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 e Tavola Periodica; natura del legame chimico; principi dell’equilibrio chimico ed elementi di cinetica/termodinamica delle reazioni chimiche; reazioni acido-base. Intermedi e stati di transizione; diagrammi energetici delle reazioni. Significato dell'energia di attivazione e concetto di catalisi

Programma:

Introduzione. Il significato e la rilevanza della Chimica Organica. Richiami sul legame chimico. Orbitali molecolari leganti ed antileganti. Energia e lunghezza di legame. Risonanza. Elettronegatività, polarità dei legami e dipoli molecolari. Il Carbonio come elemento chiave della Chimica Organica.

1) ALCANI e CICLOALCANI

1.1) Struttura: 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. 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. Flip conformazionale dei cicloesani. Cicloesani sostituiti. Isomeria cis/trans nei composti ciclici.

1.2) Reattività: Alogenazione degli alcani: meccanismo e selettività. Stabilità dei radicali e iperconiugazione. Alogenazione allilica.

La Chimica Organica ed il quotidiano (alcani). Origine e importanza degli alcani. Combustione, uso energetico, cenni su effetto serra.

2) REATTIVITA IN CHIMICA ORGANICA

Meccanismi elementari di reazione e loro rappresentazione nella chimica organica. 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" dei gruppi funzionali organici.

3) STEREOCHIMICA

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

La Chimica Organica ed il quotidiano (stereochimica). Rilevanza della chiralità.

4) ALCHENI, CICLOALCHENI, DIENI e POLIENI

4.1) Struttura e proprietà: Legami p 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.

4.2) Reattività: Reazione di addizione elettrofila al doppio legame C=C; meccanismo, regiochimica, stabilità dei carbocationi, carbocationi risonanti, trasposizioni carbocationiche. 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 degli alchil borani. Idrogenazione catalitica eterogenea degli alcheni. Ossidazioni degli alcheni. Epossidazione e di-idrossilazione; meccanismo; implicazioni stereochimiche. Ozonolisi: meccanismo e conversione degli ozonuri.

La Chimica Organica ed il quotidiano (alchini). Interazione degli alcheni con la radiazione elettromagnetica, cenno al meccanismo della visione retinica.

5) ALCHINI

5.1) Struttura e proprietà: Triplo legame C-C struttura degli alchini. Nomenclatura/proprietà fisiche degli alchini.

5.2) Reattività: Addizioni elettrofile agli alchini: singola e doppia addizione di HX, alcoli, alogeni. Addizione di acqua agli alchini e tautomeria cheto-enolica acido-catalizzata. Idrogenazione e semi-idrogenazione degli alchini. Riduzione con elettroni solvatati. Idroborazione degli alchini, protonolisi e ossidazione degli alchenilborani Acidità dei tipi di legami C-H. Ioni alchinuro e loro reattività.

6) ALOGENURI ALCHILICI/ARILICI

6.1) Struttura e proprietà: Legami sigma C-X e struttura degli alogenoalcani. Nomenclatura e proprietà fisiche degli alogenoalcani.

6.2) Reattività: 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. Stabilità relativa dei carbocationi. Stereochimica delle sostituzioni nucleofile. Eliminazione E2 ed E1. Stabilità relativa degli alcheni e regioselettività nell'eliminazione.

7) I COMPOSTI ORGANOMETALLICI

Sintesi e Reattività dei composti organolitio e organomagnesio.

8) COMPOSTI AROMATICI

8.1) Struttura e proprietà: Nomenclatura dei composti aromatici. Struttura e stabilità del benzene (regola di Hückel). Ioni aromatici. Etorocicli aromatici: pirrolo (tiofene e furane) e piridina. Composti aromatici policiclici.

8.2) Reattività: Sostituzione elettrofila aromatica. Alogenazione, alchilazione e acilazione di Friedel-Crafts. Reazione di nitrazione aromatica. Reazione di solfonazione aromatica. Effetti elettronici (induttivi e di risonanza) dei sostituenti nelle sostituzioni elettrofile. Sostituzione nuelcofila aromatica. Reattività in catena laterale alchilica (alogenazione radicalica, ossidazione, riduzione).

9) ALCOOLI/ETERI e TIOLI/TIOETERI

9.1) Struttura e proprietà: Legami sigma C-O e C-S e struttura di alcoli, tioli, eteri, solfuri. Nomenclatura degli alcoli e tioli. Il legame idrogeno. Proprietà fisiche degli alcoli. Nomenclatura e proprietà fisiche degli eteri. I solventi in chimica organica.

9.2) Reattività: Acidità e basicità degli alcoli e dei tioli. Alcossidi e loro reattività. Sostituzioni nucleofile su alcoli. Varie modalità di conversione di alcoli in alogenoalcani. Formazione e sostituzioni nucleofile su solfonati. Conversione di alcoli in alcheni. Ossidazione degli alcoli e dei dioli. Chemoseletticità nell'ossidazione degli alcoli primari. Ossidazione dei tioli: Sintesi di Williamson degli eteri e sue limitazioni. Sintesi acido-catalizzata di eteri. Silileteri. Sostituzioni nucleofile sugli eteri. Addizioni nucleofile agli epossidi in condizioni SN1 e SN2. Ossidazione dei solfuri.

La Chimica Organica ed il quotidiano (alcooli). Il problema della tossicità dei reagenti ed introduzione ai concetti della Green Chemistry.

10) AMMINE

10.1) Struttura e proprietà: Legami sigma C-N; nomenclatura e proprietà fisiche delle ammine e degli ioni ammonio.

10.2) Reattività: 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.

11) COMPOSTI CARBONILICI

11.1) Struttura e proprietà: 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.

11.2) Reattività: La reattività generale dei composti carbonilici. Meccanismo della reazione di addizione nucleofila al carbonile. Basicità del carbonile e catalisi acida.

Addizione di composti organometallici a legami C=O e C=N. Addizione di idruri. Idrogenazione catalitica. Addizione di nucleofili deboli ad aldeidi e chetoni: acqua, alcoli, ammine. Formazione di acetali. Sintesi di immine. Riduzione di immine e amminazione riduttiva. Formazione di enammine, idrazoni, ossime. Ossidazione delle aldeidi.

12) COMPOSTI CARBOSSILICI

12.1) Struttura e proprietà: Legame pi C=O(X) e struttura del gruppo carbossilico. Nomenclatura e proprietà di acidi carbossilici, carbossilati, alogenuri acilici, anidridi, esteri, tioesteri, ammidi. Triplo legame C-N, struttura, nomenclatura e proprietà dei nitrili.

12.2) Struttura e proprietà: Reattività: 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. Idrolisi acida e basica degli esteri. Transesterificazione. Reattività dei tioesteri. Amminolisi di esteri. Amminazione degli acidi carbossilici. Idrolisi acida e basica 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.

Testi/Bibliografia

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

1. K. Peter, C. Vollhardt, N.E. Schore, "Chimica Organica", Zanichelli, Bologna, (IV edizione).

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

3. T.W.G. SOLOMON, C.B. Fryhle, "Chimica Organica", Zanichelli, Bologna (III edizione).

Metodi didattici

Lezioni con videoproiezione.

Esercizi in aula svolti collegialmente.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Scritto
(non è prevista la prova orale)

La prova d’esame consiste in un test scritto (in modalità in presenza) composto da 10 quesiti a risposta aperta, valutati da 2 a 5 punti ciascuno.

Durata della prova: 90 minuti.

L’esame si intende superato se la/lo studentessa/studente consegue un punteggio complessivo maggiore o uguale a 18/30.

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) capacità di descrivere in modo rigoroso e chiaro i meccanismi delle reazioni organiche;
(iv) capacità di utilizzare i concetti sopra elencati per risolvere semplici problemi di strategia di sintesi, reattività e struttura di molecole organiche.

Un giudizio complessivo non sufficiente (voto < 18/30) è determinato da importanti lacune nei contenuti del corso, con conseguente mancata risposta alle domande del test scritto oppure da risposte non adeguate.

Un giudizio complessivo sufficiente-discreto (18–24/30) indica una preparazione nel complesso accettabile, nella quale tuttavia permangono significative lacune di conoscenza o argomenti non studiati in modo adeguato.

Un giudizio complessivo buono (25–28/30) testimonia che la/lo studentessa/studente ha raggiunto una buona conoscenza dei contenuti del corso e una buona padronanza nell’effettuare collegamenti tra le diverse parti del programma.

Un giudizio eccellente (29–30/30L) testimonia una preparazione completa e approfondita su tutto il programma del corso, con l’acquisizione di una visione chiara e coerente degli argomenti trattati.

Studenti/sse con DSA o con disabilità temporanee o permanenti sono invitati/e a contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile
(https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it ).
Sarà cura dell’ufficio proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di almeno 15 giorni, all’approvazione del/della docente, il/la quale ne valuterà l’opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell’insegnamento.

È prevista una correzione di gruppo per ogni appello d’esame.

Strumenti a supporto della didattica

Le diapositive saranno fornite agli studenti. Non sono disponibili sul mercato monografie complete che trattino tutti gli argomenti del corso. Organizzazione del corso: tutte le ore di lezione, sia teoriche che di esercitazione saranno svolte in presenza in aula.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Bandini