CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO M - Z

Learning Objectives

• Organic Chemistry I

  Basic knowledge of organic compounds, of their three-dimensional structure abd of their reaction mechanisms

• LABORATORY OF ORGANIC CHEMISTRY I

  The course aims to provide students with the fundamental safety concepts to be adopted in an Organic Chemistry laboratory and to provide basic knowledge of the theoretical and practical aspects of the main laboratory techniques of Organic Chemistry.

   

  The course aims to provide the knowledge of the standard purification techniques of organic compounds and the primary methodologies for their recognition and their characterization.

   

  The concepts illustrated during the lectures will become practice during the laboratory sessions.

   

  At the end of the course, the student will be able to independently carry out the purification and characterization of an organic compound by working in safe conditions and preparing a scientific report.

   

   

   

  Concerning the so-called Dublin Descriptors, the learning outcomes of the course are:

   

  D1 - Knowledge and understanding: students will acquire knowledge of both the equipment of the Organic Chemistry laboratory and both standard laboratory procedures for the preparation and purification of organic compounds. Furthermore, they will get complete knowledge of the concepts of safety and danger to the environment and health.

  D2 - Ability to apply knowledge and understanding: students will be able to responsibly manipulate organic compounds, knowing and strictly adhering to safety regulations. They will be able to assemble and use the main equipment in an organic chemistry laboratory to purify and characterize an organic compound.

  At the end of the course, they will be able to record and document the experimental activities reliably and systematically in the laboratory notebook.

  D3 - Independent judgment: students will be able to design and conduct their experiments independently. At the end of the course, they will know how to interpret the collected data in a coherent, critical and correct way, correlating them to the appropriate theories; besides they will know how to formulate hypotheses and discard the incorrect ones.

  D4 - Communication skills: Student will acquire the ability to communicate in written and oral form through the use of an appropriate language, experimental data, information, problems encountered and possible solutions.

  D5 - Learning skills: students will be able to apply a standard technique used in organic chemistry laboratories autonomously, showing the ability to deal with a problem by applying the skills acquired during the course. Finally, they will have to show that they have developed good learning and in-depth skills to deal efficiently with subsequent chemistry lab courses.

Course Structure

• Organic Chemistry I

  Frontal lessons supplemented by classroom exercises

• LABORATORY OF ORGANIC CHEMISTRY I

  The course consists of 6 credits corresponding to 72 hours divided between hours of theoretical lessons and hours of laboratory exercises. The hours of theoretical lessons are preliminary to the development of laboratory exercises. The student will be engaged in laboratory exercises lasting 4 hours each.

Detailed Course Content

• Organic Chemistry I

  . 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.

• LABORATORY OF ORGANIC CHEMISTRY I

  Introduction to the organic chemistry laboratory: safety regulations; Laboratory equipment: risks and use; Use of laboratory solvents.

  Heating and cooling techniques

  Melting Points and Boiling Points

  Purification of solids and purity criteria: filtration; crystallization; drying; sublimation; distillation

  Extraction techniques of organic compounds

  Basic and acid substances extraction

  Chromatographic separations (thin layer chromatography and column chromatography).

  Laboratory experiences:

  1. Purification of an organic compound through recrystallisation;
  2. Distillation
  3. Separation of organic products throughout solvent extraction;
  4. Caffeine extraction from tea leaves;
  5. Thin-layer chromatography;
  6. Soap preparation;
  7. Pigment extractions from spinach leaves and chromatographic separation;
  8. Aspirin synthesis;
  9. Polarimeter experiment

Textbook Information

• Organic Chemistry I
  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)
• LABORATORY OF ORGANIC CHEMISTRY I
  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