Chimica organica (E17)

A.A. 2021/2022
8
Crediti massimi
88
Ore totali
SSD
CHIM/06
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Il corso si prefigge di fornire le basi necessarie per la comprensione della struttura delle molecole organiche e delle reazioni più comuni, attraverso la descrizione delle principali classi di composti organici, lo studio delle loro caratteristiche chimico-fisiche e della loro reattività con frequenti riferimenti alle problematiche ambientali. Durante il corso verranno acquisite le basi per l'apprendimento degli argomenti propedeutici per i successivi corsi di Chimica dell'Ambiente, Biochimica e Chimica degli Alimenti. L'apprendimento dei concetti e delle nozioni acquisite, sarà favorito dal parallelo svolgimento di esercitazioni in aula. Il corso prevede anche un'unità didattica di laboratorio a posto singolo nel quale verranno effettuate esercitazioni volte all' acquisizione delle nozioni che consentono una corretta conduzione di un esperimento di chimica organica, incluse le elementari norme di sicurezza relative alla manipolazione e allo smaltimento delle sostanze organiche. Le esercitazioni di laboratorio sono finalizzate all'apprendimento delle conoscenze di base delle tecniche fondamentali di purificazione (ricristallizzazione, distillazione e cromatografia), separazione (estrazione) e della reattività dei composti organici.
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso lo studente avrà acquisito le conoscenze relative alla struttura ed alle proprietà chimico-fisiche delle principali classi di composti organici. Saprà applicare i concetti di legame covalente polare, ibridazione, legame sigma e pi-greco, isomeria, risonanza all'individuazione della disposizione delle molecole nello spazio, al riconoscimento dei gruppi funzionali presenti ed all'assegnazione del nome IUPAC. Sarà in grado di analizzare criticamente le molecole organiche sulla base della loro struttura, riconoscendone l'acidità/basicità, nucleofilia/elettrofilia e di valutarne la reattività sulla base della struttura e dell'ambiente in cui si trovano. Inoltre lo studente acquisirà le conoscenze relative ai meccanismi delle trasformazioni chimiche. Questa capacità sarà sviluppata mediante lo svolgimento di esercitazioni in aula grazie anche alla discussione tra studenti e docente durante lo svolgimento delle stesse. Lo studente dovrà acquisire la capacità di usare un lessico ed una terminologia relativa alla Chimica Organica per trasferire le proprie conoscenze.
La frequenza del laboratorio consentirà allo studente di essere in grado di eseguire procedure standard di laboratorio ed utilizzare strumentazioni per la sintesi.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Periodo
Secondo semestre
In relazione alle modalità di erogazione delle attività formative per l'a.a. 2021/22, verranno date indicazioni più specifiche nei prossimi mesi in base all'evoluzione della situazione sanitaria.
In fase emergenziale gli esami scritti si svolgeranno a distanza con le stesse modalità della didattica in fase non emergenziale. Per l'accertamento delle competenze acquisite in laboratorio, qualora fosse in presenza al 50%, verrà valutata la stesura delle relazioni riguardanti le esperienze svolte in laboratorio compendiata da un breve colloquio orale inerente quelle seguite in video.
Programma
Modulo 1: Il legame chimico: legami ionici e covalenti. Orbitali ibridi: legami semplici, doppi, tripli.
Il concetto di risonanza. Geometria dei composti contenenti carbonio. Rappresentazione delle molecole. Isomeri strutturali. Classi di composti e gruppi funzionali. Acidi e basi: definizioni di Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis. Acidi e basi organiche.
Interazioni dipolo-dipolo. Interazioni di Van der Waals. Legame a idrogeno.Solubilità e solventi: idrofilia e lipofilia.
ALCANI: Nomenclatura IUPAC. Analisi conformazionale di alcani lineari e ciclici. Proiezioni di Newman. Cicloalcani sostituiti: implicazioni steriche e isomeria cis-trans. Proprietà fisiche.
Reattività: alogenazione radicalica, combustione. Ottenimento da alcheni e da composti carbonilici.
Sintesi di Wurtz. Fonti naturali. Tipi di reazioni organiche: addizione, eliminazione, sostituzione, trasposizione. Meccanismi di reazione: reazioni radicaliche e reazioni polari. Descrizione di una reazione: equilibrio e velocità, coordinate di reazione, stati di transizione e intermedi
ALCHENI e ALCHINI: Nomenclatura IUPAC. Configurazione: isomeria cis/trans, il sistema E/Z.
Reazioni di addizione elettrofila al doppio legame: regola di Markovnikov. Addizione di acqua, acidi alogenidrici, alogeni e acidi ipoalogenosi, Idrogenazione. Ossidazione e ossidrilazione.
Preparazione di alcheni per eliminazione: regola di Zaitseff. Ottenimento da alcoli e da alogenuri alchilici. Carbocationi: stabilità e riarrangiamento. Preparazione di alcheni per idrogenazione di alchini. Reazioni di addizione al triplo legame: acqua, acidi alogenidrici e alogeni. Conseguenze stereochimiche. Preparazione di alchini: reazioni di eliminazione dei dialogenuri. Acidità degli alchini: formazione degli ioni acetiluro.
ALCADIENI:Addizioni elettrofile 1,2 e 1,4. Carbocationi allilici.
STEREOCHIMICA: Tipi di stereoisomeri. Chiralità. Enantiomeri, diastereoisomeri e mesoforme. Attività ottica e polarimetria. Proiezioni di Fischer e regole per la loro manipolazione. Nomenclatura C.I.P. Carboni asimmetrici nelle molecole cicliche. Risoluzione di racemi. Chiralità di atomi diversi dal carbonio. Importanza della chiralità nei processi biologici.
ALOGENURI ALCHILICI: Nomenclatura. Proprietà chimico-fisiche. Composti alogenati e CFC. Reazioni di Sostituzione Nucleofila SN1 e SN2; meccanismo e conseguenze stereochimiche.
ALCOLI, ETERI e EPOSSIDI: Nomenclatura. Caratteristiche fisiche. Legame a idrogeno. Acidità e basicità. Reattività degli alcoli: ossidazione; sintesi di alogenuri alchilici. Ottenimento di alcoli per riduzione di composti carbonilici Preparazione degli eteri: reazione di Williamson. Preparazione degli epossidi: disidratazione di aloidrine e ossidazione di alcheni. Reazioni degli epossidi con nucleofili.
TIOLI e TIOETERI: Nomenclatura. Proprietà fisiche e acidità. Ossidazione. Reattività come nucleofili.
COMPOSTI ORGANOMETALLICI: Definizione. I reagenti di Grignard: preparazione. Caratteristiche basiche e nucleofile.
ALDEIDI E CHETONI: Nomenclatura. Caratteristiche del gruppo carbonilico. Proprietà fisiche. Reazioni di addizione nucleofila al carbonile: addizione di nucleofili all'ossigeno; addizione di nucleofili azotati; addizione di nucleofili al carbonio. Reazioni di ossidazione e riduzione: versatilità. Preparazione. Tautomeria cheto-enolica e racemizzazione. Acidità degli idrogeni in alfa al carbonile. Reazioni degli enolati: condensazione aldolica e crotonizzazione. Condensazione aldolica incrociata e intramolecolare.
ACIDI CARBOSSILICI: Nomenclatura. Proprietà fisiche e acidità: confronto tra aromatici e alifatici. Salificazione. Metodi di preparazione: ossidativi, per carbossilazione, per idrolisi di derivati. Reazioni di riduzione. Reazioni di sostituzione: dell'idrogeno idrossilico e del gruppo idrossilico. Decarbossilazione dei beta-chetoacidi.
DERIVATI degli ACIDI CARBOSSILICI: Nomenclatura. Derivati ciclici. Esteri: sapori e aromi. Ammidi: acidità e basicità. Mesomeria. Sostituzione Nucleofila Acilica: idrolisi: differenze di reattività. Alogenuri acilici: preparazione di esteri, ammidi e anidridi. Anidridi: preparazione di esteri e ammidi, esteri: transesterificazione. Reazioni degli esteri con composti organometallici. Reazioni di riduzione.
Cenni sulle reazioni degli anioni enolato attivati.
REAZIONI in α al CARBONILE: Acidità degli idrogeni in posizione alfa. Tautomeria.
Enoli e enolati. Alogenazione di aldeidi e chetoni: in acidi e in basi (reazione dell'aloformio). Alchilazione diretta di enolati. Reazione aldolica. Reazione di Claisen.
AMMINE: Nomenclatura. Ammine alifatiche alicicliche e aromatiche. Ammine biologicamente significative. Proprietà fisiche. Basicità. Sintesi per alchilazione: diretta; indiretta(sintesi di Gabriel); reazione con epossidi. Sintesi con metodi riduttivi: riduzione di ammidi, nitrili e azidi; riduzione di immine e enammine (amminazione riduttiva); riduzione di nitroderivati. Reazioni con acido nitroso: riconoscimento delle ammine 1°, 2°, 3°.
IDROCARBURI AROMATICI: Struttura del benzene. Concetto di aromaticità: i criteri di Hückel. Nomenclatura. Reazioni in posizione benzilica: ossidazione e alogenazione radicalica.Reazioni di Sostituzione Elettrofila Aromatica: alogenazione, nitrazione, solfonazione, alchilazione/acilazione di Friedel-Craft. Effetti attivanti, disattivanti e orientanti dei sostituenti. Sostituzione Nucleofila Aromatica: addizione-eliminazione e reazioni via benzino. Reazioni di riduzione dell'anello.
FENOLI e ANILINE: Nomenclatura. Acidità e basicità: confronto con gli alcoli. Preparazione e reattività. Reazioni delle aniline con acido nitroso: sali di diazonio. Applicazioni sintetiche dei sali di diazonio: reazioni con perdita di azoto; reazioni di addizione all'azoto (diazocopulazione).
COMPOSTI ETEROCICLICI: definizione e panoramica sulla reattività. Eterocicli aromatici a 5 termini: pirrolo, furano e tiofene: reazioni di SEAr. Pirrolo: proprietà acido/base. Eterocicli aromatici a 6 termini: piridina.basicità e reattività nelle SEAr e SNAr. Prodotti biologici a nucleo eterociclico.
DERIVATI DEL FOSFORO: Fosfine e fosfiti: carattere nucleofilo e riducente.
Acido fosforoso, acidi fosfonici e fosfonati. Acido fosforico, esteri fosforici. Idrolisi. Ruolo biologico del fosforo.
DERIVATI DELL'ACIDO CARBONICO: Urea, fosgene, carbammati e diimmidi.Sintesi e importanza.
CARBOIDRATI: Classificazione in base a struttura, atomi di C, gruppo carbonilico. Stereochimica: epimeri. Strutture emiacetaliche: anomeria e proiezioni di Haworth. Mutarotazione. Reazioni dei monosaccaridi: glicosidazione; reazioni di ossidazione e riduzione. Disaccaridi e polisaccaridi.
AMMINOACIDI: Classificazione. Stereochimica. Proprietà acido/base: punto isoelettrico.
Cenni sulla reattività degli alfa-aa: esterificazione; acilazione; ossidazione della cisteina;
reazione con ninidrina. Cenni sulla sintesi di alfa-aa: amminazione degli acidi alfa-bromocarbossilici; sintesi di Gabriel su bromomalonati, sintesi di Strecker. Risoluzione di aa.
Peptidi e legame peptidico.
POLIMERI: Classificazioni. Nomenclatura. Polimeri di addizione e di condensazione

Modulo 2 : Laboratorio
Apprendimento delle principali tecniche di
-purificazione: ricristallizzazione e distillazione;
-separazione: estrazione solido/liquido e solido/solido;
-cromatografia su silice: TLC e colonna cromatografica gravimetrica.

Verranno inoltre affrontati esempi pratici di reazioni organiche: reazione di idrolisi, condensazione, policondensazione.
Prerequisiti
Lo studente deve possedere una buona conoscenza dei fondamenti della chimica generale, con particolare riferimento a: struttura atomica, natura del legame chimico, principi dell'equilibrio chimico, concetti di acido e base.
Metodi didattici
Unità didattica: Lezioni frontali: 5 CFU
Esercitazioni in aula: 1CFU
Unità didattica: Esercitazioni a posto singolo: 2 CFU
Materiale di riferimento
· W. H. Brown, T. Poon - Introduzione alla Chimica Organica - quinta ed., 2014 - Ed. Edises, Napoli
· J. McMurry Fondamenti di Chimica Organica - quarta edizione - Ed. Zanichelli
· D. Klein Fondamenti di Chimica Organica - Ed Pearson
· M. S. Erickson " Guida alla soluzione dei problemi" da "Introduzione alla Chimica Organica" quinta ed., 2006 - Ed. Edises, Napoli
· Chimica organica. Esercizi risolti di chimica organica. Con Contenuto digitale (
· H. Hart, L. Craine, D. Hart "Chimica Organica" sesta ed- Ed. Zanichelli, Bologna
· Materiale disponibile sul sito Ariel del docente

Per Approfondimenti:
· J. McMurry "Chimica Organica" nona ed., 2017, Ed. Piccin, Padova.
· K. P. C. Vollhardt, "Chimica Organica" quarta edizione, 2016 - Ed. Zanichelli, Bologna.

Per il laboratorio:
· D.L.Pavia, G.M.Lampman, G.S. Kriz "Il laboratorio di Chimica Organica" Ed. Sorbona

·M.D'Ischia "La Chimica Organica in laboratorio"- Ed Piccin
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La prova di esame consiste in una prova scritta della durata di due ore, che ha lo scopo di verificare attraverso la risposta a 10 domande/esercizi il raggiungimento dei seguenti obiettivi didattici: (i) conoscenza dei concetti fondamentali necessari per una comprensione della struttura e reattività delle molecole organiche. (ii) capacità di utilizzare i concetti acquisiti per risolvere problemi di reattività e struttura.
Lo studente è ammesso all'esame scritto solo se ha consegnato preventivamente la Relazione di Laboratorio che rientrerà nella valutazione finale (media pesata dei voti)
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 8
Esercitazioni: 16 ore
Esercitazioni di laboratorio a posto singolo: 32 ore
Lezioni: 40 ore
Docente/i
Ricevimento:
Su appuntamento
Via Golgi 19. Ingresso C, IV piano