CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO A - L

Obiettivi formativi

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  Il corso si prefigge di fornire gli strumenti per la comprensione delle relazioni fra struttura e proprietà fisiche e chimiche dei composti organici. Lo studente dovrà acquisire le conoscenze di base della chimica organica, in particolare sulla struttura, le proprietà e la diffusione in natura delle principali classi di composti organici. Dovrà conoscere i meccanismi delle principali reazioni organiche. Dovrà conoscere la nomenclatura dei composti organici, avere confidenza con i modelli tridimensionali delle molecole e apprendere gli elementi essenziali della stereochimica.

Prerequisiti richiesti

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  Buone conoscenze di chimica generale. Conoscenze di base di Matematica e Fisica.

Frequenza lezioni

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  Obbligatoria almeno per il 75% delle lezioni.

Contenuti del corso

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  PROGRAMMA DI CHIMICA ORGANICA I (6 CFU)

  con scansione temporale (ore) delle lezioni

  Modulo 1 dell’insegnamento ‘Chimica organica I e Laboratorio’ (A – L) - Prof. Corrado Tringali

  1. Introduzione. (Lez. 1) Le origini della chimica organica. Perché studiare la chimica organica. Come studiare la chimica organica. Organizzazione del corso. La chimica del carbonio.

  2. Struttura delle molecole. (Lez. 2 – 5) Orbitali atomici. Configurazione elettronica dell’atomo di carbonio. La regola dell’ottetto. Formazione di legami covalenti. Legami covalenti polari e apolari. La scala di elettronegatività di Pauling. Le strutture di Lewis e di Kekulé. Teorie VB e MO. Legami sigma. Promozione degli elettroni. Ibridazione degli orbitali: ibridi sp³, sp² ed sp. La teoria VSEPR. Geometria delle molecole. Struttura dell’etano. Legami pi greco; struttura dell’etene e dell’etino. Risonanza: forme mesomere e ibrido di risonanza. Energia di risonanza e delocalizzazione degli elettroni. Struttura dello ione carbonato. Momenti dipolari e interazioni dipolo-dipolo. Legami a idrogeno. Struttura e proprietà fisiche. Interazioni soluto-solvente. Strutture e modelli molecolari. Classificazione dei composti organici. Gruppi funzionali. Isomeria di struttura. Cenni sulla struttura dei composti aromatici.

  3. Le reazioni in chimica organica. (Lez. 6 – 8) Scissione omolitica ed eterolitica di un legame. Carbocationi, carbanioni e radicali. Acidi e basi secondo Brønsted-Lowry. Costante di dissociazione acida e pKa. Forza relativa degli acidi e valori di pKa. Fattori che influenzano l’acidità: elettronegatività, dimensione dell’atomo, ibridazione. L’equilibrio nelle reazioni acido-base. Acidi e basi secondo Lewis. Reazioni organiche: diagramma dell’energia libera: coordinata di reazione. Cinetica e termodinamica. Reazioni esoergoniche ed endoergoniche. Reazioni esotermiche ed endotermiche. Numero di ossidazione dei composti organici.

  4. Alcani. (Lez. 9 - 12) Classificazione degli idrocarburi. Nomenclatura IUPAC e nomi d’uso degli alcani. Alcani ramificati. Cicloalcani. Le conformazioni di alcani e cicloalcani. Cicloalcani disostituiti. Stereoisomeria cis-trans. Proprietà fisiche. Fonti naturali e usi degli alcani. Cere paraffiniche. Proprietà chimiche: combustione; alogenazione. Meccanismo della sostituzione radicalica (SR). Reazioni a stadi. Stadio cineticamente determinante. BDE e stabilità dei radicali alchilici: iperconiugazione e risonanza. Postulato di Hammond. Regioselettività nella alogenazione degli alcani.

  5. Alcheni. (Lez. 13 – 16) Nomenclatura. Struttura: lunghezze di legame. Grado di insaturazione. Isomeria cis-trans negli alcheni. Regole di priorità: nomenclatura E,Z. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Isoprenoidi. Proprietà chimiche: addizione elettrofila (AE) al doppio legame. Meccanismo della AE. Addizione di acidi alogenidrici. Stabilità dei carbocationi. Regioselettività: regola di Markovnikov. Trasposizione di carbocationi. Addizione anti-Markovnikov: effetto perossidi. Addizione di alogeni. Formazione di aloidrine. Reazioni organiche con catalizzatore. Addizione di H₂O. Catalisi enzimatica e addizione di H₂O nei sistemi biologici. Addizione di alcoli. Idroborazione-ossidazione. Idrogenazione catalitica. Calore di idrogenazione e stabilità. Sostituzione radicalica allilica. Radicali allilici.

  6. Dieni. (Lez. 17 – 18) Dieni e polieni: classificazione, nomenclatura. Struttura degli alleni e dei dieni coniugati. Stabilizzazione dei dieni coniugati: risonanza e orbitali molecolari. Cenni su orbitali di frontiera (HOMO e LUMO). Addizione elettrofila 1,2 e 1,4 ai dieni coniugati. Carbocatione allilico. Controllo cinetico e controllo termodinamico.

  7. Alchini. (Lez. 19 – 20) Nomenclatura. Struttura: lunghezze di legame. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Addizione elettrofila: addizione di acidi alogenidrici e di alogeni. Idrogenazione. Catalizzatore di Lindlar e reazioni stereoselettive. Acidità degli alchini terminali: acetiluri.

  8. Stereochimica. (Lez. 21 – 24) Chiralità delle molecole. Carbonio asimmetrico e centro stereogenico. Enantiomeri e diastereoisomeri. Configurazioni R, S: regole di priorità di Cahn, Ingold e Prelog. Metodi di rappresentazione tridimensionale delle molecole: proiezioni di Fisher. Attività ottica. Polarimetro. Rotazione specifica. Molecole intrinsecamente chirali: atropoisomeri. Stereoisomeri con due o più atomi C asimmetrici. Composti meso. Proprietà fisiche di enantiomeri e diastereoisomeri. Racemi e loro risoluzione. Stereochimica delle reazioni organiche: reazioni diastereoselettive ed enantioselettive. Enantioselettività degli enzimi. Stereochimica della alogenazione radicalica. Stereochimica della addizione elettrofila ad alcheni.

  9. Alogenuri Alchilici. (Lez. 25 – 28) Nomenclatura. Struttura: lunghezze dei legami carbonio-alogeno. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche. Sostituzione nucleofila bimolecolare S_N2. Meccanismo della S_N2. Reazioni di secondo ordine. Ingombro sterico e ordine di reattività degli alogenuri nella S_N2. Inversione della configurazione. Fattori che influenzano le reazioni S_N2: gruppo uscente, nucleofilo, solvente. Solventi protici e aprotici. Sostituzione nucleofila bimolecolare S_N1. Meccanismo della S_N1. Reazioni di primo ordine. Stabilità dei carbocationi e ordine di reattività nella S_N1. Alogenuri allilici. Racemizzazione. Fattori che influenzano le reazioni S_N1. Confronto fra S_N2 e S_N1. Eliminazione bimolecolare E2. Regioselettività e stereoselettività nelle reazioni E2. La regola di Zaitsev. Eliminazione monomolecolare E1. Regioselettività e stereoselettività nelle reazioni E1. Confronto fra E1 ed E2. Competizione fra sostituzione ed eliminazione. Formazione dei reattivi di Grignard: composti organometallici.

  10. Alcoli ed eteri. (Lez. 29 – 32) Nomenclatura. Struttura. Proprietà fisiche. Legami a idrogeno. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche. Formazione di sali; acidità e basicità. Reazione con metalli. Formazione di alogenuri alchilici: reazioni con acidi alogenidrici e con agenti alogenanti; meccanismo (S_N2 e S_N1). Disidratazione catalizzata da acidi; meccanismo (E1 ed E2). Regioselettività e stereoselettività. Ossidazione degli alcoli primari e secondari. Formazione di semiacetali e acetali (vedi aldeidi e chetoni). Formazione di esteri (vedi acidi carbossilici e derivati). Eteri: nomenclatura e struttura. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche. Scissione con HI o HBr. Meccanismo (S_N2 e S_N1). Epossidi (ossirani): nomenclatura e struttura. Reazioni di apertura dell’anello.

  11. Composti solforati e ammine alifatiche. (Lez. 33 – 35) Nomenclatura e struttura: tioli, solfuri, disolfuri, solfossidi, solfoni, acidi solfonici. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche di tioli e solfuri: formazione di tiolati e complessi con Hg; reazioni con alogenuri alchilici. Ammine alifatiche: nomenclatura. Struttura: inversione all’azoto. Proprietà fisiche: legame a idrogeno. Fonti naturali e applicazioni. Alcaloidi. Proprietà chimiche. Formazione di Sali: basicità. Alchilazione dell’ammoniaca e delle ammine. Meccanismo (S_N2). Formazione di immine (vedi aldeidi e chetoni). Formazione di ammidi (vedi acidi carbossilici e derivati).

  12. Aldeidi e chetoni. (Lez. 36 – 41) Composti carbonilici, acidi carbossilici e derivati. Nomenclatura di aldeidi e chetoni. Struttura dei composti carbonilici: il legame CO: orbitali molecolari e risonanza. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche: addizione nucleofila al carbonile. Aspetti meccanicistici e stereochimici nella addizione ai composti carbonilici. Reazione con NaBH₄. Reazione con reattivi di Grignard. Reazione con HCN. Reazione con acetiluri. Reazione con alcoli: formazione di emiacetali e acetali: meccanismo con catalisi acida e basica. Acetali come gruppi protettori. Emiacetali ciclici: carboidrati. Formazione di immine (basi di Schiff) e derivati imminici (ossime, semicarbazoni, idrazoni). Formazione di enammine. Ossidazione di aldeidi e chetoni. Riduzione ad alcoli. Acidità degli idrogeni in a al carbonile. Tautomeria cheto-enolica. Racemizzazione. Condensazione aldolica: meccanismo.

  13. Acidi Carbossilici e derivati. (Lez. 42 – 47) Acidi carbossilici: nomenclatura. Nomi comuni di acidi carbossilici di origine naturale; acidi grassi. Nomenclatura dei derivati degli acidi: alogenuri acilici, anidridi, esteri, lattoni, ammidi, lattami, nitrili. Struttura di acidi e derivati. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche. Sostituzione nucleofila acilica: aspetti meccanicistici. Scala di reattività degli acidi carbossilici e derivati. Acidi carbossilici: formazione di Sali. Acidità; effetto dei sostituenti. Saponi. Esterificazione di Fisher. Formazione di cloruri acilici. Riduzione di con LiAlH₄. Cloruri acilici: idrolisi. Conversione a esteri, anidridi, ammidi. Anidridi: idrolisi. Conversione a esteri e ammidi. Esteri: idrolisi in condizioni acide e basiche. Transesterificazione. Amminolisi. Ammidi: idrolisi acido-catalizzata. Conversione a esteri. Nitrili: idrolisi acida.

Testi di riferimento

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  1. P. Y. BRUICE - Chimica organica - 2a Edizione EdiSES

  2. W.H. BROWN e altri autori - Chimica Organica 5a Edizione EdiSES

  3. Diapositive del corso (vedi: materiale didattico)

  I testi base consigliati includono gli argomenti descritti nel programma sopra riportato con la medesima dizione, chiaramente descritta nell’indice e facilmente accessibile a uno studente universitario di primo anno. In alcuni casi il docente ha ritenuto opportuno introdurre alcuni argomenti con una scansione leggermente diversa da quella prevista dai testi consigliati. Il docente ritiene che collegare i contenuti delle lezioni con il materiale disponibile sui testi consigliati costituisca un utile esercizio per lo studente; tuttavia per eliminare eventuali difficoltà cui dovesse andare incontro anche una minima percentuale degli studenti, il docente rende disponibile su STUDIUM copia delle slides delle lezioni, che di fatto costituiscono anche una guida alla consultazione dei testi.

Programmazione del corso

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  Prova orale.

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2)

  Verrà valutata, nelle prove pratiche di laboratorio, la capacità di gestire e condurre in modo autonomo, seguendo in modo rigoroso le procedure di sicurezza, semplici operazioni di laboratorio chimico coinvolgenti composti organici, così come la capacità di programmare in modo corretto le attività associate.

  Verranno valutate, inoltre, nell'esame orale, la conoscenza degli aspetti teorici delle esperienze di laboratorio, l'applicazione della spettroscopia IR a semplici molecole e la capacità di stilare una reazione scientifica.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  Non ci sono domande più frequenti di altre (se non per evento casuale) in quanto tutti i contenuti trattati a lezione sono considerati egualmente importanti per una adeguata preparazione nella Chimica Organica di base e sono oggetto, a rotazione, di interrogazione all’esame. Si veda anche: argomenti minimi irrinunciabili.