00148 - CHIMICA ORGANICA

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Istruzione di qualità

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente: - conosce e comprende i principi fondamentali della chimica organica, le principali metodologie di sintesi e 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' con riferimento anche agli aspetti stereochimici; - è in grado di applicare le conoscenze acquisite sul chimismo delle molecole organiche alla soluzione di problemi sia in ambito strettamente chimico che nel contesto più ampio della scienze della vita (con particolare riferimento a quelle inerenti la chimica farmaceutica, la biochimica e la farmacologia).

Contenuti

1) Legame covalente e geometria molecolare:

Introduzione al corso. Struttura dell'atomo. Configurazione elettronica. Energia di ionizzazione. Affinità elettronica. Elettronegatività. Il legame chimico: ionico e covalente. Momento dipolare di legame. Strutture di Lewis. Il modello VSEPR. Molecole polari e non polari. Momento dipolare molecolare. Cenno alle forze intermolecolari e loro influenza sulle proprietà fisiche dei composti chimici. Gli orbitali atomici. Cenno alla teoria degli orbitali molecolari. Il legame sigma. Il legame p greco. Orbitali ibridi sp3, sp2, sp. Risonanza.

2) Alcani e cicloalcani

Formula molecolare e ibridazione sp3. Isomeria strutturale. Nomenclatura IUPAC e non sistematica. Analisi conformazionale dell'etano, propano, butano. Proprietà fisiche. Combustione. Analisi della struttura del ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano, cicloesano. Conformazione a sedia del cicloesano. Legami assiali ed equatoriali. Analisi conformazionale del cicloesano e suoi derivati mono e disostituiti.

3) Stereoisomeria e chiralità

Centri chirali. Enantiomeri. Regole di priorità. Descrittori di configurazione R,S. La proiezione di Fisher. Attività ottica. Miscele racemiche. Diastereoisomeri. Forme meso. Risoluzione di enantiomeri.

4) Acidi e basi

Acidi e basi di Bronsted-Lowry. La costante di acidità. Acidi e basi organiche. Fattori strutturali che determinano la forza di un acido. Acidi e basi di Lewis. Struttura degli addotti acido-base.

5) Alcheni

Formula molecolare, struttura orbitalica. Isomeria cis/trans. Nomenclatura. Stabilità termodinamica degli alcheni. Calori di idrogenazione. Nomenclatura E/Z. Meccanismo di reazione. Termodinamica delle reazioni. Profilo di reazione a singolo stadio. Stato di transizione. Profilo di reazioni a due stadi. Intermedio di reazione. Cinetica di reazione. Reazioni di primo e secondo ordine. La costante di velocità. L'equazione di Arrhenius. Postulato di Hammond. Nucleofili ed elettrofili.

6) Le reazioni degli alcheni

L'addizione elettrofila. Addizione di acidi alogenidrici. Regola di Markovnikov. Carbocationi. Trasposizione di carbocationi. Reazione di idratazione. Ossimercuriazione-riduzione. Addizione di alogeni. Formazione di intermedi ciclici. Addizione anti. Reazioni stereospecifiche. Idroborazione-ossidazione: addizione sin, addizione anti-Markovnikov. Riduzione degli alcheni: idrogenazione catalitica in fase eterogenea. Ossidazione degli alcheni:reazione con peracidi, osmio tetrossido e permanganato di potassio, ozonolisi.

7) Alchini

Alchini: struttura, ibridazione, nomenclatura. Addizione elettrofila. Addizione di acidi alogenidrici, alogeni, idratazione e idroborazione-ossidazione. Idrogenazione catalitica e riduzione con metalli. Acidità di alchini terminali.

8) Alogenoalcani, alogenazione e reazioni radicaliche

Nomenclatura, proprietà fisiche. Intermedi radicalici. Stabilità dei radicali alchilici. La reazione di alogenazione radicalica degli alcani. Formazione di regioisomeri. Reattività e selettività nelle reazioni di clorurazione e bromurazione degli alcani. Alogenazione allilica. Il radicale allilico. Addizione di HBr agli alcheni in presenza di perossidi.

9) Sostituzione nucleofila e beta-eliminazione

Meccanismo SN2. Stato di transizione. Struttura dell'alogenoalcano, del gruppo uscente, del nucleofilo. Basicità e nucleofilicità. Stereochimica della SN2. Solventi protici e aprotici, polari e apolari. Buoni, medi e cattivi nucleofili. Meccanismo SN1. Stereochimica della SN1. Effetto del solvente sui meccanismi SN2 e SN1. Meccanismo E2. Regola di Zaitsev. Regola di Hofmann. Stereochimica anti. Meccanismo E1. Riassunto dei fattori che influenzano la sostituzione nucleofila e l'eliminazione.

10) Alcoli e Tioli

Alcoli: struttura, nomenclatura e proprietà fisiche. Acidità . Reazione con metalli. Conversione in alogeno alcani e in alchilsolfonati. SN2 di alchilsolfonati. Disidratazione. Ossidazione. Tioli: struttura ed acidità, nomenclatura, proprietà fisiche. Sintesi e reattività nelle SN2. Reazioni di ossidazione.

11) Eteri, epossidi e solfuri

Eteri: struttura, proprietà fisiche e nomenclatura. Preparazione degli eteri: sintesi di Williamson; condensazione di alcoli; addizione di alcoli ad alcheni acido-catalizzata. Scissione degli eteri. Ossidazione. Epossidi: nomenclatura e sintesi. Reazioni di apertura degli epossidi. Eteri corona. Tioeteri o solfuri: preparazione mediante sintesi di Williamson.

12) Composti organometallici

Organometalli di Litio, Magnesio e Rame.

13) Aldeidi e chetoni

Struttura, nomenclatura e metodi di preparazione. La reazione di addizione nucleofila acilica: Addizione dei reattivi di Grignard, alchinuri, HCN. Addizione di acqua e di alcoli. Formazione di acetali e loro idrolisi. Emiacetali ciclici. Addizione di nucleofili azotati, formazione di immine ed enammine. Riduzione ad alcoli e ad alcani. Acidità di idrogeni in alfa. Tautomeria cheto-enolica. Ossidazione di aldeidi. Alfa-alogenazione catalizzata da acidi e promossa da basi. Reazione aloformica.

14) Acidi carbossilici

Struttura, nomenclatura e metodi di preparazione, proprietà fisiche. Acidità. Riduzione. Sostituzione nucleofila acilica: formazione di cloruri acilici, anidridi, esteri, ammidi. Lattoni e lattami. Reazione di Hell-Volhard-Zelinski.

15) Derivati funzionali degli acidi carbossilici

Nomenclatura di tutti i derivati degli acidi carbossilici e dei nitrili. Strutture di risonanza e stabilità. La sostituzione nucleofila acilica. Idrolisi di cloruri degli acidi e anidridi. Conversione di cloruri degli acidi in anidridi, esteri ed ammidi. Reazione con reattivi di Grignard. Conversione di anidridi in esteri ed ammidi. Idrolisi acida e basica di esteri. Transesterificazione. Idrolisi acida e basica delle ammidi. Formazione e idrolisi dei nitrili. Riduzione.

16) Anioni enolato ed enammine

Enolati: alfa-alchilazione. Autocondensazione aldolica. Condensazione aldolica incrociata. Condensazione di Claisen. Sintesi malonica ed acetacetica. Composti carbonilici alfa-beta insaturi. Risonanza. Addizione coniugata, reazione di Michael.

17) Sistemi coniugati

Sistemi coniugati: 1,3 butadiene. Addizione 1,2 e 1,4 di elettrofili. Controllo cinetico e termodinamico di una reazione

18) Il benzene e il concetto di aromaticità.

Benzene: criteri per l'aromaticità , regola di Huckel. Il catione ciclopropenile e l'anione ciclopentadienile. Idrocarburi policiclici aromatici. Eterocicli aromatici: pirrolo, furano, tiofene. Piridina ed imidazolo.

19) Reazioni del benzene e dei suoi derivati

Sostituzione elettrofila aromatica: SEAr: alogenazione, nitrazione, solfonazione, alchilazione ed acilazione di Friedel Crafts. Benzeni disostituiti: formazione di isomeri orto, meta e para. Effetto elettronico del sostituente. Effetti induttivo e mesomerico. Effetti orientanti del sostituente. Catione, radicale e anione benzilico. Alogenazione radicalica benzilica. Ossidazione benzilica di alchilbenzeni. Sostituzione nucleofila aromatica: meccanismo di addizione-eliminazione e meccanismo via benzino. Fenoli: acidità, effetto dei sostituenti. Chinoni.

20) Ammine

Nomenclatura. Basicità delle ammine aromatiche ed alifatiche. Basicità della piridina, del pirrolo e dell'imidazolo. Fattori che influenzano la basicità delle ammine. Metodi di preparazione: alchilazione di ammoniaca ed ammine; da azidi e da ammidi; amminazione riduttiva; riduzione di nitroderivati aromatici ed alifatici. Metilazione esauriente di ammine primarie ed eliminazione di Hoffmann. Reazioni di ammine secondarie e terziarie alifatiche ed aromatiche con acido nitroso. Reazioni di ammine primarie aromatiche con acido nitroso. Formazione di sali di arendiazonio e loro reazioni caratteristiche.

21) Carboidrati, Amminoacidi e proteine.

Carboidrati: monosaccaridi, aldosi e chetosi. Configurazione: la notazione D ed L. Configurazione degli aldosi e chetosi. Epimeri. Reazioni redox di monosaccaridi. Formazione di emiacetali. La struttura ciclica, anomeri alfa e beta. Mutarotazione. Glicosidi. Zuccheri riducenti e non riducenti. Disaccaridi: maltosio, cellobiosio, lattosio, saccarosio. Polisaccaridi: amido e cellulosa.

Amminoacidi: configurazione e proprietà acido-base. Punto isoelettrico. Separazione di amminoacidi. Peptidi. Il legame peptidico e la struttura primaria delle proteine. Il legame disolfuro. La struttura secondaria delle proteine: alfa-elica e foglietti beta. Cenno alla struttura terziaria e quaternaria. Sintesi di peptidi: protezione del gruppo amminico e attivazione del gruppo carbossilico.


Testi/Bibliografia

- K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore, Chimica Organica; 4a Ed., Zanichelli (2016)

- W. H. Brown, C. S. Foote, B.L. Iverson, E. V. Anslyn, Chimica Organica – 5a Ed., EdiSES, 2015

- P. Yurkanis Bruice, Chimica Organica, EdiSES, 2005

- J. Gorzynski Smith, Chimica Organica, McGraw-Hill, 2007

- B.L. Iverson, S. Iverson, Guida alla soluzione dei problemi da Chimica Organica di Brown, Foote, B Iverson, Anslyn, 4a Ed., EdiSES, 2016.

- T. W. G. Solomons, C. B. Fryhle, R. G. Johnson, La chimica organica attraverso gli esercizi
Seconda edizione


Metodi didattici

Il corso consiste in lezioni frontali.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso un esame che accerti le conoscenze richieste mediante una prova scritta della durata di 90 minuti ed una prova orale sul programma svolto.

La prova scritta consiste in 6 domande che tenderanno ad accertare la conoscenza teorica, la capacità di riconoscere i gruppi funzionali presenti in una molecola organica con la relativa reattività e la capacità di scegliere i reagenti e riconoscere i prodotti di una reazione di sintesi. Ogni quesito consente di ottenere un massimo di un punto. Il punteggio minimo richiesto per superare la prova scritta e che permette di accedere alla prova orale è di 3 punti.
La prova orale sarà incentrata sull'identificazione dei prodotti e sull'esposizione dei meccanismi delle principali reazioni organiche. La durata della prova è mediamente di 30 minuti. Il voto finale rappresenta una media delle prestazioni delle due prove.

Strumenti a supporto della didattica

Le lezioni vengono svolte mediante videoproiettore.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elisabetta Mezzina