Programmi dei Corsi Istituzionali del Dottorato in Scienze Chimiche

 

I   SEMESTRE (10 GENNAIO-31 MARZO 2022)

 

1) Uso e Sostenibilità dei Materiali Polimerici                                                           6 CFU

Prof. Loris Pietrelli

Finalità del corso:

Conciliare le conoscenze scientifiche e tecnologiche per favorire una visione allargata alla sostenibilità non solo economica di un materiale polimerico a partire dal processo produttivo.

Fornire una corretta ed efficace conoscenza delle fasi di un processo chimico fornendo tutte le informazioni correlate all'impatto che esse generano sull'ambiente.

Analizzare, in dettaglio, le applicazioni della chimica fisica a problemi di carattere ambientale al fine di valutare i rendimenti e la sostenibilità dei materiali polimerici e dei relativi processi produttivi.

Fornire allo studente competenze di tipo tecnologico sui processi chimici di conversione delle materie prime, del recupero e del riciclaggio, sulla connessione processo-prodotto-impatto.

Far crescere una generazione di chimici industriali da inserire nelle attività industriali riguardanti le tecnologie dell'industria chimica non ché in altri settori quali la protezione ambientale e la riduzione del rischio delle attività produttive.

Programma

Introduzione al corso

Evoluzione e contraddizioni del concetto di sostenibilità: Sviluppo, preservazione/conservazione, chimica, fisica, biologia, ingegneria: i diversi punti di vista dello stesso problema. Le contraddizioni nell’uso di alcuni materiali polimerici.

I due volti della chimica: benefici e rischi: Aspetti socio economici. Valutazione delle criticità nella produzione.

Chimica verde e problemi etici: Criteri identificativi. Oltre il petrolio.

La normativa: Decreto unico, REACH, analisi dei rischi ed autorizzazioni. Limiti al riciclaggio. I consorzi di recupero.

Verso un uso razionale delle risorse: Simbiosi industriale, Urban mining, riciclaggio, sostituzione dei reagenti, verso una produzione con impatto ambientale ridotto.

Analisi di un processo produttivo: Relazione fra materiale e aspetti funzionali. Aspetti economici, normativi, ambientali e commerciali: dal laboratorio all'impianto.

Criteri di valutazione di un processo produttivo sostenibile.

La certificazione dei processi produttivi: LCA, EMAS, etc, Esempio di applicazione ad un caso pratico.

Rifiuto: problema o risorsa? Problemi socio economici connessi al riciclaggio. Opzioni di riciclaggio e tecnologie.

 

Testi di riferimento: materiale didattico distribuito dal docente

 

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2) Spettroscopia di fluorescenza: un approccio pratico                                         3 CFU

Dott. Mauro Giustini

 

Come suggerisce il titolo del corso, l’obiettivo di queste lezioni è quello di fornire una sorta di vademecum agli studenti sfruttare le enormi potenzialità offerte dalla spettroscopia di fluorescenza e dalle tecniche da essa derivate. Gli studenti saranno invitati a proporre spunti e argomenti legati alla loro attività di ricerca con l’obiettivo di estendere le lezioni teoriche ad un’eventuale applicazione pratica della tecnica, con particolare attenzione a quella serie di piccoli ostacoli che si frappongono all’ottenimento di un buono spettro di fluorescenza nonché di tutte le informazioni che da esso possono essere tratte.

 

Programma:

Assorbimento ed emissione della radiazione elettromagnetica. Luminescenza: fluorescenza e fosforescenza. Il diagramma di Perrin-Jablonsky. Meccanismi di disattivazione dello stato eccitato: transizioni radiative e non. Resa quantica di fluorescenza. Tempo di vita degli stati elettronici eccitati: lifetime di fluorescenza e lifetime radiativo. Registrazione di uno spettro di fluorescenza. Monocromatori. Il fenomeno dello scattering: Rayleigh e Raman. Raman e fluorescenza: come distinguerli. Inner filter effect in assorbimento e in emissione. Spettri di emissione e spettri di eccitazione. Tecniche per la misura del tempo di vita di fluorescenza nel dominio del tempo e della frequenza. La tecnica del Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). Quenching di fluorescenza statico e dinamico. Fluorescenza delle proteine. Effetto della polarità del mezzo su uno spettro di fluorescenza e sul lifetime di fluorescenza. Spettri di fluorescenza risolti nel tempo (TRES). Cenni sulle tecniche di imaging basate sulla fluorescenza: Microscopia di fluorescenza e confocale; FRAP; FLIM.

 

Testi consigliati:

J.R. Lackowicz “Principles of Fluorescence Spectroscopy”, III edition, Springer (2006)

  1. Valeur, M.N. Berberan-Santos “Molecular Fluorescence Principles and Applications” II Edition, Wiley VCH (2012)

 

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3) Radiochimica nelle scienze della vita                                                               3 CFU

Dott.ssa Antonella Cartoni

 

Obiettivi:

Il corso è focalizzato a  far conoscere e comprendere le principali applicazioni della radioattività nelle scienze della vita e propone seminari in coopresenza di esperti nel settore. Il corso sarà articolato in tre modi: lezioni frontali, studio condiviso mediante lettura di articoli scientifici su radiocomposti noti, seminari di esperti sulle applicazioni della radiochimica e, se possibile, giornata di ricerca nel settore delle radiazioni. 

 

Programma:

Principi di radiochimica. Trasformazioni nucleari spontanee. Legge del decadimento nucleare. Reazioni nucleari. Radionuclidi naturali e artificiali. Interazione radiazione – materia con studi di base nel settore. Strumenti per la rivelazione e misura delle radiazioni (esempi). Preparazione ed impiego dei più comuni radionuclidi (se possbile visione di un ciclotrone). Preparazione di radiocomposti con esempi specifici. Applicazioni terapeutiche e diagnostiche innovative (esempi: Immunoterapia, chirurgia radioguidata, teranostica, brachiterapia ecc).

 

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4) Metodi computazionali per la modellizzazione di sistemi molecolari complessi        3 CFU

 

Dott.ssa Valentina Migliorati

 

Obiettivi del corso:

Il corso si propone di offrire allo studente di dottorato una panoramica delle principali tecniche computazionali avanzate attualmente disponibili per lo studio di sistemi molecolari. E’ strutturato in due moduli. Al termine del primo modulo, lo studente avrà una cultura di base sulle principali metodologie comunemente utilizzate nell’ambito di calcoli di struttura elettronica. Con il secondo modulo potrà d’altro canto apprendere i fondamenti di una varietà di tecniche di Dinamica Molecolare, basate su diversi livelli di trattazione delle interazioni molecolari. L’obiettivo del corso è far acquisire gli strumenti per effettuare una modellizzazione attendibile di sistemi molecolari, cercando di sviluppare nello studente le competenze per poter scegliere, a seconda del problema di volta in volta affrontato, le metodologie più appropriate per ottenere una descrizione quanto più possibile accurata del sistema in esame.

 

Programma:

Metodi di struttura elettronica

Richiami sui fondamenti dei metodi di struttura elettronica. L’approssimazione di Born-Oppenheimer. Requisiti della funzione d’onda elettronica. Il metodo Hartree-Fock ed il determinante di Slater. La correlazione elettronica. Metodi post-SCF. La teoria del funzionale densità. Set di base per l’espansione degli orbitali molecolari. Funzioni di base Gaussiane. Onde piane. Trattazione implicita degli elettroni di core in metodi di struttura elettronica: lo sviluppo e l’utilizzo degli pseudopotenziali. Effetti del solvente sulle proprietà molecolari: il modello del continuo polarizzabile (PCM). Effetti relativistici. L’equazione di Dirac: la genesi dello Spin.

La Dinamica Molecolare

Il moto dei nuclei. Superfici di energia potenziale. Livelli di approssimazione dei metodi utilizzati in Chimica Computazionale. Simulazioni di Dinamica Molecolare classica. Modellizzazione delle interazioni. Sviluppo di campi di forza. L’approccio classico: limiti, attendibilità e sistemi studiabili.

Oltre l’approssimazione dei campi di forza: la Dinamica Molecolare di tipo Born-Oppenheimer. Determinazione dei gradi di libertà elettronici on-the-fly: la Dinamica Molecolare Car-Parrinello. Unire le  potenzialità della meccanica quantistica con quelle della meccanica molecolare: il metodo ibrido QM/MM.

Il problema della polarizzabilità. Introdurre la polarizzazione nell’ambito della Dinamica Molecolare classica. Metodologie utilizzate per trattare esplicitamente la polarizzabilità elettronica: modelli basati su dipoli indotti, oscillatori di Drude, metodi a carica fluttuante. Calcoli di energia libera. Integrazione termodinamica e campionamento a ombrello (umbrella sampling). Eventi rari. Coordinate di reazione. Metadinamica e Dinamica Molecolare accelerata in temperatura.  La sfida delle simulazioni classiche: studio delle reazioni chimiche. Il concetto di ordine di legame. Sviluppo, applicazioni e prospettive future dei campi di forza reattivi. Esempi di applicazione di tecniche computazionali a sistemi in fase condensata.

 

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5) Metabolomica                                                                                                                3 CFU

Dott.ssa Carmela Maria Montone

 

Il corso, è rivolto agli studenti di dottorato di ricerca in chimica di qualsiasi indirizzo, introduce lo studente alla conoscenza di una branca emergente delle scienze omiche: La Metabolomica. Storicamente, un piccolo numero di metaboliti è stato utilizzato per diagnosticare malattie metaboliche complesse e disturbi monogenici come errori congeniti del metabolismo. Le attuali tecnologie metabolomiche vanno ben oltre l'ambito delle tecniche di chimica clinica standard e sono in grado di analisi precise da centinaia a migliaia di metaboliti. L'obiettivo principale del corso è studiare la natura più intima di questa nuova scienza e apprendere le sue diverse applicazioni in vari campi della diagnostica (clinico, alimentare, ambientale, forense), valutare i diversi tipi di approcci diagnostici dalla preparazione del campione all’analisi strumentale fino ad arrivare all’interpretazione dati.

 

Programma dettagliato del corso:

  1. La metabolomica e le sue applicazioni in campo clinico, alimentare, ambientale, forense.
  2. Diversi tipi di approcci nel campo della metabolomica (NMR vs MS)
  3. Approccio fingerprinting
  4. Approccio targeted
  5. Approccio profiling
  6. Approccio untargeted
  7. Study design e raccolta del campione in metabolomica
  8. Preparazione del campione in metabolomica
  9. Analisi del campione in metabolomica untargeted
  10. Analisi dei dati in metabolomica untargeted: analisi statistica multivariata
  11. Identificazione di biomarcatori
  12. Validazione dei biomarcatori
  13. Applicazioni in campo clinico, alimentare, ambientale e forense
  14. Approfondimenti degli argomenti trattati su richiesta degli studenti.

 

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6) Catalisi Omogenea I                                                                                                       3 CFU

 

Dott. Giorgio Olivo

 

Il corso da 6 CFU (48 ore di lezione) è strutturato in due moduli da 3 CFU (24 ore), frequentabili anche indipendentemente. Ogni modulo consiste in 12 lezioni da 2 ore ognuna (programma di seguito).

L’esame si svolge attraverso presentazione di un lavoro di letteratura su argomenti pertinenti alla classe durante le lezioni.

 

Modulo 1: Catalisi da metalli di transizione

1) Introduzione e richiamo dei concetti base di chimica organometallica

(teoria del campo cristallino, regola dei 18 e-, relazione struttura-reattività)

2) Richiamo dei concetti base di reattività di composti organometallici

(Ox Add, Red El, transmetallazione, inserzione migratoria, β-eliminazione, sostituzione di ligandi)

3) Rchiamo dei metodi fisici per studiare composti organometallici

(IR, NMR diamagnetico e paramagnetico, EPR, elettrochimica)

4) Catalyst Design: come i ligandi influenzano l’attività catalitica

(variazione del bite angle delle fosfine e idroformilazione, NHC)

5) Catalyst Design: come favorire reazioni difficili

(Stati di ossidazione estremi e loro reattività; es. Au(III), Pd(IV), Ni(I))

6) Catalyst Design: come indurre “noble-metal reactivity” nella prima serie di transizione

(reattività 2e- vs 1 e-, redox non-innocent ligands, esempi)

7) Asymmetric catalyst design: indurre trasferimento di chiralità

(fattori sterici vs elettronici, rigidità, strutture chirali privilegiate)

8) C-H Activation (inner sphere path)

(catalyst design, catalisi da Pd, Ir, Co, Ni)

9) C-H Activation (outer sphere path)

(metal-oxo, Fe, Mn, Cu, HAT/rebound, catalyst design)

10) The isolobal analogy: metal-carbene, nitrene, oxo, fluoride

(confronti di reattività e selettività)

11) Small molecule activation: H2, O-O bond (H2O2, O2)

(bioinspired catalysis)

12) Small molecule activation: CO2, H2O

(environmental catalysis)

 

 

 

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