CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO M - Z

Obiettivi formativi

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  Conoscenza di base dei composti organici, della loro struttura tridimensionale e dei loro meccanismi di reazione.

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2)

  Il corso fornisce conoscenza delle fondamentali nozioni di sicurezza da adottare in un laboratorio di Chimica Organica. Sono analizzate le fondamentali tecniche e le strumentazioni base della sintesi organica. Sono presentate le comuni tecniche di purificazione dei composti organici e le basilari metodologie di riconoscimento e caratterizzazione di composti organici. I concetti illustrati vengono messi in pratica nel corso delle sessioni di laboratorio. Gli studenti alla fine del corso saranno in grado di realizzare autonomamente la purificazione e la caratterizzazione di un composto organico lavorando in condizioni di sicurezza e di preparare una relazione scientifica.

Prerequisiti richiesti

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  Conoscenza di base della struttura atomica, del legame chimico, equilibrio chimico e concetto di acido e base.

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2)

  Conoscenze di Chimica Generale: legame chimico, acidità e basicità, etc

Frequenza lezioni

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  Obbligatoria

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2)

  La frequenza alle lezioni e alle esercitazioni di laboratorio è obbligatoria

Contenuti del corso

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  1. INTRODUZIONE

  Origine del termine "organico" e significato attuale.

  Le strutture elettroniche degli atomi. Rapprentazioni di Lewis. Il legame chimico. Legame ionico, potenziale di ionizzazione e affinità elettronica. Legame covalente ed elettronegatività. Lunghezza di legame e forza di legame. Carica formale. La teoria della risonanza. Meccanica quantistica: forma degli orbitali atomici s e p. Orbitali ibridi sp, sp2, sp3. Struttura del metano, dell’ammoniaca e dell’acqua. Doppio e triplo legame.

  Principali gruppi funziona­li e relative classi di composti.

  2. ALCANI

  Struttura degli alcani, serie omologhe, isomeria strutturale, nomenclatura corrente. Principi generali della nomenclatura IUPAC e applicazione nel caso degli alcani. Classificazione degli atomi di carbonio e di idrogeno. Conformazioni degli alcani. Proiezioni di Newman. Proprietà fisiche. Forze di dispersione. Fonti naturali e cenni sulla lavorazione del petrolio. Reattività – Con alogeni. Con ossigeno.

  3. CICLOALCANI

  Struttura, nomenclatura e proprietà fisiche. Conformazioni e stabilità relative del ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano, cicloesano. Contributi alla tensione d’anello: distorsione dell’angolo di legame, tensione di eclissamento e interazione diassiale. Idrogeni assiali ed equatoriali nel cicloesano. Conformazioni preferite dei cicloesani sostituiti. Isomeria cis-trans nei cicloalcani.

  4. ACIDI E BASI

  Acidità e basicità: acidi secondo Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis. Definizione del pKa. Reazioni acido-base: posizione dell'equili­brio e forza relativa degli acidi e delle basi.

  5. STEREOCHIMICA

  Isomeri strutturali e stereoisomeri. Chiralità e stereocentri. Enantiomeri. Nomenclatura degli enantiomeri: il sistema R-S. Proiezioni di Fischer. Molecole con più stereocentri: enantiomeri e diastereomeri; forme meso. Proprietà fisi­che degli enantiomeri. Attività ottica: luce polarizzata e polarimetro. Potere rotatorio specifico. Purezza ottica ed eccesso enantiomerico. Metodi di risoluzione di miscele racemiche.

  6. ALCHENI

  Struttura del doppio legame. Nomenclatura. Isomeria. Nomenclatura cis-trans e Z-E. Proprietà fisiche. Reattività – Concetti generali sui meccanismi di reazione. Addizioni elettrofile: addizione di acidi alogenidrici e regioselettività (stabilità relativa dei carbocationi e regola di Markovnikov); addizione di acqua (idratazione acido-catalizzata. Riarrangiamento dei carbocationi. Addizione di bromo e cloro in solvente non nucleofilo e nucleofilo e stereoselettività; idroborazione-ossidazione. Reazioni di ossidazione: con permanganato di potassio; con tetrossido di osmio e perossido di idrogeno; con ozono; con peracidi. Idrogenazione catalitica, calori di idrogenazione e stabilità relativa degli alcheni.

  Preparazioni - Deidroalogenazione degli alogenuri alchilici (Þalogenuri alchilici). Disidratazione degli alcoli (Þalcoli). Idrogenazione chimica e catalitica di un alchino (Þalchini). Reazione di Wittig (Þcomposti carbonilici).

  7. DIENI

  Classificazione. Struttura dei dieni coniugati secondo la teoria del legame di valenza. Stabilità relativa delle forme limiti e loro contributo all'ibrido di risonanza. Energia di risonan­za. Addizione elettrofila ai dieni coniugati: addizioni -1,2 e -1,4. Controllo termodinamico e cinetico dell'addizione ai sistemi coniugati.

   

  8. ALCHINI

  Struttura del triplo legame. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Reattività – Acidità: acetiluri. Idrogena­zione catalitica e chimica. Idroborazione e tautomeria cheto-enolica. Addizione di alogeni. Addizione di acidi alogenidrici. Addizione di acqua al triplo legame. Preparazioni - Otteni­mento dell'acetile­ne dal carburo di calcio e dalla pirolisi del metano. Deidroalogenazione dei dialogenuri vicinali. Reazione di acetiluri con alogenuri alchilici.

  9. ALOGENURI ALCHILICI

  Struttura e nomenclatura. Proprietà fisiche. Preparazioni - Alogenazio­ne degli alcani: meccanismo dell’alogenazione radicalica; scissione omolitica dei legami. stabilità relativa e struttura dei radicali alchilici primari, secondari e terziari. Reattività relativa degli alogeni nelle reazioni di alogenazione. Clorurazione degli alcani superiori: reattività relative degli idrogeni primari, secondari, terziari e stabi­lità relative dei rispettivi radicali. Reazioni regioselettive (postulato di Hammond); stereochimica dell’alogenazione radicalica. Addizione di acidi alogenidrici agli alcheni e agli alchini (Þalcheni e alchini); addizione di alogeni agli alcheni (Þalcheni); alogenazione degli alcoli con reattivi alogenanti e con HX (Þalcoli).

  Reattività – Meccanismo, cinetica e stereochimica della sosti­tuzione nucleofi­la alifatica SN2 (Sostituzione Nucleofila Bimolecolare) ed SN1 (Sostituzione Nucleofila Monomole­colare). Fattori che influenzano il meccanismo SN1 ed SN2. b- eliminazione: meccanismo E2 ed E1. Fattori che influenzano il meccanismo E1 ed E1. Competizione fra sostituzione ed eliminazione. Raffronto tra le SN1 e le SN2, le E1 ed E2.

  10. ALCOLI

  Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche: il legame idro­geno. Reattività - Acidità e basicità degli alcoli. Reazioni con metalli attivi. Formazione di alogenuri alchilici: reazione con acidi alogenidrici e saggio di Lucas; reazioni con cloruro di tosile, SOCl2, PX3, PX5. Disidratazione ad alcheni e regola di Zaitsev. Il riarrangiamento pinacolico. Ossidazione di alcoli primari e secondari con bicromato e con piridinio clorocromato. Ossidazione dei glicoli con acido periodico. Formazione di esteri organici (Þacidi carbossilici).

  Preparazioni- Addizione di H2O agli alcheni (Þalcheni); ossimercuriazione-riduzione degli alcheni (Þalcheni); idroborazione-ossi­dazione (Þalcheni); idrolisi di aloge­nuri alchilici (Þalogenuri alchilici); addizione di organo-metallici alle aldeidi e ai chetoni (Þcomposti carbonilici); riduzione dei composti carbonilici (Þcomposti carbonilici); riduzione di acidi carbossilici ed esteri (Þacidi carbossilici e derivati funzionali degli acidi carbossilici).

  11. ETERI ED EPOSSIDI

  Struttura e nomenclatura degli eteri. Proprietà fisiche. Preparazioni- Sintesi di Williamson. Disidrata­zione degli alcoli. Addizione di alcoli agli alcheni. Reattività - Scissione con acidi; formazione di idroperossidi.

  Struttura e nomenclatura degli epossidi. Preparazioni- Ossidazione degli alcheni con perossiacidi; sostituzione nucleofila interna nelle aloidrine. Reattività – Scissione acida e basica.

  12. ALDEIDI E CHETONI

  Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Reattività- Addizione di nucleofili al carbonio: addizione di reattivi di Gri­gnard; addizione di alchini; addizione di HCN; reazione di Wittig. Addizione di nucleofili ossigenati: addizione di acqua; addizione di alcoli (semiacetali e acetali). Addizione di nucleofili azotati: reazioni con derivati dell'ammoniaca (ammine, idrossilammina, idrazina, fenilidrazina, semicarbazide). Tautomeria cheto-enolica. Reazioni al carbonio a: alogenazione in alfa e reazione alofor­mica; la condensazione aldolica. Reazio­ni di ossidazione delle aldeidi: saggi di Tollens e di Fehling; ossidazione spontanea in presenza di ossigeno. Ossidazione dei chetoni. Riduzione ad alcoli con NaBH4 e con LiAlH4 e con idrogeno in presenza di catalizzatori; riduzione ad idrocarburi in ambiente acido e basico. Preparazioni- Ossidazione di alcoli secondari (Þalcoli); ossidazione di alcoli primari con clorocromato di piridinio (Þalcoli); ossidazione di glicoli con acido periodico (Þalcoli); idratazio­ne degli alchini (Þalchini); idroborazione-ossidazione degli alchini (Þalchini); riduzione dei derivati degli aci­di (Þderivati degli acidi).

   

  13. ACIDI CARBOSSILICI

  Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Acidità; effetto dei sosti­tuenti sull'acidità in acidi alifatici; formazione di sali; saponi. Reattività- Esterificazione; reazione con diazometa­no; trasformazione in alogenuri acilici; formazione di ammidi; riduzione con idruro di litio e alluminio. Reazioni sulla catena laterale per gli acidi alifatici. Alogenazione in : rea­zione di Hell, Vholard, Zelinsky. Preparazioni: ossidazione di alcoli primari e di aldeidi (Þalcoli); ossidazione di metilchetoni con la reazione aloformica (Þaldeidi); carbonatazione dei reat­tivi di Grignard; idrolisi dei nitrili.

  14. DERIVATI FUNZIONALI DEGLI ACIDI CARBOSSILICI

  Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Reattività- La sostituzione nucleofila acilica: mecca­nismo di addi­zione-eliminazione; sostituzione acilica cata­lizzata da acidi. Con­fronto della sostituzione acilica con quella alchilica. Reazione con acqua (idrolisi). Reazione con alcoli.

  15. AMMINE ALIFATICHE

  Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Reattività- Basicità; eliminazione di Hofmann; Eliminazione di Cope; trasposizione di Beckmann; reazioni con acido nitroso.

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2)

  IL LABORATORIO:

  Norme di comportamento e dispositivi di sicurezza nel laboratorio di chimica organica.

  Incidenti e pronto soccorso. Vetreria di laboratorio.

   

  TECNICHE GENERALI DI PURIFICAZIONE DEI COMPOSTI ORGANICI:

  Filtrazione. Cristallizzazione. Essiccamento. Sublimazione. Distillazione (a pressione atmosferica, ridotta, frazionata e in corrente di vapore). Estrazione con solvente e coefficiente di ripartizione.

   

  DETERMINAZIONE DELLE COSTANTI FISICHE:

  Punto di ebollizione. Punto di fusione.

   

  CROMATOGRAFIA:

  di adsorbimento: su colonna e su strato sottile.

   

  ESERCITAZIONI IN LABORATORIO

  Purificazione di un composto organico mediante cristallizzazione

  Distillazione semplice (separazioni di due liquidi e determinazione del punto di ebollizione)

  Determinazione del punto di fusione

  Estrazione con solventi (separazione di sostanze organiche)

  Preparazione del sapone

  Sintesi dell’aspirina

  Estrazione dei pigmenti dalle foglie di spinaci

  Estrazione della caffeina dalle foglie di te

  Utilizzo del polarimetro

Testi di riferimento

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)
  1. W. H. Brown, C. S. Foote, B. L. Iverson. Chimica Organica, (EdiSES)
  2. Streitwieser, C. H. Heathcock, E. M. Kosower, Chimica Orga­nica (EdiSES);
  3. Seyhan Ege, Chimica Organica, (Sorbona);
  4. P. Vollhardt, Chimica Organica, (Zanichelli);
  5. J. McMurry, Chimica Organica (Piccin)
  6. B. Botta, Chimica Organica (edi-ermes)
• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2)

  1. D. L. Pavia, G. M. Lampman, G. S. Kriz. Il laboratorio di Chimica Organica. Ed. Sorbona

  2. M. D’Ischia. La Chimica Organica in Laboratorio. Ed. Piccin

  3. R. M. Roberts, J. C. Gilbert, S.F. Martin. Chimica Organica Sperimentale.Zanichelli

  4. K. L. Williamson, K. M. Masters. Macroscale and Miscoscale Organic Experiments. Ed. K. Williamson, Houghton Mifflin

Programmazione del corso

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  prova orale integrata con il modulo 2

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2)

  Esame orale integrato al Modulo 1

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)

  Le domande di esame vertono su tutti gli argomenti trattati nelle lezioni

• CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2)

  Distillazione: Teoria della distillazione; Veteria utilizzata per assemblare l'apparato di distillazione; differenze tra i diversi tipi di distillazione

  Estrazione con solventi: teoria, vetreria utilizzata, esempi di applicazione

  Caratteristiche dei solventi: solventi protici, aprotici, polari, apolari

  Work-up di una reazione chimica

  etc.