CHIMICA ORGANICA II

Il corso mira a fornire una mentalità critica e scientifica ed un uso razionale delle capacità mnemoniche, favorendo l’abilità di applicare le conoscenze teoriche alla risoluzione dei problemi.

Ciò significa superare il limite della mera “ripetizione mnemonica” di concetti che, così facendo, sarebbero finalizzati al semplice apprendimento. Mentalità critica e scientifica ad un tempo costituiscono un obiettivo di alto livello; esso necessita di una sintesi tra operatività mentale ed effettiva realizzazione: la prima si esplica nella progettazione di un esperimento, nel controllo razionale-intuitivo delle fasi di esecuzione e calcolo e nella fase di valutazione dei risultati; la seconda si esplica nella vera e propria esecuzione dell’esperimento, anche a livello virtuale.

Pertanto, al termine del corso, l’allievo dovrà essere in grado di:

D1 Conoscenza e Capacità di Comprensione

• Conoscere in maniera approfondita la reattività di nuove classi di composti organici ed i meccanismi di reazione attraverso i quali esse reagiscono.
• Illustrare i criteri che permettono di effettuare processi dotati di una pronunciata selettività di tipo chimico, di posizione e stereochimico.

D2 Capacità di Applicare Conoscenza e Comprensione

• Individuare la natura del processo sintetico al quale sono sottoposte le molecole organiche sulla base delle condizioni di reazione descritte.
• Descrivere correttamente il meccanismo di reazione per i relativi processi.
• Discutere sulla natura dei processi selettivi che tali meccanismi implicano.

D3 Autonomia di Giudizio

• Scegliere i reagenti più indicati per realizzare il processo sintetico richiesto con il grado di selettività desiderato.
• Utilizzare il processo più efficiente tra quelli disponibili per eseguire la sintesi di strutture anche polifunzionalizzate.

D4 Abilità Comunicative

• Comunicare, utilizzando una appropriata terminologia tecnico-scientifica, con il docente ed esperti nella disciplina oggetto di studio.
• Discutere in maniera competente, anche nell’ambito di una prova di esame orale, sulle tecniche sintetiche apprese.

D5 Capacità di Apprendimento

• Reperire e apprendere le informazioni, nuove rispetto a quelle fornite durante l’attività formativa, necessarie per ampliare le conoscenze su argomenti più o meno correlati con quelli oggetto del corso.
• Comprendere ed elaborare i contenuti di pubblicazioni scientifiche contenenti risultati di nuove ricerche.
• Utilizzare le conoscenze acquisite per rendere più agevole la comprensione di argomenti correlati alla chimica organica erogati in altre attività formative.

Le attività del corso sono costituite da lezioni frontali ed esercitazioni in aula. A queste si aggiungeranno alcuni "studi di casi" inerenti molecole di interesse chimico-farmaceutico. Allo studente è richiesto di partecipare attivamente alla discussione sugli argomenti esposti ed in particolare agli studi di casi.

Proprietà acido-base dei composti organici, stereochimica di base, proprietà e reattività dei gruppi funzionali della chimica organica.

Conoscenza di un metodo di studio adeguato; si consigliano i seguenti siti e letture:

• http://studenti.unimi.it/studentestrategico/metodo/index.htm
• http://helpmetodo.altervista.org/
• http://host.uniroma3.it/docenti/boylan/misc/studi_6r.pdf

Frequenza obbligatoria secondo le norme del regolamento didattico del CdS in CTF come riportato nel seguente link.

Il corso è costituito da 3 moduli, corrispondenti a 9 crediti di cui 7 di lezioni frontali e 2 di esercitazioni in aula che verranno effettuate alla fine di ciascun modulo.

MODULO 1. Composti bioorganici

20. La chimica organica dei carboidrati

Classificazione dei carboidrati – La notazione d e l – Configurazione degli aldosi – Configurazione dei chetosi – Reazioni dei monosaccaridi in soluzione basica – Reazioni di ossido-riduzione dei monosaccaridi – Allungamento della catena: la sintesi di Kiliani-Fischer – Accorciamento della catena: la degradazione di Wohl – Stereochimica del glucosio: la dimostrazione di Fischer – I monosaccaridi formano emiacetali ciclici – Il glucosio è il più stabile fra gli aldoesosi – Formazione di glicosidi – L’effetto anomerico – Zuccheri riducenti e non riducenti – Disaccaridi – Polisaccaridi – Alcuni prodotti naturali derivati dai carboidrati – I carboidrati sulla superficie cellulare – Dolcificanti sintetici.

21. Amminoacidi, peptidi e proteine

Nomenclatura degli amminoacidi – Configurazione degli amminoacidi – Proprietà acido-basiche degli amminoacidi – Il punto isoelettrico – Separazione degli amminoacidi – Metodi di sintesi degli amminoacidi – Risoluzione di una miscela racemica di amminoacidi – Legami peptidici e legami disolfuro – Alcuni peptidi interessanti – Strategie di sintesi peptidica – Sintesi peptidica automatizzata – Introduzione alla struttura delle proteine – Come determinare la struttura primaria di un polipeptide o di una proteina.

22. La catalisi nelle reazioni enzimatiche

La catalisi nelle reazioni biologiche – Una reazione enzimatica simile all’idrolisi delle ammidi catalizzata da acidi – Un’altra reazione enzimatica simile all’idrolisi delle ammidi catalizzata da acidi – Una reazione enzimatica che prevede due successive reazioni S_N2 – Una reazione enzimatica simile alla trasposizione enediolica catalizzata da basi – Una reazione enzimatica simile alla reazione retro-aldolica.

MODULO 2. Argomenti speciali

12. I radicali

Reattività degli alcani – Il gas naturale e il petrolio – I combustibili fossili: una fonte di energia problematica – Clorurazione e bromurazione degli alcani – Stabilità dei radicali – La distribuzione dei prodotti dipende dalla probabilità e dalla reattività – Il principio di reattività-selettività – Formazione di perossidi esplosivi – Addizione dei radicali agli alcheni – Stereochimica delle reazioni radicaliche di sostituzione e addizione – Sostituzione radicalica degli idrogeni allilici e benzilici – Il ciclopropano – strategia sintetica iii: Esempi di sintesi a più stadi – Reazioni radicaliche nei sistemi biologici – I radicali e l’ozono stratosferico.

18/19/29/30. La Chimica dei composti eterociclici e degli Eterocicli Aromatici

Classificazione degli eterocicli aromatici – Eteroaromaticità – Sostituzione elettrofila: aspetti generali – Sistemi elettronricchi: eterocicli pentatomici contenenti un solo eteroatomo – Preparazione: Sintesi di Paal-Knorr del furano, del pirrolo e del tiofene – Sintesi di Knorr del pirrolo – Sintesi di Feist-Bernary del furano e sintesi di Hantzsch del pirrolo – Reattività: Reazioni acido-base, di sostituzione elettrofila, di addizione e cicloaddizione, di ossidazione e di riduzione – Sistemi elettronricchi: eterocicli pentatomici benzocondensati contenenti un solo eteroatomo – Preparazione: Sintesi di Fischer dell’indolo – Reattività: Reazioni acido-base, di sostituzione elettrofila, di ossidazione e di riduzione – Sistemi elettronpoveri: eterocicli esatomici contenenti un solo eteroatomo – Preparazione: Sintesi di Hantzsch della piridina – Reattività: Reazioni acido-base, Reazioni dell’azoto con gli elettrofili, Reazioni di sostituzione elettrofila, di sostituzione nucleofila, di ossidazione e di riduzione – Piridina N-ossido e sostituzione elettrofila – Sistemi elettronpoveri: eterocicli esatomici benzocondensati contenenti un solo eteroatomo neutro – Preparazione: Sintesi di Skraup della chinolina, Sintesi di Bischler-Napieralski dell’isochinolina – Reattività: Reazioni principali.

27. Polimeri di sintesi

Esistono due classi principali di polimeri di sintesi – Introduzione ai polimeri per crescita a catena – Polimerizzazione radicalica – Il teflon: una scoperta accidentale – Codici di riciclo – Polimerizzazione cationica – Polimerizzazione anionica – Polimerizzazione con apertura d’anello – Stereochimica della polimerizzazione • catalizzatori di Ziegler-Natta – Polimerizzazione dei dieni – Copolimeri – Nanocontenitori – Introduzione ai polimeri per crescita a stadi – Classi di polimeri per crescita a stadi – Preoccupazioni per la salute: bisfenolo A e ftalati – Progettare un polimero – Proprietà fisiche dei polimeri – Avvelenamento da melammina – Il riciclo dei polimeri – Polimeri biodegradabili

28/34/35. Reazioni pericicliche

Le tre tipologie di reazioni pericicliche: Reazioni elettrocicliche, di cicloaddizione e trasposizioni sigmatropiche – Orbitali molecolari e simmetria degli orbitali – Reazioni elettrocicliche – Reazioni di cicloaddizione – Trasposizioni sigmatropiche – Reazioni pericicliche in sistemi biologici – Bioluminescenza – La vitamina del sole – Animali, uccelli, pesci e vitamina D – Riepilogo delle regole di selezione per le reazioni pericicliche. A new sort of reaction – General description of the Diels-Alder reaction – The frontier orbital description of cycloadditions – Regioselectivity in Diels-Alder reactions – The Woodward-Hoffmann description of the Diels-Alder reaction – Trapping reactive intermediates by cycloadditions – Other thermal cycloadditions – Photochemical [2 + 2] cycloadditions – Thermal [2 + 2] cycloadditions – Making five-membered rings: 1,3-dipolar cycloadditions – Two very important synthetic reactions: cycloaddition of alkenes with osmium tetroxide and with ozone – Sigmatropic rearrangements – Orbital descriptions of [3,3]-sigmatropic rearrangements – The direction of [3,3]-sigmatropic rearrangements – [2,3]-Sigmatropic rearrangements – [1,5]-Sigmatropic hydrogen shifts – Electrocyclic reactions.

36. Participation, rearrangement, and fragmentation

Neighbouring groups can accelerate substitution reactions – Rearrangements occur when a participating group ends up bonded to a different atom – Carbocations readily rearrange – The pinacol rearrangement – The dienone-phenol rearrangement – The benzylic acid rearrangement – The Favorskii rearrangement – Migration to oxygen: the Baeyer–Villiger reaction – The Beckmann rearrangement – Polarization of C–C bonds helps fragmentation – Fragmentations are controlled by stereochemistry – Ring expansion by fragmentation – Controlling double bonds using fragmentation – The synthesis of nootkatone: fragmentation showcase.

38. Synthesis and reactions of carbenes

Diazomethane makes methyl esters from carboxylic acids – Photolysis of diazomethane produces a carbene – How do we know that carbenes exist? – Ways to make carbenes – Carbenes can be divided into two types – How do carbenes react? – Carbenes react with alkenes to give cyclopropanes – Insertion into C–H bonds – Rearrangement reactions – Nitrenes are the nitrogen analogues of carbenes – Alkene metathesis.

11/40. Organometallic chemistry of palladium, boron, tin, rhodium, and ruthenium

Reazioni di accoppiamento catalizzate da palladio – Metatesi degli alcheni – Grubbs, Schrock, Suzuki ed Heck ricevono il premio Nobel – Transition metals extend the range of organic reactions – The 18 electron rule – Bonding and reactions in transition metal complexes – Palladium is the most widely used metal in homogeneous catalysis – The Heck reaction couples together an organic halide or triflate and an alkene – Cross-coupling of organometallics and halides – Allylic electrophiles are activated by palladium(0) – Palladium-catalysed amination of aromatic rings – Alkenes coordinated to palladium(II) are attacked by nucleophiles – Palladium catalysis in the total synthesis of a natural alkaloid – An overview of some other transition metals.

39. Determining reaction mechanisms

There are mechanisms and there are mechanisms – Determining reaction mechanisms: the Cannizzaro reaction – Be sure of the structure of the product – Systematic structural variation – The Hammett relationship – Other kinetic evidence for reaction mechanisms – Acid and base catalysis – The detection of intermediates – Stereochemistry and mechanism – Summary of methods for the investigation of mechanism.

MODULO 3. Retrosintesi e Stereoselettività

28. Retrosynthetic analysis

Creative chemistry – Retrosynthetic analysis: synthesis backwards – Disconnections must correspond to known, reliable reactions – Synthons are idealized reagents – Multiple step syntheses: avoid chemoselectivity problems – Functional group interconversion – Two-group disconnections are better than one-group disconnections – C–C disconnections – Available starting materials – Donor and acceptor synthons – Two-group C–C disconnections – 1,5-Related functional groups – “Natural reactivity” and “umpolung”.

31. Saturated heterocycles and stereoelectronics

Introduction – Reactions of saturated heterocycles – Conformation of saturated heterocycles: Heteroatoms in rings have axial and equatorial lone pairs. Some substituents of saturated heterocycles prefer to be axial: the anomeric effect. The anomeric effect in spiroketals. Related effects in other types of compounds – Making heterocycles: ring-closing reactions – Diastereotopic groups.

32. Stereoselectivity in cyclic molecules

Introduction – Stereochemical control in six-membered rings – Reactions on small rings – Regiochemical control in cyclohexene epoxides – Stereoselectivity in bicyclic compounds – Fused bicyclic compounds – Spirocyclic compounds – Reactions with cyclic intermediates or cyclic – transition states.

33. Diastereoselectivity

Looking back – Prochirality – Additions to carbonyl groups can be diastereoselective even without rings – Stereoselective reactions of acyclic alkenes – Aldol reactions can be stereoselective – Single enantiomers from diastereoselective reactions

41. Asymmetric synthesis

Nature is asymmetric – The chiral pool: Nature’s chiral centres “off the shelf” – Resolution can be used to separate enantiomers – Chiral auxiliaries – Chiral reagents – Asymmetric catalysis – Asymmetric formation of carbon–carbon bonds – Asymmetric aldol reactions – Enzymes as catalysts.

1. Chimica Organica – P. Y. Bruice – 3ª Ed. EdiSES (include un kit di modelli molecolari).
2. Organic Chemistry – J. Clayden, N. Greeves, and S. Warren – 2^nd Ed. Oxford University Press.
3. Solutions Manual to Accompany Organic Chemistry – J. Clayden, N. Greeves, and S. Warren – 2^nd Ed. Oxford University Press.
4. Chimica Organica – a cura di B. Botta, AA. VV. – 2ª Ed. Edi-Ermes.

Per superare il corso l’allievo dovrà sostenere una prova scritta non strutturata ed una prova orale; alla prova orale si accede totalizzando, nella prova scritta, un minimo di 18 punti su 35.

La prova scritta, della durata di un’ora e quarantacinque minuti (1:45), consiste di 7 quesiti a stimolo chiuso e risposta aperta, ciascuno del valore massimo di 5 punti, che copriranno l’intero programma svolto. La prova scritta si riterrà superata con un punteggio minimo di 18/35.

Durante lo svolgimento dell’esame non è consentito consultare libri, appunti o dispositivi elettronici di alcun tipo.

La prova orale consiste in una discussione, della durata di circa 45–60 minuti, finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e la capacità di comprensione raggiunti dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma. La prova orale consentirà, inoltre, di verificare la capacità di comunicazione dell’allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell’esposizione sugli stessi argomenti a contenuto teorico.

Lo studente sarà chiamato ad esporre in modo dettagliato alcuni argomenti e a fare le analisi retrosintetiche di piccole molecole utilizzando i diversi approcci presentati durante le lezioni. Lo studente dovrà dimostrare di conoscere l’approccio generale alla risoluzione di un problema sintetico e di avere la capacità di progettare una sintesi adeguata tenendo conto delle questioni stereochimiche. I principi teorici saranno discussi e verrà valutata la capacità di applicazione razionale a problemi pratici. Verrà valutata la capacità dello studente di analizzare vie sintetiche diverse per l’ottenimento di uno stesso prodotto e lo spirito critico sviluppato grazie ad una robusta acquisizione dei principi teorici trattati durante il corso.

La prova orale termina con una valutazione in trentesimi alla cui formulazione numerica concorrono i seguenti elementi:

• preparazione sull’intero programma svolto;
• capacità e chiarezza espositiva;
• capacità di collegamento e di sintesi tra i vari argomenti.

Il voto finale sarà stabilito tenendo conto dei punteggi conseguiti in entrambe le prove. È importante sottolineare che la prova orale non va intesa come finalizzata all’innalzamento del voto conseguito nello scritto ma, nel caso abbia esito negativo, il voto potrà abbassarsi fino anche a determinare la bocciatura.

Il superamento dell’esame con il minimo dei voti richiede una conoscenza sufficiente degli argomenti trattati nelle varie parti del programma. Per conseguire un punteggio pari a 30/30 e lode, lo studente deve invece dimostrare di aver acquisito una conoscenza eccellente di tutti gli argomenti trattati durante il corso e di essere in grado di raccordarli in modo logico e coerente.

Un esempio di verifica non strutturata è disponibile al seguente link.