METODI FISICI IN CHIMICA BIOORGANICA

Il corso si propone di fornire agli studenti una solida conoscenza teorica e pratica nell'uso delle tecniche spettroscopiche IR, UV-Vis e NMR, con particolare attenzione all'analisi di proteine, polimeri e materiali complessi. Attraverso lezioni frontali ed esperienze di laboratorio, gli studenti acquisiranno le competenze necessarie per interpretare e analizzare spettri complessi, comprendendo le informazioni strutturali e funzionali che possono essere ottenute da ciascuna tecnica.

Durante il corso, gli studenti impareranno a utilizzare la spettroscopia infrarossa per lo studio della struttura secondaria delle proteine e per applicazioni avanzate come l'analisi dei materiali farmaceutici, delle microplastiche e dei rivestimenti. La spettroscopia UV-Vis permetterà di caratterizzare la stabilità termica delle proteine e di interpretare la natura dei cromofori in composti organici, mentre la spettroscopia NMR verrà utilizzata per approfondire la dinamica e la struttura delle macromolecole, incluse proteine e polimeri, mediante esperimenti multidimensionali.

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di applicare le tecniche spettroscopiche per risolvere problemi complessi in ambito chimico e biochimico, sviluppando una capacità critica nell'interpretazione dei dati sperimentali e nel riconoscimento di strutture molecolari. Saranno inoltre in grado di utilizzare approcci avanzati come la spettroscopia NMR a differenza di saturazione per lo studio delle interazioni ligando-proteina e l'indagine di meccanismi biochimici.

Lezioni frontali (5 CFU) ed esercitazioni pratiche in laboratorio (1 CFU). 

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA A garanzia di pari opportunità e nel rispetto della legge Italiana (170/2010), gli studenti interessati possono chiedere un colloquio con il docente (prima dell’inizio del corso o almeno 30 giorni prima dell’appello di esame) in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, senza modificare gli obbiettivi dell'apprendimento. È inoltre possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o DSA) del nostro Dipartimento.

Chimica Organica I, Metodi Fisici in Chimica Organica.

Frequenza obbligatoria secondo le norme del regolamento didattico del CdS in CTF come riportato nel link: http://www.dsf.unict.it/corsi/lm-13_ctf/regolamento-didattico

IR

Ripasso Spettroscopia IR dal Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica.

Spettroscopia infrarossa delle proteine. Assorbimento della luce infrarossa. Informazioni che possono essere ricavate dallo spettro infrarosso. Spettrometri infrarossi. Tecniche di campionamento. Spettroscopia infrarossa risolta nel tempo. Assorbimento delle catene laterali degli amminoacidi. Assorbimento dello scheletro proteico. Panoramica degli studi sulle proteine. Studio della funzione proteica con spettroscopia differenziale infrarossa indotta da reazione. Interpretazione degli spettri di differenza. Spettroscopia differenziale infrarossa indotta da reazione: esempi selezionati.

Introduzione alla microscopia-spettroscopia infrarossa. Analisi di materiali estranei. Analisi di vernici e rivestimenti. Valutazione di prodotti in gomma. Valutazione di alcune proprietà fisiche dei polimeri. Analisi della distribuzione dei componenti degli alimenti. Applicazioni della microscopia IR in prodotti farmaceutici e in medicina. Analisi delle microplastiche.

Esperienza di laboratorio: spiegazione della struttura secondaria delle proteine ​​mediante spettroscopia FTIR

Uv-Vis

La natura delle eccitazioni elettroniche. L'origine della struttura a bande UV. Principi della spettroscopia di assorbimento. Strumentazione. Presentazione degli spettri. Solventi. Che cos'è un cromoforo? L'effetto della coniugazione. L'effetto della coniugazione sugli alcheni. Le regole di Woodward-Fieser per i dieni. Composti carbonilici; enoni. Regole di Woodward per gli enoni. Aldeidi, acidi ed esteri a,b-insaturi. Composti aromatici. Studi sui composti modello. Spettri visibili: colore nei composti. Cosa cercare in uno spettro ultravioletto: una guida pratica. Applicazioni farmaceutiche e bio-scienze.

Esperienza di laboratorio: caratterizzazione della stabilità termica delle proteine ​​mediante spettroscopia UV-Vis

NMR

Ripasso Spettroscopia NMR dal Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica.

Rilassamento. Rilassamento Spin-Reticolo dei Nuclei 13C (T1). Meccanismi di rilassamento. Determinazione sperimentale di T1. Relazioni tra T1 e struttura chimica. Influenza dei protoni nei gruppi CH, CH2 e CH3. Influenza delle dimensioni molecolari. Mobilità. Anisotropia della mobilità molecolare. Soppressione del segnale dell'acqua. Rilassamento Spin-Spin (T2). Meccanismi di rilassamento. Determinazione sperimentale di T2; l'esperimento Spin-Echo. Larghezze di linea dei segnali NMR.

Esperimenti NMR monodimensionali utilizzando sequenze di impulsi complesse. Tecniche di base utilizzando sequenze di impulsi e gradienti di campo pulsati. L'effetto dell'impulso sulla magnetizzazione longitudinale (Mz). L'effetto dell'impulso sulle componenti di magnetizzazione trasversale (Mx, My). L'effetto dei gradienti di campo pulsati sulla magnetizzazione trasversale. L'esperimento Spin-Echo modulato ]. Esperimento Pulsed Gradient Spin-Echo. Potenziamento del segnale mediante trasferimento di polarizzazione. Esperimento SPI. Esperimento INEPT. Esperimento Reverse INEPT con rilevamento di protoni. Esperimento DEPT. Esperimento Selective TOCSY. Esperimento monodimensionale INADEQUATE.

Effetto Nuclear Overhauser. Background teorico. Sistema a due spin. Fattori di potenziamento. Sistemi multi-spin. Dagli esperimenti unidimensionali a quelli bidimensionali, NOESY e ROESY. Aspetti sperimentali.

Spettroscopia NMR dinamica (DNMR). Calcoli quantitativi. Analisi completa della forma della linea. Temperatura di coalescenza Tc e costante di velocità corrispondente kc. Parametri di attivazione. Energia di attivazione di Arrhenius. Entalpia libera di attivazione. Stima dei limiti di errore. Costanti di velocità nelle reazioni con stadi intermedi. Processi di scambio intermolecolare. Applicazioni. Rotazione attorno a legami singoli CC. Legami C( sp3)-C( sp3). Legami C(sp2 )-C(sp3). Legami C(sp2 )-C(sp2). Rotazione attorno a un doppio legame parziale. Inversione degli atomi di azoto e fosforo. Inversione dell'anello. Tautomeria. Tautomeria cheto-enolica. Scambio protonico intermolecolare. Reazioni e processi di equilibratura.

Macromolecole. Polimeri sintetici. La tatticità dei polimeri. Polimerizzazione dei dieni. Copolimeri. Spettroscopia NMR allo stato solido dei polimeri. Biopolimeri. Peptidi e proteine. Analisi di sequenza. La struttura tridimensionale delle proteine. Polinucleotidi. Oligosaccaridi e polisaccaridi.

STD NMR. L'esperimento STD NMR. Concetti teorici. Sequenze di impulsi STD NMR. Considerazioni sperimentali. Esempio pratico. Esempio pratico di screening dei ligandi. Esempio pratico di mappatura degli epitopi del ligando. Esempio pratico di determinazione della costante di dissociazione (Kd). Esempio pratico di DEEP-STD NMR.

Spettroscopia NMR in biochimica e medicina. Introduzione. Chiarimento dei percorsi di reazione in biochimica. Sintesi mediante precursori marcati singolarmente con 13C. Bassi livelli di arricchimento con 13C. Alti livelli di arricchimento con 13C. Sintesi mediante precursori marcati doppiamente con 13C. Spettroscopia NMR in vivo ad alta risoluzione. Esperimenti NMR 31P. Esperimenti NMR 1H e 13C. Tomografia a risonanza magnetica. Principi di base e considerazioni sperimentali. Applicazioni. Tomografia a risonanza magnetica. Spettroscopia a risonanza magnetica, MRS 1H.

1. Horst Friebolin - Basic One and Two-Dimensional N MR Spectroscopy - Wiley
   
2. G. M. Lampman, D. L. Pavia, G. S. Kriz, And J. R. Vyvyan - Introduction to Spectroscopy Fifth edition - CENGAGE Learning.

Prova scritta + colloquio orale

Esempi di domande ed esercizi come discusso durante le lezioni ed esercitazioni in aula