c.i. PROGETTAZIONE MOLECOLARE E CHIMICA INORGANICA SUPRAMOLECOLARE

Modulo CHIMICA INORGANICA SUPRAMOLECOLARE

Il corso introduce i fondamenti della Chimica Supramolecolare, con particolare attenzione agli aspetti inorganici, attraverso lo studio delle interazioni non covalenti, dei fenomeni di autoassemblaggio e del ruolo degli ioni metallici nella formazione di strutture funzionali. Verranno discussi esempi tratti da sistemi biologici e naturali per comprendere come i principi supramolecolari regolino la costruzione di architetture complesse. Saranno inoltre illustrate le logiche della progettazione supramolecolare e le modalità per tradurre i principi teorici in sintesi di specie con proprietà chimico-fisiche mirate.

In accordo con i Descrittori di Dublino, il corso contribuisce a sviluppare:

• Conoscenza e capacità di comprensione: lo studente acquisirà conoscenze sui principi fondamentali della chimica supramolecolare, con particolare riferimento agli aspetti inorganici. Verranno approfonditi i meccanismi di autoassemblaggio, le interazioni non covalenti, il ruolo degli ioni metallici e i principi termodinamici e cinetici che regolano la formazione di sistemi complessi, evidenziando la relazione tra struttura e funzione.
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate: lo studente saprà applicare i principi acquisiti alla progettazione di sistemi supramolecolari e alla valutazione di casi tratti dalla letteratura scientifica, collegando teoria e pratica, interpretando dati sperimentali e utilizzando correttamente la terminologia scientifica.
• Autonomia di giudizio: lo studente svilupperà la capacità di analizzare criticamente risultati e modelli della letteratura, valutando la coerenza delle strategie di progettazione supramolecolare con gli obiettivi funzionali. Questa competenza sarà stimolata attraverso la preparazione della presentazione individuale e la discussione in aula.
• Abilità comunicative: lo studente sarà in grado di esporre in modo chiaro e rigoroso i concetti della chimica inorganica supramolecolare, utilizzando strumenti di comunicazione scientifica adeguati, quali presentazioni, schemi e grafici.
• Capacità di apprendere: il corso favorisce l’apprendimento autonomo mediante l’analisi di articoli scientifici e la discussione collettiva dei contenuti. La capacità di acquisire, rielaborare e applicare le conoscenze sarà verificata nell’esame orale.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

I metodi didattici adottati nel modulo di Chimica Inorganica Supramolecolare comprendono lezioni frontali, partecipate e/o cooperative, per un totale di 21 ore, integrate da discussioni e analisi di casi di studio tratti dalla letteratura scientifica.

Sono inoltre previste esercitazioni pratiche, attività di ricerca individuale e lavori di gruppo, finalizzati all’applicazione critica delle conoscenze acquisite e allo sviluppo di autonomia di giudizio e competenze progettuali.

La preparazione della presentazione individuale prevista per l’esame costituisce infine un momento di approfondimento autonomo e di applicazione delle conoscenze maturate durante il corso.

1. Introduzione alla chimica supramolecolare inorganica

• Cooperatività positiva e negativa nei sistemi supramolecolari.
• Fattori che determinano stabilità e selettività dei complessi.
• Serie di Hofmeister(liotropica)

2. Riconoscimento di cationi

• Principi di progettazione dei recettori per cationi.
• Relazione tra dimensione del catione, geometria della cavità e natura degli atomi donatori.
• Teoria HSAB applicata al riconoscimento ionico.
• Recettori cationici naturali e biomimetici.
• Eteri corona, criptandi, sferandi, calixareni e altri recettori macrociclici.
• Macrocilici a base di Schiff e sintesi template.
• Riconoscimento di metalli alcalini, alcalino-terrosi, di transizione e metalli soft.
• Siderofori e sistemi naturali per il riconoscimento e il trasporto del ferro.
• Porfirine e porfirinoidi.

3. Riconoscimento di anioni

• Proprietà degli anioni rilevanti per il riconoscimento supramolecolare.
• Differenze tra riconoscimento di cationi e anioni.
• Strategie di progettazione di recettori anionici.
• Legame a idrogeno, interazioni elettrostatiche e altre interazioni direzionali.
• Effetto della geometria, basicità, densità di carica, solvatazione e controione.
• Recettori aciclici e macrociclici.
• Complessi metallici come recettori per anioni.
• Complessi di lantanidi per riconoscimento e sensing di specie anioniche.
• Riconoscimento di fosfato, pirofosfato e altri anioni di interesse biologico.

4. Riconoscimento simultaneo di cationi e anioni

• Recettori eteroditopici.
• Ion-pair recognition.
• Cascade complexes.
• Riconoscimento di zwitterioni.
• Cooperatività e allosteria nel riconoscimento simultaneo.
• Importanza della distanza e della geometria tra i siti di binding.
• Esempi di riconoscimento di aminoacidi, fosfati e coppie ioniche.

5. Self-assembly supramolecolare guidato da metalli

• Principi del self-assembly: reversibilità, controllo termodinamico e ruolo dei building blocks.
• Self-assembly guidato da interazioni non covalenti.
• Sistemi 0D, 1D, 2D e 3D.
• Template effect e metal-directed self-assembly.
• Relazione tra geometria di coordinazione del metallo e architettura supramolecolare.
• Metallocicli, metallocages e strutture poliedriche.
• Edge-directed e face-directed self-assembly.
• Coordination polymers e Metal–Organic Frameworks (MOFs).
• Confronto tra metallocicli, metallocages e MOFs.

6. Applicazioni della chimica inorganica supramolecolare

• Sensori ionici ottici, fluorescenti ed elettrochimici.
• Indicator displacement assays.
• Trasporto di ioni attraverso membrane.
• Estrazione, separazione e recupero di specie ioniche.
• Catalisi supramolecolare e modelli biomimetici di enzimi.
• Applicazioni biomedicali dei recettori supramolecolari.
• Imaging e sensing di specie biologicamente rilevanti.
• Drug delivery e applicazioni di metallocages e MOFs.

Supramolecular Chemistry: Fundamentals and Applications (Autori: Beer, Barendt, lim), Oxford Chemistry Primers;

Il corso di PROGETTAZIONE MOLECOLARE E CHIMICA INORGANICA SUPRAMOLECOLARE  è articolato in due moduli didattici distinti, ciascuno dei quali prevede un proprio esame finale. Il superamento di entrambi gli esami è condizione necessaria per l’acquisizione dei crediti formativi associati all’insegnamento. Il voto finale dell’insegnamento viene determinato come media aritmetica dei voti conseguiti nei due moduli, espressi in trentesimi. 

L’esame del modulo di Chimica Inorganica Supramolecolare è articolato in due parti, entrambe contribuiscono alla definizione del voto:

1. Presentazione individuale con progettazione (50% del punteggio)
   Lo studente prepara una presentazione orale su un argomento concordato con il docente, includendo un progetto originale di un sistema supramolecolare. La valutazione considera la capacità di applicare le conoscenze teoriche, analizzare criticamente la letteratura, progettare soluzioni coerenti con gli obiettivi funzionali e comunicare in modo chiaro e rigoroso.

2. Discussione teorica (50% del punteggio)
   Domande orali basate sul programma del corso, finalizzate a verificare la comprensione dei concetti fondamentali, delle interazioni non covalenti, dell’autoassemblaggio e della chimica dei metalli nei sistemi supramolecolari.

Attribuzione del voto finale del modulo di Chimica Inorganica Supramolecolare
Il voto, espresso in trentesimi, riflette la valutazione complessiva delle due parti, considerando conoscenze teoriche, capacità applicative, autonomia di giudizio, chiarezza espositiva e competenze progettuali.

Effetti chelato; macrociclico e criptato; Cooperatività; tecniche per lo studio di sistemi supramolecolari; Hofmeister series; Recettori per il binding di cationi; Recettori per il binding di aninoni; Spiegare il concetto di autoassemblaggio in Chimica Supramolecolare e descrivere come le interazioni non covalenti guidano la formazione di strutture ordinate; Fornire un esempio di sistema naturale o inorganico in cui l’autoassemblaggio gioca un ruolo fondamentale.