00148 - CHIMICA ORGANICA

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso di Chimica Organica intende fornire i principi fondamentali della chimica organica. Verranno presentati i composti del carbonio, sia di origine naturale che sintetica, illustrando le principali metodologie di sintesi, i meccanismi attraverso i quali i composti organici si formano e si trasformano (sia in laboratorio che nei sistemi naturali ed ambientali), le relazioni struttura-reattivita' e accennando alle possibili interazioni supramolecolari. Particolare attenzione sarà riservata al chimismo dei gruppi funzionali, alla stereochimica e ai principali sistemi carbociclici ed eterociclici con particolare riferimento a contenuti riportati nei corsi di chimica farmaceutica, biochimica e farmacologia.

Contenuti

Il corso è suddiviso in due moduli

Chimica Organica, Modulo 1 (Prof. Luca Valgimigli)

1. Legami covalenti e forma delle molecole - La struttura elettronica dell'atomo: configurazione elettronica, elettroni di valenza e strutture di Lewis. Orbitali atomici s e p. Il modello di legame di Lewis: la regola dell'ottetto, elettronegatività, legame ionico e covalente, dipolo di legame, strutture di Lewis di molecole, elettroni di legame e legami multipli, carica formale, eccezioni alla regola dell'ottetto (espansione del guscio di valenza). Molecole polari e non polari, momento dipolare. Orbitali molecolari: combinazione lineare di orbitali atomici, orbitali di legame (σ e π) e di antilegame. Ibridazione degli orbitali atomici: ibridazione sp3, sp2, e sp, forma delle molecole e legami attorno all'atomo di Carbonio. Angoli di legame e forma delle molecole: molecole tetraedriche, trigonali planari e lineari. La teoria della risonanza di Pauling: strutture limite e ibrido di risonanza, frecce curve e lo “spostamento di elettroni”, regole per scrivere strutture limiti accettabili e loro importanza relativa.

2. Gruppi funzionali e nomenclatura IUPAC – Il concetto di gruppo funzionale in chimica organica. Caratteristiche strutturali dei gruppi funzionali più comuni: alcani, alcheni, alchini, alogenuri alchilici, alcoli, tioli, eteri ed epossidi, ammine, idrocarburi aromatici, aldeidi, chetoni, acidi carbossili e derivati (alogenuri acilici, anidridi, esteri, ammidi, nitrili, lattoni e lattami). il sistema IUPAC di denominazione dei composti organici.

3. Acidi e basi- Acidi e basi di Lowry-Brønsted: acidi e basi coniugate. Misura quantitativa della forza di acidi e basi: costante di dissociazione acida e pKa. Relazione tra struttura molecolare e acidità di HA: proprietà periodiche (elettronegatività di A e forza del legame HA), ibridazione del carbonio (A), effetto della risonanza e degli effetti induttivi. Posizione dell'equilibrio nelle reazioni acido-base. Acidi e basi di Lewis.

4. Alcani e cicloalcani - Idrocarburi saturi. Struttura degli alcani e isomeria strutturale. Nomenclatura degli alcani: carboni e idrogeni primari, secondari e terziari e carboni quaternari, idrogeni equivalenti. Cicloalcani: struttura e nomenclatura; disegni linea-angolo (zig-zag). Proprietà fisiche degli alcani e cicloalcani: forze di dispersione, polarizzabilità, solubilità, densità. Molecole come oggetti tridimensionali: conformazione di alcani e cicloalcani, conformazioni sfalsate ed eclissate, proiezioni di Newman, angolo diedro, tensione torsionale, diagrammi di energia potenziale, conformazioni anti e gauche, tensione di interazione di non-legame; cicloalcani e tensione angolare, tensione ciclica (torsionale + angolare) nel ciclopropano, ciclobutano; cicloesano: conformazione a sedia e a barca, legami assiali ed equatoriali, inversione della sedia, cicloesano monosostituito e interazione diassiale (di non-legame). Stereoisomeria cis-trans nei cicloalcani disostituiti.

5. Stereochimica- Stereoisomeria (enantiomeri e diastereoisomeri). Chiralità, piano e centro di simmetria, stereoformule (cunei e tratteggi), stereocentro. Configurazione e descrittori R/S. Proiezioni di Fisher. Molecole con due stereocentri, composti meso. Derivati disostituiti del cicloesano: enantiomeri interconvertibili. Proprietà degli stereoisomeri: attività ottica, polarimetro, rotazione specifica e composti destro- o levorotatori. Miscele racemiche. Risoluzione degli enantiomeri attraverso sali diastereoisomeri. Significato della chiralità nel mondo biologico: enzimi, farmaci chirali.

6. Reazioni degli alcani: le reazioni radicaliche - Intermedi transienti delle reazioni organiche: carbocationi, carboanioni e radicali. Principali reazioni degli alcani. La alogenazione radicalica regioselettività; meccanismo, formazione di radicali, frecce curve ad amo, reazione a catena (inizio, propagazione e terminazione), geometria dei radicali e stabilità relativa, aspetti energetici della reazione, regioselettività della bromurazione rispetto alla clorurazione (postulato di Hammond), esame dello stadio determinante la velocità; stereochimica della alogenazione (formazione di uno stereocentro, alogenazione di un carbonio stereogenico). Alogenazione allilica: stabilità del radicale allilico.

7. Alcheni e alchini (I parte)– Idrocarburi insaturi. Struttura degli alcheni e degli alchini: forma, modello orbitalico del doppio legame, lunghezza e forza dei legami (in confronto a alcani e alchini), forza del legame π e rotazione impedita, isomeria cis-trans e stabilità relativa degli isomeri. Nomenclatura IUPAC e comune degli alcheni. Descrizione della configurazione; descrittori cis, trans ed E, Z. Nomenclatura IUPAC e comune degli alchini, Proprietà fisiche degli alcheni e degli alchini.

8. Alcheni e alchini (II parte)– Meccanismi di reazione, diagrammi di energia potenziale e coordinata di reazione; calore di reazione e reazioni eso- ed endotermiche; stato di transizione, intermedi, stadio limitante la velocità della reazione; energia di attivazione ed equazione di Arrhenius. Addizioni elettrofile agli alcheni; addizione di acidi alogenidrici: reazioni regioselettive, regola di Markovnikov, meccanismo, carbocationi, specie elettrofile, forma dei carbocationi e stabilità relativa, effetti induttivo ed iperconiugativo; idratazione acido catalizzata, meccanismo; trasposizione dei carbocationi; addizione di bromo e cloro: reazioni stereoselettive, meccanismo, ione alonio e anti-stereoselettività; addizione di cloro e bromo in presenza di acqua: aloidrine, meccanismo, regio- e stereoselettività della reazione. Aspetti stereochimici della sin- e anti-addizione su cis- e trans-alcheni: formazione di molecole achirali o chirali di composizione racemica a partire da molecole achirali. Ossimercuriazione e riduzione: regioselettività (sec. Markovnikov) e anti-stereoselettività, ione mercurinio. Idroborazione/ossidazione (idratazione anti-Markovnikov). Ossidoriduzioni: come riconoscerle (metodo delle semireazioni bilanciate, variazione dello stato di ossidazione). Ossidazione a glicole con tetrossido di osmio; ozonolisi. Idrogenazione catalitica: sin-addizione. Reazioni degli alchini. Acidità degli alchini terminali, formazione di Sali. Addizioni elettrofile: addizione di bromo e cloro, addizione di una o due moli, anti-addizione, meccanismo; addizione di acidi alogenidrici (HBr, HCl), regioselettività sec. Markovnikov, reattività in confronto agli alcheni.

9. Alogenuri alchilici, sostituzione nucleofila e β-eliminazione – Struttura degli alogenoalcani. Proprietà fisiche. Nucleofili e sostituzione nucleofila degli alogenuri alchilici (con acqua e idrossidi, alcoli e alcossidi, tiolati, cianuri, alchinuri, azide, ammoniaca). Solventi protici e aprotici, polari e apolari, costante dielettrica. Meccanismo SN2, reazione bimolecolare, cinetica del 2° ordine, profilo di energia potenziale; meccanismo SN1, reazione monomolecolare, cinetica del 1° ordine, profilo di energia potenziale, solvolisi. Evidenze sperimentali dei meccanismi: effetto della struttura del nucleofilo (nucleofilicità e basicità; ordine di nucleofilicità in solventi aprotici e protici); andamento stereochimico (racemizzazione completa o parziale; inversione di configurazione); struttura dell'alogenuro alchilico; struttura del gruppo uscente e relazione con la basicità; effetto del solvente nelle SN2 e SN1; trasposizioni nelle reazioni di solvolisi. Fattori che favoriscono le reazioni di SN2 e di SN1 degli alogenuri alchilici. β-eliminazione: la deidroalogenazione degli alogenuri alchilici promossa da basi, regioselettività (regola di Zaitsev). Meccanismi E1 e E2, profili di energia potenziale. Evidenze sperimentali dei meccanismi: aspetti cinetici, regioselettività, aspetti stereochimici (stereoselettività della E2). Competizione tra sostituzione e eliminazione: fattori che favoriscono SN e E, uso di basi stericamente impedite.

Chimica Organica, Modulo 2 (Prof. Claudia Tomasini)

10. Alcoli e tioli– Struttura. Proprietà fisiche: polarità, interazione dipolo-dipolo e legame ad idrogeno, effetto sul punto di ebollizione e sulla solubilità in acqua, confronto alcoli/tioli. Proprietà acido-base degli alcoli. Reazione con metalli alcalini e idruro di sodio, alcossidi; conversione in alogenuri alchilici con acidi alogenidrici (meccanismi SN1 e SN2, trasposizioni negli alcoli sec) e con alogenuri inorganici (PBr3; cloruro di tionile); conversione in solfonati alchilici: tosilati, mesilati; formazione di un ottimo gruppo uscente. Disidratazione acido catalizzata degli alcoli: formazione regioselettiva di alcheni (meccanismi E1 e E2, trasposizioni); equilibrio idratazione-disidratazione, principio della reversibilità microscopica. Ossidazione degli alcoli primari e sec con Cr(VI) (acido cromico acquoso e clorocromato di piridinio, breath test. Tioli e loro acidità.

11. Eteri ed epossidi– Struttura degli eteri; nomenclatura IUPAC e comune di eteri ed eteri ciclici, nomenclatura comune di solfuri. Preparazione degli eteri: sintesi di Williamson, scelta della combinazione dei reattivi; addizione acido catalizzata di alcoli ad alcheni, meccanismo. Reattività degli eteri: inerzia chimica (ossidanti, basi e, in parte, acidi). Epossidi: struttura, tensione d'anello e nomenclatura (IUPAC e comune); preparazione mediante ossidazione di alcheni con peracidi e per sostituzione nucleofila interna delle aloidrine; reattività degli epossidi: idrolisi (e alcolisi) acida, apertura d'anello con nucleofili; importanza sintetica degli epossidi.

12. Aldeidi e chetoni– Struttura e legami, modello orbitalico. Nomenclatura IUPAC di aldeidi alifatiche, insature e cicliche e di chetoni; composti con più gruppi funzionali; nomenclatura comune. Addizione nucleofila al carbonile, effetto degli acidi, meccanismo generale. Composti organometallici: preparazione dei reattivi di Grignard e di organolitio; polarità del legame C-Met. Addizione dei reattivi di Grignard (e di organolitio): addizione a formaldeide, aldeidi, chetoni; addizione di alchinuri; addizione di acido cianidrico e formazione di cianidrine, meccanismo, utilità delle cianidrine (disidratazione, idrolisi, riduzione). Idratazione: gem-dioli, posizione dell'equilibrio; addizione di alcoli: emiacetali e acetali, meccanismo, posizione dell'equilibrio. Addizione di ammoniaca e ammine: formazione di immine, meccanismo, riduzione delle immine, formazione di enammine, meccanismo; addizione di idrazina (e composti correlati). Ossidazioni delle aldeidi con acido cromico, Ag(I), ossigeno. Ossidazione di Baeyer-Villinger dei chetoni. Idrogenazione catalitica; riduzione con idruri metallici (LAH e sodio boro idruro). Riduzione di Clemmensen e di Wolff-Kishner.

13. Acidi carbossilici– Struttura. Nomenclatura IUPAC di acidi carbossilici, dicarbossilici, acidi carbossilici con più gruppi funzionale e in cui il gruppo COOH è legato ad un anello, acidi carbossilici aromatici. Nomenclature comune. Proprietà fisiche: dimeri, p.e., solubilità, regioni idrofobe/idrofile. Acidità, effetti induttivi e di risonanza; reazioni con basi forti, solubilità dei sali. Riduzione con LAH; riduzione selettiva di altri gruppi funzionali. Esterificazione di Fisher: controllo della posizione dell'equilibrio, meccanismo. Reazione con cloruri inorganici (formazione di cloruri acilici). Decarbossilazione dei β-chetoacidi e degli acidi β-dicarbossilici (malonici).

14. Derivati funzionali degli acidi carbossilici– Struttura e nomenclatura di alogenuri acilici, anidridi di acidi carbossilici e dicarbossilici, esteri e lattoni, ammidi, lattami e immidi, nitrili. Reazione generale di sostituzione nucleofila acilica, confronto con l'addizione nucleofila, reattività dei diversi derivati. Reazioni con acqua: idrolisi di cloruri acilici e anidridi, meccanismo; idrolisi acida degli esteri, equilibrio, meccanismo; saponificazione degli esteri, confronto con l'idrolisi acida; idrolisi acida e basica delle ammidi e dei nitrili, meccanismo, idrolisi dei nitrili (e cianidrine) come metodo di sintesi di acidi carbossilici. Reazione con alcoli: alcolisi di alogenuri acilici; alcolisi di anidridi; transesterificazione, posizione dell'equilibrio. Reazione con ammoniaca e ammine (prim e sec): formazione di ammidi da alogenuri acilici e anidridi, uso di 2 eq di ammina. Interconversione dei derivati funzionali degli acidi carbossilici. Riduzioni: riduzione degli esteri ad alcoli (con LAH); riduzione degli esteri ad aldeidi (con DIBALH); riduzione delle ammidi ad ammine (con LAH); riduzione di nitrili con LAH.

15. Anioni enolato ed enammine– Acidità degli idrogeni in α al carbonile: effetto induttivo e risonanza dell'anione enolato. Equilibrazione forma chetonica – forma enolica catalizzata da acidi e basi, posizione dell'equilibrio tautomerico. α-alogenazione acido e base catalizzata, meccanismo, reazione aloformio dei metilchetoni. Caratteristiche nucleofile dell'anione enolato. Reazione aldolica base catalizzata, meccanismo, disidratazione degli aldoli, equilibrio delle reazioni aldoliche; reazione aldolica incrociata. Formazione di anioni enolato, uso della LDA: regioselettività. Reazione aldoliche orientate (con enolati preformati). Sintesi malonica: preparazione di acidi acetici mono- e disostituiti.

16. Composti aromatici (I parte): il benzene e i suoi derivati– Grado di insaturazione, composti aromatici, areni, arile. Struttura del benzene: il modello di Kekulé, ibridazione degli orbitali atomici e struttura orbitalica, il benzene secondo il modello della risonanza, energia di risonanza. Il concetto di aromaticità e i criteri di Hückel: idrocarburi aromatici e antiaromatici, ioni idrocarburici. Idrocarburi aromatici polinucleari, naftalene, antracene e fenantrene. Furano e tiofene. Nomenclatura IUPAC e comune: benzeni monosostituiti, fenile e benzile; benzeni disostituiti, isomeri orto, meta e para, benzeni polisostituiti. Fenoli: struttura e nomenclatura, acidità dei fenoli e confronto con gli alcoli (effetti induttivi e di risonanza), effetti dei sostituenti sulla acidità. Reazione in posizione benzilica, cationi e radicali benzilici: ossidazione di alchilbenzeni (introduzione del guppo carbossilico); alogenazione benzilica, regioselettività.

17. Composti aromatici (II parte): reazioni del benzene e dei suoi derivati– La sostituzione elettrofila aromatica: reazione in due passaggi. Clorurazione e bromurazione: generazione dell'elettrofilo, meccanismo e profilo di energia potenziale. Nitrazione e solfonazione: elettrofilo, meccanismo, importanza sintetica. Alchilazione e acilazione di Friedel-Crafts: elettrofilo, meccanismo, possibilità di riarrangiamenti nella alchilazione, uso della acilazione nella sintesi di alchilbenzeni. Effetto di un sostituente sulla sostituzione: sull'orientazione (orto-para e meta orientanti) e sulla velocità della reazione (attivanti e disattivanti); classificazione dei sostituenti, strategia di sintesi di benzeni disostituiti. Teoria degli effetti orientanti e degli effetti attivanti-disattivanti: effetti induttivi e di risonanza. La sostituzione nucleofila aromatica di alogenuri arilici: gruppi attivanti (elettronattrattori), meccanismo.

18. Ammine– Struttura e classificazione (prim, sec, terz; alifatiche, aromatiche; eterocicliche). Nomenclatura (IUPAC e comune) di ammine alifatiche, aromatiche, ammine eterocicliche. Ammine chirali e inversione piramidale, sali di ammonio quaternari chirali. Composti aromatici eterociclici esatomici (piridina, pirimidina) e pentatomici (pirrolo, imidazolo), struttura orbitalica. Basicità delle ammine alifatiche e aromatiche, confronto, effetto dei sostituenti sull'anello. Preparazione delle ammine. Reazioni con acido nitroso: formazione del catione nitrosile, nitrosazione delle ammine aromatiche terziarie, formazione di N-nitrosoammine da ammine secondarie; ammine alifatiche primarie, diazotazione e decomposizione dei sali di diazonio, meccanismo; ammine aromatiche primarie, diazotazione, conversione dei sali di diazonio in cloruri, bromuri e nitrili (reaz. di Sandmeyer).

19. Carboidrati– Monosaccaridi: aldosi e chetosi, stereoisomeria, serie sterica d e l, (Fischer), proiezioni di Fischer dei d –monosaccaridi più comuni (glucosio, galattosio, fruttosio, ribosio), struttura emiacetalica dei monosaccaridi, anomeri, proiezioni di Haworth dei d –monosaccaridi più comuni, equilibrio tra anomeri α e β, mutarotazione, proprietà fisiche. Reazioni dei monosaccaridi: formazione di glicosidi (α e β glicosidi) e loro reattività, formazione di eteri, riduzione ad alditoli, ossidazione a acidi aldonici e aldarici, zuccheri riducenti, ossidazione con acido periodico. Disaccaridi, legami α e β glicosidici, rappresentazione di Haworth dei più comuni disaccardi (maltosio, lattosio e saccarosio), proprietà riducenti. Polisaccaridi, polimeri del glucosio: amido (α-1,4) e cellulosa (β-1,4).Ciclodestrine.

20. Lipidi – Struttura e nomenclatura delle principali classi di lipidi: acidi grassi, trigliceridi, fosfolipidi, saponi e la reazione di saponificazione, prostaglandine, leucotrieni e trombossani, colesterolo e composti steroidei, vitamine liposolubili.

21. Amminoacidi e proteine - Amminoacidi e loro nomenclatura. Proprietà chimiche degli amminoacidi: punto isoelettrico. Polipeptidi e proteine. Struttura delle proteine: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.

22. Acidi nucleici - Nucleosidi e nucleotidi. La struttura del DNA e del RNA. Il codice genetico.

Testi/Bibliografia

Brown, Iverson, Ansylyn, Foote - Chimica Organica (5a edizione) EdiSES (2015)

B. Iverson, G. Iverson - Guida alla soluzione dei problemi da Brown, Foote, Iverson EdiSES (2010)

J. McMurry - Fondamenti di Chimica Organica, Zanichelli

Metodi didattici

Il corso si basa su lezioni teoriche. Durante il semestre si svolgeranno dei test scritti per la verifica in itinere dell'apprendimento. Tutte le lezioni verranno svolte alla lavagna per stimolare l’interattività e la discussione critica degli argomenti trattati da parte degli studenti. Sono previste esercitazioni in aula sulla risoluzione degli esercizi di chimica organica per prepararsi al superamento della prova finale.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova scritta e in una prova orale sul programma svolto.

La prova scritta nella risoluzione di esercizi di chimica organica riguardanti, nomenclatura, stereochimica ed identificazione dei prodotti delle principali reazioni della chimica organica, ovvero dei reagenti e passaggi necessari per ottenere la sintesi chimica di prodotti organici.

La prova orale sarà incentrata sull'esposizione dei meccanismi delle principali reazioni organiche. L'ammissione alla prova orale richiede il superamento della prova scritta (preliminare). La prova orale può anche essere differita ad un appello successivo all'interno della stessa finestra d'esame.

Strumenti a supporto della didattica

Verranno messe a disposizione le copie delle slides proiettate a lezione.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Claudia Tomasini

Consulta il sito web di Luca Valgimigli