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.

Struttura e proprietà di alcani e cicloalcani. Orbitali ibridi e geometrie molecolari. Legami negli idruri di B, C, N, O, F. 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.

Struttura e proprietà di alcheni e cicloalcheni, dieni e polieni, alchini. Legami pi C=C. Struttura e nomenclatura degli alcheni. Proprietà fisiche degli alcheni. Isomeria E/Z. 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. Triplo legame C-C e struttura degli alchini. Nomenclatura e proprietà fisiche degli alchini.

Struttura e proprietà di composti organici contenenti eteroatomi Legami sigma C-X e struttura degli alogenoalcani. Nomenclatura e proprietà fisiche degli alogenoalcani. I composti organofluorurati. Legami sigma C-O e C-S e struttura di alcoli, tioli, eteri, solfuri. Nomenclatura degli alcoli. Il legame idrogeno. Proprietà fisiche degli alcoli. Nomenclatura degli eteri. Proprietà fisiche degli eteri. I solventi in chimica organica. Legami sigma C-N; nomenclatura e proprietà fisiche delle ammine.

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.

 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. Il concetto di "stato di funzionalità". Acidi e basi di Broensted. Acidi e basi di Lewis. Meccanismi di reazione e loro rappresentazione. 

Reattività degli alcani. Combustione, uso energetico, effetto serra e gas clima-alteranti. Alogenazione degli alcani: meccanismo e selettività. Stabilità dei radicali e iperconiugazione. Principio di reattività/selettività (postulato di Hammond). Alogenazione allilica. Cenno all'ossidazione degli alcani, ai problemi dell'inquinamento atmosferico e alla deplezione di ozono stratosferico.

La sostituzione nucleofila e la beta-eliminazione. La sostituzione nucleofila alchilica. Meccanismi S_N2 e S_N1. Esempi di nucleofili. Gruppi uscenti diversi dagli alogenuri (solfonati, solfati). Effetto della struttura del substrato e delle condizioni di reazione. Stabilità dei carbocationi. Stereochimica delle sostituzioni nucleofile. Eliminazione E2 ed E1. Stabilità degli alcheni e regioselettività nell'eliminazione.

Reattività degli alcheni e dei dieni coniugati. Reazione di addizione elettrofila al doppio legame; meccanismo, regiochimica, stabilità dei carbocationi, carbocationi risonanti. Addizione di acidi alogenidrici. Addizione di acqua ed alcoli acido-catalizzata; struttura degli ioni ossonio. Addizione di alogeni. Formazione di aloidrine. Addizione 1,2 e 1,4 ai dieni coniugati. Risonanza allilica. Controllo cinetico e termodinamico. Idroborazione degli alcheni ed ossidazione dei borani. Idrogenazione catalitica eterogenea degli alcheni. Addizioni radicaliche. Addizione radicalica di HBr. Ossidazioni degli alcheni. Epossidazione e di-idrossilazione; meccanismo; implicazioni stereochimiche. Ozonolisi: meccanismo e conversione degli ozonuri. Polimerizzazione radicalica ed organometallica degli alcheni. Cenni ai principali polimeri alchenilici.

Reattività degli alchini. 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.

Reattività di alcoli e tioli.  Acidità e basicità degli alcoli e dei tioli. Alcossidi e loro reattività. Sostituzioni nucleofile su alcoli. Formazione e sostituzioni nucleofile su solfonati. Ossidazione degli alcoli. Il problema della tossicità dei reagenti ed introduzione ai concetti della Green Chemistry. Ossidazione dei tioli

Reattività di eteri, epossidi e solfuri.  Sintesi di Williamson degli eteri e sue limitazioni. Sintesi acido-catalizzata di eteri. Sostituzioni nucleofile sugli eteri. Addizioni nucleofile agli epossidi in condizioni SN1 e SN2. Ossidazione dei solfuri. Ioni solfonio.

Reattività delle ammine. Basicità delle ammine. Nucleofilicità delle ammine: alchilazione con alogenuri alchilici ed epossidi. Sali di ammonio quaternari. Eliminazioni di Hofmann e di Cope. Sintesi di ammine via azidi.

Struttura e proprietà di composti contenti legami multipli C- e C-N. Legame pi C=O e struttura del gruppo carbonilico. Nomenclatura e proprietà fisiche di aldeidi e chetoni. Legame pi C=N e struttura delle immine. Struttura del gruppo acilico. Nomenclatura e proprietà di acidi carbossilici, carbossilati, alogenuri acilici, anidridi, esteri, tioesteri, ammidi. Triplo legame C-N,struttura, nomenclatura e proprietà dei nitrili.

Reattività di aldeidi, chetoni, immine La reattività generale dei composti carbonilici . Meccanismo della reazione di addizione nucleofila al carbonile. Basicità del carbonile e catalisi acida. Struttura e formazione di composti organometallici. Addizione di composti organometallici a legami C=O e C=N. Addizione di idruri e idroborazione. Idrogenazione catalitica. Addizione di nucleofili deboli: acqua, alcoli, ammine. Formazione di acetali . Sintesi di immine. Riduzione di immine e amminazione riduttiva. Formazione di enammine, idrazoni, ossime. Ossidazione delle aldeidi. Acidità dei legami C-H di aldeidi e chetoni. Ioni enolato. Tautomeria cheto-enolica.

Reattività dei composti acilici e dei nitrili. 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. Transesterificazione. Reattività dei tioesteri. Amminolisi di esteri. Amminazione degli acidi carbossilici. Idrolisi acida delle ammidi. 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 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, il secondo di 1/4.

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 strategie di sintesi, 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