CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO

Anno accademico 2015/2016 - 1° anno
Docenti Crediti: 12
SSD: CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA
Organizzazione didattica: 300 ore d'impegno totale, 252 di studio individuale, 48 di lezione frontale
Semestre:

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)

    Modulo 1 dell’insegnamento ‘Chimica organica I e Laboratorio’ (6 CFU)

    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 osssidazione 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 anit-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. Addizione di perossiacidi. Idroborazione-ossidazione. Ossidazione a glicoli. 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 alogenzione 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 SN2. Meccanismo della SN2. Reazioni di secondo ordine. Ingombro sterico e ordine di reattività degli alogenuri nella SN2. Inversione della configurazione. Fattori che influenzano le reazioni SN2: gruppo uscente, nucleofilo, solvente. Solventi protici e aprotici. Sostituzione nucleofila bimolecolare SN1. Meccanismo della SN1. Reazioni di primo ordine. Stabilità dei carbocationi e ordine di reattività nella SN1. Alogenuri allilici. Racemizzazione. Fattori che influenzano le reazioni SN1. Confronto fra SN2 e SN1. 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 (SN2 e SN1). 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 (SN2 e SN1). Epossidi (ossirani): nomenclatura e struttura. Reazioni di apertura dell’anello.

    11. Composti solforati e ammine alifatiche. (Lez. 33 – 36) 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 (SN2). Eliminazione di Hoffmann. Meccanismo: regioselettività. Formazione di immine (vedi aldeidi e chetoni). Formazione di ammidi (vedi acidi carbossilici e derivati).

    12. Aldeidi e chetoni. (Lez. 37 – 42) 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 ad acidi. Ossidazione di Bayer-Williger dei chetoni. Riduzione ad alcoli. Riduzione di Wolff-Kishner. Acidità degli idrogeni in a al carbonile. Tautomeria cheto-enolica. Racemizzazione. Addizione nucleofila coniugata: meccanismo. Condensazione aldolica: meccanismo.

    13. Acidi Carbossilici e derivati. (Lez. 43 – 48) 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

CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 1)
 *ArgomentiRiferimenti testi
1 Introduzione3: prima parte 
2*Struttura delle molecole1,2: capitoli introduttivi; 3: seconda parte 
3*Le reazioni in chimica organica1,2: capitolo 'Alcani'; 3: seconda parte 
4*Alcani1,2: consultare l'indice; 3: terza parte 
5*Alcheni1,2: consultare l'indice; 3: quarta parte 
6*Dieni 1,2: consultare l'indice; 3: quinta parte 
7*Alchini1,2: consultare l'indice; 3: quinta parte 
8*Stereochimica1,2: consultare l'indice; 3: sesta parte 
9*Alogenuri Alchilici1,2: consultare l'indice; 3: settima parte 
10*Alcoli ed eteri1,2: consultare l'indice; 3: ottava parte 
11*Composti solforati e ammine alifatiche1,2: capitoli introduttivi; 3: ottava parte 
12*Aldeidi e chetoni1,2: capitoli introduttivi; 3: nona parte 
13 Gli argomenti minimi irrinunciabili per il superamento dell’esame sono quelli trattati nelle diapositive del corso, disponibili su STUDIUM 
* Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame.

N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame.

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.