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STRUTTURISTICA

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Structural Chemistry

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Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
CHI0054
Docente
Prof. Piero Ugliengo (Titolare del corso)
Anno
1° anno, 2° anno
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Scritto
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 del corso

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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


L'insegnamento viene erogato in forma tradizionale con lezioni frontali.
Le lezioni vengono svolte alla lavagna con lo svolgimento dei passagi matematici e non viene fatto
ricorso a proiezioni con Powerpoint.
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.


The classes are taught by a classical approach based on lessons at the blackboard.
All mathematical details will be reported at the blackboard and no recourse to PowerPoint is
usually made. The purpose is to teach the proper methodology to arrive at the results through formal
and rigorous mathematical steps. Few classes will be devoted to
do computer exercises focused on searching for structural information from strucural data bank and
on the visualization through molecular graphic programs.

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Modalità di verifica dell'apprendimento


Durante lo svolgimento dell'insegnamento si svolgeranno mini-presentazioni degli studenti in lingua inglese atte a descrivere un articolo a carattere strutturale da cui estrarre i dati strutturali e a darne una rappresentazione grafica.  L'esame finale si svolge in forma scritta. Lo scritto consiste di  20 domande aperte che mirano a verificare i risultati dell'apprendimento attesi. Le domande riguardano i principali concetti illustrati e discussi nell'insegnamento.

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.


Mini-talks in English are planned in which students are asked to read and understand a scientific paper with structural content from which extract and represent structural information through molecular graphic programs.  The final exam is in a written form and consists of 20 open questions
devoted to check the student's learning of the basic concepts. The questions 
focus on the main concepts explained in the classes. Each question scores 0-2 points. However, the evaluation of the exam
is not based on a rigid aritmetic scheme. Rather, the final score  is the results of an integrated
evaluation where questions can have different weight in the final score based on the importance of
the concepts. The evaluation is based on:
1) clarity in  presenting concepts and methods with enphasis on the language style.
2) relative importance of the errors in answering fundamental concepts with  respect to the expected learning targets.
For example, conceptual errors on fundamental laws of crystallography or on foundations of the
structural solution methods are more serious than other minor flaws. The evaluation of the
written exam is critically discussed with the student to make comments on specific points.

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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.

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Testi consigliati e bibliografia

Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile come file pdf.

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.

Infine sono di seguito indicati alcuni siti internet di interesse:

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/


Teaching material as discussed in the classes is available as a pdf in the Teaching material link.

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.

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/

Oggetto:

AppelliV

 DataOreEsame
  • 08/02/2019 14:30 - 18:30 Scritto
  • 17/12/2018 14:30 - 17:30 Scritto
  • 25/10/2018 14:30 - 18:00 Scritto
    Registrazione
  • Aperta
    N° massimo di studenti
    30 (Raggiunto questo numero di studenti registrati non sarà più possibile registrarsi a questo corso!)
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 03/05/2018 14:30
    Location: https://lmchimica.campusnet.unito.it/robots.html
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