split per risolvere numericamente l'equazione di Schrödinger dipendente dal tempo.

Il corso copre diversi metodi esatti, approssimati e numerici per risolvere l'equazione di Schrödinger molecolare dipendente dal tempo, e applicazioni che includono il calcolo degli spettri elettronici molecolari. Argomenti più avanzati includono l'introduzione ai metodi semiclassici.

Meccanica quantistica di base

Lezioni frontali con slide e derivazioni alla lavagna, sessioni di problem-solving, laboratori computazionali, discussioni di gruppo su articoli recenti o di rassegna.

1. Ripasso della dinamica molecolare classica.Formalismi Langrangiani e Hamiltoniani, spazio delle fasi. Dinamica molecolare classica e termodinamica nello spazio delle fasi. 2. Dinamica quantistica esatta in tempo reale. Equazione di Schrödinger dipendente dal tempo. Approssimazione di Born-Oppenheimer e superfici di energia potenziale. Funzioni di correlazione temporale. Metodi di propagazione quantistica delle funzioni d'onda. Metodo dell'operatore di split e trasformata di Fourier veloce. 3. Metodi approssimati per la dinamica quantistica. Approssimazione improvvisa. Approssimazione adiabatica.Teoria delle perturbazioni dipendente dal tempo. Regola d'oro di Fermi. 4. Dinamica semiclassica. Vecchia teoria quantistica e approssimazione WKB.Funzione di Wigner. Propagatore di Van Vleck. Rappresentazione semiclassica del valore iniziale.

Prova finale (80%): copre l'intero corso. Esercitazioni pratiche (20%). Voto finale in trentesimi ottenuto dalla media ponderata dei voti ottenuti nella valutazione dell'orale e delle esercitazioni pratiche. Per informazioni sui servizi di supporto per studenti con disabilità e/o DSA, visitare la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

J. Zhang, Theory and Application of Quantum Molecular Dynamics, World Scientific. Appunti e materiale forniti dal docente

Seguendo regolarmente e con profitto il corso lo studente acquisirà: - conoscenza dei principi che determinano le proprietà chimiche e fisiche di materiali nanostrutturati; - conoscenza dei principi chimici su cui si basano i metodi per sintetizzare materiali nanostrutturati; - conoscenza degli effetti dimensionali e di superficie sulle proprietà chimiche dei nanomateriali - conoscenza dei metodi di caratterizzazione dimensionale e strutturale dei nanomateriali; - capacità di razionalizzare i fenomeni di interesse e saperli descrivere su basi quantitative, usando i principi ed i modelli fondamentali acquisiti; - capacità di individuare il metodo e le condizioni sperimentali opportuni per preparare materiali nanostrutturati di composizione e dimensione definita; - capacità di selezionare la più opportuna tecnica analitica in funzione della natura dell’oggetto o del materiale da caratterizzare - capacità di usare un linguaggio tecnico-scientifico adeguato alle problematiche trattate.

Metodi di sintesi di materiali nanostrutturati; Relazione tra proprietà chimico-fisiche e dimensioni dei materiali; Metodi di caratterizzazione dimensionale, strutturale ed elettronica di nanomateriali.

Al fine di poter comprendere i contenuti concettuali e saper affrontare il corso lo studente deve possedere conoscenze di - Descrizione termodinamica di processi in soluzione in condizioni omegenee ed eterogenee; Equazioni cinetiche in soluzioni omegenee ed eterogenee. - Legami chimici; modello degli orbitali molecolari. - Modello dell'atomo idrogenoide.

Il corso è organizzato in due parti: La prima parte consiste in lezioni frontali (per un totale di 5 CFU) svolte in aula su tutti gli argomenti del corso con l'ausilio di dispositivi video. La seconda fase consiste in esercitazioni pratiche (per un totale di 1 CFU) della durata di quattro ore ciascuna. Gli studenti saranno divisi in gruppi (massimo tre studenti per gruppo) ed eseguiranno le esperienze pratiche riguardanti la progettazione del metodo preparativo di nanomateriali e la definizione del metodo di analisi dimensionale ed elettronico più appropriato.

Programma: - Introduzione ai materiali nanostrutturati, relazione tra dimensionalità e proprietà chimiche e fisiche. - Definizione di nanoparticelle come materiali zero-dimensionati; materiali zero-dimensionati in sospensioni colloidali. - Sintesi di nanoparticelle mediante metodi chimici. Termodinamica del processo di nucleazione in soluzioni omogenee e del processo di crescita. Fattori che influenzano la cinetica di crescita di nuclei stabili. - Sintesi di nanoparticelle colloidali; procedure basate sul controllo dell'equilibrio termodinamico del processo di nucleazione dei precursori e crescita di nanoparticelle; metodi basati sul controllo cinetico della crescita in ambienti confinati; terminazione del processo di crescita. - Sintesi di nanoparticelle metalliche, nanoparticelle di semiconduttori; nanoparticelle di ossidi di semiconduttori; nanoparticelle organiche; nanomateriali ibridi. - Metodi di caratterizzazione morfologica e dimensionale: microscopia elettronica a scansione e a trasmissione. - Metodi di caratterizzazione dimensionale, strutturale ed elettronica mediante tecniche di microscopia a scansione: Microscopia a scansione di tunnelling e microscopia a forza atomica. - Metodi di manipolazione chimica della superficie di nanoparticelle; procedure di passivazione o funzionalizzazione superficiale. - Metodi di caratterizzazione superficiale; misure di DLS; potenziale Z e XPS. - Applicazioni di materiali nanostrutturati.

La valutazione viene condotta mediante una prova orale, che consiste in una discussione della durata di circa 40-45 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e la capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma. La prova orale deve consentire inoltre di verificare la capacità comunicative dello studente con linguaggio tecnico scientifico adeguato alle tematiche trattate; durante la verifica viene anche valutata la capacità di applicare i concetti teorici ad esercitazioni numeriche o pratiche svolte in laboratorio . Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

G. Cao, “Nanostructures & Nanomaterials” - Synthesis, Properties & Applications, Imperial College Press 2004 J.Z. Zhang

Il corso dovrebbe mostrare allo studente l’importanza delle metodologie sintetiche fondamentale per comprendere la reattività delle molecole organiche e progettare la sintesi di molecole comunemente impiegate sia in ambito accademico che industriale Il corso dovrebbe permettere allo studente di acquisire le seguenti conoscenze di base: Conoscere la stereoselettività nelle reazioni Conoscere i metodi fondamentali di ossidazione delle molecole organiche Conoscere i metodi fondamentali di riduzione delle molecole organiche Conoscere la chimica fondamentale dei carbanioni e dei reagenti organometallici Conoscere i processi chiave usati nella produzione moderna ossidazioni enantioselettive, metodologie di ottimizzazione di processo.

Il corso tratta le maggiori metodologie metodologie sintetiche impiegate per comprendere la reattività delle molecole organiche e per progettare la sintesi di molecole comunemente impiegate sia in ambito accademico che industriale

Si richiede la conoscenza degli elementi chimica organica di base (Chimica Organica I e II).

Il Corso prevede lezioni teoriche frontali con esempi pratici, in modo da facilitare lo studente nell’apprendimento delle tecniche moderne di ottimizzazione di processo chimico. Nelle lezioni di 2 ore ciascuna, tenute in aula, verranno illustrati i principi della Sintesi organica e verranno anche introdotte problematiche chimiche per comprendere meglio gli esempi pratici.

Il Corso prevede lezioni teoriche frontali - Stereoselettività nelle reazioni di addizione nucleofile alla funzionalità carbonilica. Regola di Cram, Karabatos, Felkin, Felkin-Anh - Reazioni di ossidazione ( ossidazione delle varie funzionalità organiche). - Reazioni di riduzione ( riduzione delle varie funzionalità organiche). - I carbanioni nella sintesi organica. - Cenni sui composti orgamometallici e loro reazioni - Sintesi della Sertralina - Sintesi del Talampanel - Sintesi delle Swainsonine - Sintesi dell'Indinavir

La prova di profitto comprende la valutazione di relazioni scritte sulle attività di laboratorio e di una prova orale, che comporterà la formulazione di 4-5 domande nell’arco di ca 40 minuti. La prova è finalizzata all’accertamento delle capacità dello studenti e di valutare l’impatto ambientale di un processo chimico e distinguere i diversi fattori che lo influenzano. La valutazione complessiva della prova di esame terrà conto, dei seguenti aspetti: correttezza e adeguatezza delle risposte, capacità di elaborazione e connessione concettuale, padronanza e proprietà di linguaggio, secondo le seguenti rispettive percentuali: 60%, 20%, 20%. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Ai frequentanti sarà fornito, in forma elettronica, lo stesso materiale utilizzato dal docente per lezioni in aula. Un testo rappresentativo di riferimento è: Advanced Organic Chemistry, 2007 Ed AUTORI: Carey, Francis A., Sundberg, Richard J. Part A: Structure and Mechanisms Part B: Reaction and Synthesis

L'obiettivo del corso è quello di fornire allo studente una conoscenza dettagliata della realtà sperimentale e della trattazione teorica della dinamica delle reazioni chimiche, al fine di comprendere e interpretare gli eventi reattivi a livello molecolare e di chiarire come le quantità osservabili dipendano dalla natura e dalla distribuzione nei reagenti e nei prodotti di alcune grandezze fisiche: velocità, energia interna e momento della quantità di moto.

Introduzione alla dinamica di reazione. Processi in fase gassosa, processi elementari di scambio di energia e reattivi. Processi fotochimici. Meccanismi unimolecolari e bimolecolari. Esperimenti di dinamica di reazione e interpretazione teorica. Approcci teorici alla dinamica di reazione. Teoria quantistica, rappresentazione adiabatica, superfici di energia potenziale. Equazione di Schroendinger: dipendente dal tempo e indipendente dal tempo. Dinamica di pacchetti d'onda. Processi che coinvolgono più superfici, fotochimica, intersezioni coniche. Richiami di meccanica statistica. Cinetica chimica, approccio statistico, teoria dello stato di transizione, caratterizzazione delle superfici di energia potenziale e dei cammini di reazione. Dinamica e cinetica stato-a-stato. Trattazione classical dei processi reattivi. Passaggio dai processi elementari e sistemi semplici a sistemi complessi e macromolecole. Esempi di trattamento teorico di sistemi reattivi, confronto con esperimenti e analisi dei risultati, tratti dalla letteratura recente, verranno discussi e analizzati

Conoscenze di base di meccanica quantistica, termodinamica e meccanica statistica. Conoscenze di un linguaggio di programmazione (Fortran, Python, C, C++, Laura, R.......)

Lezioni frontali.

1. Introduzione. 2. Generalità. 3. Elementi di termodinamica e cinetica 4. Meccanica statistica 5. Dalla dinamica dei processi elementari alla modellazione di sistemi complessi. -- a) sezioni d'urto per collisioni reattive; b) dalle sezioni d'urto alle costanti di velocità. 6. Aspetti teorici: a) Generalità sulla dinamica delle collisioni; b) classificazione delle collisioni; modelli classici. 7. Dinamica molecolare, equazioni del moto e campi di forza 8. Condizioni al contorno periodiche. Introduzione agli approcci di campionamento migliorato 9. Umbrella Sampling and Replica Exchange 10. Esempi di QM/MM e di ricerca

Presentazione orale su uno o più argomenti trattati durante il corso, seguita da domande di carattere generale. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Dispense e riferimenti bibliografici forniti dal docente. Testi opzionali consigliati: -R. D. Levine "Molecular Reaction Dynamics" -D. J. Wales "Energy Landscapes"

L'insegnamento si pone come approfondimento e sintesi dei percorsi formativi di chimica quantistica, inorganica, di stato solido, per la catalisi e per l’energia. Il corso intende fornire agli studenti un'introduzione all’utilizzo del calcolatore e di strumenti di calcolo e teorie avanzate alla risoluzione di problemi di interesse pratico nei campi della catalisi ed energia. L'obiettivo principale è mostrare come i metodi di simulazione e calcolo affrontati nel corso permettano lo studio modellistico di molecole e materiali di interesse in catalisi ed applicazioni energetiche, tramite l’utilizzo di programmi di calcolo ad ampia diffusione. Ci si pone anche un obiettivo predittivo rispetto a nuovi processi o materiali, in cui il calcolo e la simulazione possono servire in alternativa o complementarietà ad indagini sperimentali. Un obiettivo collaterale del corso è anche quello di acquisire familiarità con ambienti di calcolo e computer non usuali, sia in termini di sistema operativo che dimensioni e potenza. Le principali abilità sviluppate acquisite durante il corso saranno: • essere in grado di affrontare criticamente problemi di interesse catalitico ed energetici tramite un approccio computazionale come importante strumento di ricerca di base ed applicata; • conoscere le basi teoriche e le limitazioni dei metodi di calcolo più diffusi in chimica computazionale e scienza dei materiali; • apprendere l'utilizzo base di programmi di calcolo (ADF, Gaussian e Quantum Espresso) per lo studio di sistemi molecolari e in fase condensata. • valutare criticamente i risultati computazionali ottenuti in relazione ad informazioni sperimentali sul sistema di interesse; • capacità di previsione delle proprietà strutturali, reattive ed elettroniche di nuove molecole e materiali per catalisi ed energia disegnati al calcolatore.

Stato dell’arte e argomenti strategici nella ricerca internazionale in catalisi ed energia. Introduzione all’approccio computazionale e modellistico allo studio di molecole e materiali inorganici per applicazioni catalitiche ed energetiche. Fondamenti e implementazione di metodi basati sulla teoria del funzionale della densità elettronica (DFT). Calcolo della geometria e della struttura elettronica di molecole e solidi. Simulazione di proprietà spettroscopiche. Utilizzo dei principali programmi di calcolo molecolari e di stato solido. Visualizzazione ed interpretazione dei risultati mediante software grafici avanzati.

Al fine di saper affrontare il corso in maniera ottimale lo studente deve possedere le nozioni di base della chimica quantistica, inorganica, di stato solido, nonché fondamenti di catalisi e di chimica per l’energia.

Il corso è organizzato in una serie di lezioni frontali abbinate ad esercitazioni pratiche al calcolatore su argomenti strategici con spunto dalla ricerca internazionale in catalisi ed energia. Le esercitazioni si svolgeranno presso il Laboratorio Computazionale di Fotovoltaico Ibrido/Organico di Perugia.

Stato dell’arte e argomenti strategici nella ricerca internazionale in catalisi ed energia: • semiconduttori inorganici per fotovoltaico. • materiali e processi per fotovoltaico di nuova generazione. • lo splitting catalitico dell’acqua e la produzione catalitica di idrogeno. Fondamenti e implementazione di metodi basati sulla teoria del funzionale della densità elettronica (DFT). • La densità elettronica e gli orbitali molecolari. • Le equazioni di Kohn-Sham e i funzionali di scambio-correlazione. • Struttura elettronica di molecole e struttura a bande di solidi. • Dettagli computazionali: Set di base, accuratezza numerica, effetti relativistici, effetti del solvente. • Dinamica molecolare ab initio. Introduzione all’approccio computazionale e modellistico allo studio di molecole e materiali inorganici per applicazioni catalitiche ed energetiche. • Proprietà spettroscopiche, di stati eccitati e conducibilità elettrica. • Teoria dello stato di transizione e di trasferimento elettronico. • Proprietà calcolabili, complessità modellistica e loro accuratezza. Calcolo della geometria e della struttura elettronica di molecole e solidi. • Definizione di superficie di energia potenziale ed ottimizzazione di geometrie molecolari e di solidi inorganici. • Calcolo delle frequenze vibrazionali e loro analisi per l’individuazione di stati di transizione e strutture di equilibrio. • Dinamica molecolare e calcolo di proprietà termodinamiche. Simulazione di proprietà spettroscopiche. • Simulazione di spettri NMR, EPR, Uv-vis, IR e Raman di molecole e solidi. Utilizzo dei principali programmi di calcolo molecolari e di stato solido. • Costruzione di input per programmi di calcolo ad ampia diffusione (ADF, Gaussian, Quantum Espresso). • Ottimizzazione del set-up computazionale (requisiti di memoria, CPU, spazio disco, tempi di esecuzione etc.) • Lettura dei file di output ed interpretazione risultati. Visualizzazione ed interpretazione dei risultati mediante software grafici avanzati. • Visualizzazione strutture 3D di molecole e solidi (molden, ADFView, molekel, VMD). • Visualizzazione di orbitali molecolari e densità elettroniche (molden, ADFView, molekel, VMD). • Visualizzazione numerica risultati e interpolazione dati (gnuplot, matematica, xmgr, excell, origin).

Preparazione e discussione di un progetto di ricerca autonomo prendendo spunto dagli argomenti trattati a lezione. Tale presentazione consentirà la discussine critica degli argomenti del corso oltre che lo sviluppo di interessi autonomi. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa)

Slide delle lezioni forniti dal docente e appunti usati per l’effettuazione delle esercitazioni I testi di riferimento sono: F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999. R. Hoffmann, Solids and Surfaces: A Chemist's View of Bonding in Extended Structures, Wiley, 1989. ISBN: 978-0-471-18710-3 R. G. Parr, W. Yang, Density Functional Theory of Atoms and Molecules, Oxford University Press.

L'insegnamento si pone come approfondimento e sintesi dei percorsi formativi di chimica quantistica, inorganica, di stato solido, per la catalisi e per l’energia. Il corso intende fornire agli studenti un'introduzione all’utilizzo del calcolatore e di strumenti di calcolo e teorie avanzate alla risoluzione di problemi di interesse pratico nei campi della catalisi ed energia. L'obiettivo principale è mostrare come i metodi di simulazione e calcolo affrontati nel corso permettano lo studio modellistico di molecole e materiali di interesse in catalisi ed applicazioni energetiche, tramite l’utilizzo di programmi di calcolo ad ampia diffusione. Ci si pone anche un obiettivo predittivo rispetto a nuovi processi o materiali, in cui il calcolo e la simulazione possono servire in alternativa o complementarietà ad indagini sperimentali. Un obiettivo collaterale del corso è anche quello di acquisire familiarità con ambienti di calcolo e computer non usuali, sia in termini di sistema operativo che dimensioni e potenza. Le principali abilità sviluppate acquisite durante il corso saranno: • essere in grado di affrontare criticamente problemi di interesse catalitico ed energetici tramite un approccio computazionale come importante strumento di ricerca di base ed applicata; • conoscere le basi teoriche e le limitazioni dei metodi di calcolo più diffusi in chimica computazionale e scienza dei materiali; • apprendere l'utilizzo base di programmi di calcolo (ADF, Gaussian e Quantum Espresso) per lo studio di sistemi molecolari e in fase condensata. • valutare criticamente i risultati computazionali ottenuti in relazione ad informazioni sperimentali sul sistema di interesse; • capacità di previsione delle proprietà strutturali, reattive ed elettroniche di nuove molecole e materiali per catalisi ed energia disegnati al calcolatore.

Stato dell’arte e argomenti strategici nella ricerca internazionale in catalisi ed energia. Introduzione all’approccio computazionale e modellistico allo studio di molecole e materiali inorganici per applicazioni catalitiche ed energetiche. Fondamenti e implementazione di metodi basati sulla teoria del funzionale della densità elettronica (DFT). Calcolo della geometria e della struttura elettronica di molecole e solidi. Simulazione di proprietà spettroscopiche. Utilizzo dei principali programmi di calcolo molecolari e di stato solido. Visualizzazione ed interpretazione dei risultati mediante software grafici avanzati.

Al fine di saper affrontare il corso in maniera ottimale lo studente deve possedere le nozioni di base della chimica quantistica, inorganica, di stato solido, nonché fondamenti di catalisi e di chimica per l’energia.

Il corso è organizzato in una serie di lezioni frontali abbinate ad esercitazioni pratiche al calcolatore su argomenti strategici con spunto dalla ricerca internazionale in catalisi ed energia. Le esercitazioni si svolgeranno presso il Laboratorio Computazionale di Fotovoltaico Ibrido/Organico di Perugia.

Stato dell’arte e argomenti strategici nella ricerca internazionale in catalisi ed energia: • semiconduttori inorganici per fotovoltaico. • materiali e processi per fotovoltaico di nuova generazione. • lo splitting catalitico dell’acqua e la produzione catalitica di idrogeno. Fondamenti e implementazione di metodi basati sulla teoria del funzionale della densità elettronica (DFT). • La densità elettronica e gli orbitali molecolari. • Le equazioni di Kohn-Sham e i funzionali di scambio-correlazione. • Struttura elettronica di molecole e struttura a bande di solidi. • Dettagli computazionali: Set di base, accuratezza numerica, effetti relativistici, effetti del solvente. • Dinamica molecolare ab initio. Introduzione all’approccio computazionale e modellistico allo studio di molecole e materiali inorganici per applicazioni catalitiche ed energetiche. • Proprietà spettroscopiche, di stati eccitati e conducibilità elettrica. • Teoria dello stato di transizione e di trasferimento elettronico. • Proprietà calcolabili, complessità modellistica e loro accuratezza. Calcolo della geometria e della struttura elettronica di molecole e solidi. • Definizione di superficie di energia potenziale ed ottimizzazione di geometrie molecolari e di solidi inorganici. • Calcolo delle frequenze vibrazionali e loro analisi per l’individuazione di stati di transizione e strutture di equilibrio. • Dinamica molecolare e calcolo di proprietà termodinamiche. Simulazione di proprietà spettroscopiche. • Simulazione di spettri NMR, EPR, Uv-vis, IR e Raman di molecole e solidi. Utilizzo dei principali programmi di calcolo molecolari e di stato solido. • Costruzione di input per programmi di calcolo ad ampia diffusione (ADF, Gaussian, Quantum Espresso). • Ottimizzazione del set-up computazionale (requisiti di memoria, CPU, spazio disco, tempi di esecuzione etc.) • Lettura dei file di output ed interpretazione risultati. Visualizzazione ed interpretazione dei risultati mediante software grafici avanzati. • Visualizzazione strutture 3D di molecole e solidi (molden, ADFView, molekel, VMD). • Visualizzazione di orbitali molecolari e densità elettroniche (molden, ADFView, molekel, VMD). • Visualizzazione numerica risultati e interpolazione dati (gnuplot, matematica, xmgr, excell, origin).

Preparazione e discussione di un progetto di ricerca autonomo prendendo spunto dagli argomenti trattati a lezione. Tale presentazione consentirà la discussine critica degli argomenti del corso oltre che lo sviluppo di interessi autonomi. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa)

Slide delle lezioni forniti dal docente e appunti usati per l’effettuazione delle esercitazioni I testi di riferimento sono: F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999. R. Hoffmann, Solids and Surfaces: A Chemist's View of Bonding in Extended Structures, Wiley, 1989. ISBN: 978-0-471-18710-3 R. G. Parr, W. Yang, Density Functional Theory of Atoms and Molecules, Oxford University Press.

Il corso dovrebbe mostrare allo studente l'utilità dei moderni approcci computazionali nella pratica della chimica organica. Lo studente sarà indirizzato all'utilizzo di tali approcci, e sarà fornito degli strumenti culturali utili a un'analisi critica dei risultati di studi computazionali. Le principali conoscenze acquisite saranno: - Principi teorici di base della chimica quantistica; - Principi dei metodi Hartree-Fock, post-HF, semiempirici e DFT; - Principi dell'applicazione di metodologie computazionali alla costruzione di curve di energia potenziale; - Limiti di applicabilità e di accuratezza dei metodi computazionali oggetto di studio; - Principi della valutazione del ciclo di vita. Le principali abilità (cioè la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno: - Essere in grado di interpretare i risultati di uno studio computazionale su un meccanismo di un processo organico; - Essere in grado di riconoscere i limiti di applicabilità e di accuratezza di una determinata metodologia computazionale; - Essere in grado di valutare l'applicabilità di una metodologia computazionale alla risoluzione di problemi in chimica organica; - Essere in grado di mettere in relazione i risultati di uno studio meccanicistico computazionale con risultati sperimentali; - Essere in grado di comprendere i risultati di un'analisi del ciclo di vita di un prodotto chimico e di comparare tramite LCA due o più processi chimici alternativi.

Il corso rappresenta un'introduzione alle tecniche computazionali più utilizzate in chimica organica, in particolar modo nello studio dei meccanismi di reazione di processi chimici. Una parte rilevante del corso riguarda lo studio dell'impatto ambientale di processi chimici tramite valutazione del ciclo di vita (LCA).

Al fine della comprensione degli argomenti oggetto dell'insegnamento è necessaria una conoscenza di base di chimica organica (Chimica Organica I e II).

Il corso è organizzato nel seguente modo: - lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso - esercitazioni al computer in aula

Cenni teorici. Modelli e approssimazioni. Equazioni fondamentali in chimica quantistica. Approssimazione di Born-Oppenheimer. Principio variazionale. LCAO e basis sets. Metodo Hartree-Fock (HF). Metodi post-HF (CI, coupled-cluster, Møller-Plesset). Metodi semiempirici. Teoria del funzionale della densità (DFT). Dispersione. Metodi ibridi QM/MM. Solvatazione. Simulazioni cinetiche. Teoria dello stato di transizione. Costruzione e analisi di curve di energia potenziale. Population analysis. Metodi NBO e AIM. Simulazione di spettri NMR. Richiami alle principali tecniche sperimentali per lo studio dei meccanismi di reazione in chimica organica. Connessioni tra risultati teorici e sperimentali. Applicazioni allo studio di meccanismi di reazione in chimica organica. Processi organocatalitici promossi da basi, amine, carbeni, acidi di Brønsted o catalizzatori bifunzionali. Processi di cross-coupling catalizzati da metalli di transizione. Reazioni di C-H funzionalizzazione. Introduzione alla valutazione del ciclo di vita (LCA). Definizione di scopo e obiettivi. Unità funzionale e confini del sistema. Inventario. Unità processo e sistemi di allocazione. Valutazione degli impatti. Caratterizzazione e categorie d'impatto. Interpretazione dei risultati. Esempi applicativi in chimica organica.

La prova di profitto consiste in un colloquio orale di circa 30-40 minuti. La prova è finalizzata all’accertamento delle capacità dello studente di comprendere e applicare i moderni approcci computazionali oggetto di studio a problemi di chimica organica. La valutazione complessiva della prova di esame terrà conto dei seguenti aspetti: correttezza e adeguatezza delle risposte, capacità di elaborazione e connessione concettuale, padronanza e proprietà di linguaggio, secondo le seguenti rispettive percentuali: 60%, 20%, 20%. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa).

Ai frequentanti sarà fornito, in forma elettronica, lo stesso materiale utilizzato dal docente per le lezioni in aula.

Il corso si pone lo scopo di fornire agli studenti le conoscenze fondamentali per riuscire a comprendere come sono fatti i materiali, da cosa derivano le loro proprietà e come esse possano essere controllate ed ingegnerizzate per scopi applicativi innovativi.

Lo sviluppo di materiali avanzati è diventato fondamentale nella società odierna e trova applicazione in molteplici settori quali energetica, elettronica, catalisi, medicina. Questo corso si pone lo scopo di analizzare, sia dal punto di vista teorico che sperimentale, le caratteristiche di moderni materiali funzionali e di razionalizzare come queste si riflettono sulle loro proprietà più peculiari. In particolare verrà trattato nel dettaglio come le caratteristiche ottiche, elettroniche e strutturali di certi materiali si riflettono sulle loro proprietà. Applicazioni sperimentali nel campo dei diodi, dello stoccaggio di energia e nella catalisi eterogenea verranno trattati in dettaglio.

Fondamenti di chimica inorganica, meccanica quantistica, elettrodinamica e di spettroscopia.

Il corso è suddiviso in due parti una teorica ed una applicativa. Entrambe le parti includeranno sia lezioni frontali che esercitazioni di laboratorio.

• Fondamenti di chimica dello stato solido - Proprietà ottiche dei solidi - Eccitoni - Plasmoni - Fononi - Proprietà dei materiali 2D - Dicalcogenuri dei metalli di transizione - Spintronica and Valleytronica - Materiali esotici - Metamateriali - Superconductori - OLED - Emettitori organometallici - Principi di Elettrochimica - Elettrocatalisi - Batterie - Catalisi eterogenea - Applicazioni in campo ambientale della catalisi.

L'esame si svolgerà per mezzo di un colloquio orale con entrambi i docenti del corso riguardante le tematiche trattate durante le lezioni. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa.

Slides fornite dai docenti.

L’insegnamento ha l’obiettivo di fornire una visione ampia e generale dei processi alla base dei cicli biogeochimici che condizionano la stato del nostro pianeta. Questi comprendono processi naturali e perturbazioni dovute alle attività antropiche. Un particolare riferimento sarà sempre fatto alle questioni ambientali globali quali il clima e la salute degli ecosistemi. Le principali conoscenze acquisite saranno la conoscenza della struttura chimica dei principali comparti ambientali (atmosfera, litosfera, biosfera, idrosfera) e dei flussi di elementi ed energia tra di essi. Al termine del corso lo studente deve saper discutere le maggiori questioni ambientali da un punto di vista chimico

Evoluzione chimica della Terra e cicli biogeochiimici; Struttura e composizione dell’atmosfera; Acqua e ciclo idrologico; Chimica degli Oceani; Chimica del Suolo; Effetti isotopici; i cicli biogeochimici - concetti, terminologia ed approccio modellistico; Il ciclo biogeochimico dell’azoto; Il ciclo biogeochimico carbonio; Il ciclo biogeochimico di zolfo e fosforo; Il ciclo biogeochimico dei metalli e sostanze in tracce tracce; Accoppiamento dei cicli biogeochimici; Modifiche antropiche del sistema Terra

Al fine di comprendere i concetti del corso è necessario aver acquisito i fondamenti di Chimica generale, Chimica Fisica e Chimica Organica;

Lezioni frontali; il corso è organizzato in una serie di lezioni in aula essenzialmente monotematiche sugli argomenti descritti nel programma

La chimica ambientale: Introduzione al corso, storia e sviluppi recenti. Il sistema Terra. Approcci deterministici ed olistici. Cicli biogeochimici: teoria e modelli. Struttura fisica e chimica dell'atmosfera. Pressione. Temperatura ed energia. Composizione chimica. Equazione idrostatica. Struttura termica. Dry Adiabatic Lapse Rate. Radiosondaggi. PBL. Evoluzione chimica della Terra; formazione degli oceani; formazione dell'atmosfera e dell'ossigeno molecolare; origine chimica della vita; metanogenesi; evidenze chimiche della fotosintesi corofilliana; Bilancio energetico dell'atmosfera. Effetto serra Riscaldamento globale ed effetti e feedback sulla chimica dell'ambiente. Chimica della stratosfera, assorbimento della radiazione elettromagnetica; fotochimica di azoto ed ossigeno molecolari; fotochimica dell'acqua; formazione dell'ozono stratosfericio e meccanismo di Chapman; buco dell'ozono, meccanismi e catalizzatori delle reazioni di scomparsa dell'ozono; clorofluocarburi Chimica della troposfera; ossidi di azoto; produzione di ozono trosposferico; smog fotochimico; piogge acide Aerosol atmosferico; distribuzione dimensionale; meccanismi di formazione, trasformazione e scomparsa; composizione chimica dell'aerosol atmosferico; effetti sul clima e sulla salute; metodi di misura Isotopi e loro effetti nei processi naturali; note storiche; abbondanza isotopica; l'effetto isotopico (termodinamoco e cinetico); fattore di frazionamento; notazione delta; scala di temperaura geochimica; paleo-scala di temperatura dei carbonati; frazionamento isotopico ed efetti sulle precipitazioni; linea dell'acqua meteorica; carote di ghiaccio; effetti isotopici nei composti del carbonio; Chimica della litosfera; struttura e tessitura del suolo; processi chimici di rock weathering; biodisponibilità di sostanze nel suolo; solubilizzazione congruente ed incongruente; effetto del pH; materia organica nel suolo; minerali del fosforo; influenza antropica; Chimica della Biosfera; clorofilla e fotosintesi clorofilliana; traspirazione ed efficienza nell'uso dell'acqua; nutrienti; produzione netta primaria (NPP); fotosintesi C3 e C4; assimilazione di azoto; fissazione di azoto; meccanismi di decadimento; Il ciclo idrologico - Chimica degli oceani; circolazione oceanica (termoclina termoalina); El Nino Southern Oscillation; composizione chimica dell'acqua di mare; produzione primaria degli oceani; ossigeno disciolto; sedimenti; clatrati; carbonati biogenici; pompa biologica e ciclo dei nutrienti; flussi globali di azoto e fosforo; DMS; Dai modelli cinetici semplici ai cicli biogeochimici; tempo di vita e tempo di residenza; i comparti della geosfera; modelli a singolo box e multi box; flussi e bilancio di massa; modelli a puff; Ciclo globale dell'azoto; stati di osidazione e principali composti dell'azoto; processi microbici; fertilizzazione ed effetti antropici; Cicli globali di zolfo e fosforo; Ciclo globale del carbonio;riserve e flussi di carbonio; effetto Suess; carbonio in atmosfera; esperimento di David Keeling; il ruolo degli oceani; il ciclo lento: idrosfera-litosfera; il ciclo veloce: atmosfera biosfera;

L'esame prevede una prova orale che consiste in una discussione della durata di circa 30 minuti finalizzati ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione dello studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa)

W.H.SCHLESINGER, E.S.B ERNHARDT, BIOGEOCHEMISTRY An Analysis of Global Change (third edition) 2013 Elsevier Inc; (2) Jacobson, Charlson, Rodhe, Orians - Earth System Science

Il corso si propone di fornire una adeguata conoscenza delle caratteristiche dei solidi inorganici da un punto di vista chimico-strutturale. Saranno approfonditi a tal fine gli aspetti cristallografici dei solidi ionici e la struttura elettronica dei solidi covalenti. Sarà poi fornita allo studente una visione di insieme delle principali tecniche di indagine usate attualmente nella chimica dei materiali. Lo studente dovrà essere in grado, alla fine del corso, di scegliere le tecniche di caratterizzazione adeguate e saper interpretare i risultati al fine di descrivere completamente un materiale inorganico oggetto di studio.

il corso di caratterizzazione avanzata di materiali inorganici è diviso in due parti: nella prima parte verranno approfonditi gli aspetti chimici e strutturali dei solidi ionici, molecolari e covalenti con particolare enfasi sulla cristallografia e simmetria dei solidi cristallini. Nella seconda parte verranno trattate alcune delle principali tecniche di caratterizzazione allo stato solido al fine di ottenere informazioni strutturali e descrivere le principali proprietà dei materiali studiati. in particolare il corso verterà su: Diffrazione a raggi X, Spettroscopie di assorbimento di raggi X e di fotoemissione.Microscopie elettroniche, analisi termiche, analisi di area superficiale e composizione chimica mediante ICP. Il corso prevede l'utilizzo pratico degli strumenti disponibili presso il dipartimento.

I prerequisiti fondamentali per seguire con profitto il corso sono una adegauta preparazione in chimica inorganica e dello stato solido. Sono richieste adeguate conoscenze di matematica e fisica dei sistemi elettromagnetici. è consigliabile la frequenza del corso di "chimica dei materiali inorganici"

lezioni frontali integrate ad esperienze di laboratorio nella seconda parte del corso.

Stati di aggregazione della materia. Stato amorfo e stato cristallino. Elementi di cristallografia morfologica. Reticoli di punti, filari e piani. Maglie e celle elementari. I e II legge della cristallografia morfologica. Operazioni di simmetria del punto. Operatori di I e II specie. Rotazioni, inversioni e traslazioni. Operatori composti. Le 32 classi del punto. I 7 sistemi cristallini. Reticoli di Bravais. Gruppi spaziali. Lettura e comprensione delle tabelle internazionali. I solidi ionici. Interazioni ioniche. Energia reticolare. Costante di Madelung. Interazioni repulsive. Equazione di Born Landè. Equazione di Kaputinsky. Stabilità termica dei solidi ionici. Ciclo di Born Haber. Raggi ionici. Raggi univalenti e cristallini. Numero di coordinazione. Leggi di Pauling. Stabilità dei solidi ionici. Impacchettamenti compatti. Impacchettamenti cubici ed esagonali. Reticoli centrati. Calcolo del fattore di impacchettamento atomico. Densità planari e lineari. Calcolo densità teorica. Cavità trigonali, ottaedriche e tetraedriche. Calcoli geometrici. Strutture tipo dei solidi ionici: Blenda, zinco-blenda, fluorite, antifluorite, NaCl, CsCl, Perovskite, Rutilo e Anatasio. Cenni sui difetti e dislocazioni nei cristalli. Solidi covalenti. Cenni sul legame covalente. Strutture a bande di solidi metallici, semiconduttori e isolanti. Strutture a bande di solidi inorganici. Diffrazione a raggi X. Generazione dei raggi X. Sorgenti di laboratorio e non convenzionali. Luce di sincrotrone. Brillanza dei fotoni. Interazione raggi X con la materia. Scattering di Thomson e Compton. Assorbimento. Fluorescenza. Scattering elettronico. Scattering atomico. Fattore di scattering. Scattering da cella elementare. Reticolo reciproco. Leggi di Laue. Legge di Bragg. Densità elettronica. Fattore di struttura. Problema della fase. Metodi di risoluzione problema della fase. Metodi diretti e funzione di Patterson. Diffrazione da cristallo singolo: Geometrie a 3 e 4 cerchi. Rivelatori di raggi X. Matrice di orientazione. Strategie di raccolta dati. Intensità integrate e calcolo degli F2. Fattori di accordo. Diffrazione da polveri: geometrie Bragg Brentano e Debye Scherrer. Aberrazioni strumentali. Profilo strumentale e intrinseco del campione. Contributo di size-strain. Funzioni di profilo. Cenni sui metodi di risoluzione ab-initio e raffinamento Rietveld. Il file cristallografico e relative informazioni. Microscopie elettroniche. Microscopia a scansione. Accelerazione degli elettroni. Filamenti e ed emissioni di campo. Elettroni secondari e retrodiffusi. Analisi EDX. Mappe X. Microscopia a trasmissione. Dark field e Bright field. High-resolution. Cenni su microscopia a forza atomica. Spettroscopie di assorbimento ai raggi X. Spettroscopie EXAFS e XANES. Funzioni di distribuzione radiale. Spettroscopie di emissione di fotoelettroni (XPS) Termogravimetria. Analisi termica differenziale. Calorimetria a scansione differenziale. Misure di area superficiale. Micro-, meso- e macro-porosità. Distribuzione dei pori. Isoterme di assorbimento di N2. Teoria di Langmuir. Teoria BET. Fisi- e chemi-sorbimento. Calori isosterici. Assorbimento di CO2. Cenni su analisi ICP-NOE. Esercitazioni di caratterizzazione su solidi organometallici porosi.

L'esame verterà in una prova orale sugli argomenti trattati nel corso. Inoltre, durante la prova sarà chiesto all'esaminando di descrivere qualitativamente i dati sperimentali acquisiti su un materiale oggetto di approfondimento al fine di determinarne la composizione chimica e le principali proprietà.

-J. C. Vickerman, S. Gilmor. Surface Analysis. The principle techniques Second Edition. Wiley Ltd. Publications. -L.E. Smart. Solid State Chemistry, An introduction. Fourth Edition CRC Press

L'obiettivo principale del corso e' l'acquisizione di conoscenze indispensabili per la comprensione del ruolo dei metalli nei sistemi biologici e dei processi chimici in cui sono coinvolti.

Introduzione alla chimica bioinorganica. Principi di chimica di coordinazione. Proprieta' di molecole biologiche. Scelta, controllo ed utilizzo della concentrazione di ioni metallici nelle cellule. Interazioni di ioni metallici con biomolecole. Funzioni biologiche di metalloproteine. Metalloenzimi e loro meccanismi di reazione.

Al fine di comprendere e affrontare il corso e' necessario aver acquisito nozioni generali di chimica inorganica e di biologia.

Lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti del corso tenute con l'ausilio di diapositive. Gli studenti sono invitati ad essere presenti durante le lezioni e a prendere appunti in quanto i testi esistenti sono molto ampi a dispersivi e dovrebbero servire solo come eventuale approfondimento degli argomenti trattati in aula. Le diapositive delle lezioni saranno messe a disposizione degli studenti.

Introduzione al ruolo della chimica inorganica nei processi biologici. Gli elementi chimici essenziali in biologia. Principi di chimica di coordinazione correlati alla bioinorganica: aspetti termodinamici e cinetici. Struttura elettronica e struttura geometrica degli ioni metallici nei sistemi biologici. Proprieta' delle molecole biologiche: proteine ed acidi nucleici. Controllo ed utilizzo della concentrazione degli ioni metallici nelle cellule: biodisponibilita' degli ioni metallici, strategie di assunzione, unita' specializzate in biologia, effetti tossici e benefici di ioni metallici, generazione ed utilizzo di gradienti di concentrazione di ioni metallici. Interazione degli ioni metallici con proteine ed acidi nucleici: legame, struttura e stabilita'. Proteine vettrici di elettroni. Trasferimento elettronico a lunga distanza: teoria di Marcus. Metalloenzimi: legame del substrato ed attivazione mediante meccanismi non redox. Chimica del trasferimento di atomi e di gruppi atomici: trasporto ed immagazzinamento di ossigeno molecolare; reazioni di trasferimento di un atomo di ossigeno; metalloenzimi protettivi; reazioni dipendenti dal coenzima B-12. Modulazione delle proprieta' dei metalli ad opera delle proteine per ottenere funzioni specifiche. Fotosintesi clorofilliana e fotosintesi artificiale. Metalli in medicina.

L'esame prevede una prova orale di discussione del programma di studio della durata di circa 40 minuti, allo scopo di accertare la comprensione degli aspetti e risultati salienti della materia e delle loro connessioni concettuali. Saranno valutati anche il rigore argomentativo, la proprietà di linguaggio e la profondità di analisi. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa)

S.J. Lippard, J.M. Berg "Principles of bioinorganic chemistry" University Science Books, Mill Valley, California R.M. Roat-Malone "Bioinorganic chemistry - A short course" Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey

L’obiettivo principale del corso è fornire agli studenti le conoscenze fondamentali sulla struttura, sulle proprietà e sulle applicazioni dei materiali polimerici, con particolare attenzione alle relazioni struttura–proprietà–funzione e agli aspetti di sostenibilità. Il corso mira inoltre a sviluppare la capacità di interpretare dati di caratterizzazione, confrontare materiali polimerici convenzionali e biobased/biodegradabili, e valutare criticamente il loro impiego in diversi settori applicativi, considerando anche riciclo, smaltimento e impatto ambientale. Le principali conoscenze acquisite saranno: conoscenze di base sulla struttura, classificazione e architettura dei polimeri organici; conoscenze sulle principali proprietà chimiche, fisiche, termiche e meccaniche dei materiali polimerici; conoscenze sulle principali tecniche di caratterizzazione strutturale, termica e meccanica; conoscenze sulle relazioni tra struttura, proprietà e applicazioni dei materiali polimerici; conoscenze sulle principali classi di polimeri convenzionali, biobased e biodegradabili; conoscenze sui concetti di bioplastica, biodegradabilità e compostabilità; conoscenze sull’impiego dei polimeri in settori applicativi chiave, quali packaging, tessile, automotive, agricoltura, biomedicale e processi di separazione; conoscenze di base su microplastiche, riciclo, economia circolare, eco-design e normative europee relative ai materiali plastici; conoscenze utili a valutare la sostenibilità e il destino ambientale dei materiali polimerici lungo il loro ciclo di vita; conoscenze introduttive su alcune frontiere emergenti dei materiali polimerici, quali polimeri conduttivi, smart polymers e nanocompositi.

Il corso introduce i fondamenti della chimica e della scienza dei polimeri, con attenzione alle relazioni tra struttura, proprietà e applicazioni. Saranno trattate le principali tecniche di caratterizzazione e l’impiego dei materiali polimerici in settori applicativi chiave, con particolare riferimento a sostenibilità, bioplastiche, microplastiche, riciclo, eco-design e nuove frontiere dei materiali polimerici.

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Lezioni frontali in presenza dedicate agli argomenti del corso, con il supporto di strumenti interattivi, quali Mentimeter, per favorire la partecipazione attiva degli studenti. Sono inoltre previste attività in modalità Journal Club, basate sulla lettura e discussione guidata in aula di articoli scientifici e casi studio.

Fondamenti di chimica e scienza dei polimeri Struttura e classificazione dei polimeri. Architetture macromolecolari. Cristallinità e proprietà dei materiali polimerici. Relazioni struttura–proprietà–applicazioni. Caratterizzazione dei materiali polimerici Principali tecniche di caratterizzazione strutturale, termica e meccanica. Lettura e interpretazione guidata di dati sperimentali tratti da articoli scientifici. Polimeri in settori applicativi chiave Materiali polimerici per il packaging, con confronto tra polimeri convenzionali, quali PET, PE e PP, e materiali biobased o biodegradabili, quali PLA e PHA. Polimeri per applicazioni tessili e automotive, inclusi poliammidi, poliuretani e bio-compositi. Polimeri per l’agricoltura, quali LDPE, PLA, PBS e polimeri superassorbenti. Casi studio su innovazione e sostenibilità nei materiali polimerici Polimeri per applicazioni biomedicali, inclusi PMMA e siliconi. Membrane polimeriche per processi di separazione. Bioplastiche ottenute da biomasse residue. Sostenibilità, ambiente e normativa Microplastiche e ambiente: evidenze scientifiche, regolamentazione europea e possibili soluzioni tecnologiche. Economia circolare dei materiali polimerici: riciclo meccanico e chimico, eco-design e strategie per la riduzione dell’impatto ambientale. Nuove normative europee su packaging e plastiche monouso. Approfondimenti da letteratura scientifica recente Analisi guidata di articoli scientifici recenti nell’ambito della chimica e scienza dei polimeri, con discussione in stile journal club. Nuove frontiere dei materiali polimerici Introduzione a polimeri conduttivi, smart polymers e nanocompositi.

La valutazione consiste in una prova orale, della durata indicativa di circa 30 minuti, volta ad accertare la conoscenza dei contenuti del corso e la capacità di utilizzare in modo appropriato il linguaggio specifico della disciplina. La prova mira inoltre a valutare la capacità dello studente di collegare struttura, proprietà, tecniche di caratterizzazione, applicazioni e aspetti di sostenibilità dei materiali polimerici.

Articoli, dispense e altro materiale didattico disponibili sulla piattaforma UniStudium: https://www.unistudium.unipg.it/unistudium/login/index.php Si consiglia inoltre la consultazione delle pubblicazioni disponibili sul sito di European Bioplastics: https://www.european-bioplastics.org/news/publications/ Altri testi di riferimento utili: C. E. Carraher Jr., Introduction to Polymer Chemistry, 3rd ed., CRC Press, 2022. T. P. Lodge, P. C. Hiemenz, Polymer Chemistry, 3rd ed., Taylor & Francis, 2020. A. Ahmad et al. (Eds.), Plastic and Microplastic in the Environment, Wiley-Blackwell, 2022. Alcuni testi possono essere consultabili tramite le risorse elettroniche di Ateneo, inclusa la piattaforma ProQuest: https://www.proquest.com/

Il corso intende fornire agli studenti le conoscenze di base per poter affrontare in modo autonomo le tematiche inerenti il problema energetico attuale, con particolare riferimento alle problematiche di natura chimica. In particolare, gli studenti che hanno frequentato il corso: - Conoscono i principi fisici e chimici connessi alla produzione, alla conversione ed all’ immagazzinamento dell’ energia; - Conoscono i principi fisici e chimici connessi alla conversione dell’ energia solare, al funzionamento delle celle solari fotovoltaiche e dei dispositivi elettrochimici per l’ accumulo di energia elettrica; - Sanno individuare le tecniche, i processi ed i materiali più idonei per l’ ottimizzazione di dispositivi per la conversione e l’ immagazzinamento di energia.

Introduzione all' energia; classificazione delle risorse energetiche. Energia solare ed elettricita': il fotovoltaico inorganico. Celle solari al silicio, organiche e sensibilizzate. Conservazione e trasporto dell' energia. Celle a combustibile.

Al fine di una esaustiva comprensione dei contenuti dell' insegnamento, lo studente deve possedere le nozioni di base di fotochimica, elettrochimica e chimica inorganica. Altresì, possono essere di aiuto le competenze acquisite nel corso di Chimica dell' Atmosfera e nei corsi che riguardano la Chimica dell' Ambiente. Questi prerequisiti si ritengono di aiuto sia per gli studenti che frequentano le lezioni, sia per quelli che non le frequentano.

Il corso e' organizzato nel seguente modo: - lezioni frontali in aula sugli argomenti del corso.

Un' introduzione all' energia. Forme e trasformazioni dell' energia. Unità di energia. Conservazione dell' energia. Definizione di efficienza energetica. Il panorama energetico mondiale e nazionale: stime, riserve, scenari futuri. Classificazione delle risorse energetiche. Energia da reazioni di combustione: i combustibili fossili. Energia da fonti rinnovabili e alternative: energia solare, biomasse, energia geotermica, energia eolica, energia idroelettrica, idrogeno. Energia solare e elettricità: conversione termica;conversione fotovoltaica. Cenni di fisica dello stato solido:le strutture cristalline, la diffrazione dei cristalli ed il reticolo reciproco; il gas di elettroni liberi; teoria delle bande di energia; i semiconduttori. Fotovoltaico inorganico e celle solari al silicio, celle solari a film sottile, celle solari organiche. I combustibili solari: la fotosintesi naturale (sistemi antenna e centri di reazione naturali) e la fotosintesi artificiale. Energia chimica: reazioni di foto-ossidoriduzione. La fotolisi dell' acqua. Celle solari foto sensibilizzate (celle di Graztel). Coloranti per celle di Graztel. Conservazione e trasporto dell' energia: l' era dell' idrogeno. Celle a combustibile.

L'esame prevede una prova orale della durata complessiva di circa un'ora. La prova orale consiste di due parti. Nella prima lo studente presente un argomento specifico del corso, che ha approfondito in modo autonomo su riviste scientifiche specializzate, eventualmente avvalendosi dell’ausilio di diapositive. La trattazione ha una durata di circa 10-15 minuti. Seguono quindi delle domande generali sugli argomenti trattati a lezione. La discussione ha una durata di circa 30-45 minuti, ed è finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma (problema energetico, immagazzinamento dell’energia, sfruttamento dell’energia solare,.). La prova orale consentirà di verificare la capacità di comunicazione dell’allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell’esposizione sugli stessi argomenti a contenuto teorico. La prova nel suo insieme consente di accertare sia la capacità di conoscenza e comprensione, sia la capacità di applicare le competenze acquisite, sia la capacità di esposizione, sia la capacità di apprendere e di elaborare soluzioni in autonomia di giudizio. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

1. Chimica Ambientale, Baird e Cann, Zanichelli, 2013 2. A. W. Culp Priciples of Energy conversion, McGrawHill in Maidenhead, 1991. 3. V. Balzani, N. Armaroli Energy for sustainable world: from the oil to a sun-powered future, Wiley-VCH, 2011 4.C. Kittel Introduzione alla fisica dello stato solido, Bollati Boringhieri 5. Physics of solar cells, Peter Wurfel, Wiley-VCH 2009

Lo studente acquisirà familiarità con i più importanti concetti di Femtochimica e conoscenza riguardo alle avanzate tecniche spettroscopiche impiegate per lo studio di processi ultraveloci.

Concetti base di Ottica Non Lineare e Fotofisica. Descrizione delle principali tecniche spettroscopiche con risoluzione al femtosecondo in assorbimento e in emissione. Studio di processi ultraveloci di disattivazione degli stati elettronici eccitati (trasferimenti di carica, di energia, di protone, reazioni fotochimiche) in composti organici di varia natura (Femtochimica) e in macromolecole biologiche (Femtobiologia).

Al fine di comprendere gli argomenti affrontati nell’insegnamento sono necessarie conoscenze di base di Spettroscopia Molecolare e di Cinetica. Questi concetti verranno comunque trattati in alcune lezioni previste all’inizio del corso di Femtochimica.

Lezioni frontali in aula con proiezioni di diapositive. Alcune lezioni saranno dedicate all'approfondimento delle tematiche affrontate, altre alla visita del laboratorio di spettroscopia ultraveloce del nostro dipartimento.

Concetti di ottica. La luce e la sua propagazione nel vuoto e in un dielettrico. Processi non lineari del secondo ordine: generazione di seconda armonica e di frequenze somma/differenza. Processi non lineari del terzo ordine: generazione di luce bianca e assorbimento a due fotoni. Impulsi di luce: dispersione. Concetti di fotofisica e fotochimica. Assorbimento di luce e disattivazione di stati elettronici eccitati: tempi associati ai processi. Solvatazione. Polarizzazione e orientazione molecolare. Trasferimento di energia. Trasferimento di elettrone. Tecniche spettroscopiche ultraveloci. Assorbimento transiente nell’ultravioletto-visibile. Up-conversion di fluorescenza: esempi di apparati sperimentali broadband e con risoluzione temporale molto spinta. Assorbimento transiente nell’infrarosso. Tecniche ultrafast nei raggi-x e nell'ultravioletto estremo. Femtochimica. Trasferimento di carica intramolecolare fotoindotto in sistemi push-pull: dinamica degli stati eccitati; effetti della polarità e della viscosità del solvente. Trasferimento di elettrone bimolecolare fotoindotto: accoppiamento elettronico e solvatazione; esempi in materiali per il fotovoltaico organico. Trasferimento di energia in sistemi multicromoforici. Trasferimento di protone intramolecolare e intermolecolare allo stato eccitato: fotoacidi e fotobasi. Femtobiologia. La spettroscopia ultraveloce nello studio della dinamica di DNA e proteine.

L’esame prevede una prova orale. La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 30 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti indicati nel programma. La prova orale servirà anche a verificare le capacità di comunicazione dello studente con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione.

A. Douhal, J. Santamaria, FEMTOCHEMISTRY AND FEMTOBIOLOGY, 2001, World Scientific. F. C. De Schryver, S. De Feyter, G. Schweitzer, FEMTOCHEMISTRY, 2001, Wiley. M. A. El Sayed, I. Tanaka, Y. Molin, ULTRAFAST PROCESSES IN CHEMISTRY AND BIOLOGY, Blackwell Science.

Lo studente acquisirà familiarità con le più importanti nozioni sulla fotochimica e conoscenza delle più utilizzate tecniche sperimentali (classiche e più avanzate). In particolare, saranno eseguiti i seguenti obiettivi formativi: Conoscenza dei meccanismi di dissipazione dell’energia di eccitazione elettronica che portano ad interessanti reazioni fotochimiche e/o a processi di rilassamento fotofisico monomolecolare o bimolecolare. Conoscenza delle più importanti tecniche convenzionali e “up to date” utilizzate per lo studio di tali processi. Conoscenza delle più importanti applicazioni tecnologiche ed industriali della fotochimica. Capacità di affrontare le problematiche per la determinazione di importanti parametri (quali resa quantica di un fotoprocesso o di emissione, tempo di vita di uno stato elettronico eccitato, attinometria di una lampada ecc.) nell’ambito di un laboratorio fotochimico. Capacità critica nel valutare effetti benefici (nella sintesi fotochimica, terapia fotodinamica del cancro, immagazzinamento dell’energia solare, ecc.) e nocivi (degradazione fotochimica di materiali fotosensibili, danni al DNA prodotti da radiazioni UV, ecc.) nell’interazione luce-materia.

Principi base di Fotochimica. Natura degli stati elettronici eccitati e processi di disattivazione fotofisici e fotochimici. Processi bimolecolari di trasferimento di energia, carica e protone. Tecniche fotochimiche stazionarie e pulsate. Fenomeni fotochimici ed applicazioni tecnologico-industriali della Fotochimica.

Al fine di saper comprendere le tematiche affrontate nel corso lo studente deve avere le conoscenze di base di Spettroscopia Molecolare per quanto concerne i concetti di interazione radiazione-materia, assorbimento ed emissione, probabilità di transizione, stati elettronici e di Cinetica per quanto concerne i concetti di molecolarità di un processo, costante di velocità, legge di velocità differenziale ed integrata, processi competitivi. La conoscenza di questi concetti rappresenta un prerequisito indispensabile per lo studente che voglia seguire il corso di Fotochimica con profitto. Questi concetti verranno riassunti all'inizio del corso.

Il corso consiste in lezioni frontali.

Cenni storici. Nozioni generali sulle radiazioni elettromagnetiche (natura, sorgenti, monocromatori, rivelatori ed attinometri chimici) e sulle apparecchiature di uso comune nei laboratori fotochimici. Natura degli stati elettronici eccitati e processi fotofisici di disattivazione. Parametri cinetici e rese quantiche. Processi monomolecolari (radiativi e non radiativi) e bimolecolari (trasferimento di energia, di carica e di protone, eccimeri ed ecciplessi). Processi fotochimici primari: dissociazione, riarrangiamento intramolecolare, dimerizzazione, addizione, estrazione di idrogeno (intermolecolare ed intramolecolare). Determinazione del meccanismo delle reazioni fotochimiche ed analisi dei fattori che possono influenzare la direzione e la resa; possibilità pratica di guidare le fotoreazioni. Reazioni fotosensibilizzate. Tecniche pulsate in fotochimica: studio di intermedi a vita breve in vari domini temporali e misura di tempi di vita di stati eccitati. Rassegna, descrizione ed analisi di alcune applicazioni tecnologiche ed industriali della fotochimica: fotocromismo, sintesi, fotopolimerizzazione e fotoreticolazione, fotosensibilizzazione e fotodegradazione, conservazione dell'energia solare, chemiluminescenza e fotocatalisi.

L'esame prevede una prova orale che consiste in una discussione della durata di circa 30 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunta dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma. La prova orale consentirà inoltre di verificare la capacità di comunicazione dell'allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione sugli stessi argomenti. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa).

R. P. WAYNE, Photochemistry, Butterworths; I. BARALDI, La luminescenza. Elementi di fotofisica molecolare, 2007, Bononia University Press; integrati da dispense fornite dal docente e da appunti di lezione.

L’obiettivo primario dell’insegnamento è di fornire agli studenti le basi concettuali per utilizzare in maniera consapevole strumenti di Intelligenza Artificiale per applicazioni chimiche e materie affini, comprendendone potenzialità e limiti attuali. A fine corso lo studente dovrebbe essere in grado di comprendere le principali strategie di IA applicate in chimica, e sapere utilizzare software per la progettazione molecolare, per studio di reazioni chimiche (enzimatiche e non), lo studio delle relazioni struttura-proprietà.

Lo scopo principale del corso è fornire una panoramica dettagliata dell’uso della intelligenza artificiale in chimica e materie affini, mostrando come l’intelligenza artificiale possa fornire soluzioni a problemi chimici più o meno complessi. Si discuteranno anche gli attuali limiti dell’intelligenza artificiale. Nella parte di laboratorio, si utilizzeranno software e piattaforme basate su intelligenza artificiale volte alla progettazione molecolare, allo studio delle reazioni chimiche e biologiche e alla divulgazione in ambito chimico. Temi generali trattati. Introduzione su storia della Intelligenza artificiale in chimica. Approcci più comuni della intelligenza artificiale in chimica. Gestione dati. Relazioni struttura-proprietà e modelli predittivi. Intelligenza artificiale per progettazione molecolare. Intelligenza artificiale per reazioni chimiche e biologiche. Intelligenza artificiale in divulgazione scientifica.

Per seguire e apprendere i contenuti del corso, in maniera più conveniente e proficua, lo studente dovrebbe possedere le seguenti conoscenze di base: Conoscenza dei fondamenti della chimica; Conoscenza dei concetti base di sintesi in chimica organica; Conoscenza di elementi di chimica al calcolatore. Queste conoscenze sono dei prerequisiti importanti per lo studente che intenda seguire il corso con profitto.

Il corso di Intelligenza artificiale in Chimica prevede esercitazioni di laboratorio ed è così organizzato: -Lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti del corso della durata di 2 ore ciascuna. -Esperienze di laboratorio al computer, a postazione singola o a gruppi di due, a seconda del numero di studenti. -Valutazione in itinere del grado di apprendimento degli studenti tramite risoluzione collegiale di casi di studio. Quest’attività è una forma di allenamento alla prova di esame.

Introduzione al corso. Storia della intelligenza artificiale. Storia della intelligenza artificiale in chimica. Primi approcci di intelligenza artificiale in chimica. Definizione di scienze computazionali. Concetto di pattern recognition. Descrizione di molecole e macromolecole. Gestione di big data. Approcci di AI per la progettazione di farmaci. Predizione delle interazioni non-covalenti. Interazione proteina-substrato. Docking. Virtual screening. Relazioni struttura-proprietà e struttura-attività. Machine learning mediante metodi di PCA, LDA, PLS, PLS-DA, O-PLS. Reti neurali e Deep Learning. Strategie di IA per reazioni chimice. Descrizione di una reazione chimica. Come formulare un problema di retrosintesi. Predizione di retrosintesi a step singolo o multi-step. Predizione del sito di reazione. IA per predire sottoprodotti o analizzare impurezze. Strategie di IA per la predizione di biotrasformazioni IA nella predizione di: fattore di esposizione e reattività, fattore conformazionale e stato di protonazione. Esperienze di laboratorio Le esperienze di laboratorio sono mirate ad una più profonda comprensione dei concetti descritti nella parte teorica. Verrà assegnato un progetto a ciascuno studente che potrà almeno due fra questi argomenti: Progettazione molecolare, predizione di proprietà molecolari, predizione di procedure di retrosintesi e di analisi sottoprodotti, predizione delle trasformazioni metaboliche ad opera di enzimi. Utilizzo di tool di AI per presentazioni scientifiche a fini divulgativi.

L’esame prevede solo una prova orale che consiste in una presentazione tramite uso di slides dell'attività di laboratorio svolta, con successiva discussione dei contenuti con i docenti per valutare la capacità di collegare parte sperimentale e teorica.

Gli studenti possono utilizzare i seguenti testi per la consultazione degli argomenti trattati: H.M. Cartwright, Machine Learning in Chemistry. The impact of artificial intelligence, Royal Society of Chemistry. 2020 Artificial intelligence in drug discovery, ed. By Nathan Brown, Royal society of Chemistry, 2021. Il materiale didattico dei contenuti del corso è fornito direttamente dal docente in forma elettronica come pdf.

Seguendo regolarmente e con profitto il corso lo studente acquisirà: - conoscenza dei principi che determinano le proprietà radiative di materiali organici ed inorganici; - capacità di razionalizzare i fenomeni ottici e saperli descrivere, usando i modelli ed i parametri fondamentali acquisiti; - capacità di usare un linguaggio tecnico-scientifico adeguato alle problematiche trattate.

Metodi e materiali per ottenere emissione di fotoni da un nanomateriale sottoposto a stimoli esterni. Relazione tra proprietà chimico-fisiche e dimensionalità dei materiali nel modulare la risposta radiativa. Criteri di selezione di nanomateriali che consentano processi riflessione, trasmissione, propagazione o amplificazione della radiazione elettromagnetica.

Al fine di poter comprendere i contenuti concettuali e seguire il corso con profitto lo studente dovrebbe aver acquisito le conoscenze di base relative: - Equazioni di Maxwell - Basi quantistiche dell’interazione radiazione materia.

Il corso consiste in lezioni frontali (per un totale di 6 CFU) svolte in aula su tutti gli argomenti del corso con l'ausilio di dispositivi video.

Il corso intende dare i concetti di base dell’interazione tra materiali nanostrutturati e radiazione elettromagnetica per razionalizzare i processi di propagazione, assorbimento, emissione e concentrazione della luce in base alle proprietà dei materiali e della loro composizione/struttura. Il programma del corso è articolato nel modo seguente: - Richiamo alle leggi di propagazione della radiazione in un mezzo omogeneo - Effetto di interfacce sulla propagazione della luce. - PROPAGAZIONE DELLA RADIAZIONE IN MEZZI CON GEOMETRIA FINITA E RISTRETTA: - costruzione di guide d’onda - costruzione di concentratori di radiazione luminosa - concentratori solari - - PROCESSI DI DISSIPAZIONE IN MEZZI CON GEOMETRIA FINITA E RISTRETTA: - processi di emissione spontanea - emissione con pattern controllati spazialmente - concentratori solari luminescenti - processi di emissione stimolati – Qdots-Laser - processi ed efficienze di trasferimento di energia in geometrie finite e nanometriche - PROCESSI DI AMPLIFICAZIONE DELLA RADIAZIONEI SU SCALA NANOMETRICA: - Effetto nano-plasmonico. - APPLICAZIONI TECNOLOGICHE: descrizione e discussione di numerosi esempi di utilizzo dei processi e fenomeni trattati, in campo tecnologico relativamente a settori delle comunicazioni, dispositivi ottici, sensoristica, circuiti ottici bio-medicina, etc...

La verifica del grado di apprendimento viene condotta mediante una prova orale, che consiste in una discussione della durata di circa 40-45 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e la capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma. La prova orale deve consentire inoltre di verificare la capacità comunicative dello studente con linguaggio tecnico scientifico adeguato alle tematiche trattate; durante la verifica viene anche valutata la capacità di applicare i concetti teorici ad esercitazioni numeriche-pratiche.

Materiale didattico consigliato e/o messo a disposizione dal docente

Conoscenze acquisite: Il corso fornisce gli strumenti teorici e pratici per affrontare lo studio del meccanismo di una reazione organica, per cui gli studenti alla fine del percorso avranno appreso i concetti, i metodi sperimentali e le strategie utilizzate per indagare il meccanismo di reazione. In particolare, le principali conoscenze acquisite saranno nei seguenti ambiti: metodi cinetici e non cinetici, intermedi reattivi, correlazioni lineari di energia libera, effetti isotopici, effetti del mezzo. Competenze e abilità acquisite: Gli studenti alla fine del percorso saranno in grado di intraprendere lo studio del meccanismo di una reazione organica. In particolare, saranno in grado di stabilire quali sono i dati che è necessario acquisire ed elaborare per individuare un meccanismo incognito. Le competenze raggiunte e la comprensione dei meccanismi di reazione consentiranno allo studente di risolvere problemi di chimica organica, prevedere l’esito di trasformazioni chimiche, affrontare in modo critico la progettazione delle sequenze sintetiche necessarie per la preparazione di composti organici.

I contenuti del corso sono: 1-Metodi non cinetici per lo studio dei meccanismi 2- Applicazione della cinetica chimica allo studio dei meccanismi 3- Meccanismi ‘’single electron transfer’’ (SET)

Il conseguimento della laurea triennale in chimica soddisfa pienamente i prerequisiti richiesti per la comprensione degli argomenti trattati in questo insegnamento. Negli altri casi sono indispensabili le conoscenze di base della chimica organica, della cinetica e della termodinamica.

Il corso è organizzato nel seguente modo: -lezioni in aula sugli argomenti del corso; alla fine di ogni argomento sono previsti esercizi alla lavagna che hanno lo scopo di facilitare, approfondire e incrementare l’apprendimento; le lezioni vengono effettuate utilizzando Power Point e la lavagna.

Metodi non cinetici per lo studio dei meccanismi- Analisi dei prodotti e stechiometria della reazione. Studio degli intermedi di reazione: isolamento, cattura e caratterizzazione sperimentale. Esperimenti stereochimici e di marcatura isotopica nello studio dei meccanismi di reazione. Esperimenti di “crossover”. 2- Applicazione della cinetica chimica allo studio dei meccanismi- Richiami di cinetica chimica: riepilogo delle principali equazioni cinetiche, tipologia di reazioni, approssimazione dello stato stazionario e parametri di attivazione. Relazione tra cinetica e meccanismo. Metodi sperimentali per la misura della velocità. Utilizzo di effetti isotopici cinetici negli studi meccanicistici. Catalisi acida e basica e relativa indagine sperimentale. Teoria e pratica delle relazioni struttura e reattività. Esempi di applicazione dei metodi cinetici. 3-Meccanismo delle reazioni di trasferimento di singolo elettrone.

La verifica dell'apprendimento prevede una prova orale. Questa prova ha lo scopo di accertare se lo studente ha acquisito ed è in grado di applicare le conoscenze di base, di mettere in relazione le proprietà strutturali e la reattività dei composti organici e di esprimersi con linguaggio appropriato. Tale prova consente di acquisire un voto massimo di 30/30. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa).

Testi di riferimento: P. Sykes "Introduzione ai Meccanismi della Chimica Organica" Zanichelli, 1997. E. Baciocchi, G, Marino, "Chimica Organica, Reattività e struttura" USES, 1982. G. Molteni "Elementi di Chimica organica fisica" Aracne, 2009. M. R. Wrightn "An Introduction to Chemical Kinetics" John Wiley & Sons, Ltd edizione 2004 Dispense a cura del docente.

Lo studente di successo dovrebbe essere in grado di impostare ed affrontare correttamente tutte le fasi di una analisi chimica ambientale o la caratterizzazione chimica di un reperto storico artistico; in particolare le conoscenze acquisite consentiranno di valutare le tecniche piu adatte di campionamento ed analisi in laboratorio in funzione della problematica da affrontare.

Aspetti generali della analisi chimica ambientale e dei beni artistici e culturali; Descrizione dei comparti ambientali ed ambiente museali, parametri caratteristici; Strumentazione on-line ed off-line; Tecniche e protocolli di campionamento; Tecniche di analisi invasive e non invasive; Misure in-situ e da remoto; Metodologie di trattamento del campione. Analisi elementare in ICP-AES, ed ICP-MS; Esercitazioni in ambiente: a seconda delle condizioni campionamento ed analisi di acqua o di suolo o di aria.

Conoscenza di base di chimica analitica e chimica analitica strumentale

Lezioni frontali, esperienze di campionamento e di analisi in laboratorio.

Struttura dell’atmosfera e grandezze fisiche e chimiche caratterizzanti; strumentazione on-line per la caratterizzazione dei principali parametri atmosferici; strumentazione per la misura di gas ed aerosols (tecniche spettroscopiche, monitor da cabina, sensori). Idrosfera e tecniche di misura e caratterizzazione dell’acqua in ambiente. Criosfera e tecniche di caratterizzazione di neve e ghiaccio. Tecniche di campionamento dell’acqua e dei sedimenti. Struttura del suolo e tecniche di campionamento del suolo. Tecniche analitiche non invasive: Fluorescenza a raggi X, Spettroscopia a trasformata di Fourier nel medio e vicino infrarosso, Spettroscopia Raman. Dopo un breve ripasso dei principi fisici caratterizzanti le tecniche spettroscopiche, verranno affrontate le modalità analitiche di utilizzo più recenti, compresi i metodi di Imaging multi- e Iper-spettrali e di mapping, e le applicazioni di tali metodi alle problematiche della chimica dell’ambiente e dei beni culturali.

Relazioni di laboratorio e verifica orale suoi contenuti del corso. Nelle relazioni di laboratorio lo studente deve dimostrare non solo di aver acquisito gli elementi base della programmazione R ma anche di aver sviluppato la capacità di introdurre elementi originali. Con riferimento agli apprendimenti attesi si reputa questa modalità come la più idonea alla verifica mentre riguardo l'utilità ai fini della formazione professionale, la prova orale prepara lo studente anche per futuri colloqui di lavoro. Gli studenti e le studentesse con disabilità e/o con DSA sono invitati/e a visitare la pagina dedicata agli strumenti e alle misure previste e a concordare preventivamente quanto necessario con il/la docente (https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa).

Skoog - Fundamentals of Analytical Chemistry Mahan - Environmental Chemistry

Il corso fornisce allo studente l’importanza delle tecnologie nello sviluppo ed esecuzione di reazioni catalitiche. In particolare, il corso fornisce l’acquisizione di conoscenze riguardo all’utilizzo di tecnologie chimiche che vengono adottate per migliorare alcuni aspetti della catalisi come: - Selettività - Reattività - Sicurezza - Sostenibilità ambientale

Il corso tratta in maniera sistematica le tecnologie impiegate, sia in ambito accademico che in ambito industriale, per progettare ed eseguire reazioni catalitiche.

Si richiede la conoscenza degli elementi di chimica organica di base (Chimica Organica I e II) e di Catalisi

Il Corso prevede lezioni teoriche frontali, in modo da facilitare lo studente nell’apprendimento delle tecnologie chimiche per la catalisi; Il Corso prevede anche lezioni in laboratorio nelle quali gli studenti vengono posti in diretto contatto con le tecnologie affrontate nelle lezioni teoriche. Nelle lezioni teoriche di 2 ore ciascuna, tenute in aula, verranno illustrate le tecnologie ed il loro funzionamento. Verranno anche introdotte problematiche chimiche per comprendere meglio gli esempi pratici e come l’adozione delle tecnologie possa influire nella risoluzione delle problematiche. Nelle lezioni di laboratorio, verranno invece utilizzate direttamente le tecnologie per la catalisi con particolare enfasi per aspetti come la chimica in flusso, le microonde, gli ultrasuoni, l’elettrochimica, la catalisi eterogenea, la fotochimica.

Il Corso prevede lezioni teoriche frontali - Fondamenti e breve storia delle tecnologie chimiche - Tecnologie Chimiche nella ricerca accademica e connessione con l’industria - Tecnologie Chimiche nell’industria - Tecnologie per la catalisi omogenea ed eterogenea - Tecnologie per la Chimica in Flusso in sintesi di chimica organica - Tecnologie per la Chimica con Microonde e Ultrasuoni - Tecnologie fotochimiche per la sintesi - Processi industriali che utilizzano tecnologie per la catalisi

La prova di profitto comprende la valutazione di relazioni scritte sulle attività di laboratorio e di una prova orale, che comporterà la formulazione di 4-5 domande nell’arco di ca 40 minuti. La prova è finalizzata all’accertamento delle capacità degli studenti nel valutare come le tecnologie chimiche possano essere utili per risolvere problemi di natura chimica. La valutazione complessiva della prova di esame terrà conto, dei seguenti aspetti: correttezza e adeguatezza delle risposte, capacità di elaborazione e connessione concettuale, padronanza e proprietà di linguaggio, secondo le seguenti rispettive percentuali: 60%, 20%, 20%. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Ai frequentanti sarà fornito, in forma elettronica, lo stesso materiale utilizzato dal docente per lezioni in aula.

Questo corso ha quale obiettivo principale quello di fornire agli studenti le basi relative all'applicazione della chimica organica fisica alla progettazione di farmaci. In particolare, si discuteranno le principali proprietà chimico-fisiche e ADME che definiscono le proprietà di un farmaco o di un candidato farmaco, con l'obiettivo di saperle modulare attraverso la modifica della struttura chimica dei composti organici in esame. Le principali conoscenze acquisite saranno: 1) elementi di base sul processo di progettazione di farmaci e loro sviluppo 2) elementi di base relativi all'assorbimento, distribuzione, metabolismo, escrezione, tossicità (ADMET) dei farmaci 3) conoscenza di metodi sperimentali e in silico per la determinazione di proprietà acido-base, lipofilicità, permeabilità, solubilità. 4) conoscenza delle principali strategie chimiche per l'ottimizzazione delle proprietà ADME 5) conoscenza dei metodi per lo studio delle relazioni struttura-proprietà applicate principalmente alla progettazione dei farmaci. Le principali abilità saranno: 1) capacità di predire le potenziali proprietà chimico fisiche ed ADME sulla base della struttura di un composto organico 2) sapere proporre modifiche sintetiche per ottimizzare le proprietà di un potenziale farmaco 3) comprensione e utilizzo di metodologie per la determinazione di proprietà ADME.

Conoscenza delle principali proprietà chimico-fisiche e ADME e di come tali proprietà possano essere modulate modificando la struttura chimica dei composti organici. Approfondimento dei metodi per lo studio delle relazioni struttura-proprietà applicate principalmente al drug design.

Al fine di comprendere ed applicare i concetti e le tecniche oggetto del corso, è necessario avere conoscenze di chimica organica e di chimica analitica di base

Il corso è organizzato nel seguente modo: - lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso - esercizi collettivi in aula al termine di ogni argomento del corso - simulazione di una prova di esame in cui lo studente potrà cimentarsi con le tipologie di domande previste per la prova orale, ma in una prova scritta in aula, con correzione e discussione al termine del corso - visita al laboratorio di LC/MS del Dipartimento per assistere a misure di metabolismo di farmaci

Introduzione alla “Drug Discovery”. Identificazione di un lead compound. Evoluzione della ricerca in Drug Discovery. Definizione di proprietà ”Drug-like” di un composto chimico. Processi di Drug Discovery e Drug Development. Barriere di esposizione a farmaci in vivo. Composti organici e permeabilità della barriera ematoencefalica (BBB): Proprietà della BBB. Relazione struttura-penetrazione BBB. Strategie di modifiche strutturali per incrementare la penetrazione della BBB. Effetto del legame a idrogeno. Effetto di carica. Effetto della lipofilicità. Processi di assorbimento di un farmaco. Ruolo delle proprietà fisico-chimiche di composti drug-like. Relazione fra barriere biologiche e pKa, solubilità, lipofilicità, permeabilità. Ruolo del metabolismo nell’eliminazione di uno xenobiotico. Ruolo delle proteine di binding dell’attività di un farmaco. Importanza delle proprietà drug-like nella progettazione di potenziali farmaci. Proprietà acido-base. Calcolo della percentuale di forma neutra, protonata o deprotonata di un farmaco nell’organismo. Modulazione delle proprietà acido-base tramite modifiche strutturali. Caratteristiche acido-base di farmaci che agiscono sul sistema nervoso centrale. Effetto del pKa sulla permeabilità, la solubilità e il metabolismo. Effetto del pKa sull’attività di un farmaco. Impatto del pKa su metodi in silico per il drug discovery (docking, virtual screening). Metodi low-throughput e high-throughput per la determinazione del pKa. Lipofilicità. LogP e LogD di un composto chimico. Modulazione della lipofilicità per modifiche strutturali. Metodi low-throughput e high-throughput per la determinazione della lipofilicità. Solubilità. Concetti su solubilità apparente e solubilità intrinseca. Equazione di Yalkowsky-Banerjee. Concetti di solubilità cinetica e termodinamica, e loro applicazioni in drug discovery e drug development. Modulazione della solubilità mediante modifiche strutturali. Metodi low-throughput e high-throughput per la determinazione della solubilità. Permeabilità. Modulazione della permeabilità mediante modifiche strutturali. Metodi low-throughput e high-throughput per la determinazione della permeabilità attiva e passiva. Drug-design e modulazione delle proprietà drug like. Regole empiriche e modelli in silico per stimare proprietà drug-like dalla struttura chimica. Le regole di Lipinski: applicabilità e eccezioni. Dallo spazio chimico allo spazio delle proteine. Prodrugs. Definizione. Principali strategie chimiche per l’identificazione di prodrugs. Uso di prodrugs per incrementare la solubilità. Prodrugs fosfati, fosfonati e fosfinati. Prodrugs per incrementare la permeabilità passiva. Prodrugs che sfruttano il trasporto mediato. Prodrugs per ridurre il metabolismo. Concetto di soft-drug. Gruppi isosterici e bioisosterici. Cenni storici. Sostituzioni isosteriche e bioisosteriche comuni. Stabilità metabolica di un farmaco. Vie di attivazione e eliminazione di un farmaco. Strategie per incrementare la stabilità metabolica attraverso modifiche strutturali. Inibizione enzimatica di un farmaco. Cenni dei principali meccanismi di inibizione. Concetto di “drug resistance” e “drug synergism”. Differenza fra resistenza e tolleranza a un farmaco. Strategie di drug design per l’identificazione di inibitori. Tossicità di un farmaco. Generalità. Tossicità on-target e off-target. Tossicità per Drug-Drug Interaction. Tossicità da intermedi metabolici reattivi. Strategie per ridurre il rischio di tossicità nella progettazione di un farmaco.

La valutazione dello studente si basa su di una prova orale. L'obiettivo è quello di valutare la capacità di rielaborazione dei contenuti oggetto del corso tramite domande a risposta aperta. Si richiede la capacità di simulare progetti di ottimizzazione di proprietà ADME di farmaci, applicando le conoscenze acquisite, utilizzando metodologie ampiamente utilizzate nell'industria farmaceutica. In altre domande, viene valutata la capacità di spiegare sinteticamente e chiaramente alcune delle principali problematiche o tecniche dell'applicazione della chimica organica fisica alla progettazione di farmaci. Durante la prova orale, di circa 40 minuti, si valuterà anche la qualità di esposizione e la capacità di trasferire i concetti in esempi concreti. In sintesi, la prova di esame terrà conto dei seguenti aspetti: correttezza e adeguatezza delle risposte, capacità di elaborazione e connessione concettuale, padronanza e proprietà di linguaggio, secondo le seguenti rispettive percentuali: 60%, 30%, 10%. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Drug-like Properties: Concepts, Structure Design and Methods. From ADME to Toxicity Optimization, Edward H. Kerns and Li Di, Elsevier Inc., 2008; R.B. Silverman, The organic chemistry of drug design and drug action, 2nd Ed., Academic Press Ed., 2004. e materiale fornito dal docente

Insegnamento integrato composto dai moduli: TIROCINIO 1a PARTE; TIROCINIO 2a PARTE.