Per un proficuo apprendimento della didattica erogata è utile possedere le seguenti conoscenze di base:

- Chimica generale ed inorganica: struttura dell’atomo, protoni, neutroni ed elettroni, elettrostatica elementare, orbitali atomici, orbitali ibridi, configurazioni elettroniche, elettronegatività, andamento dell’elettronegatività nella tavola periodica, legami ionici e legami covalenti. Struttura e rappresentazione delle molecole (formule di Lewis), concetto di equilibrio chimico e costante di equilibrio, costanti di acidità (Ka e pKa), scala logaritmica dell’acidità (pH), acidi e basi, reazioni di ossido-riduzione.

- Matematica: logaritmi e scale logaritmiche.

- Fisica: temperatura, energia, calore, energia cinetica.

Il corso ha l’obiettivo di fornire agli studenti una solida conoscenza di base della chimica organica attraverso lo studio della struttura, delle proprietà chimico-fisiche e delle principali reazioni chimiche che coinvolgono le molecole organiche.

In particolare, il corso mira a fornire solide basi teoriche e pratiche attraverso l’esplorazione dei seguenti concetti: (1) orbitali, legami, strutture molecolari e relazioni struttura-proprietà; (2) stereochimica; (3) acidità secondo Bronsted-Lowry e secondo Lewis; (4) linguaggi e formalismi (nomenclatura, terminologia, rappresentazioni molecolari, formalismo delle frecce curve, termodinamica e cinetica); (4) gruppi funzionali e loro interconversione, classificazione delle reazioni; (5) attrezzatura di laboratorio e manipolazione dei comuni solventi; (6) principi e applicazioni delle tecniche di separazione (cristallizzazione, distillazione, estrazione, cromatografia); (7) riconoscimento dei gruppi funzionali.

L’obiettivo del corso è che lo studente sappia applicare, a casi pratici e ad esempi concreti, le conoscenze di base della chimica organica. Lo studente, attraverso lo studio della struttura, delle proprietà chimico-fisiche e della reattività delle molecole organiche più comuni, svilupperà adeguate competenze per affrontare le problematiche di tipo chimico inerenti sistemi più complessi.

Conoscenze e comprensione

Il percorso formativo del modulo è strutturato in modo tale che lo studente acquisisca, in riferimento ai composti organici più comuni, le seguenti conoscenze:

- Nomenclatura IUPAC;

- Proprietà stereo-elettroniche;

- Trasformazioni organiche;

- Meccanismi di reazione.

Capacità di applicare conoscenze e comprensione

Sulla base delle conoscenze acquisite in modo razionale (non mnemonico), lo studente sarà in grado di:

- riconoscere le molecole organiche in base ai gruppi funzionali presenti;

- comporre il nome IUPAC delle molecole organiche;

- rappresentare, con gli opportuni strumenti grafici, le molecole organiche;

- riconoscere le varie tipologie di trasformazioni delle molecole organiche ed i relativi meccanismi.

Autonomia di giudizio

Dato un processo chimico, caratteristico delle sostanze organiche, lo studente sarà in grado di valutare autonomamente quali parametri del sistema considerare rilevanti ai fini dell’interpretazione del fenomeno. Obiettivo del corso è anche quello di fornire allo studente le conoscenze necessarie per predire la reattività e le proprietà chimico-fisiche delle molecole organiche sulla base della loro natura stereo-elettronica.

Abilità comunicative

Lo studente sarà in grado di esporre con chiarezza i fenomeni chimici basilari attinenti ai composti organici e alle problematiche inerenti alla tematica della sostenibilità. Egli adotterà un linguaggio scientificamente rigoroso e utilizzerà le opportune rappresentazioni grafiche proprie della materia e del metodo scientifico in generale.

Capacità di apprendimento

Sulla base delle conoscenze acquisite durante il corso, lo studente svilupperà nuove capacità di apprendimento ed approfondimento dei temi propri della chimica organica, e svilupperà adeguate competenze per affrontare le questioni inerenti alla tematica della sostenibilità

Lezioni frontali, alla lavagna e con l’ausilio di supporti multimediali, ed esercitazioni in aula/lab basate su una continua interazione docente/studente.

Il conseguimento dei crediti attribuiti al corso è mediante una prova scritta seguita da una prova orale, con votazione in trentesimi ed eventuale lode.

Tali prove mirano all'accertamento delle conoscenze, abilità e competenze acquisite, relative alla nomenclatura dei composti organici, stereochimica, proprietà acido-base dei composti organici, ai meccanismi delle reazioni organiche più comuni e alla risoluzione di semplici problemi di sintesi organica.

Gli elementi di valutazione che concorrono all’attribuzione del voto sono: ✓ la conoscenza e la capacità di comprensione (25%), ✓ la capacità di applicare le conoscenze (30%), ✓ l’autonomia di giudizio, ovvero la capacità di senso critico e formulazione di ipotesi e soluzioni (30%), ✓ la capacità di comunicazione (15%).

Introduzione alla Chimica Organica: cenni sulla storia della chimica organica, struttura atomica, cationi ed anioni, elettroni e configurazione elettronica, orbitali atomici e numeri quantici. Struttura di Lewis per l’atomo; modello di Lewis del legame chimico: la regola dell’ottetto; legame covalente (polare, apolare e dativo) e legame ionico; elettronegatività e legami chimici. Strutture di Lewis per le molecole; carica formale. Modello VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) e geometria molecolare.  Polarità di legami; momento dipolare e polarità di una molecola. Strutture di risonanza; strutture limite equivalenti e non equivalenti. Richiami sulle teorie del legame chimico: Valence Bond e Molecular Orbital. Ibridazione degli orbitali all’atomo di carbonio. Rassegna delle strutture dei principali gruppi funzionali delle molecole organiche con C, O, N.

Acidi e basi secondo Arrhenius e Brønsted-Lowry e Lewis. Carbocationi, carbanioni. Costante di dissociazione acida, Ka, e forza di un acido, valori tipici di pKa dei principali acidi organici; effetti strutturali sulla acidità dei composti organici (elettronegatività, ibridazione, dimensione, effetto di risonanza, effetto dei sostituenti).

Alcani: nomenclatura IUPAC e tradizionale. Alcani lineari e ramificati. I sostituenti alchilici. Isomeria costituzionale e conformazionale. Proiezioni di Newman. Tensione sterica. Angolo diedro. I cicloalcani: nomenclatura; struttura ed isomeria conformazionale nei cicloalcani. Tensione angolare e tensione di torsione. Cicloesano a sedia e a barca. Cicloesano monosostituito e stabilità della conformazione a sedia, isomeria geometrica nei cicloalcani. Proprietà fisiche di alcani e cicloalcani (punto di ebollizione, punto di fusione, densità, solubilità). Proprietà fisiche ed interazoioni non covalenti nelle molecole organiche (forze di London, interazioni dipolo-dipolo, legame ad idrogeno). Fonti degli alcani: gas naturale e petrolio.  Reattività degli alcani: reazione di combustione.

Gli isomeri: isomeri costituzionali e stereoisomeri. Isomeri geometrici: isomeri cis-trans e nomenclatura E-Z. Isomeria ottica: chiralità ed elementi di simmetria. Centri di asimmetria e stereocentri.  Rappresentazione degli enantiomeri di molecole con un centro di asimmetria (formule prospettiche e proiezioni di Fisher), configurazione assoluta di un centro asimmetrico. Attività ottica, polarimetro, luce polarizzata e rotazione specifica. Miscele racemiche. Eccesso enantiomerico. Molecole con più centri di asimmetria. Enantiomeri, diastereoisomeri, composti meso. Enantiomeri eritro e treo. Importanza della chiralità nel mondo biologico. Risoluzione di un racemo.

Le reazioni organiche e i loro meccanismi. Il concetto di reazione chimica. I meccanismi di reazione. Il concetto di elettrofilo e nucleofilo. Diagramma dell’energia di una reazione, termodinamica di una reazione chimica, reazioni esoergoniche ed endoergoniche. Keq e principio di Le Châtelier. Relazione tra costante di equilibrio e DG di reazione. Cinetica di una reazione chimica: velocità di reazione, energia di attivazione e catalizzatori.

Alcheni, dieni ed alchini: struttura, nomenclatura e proprietà fisiche. Isomeria geometrica. Stabilità degli alcheni: reazione di idrogenazione catalitica e calore di idrogenazione. Reattività degli alcheni: reazioni di addizione elettrofila, meccanismo e loro andamento stereochimico. Addizione di acidi alogenidrici ad alcheni: meccanismo e diagramma di reazione; la regola di Markovnikov e la regioselettività della reazione. Stabilità dei carbocationi: effetto induttivo ed effetto di iperconiugazione. Reazioni stereoselettive e stereospecifiche. Reazione di idrogenazione catalitica, reazione di idratazione acido-catalizzata, reazione di alogenazione, reazione di alogenazione in acqua, idroborazione-ossidazione di un alchene.

Reattività degli alchini. Reazioni di addizione elettrofila degli alchini e loro meccanismo. Addizione di HX, idratazione acido-catalizzata e tautomeria cheto-enolica, idrogenazione catalitica ed impiego di catalizzatori avvelenati, alchilazione dell'anione acetiluro.

Gli alogeno-alcani: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche. Reazioni di sostituzione nucleofila alifatica SN1 ed SN2: stereochimica. Fattori che le influenzano le reazioni di sostituzione nucleofila. Reazioni intermolecolari e intramolecolari di molecole bifunzionali. Reazioni di sostituzione nella sintesi organica: sintesi degli eteri di Williamson; sintesi di epossidi da aloidrine. Reazioni di b-eliminazione degli alogenuri alchilici: meccanismo E1 ed E2; regio-selettività e stero-selettività delle reazioni di beta-eliminazione. Competizione tra meccanismi di sostituzione ed eliminazione.

Gli alcoli: struttura, proprietà fisiche e nomenclatura. Reattività degli alcoli. Proprietà acido-base degli alcoli. Formazione di anioni alcolato. Reazioni di sostituzione nucleofila e trasformazione in alogenuri alchilici: meccanismo SN1 ed SN2. Reazione col cloruro di tionile e relativo meccanismo; reazioni di eliminazione degli alcoli: disidratazione acido catalizzata ad alcheni, meccanismo E1 ed E2. Regioselettività delle reazioni di disidratazione, stereochimica delle reazioni di dissertazione. Ossidazione degli alcoli a composti carbonilici con acido cromico, PCC e acido ipocloroso (con relativo meccanismo).

Gli eteri: struttura, nomenclatura e proprietà fisiche. Reattività degli eteri: reazioni di sostituzione nucleofila con HX e meccanismo SN1 ed SN2.

Epossidi: struttura e nomenclatura. Formazione degli epossidi: addizione di perossiacidi agli alcheni, meccanismo e stereochimica della reazione. Reazioni di sostituzione nucleofila degli epossidi in condizioni acide, meccanismo e stereochimica della reazione; reazioni di sostituzione nucleofila degli epossidi in condizioni basiche o neutre, meccanismo e stereochimica della reazione.

Tioli e solfuri: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche. Reattività dei tioli: acidità, ossidazione a disolfuri, reazioni di sostituzione nucleofila dell’anione tiolato, reazioni di sostituzione nucleofila dei tioeteri e formazione dello ione solfonio, ione solfonio come gruppo uscente nelle reazioni di sostituzione nucleofila.

Elettroni delocalizzati e loro effetti sulla stabilità dei composti organici, sulla reattività e sul pKa. Elettroni delocalizzati e benzene. Le strutture di risonanza: come scrivere le strutture di risonanza e loro stabilità. Ibridi di risonanza e strutture limite non equivalenti. Stabilità dei cationi allilici e benzilici. I fenoli: proprietà acido-base e potere antiossidante. I sostituenti legati ad un anello benzenico: effetti induttivi ed effetti di risonanza. Sostituenti legati all’anello benzenico e influenza sul valore del pKa dei corrispondenti fenoli, acidi benzoici e aniline protonate. Stabilità dei dieni coniugati; Le reazioni dei dieni: maccanismo addizione di HX a dieni isolati e dieni coniugati (addizioni 1,2 e addizioni 1,4).

Idrocarburi aromatici. Il benzene: struttura, aromaticità ed energia di stabilizzazione. Naftalene ed antracene e composti eteroaromatici. Ossidazione della posizione benzilica. Meccanismo delle reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (SEAr) del benzene. Alogenazione, nitrazione, solfonazione, alchilazioni ed acilazioni di Friedel-Crafts (e loro limitazioni) del benzene. Nomenclatura dei derivati del benzene mono-sostituiti, di-sostituiti e poli-sostituiti e loro proprietà fisiche. Poli-sostituzione: effetto dei sostituenti su reattività ed orientazione.

I radicali e le reazioni di alogenazione radicalica degli alcani: meccanismo. Stabilità dei radicali alchilici, benzilici ed allilici. Regioselettività e stereochimica della reazione di sostituzione radicalica. Bromurazione dei carboni allilici con NBS: meccanismo. Reazioni radicaliche nei sistemi biiologici. L’ozono stratosferico e i CFC.

Aldeidi e Chetoni: Nomenclatura. Struttura del carbonile. Proprietà fisiche. Reazioni di addizione nucleofila al carbonile: addizione di organometalli per la sintesi di alcoli; addizione di cianuro, addizione di alcoli per la preparazione emiacetali e acetali. Preparazione di immine, ossime ed idrazoni. Amminazione riduttiva di aldeidi e chetoni, reazioni di aldeidi e chetoni con ammine secondarie; Addizione di ilidi: la reazione di Wittig. Tautomeria cheto-enolica, equilibrio acido-catalizzato dei tautomeri cheto-enolici: meccanismo. Racemizzazione al carbonio α, α-alogenazione acido-catalizzata di un composto carbonilico: meccanismo; ossidazione delle aldeidi ad acidi carbossilici, scissioni ossidative dei chetoni. Riduzioni di aldeidi e i chetoni: riduzione catalitica e riduzione con NaBH4 e LiAlH4. Addizione nucleofila ad aldeidi e chetoni alfa, beta-insaturi.

Gli acidi carbossilici: struttura del carbossile, nomenclatura, proprietà fisiche. La sostituzione nucleofila acilica (SNAc). Acidità, riduzione del gruppo carbossilico con LiAlH4, esterificazione di Fischer (meccanismo), reazione dell’acido carbossilico con il cloruro di tionile per preparare cloruri acilici (meccanismo), decarbossilazione dei β-chetoacidi (meccanismo), decarbossilazione di acidi beta-dicarbossilici (meccanismo).

Derivati degli acidi carbossilici (esteri, ammidi, alogenuri acilici ed anidridi): struttura e nomenclatura. La sostituzione nucleofila acilica (SNAc). Reazioni di sostituzione nucleofila acilica dei derivati degli acidi carbossilici con nucleofili con ossigeno: idrolisi acido-catalizzata di estere (meccanismo), idrolisi di un estere promossa dallo ione idrossido, la saponificazione (meccanismo), idrolisi di un’ammide in ambiente acido-acquoso (meccanismo). Reazione dei derivati degli acidi carbossilici con gli alcoli: preparazione di esteri mediante reazione tra cloruri acilici ed anioni alcolato (meccanismo) ed alcoli (meccanismo), mediante reazione tra anidridi ed alcoli, mediante transesterificazione. Reazioni di sostituzione nucleofila acilica dei derivati degli acidi carbossilici con l’ammoniaca e le ammine: preparazione di ammidi. Interconversione dei derivati funzionali degli acidi carbossilici. Reazione di sostituzione nucleofila acilica dei derivati degli acidi carbossilici con nucleofili al carbonio: reazione degli esteri e dei cloruri acilici con i reattivi di Grignard (meccanismo) per la preparazione di alcoli secondari e terziari. Riduzione dei derivati degli acidi carbossilici (cloruri acilici) con NaBH4 (meccanismo), riduzione di esteri ed ammidi con LiAlH4 (meccanismo). I nitrili: nomenclatura. Preparazione mediante reazione SN2 di un alogenuro alchilico con lo ione cianuro. Reazione di idrolisi di un nitrile acido-catalizzata (meccanismo), idrogenazione catalitica di un nitrile.

Acidità degli idrogeni in a al carbonile. Anioni enolato. Tautomeria cheto-enolica. Interconversione cheto-anolica: meccanismo acido-catalizzato e base-catalizzato. Alchilazione degli anioni enolato. Reazione di condensazione aldolica: formazione di β-idrossialdeidi e β-idrossichetoni (meccanismo base-catalizzato) e successiva disidratazione a dare aldeidi o chetoni α,β-insaturi (meccanismo base-catalizzato ed acido-catalizzato). Reazione aldolica incrociata; reazione aldolica intramolecolare. Condensazione di Claisen: formazione di β-chetoesteri (meccanismo base-catalizzato), condensazione di Dieckmann, condensazione di Claisen incrociata; idrolisi e decarbossilazione dei β-chetoesteri. La reazione di Michael: addizione coniugata di un anione enolato ad un composto carbonilico α,β-insaturo (meccanismo).

Le ammine: struttura, nomenclatura e proprietà fisiche. L’azoto come centro di asimmetria e inversione delle ammine. Basicità delle ammine. Le ammine come nucleofili. Metodi di sintesi delle ammine: alchilazione diretta di NH3, riduzione di nitrili, riduzione di ammidi, amminazione riduttiva. Sintesi di ammine aromatiche per riduzione del nitrobenzene. Reazione di ammine primarie (alifatiche ed aromatiche) con HNO2. Utilità sintetica dei sali di diazonio aromatici.

Esercitazioni in laboratorio: 1) tecniche di separazione dei miscugli: la cristallizzazione. Purificazione dell’acido benzoico da un miscuglio di tre sostanze e determinazione del suo punto di fusione. 2) Tecniche di separazione dei miscugli: la distillazione. Determinazione del grado alcolico del vino per distillazione. Separazione di miscele omogenee mediante TLC (cromatografia su strato sottile), analisi della polarità dei componenti della miscela dopo la loro separazione, calcolo dell’Rf e determinazione della loro identità mediante l’impiego di soluzioni standard di composti noti. 3) Analisi di un campione di olio d’oliva: determinazione dell’acidità % dell’olio e del numero dei perossidi mediante titolazione.

“CHIMICA ORGANICA”, P. Y. Bruice, ed. Edises.

“CHIMICA ORGANICA’’, W. H. Brown, B. L. Iverson, E. V. Anysil, C. S. Foote, Ed. Edises.