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Oggetto:

CHIMICA ORGANICA COMPUTAZIONALE

Oggetto:

COMPUTATIONAL ORGANIC CHEMISTRY

Oggetto:

Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
CHI0211
Docenti
Carlo Canepa (Titolare degli insegnamenti)
Giovanni Ghigo (Titolare degli insegnamenti)
Anno
1° anno
Periodo
Primo periodo
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
CHIM/06 - chimica organica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti

Conoscenza di base della chimica organica nei suoi aspetti chimico-fisici e meccanicistici. Argomenti fondamentali di termodinamica chimica.

Basic knowledge of the physico-chemical tools of mechanistic organic chemistry. Fundamental topics of chemical thermodynamics.
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

La finalità del corso volge all’acquisizione da parte di studenti e studentesse degli strumenti di base per la trattazione modellistica su base quantitativa dell’equilibrio e delle velocità di reazione in chimica organica. In particolare, i metodi teorici e computazionali trattati consentono l’ottenimento di dati termodinamici e cinetici per i quali è riconosciuto un ruolo (sia come tali, sia nel confronto con i dati sperimentali) nella elucidazione dei meccanismi. In taluni processi innovativi (quali la catalisi da parte di macromolecole, cristalli, reazioni in fase condensata ad alta temperatura e/o pressione) il modello teorico–computazionale può costituire la principale risorsa per la soluzione di problemi scientifici e applicativi.

Students attending the molecular modelling course will be acquainted with the basic knowledge of the most common tools used in the quantitative modelling of both equilibria and rates in organic chemistry. In particular, detailing the theoretical and computational methods allow the students to be able to determine the thermodynamic and kinetic quantities relevant to mechanistic studies. In innovative processes, such as enzyme-catalized reactions, reactions on surfaces, and high-temperature or high-pressure transformations, theoretical modelling may constitute the main resource to answer scientific questions and develope relevant applications.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Padronanza dei metodi sulla reattività illustrati nel corso e capacità operativa nella costruzione di un modello teorico-computazionale di un processo chimico. Capacità di analisi critica dei dati ottenuti.

Muster the theoretical and computational methods expounded in the lectures and acquire an operative ability to model a chemical process. Accomplish the skill to perform a discerning analysis of computational results.

Oggetto:

Programma

Lezoni in aula.

1. Il calcolo dell'energia elettronica dei sistemi molecolari. I metodi ab initio: l'approssimazione di Born-Oppenheimer, la funzione d'onda, il metodo Hartree-Fock e la Linear Combination of Atomic Orbitals (LCAO), i metodi Post-SCF (Ful-CI, MPx, CC). Cenni ai metodi SemiEmpirici e Meccanica Molecolare. Il metodo DFT ed i funzionali. I basis sets: Pople, Dunning, correlation-consistent, def2. Basi Electron-Core Potential. Il Basis-Set-Superposition-Error.

2. Le grandezze coinvolte nella modellistica molecolare. Dinamica dei sistemi chimici, loro modellizzazione e ruolo dei meccanismi di reazione. Accuratezza dei calcoli quantomeccanici su sistemi molecolari (misure dirette). Discussione dei parametri di attivazione sperimentali di reazioni bimolecolari (misure indirette). Relazione tra barriere in energia libera, costanti cinetiche e tempi di dimezzamento per reazioni monomolecolari secondo la formulazione termodinamica della teoria dello stato di transizione.

3. Relazione tra l'evoluzione dei sistemi chimici e la loro energia totale. Ruolo dell'energia cinetica e potenziale nell'evoluzione di un sistema chimico in fase gas ed in fase condensata. Dipendenza della costante cinetica dalla temperatura per reazioni in fase gas. Discussione della dipendenza dei coefficienti di velocità dalla temperatura in relazione alle barriere di energia potenziale.

4. Termodinamica statistica. Medie termodinamiche nei casi quantistico e classico. Distribuzione di Maxwell-Boltzmann e densità degli stati. Densità degli stati traslazionale di una particella in una buca di potenziale infinita. Funzione di partizione traslazionale nei casi monodimensionale e tridimensionale. Energia media traslazionale. Hamiltoniano multielettronico ed approssimazione di Born-Oppenheimer.

5. La superficie di energia potenziale di un sistema reattivo. Coordinate cartesiane ed interne per un sistema reattivo molecolare. Superficie di energia potenziale. Espansione quadratica dell'energia potenziale. Gradiente ed hessiana. Punti critici e loro caratterizzazione. Specie chimicamente stabili, intermedi di reazione e strutture di transizione. Coordinata di reazione. Problema conformazionale dell'1,2-difluoroetano. Energia media traslazionale.

6. Calcolo di grandezze termodinamiche. Proprietà della funzione di partizione. Significato e valori dei contributi elettronico e traslazionale. I vari contributi alla funzione di partizione molecolare. Forma quantistica della funzione di partizione vibrazionale. Approssimazione classica della densità degli stati vibrazionale, della funzione di partizione e dell'energia media vibrazionale. Espressione statistica per l'energia media vibrazionale. Espressioni delle funzioni di partizione per sistemi di particelle distinguibili ed indistinguibili. Relazione tra energia media e funzione di partizione. Espressione statistica per l'entropia.

7. Energie libere e costante di equilibrio, energia ed entropia negli equilibri. Relazione tra energia, entropia e funzioni di partizione microscopiche: la convenzione del volume. Energie libere di Helmholtz e Gibbs per le fasi gassosa e condensata.

8. Il potenziale chimico. Variazione di energia libera per stadi elementari di reazione. Derivazione dell'espressione statistica per la costante di equilibrio in un sistema a temperatura e pressione costanti. La relazione tra la costante di equilibrio e la differenza di energia libera di Helmholtz. Esercizi numerici: la reazione di alchilazione della piridina e la struttura dei prodotti. Analisi dei fattori energetici ed entropici sulla posizione dell'equilibrio di dissociazione degli acidi cloroacetici.

9. L'espressione di Arrhenius, la teoria dello stato di transizione e la sua interpretazione termodinamica. Espressione di Arrhenius per la dipendenza della costante cinetica dalla temperatura. Linearizzazione dell'espressione di Arrhenius. Ottenimento dei parametri di attivazione di Arrhenius per regressione non lineare. Discussione della deviazione standard dei parametri di Arrhenius per la termolisi delle N-alchil-N-nitrosoammidi. Ipotesi alla base della teoria dello stato di transizione. Derivazione e discussione dell'espressione della costante cinetica secondo la teoria dello stato di transizione. Calcolo della costante cinetica per la N alchilazione della piridina in acetonitrile. Formulazione termodinamica della teoria dello stato di transizione per processi monomolecolari e bimolecolari: equazione di Eyring.

10. Modelli per reazioni in solvente. Energie libere di idratazione di ioni. Energie libere di trasferimento di fase per composti ionici e polari. Discussione dei valori di costanti di velocità sperimentali per processi bimolecolari e monomolecolari in vari solventi. Entropie di attivazione sperimentali per vari processi. Complesso ammoniaca-acido cloridrico: strutture ed energie libere in fase gassosa ed in soluzione. Metodo del mezzo continuo polarizzabile. Costanti dielettriche dei solventi. Metodo della supermolecola. Profili di reazione in fase gas e secondo il modello del mezzo continuo polarizzabile.

11. Metodi SCRF e della supermolecola. Rivisitazione della N-alchilazione della piridina trattata con il metodo del mezzo continuo polarizzabile. Profilo di reazione secondo il modello della supermolecola. Ruolo del controione nel meccanismo di reazione: la reazione dello ione cloruro con iodometano. Catalisi acida nel meccanismo di epossidazione degli alcheni con peracidi. Entropie di vaporizzazione sperimentali e calcolate con la teoria del mezzo continuo polarizzabile. Correzioni dinamiche alle funzioni di partizione per le soluzioni.

12. La teoria di Lennard Jones-Devonshire e l'entropia di attivazione. Teoria di Lennard Jones-Devonshire. Volume libero di traslazione per soluti. Integrale configurazionale. Espressione di Eyring per la funzione di partizione rotazionale in soluzione. Confronto tra le entropie di vaporizzazione sperimentali e calcolate con la teoria del mezzo continuo polarizzabile e del campo medio. Confronto tra le entropie di attivazione calcolate e le corrispondenti ottenute dall'equazione di Eyring per la fase gas e la soluzione. Esemplificazione sull'alchilazione della 3-bromopiridina.

13. Interpretazione classica della catalisi enzimatica. La catalisi enzimatica dai dati
sperimentali. Catalisi enzimatica: introduzione. Tempi di dimezzamento di reazioni spontanee e catalizzate da enzimi. Grafico di Harcourt. Meccanismi proposti per la catalisi. La cinetica di Michaelis-Menten. La meccanica molecolare. Modelli computazionali del cammino di reazione e discussione delle barriere di reazione in vari casi. Decarbossilazione della glicina e dell'acido amminoformilacetico: confronto tra la fase gas e la soluzione acquosa.

14. Barriere di reazione computazionali per reazioni catalizzate da enzimi. Strategie per la decarbossilazione enzimatica di amminoacidi: enzimi dipendenti dal piruvoile e dal piridossal fosfato. Energetica di base per l'idrolisi acquosa dell'acetato di metile. Effetto del sito attivo sulla barriera di reazione. Idrolisi dell'estere etilico dell'N-acetil-L-triptofano e dell'N-acetil-L-tirosina. Barriera per il trasferimento di ossigeno dalla C-4alfa-idroperossi flavina in strutture cariche e neutre. Costante cinetica per un sistema con un oscillatore attivo.

15. La dinamica di sistemi con molte coordinate. Trasferimento di energia tra modi di vibrazione. Espressione della costante cinetica monomolecolare per un sistema con oscillatori accoppiati alla coordinata di reazione. Discussione della dipendenza della costante di velocità dalla barriera di reazione e dal numero di oscillatori attivi.

16. La catalisi enzimatica conseguenza della dinamica delle proteine. Derivate prima e seconda della costante cinetica rispetto alla barriera ridotta. Curvatura dei grafici di Eyring per reazioni enzimatiche. Grafico di Eyring per l'idrolisi di polipeptidi catalizzata da alfa-chimotripsina. Confronto tra la barriera di reazione ottenuta per regressione a varie espressioni della costante cinetica. Pendenza e curvatura dei grafici di Eyring. Discussione del numero ottimale di oscillatori attivi in relazione alla dipendenza della costante cinetica dalla temperatura.

17. Reazioni in soluzione. L'accoppiamento di modi vibrazionali del solvente alla coordinata di reazione per reazioni in soluzione. Le reazioni bimolecolari in soluzione in presenza di accoppiamento con i modi di vibrazione del solvente. Analisi della costante cinetica per la reazione di alchilazione della 3-bromopiridina.

18. Sistemi diradicalici e diradicaloidi e stati eccitati. La stuttuta elettronica dei sistemi diradicalici e diradicaloidi. I Metodi multiconfigurazionali. La correlazione elettronica nei sistemi closed shell e diradicalici/diradicaloidi. Gli stati eccitati ed il metodo TD-DFT.

19. Nozioni essenziali per lo svolgimento delle esercitazioni. I programmi di chimica computazionale. Il Gaussian. La preparazione del file di input. Il ciclo di ottimizzazione. L'Hessiana e le righe numeriche. 

Esercitazioni al calcolatore:
1. Utilizzo del programma Gaussiann, CH3OH: IR e TS conformazionale;
2. Carbocationi: effetto del ciclopropile; 
3. SN2 ed effetto solvente: CH3Br + NaCl => CH3Cl + NaBr;
4. Hydrogen Atom Transfer (CO Ambientale): CH2Cl2 + HO* => *CHCl2 + H2O;
5. KIE: reazione identità CH3Li + CH4;
6. Kinetics vs Tdmc Control (Add. Nucl. 1,2 vs 1,4);
7. VIS-UV col TD-DFT: 4-O2N-C6H4-NH2;
8. TEST FINALE. Diradicali: O2, dissociazione di Li2.

Classromm lessons.

1. The electronic energy of the molecular systems. ab initio methods: the Born-Oppenheimer approximation, the wave function, Hartree-Fock e la Linear Combination of Atomic Orbitals (LCAO), Post-SCF methods (Ful-CI, MPx, CC). SemiEmpirical and Molecular Mechanics methods (elements). The DFT method and the funzionals. The basis sets: Pople, Dunning, correlation-consistent, def2. Basies setElectron-Core Potential. The Basis-Set-Superposition-Error.

2. The quantities involved in molecular modelling. Dynamics of chemical systems, their modeling and role of reaction mechanisms. Accuracy of quantum mechanical calculations on molecular systems (direct measurements). Discussion of the experimental activation parameters of bimolecular reactions (indirect measurements). Relationship between free energy barriers, kinetic constants and half-lives for monomolecular reactions according to the thermodynamic formulation of the transition state theory.

3. Relationship between the evolution of chemical systems and their total energy. Role of kinetic and potential energy in the evolution of a chemical system in the gas phase and in condensed phase. Dependence of the kinetic constant on temperature for reactions in the gas phase. Discussion of the dependence of velocity coefficients on temperature in relation to potential energy barriers.

4. Statistical thermodynamics. Thermodynamic averages in the quantum and classical cases. Maxwell-Boltzmann distribution and density of states. Translational density of states of a particle in a well of infinite potential. Translational partition function in the one-dimensional and three-dimensional cases. Average translational energy. Multielectron Hamiltonian and Born-Oppenheimer approximation.

5. The potential energy surface of a reactive system. Cartesian coordinates and internal for a molecular reactive system. Potential energy surface. Expansion square of potential energy. Gradient and Hessian. Critical points and their characterization. Chemically stable species, reaction intermediates and transition structures. Reaction coordinate. Conformational problem of 1,2-difluoroethane. Average energy translational.

6. Calculation of thermodynamic quantities. Partition function properties. Meaning and values ​​ of electronic and translational contributions. The various contributions to the molecular partition function. Quantum form of the vibrational partition function. Classical approximation of the density of vibrational states, of the partition function and of the vibrational average energy. Statistical expression for mean vibrational energy. Expressions of partition functions for systems of distinguishable and indistinct particles driveable. Relationship between average energy and partition function. Statistical expression for the entropy.

7. Free energies and equilibrium constant, energy and entropy in equilibria. Relationship  between energy, entropy and microscopic partition functions: the volume convention.  Helmholtz and Gibbs free energies for the gaseous and condensed phases.

8. The chemical potential. Variation of free energy for elementary reaction stages. Derivation  of the statistical expression for the equilibrium constant in a system at constant temperature and pressure. The relationship between the equilibrium constant and the Helmholtz free energy difference. Numerical exercises: the pyridine alkylation reaction and the structure of the products. Analysis of energy and entropic factors on the position of the dissociation equilibrium of chloroacetic acids.

9. The Arrhenius expression, the transition state theory and its thermodynamic interpretation. Arrhenius expression for the dependence of the kinetic constant on  temperature. Linearization of the Arrhenius expression. Obtaining the Arrhenius activation parameters for non-linear regression. Discussion of the standard deviation of the Arrhenius parameters for the thermolysis of N-alkyl-N-nitrosoamides. Hypotheses underlying the transition state theory. Derivation and discussion of the expression of the kinetic constant according to the transition state theory. Calculation of the rate constant for the N-alkylation of pyridine in acetonitrile. Thermodynamic formulation of the transition state theory for monomolecular and bimolecular processes: Eyring equation.

10. Models for solvent reactions. Free energies of hydration of ions. Energies free phase transfer agents for ionic and polar compounds. Discussion of the values ​​of Experimental rate constants for bimolecular and monomolecular processes in various solwinds. Experimental activation entropies for various processes. Ammonia-acid complex hydrochloric acid: structures and free energies in the gaseous phase and in solution. Method of the middle polarizable continuum. Dielectric constants of solvents. supermolecule method. Reaction profiles in the gas phase and according to the continuous polarizable medium model.

11. SCRF and supermolecule methods. Review of the N-alkylation of pyridine treated with the method of the continuous polarizable medium. Reaction profile according to model of the supermolecule. Role of the counterion in the reaction mechanism: the reaction of the chloride ion with iodomethane. Acid catalysis in the epoxidation mechanism of alkenes with peracids. Experimental and theoretically calculated vaporization entropies of the continuous polarizable medium. Dynamic fixes to partition functions for solutions.

12. Lennard Jones-Devonshire theory and activation entropy. Theory of Lennard Jones-Devonshire. Free volume of translation for solutes. Integral configurational. Eyring expression for the rotational partition function in solution.  Comparison between the experimental vaporization entropies and those calculated with the theory of the medium polarizable continuum and mean field. Comparison of the computational activation entropies late and the corresponding ones obtained from the Eyring equation for the gas phase and the solution. Example on the alkylation of 3-bromopyridine.

13. Classical interpretation of enzyme catalysis. Enzymatic catalysis from data experimental. Enzymatic catalysis: introduction. Half-lives of spontaneous reactions tanneous and catalyzed by enzymes. Harcourt graph. Proposed mechanisms for catalysis. Michaelis-Menten kinetics. Molecular mechanics. Computational models of reaction path and discussion of reaction barriers in various cases. Decarboxylation of glycine and aminoformylacetic acid: comparison between the gas phase and the water solution.

14. Computational reaction barriers for enzyme-catalyzed reactions. Strategies for the enzymatic decarboxylation of amino acids: pyruvoyl-dependent enzymes and pyridoxal phosphate. Basic energetics for the aqueous hydrolysis of methyl acetate. Effect of the active site on the reaction barrier. Hydrolysis of N-acetyl-ethyl ester L-tryptophan and N-acetyl-L-tyrosine. Barrier for the transfer of oxygen from C-4alpha-hydroperoxy flavin in charged and neutral structures. Kinetic constant for a system with an active oscillator.

15. The dynamics of systems with many coordinates. Energy transfer between vibration modes. Expression of the monomolecular kinetic constant for a system with oscillators coupled to the reaction coordinate. Discussion of the dependence of the rate constant on the reaction barrier and on the number of active oscillators.

16. Enzymatic catalysis consequence of protein dynamics. Derive first and depending on the kinetic constant with respect to the reduced barrier. Curvature of graphs of Eyring for enzymatic reactions. Eyring plot for catalyzed hydrolysis of polypeptides from alpha chymotrypsin. Comparison of the reaction barrier obtained by regression to various expressions of the kinetic constant. Slope and curvature of Eyring graphs. Discussion of the optimal number of active oscillators in relation to the dependence of the kinetic constant from the temperature.

17. Reactions in solution. The coupling of vibrational modes of the solvent to the coordinate of reaction for reactions in solution. Bimolecular reactions in solution in presence coupling with the vibration modes of the solvent. Analysis of the kinetic constant for the alkylation reaction of 3-bromopyridine.

18. Diradical and diradicaloid systems and excited states. The electronic structure of diradical and diradicaloid systems. Multiconfigurational Methods. The electron correlation in closed shell and diradical/diradicaloid systems. The excited states and the TD-DFT method.

19. Essential notions for carrying out the exercises. Computational chemistry programs. The Gaussian. The preparation of the input file. The optimization cycle. The Hessian and the number rows.

Calculator exercises:
1. Using the Gaussiann program, CH3OH: IR and conformal TS;
2. Carbocations: effect of cyclopropyl;
3. SN2 and solvent effect: CH3Br + NaCl => CH3Cl + NaBr;
4. HAT (Environmental CO): CH2Cl2 + HO* => *CHCl2 + H2O;
5. KIE: CH3Li + CH4 identity reaction;
6. Kinetics vs Tdmc Control (Add. Nucl. 1.2 vs 1.4);
7. VIS-UV with TD-DFT: 4-O2N-C6H4-NH2;
8. FINAL TEST. Diradicals: O2, dissociation of Li2.

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Il corso si svolgerà mediante lezioni in aula con esercizi (32 ore) ed esercitazioni al calcolatore in aula informatica (32 ore).  Sebbene non obbligatoria, la frequenza alle lezioni è fortemente consigliata, soprattutto per le ultime due di preparazione al laboratorio.

NB: le esercitazioni al calcolatore sono obbligatorie.

Classroom lectures and exercises (32 hours), computer simulations in the lab (32 hours). Although not compulsory, attendance at the lessons is strongly recommended, especially for the last two of preparation for the laboratory.

NB: the exercises are mandatory.

 

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Modulo prof. Canepa (punti 2-17 del programma). Esame orale con domande sugli argomenti del programma e risoluzione di problemi. Valutazione in trentesimi (max 30 punti) della comprensione e della chiarezza espositiva.

Modulo prof. Ghigo (punti 1, 18 e 19 del programma ed Esercitazioni). Valutazione complessiva in trentesimi (max 30 punti). Contribuiscono al voto:

1. Valutazione della presenza e dell'impegno nelle esercitazioni al calcolatore e nell'accuratezza nella raccolta dei dati (20 punti). 

2. Test finale scritto tenuto l'ultimo giorno delle esercitazioni così strutturato:
     a. Due domande a carattere generale sui punti 1, 18 e 19 del programma.  2+2 punti;
     b. Preparazione dell'input: disegno e numerazione degli atomi e definizione dell'Hessiana numerica del Struttura di Transizione di una reazione data.  6 punti.

ATTENZIONE: CI SARA’ UN SOLO TEST FINALE.  NON SONO PREVISTI ALTRI APPELLI O ESONERI PER L’OTTENIMENTO DEL VOTO DEL MODULO “GHIGO”.

La media dei voti dei due moduli costituisce il voto finale.

Module prof. Canepa (points 2-17 of the program). Oral exam with questions on the topics of the program and problem solving. Evaluation in thirtieths (max 30 points) of understanding and expository clarity.

Module prof. Ghigo (points 1, 18 and 19 of the program and Exercises). Evaluation of the presence and commitment in the computer exercises and of the data collected in written form (20 points). Final written test held on the last day of the exercises structured as follows:
a. Two questions on points 1, 18 and 19 of the programme. 2+2 points;
b. Appropriate design and atomic numbering of the TS atoms of a given reaction. 6 points.

The average of the two components constitutes the final evaluation.

Testi consigliati e bibliografia



Oggetto:
Libro
Titolo:  
Donald A. McQuarrie Physical Chemistry: A Molecular Approach University Science Books.
Anno pubblicazione:  
1997
Editore:  
Univ Science Books
Autore:  
Donald A. McQuarrie
Obbligatorio:  
No


Oggetto:
Libro
Titolo:  
Appunti del corso
Anno pubblicazione:  
2023
Editore:  
Dipartimento di Chimica
Autore:  
Carlo Canepa - Giovanni Ghigo
Note testo:  
Gli appunti contengono la bibliografia completa
Obbligatorio:  
No
Oggetto:

Christofer J. Cramer Essential of Computational Chemistry (2004) John Wiley & Sons, Ltd

Frank Jensen Introduction to Computational Chemistry (2007) John Wiley & Sons, Ltd

Appunti: Gli appunti contengono
(a) i contenuti fondamentali raccolti in modo sintetico
(b) i dati presentati su esempi di reattività ad esemplificazione e supporto delle teorie illustrate.

Dispense fornite per le esercitazioni.

Christofer J. Cramer Essential of Computational Chemistry (2004) John Wiley & Sons, Ltd

Frank Jensen Introduction to Computational Chemistry (2007) John Wiley & Sons, Ltd

Notes with a synthetic presentation of the lectures and a collection of data and examples to illustrate the theoretical methods.

Notes for the computational lab.



Oggetto:

Note

NB: La frequenza alle esercitazioni è obbligatoria.

Registrazione
  • Chiusa
    Apertura registrazione
    29/09/2023 alle ore 17:00
    Chiusura registrazione
    06/12/2023 alle ore 12:00
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 29/09/2023 17:55
    Non cliccare qui!