CHIMICA ORGANICA 1 A - L

Il corso mira a sviluppare una mentalità critica e scientifica promuovendo l’uso razionale delle capacità mnemoniche e l’abilità di applicare le conoscenze teoriche alla risoluzione dei problemi.

Questo approccio va oltre la semplice “ripetizione mnemonica” di concetti puntando a una sintesi tra operatività mentale e realizzazione pratica: dalla progettazione di un esperimento e controllo razionale delle fasi, alla valutazione dei risultati e all’esecuzione pratica, anche in contesti virtuali.

Al termine del corso, l’allievo sarà in grado di:

D1  Conoscenza e Capacità di Comprensione

• Identificare e classificare le molecole organiche in base ai gruppi funzionali e alle caratteristiche stereochimiche.
• Illustrare le reazioni per la formazione dei legami carbonio-carbonio.
• Descrivere le reazioni di interconversione dei gruppi funzionali.
• Progettare sintesi a più stadi di molecole organiche.
• Spiegare i meccanismi delle reazioni organiche, con particolare attenzione alla stereochimica dei processi.

D2  Capacità di Applicare Conoscenza e Comprensione

• Attribuire nomi IUPAC e stereochimica a molecole organiche polifunzionali.
• Identificare le reazioni di formazione di legami carbonio-carbonio e di interconversione dei gruppi funzionali in un contesto di esercitazione o esame per progettare passaggi sintetici.
• In un contesto di esercitazione o esame, individuare le reazioni di formazione di legami carbonio-carbonio e di interconversione dei gruppi funzionali responsabili delle modifiche alla struttura molecolare.
• Progettare sintesi multistadio di molecole organiche in un contesto di esercitazione o esame.

D3  Autonomia di Giudizio

• Prevedere le proprietà chimico-fisiche di una molecola organica sulla base della sua struttura e dei gruppi funzionali.
• Prevedere la reattività chimica di una molecola organica sulla base della sua struttura e dei gruppi funzionali.

D4  Abilità Comunicative

• Comunicare in modo efficace con il docente e con esperti del settore utilizzando una terminologia tecnico-scientifica adeguata.
• Discutere in maniera competente sulle tecniche sintetiche apprese durante un esame orale.

D5  Capacità di Apprendimento

• Reperire e apprendere nuove informazioni rispetto a quelle fornite durante l’attività formativa, necessarie per spiegare le interazioni intermolecolari alla base dell’attività biologica di una molecola organica di cui sia nota la struttura chimica.

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.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

La verifica dell'apprendimento può essere svolta anche on line, qualora le condizioni lo richiedano.

Conoscenza dei concetti di base di Matematica, Fisica e Chimica Generale.

Conoscenza di un metodo di studio adeguato; si consigliano le seguenti risorse:

• http://studenti.unimi.it/studentestrategico/metodo/index.htm
• http://helpmetodo.altervista.org/
• https://www.mondadorieducation.it/media/contenuti/statici/didattica/flipped/assets/pdf/04_lavoro_casa.pdf

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

Il corso è suddiviso in 5 moduli, per un totale di 8 crediti: 7 crediti sono assegnati alle lezioni frontali e 1 credito è dedicato alle esercitazioni in aula, che si svolgeranno durante il corso.

Per facilitare l’apprendimento, il programma del corso segue l’indice generale del testo “Chimica Organica” di Bruice, integrato dove necessario con argomenti pertinenti al Corso di Laurea e con approfondimenti tratti dal testo di supporto “Chimica Organica” di Clayden. Gli argomenti aggiuntivi saranno evidenziati in rosso e reperibili sul testo di supporto.

MODULO 1. Introduzione allo studio della chimica organica

1. Elementi di chimica generale: struttura elettronica e legame

Formazione dei legami singoli nei composti organici – Formazione del doppio legame: i legami dell’etene – Formazione del triplo legame: i legami dell’etino – I legami del catione metile, del radicale metile e dell’anione metile – Ibridazione e geometria molecolare – Riepilogo: ibridazione, lunghezza di legame, forza di legame e angoli di legame – Momenti dipolari delle molecole.

Ø Paragrafi: 1.7–1.10 e 1.14–1.16

2. Acidi e basi: concetti fondamentali nella chimica organica

Acidi e basi organici – Come prevedere l’esito di una reazione acido-base – Come determinare la posizione di un equilibrio – Influenza della struttura di un acido sul suo valore di pK – Influenza dei sostituenti sulla forza di un acido – Introduzione agli elettroni delocalizzati – Riepilogo dei fattori che determinano la forza di un acido – Influenza del pH sulla struttura di un composto organico.

Ø Paragrafi: 2.3–2.10; si consiglia la lettura del Capitolo 8

3. Introduzione ai composti organici: nomenclatura, proprietà fisiche e struttura

I gruppi alchilici – Nomenclatura degli alcani – Nomenclatura dei cicloalcani – Nomenclatura degli alogenuri alchilici – Nomenclatura degli eteri – Nomenclatura degli alcoli – Nomenclatura delle ammine – La struttura di alogenuri alchilici, alcoli, eteri e ammine – Le interazioni non covalenti – Solubilità dei composti organici – Rotazione intorno al legame singolo carbonio-carbonio – Cicloalcani e tensione d’anello – Conformeri del cicloesano – Conformeri dei cicloesani monosostituiti – Conformeri dei cicloesani disostituiti – Cicloesani condensati – Sistemi Biciclici e Policiclici e loro Nomenclatura.

Ø Paragrafi: 3.1–3.16, pagina 839

 

MODULO 2. Reazioni di addizione elettrofila, stereochimica e delocalizzazione elettronica

4. Isomeri: la disposizione degli atomi nello spazio

Isomeri cis-trans – Nomenclatura E,Z degli isomeri di un alchene – Chiralità – Un centro asimmetrico genera chiralità in una molecola – Isomeri con un centro asimmetrico – Centri asimmetrici e stereocentri – Rappresentazione degli enantiomeri – Denominazione degli enantiomeri con i descrittori R,S – Attività ottica dei composti chirali – Misura della rotazione specifica – Eccesso enantiomerico – Composti chirali senza stereocentri: Atropisomeri – Composti contenenti più di un centro asimmetrico – Stereoisomeri di composti ciclici – Composti meso – Nomenclatura dei composti contenenti più di un centro asimmetrico – Azoto e fosforo possono essere centri asimmetrici – Recettori – La separazione degli enantiomeri.

Ø Paragrafi: 4.1–4.18; pagina 319

5. Alcheni: Struttura, nomenclatura e introduzione alla reattività • Termodinamica e cinetica

Formule molecolari e grado di insaturazione – Nomenclatura degli alcheni – Struttura degli alcheni – Reattività dei composti organici e gruppi funzionali – Reattività degli alcheni • Uso delle frecce curve – Termodinamica: quanto prodotto si forma? – Aumentare la quantità di prodotto in una reazione – Calcolare i valori di ∆H – Usare i valori di ∆H per determinare le stabilità relative degli alcheni – Cinetica: quanto velocemente si formano i prodotti? – Velocità di una reazione chimica – Diagramma dell’energia libera in funzione della coordinata di reazione – Catalisi.

Ø Paragrafi: 5.1–5.13; si consiglia la lettura del Capitolo 12

6. Le reazioni degli alcheni • La stereochimica delle reazioni di addizione

Addizione di acido alogenidrico agli alcheni – Stabilità dei carbocationi – Struttura dello stato di transizione – Regioselettività delle reazioni di addizione elettrofila – Addizione di acqua agli alcheni – Addizione di alcol agli alcheni – Trasposizione dei carbocationi – Ossimercuriazione-Demercuriazione – Addizione di borano agli alcheni: idroborazione-ossidazione – Addizione di alogeni agli alcheni – Addizione di un perossiacido agli alcheni (Reazione di Prilezhaev) – Addizione di ozono agli alcheni: l’ozonolisi riduttiva ed ossidativa – Reazioni regioselettive, stereoselettive e stereospecifiche – Stereochimica delle reazioni di addizione elettrofila – Alcheni ciclici – Di-ossidrilazione sin – Scissione ossidativa.

Ø  Paragrafi: 6.1–6.13; pagine 442–444, 906 e 907; si consiglia la lettura del Capitolo 19

7. Le reazioni degli alchini • Introduzione alle sintesi multistadio

Nomenclatura degli alchini – Nomenclatura dei composti che contengono più di un gruppo funzionale – Struttura degli alchini – Proprietà fisiche degli idrocarburi insaturi – Reattività degli alchini – Addizione di acidi alogenidrici e di alogeni agli alchini – Addizione di acqua agli alchini – Idroborazione-ossidazione degli alchini – Addizione di idrogeno agli alchini – Acidità di un idrogeno legato a un carbonio sp – Uso degli ioni acetiluro nella sintesi organica – Strategia Sintetica I: Introduzione alla sintesi multistadio.

Ø Paragrafi: 7.1–7.12

8. Delocalizzazione elettronica e suo effetto su stabilità, pK_a e prodotti di una reazione • Aromaticità, effetti elettronici e introduzione alle reazioni del benzene

Gli elettroni delocalizzati spiegano la struttura del benzene – I legami nel benzene – Strutture limite di risonanza e ibrido di risonanza – Come disegnare le strutture limite di risonanza – Predire la stabilità delle strutture limite di risonanza – Energia di risonanza – La delocalizzazione elettronica aumenta la stabilità – Stabilità secondo la teoria degli orbitali molecolari – Effetto della delocalizzazione elettronica sul pK_a – Effetti elettronici – La delocalizzazione elettronica può influenzare il prodotto di una reazione – Reazioni dei dieni – Controllo termodinamico e controllo cinetico – Il benzene è un composto aromatico – I due criteri per l’aromaticità – Applicazione dei criteri dell’aromaticità – Aromaticità secondo la teoria degli orbitali molecolari – Composti eterociclici aromatici – Reattività del benzene.

Ø  Paragrafi: 8.1–8.13 e 8.16–8.21; si consiglia la lettura del Capitolo 7

 

MODULO 3. Reazioni di sostituzione e di eliminazione

9. Reazioni di sostituzione e di eliminazione degli alogenuri alchilici

La reazione S_N2 – Fattori che influenzano le reazioni S_N2 – La reazione S_N1 – Fattori che influenzano le reazioni S_N1 – Competizione fra reazioni S_N2 e S_N1 – Reazioni di eliminazione degli alogenuri alchilici – La reazione E2 – La reazione E1 – Competizione fra reazioni E1 ed E2 – La stereoselettività delle reazioni E2 ed E1 – Eliminazione da cicloesani sostituiti – Prevedere i prodotti di reazione di un alogenuro alchilico con un nucleofilo/base – Alogenuri benzilici, allilici, vinilici e arilici – Effetti del solvente – Reazione E1cb – Le reazioni di sostituzione ed eliminazione nella sintesi organica – Competizione tra reazioni intermolecolari e reazioni intramolecolari – Strategia Sintetica II: Come affrontare il problema.

Ø  Paragrafi: 9.1–9.17; pagine 399–404, si consiglia la lettura dei Capitoli 15 e 17

10. Reazioni di alcoli, eteri, epossidi, ammine e composti contenenti zolfo

Reazioni di sostituzione nucleofila degli alcoli: formazione di alogenuri alchilici – Il saggio di Lucas – Altri metodi usati per convertire gli alcoli in alogenuri alchilici – Sostituzione nucleofila intramolecolare (S_Ni) – Conversione di un alcol in un  estere solfonico – Reazione di eliminazione degli alcoli: disidratazione – Ossidazione degli alcoli – Reazioni di sostituzione nucleofila degli eteri – Reazioni di sostituzione nucleofila degli epossidi – Eteri corona: un altro esempio di riconoscimento molecolare – Gli eteri corona possono essere utilizzati per catalizzare le reazioni S_N2 – Ossidi di arene – Benzo[a]pirene e il cancro – Le ammine non subiscono reazioni di sostituzione nucleofila o di eliminazione – Gli idrossidi di ammonio quaternario subiscono reazioni di eliminazione – Tioli, solfuri e ioni solfonio.

Ø Paragrafi: 10.1–10.11; https://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/special2.htm#top6

11. Composti organometallici del litio, magnesio e rame

Composti organolitio e organomagnesio – Transmetallazione – Organocuprati.

Ø  Paragrafi: 11.1–11.3; si consiglia la lettura del Capitolo 9

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.

Ø Paragrafi: 12.1–12.10

 

MODULO 4. Composti carbonilici

15. Reazioni degli acidi carbossilici e dei derivati degli acidi carbossilici

Nomenclatura degli acidi carbossilici e dei derivati degli acidi carbossilici – Struttura degli acidi carbossilici e dei derivati degli acidi carbossilici – Proprietà fisiche dei composti carbonilici – Come reagiscono gli acidi carbossilici e i derivati degli acidi carbossilici – Le reattività relative degli acidi carbossilici e dei derivati degli acidi carbossilici – Reazioni degli alogenuri acilici – Reazioni degli esteri – Idrolisi e transesterificazione degli esteri catalizzate da acidi – Idrolisi degli esteri favorita dallo ione idrossido – Reazioni degli acidi carbossilici – Reazioni delle ammidi – Idrolisi e alcolisi delle ammidi catalizzata da acidi – Idrolisi promossa da ioni idrossido delle ammidi – Idrolisi di un’immide: la sintesi di Gabriel delle ammine primarie – Nitrili – Anidridi degli acidi carbossilici – Acidi dicarbossilici – Attivazione chimica degli acidi carbossilici – Tioesteri.

Ø  Paragrafi: 15.1–15.18; si consiglia la lettura del Capitolo 10

 22. La catalisi nelle reazioni organiche

La catalisi nelle reazioni organiche – La catalisi acida – La catalisi basica – La catalisi nucleofila – La catalisi con ioni metallici – Le reazioni intramolecolari – La catalisi intramolecolare.

Ø Paragrafi: 22.1–22.7

16/23. Le reazioni di aldeidi e chetoni • Ulteriori reazioni dei derivati degli acidi carbossilici

Nomenclatura delle aldeidi e dei chetoni – Reattività relative dei composti carbonilici – Reattività di aldeidi e chetoni – Reazioni dei composti carbonilici con i nucleofili al carbonio – Reazioni dei composti carbonilici con lo ione idruro – Approfondimento sulle reazioni di riduzione – Reazioni chemoselettive – Reazioni di aldeidi e chetoni con i nucleofili all’azoto – Reazioni di aldeidi e chetoni con i nucleofili all’ossigeno – Gruppi protettori – Reazioni di aldeidi e chetoni con i nucleofili allo zolfo – Reazioni di aldeidi e chetoni con un perossiacido – Reazione di Wittig – Strategia Sintetica IV: Disconnessioni, sintoni ed equivalenti sintetici – Addizione nucleofila ad aldeidi e chetoni a,b-insaturi – Addizione nucleofila ai derivati degli acidi carbossilici a,b-insaturi.

Ø  Paragrafi: 16.1–16.16; Capitolo 23; si consiglia la lettura dei Capitoli 6 e 11

17. Le reazioni al carbonio a

Acidità dell’idrogeno a – Tautomeri cheto-enolici – Interconversione cheto-enolica – Alogenazione del carbonio a di aldeidi e chetoni – Alogenazione del carbonio a degli acidi carbossilici – Formazione di uno ione enolato – Alchilazione del carbonio a – Alchilazione e acilazione del carbonio a tramite un intermedio enamminico – Alchilazione del carbonio b – Un’addizione aldolica forma una b-idrossialdeide o un b-idrossichetone – La disidratazione di un prodotto di addizione aldolica forma aldeidi e chetoni a,b-insaturi – Addizione aldolica incrociata – Condensazione di Claisen: formazione di b-chetoesteri – Altre condensazioni incrociate – Reazioni di condensazione e di addizione aldolica intramolecolare – L’anellazione di Robinson – Decarbossilazione di b-chetoacidi – Sintesi malonica – Sintesi acetacetica – Strategia Sintetica V: Formazione di nuovi legami carbonio-carbonio.

Ø  Paragrafi: 17.1–17.20; si consiglia la lettura dei Capitoli 20, 25 e 26

 

MODULO 5. I composti aromatici

18. Reazioni del benzene e dei benzeni sostituiti

Nomenclatura dei benzeni monosostituiti – Meccanismo generale delle reazioni di sostituzione elettrofila aromatica – Alogenazione del benzene – Nitrazione del benzene – Solfonazione del benzene – Acilazione di Friedel-Crafts del benzene – Reazione di Gatterman-Koch – Alchilazione di Friedel-Crafts del benzene – Alchilazione del benzene mediante acilazione-riduzione: idrogenazione e riduzioni di Clemmensen e Wolff-Kishner – Uso delle reazioni di accoppiamento nell’alchilazione del benzene – Trasformazioni chimiche dei sostituenti sull’anello benzenico – Nomenclatura dei benzeni disostituiti e polisostituiti – Effetto dei sostituenti sulla reattività – Effetto dei sostituenti sull’orientamento – Il rapporto orto-para – Ulteriori considerazioni sugli effetti dei sostituenti – Strategia Sintetica VI: Sintesi dei benzeni mono e disostituiti – Sintesi dei benzeni trisostituiti – Uso dei sali di diazonio per la sintesi di benzeni sostituiti – Azobenzeni – Meccanismo della formazione di uno ione diazonio – Reazioni in catena laterale – Sintesi dei fenoli – Sostituzione elettrofila aromatica dei fenoli e dei fenati – Sostituzione nucleofila aromatica – Strategia Sintetica VII: Sintesi di composti ciclici.

Ø  Paragrafi: 18.1–18.8 e 18.10–18.22; pagina 540, si consiglia la lettura del Capitolo 21; appunti di lezione

19. Reazioni delle ammine

Nomenclatura – Proprietà acido-base delle ammine – Reattività delle ammine come basi e come nucleofili – Sintesi di ammine – Trasposizione di Hofmann – Trasposizione di Curtius – Eliminazione di Cope – Sintesi di Mannich – Ammine eterocicliche di importanza biologica.

Ø  Paragrafi: 19.1–19.4, 19.7; pagine 620 e 1022, http://organicavirtuale.altervista.org/VirtualText/amine2.html#amin10b

Il materiale didattico distribuito dal docente è reperibile su Studium al seguente  link.

1. Chimica Organica – P. Y. Bruice – 3ª Ed. EdiSES (include un kit di modelli molecolari).
2. Chimica Organica – J. Clayden, N. Greeves, and S. Warren – 1^a Ed. Piccin.

Per superare il corso, l’allievo dovrà sostenere una prova scritta ed eventualmente una prova orale. L’accesso alla prova orale richiede un minimo di 22 punti su 30 nella prova scritta.

Chi ottiene un punteggio uguale o superiore a 22 può decidere se sostenere l’esame orale per migliorare il voto o accettare una votazione di 21/30. Per ottenere un voto superiore a 21 è necessario sostenere l’esame orale, che può comportare anche una bocciatura.

La tabella seguente riepiloga il tutto.

Tipologia di esame	Punti	Superamento esame senza orale	Voto
Scritto
30 quesiti	18–21	18–21	18–21
30 quesiti	22–30	21	21
Orale (opzionale)	22–30	—	18–30 e Lode Passibile di bocciatura

 

La prova scritta, della durata di 90 minuti, consiste in 30 quesiti a risposta multipla (con 5 opzioni, di cui una sola corretta), selezionati dalla piattaforma online Exam Manager e coprenti l'intero programma del corso. Ogni risposta esatta vale un punto, mentre per ogni risposta errata verrà detratto un quarto di punto (−0,25); le risposte non date valgono zero punti. La prova scritta si considera superata con una votazione minima di 18/30. I punteggi saranno arrotondati alla cifra intera superiore a partire da 0,5 (l’arrotondamento non si applica per punteggi inferiori a 18). Durante lo svolgimento dell’esame non è consentito consultare libri, appunti o dispositivi elettronici di alcun tipo.

La prova orale consiste in una discussione di circa 20–30 minuti, mirata a verificare il livello di conoscenza e la capacità di comprensione dello studente sui contenuti teorici e metodologici del programma. Inoltre, la prova orale permette di valutare la capacità dello studente di comunicare con proprietà di linguaggio e di organizzare autonomamente l’esposizione sugli stessi argomenti teorici.

Lo studente dovrà esporre in modo dettagliato alcuni argomenti e condurre analisi retrosintetiche di piccole molecole utilizzando i diversi approcci presentati durante le lezioni. Sarà richiesto di dimostrare la comprensione dell’approccio generale alla risoluzione di un problema sintetico e la capacità di progettare una sintesi adeguata, tenendo conto anche della stereochimica. I principi teorici saranno discussi e verrà valutata la capacità di applicarli in modo razionale a problemi pratici. Inoltre, si valuterà la capacità dello studente di analizzare diverse vie sintetiche per ottenere lo stesso prodotto e il grado di spirito critico sviluppato grazie a una solida comprensione dei principi teorici trattati nel corso:

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

Il voto finale verrà determinato sulla base dei punteggi ottenuti nelle due prove d'esame. È importante chiarire che la prova orale non deve essere considerata un'opportunità per aumentare il voto conseguito nella prova scritta; al contrario, in caso di esito negativo, il voto complessivo potrà essere ridotto fino a comportare la bocciatura.

Per superare l’esame con il voto minimo, è necessario dimostrare una conoscenza sufficiente degli argomenti trattati in tutte le parti del programma. Per ottenere un punteggio di 30/30 e lode, invece, lo studente deve mostrare una conoscenza eccellente di tutti gli argomenti affrontati durante il corso e la capacità di collegarli in modo logico e coerente.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Un esempio di verifica strutturata è disponibile al seguente link.