69074 - CHIMICA ORGANICA 1

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente sa prevedere il comportamento chimico dei composti organici monofunzionali e sa risolvere problemi nell'applicazione pratica di metodologie di sintesi e di trasformazione di molecole organiche semplici.

Contenuti

Prerequisiti: Lo studente deve possedere una buona conoscenza  dei principi fondamentali della chimica generale, con particolare riferimento a: struttura atomica, natura del legame chimico, principi dell’equilibrio chimico e elementi di cinetica, reazioni acido-base.

Programma:

Introduzione. Il significato, la rilevanza ed i limiti della Chimica Organica. Richiami sul legame chimico. Orbitali molecolari leganti ed antileganti. Risonanza. Elettronegatività, polarità dei legami e dipoli molecolari.

Gruppi funzionali e famiglie di composti organici. Orbitali ibridi e geometrie molecolari. I gruppi funzionali in Chimica organica. Concetti di scheletro molecolare e famiglie di composti organici. Il linguaggio della chimica organica.

 Reattività in chimica organica. Richiami dei concetti di cinetica e termodinamica delle reazioni chimiche. Legge di Arrhenius. Intermedi e stati di transizione. Significato dell'energia di attivazione e concetto di catalisi.

Meccanismi elementari di reazione. Rottura e formazione dei legami chimici tramite processi mono- o bi-elettronici. Nucleofili, elettrofili, radicali. Tipi di reazioni: sostituzioni, addizioni, eliminazioni, riarrangiamenti. Ossidazioni e riduzioni in chimica organica. Acidi e basi di Broensted. Acidi e basi di Lewis. Meccanismi di reazione e loro rappresentazione. 

Alcani e cicloalcani. Orbitali ibridi e geometrie molecolari. Legami sigma C-H e C-C e struttura degli alcani. Concetto di isomeria. Nomenclatura degli alcani. Cicloalcani. Proprietà fisiche degli alcani. Origine e importanza degli alcani. Conformazioni degli alcani lineari. Struttura e conformazione dei cicloalcani a 3, 4, 5 e 6 termini. Conformazioni a sedia e a barca del cicloesano: legami assiali ed equatoriali. Cicloesani sostituiti. Isomeria cis/trans nei composti ciclici.

Reattivita' degli alcani. Combustione, uso energetico, effetto serra. Alogenazione degli alcani: meccanismo e selettività. Stabilità dei radicali e iperconiugazione. Principio di reattività/selettività (postulato di Hammond). Cenno all'ossidazione degli alcani e ai problemi dell'inquinamento atmosferico.

Stereochimica. Chiralità delle molecole ed enantiomeria. Rappresentazione delle molecole chirali. Il sistema C.I.P. Enantiomeria e rotazione ottica. Miscele racemiche. Composti con uno o più stereocentri. Diastereoisomeria e forme meso. Rilevanza della chiralità.

Alogenoalcani. Legami sigma C-X e struttura degli alogenoalcani. Nomenclatura e proprietà fisiche. La sostituzione nucleofila alchilica. Meccanismi S_N2 e S_N1. Esempi di nucleofili. Gruppi uscenti diversi dagli alogenuri (solfonati, solfati, fosfati). Effetto della struttura del substrato e delle condizioni di reazione. Stereochimica delle sostituzioni nucleofile. Eliminazione E2 ed E1. Formazione di composti organometallici: l'addizione ossidativa. I composti organofluorurati. Cenno all'effetto di deplezione dell'ozono stratosferico.

Alcheni. Legami pi C=C. Struttura e nomencaltura degli alcheni. Proprieta' fisiche. Isomeria E/Z. Reazione di addizione elettrofila al doppio legame, meccanismo, regiochimica, stabilità dei carbocationi, cabocationi risonanti. Addizione di acidi alogenidrici. Addizione di acqua ed alcoli acido-catalizzata; struttura degli ioni ossonio. Addizione di alogeni. Idroborazione degli alcheni ed ossidazione dei borani. Idrogenazione catalitica etorogenea degli alcheni e cenno alla catalisi omogenea. Addizioni radicaliche. Addizione radicalica di HBr. Polimerizzazione radicalica degli alcheni. Cenni ai principali polimeri alchenilici. Ossidazioni degli alcheni. Epossidazione e di-idrossilazione; meccanismo; implicazioni stereochimiche. Ozonolisi: meccanismo e conversione degli ozonuri.

Dieni e polieni. Tipi di polieni (isolati, coniugati, cumulati) e nomenclatura. Stabilità dei polieni. La struttura degli alleni. Struttura elettronica dei dieni coniugati: HOMO e LUMO. Interazione degli alcheni con la radiazione elettromagnetica, cenno al meccanismo della visione retinica. Addizione 1,2 e 1,4 ai dieni coniugati. Risonanza allilica. Controllo cinetico e termodinamico

Alchini. Triplo legame C-C e struttura degli alchini. Nomenclatura e proprietà fisiche. Addizioni elettrofile agli alchini: singola e doppia addizione di HX, alcoli, alogeni. Addizione di acqua agli alchini e tautomeria cheto-enolica. Idrogenazione e semiidrogenazione degli alchini. Riduzione con elettroni solvatati. Acidità dei vari tipi di legami C-H. Ioni alchinuro e loro reattività. Importanza industriale dell'acetilene.

Alcoli. Legami sigma C-O e struttura di alcoli ed eteri. Nomenclatura. Il legame idrogeno. Proprietà fisiche. Acidità e basicità degli alcoli. Alcossidi e loro reattività. Sostituzioni nucleofile su alcoli. Ossidazione degli alcoli.

Eteri. Nomenclatura. Proprietà fisiche. I solventi in chimica organica. Sintesi di Williamson degli eteri e sue limitazioni. sintesi acido-catalizzata di eteri. Sostituzioni nucleofile sugli eteri. Eteri ciclici. Epossidi. Addizioni nucleofile agli epossidi in condizioni SN1 e SN2

Composti carbonilici. Legame pi C=O e struttura del gruppo carbonilico. Nomenclatura di aldeidi e chetoni e proprietà fisiche. La reattività generale dei composti carbonilici . Meccanismo della reazione di addizione nucleofila al carbonile. Basicità del carbonile e catalisi acida. Addizione di composti organometallici. Addizione di idruri e idroborazione. Idrogenazione catalitica. Addizione di nucleofili deboli: acqua, alcoli, ammine. Acetali e chetali. Ossidazione delle aldeidi. Acidità di aldeidi e chetoni. Ioni enolato. Tautomeria cheto-enolica. Reazioni aldoliche con catalisi basica. Reazioni aldoliche incrociate. Cenno al'impiego di basi forti. Eliminazione da aldoli e chetoli. Enali ed enoni.

Ammine. Legami sigma C-N e pi C=N e struttura delle ammine e delle immine. Nomenclatura e proprietà fisiche. Basicità delle ammine Nucleofilicità delle ammine: alchilazione con alogenuri alchilici ed epossidi. Sali di ammonio quaternari. Sintesi di immine e amminazione riduttiva. Reattività di immine, ioni immonio, enammine. Rilevanza delle ammine come sostanze naturali e bioattive.

Acidi carbossilici e composti acilici.  Struttura del gruppo acilico. Acidi carbossilici, carbossilati, alogenuri acilici, anidridi, esteri, tioesteri, ammidi. Nomenclatura e proprietà fisiche. Acidità degli acidi carbossilici. Considerazioni generali sul meccanismo di sostituzione nucleofila acilica e scala di reattività/stabilità. Reazioni degli alogenuri acilici e delle anidridi. Conversione di acidi carbossilici in cloruri acilici. Esterificazione degli acidi e idrolisi acida degli esteri. Idrolisi basica degli esteri. Reattività dei tioesteri. Transamminazione. Amminolisi di esteri. Amminazione degli acidi carbossilici. Idrolisi acida delle ammidi. Triplo legame C-N e struttura dei nitrili. Nomenclatura e proprietà. Sintesi di nitrili. Idrolisi acida e basica di nitrili. Riduzione di acidi carbossilici, esteri, ammidi, nitrili. Addizione di composti organometallici agli esteri e ai nitrili.

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Testi/Bibliografia

I testi completi di Chimica organica di livello universitario sono in genere tutti validi. A seguire alcuni suggerimenti.

1. Peter C Vollhardt Neil E Schore, "Chimica Organica", Zanichelli, Bologna. 2016

2. W. H. Brown, C. S. Foote, B. L. Iverson, E. V. Anslyn "Chimica Organica" EdiSES, Napoli. 

3. J.McMURRY "Chimica Organica" Ed. Piccin, Padova.(5)

4. T.W.G.SOLOMON "Chimica Organica" Ed. Zanichelli, Bologna.

5. P.Y. Bruice “Chimica Organica” EdiSES, Napoli.

6. R.J.FESSENDEN, J.S.FESSENDEN "Chimica Organica" Ed. Piccin, Padova.

Metodi didattici

Lezioni con videoproiezione e alla lavagna.

Esercizi in aula.

Discussione.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Scritto e orale

 La prova d'esame consiste in un test scritto di 10-12 quesiti, in parte a risposta aperta ed in parte a risposta multipla. Gli studenti che avranno conseguito un punteggio minimo di 15/30 sosterranno un esame orale costituito da un singolo quesito. Il voto finale sarà una media ponderata tra il risultato del test scritto e del quesito orale, dove il primo avrà il peso di 3/4.

L'esame ha lo scopo di verificare il raggiungimento dei seguenti obiettivi didattici: (i) familiarità con la logica, i concetti e gli strumenti della chimica organica; (ii) capacità di scrivere, riconoscere, attribuire il nome e prevedere le proprietà e la reattività delle molecole organiche; (iii) descrivere rigorosamente e chiaramente i meccanismi delle reazioni organiche; (iv) capacità di utilizzare i concetti di cui sopra per risolvere semplici problemi di reattività e struttura di molecole organiche.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiezione.

Modelli molecolari reali e virtuali.

 

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Emilio Tagliavini