CHIMICA ORGANICA

Obiettivi Formativi

Il corso di Chimica Organica si propone di fornire agli studenti:

Conoscenze teoriche

1. La comprensione dei concetti fondamentali della chimica organica:

• Struttura e legame nelle molecole organiche.
• Polarità, risonanza e reattività delle principali classi di composti organici.
• Principi di stereochimica e isomeria.

Competenze pratiche

4. La capacità di applicare le nozioni teoriche per risolvere problemi ed esercizi relativi a:

• Configurazioni stereochimiche (E/Z, R/S).
• Analisi dei meccanismi di reazione e previsione dei prodotti di reazioni di base.
• Confronto tra metodi tradizionali e sostenibili nelle sintesi organiche.

Competenze trasversali

6. Lo sviluppo di un approccio critico verso l’uso di solventi, reagenti e catalizzatori, con attenzione all’impatto ambientale e alla sicurezza.
7. La capacità di interpretare dati sperimentali relativi a esercitazioni pratiche, correlando teoria e pratica.

Risultati attesi

  Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:

• Descrivere la struttura e reattività delle molecole organiche.
• Analizzare meccanismi di reazione, prevedendo prodotti e intermedi.
• Proporre strategie per ridurre l’impatto ambientale delle reazioni chimiche.
• Risolvere problemi complessi legati alla chimica organica e applicare metodologie sostenibili nelle sintesi. 

In riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, i risultati di apprendimento del corso sono:

 D1 - Conoscenza e capacità di comprensione - Lo studente dovrà mostrare il possesso della padronanza delle conoscenze di base relative alla chimica organica. Lo studente dovrà razionalizzare le correlazioni proprietà-struttura; in particolare dovrà saper riconoscere i gruppi funzionali delle molecole organiche, le principali loro proprietà fisiche e comprendere il loro comportamento chimico.

D2 - Capacità di applicare conoscenza e comprensione - Lo studente dovrà essere capace di applicare in modo appropriato e flessibile le conoscenze acquisite al fine di elaborare, adottando la simbologia chimica, le reazioni di sintesi di molecole organiche relativamente complesse.

D3 - Autonomia di giudizio - Lo studente dovrà dimostrare capacità di ragionamento critico e, attraverso le conoscenze acquisite durante il corso, dovrà in modo schematico ed appropriato individuare le soluzioni più adeguate per la sintesi di molecole organiche.

D4 - Abilità comunicative- Lo studente dovrà essere in grado di comunicare chiaramente e con un linguaggio chimico adeguato e rigoroso le nozioni acquisite durante il corso.

D5 - Capacità di apprendimento- Lo studente dovrà dimostrare di aver sviluppato buone capacità di apprendimento ed approfondimento dei temi del corso per affrontare agevolmente i successivi percorsi di studio.

 Queste abilità, per quanto possibile, verranno stimolate dal docente proponendo approfondimenti e svolgendo esercizi in aula durante il corso.

 Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

Il Corso è tenuto in co-docenza dai proff. Vincenzo Cunsolo e Rosaria Saletti.

In particolare, l'insegnamento consiste di 42 ore di lezioni frontali in aula (6 CFU), per le quali il docente si avvale di slides che saranno rese disponibili agli studenti tramite la piattarforma STUDIUM.
Inoltre, durante il corso, alcune lezioni, corrispondenti a 45 ore (3 CFU), saranno dedicate allo svolgimento di esercizi in aula riguardanti gli argomenti trattati a lezione.

Orario di Ricevimento: tutte le mattine.  A causa della possibile sovrapposizione con impegni istituzionali e non, si consiglia sempre di inviare una mail di preavviso.

Introduzione alla chimica del carbonio. Richiami sugli orbitali atomici. Configurazione elettronica degli atomi. Rappresentazioni di Lewis. La regola dell’ottetto. Il legame chimico. Legami covalenti e la scala di elettronegatività di Pauling. Teoria della risonanza. Il legame chimico secondo la meccanica quantistica: legami σ e π. Orbitali ibridi sp3, sp2, sp. Classificazione dei composti organici e gruppi funzionali. Rappresentazione delle molecole sul piano e nello spazio. I modellini molecolari. Reazioni acido-base. 

 Introduzione ai composti organici: Nomenclatura, proprietà chimiche-fisiche e struttura.

Alcani. Nomenclatura IUPAC degli alcani. Isomeria costituzionale e isomeria conformazionale.

Nomenclatura IUPAC di altri composti contenenti carboni ibridati sp3: alogenuri alchilici, alcoli e ammine. Interazioni non covalenti intermolecolari. Cicloalcani. Tensione di anello e isomeria geometrica cis-trans dei cicloalcani. Confronto fra struttura dei cicloalcani e quella dei monosaccaridi.  Reazione di combustione.

Stereoisomeria. La chiralità. Carbonio asimmetrico. Stereocentri. Enantiomeria. Attività ottica. Polarimetro. Configurazione relativa e configurazione assoluta. Gli stereodescrittori R ed S: regole di priorità di Cahn, Ingold e Prelog. Metodi di rappresentazione tridimensionale delle molecole: proiezioni di Fisher. Stereoisomeri con due o più atomi C asimmetrici. Diasteroisomeri e composti meso. Importanza biologica della chiralità. Cosa significa la risoluzione di una miscela racemica.

 Alcheni. Struttura e nomenclatura. Isomeria geometrica negli alcheni e cicloalcheni: nomenclatura cis-trans ed E-Z. Proprietà fisiche. Gli alcheni in natura. Gli alcheni in ambito industriale. Cenni su dieni, trieni e polieni. Reattività del doppio legame carbonio-carbonio. La reazione di addizione elettrofila negli alcheni (Acidi alogenidrici, Acqua, Alogeni): meccanismo, carbocationi, regioselettività e regola di Markovnikov. Reazioni di ossidazione e Riduzione. Addizione di borano agli alcheni: idroborazione-ossidazione. Addizione di ozono agli alcheni: l’ozonolisi. Sintesi industriale dell’etilene.

 Alchini. Struttura e Nomenclatura. Reattività del triplo legame carbonio-carbonio. La reazione di addizione elettrofila negli alchini (Acidi alogenidrici, Acqua, Alogeni). Acidità degli alchini terminali: gli acetiluri. Reazioni di riduzione.

 Alogenuri alchilici.  Reazioni degli alogenuri alchilici. La sostituzione nucleofila alifatica: i meccanismi SN1 e SN2. Fattori che influenzano il meccanismo di reazione: substrato, gruppo uscente, solvente e nucleofilo. La reazione di β-eliminazione: i meccanismi E1 ed E2. Fattori che influenzano i meccanismi E1 ed E2. Stereochimica delle reazioni di sostituzione ed eliminazione. Competizione tra le reazioni di sostituzione ed eliminazione.

I radicali

Formazione, natura, stabilità e struttura dei radicali. Clorurazione e bromurazione degli alcani. Principio di reattività-selettività. Addizione di radicali agli alcheni. Cenni sulle polimerizzazioni radicaliche in ambito industriale con metodi tradizionali e green.

Reazioni di alcoli, eteri, epossidi, ammine e composti contenenti zolfo.  Struttura, nomenclatura e proprietà di eteri, epossidi e composti contenenti zolfo. Cenni su dioli e glicoli. Reattività del gruppo alcolico: Formazione di sali, acidità e basicità. Reazione con metalli, reazioni con acidi alogenidrici (SN2 e SN1), reazione con SOCl2 e PBr3 e disidratazione acido-catalizzata (E1 ed E2). Regioselettività e stereoselettività. Ossidazione degli alcoli primari e secondari con approcci classici e green (ossidazione di Swern e di Dess-Martin). Cenni su reattività: dioli, glicoli, eteri, epossidi, tioli e solfuri. Reattività delle ammine: Basicità, nucleofilia, reazione di eliminazione. Ammine. Struttura e nomenclatura. Proprietà fisiche. Basicità. Reattività. Reazioni delle ammine con acido nitroso. Reazioni dei sali di diazonio. Diazocopulazione. Coloranti azoici. Confronto con coloranti sostenibili di origine naturale. Eliminazione di Hofmann. Eliminazione di Cope.

Composti Carbonilici e Carbossilici

Aldeidi e chetoni. Struttura. Nomenclatura.  Caratteristiche chimico-fisiche del gruppo carbonilico. Reattività. Reazioni di addizione nucleofila: addizione di alcoli, di acqua, di HCN. Addizione di ammine primarie: formazione di basi di Schiff. Ossidazione. Riduzione dei composti carbonilici. Tautomeria cheto-enolica e acidità degli idrogeni in alfa al carbonile: principi della condensazione aldolica. Il gruppo carbonilico in natura: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Le aldeidi nell’industria dei profumi.

Acidi carbossilici. Struttura e nomenclatura. Proprietà fisiche.  Acidità. Reazioni degli acidi carbossilici: Riduzione, Decarbossilazione. Esterificazione di Fischer. Reazione con cloruro di tionile. Sintesi industriale dell’acido acetico. Derivati funzionali degli acidi carbossilici. Alogenuri acilici, esteri, anidridi, ammidi, nitrili: struttura e nomenclatura. Reattività. Reazione di sostituzione nucleofila acilica. Reazioni di idrolisi dei derivati degli acidi carbossilici. Reazioni di riduzione. Acidi carbossilici e derivati in natura (Acidi grassi, trigliceridi, amminoacidi e proteine). I derivati degli acidi carbossilici in ambito industriale.

Fondamenti della Chimica Sostenibile

Introduzione alla chimica verde: 12 principi della chimica verde.

Valutazione dell’impatto ambientale nelle principali reazioni di chimica organica.

Esempi di usi industriali della chimica verde. 

Esercitazioni (esempi)

1. Nomenclatura
• Assegnazione del nome di un composto organico in base alla struttura data e viceversa.

2. Stereochimica ed Isomeria
• Risoluzione di esercizi su configurazioni E/Z e R/S.
• Conformazioni dei cicloalcani: analisi energetica.

3. Reazioni e Meccanismi di Base
• Problemi su meccanismi di reazione.
• Analisi di reattività: influenza di solventi, basi, acidi, nucleofili, elettrofli e gruppi uscenti.

4. Approcci Green nei Problemi Pratici
• Calcolo dell’atomo economia per reazioni organiche comuni.
• Esercizi su green metrics (E-factor).
• Progettazione di sintesi semplici con metodi sostenibili.

1) W.H. Brown – B.L. Iverson – E.V. Anslyn – C.S. Foote - “Chimica Organica” - EdiSES

2) P.Y. Bruice - “Chimica Organica” - EdiSES

3) W.H. Brown – B.L. Iverson – S.A. Iverson - “Guida alla soluzione dei problemi di Chimica Organica” - EdiSES

4) Materiale fornito dai docenti.

L’esame di fine corso consiste in una prova scritta e una prova orale. La prova scritta, di norma della durata di 2 ore, consiste nello svolgimento di esercizi e domande sugli argomenti trattati a lezione. A titolo esemplificativo esercizi e domande relative alla nomenclatura dei composti organici, sui concetti di base, sulla reattività delle varie classi di composti organici, sulla stereochimica.  La prova orale (che si svolge generalmente alcuni giorni dopo la prova scritta, e comunque sempre all’interno dello stesso appello) consiste nella discussione della prova scritta ed è mirata alla verifica delle conoscenze e abilità acquisite da parte dello studente, alle sue capacità di collegare i vari argomenti trattati con le problematiche attuali e alle sue capacità di utilizzare un linguaggio appropriato nell’esporre gli argomenti proposti.

La valutazione viene espressa al termine delle due prove. Il superamento della prova scritta (idoneità) consente l’accesso alla prova orale la quale, se valutata positivamente, darà luogo al voto finale dell’esame. Per l’attribuzione del voto finale si terrà conto dei seguenti parametri: 

Voto 29-30 e lode: lo studente ha una conoscenza approfondita di tutti gli argomenti trattati a lezione, riesce prontamente e correttamente a integrare e analizzare criticamente le situazioni presentate, risolvendo autonomamente problemi anche di elevata complessità; ha ottime capacità comunicative e proprietà di linguaggio.  

Voto 26-28: lo studente ha una buona conoscenza di tutti gli argomenti trattati a lezione, riesce a integrare e analizzare in modo critico e lineare le situazioni presentate, riesce a risolvere in modo abbastanza autonomo problemi complessi ed espone gli argomenti in modo chiaro utilizzando un linguaggio appropriato;  

Voto 22-25: lo studente ha una discreta conoscenza dei concetti base della chimica organica, anche se limitata agli argomenti principali; riesce a integrare e analizzare in modo critico ma non sempre lineare le situazioni presentate ed espone gli argomenti in modo abbastanza chiaro con una discreta proprietà di linguaggio;  

Voto 18-21: lo studente ha la minima conoscenza di tutti gli argomenti trattati a lezione, ha una modesta capacità di integrare e analizzare in modo critico le situazioni presentate ed espone gli argomenti in modo sufficientemente chiaro sebbene la proprietà di linguaggio sia poco sviluppata;  

Esame non superato: lo studente non possiede la conoscenza minima richiesta dei contenuti principali dell’insegnamento. La capacità di utilizzare il linguaggio specifico è scarsissima o nulla e non è in grado di applicare autonomamente le conoscenze acquisite.

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