CHIMICA ORGANICA SUPERIORE

Il corso si propone di approfondire la comprensione dei meccanismi di reazione organica, delle interazioni non covalenti, e dei principi della chimica supramolecolare. Lo studente svilupperà competenze avanzate nella previsione della reattività molecolare, nella progettazione di sistemi supramolecolari e nella caratterizzazione cinetica delle reazioni. Verrà inoltre affrontato lo studio della catalisi, sia in ambito organico che enzimatico, con attenzione alle implicazioni energetiche e meccanicistiche.

Descrittori di Dublino:

  Conoscenza e capacità di comprensione (Knowledge and understanding)
Lo studente acquisirà una conoscenza avanzata e approfondita delle reazioni organiche, dei principi della chimica supramolecolare, delle interazioni non covalenti e della cinetica chimica. Sarà in grado di comprendere e interpretare la letteratura scientifica nel campo della chimica organica moderna e dei materiali molecolari.

  Conoscenza e capacità di comprensione applicate (Applying knowledge and understanding)
Lo studente sarà in grado di applicare i concetti teorici alla risoluzione di problemi complessi in ambito chimico, come la progettazione di sistemi supramolecolari, la previsione della reattività molecolare e l’analisi cinetica dei meccanismi di reazione. Sarà inoltre capace di utilizzare tecniche spettroscopiche e calorimetriche per la caratterizzazione di interazioni molecolari.

  Autonomia di giudizio (Making judgements)
Il corso sviluppa la capacità critica dello studente nell’analizzare dati sperimentali, valutare meccanismi alternativi, e interpretare fenomeni complessi legati alla reattività chimica e alla formazione di strutture supramolecolari. Lo studente sarà in grado di formulare ipotesi e proporre strategie sperimentali per testarle.

  Abilità comunicative (Communication skills)
Lo studente sarà in grado di comunicare con chiarezza e padronanza tematiche complesse della chimica organica avanzata, utilizzando la terminologia scientifica corretta, sia in forma scritta (relazioni, articoli) che orale (presentazioni, discussioni scientifiche), anche in contesti interdisciplinari o internazionali.

  Capacità di apprendimento (Learning skills)
Il corso fornisce gli strumenti metodologici per proseguire in autonomia lo studio e l’aggiornamento scientifico, sviluppando le capacità di apprendimento necessarie per affrontare percorsi di ricerca (es. dottorato) o attività professionali in contesti avanzati di innovazione e sviluppo chimico.

Alla fine del corso, lo studente sarà in grado di:

• Analizzare e interpretare meccanismi di reazione organica complessi
• Descrivere e applicare i principi della chimica supramolecolare
• Progettare sistemi molecolari basati su interazioni non covalenti
• Interpretare dati cinetici e termodinamici
• Comprendere il funzionamento e i meccanismi della catalisi enzimatica

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.

Conoscenze di base di:

• Chimica organica (addizioni, eliminazioni, sostituzioni, meccanismi di reazione)
• Chimica fisica (termodinamica e cinetica chimica)
• Spettroscopia di base (UV-Vis, NMR)

Contenuti del corso

1. Forze di legame e riconoscimento molecolare

• Interazioni ioniche, dipolari, a idrogeno, alogeno, e π-π
• Effetto idrofobico e sue implicazioni
• Modelli teorici (es. equazione di Born)
• Concetti di complementarietà e preorganizzazione

2. Chimica supramolecolare

• Principi generali: forze non covalenti, self-assembly
• Recettori sintetici: eteri corona, criptandi, ciclodestrine, carcerandi, calixareni
• Architetture complesse: catenani, rotaxani, pseudorotaxani, capsule
• Metodologie sintetiche covalenti reversibili e non covalenti
• Caratterizzazione in soluzione: NMR (DOSY, ROESY), DLS, GPC
• Applicazioni: materiali per optoelettronica, polimeri supramolecolari, dispositivi fotonici

3. Reattività, cinetica e meccanismi

• Superfici energetiche, coordinate di reazione
• Teoria dello stato di transizione (TST)
• Principi cinetici avanzati: Hammond, Curtin-Hammett, reversibilità microscopica
• Cinetiche complesse e approssimazione dello stato stazionario
• Tecniche sperimentali: fotolisi flash, metodi a flusso, radiolisi a impulsi
• Teoria di Marcus e diagrammi di More O’Ferrall-Jencks

4. Catalisi e catalisi enzimatica

• Tipi di catalisi: acido-base, nucleofila, metallica, intramolecolare
• Catalisi enzimatica: esempi e meccanismi, equazione di Michaelis-Menten
• Inibizione reversibile e irreversibile
• Enzimi artificiali e biomimetici

5. Meccanismi di reazione organica avanzata

• Addizioni elettrofile e nucleofile a doppi legami e carbonili
• Eliminazioni, epossidazione, idratazione
• Previsione della reattività e controllo regio- e stereochimico

• Clayden, Greeves, Warren, Wothers – Organic Chemistry
• Lehn, J.-M. – Supramolecular Chemistry
• Anslyn & Dougherty – Modern Physical Organic Chemistry
• Dispense e articoli forniti dal docente

Esame finale orale.

Per l’attribuzione del voto finale si terrà conto dei seguenti parametri:

Voto 29-30 e lode: lo studente ha una conoscenza approfondita di…, 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…., 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 di…., 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……, 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.

 Interazioni non covalenti e riconoscimento molecolare

• Quali sono le principali forze non covalenti coinvolte nel riconoscimento molecolare? Fornisci esempi.

• Spiega l’effetto idrofobico e come influisce sull’aggregazione di molecole organiche in acqua.

• Confronta le interazioni catione–π e π–π stacking in termini di forza, orientazione e rilevanza biologica.

• Descrivi l’effetto di preorganizzazione e la sua importanza nella progettazione di recettori molecolari.

2. Chimica supramolecolare

• Illustra le differenze strutturali e funzionali tra eteri corona, criptandi e ciclodestrine.

• Spiega il concetto di self-assembly e fornisci un esempio di architettura supramolecolare autoassemblata.

• Come si distinguono un catenano e un rotaxano? Descrivi una strategia sintetica per uno dei due.

• Quali tecniche sperimentali possono essere usate per caratterizzare capsule molecolari in soluzione?

3. Reattività, cinetica e meccanismi

• Cosa rappresenta una superficie energetica? Disegna un diagramma di coordinate di reazione.

• Spiega la teoria dello stato di transizione (TST) e confrontala con l’equazione di Arrhenius.

• Descrivi il principio di Hammond e fornisci un esempio della sua applicazione a un meccanismo di reazione.

• Quali informazioni si ottengono da un diagramma di More O’Ferrall–Jencks?

4. Catalisi e catalisi enzimatica

• Confronta la catalisi acido-base specifica con quella generale.

• Spiega il meccanismo d’azione della carbossipeptidasi A o di un’altra enzima trattato nel corso.

• Come si determina il valore di KM e cosa indica in un sistema enzimatico?

• Descrivi le differenze tra un inibitore competitivo, non competitivo e incompetitivo.

5. Meccanismi di reazione organica

• Descrivi il meccanismo dell’addizione elettrofila di HBr a un alchene.

• Illustra il meccanismo dell’epossidazione di un alchene con m-CPBA.

• Qual è il ruolo degli effetti elettronici nella reattività dei carbonili?

• Prevedi i prodotti principali e la stereochimica di un’addizione nucleofila a un chetone asimmetrico.