CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE

ECTS LABEL Italiano

Titolo dell’insegnamento: CHEMIOMETRIA

Crediti: 6

Docente: prof. Roberto Todeschini Modalità di accertamento dell’apprendimento: verifica delle conoscenze di base della chemiometria: compresnsione dei metodi di cluster analysis, regressione e classificazione. Modalità dell’esame: test al computer e prova orale

Obiettivi dell’insegnamento: Il corso si propone di presentare agli studenti le attuali metodologie per trattare dati relativi a sistemi chimici complessi. Verrano presentate le principali tecniche chemiometriche Programma: Introduzione alla chemiometria e la struttura multivariata dei dati. Il pretrattamento dei dati. Esplorazione dei dati: analisi delle componenti principali, analisi di similarità/diversità. Introduzione ai modelli multivariati e alla loro validazione in predizione. I metodi di regressione: la calibrazione multivariata e i parametri di valutazione dei modelli; metodi Ridge, stepwise e PLS. Gli algoritmi genetici e i metodi di selezione delle variabili. I metodi di classificazione: i parametri di valutazione dei modelli; l'analisi discriminante, il metodo K-NN e i metodi di classificazione ad albero. Introduzione alle reti neurali artificiali. Le mappe di Kohonen e di contro-propagazione. Introduzione alle metodologie QSAR e i fondamenti delle relazioni tra struttura molecolare e, proprietà chimico-fisiche, biologiche, tossicologiche e ambientali. English

Title of the course: CHEMOMETRICS ects: 6 Lecturer: prof. Roberto Todeschini Checking knowledge and understanding: assessment of basic knowledge of chemometrics: understanding of cluster analysis, regression and classification methods. Examination: oral with quiz on computer

Aims: Basic mathematical and statistical tools for data mining in chemistry. Main topics : Structure of the data: missing values, data pretreatment, scaling and transformations. Exploratory data analysis: principal components analysis, similarity/diversity analysis. Regression methods: ordinary least square regressione, ridge regression, step-wise regression, PLS regression.; variable subset selection methods. Classification methods. Introduction to the artificial neural networks. Fundamentals of QSAR approaches and molecular descriptors.

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ECTS LABEL IN ITALIANO:

Titolo dell’insegnamento: CHIMICA ORGANICA SUPERIORE I Crediti: 6 Docenti: prof. Marco Orlandi

Modalità di accertamento dell’apprendimento: valutazione orale: a) sull' approccio chimico fisico organico dei principali meccanismi di reazione b) sui meccanismi delle principali reazioni

organiche. Modalità dell’esame : prova orale

Obiettivi dell’insegnamento Approfondimento delle conoscenze sulle strutture organiche e sui meccanismi di reazione secondo un approccio di tipo intermedio-avanzato.

Programma Il legame chimico. Orbitali molecolari di frontiera e metodo di Hückel. Klopman-Salem. Stereochimica. Meccanismi in chimica organica: termodinamica e cinetica, controllo termodinamico e cinetico, acidità e basicità, elettrofilia e nucleofilia, relazioni di energia libera, postulato di Hammond, catalisi generale acida e basica e catalisi specifica. Classi di reazioni: sostituzione nucleofila, addizione, eliminazione, reazioni di ossidoriduzione. Specie reattive: nucleofili e elettrofili, carbanioni, radicali al carbonio, addizione al gruppo carbonilico. Aromaticità. Sostituzione aromatica. Reazione pericicliche. Riarrangiamenti molecolari.

IN INGLESE: Title of the course: ADVANCED ORGANIC CHEMISTRY I

Ects: 6 Lecturers: prof. Marco Orlandi

Checking knowledge and understanding: oral examination: a) about the chemical physical basis of mechanisms in organic chemistry b) about the mechanism of principal reactions in organic chemistry.

Examination: oral examination Aims: Structure and mechanisms in organic chemistry at intermediate-advanced level. Main topics : The chemical bond. Frontier molecular orbitals (FMO) and the Hückel method. Klopman-Salem. Stereochemistry. Mechanisms: thermodynamics and kinetics, thermodynamic and kinetic control of produc composition, acidity and basicity, electrophilicity and nucleophilicity, free-energy relationships, Hammond’s postulate, general and specific catalysis). Reactions: nucleophilic substitution, addition, elimination, oxidation and reduction. Reactive species: nucleophiles and electrophiles, carbanions, radicals, addition to carbonyl group. Aromaticity. Aromatic substitution. Pericyclic reactions. Molecular rearrangements.

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ECTS LABEL

IN ITALIANO:

Titolo dell’insegnamento: CHIMICA FISICA SUPERIORE Crediti: 8 CFU Docente: Prof. Dario Narducci Modalità di accertamento dell’apprendimento: verifica (a) della conoscenza dei principi metodologici della meccanica statistica e dei modelli sviluppati per la descrizione di sistemi atomici e molecolari; e (b) delle conoscenze di base relative alla termodinamica di non-equilibrio con particolare riferimento ai sistemi reattivi. Modalità dell’esame: prova orale

Obiettivi dell’insegnamento: Fornire agli studenti (1) gli elementi di base della chimica quantistica, (2) i fondamenti della meccanica statistica e (3) i fondamenti della termodinamica classica e statistica dei sistemi fuori equilibrio. Programma:(1) Equazione di Schrödinger per sistemi polielettronici. Spin elettronico e principio di antisimmetria. Atomi polielettronici. Approssimazione di Born-Oppenheimer; teoria degli orbitali molecolari e del legame di valenza. (2) Insiemi statistici e spazio delle fasi. Distribuzioni di densità degli stati. Principio di eguale probabilità a priori. Condizioni di equilibrio statistico. Teorema di Liouville. Teorema H. Insiemi microcanonici, canonici e gran-canonici. Funzione di partizione. Il gas perfetto monoatomico classico e quantistico. (3) Termodinamica classica dei sistemi non in equilibrio. Regime lineare. Relazioni di Onsager. Processi di trasporto di massa, carica ed energia. Cenni ai sistemi fortemente fuori equilibrio. Equazione di trasporto di Boltzmann. Approssimazione del tempo di rilassamento. IN INGLESE:

Title of the course: ADVANCED PHYSICAL CHEMISTRY Credits : 8 Lecturer: Prof. Dario Narducci

Checking knowledge and understanding : verification of (a) the understanding of the methods

statistical mechanics is based upon as well as of the models developed for the description of atomic and molecular systems; and (b) of the basics of non-equilibrium thermodynamics, with a special

emphasis on reactive systems. Examination: oral exam Aims: To provide students with the fundamentals of (1) quantum chemistry, (2) statistical mechanics and (3) non-equilibrium thermodynamics and statistical mechanics. Main topics :(1) Solutions to the Schrödinger equation for many-electron systems Electron spin and the antisimmetry principle. Many-electron atoms. The Born-Oppenheimer approximation; the Molecular Orbital theory; the Valence Bond theory. (2) Ensembles and phase space. The density of states. The principle of equal a priori probability. Criteria of statistical equilibrium. The Liouville and H theorems. Micro-canonical, canonical and grand-canonical ensembles. Classical and quantum perfect gas. (3) Non-equilibrium classical thermodynamics. The linear regime. Onsager’s relations. Mass, charge and energy transport processes. Beyond the linear regime. Boltzmann transport equation. Relaxation-time approximation.

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ECTS LABEL IN ITALIANO:

Titolo dell’insegnamento: CHIMICA INORGANICA, METALLORGANICA E LABORATORIO Crediti: 12 CFU (I sezione: Chimica Inorganica e Metallorganica 5 CFU; II sezione: Chimica Bioinorganica 4 CFU, III sezione Laboratorio di chimica Inorganica avanzata, 3 CFU) Docenti: prof. Roberto Della Pergola, prof. Luca De Gioia, prof. Maurizio Bruschi

Modalità di accertamento dell’apprendimento: Colloqui orali per verifica delle conoscenze su

chimica di coordinazione e chimica bioinorganica; relazione scritta sulle esperienze di laboratorio Modalità dell’esame: relazione tecnica ed esame orale Obiettivi dell’insegnamento illustrare proprietà, strutture, modelli di legame, reattività, funzioni biologiche e metodi di careatterizzazione dei complessi dei metalli di transizione. Programma: Caratteristiche chimiche dei complessi inorganici e metallorganici dei metalli di transizione, classificati per geometria, per atomo donatore dei leganti (H, N, P, O, S, Alogeno) e per configurazione elettronica del centro metallico. tipologie dei legami metallo-carbonio e le loro reattività, applicazioni in catalisi e nella sintesi organica. Proprietà dei composti inorganici di rilevanza biologica (cofattori, metallo-proteine, complessi tra metalli e acidi nucleici). Cicli biogeochimici dei principali elementi implicati nella chimica degli organismi viventi, ruolo delle metalloproteine nei processi cellulari, modulazione delle proprietà termodinamiche e cinetiche dei metalli da parte delle proteine. Verranno compiuti esperimenti individuali volti ad esemplificare gli aspetti più caratteristici della chimica dei complessi dei metalli di transizione. Verranno illustrati: diversi tipi di isomeria, le reazioni di sostituzione in complessi ottaedrici, tetraedrici e quadrato planari, le reazioni di formazione dei legami metallo-carbonio e metallo-idrogeno, le applicazioni dei complessi in catalisi omogenea, i meccanismi delle reazioni bioinorganiche, le proprietà elettroniche e magnetiche dei centri metallici, i metodi spettroscopici per lo studio strutturale dei composti metallici (UV-vis, spettroscopia vibrazionale, NMR, ESR)

Testi consigliati Atkins – Chimica Inorganica – Zanichelli Elschenbroich – Organometallics – Wiley VCH – 2005 Girolami, Rauchfuss, Angelici _ Synthesis and technique in Inorganic Chemistry

CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE

ECTS LABEL IN INGLESE:

Title of the course: INORGANIC AND METALLORGANIC CHEMISTRY WITH LABORATORY Credits : 12 CFU (1st section: Inorganic and Metallorganic Chemistry 5 CFU; 2nd section: Bioinorganic Chemistry 5 CFU; 3

rd section Laboratory of Advanced Inorganic chemistry 3 CFU)

Lecturers prof. Roberto Della Pergola, prof. Luca De Gioia, prof. Maurizio Bruschi

Checking knowledge and understanding: Oral examinations on coordination and bioinorganic

chemistry; technical report on laboratory activities Examination: technical report and oral examination

Aims: to teach properties, structures, bond models, reactivity, uses and characterization methods of coordination complexes, organometallic and bioinorganic compounds Main topics : properties of transition metal coordination compounds, classified according to the electronic configuration, the donor atom of the ligand, the geometry. Synthesis, structure and reactivity of the organometallic compounds, explaining the different types of M-C bonds, and their applications in catalysis and in stoichiometric organic synthesis. Basic concepts related to the chemistry of bio-inorganic molecules (metallo-proteins, metal containing cofactors, nucleic acid-metal complexes). Bio-geochemical cycles of inorganic molecules, the role of metallo-proteins in cellular processes, as well as the factors affecting kinetic and thermodynamics properties of metal ions embedded in a protein environment. Laboratory experiments will be performed in order to exemplify different aspects of coordination chemistry, such as isomerism, substitution reactions of octahedral, square planar and tetrahedrical complexes, formation of M-C and M-H bonds, application of organometallic compounds in homogeneous catalysis, uses of molecular precursors for preparation of inorganic materials, optical and magnetic properties, spectroscopic methods of characterization (UV-vis, vibrational spectroscopy, NMR, ESR). Suggested textbooks Atkins – Chimica Inorganica – Zanichelli Elschenbroich – Organometallics – Wiley VCH - 2005 Girolami, Rauchfuss, Angelici _ Synthesis and technique in Inorganic Chemistry

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ECTS LABEL IN ITALIANO:

Titolo dell’insegnamento: CHIMICA ORGANICA SUPERIORE II CON LABORATORIO Crediti: 8 Docenti: prof. Antonio Papagni, dott.ssa Barbara La Ferla

Modalità di accertamento dell’apprendimento: verifica delle conoscenze relative all’analisi retrosintetica, ai metodi di ossidazione e riduzione al controllo della stereochimica nella sintesi organica e all’uso dei gruppi protettivi. Modalità dell’esame: orale

Obiettivi dell’insegnamento:

Il corso intende fornire competenze teoriche e sperimentali (esercitazioni) sulle strategie e sulle metodologiche utilizzate nella sintesi di molecole organiche complesse. Programma:

La sintesi organica e i suoi obbiettivi: target oriented synthesis, method oriented synthesis. Strategie di sintesi, la realizzazione dello scheletro di atomi di carbonio, l’introduzione e la modifica dei

gruppi funzionali. Analisi retrosintetica. Disconnessioni. Protezioni e deprotezioni Cenno ai programmi usati nell’analisi retrosintetica e nella sintesi organica. Il controllo della stereochimica, induzione asimmetrica, chiron approach e organocatalisi. Formazione di legami singoli C-C,

carboanioni, enolati ed enammine. Processi di acilazione, anellazione. Formazione di doppi legami C=C. Composti organometallici e loro reattività. Composti di organoboro e organosilicio e loro reattività. Metodi di ossidazioni. Metodi di riduzioni. Cenno sulla sintesi combinatoriale..

Sperimentazione in laboratorio di una sintesi in più passaggi. Testi consigliati Dispense fornite dai docenti Francis A. Carey, Richard J. Sundberg: Advanced organic chemistry, Plenum Press. Ultima edizione disponibile Jerry March, Advanced organic chemistry: reactions, mechanisms, and structure, Wiley. Ultima edizione disponible

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ECTS LABEL

IN INGLESE: Title of the course: ADVANCED ORGANIC CHEMISTRY II WITH LABORATORY

Ects: 8 Lecturers: prof. Antonio Papagni, dott.ssa Barbara La Ferla

Checking knowledge and understanding: assessment of knowledge on: retrosynthetic approach, on oxidation and reduction methologies, stereochemical control in organic synthesis, protective groups.

Examination: orale

Aims: The course will provide theoretical and experimental (laboratory experiments) knowledge on

methods and strategies applied to the synthesis of complex organic molecules.

Main topics: Organic synthesis: target oriented synthesis, method oriented synthesis. Synthetic strategies: construction of the carbon skeleton, introduction and interconversion of the functional groups.

Retrosynthetic analysis. Disconnection. Short introduction to programs used for computer assisted organic synthesis. Protection and deprotection. Stereochemical control, asymmetric induction,

chiron approach and organo-catalysis. C-C single bound formation, carboanions, enolates and enamines. Alkylation and annulation processes. C=C double bond formation. Organometallic compounds and their reactivity. Organoboron and organosilicon compounds and their reactivity.

Oxidation methods. Reduction methods. Short description of combinatorial synthesis Laboratory experimentation of a multistep synthesis.

Suggested textbooks Lecture notes of the teachers Francis A. Carey, Richard J. Sundberg: Advanced organic chemistry, Plenum Press. Latest available edition Jerry March, Advanced organic chemistry: reactions, mechanisms, and structure, Wiley. Latest available edition

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ECTS LABEL IN ITALIANO:

Titolo dell’insegnamento: CHIMICA COMPUTAZIONALE E LABORATORIO Crediti: 8 CFU (I modulo: Chimica Computazionale 4 CFU; II modulo: Laboratorio di Chimica Computazionale 4 CFU) Docenti: prof. Ugo Cosentino, prof. Giorgio Moro

Modalità di accertamento dell’apprendimento: verifica delle conoscenze di base dei metodi quantomeccanici e classici e delle metodologie applicabili per lo studio dei sistemi molecolari e delle loro proprietà. Modalità dell’esame: relazione tecnica ed esame orale

Obiettivi dell’insegnamento Presentare i fondamenti teorici dei metodi di calcolo quantomeccanici e classici al fine del calcolo di proprietà molecolari e della modellizzazione di processi a livello molecolare, fornendo gli strumenti operativi per il loro utilizzo mediante esercitazioni al calcolatore svolte in laboratori informatici.

Programma Equazione di Schrödinger per sistemi molecolari e sue approssimazioni fondamentali. Richiami dei metodi MO ab initio e del metodo Hartree-Fock. Il metodo dell’interazione di configurazioni e forme approssimate; il metodo perturbativo Møller-Plesset (MPn). Introduzione ai metodi basati sulla teoria del funzionale densità. La funzione densità elettronica e le proprietà derivate: proprietà elettroniche interne e di risposta. Studio della superficie di energia potenziale (PES): definizione della PES; analisi conformazionale. Metodi di ricerca punti stazionari. Analisi vibrazionale. Analisi termochimica. Il metodo della Meccanica Molecolare. Metodi di simulazione molecolare. Metodo Monte Carlo e metodo della Dinamica Molecolare. Analisi delle traiettorie. Esercitazioni in laboratorio informatico relative a: calcolo energie elettroniche e proprietà molecolari; calcolo superficie energia potenziale (PES) conformazionale con metodi quantomeccanici (a livello Hartree Fock, HF, e con metodi che includano la correlazione elettronica) e classici; calcolo PES reattiva con metodi quantomeccanici; analisi di traiettorie di dinamica molecolare su PES conformazionali; studio di proprietà di sistemi in soluzione acquosa mediante simulazioni di DM.

Testi consigliati Dispense fornite dai docenti F. Jensen “Introduction to computational chemistry“, 2a edizione, Ed. John Wiley & Sons Ltd, 2006. A.R. Leach: “Molecular Modelling: Principles and Applications”, Ed. Prentice-Hall, 2001.

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ECTS LABEL IN INGLESE:

Title of the course: COMPUTATIONAL CHEMISTRY AND LABORATORY Credits : 8 CFU (1st module: Computational Chemistry 4 CFU; 2nd module: Computational Chemistry Laboratory 4 CFU) Lecturers: prof. Ugo Cosentino, prof. Giorgio Moro

Checking knowledge and understanding: assessment of basic knowledge of the quantomechanical and classical methods and of the methodologies relevant for the study of molecular systems and their properties. Examination: technical report and oral examination

Aims: To present the theoretical basis of quantomechanical and classical computational methods and their use in the calculation of molecular properties and modeling of molecular processes, providing technical skill in their use by means of computational laboratory experiences.

Main topics Schrödinger equation for molecular systems and main approximations. MO ab initio methods: the Hartree-Fock method; configuration interaction method and its approximations; the Møller-Plesset (MPn) perturbative methods. Introduction to methods based on the density functional theory. Electron density and derived properties: internal and response electronic properties. Potential energy surface (PES). Definition; conformational analysis. Characterization of stationary points on PES. Stationary points research methods. Vibrational analysis. Thermochemistry analysis. The Molecular Mechanics method. Molecular simulation methods. Monte Carlo and Molecular Dynamics methods. Trajectory analysis. Computational laboratory experiences include: calculation of electronic energy and molecular properties; calculation of conformational potential energy surface (PES) by means of quantomechanical (at the HF and correlated methods) and classical methods; calculation of reactive PES by means of quantomechanical methods; molecular dynamics trajectory analysis on a conformational PES; molecular properties of systems in aqueous solution by menas of MD simulations.

Suggested textbooks Lecture notes of the teachers F. Jensen “Introduction to computational chemistry“, 2a edizione, Ed. John Wiley & Sons Ltd, 2006. A.R. Leach: “Molecular Modelling: Principles and Applications”, Ed. Prentice-Hall, 2001.

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ECTS LABEL IN ITALIANO:

Titolo dell’insegnamento: Elettrochimica Crediti: 4 CFU Docenti: prof. Riccardo Ruffo Modalità di accertamento dell’apprendimento: verifica delle conoscenze di base della chimica fisica delle soluzioni elettrolitiche, dell’elettrochimica e dei principi di funzionamento dei dispositivi elettrochimici Modalità dell’esame: esame orale

Obiettivi dell’insegnamento Fornire agli studenti le conoscenze di base della chimica fisica delle soluzioni elettrolitiche e dell’elettrochimica, incluse le sue applicazioni in analisi. Illustrare il funzionamento e i principi operativi dei dispositivi per la conversione dell’energia chimica in energia elettrica.

Programma Ruolo dell’elettrochimica nella scienza moderna. La chimica fisica delle soluzioni elettrolitiche: interazioni ione-solvente; interazioni ione-ione ( teoria di Debye-Hückel); diffusione, conduzione, conducibilità specifica, molare ed equivalente; introduzione ai liquidi ionici e agli elettroliti solidi. Elettrochimica: potenziale elettrochimico, teorie del doppio strato elettrico; termodinamica elettrochimica e legge di Nernst, semielementi galvanici; squilibrio di elettrodo sotto corrente e sovratensione di trasferimento di carica, corrente di scambio, coefficiente di trasferimento di carica, equazione di Butler Volmer, casi limite e legge di Tafel, sovratensione di diffusione e corrente limite, altri tipi di sovratensione. Applicazioni all’analitica: polarografia e tecniche voltammetriche. Dispositivi: pile, batterie secondarie e celle a combustibile.

Testi consigliati Bockris Reddy, Modern Electrochemistry 1 – Ionics (second edition) Bockris Reddy Gamboa-Aldeco, Modern Electrochemistry 2A – Fundamental of Electrodics (second edition) Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition) IN INGLESE:

Title of the course: Computational Chemistry and Laboratory Credits : 4 CFU Lecturers: prof. Riccardo Ruffo

Checking knowledge and understanding: assessment of basic knowledge of the physical chemistry of electrolyte solutions, of electrochemistry, and of the electrochemical devices. Examination: oral examination

Aims: Aim of the course is to supply the student with base knowledge about the physical chemistry of the ionic solutions and the electrochemistry and its application in analysis. Will be also illustrated the devices to convert chemical into electrical energy.

Main topics The relation of electrochemistry to other science. Ionics: ion-solvent interaction, ion-ion interaction and Debye-Hückel theory; diffusion, conduction and specific, molar, and equivalent conductivity; introduction to ionic liquid. Fundamentals of Electrodics: electrochemical potential, double-layer theories and adsorption phenomena; electrochemical thermodynamics and Nernst low, electrode types; electron transfer at the interface and overpotential, charge transfer overpotential, exchange current, symmetry factor, Butler Volmer equation and Tafel low, diffusion overpotential and limiting current, other kinds of overpotential. Application to analysis: polarography and other potential sweep methods. Energy source devices: primary and secondary batteries, fuel cells. :

CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE

Suggested textbooks Bockris Reddy, Modern Electrochemistry 1 – Ionics (second edition) Bockris Reddy Gamboa-Aldeco, Modern Electrochemistry 2A – Fundamental of Electrodics (second edition) Bard Faulkner: Electrochemical Methods, Fundamental and Applications (2° Edition)