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STRUTTURISTICA

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Structural Chemistry

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Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
CHI0054
Docente
Piero Ugliengo (Titolare degli insegnamenti)
Anno
1° anno, 2° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Mista
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Scritto con orale a seguire
Prerequisiti

Buone basi di fisica, matematica e chimica fisica (analisi differenziale, algebra matriciale, serie e trasformate di Fourier, struttura atomica, legame chimico, conoscenza di tecniche spettroscopiche di indagine). I concetti matematici fondamentali, quali le serie di Fourier, le trasformate di Fourier, la delta di Dirac e alcuni passaggi di algebra matriciale vengono richiamati nel corso per permettere una coerenza formale.


The student should have acquired basic background in physics, matematics and physical chemistry (differential calculus, matrix algebra, series and Fourier transformation, atomic structure, chemical bond and main spectroscopic techniques). More specific mathematical concepts like Fourier series and transformation, Dirac delta function and some specific matrix algebra calculations will be reintroduced in the course to keep formal coherence.
Propedeutico a
Nessuna propedeuticità
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi


Illustrare allo studente quali sono gli approcci moderni per la determinazione
della struttura molecolare a risoluzione atomica. Lo studente acquisirà conoscenze
sulle proprietà della materia cristallina e sulla sua interazione con radiazione-x.
Lo studente dovrà comprendere la letteratura moderna nella quale l'informazione
strutturale è di importanza fondamentale (biochimica, scienza dei materiali, catalisi).
Lo studente dovra' inoltre essere capace di rappresentare l'informazione strutturale
proveniente da database cristallografici mediante opportuni programmi di grafica molecolare.


To show to the student what is the modern approach for the detrmination of the molecular structure
with atomic resolution. The student will acquire the basic concepts on matter in the crystalline state
and on the interaction between crystals and x-ray radiation. The student should be able to understand the
modern literature in which structural information is the key factor (biochemistry, material science,
catalysis, etc.). He/she will also be able to visualize with proper graphical tools the structural
data from crystallographic databases.

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Risultati dell'apprendimento attesi


Al termine dell'insegnamento lo studente dovra' essere in grado di:

1) conoscere i fondamenti della cristallografia geometrica tra cui i concetti di:
reticolo cristallino, simmetria reticolare, gruppi punto e spaziali in 2D e 3D,
struttura cristallina, piani cristallografici, indici di Miller,
tensore metrico, matrici di ortonormalizzazione,
rappresentazione matriciale degli operatori di simmetria.

2) conoscere le basi della interazione tra raggi-X e materia cristallina, tra cui concetti quali:
descrizione di un'onda, principio di sovrapposizione, interferenza e diffrazione delle onde.

3) conoscere le leggi della diffrazione dei raggi-X da parte dei cristalli,
quali le equazioni di Ewald, la legge di Bragg.

4) conoscere i metodi di soluzione della struttura cristallina, quali: il metodo di Patterson,
il metodo dell'atomo pesante, la sostituzione isomorfa, i metodi diretti.

5)  capacità di accedere ai principali database strutturali (organici, inorganici e biologici) per estrarre informazione strutturale preesistente di cui valutare la bonta' nella determinazione strutturale

6) capacità di utilizzare i piu' comuni programmi di grafica molecolare (MOLDRAW e JMOl) per rappresentare e manipolare la struttura di molecole, slabs e cristalli provenienti da articoli e database strutturali (vedi punto 5)) 


At the end of the course the student should be able to:

1) understand concepts about the foundation of crystallography like: cristalline lattice,
lattice symmetry, point and
space groups in 2D and 3D, crystal structure,
crystallographic planes, Miller indexes, metric tensor, orthonormalization matrices,
matrix representation of symmetry operators.

2) understand concepts related to the foundation of the interaction between x-rays and crystals like: mathematical
representation of waves, wave superposition principle, interference and diffraction of waves.

3) understand the laws of the x-ray diffraction by crystals like: the Ewald equations and the Bragg law.

4) understand the methods to solve a crystal structure, like: the Patterson method, the heavvy atom method, the
isomorphous substitution and the direct methods.

5)  ability to use main structural databases (organic, inorganic and biological repositories) to extract literature structural information and evaluate the accuracy of the structural determination.

6) ability to use most common molecular graphical programs  (MOLDRAW JMOl) to represent and manipulate structures of molecules, slabs and crystals from literature papers and databases (see point 5)).

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Programma


Il corso fornisce le basi per comprendere come si possa arrivare alla conoscenza
accurata della struttura molecolare con un approccio sperimentale.
Partendo dai concetti fondamentali di cristallografia geometrica si passa a studiare dettagliatamente il
fenomeno della interazione tra sistemi cristallini e raggi-X. L'interpretazione di questi esperimenti
tramite un approccio matematico (si utilizzano le serie e le trasformate di Fourier) porterà a comprendere
come si possano determinare le posizioni atomiche all'interno dei cristalli con grande accuratezza.

Stati della materia. Anisotropia. Significato di ordine. Equilibrio termico. Stato solido: ordine o disordine? Stato amorfo.
Elementi di cristallografia geometrica. Reticolo monodimensionale. Elementi di simmetria 1D. Stato cristallino 2D.
Elementi di simmetria 2D. Reticolo Tridimensionale. Tensore metrico. Matrici di ortonormalizzazione.
Rappresentazione matriciale degli operatori di simmetria.  Descrizione matematica delle onde elettromagnetiche. Principio di sovrapposizione. Interferenza e diffrazione. 

Generazione e definizione di raggi-x. Interazione raggi-x materia. Diffrazione da parte di un reticolo 3D finito.
Figure di diffrazione di un reticolo 3D finito. Diffrazione di un reticolo 3D infinito. Equazioni di Laue.
Analogie con l'ottica classica. Limiti sperimentali. Legge di Bragg.
Cerchio (2D) e sfera (3D) di Ewald. Reticolo reciproco e diffrazione. Metodo delle polveri (Debye-Scherrer).
Diffusione di raggi-x da una distribuzione di elettroni. Figura di diffrazione del motivo strutturale.
Sintesi di Fourier. Simmetria della figura di diffrazione. Legge di Friedel. Assenze sistematiche.
Funzioni di Patterson e struttura cristallina. Forma della funzione di Patterson. Significato della
funzione di Patterson. Metodi di soluzione basati sulla funzione di Patterson. Mappe di Patterson.
I metodi di soluzione. Metodo dell'atomo pesante. Caso centro e non-centro simmetrico.
Metodi diretti (solo teoremi fondamentali).
Metodi per l'affinamento delle strutture cristalline. Affinamento di Fourier ciclico.
Sintesi di Fourier differenza. Metodo dei minimi quadrati (solo cenni).  I database strutturali (CSD, ICSD e PDB) e reperimento dell'informazione strutturale. I programmi di grafica molecolare  (MOLDRAW JMOl) per la visualizzazione e manipolazione dei dati strutturali.


The classes provide the conceptual base to understand how to get accurate molecular structures from an experimental
approach. Starting from foundation of geometrical crystallography it then addresses the interaction between crystals and
x-ray. The interpretation of the outcome of these experiments through a mathematical approach (through Fourier series and Fourier
transform) brings to understand how atomic positions in the crystals can be determined with very high precision.

States of the matter. Anysotropy. Meaning of order. Thermal equilibrium. Solid state: order or disorder?
Amorphous state. Elements of geometrical crystallography. Monodimensional lattice. Symmetry elements in 1D.
Crystalline state in 2D. Symmetry elements in 2D. Tridimensional lattice. Metric tensor. Orthonormalization matrices.
Matrix representation of symmetry operators.
Mathematical description of electromagnetic waves. Wave superposition principle. Interference and diffraction.
Generation and definition of x-ray. Interaction betwen x-ray and matter. Diffraction by a 3D finite lattice.
Diffraction pattern of a finite 3D lattice. Diffraction by a 3D infinite lattice. Laue equations.
Analogies with the classical optics. Experimental limits. Bragg law.
Ewald circle (2D) and sphere (3D). Reciprocal lattice and diffraction. Powder method (Debye-Scherrer).
X-ray scattering of an electron distribution. Diffraction pattern of the structural motif. Fourier synthesis.
Symmetry of the diffraction pattern. Friedel law. Systematic absences. Patterson function and crystalline structure.
Shape of the Patterson function. Meaning of the Patterson function. Solution methods based on Patterson function.
Patterson maps. The solution methods. The heavvy atom method. Presence/absence of the inversion centre.
Direct methods (only fundamental theorems). Refinement of crystal structures. Cyclic Fourier refinement.
Synthesis of the Fourier difference. Method of the Least square minima. Structural databases (CSD, ICSD and PDB) for the access to atomic coordinates. Molecular graphics programs  (MOLDRAW JMOl) for handling and visualization of crystal structures.

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Modalità di insegnamento

Le lezioni saranno svolte in presenza. Modalità didattiche alternative (streaming) potranno essere introdotte a seguito di nuove raccomandazioni di Ateneo in relazione allo stato della pandemia Covid-19.

L'insegnamento viene svolto tramite lezioni frontali illustrando tutti i dettagli matematici dei vari passaggi tramite il commento al file delle dispense fornite agli studenti. Questa metodologia di soluzione e di impostazione dei problemi consente lo sviluppo di un metodo di studio dei concetti della strutturistica. Lo scopo e' trasmettere una metodologia di soluzione di problemi di interesse cristallografico mediante una serie razionale di elaborazioni formali.
Si svolgeranno alcune sessioni esercitative al
calcolatore mirate a sviluppare capacità nel reperimento dell'informazione strutturale da banche dati cristallografiche e alla loro visualizzazione mediante programmi di grafica molecolare.

Lectures will be conducted in-person. Alternative teaching modes (streaming) may be introduced following new University recommendations in relation to the status of the Covid-19 pandemic.

The teaching is carried out through lectures illustrating all the mathematical details of the various passages through the commentary on the file of the handouts provided to the students. This methodology for solving and setting problems allows the development of a method for studying the concepts of structural engineering. The aim is to transmit a methodology for solving problems of crystallographic interest through a rational series of formal elaborations. Some practice sessions will be held at computer aimed at developing skills in retrieving structural information from crystallographic databases and their visualization using molecular graphics programs.

 

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Gli esami si svolgeranno in presenza, con la sola eccezione per gli studenti e le studentesse che autodichiarano, in relazione al Covid-19, fragilità personale o positività. Modalità alternative (online) potranno essere introdotte a seguito di nuove raccomandazioni di Ateneo in relazione allo stato della pandemia Covid-19. L'esame (che sia in presenza o online) si svolge in forma scritta e consiste in 20 domande a risposta aperta che corrispondono ad elaborazione formale e concettuale dei temi del corso. L'esame avrà durata di 120 minuti

Nei casi contemplati dal regolamento di Ateneo l’esame online è svolto su carta dallo studente a video aperto durante una sessione Webex. Gli studenti dovranno fare l'upload dell'elaborato sulla stessa piattaforma entro il tempo consentito. Si raccomanda l'utilizzo di app  che permettono di creare un unico file pdf o jpeg fotografando più pagine (es. Cam Scanner e Adobe Scan, entrambe gratuite). Si raccomanda di verificare la qualità del testo fotografato prima dell'upload.

La valutazione dell'elaborato e' globale e, anche se viene assegnato un punteggio
per ogni esercizio  tra 0-2 punti, si valuterà:
1) la chiarezza espositiva dei concetti con un peso al linguaggio utilizzato
2) la gravita' degli errori compiuti relativamente alla loro importanza rispetto
ai risultati dell'apprendimento attesi.
Per esempio, verra' dato molto peso ad
errori concettuali sulle leggi fondamentali della cristallografia o sui fondamenti delle
metodologie di risoluzione strutturale. La valutazione dell'elaborato e' sempre motivata
allo studente con il commento puntuale degli errori commessi.

The examinations will be held in-person, with the exception of students who self-report personal frailty or positivity in relation to Covid-19. Alternative modes (online) may be introduced following new University recommendations in relation to the status of the Covid-19 pandemic. The examination (whether in-person or online) is in written form and consists of 20 open-ended questions corresponding to formal and conceptual elaboration of the course topics. The exam will last 120 minutes

In the cases covered by the University regulations, the online exam is taken on paper by the student on open video during a Webex session. Students must upload the paper to the same platform within the allowed time. It is recommended that students use apps that allow them to create a single pdf or jpeg file by photographing multiple pages (e.g., Cam Scanner and Adobe Scan, both free). It is recommended to check the quality of the photographed text before uploading.

The online exam is done on paper by the student with open video during a Webex session. Students  will have to upload the paper on the same platform within the time allowed. We recommend the use of apps that allow you to create a single pdf or jpeg file by photographing multiple pages (eg Cam Scanner and Adobe Scan, both free). It is recommended to check the quality of the photographed text before uploading.

The evaluation of the paper is global and, even if a score is assigned for each exercise between 0-2 points, we will evaluate: 1) the clarity of the concepts with a weight on the language used 2) the severity of the errors made relative to their importance with respect to the expected learning outcomes. For example, a lot of weight will be given to conceptual errors on the fundamental laws of crystallography or on the foundations of structural resolution methodologies. The evaluation of the paper is always motivated to the student with a timely comment on the mistakes made.

 

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Attività di supporto


Il docente e' disponibile a discutere, spiegare e commentare gli argomenti
trattati a lezione in qualunque momento.


The teacher is available to discuss, explain or comment any topics previosuly discussed in class.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile come file pdf ed è il risultato della elaborazione personale del docente per la parte che riguarda il trattamento matriciale della cristallografia geometrica. Il resto del materiale è liberamente tratto dai libri del Prof. Germano Rigault che si trovano citati nel seguito. Il materiale che riguarda il trattamento delle onde, della diffrazione e della soluzione del problema della fase è liberamente tratto e tradotto dal testo di Dennis Sherwood e Jon Cooper citato nel seguito. Alcune parti specifiche sui metodi diretti sono tratte dal testo del Giacovazzo e coautori citato nel seguito.

P. Ugliengo, Strutturistica Chimica, appunti delle lezioni.

G. Rigault, Introduzione alla Cristallografia, Levrotto e Bella, Torino, 1978.

G. Rigault e G. Graziosi, Complementi ed Esercizi di Cristallografia, Levrotto e Bella, Torino, 1972.

C. Ciacovazzo e altri autori, Fundamentals of Crystallography, Oxford University Press, Oxford, 1992.

D. Sherwood and Jon Cooper, Crystals, X-Rays and Proteins, Oxford University Press, Inc., 2010.

Infine sono di seguito indicati alcuni siti internet di interesse che vengono citati a lezione:

http://lcr.epfl.ch/page-6443.html
http://escher.epfl.ch/escher/
http://www.moldraw.unito.it
http://www.jmol.org
https://sites.google.com/site/cristallografia/


The teaching material presented in class is available as a pdf file and is the result of the teacher's personal elaboration for the part concerning the matrix treatment of geometric crystallography. The rest of the material is freely taken from the books of Prof. Germano Rigault which are mentioned below. The material concerning the treatment of waves, X-ray diffraction and the solution of the phase problem is freely drawn and translated from the text by Dennis Sherwood and Jon Cooper cited below. Some specific parts on direct methods are taken from the text of Giacovazzo and coauthors cited below.

P. Ugliengo, Strutturistica Chimica, source of classes teaching material.

G. Rigault, Introduzione alla Cristallografia, Levrotto e Bella, Torino, 1978.

G. Rigault e G. Graziosi, Complementi ed Esercizi di Cristallografia, Levrotto e Bella, Torino, 1972.

C. Ciacovazzo e altri autori, Fundamentals of Crystallography, Oxford University Press, Oxford, 1992.

D. Sherwood and Jon Cooper, Crystals, X-Rays and Proteins, Oxford University Press, Inc., 2010.

Of particular interest are these link:

http://lcr.epfl.ch/page-6443.html
http://escher.epfl.ch/escher/
http://www.moldraw.unito.it
http://www.jmol.org
https://sites.google.com/site/cristallografia/



Registrazione
  • Chiusa
    Apertura registrazione
    03/10/2022 alle ore 09:00
    Chiusura registrazione
    30/12/2022 alle ore 09:00
    N° massimo di studenti
    40 (Raggiunto questo numero di studenti registrati non sarà più possibile registrarsi a questo insegnamento!)
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 09/11/2022 04:23
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