ITALIANO

Il corso intende fornire una buona conoscenza dei principi di funzionamento di due tecniche ampiamente utilizzate per la caratterizzazione strutturale di molecole organiche ed inorganiche: la spettrometria di massa e la Risonanza Magnetica Nucleare.

1) R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kiemle, Identificazione Spettrometrica di Composti Organici, Casa Editrice Ambrosiana, II ed., 2006.
2) Understanding NMR Spectroscopy, James Keeler, 2nd Edition.

corso intende fornire una buona conoscenza dei principi di funzionamento di due tecniche ampiamente utilizzate per la caratterizzazione strutturale di molecole organiche ed inorganiche: la spettrometria di massa e la Risonanza Magnetica Nucleare.
Sulla base delle conoscenze delle leggi fisiche precedentemente acquisite lo studente sarà in grado di comprendere il funzionamento dei singoli componenti strumentali e delle metodiche analitiche e di focalizzare obiettivi e limiti dei risultati analitici prefissati
Al termine del percorso formativo, lo studente sarà in grado di leggere ed interpretare spettri di massa e NMR di molecole organiche di base e di estendere tali conoscenze all’interpretazione di spettri più complessi
In relazione alle abilità comunicative, il corso si propone l'obiettivo di sviluppare la capacità dello studente di esporre in modo chiaro e rigoroso i principi fisici alla base del funzionamento di due delle tecniche delle analitiche più utilizzate per la caratterizzazione strutturale molecolare: la spettrometria di massa e la Risonanza Magnetica Nucleare

Per una frequenza proficua del corso è necessario che lo studente abbia acquisito una buona padronanza dei principi della fisica classica, della meccanica quantistica, e conoscenze chimiche di base

Il corso è articolato in 48 ore di lezione frontali (di cui, 24 per la parte di spettrometria di massa e 24 per la parte di risonanza magnetica nucleare;)
Nell’ambito di entrambi i moduli sono previste esercitazioni (4/6 ore) in aula e in laboratorio volte a favorire le conoscenze necessarie all’interpretazione dei dati spettrali
La frequenza non è obbligatoria, ma fortemente suggerita.

L'esame relativo alla parte di spettrometria di massa prevede una prova orale, che consiste nell’interpretazione di uno spettro di massa, nella descrizione della tecnica analitica utilizzata e dei principi di funzionamento.L’esame relativo alla parte di Risonanza Magnetica Nucleare prevede una prova orale, che consiste nell’interpretazione di spettri NMR mono- e bidimensionali, omo- ed eteronucleari, nella descrizione delle basi teoriche e dei principi di funzionamento. La prova orale oltre a verificare il livello di conoscenza raggiunto dallo studente, mira ad accertare la comprensione dei fenomeni fisici alla base dell’indagine analitica e la capacità di saperlidescrivere.

Tutto il materiale didattico, compresi gli spettri di massa e NMR utilizzati nelle esercitazioni saranno disponibili presso il sito http://www.matfis.unicampania.it/dipartimento/docenti?MATRICOLA=058865
, alla voce “Materiale Didattico” che conduce allo SharePoint dell’Ateneo).

I. Spettrometria di Massa (20 ore di lezioni frontali, 4 ore di esercitazioni), per un totale di 3CFU)

1. Introduzione alla tecnica, storia,
2. Lo spettrometro di massa
3. Metodi di ionizzazione, Sorgenti ioniche _
-a impatto elettronico positivo, EI+,, a impatto elettronico negativo, EI-
a ionizzazione chimica ,CI+, criteri per la scelta del gas CI , proton affinities e frammentazione molecolare, gas phase acidities , CI-, ionizzazione chimica negativa
sorgenti ioniche a desorbimento: FD,FI, a desorbimento/ionizzazione di campo, FAB , fast atom bombardment, MALDI,Matrix Assister Laser desorption, ESI, electrospray ionization
4. Inorganic mass spectrometry e sorgenti ioniche
5. Massa nominale e massa esatta La Risoluzione: significato e definizioni
6. Analizzatori di Massa: caratteristiche e potere risolutivo.
Analizzatori a Settore Magnetico, a doppia focalizzazione, a quadrupolo, a trappola ionica,Orbitrap, FTICR, a Risonanza Ionica di Ciclotrone
7. Tandem MS : MSn, un introduzione
8. Imaging Mass Spectrometry, cenni
9. Rivelatori e Raccoglitori di ioni
10. Spettrometria di massa IRMS e ICPMS
11. Esercitazioni




II. NMR (20 ore di lezioni frontali, 4 ore di esercitazioni), per un totale di 3CFU)


1. Basi teoriche del fenomeno della Risonanza Magnetica Nucleare
Il momento angolare di Spin, il momento magnetico nucleare, Nuclei in un campo magnetico, concetto di quantizzazione dell’energia, effetto Zeeman, transizioni di spin nucleare e loro energia. Precessione nucleare e risonanza magnetica nucleare, frequenza di precessione di Larmor, popolazione dei livelli energetici, distribuzione di Boltzman, magnetizzazione osservabile, impulsi selettivi e non, meccanismi di rilassamento longitudinale e trasversale, la costante di schermo, il chemical shifts, lo standard di riferimento
2. Risonanza magnetica nucleare del protone (1HNMR)
Fattori che influenzano il chemical shift: effetti induttivi, mesomeri e corrente d’anello. Spostamento chimico di protoni legati ad eteroatomi: effetto del legame idrogeno e dello scambio. Regole di additività per la stima dei chemical shift. Struttura fine del segnale NMR: accoppiamento spin-spin e molteplicità del segnale. Accoppiamento geminale, vicinale e long range. Fattori che influenzano la costante di accoppiamento. Concetto di equivalenza chimica: protoni omotopici, enantiotopici e diastereotopici. Equivalenza per rapido interscambio. Equivalenza magnetica. Accoppiamento con protoni legati ad eteronucleari. Accoppiamento eteronucleare. Sistemi di spin, notazione. Sistemi di primo e del secondo ordine. Analisi degli spettri di sistemi a due, a tre e a quattro spin. Doppia risonanza: Disaccoppiamento omonucleare ed effetto NOE. Esperimenti bidimensionali omonucleari (COSY, TOCSY, ROESY, NOESY)
3. Risonanza magnetica nucleare del 13C.
Introduzione. Sensibilità del 13C. Caratteristiche dello spettro 13CNMR. Fattori che influenzano l’intensità dei picchi. Analisi 13C quantitativa. Esperimenti bidimensionali eteronucleari (HSQC, HMBC).
4. Lo spettrometro NMR.
Lo spettrometro in trasformata di Fourier. Principali caratteristiche strumentali di uno spettrometro di risonanza nucleare. Il magnete. La console. Tuning. Matching. Shimming.
5. Esercitazioni in Laboratorio
Preparazione di un campione per l’analisi NMR. Parametri di acquisizione di un esperimento monodimensionale. Calibrazione di un impulso non selettivo (hard pulse). Interpretazione degli spettri mono/bidimensionali e omo/eteronucleari 1H e 13C NMR. Cenni sul processing,

Italian

The course aims to provide a solid understanding of the operating principles of two widely used techniques for the structural characterization of organic and inorganic molecules: mass spectrometry and Nuclear Magnetic Resonance (NMR).

1) R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kiemle, Identificazione Spettrometrica di Composti Organici, Casa Editrice Ambrosiana, II ed., 2006.
2) Understanding NMR Spectroscopy, James Keeler, 2nd Edition.

The course aims to provide a solid understanding of the operating principles of two widely used techniques for the structural characterization of organic and inorganic molecules: mass spectrometry and Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Building upon the knowledge of previously acquired physical laws, the student will comprehend the functioning of individual instrumental components and analytical methodologies. They will also focus on objectives and limitations of predefined analytical results.

By the end of the course, students will be able to read and interpret mass spectra and NMR spectra of basic organic molecules and extend this knowledge to the interpretation of more complex spectra.

Regarding communication skills, the course aims to develop the student's ability to clearly and rigorously present the physical principles underlying the operation of two of the most commonly used analytical techniques for molecular structural characterization: mass spectrometry and Nuclear Magnetic Resonance.

For a fruitful attendance of the course, it is necessary for the student to have acquired a good command of the principles of classical physics, quantum mechanics, and basic chemical knowledge.

The course is structured into 48 hours of frontal lectures, with 24 hours dedicated to mass spectrometry and 24 hours to nuclear magnetic resonance.
Within both modules, practical exercises (4/6 hours) in the classroom and laboratory are scheduled to facilitate the acquisition of the knowledge necessary for interpreting spectral data.
Attendance is not mandatory, but strongly recommended.

The exam for the mass spectrometry part consists of an oral test, which involves interpreting a mass spectrum, describing the analytical technique used, and explaining the operating principles.
The exam for the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) part also entails an oral test, which includes interpreting mono- and bidimensional NMR spectra, both homo- and heteronuclear, and explaining the theoretical bases and operating principles.
In addition to assessing the student's level of knowledge, the oral exam aims to verify their understanding of the physical phenomena underlying the analytical investigation and their ability to describe them effectively.

All educational materials, including mass spectra and NMR spectra used in the exercises, will be available on the website http://www.matfis.unicampania.it/dipartimento/docenti?MATRICOLA=058865, under the section "Materiale Didattico," which leads to the University's SharePoint platform.

I. Mass Spectrometry (20 hours of lectures, 4 hours of exercises), for a total of 3 ECTS credits)

1. Introduction to the technique, history.
2. Mass spectrometer.
3. Ionization methods, Ionic sources:
- Electron Impact (EI+ and EI-), Chemical Ionization (CI+ and CI-).
- Desorption ionization sources: FD, FI, Field desorption/ionization, FAB, Fast atom bombardment, MALDI, ESI.
4. Inorganic mass spectrometry and ionic sources.
5. Nominal mass and exact mass. Resolution: meaning and definitions.
6. Mass analyzers: characteristics and resolving power.
- Magnetic Sector Analyzers, Double-focusing Analyzers, Quadrupole Analyzers, Ion Trap Analyzers, Orbitrap, FTICR, Cyclotron Resonance Ion Trap.
7. Tandem MS: MSn, an introduction.
8. Imaging Mass Spectrometry, overview.
9. Ion detectors and collectors.
10. Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS) and Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICPMS).
11. Exercises.

II. NMR (20 hours of lectures, 4 hours of exercises), for a total of 3 ECTS credits)

1. Theoretical basis of Nuclear Magnetic Resonance (NMR):
- Spin angular momentum, Nuclear magnetic moment, Nuclei in a magnetic field, Energy quantization concept, Zeeman effect, Nuclear spin transitions and their energy, Nuclear precession and NMR, Larmor precession frequency, Energy level population, Boltzmann distribution, Observable magnetization, Selective and non-selective pulses, Longitudinal and transverse relaxation mechanisms, Shielding constant, Chemical shifts, Reference standard.
2. Proton Nuclear Magnetic Resonance (1H NMR):
- Factors influencing chemical shift, Fine structure of NMR signal: Spin-spin coupling and signal multiplicity, Geminal, vicinal, and long-range coupling, Chemical equivalence concept: Homotopic, enantiotopic, and diastereotopic protons, Magnetic equivalence, Coupling with protons bonded to heteronuclei, Heteronuclear coupling, Spin systems, Notation, First and second-order systems, Analysis of two, three, and four-spin systems, Double resonance: Homonuclear decoupling and NOE effect, Two-dimensional homonuclear experiments (COSY, TOCSY, ROESY, NOESY).
3. 13C Nuclear Magnetic Resonance:
- Introduction, Sensitivity of 13C, Characteristics of 13C NMR spectrum, Factors influencing peak intensity, Quantitative 13C analysis, Heteronuclear two-dimensional experiments (HSQC, HMBC).
4. NMR spectrometer:
- Fourier transform spectrometer, Main instrumental features of a nuclear magnetic resonance spectrometer, Magnet, Console, Tuning, Matching, Shimming.
5. Laboratory Exercises:
- Sample preparation for NMR analysis, Acquisition parameters of a one-dimensional experiment, Calibration of a non-selective pulse (hard pulse), Interpretation of mono/bidimensional and homo/heteronuclear 1H and 13C NMR spectra, Overview of processing.