66214 - SINTESI ORGANICA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente sa impostare alcune ipotesi di sintesi totali di una molecola organica applicando principalmente la logica retrosintetica, e sa eseguire una valutazione comparativa delle varie soluzioni sulla base di concetti di fattibilità, praticità, economia e sostenibilità. Lo studente acquisisce inoltre esperienza su alcune fra le più moderne procedure sperimentali nel campo della sintesi organica in più passaggi.

Contenuti

Prerequisiti: lo studente che accede a questo insegnamento deve essere in possesso di una buona preparazione nei fondamenti della chimica organica, dagli aspetti strutturali a quelli meccanicistici e alle relazioni struttura-reattività . Deve conoscere inoltre le principali classi di sostanze organiche naturali e avere familiarità con le pratiche di laboratorio analitiche e preparative più comuni.

Programma: Nell'ambito del grande tema dell'innovazione di processo, acquisire la capacità di progettare ed eseguire nuove sintesi più efficienti e sostenibili di composti organici è una priorità nella formazione di un chimico moderno. Il corso è suddiviso in 2 unità didattiche: 1) unità didattica teorica; 2) unità didattica di laboratorio

Contenuti dell'unità didattica teorica.

1. Introduzione: i premi Nobel e i grandi Maestri della sintesi organica.

a. Il glossario del chimico sintetico: sintesi lineari e convergenti, resa di una sintesi totale, fattori economici, di rischio ed ambientali nella valutazione di un processo chimico

b. Reazioni di costruzione del legame carbonio-carbonio, reazioni intermolecolari, reazioni di ciclizzazione, anellazioni e trasposizioni

c. Reazioni di rifunzionalizzazione: livelli di funzionalità , rassegna dei principali metodi di interconversione di gruppi funzionali. Span di funzionalità in molecole polifunzionalizzate

d. Extrasteps: separazioni e purificazioni, introduzione di elementi di controllo temporaneo della reattività , reazioni di protezione di gruppi funzionali, introduzione di gruppi attivanti mobili e di ausiliari chirali

2. Analisi retrosintetica: glossario, i tre livelli dell'analisi retrosintetica, disconnessione di legami strategici, sintoni.

a. Elementi di simmetria come guida all'identificazione di disconnessioni strategiche.

b. Elementi strutturali ripetitivi come guida all'identificazione di disconnessioni strategiche.

c. Identificazione di sottostrutture disponibili commercialmente come guida al riconoscimento di disconnessioni strategiche.

d. Ricerca di disconnessioni strategiche in alcani e molecole monofunzionalizzate: tabelle di correlazione gruppo funzionale-disconnessioni strategiche in alcani, alcheni, alchini, alcoli e derivati, composti carbonilici e derivati, acidi carbossilici e derivati.

3. Analisi retrosintetica di molecole polifunzionalizzate. Span di funzionalità (FS) di coppie di gruppi funzionali e tabelle di correlazione fra FS di coppie di gruppi funzionali e disconnessioni strategiche.

a. Composti con due gruppi funzionali ossigenati, azotati, alogenati ecc. a span 2, 3, 4 e 5.

b. Composti con due insaturazioni carbonio-carbonio a span 2, 3, 4 e 5.

c. Composti con un gruppo funzionale ossigenato, azotato ecc. ed una insaturazione carbonio-carbonio, a span 2, 3, 4 e 5.

d. Adattamento delle predette tabelle di correlazione a molecole polifunzionalizzate.

4. Analisi retrosintetica di molecole complesse chirali.

a. Approfondimenti sulla stereochimica di strutture complesse.

b. Tecniche di risoluzione di enantiomeri, risoluzione cinetica, risoluzione cinetica dinamica.

c. Strategie di riutilizzo dell'enantiomero non desiderato.

d. Strategia difensiva nella sintesi di molecole chirali attraverso l'uso di sintoni chirali derivanti dal pool delle sostanze organiche naturali.

e. Utilizzo di gruppi ausiliari chirali nella sintesi di centri stereogenici.

f. Strategie offensive nella sintesi di molecole chirali: induzione asimmetrica, sintesi asimmetrica con reagenti chirali, catalisi asimmetrica.

5. Analisi retrosintetica di molecole cicliche.

a. Reazioni di ciclizzazione per la formazione di anelli omo- ed eterociclici.

b. Principali classi di anellazioni [1+2], [2+2], [3+2] e [4+2].

6. Esercizi di analisi disconnetteva di molecole complesse.

Contenuti dell'unità didattica di laboratorio:

1. Discussione in aula del meccanismo ed esempi applicativi di reazioni di cross-coupling. Esecuzione in laboratorio di una reazione di Sonogashira

2. Discussione in aula del meccanismo ed esempi applicativi di reazioni organocatalizzate. Esecuzione in laboratorio di una reazione di Michael stereoselettiva

3. Discussione in aula del meccanismo ed esempi applicativi di metatesi di olefine. Esecuzione in laboratorio della sintesi totale di un farmaco tramite un processo multi-step che include una ring-closing metathesis.

Nell’ambito delle esperienze pratiche lo studente acquisirà le competenze di base per l’esecuzione di reazioni organiche e applicherà tecniche di sintesi sotto gas-inerte, sintesi enzimatica e diverse tecniche cromatografiche e spettroscopiche per l’isolamento e la caratterizzazione di molecole organiche.

Testi/Bibliografia

Le diapositive proiettate a lezione e le procedure e letterature di riferimento per le attività di laboratorio sono disponibili su Virtuale per il download.

Per ulteriori approfondimenti si consiglia la consultazione di:

• K. C. Nicolaou, E. J. Jorgensen, "Classics in Total Synthesis", VCH
• K. C. Nicolaou, S. A. Snyder, "Classics in Total Synthesis II", Wiley-VCH
• M. B. Smith, "Organic Synthesis", McGraw Hills-Chemistry Book
• S. Warren, "Organic Synthesis: The Disconnection Approach", Wiley
• P. Wyatt, S. Warren, "Organic Synthesis: Strategy and Control", Wiley
• C. Willis, M. Wills, "Organic Synthesis", Oxford Chemistry Primers N. 31
• G.D. Meakins, "Functional Groups: Characteristics and Interconversions", Oxford Chemistry Primers N. 35

Metodi didattici

Il corso è suddiviso in 2 unità didattiche:

1) unità didattica teorica, tenuta dal Prof. Marco Lombardo con lezioni frontali in aula in presenza, accompagnate da esercizi sull'applicazione delle nozioni presentate e sulla logica retrosintetica, con lo scopo di allenare lo studente nella progettazione di una sintesi organica in più passaggi.

2) unità didattica di laboratorio. Per assicurare un proficuo svolgimento delle attività dell’unità didattica di laboratorio, gli studenti verranno divisi in 2 gruppi, che svolgeranno le attività separatamente:

TURNO 1 (Prof. A. Tolomelli): lezioni frontali in aula (8 ore nel mese di novembre) + attività in laboratorio (24 ore nel mese di dicembre).

TURNO 2 (Prof. A. Quintavalla): lezioni frontali in aula (8 ore nel mese di dicembre) + attività in laboratorio (24 ore nel mese di gennaio).

L’unità didattica di laboratorio ha lo scopo di approfondire da un punto di vista sperimentale alcune fra la più moderne metodologie di sintesi.

In considerazione delle tipologie di attività e metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede a tutti gli studenti lo svolgimento dei moduli 1 e 2 in modalità e-learning e la partecipazione al modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio. Indicazioni su date e modalità di frequenza del modulo 3 sono consultabili nella apposita sezione del sito web di corso di studio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Modalità di verifica dell’apprendimento

L’apprendimento viene verificato esclusivamente attraverso un esame finale, che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle competenze attese nell’ambito della sintesi di molecole organiche. L’esame è composto da:

• una prova scritta della durata di 1,5 ore, senza l’uso di appunti, libri o dispositivi elettronici

• una prova orale, entrambe incentrate sull’analisi retrosintetica di una molecola organica

Per accedere alla prova orale è necessario ottenere un punteggio minimo di 18 punti nella prova scritta.
Il voto finale è calcolato come media aritmetica tra i voti ottenuti nelle due prove. 

Criteri di valutazione della prova di esame e relativa graduazione del voto

Nel compito scritto, a partire da una molecola organica di complessità strutturale media, sono previsti i seguenti esercizi:

• Riconoscimento dei gruppi funzionali presenti e valutazione del loro livello di funzionalità (5 punti)

• Determinazione della configurazione degli elementi stereochimici presenti (5 punti)

• Valutazione della distanza tra i gruppi funzionali (5 punti)

• Analisi retrosintetica e descrizione di alcuni passaggi di sintesi (15 punti)

La prova orale, della durata di circa 20–30 minuti, consiste in:

• un esercizio di analisi retrosintetica su una molecola organica di media complessità

• una domanda relativa agli argomenti trattati nell'unità didattica di laboratorio

Scala di valutazione

• Voto 18–24
  Lo studente dimostra una preparazione su un numero limitato di argomenti trattati nel corso, con una comprensione parziale dei principi di retrosintesi e una capacità di analisi che emerge solo con l’aiuto del docente. L’approccio alla valutazione delle strategie sintetiche è poco articolato o presenta errori concettuali. L’uso della terminologia specifica è globalmente corretto, ma non sempre preciso.

• Voto 25–29
  Lo studente dimostra una buona padronanza di un numero ampio di argomenti, sa applicare in modo autonomo i principi della retrosintesi, valutando criticamente le strategie sintetiche in base a fattibilità, praticità, economia e sostenibilità. L’uso della terminologia chimica è appropriato e coerente. Ha acquisito una solida conoscenza delle principali tecniche sperimentali moderne ed è in grado di collegarle a contesti applicativi.

• Voto 30–30 e lode
  Lo studente dimostra una preparazione completa ed esaustiva su tutti gli argomenti affrontati, con piena padronanza dei principi di retrosintesi e delle metodologie per la pianificazione di una sintesi totale. È in grado di compiere scelte autonome, motivate e critiche, valutando con consapevolezza tutti i parametri (praticità, sostenibilità, economia, fattibilità). L’utilizzo della terminologia scientifica è preciso e articolato, e lo studente mostra capacità di argomentazione, riflessione personale e integrazione critica con le tecniche sperimentali acquisite.

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti

Si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it): sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Strumenti a supporto della didattica

Lezioni frontali in aula con supporti multimediali. Le dispositive usate sono disponibili per gli studenti su Virtuale. Per le attività realizzate in laboratorio, lo studente si avvale di letterature scientifiche di riferimento e procedure disponibili su Virtuale. I dati sperimentali raccolti dagli studenti nel corso del laboratorio vengono caricati e resi disponibili su Virtuale perché gli studenti li possano analizzare e confrontare.

Orario di ricevimento:

Consulta il sito web di Marco Lombardo
Consulta il sito web di Alessandra Tolomelli
Consulta il sito web di Arianna Quintavalla

Orario di ricevimento

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Consulta il sito web di Arianna Quintavalla