Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprensione: Il corso si prefigge di fornire allo studente le nozioni fondamentali di Chimica Organica e gli strumenti indispensabili per interpretare i fenomeni e i processi biochimici. Verranno in particolare trattate le classi di composti e le reazioni organiche di maggiore interesse per gli studenti di Scienze Biologiche mettendo in luce, di volta in volta, le connessioni con il mondo biologico. Si discuteranno inoltre gli aspetti termodinamici e cinetici delle reazioni organiche e verranno definiti i termini notazionali e stereochimici delle molecole organiche. Verranno inoltre presentate agli studenti le principali classi di macromolecole di interesse biologico e ne verrà data una lettura in chiave chimica delle loro proprietà e reattività.
Conoscenza e comprensione applicate: Parallelamente alle ore di lezione teoriche, dedicate alla presentazione della classificazione dei composti organici e della loro reattività, verranno condotte esercitazioni in aula volte allo svolgimento di esercizi che facilitino la comprensione della materia. Questo attività consentirà allo studente di poter applicare la conoscenza rinforzando e accelerando la sua acquisizione.
Autonomia di giudizio: Lo studente dovrà possibilmente acquisire una completa autonomia nella classificazione delle sostanze organiche e una buona capacità di saper indicare la reattività a cui un composto organico puo' andare incontro. Inoltre lo studente dovrà saper individuare autonomamente i gruppi funzionali presenti sulle molecole e macromolecole di interesse biologico e prevederne la loro reattività.
Capacità comunicative: Lo studente dovrà saper comunicare utilizzando, in maniera appropriata, la terminologia tipica della chimica organica e dovrà saper discutere problemi di stereochimica e reattività facendo anche riferimento ai principali meccanismi di reazione.
Capacità di apprendimento: Sebbene non un obiettivo primario del corso, verrà anche stimolata nello studente la capacità di apprendere e interpretare la reattività dei composti organici attraverso l'osservazione dei risultati sperimentali.
Propedeuticità: Chimica Generale (indicativa: si tratta delle conoscenze richieste allo studente per poter seguire in maniera proficua le lezioni).
Prerequisiti
Per poter seguire proficuamente il corso e superare l'esame, sono fondamentali le conoscenze acquisite e i concetti maturati nel corso di Chimica Generale. In particolare sono fondamentali i concetti relativi alla struttura elettronica degli atomi, al legame chimico, alla termodimanica chimica (con particolare riferimento all'equilibrio chimico e agli equilibri acido-base), e alla cinetica chimica.
Non è obbligatorio aver superato l'esame di Chimica Generale, ma è fortemente consigliato aver acquisito la maggior parte dei concetti e delle competenze relativi a tale esame prima di frequentare il corso di Chimica Organica.
Contenuti dell'insegnamento
Introduzione alla chimica organica: teorie VSEPR e del legame di valenza; termodinamica e cinetica chimica, catalisi chimica, concetti di acidi e basi di Brønsted-Lowry, di Lewis e di nucleofili ed elettrofili.
Stereochimica organica e polarimetria.
Struttura, proprietà e reattività delle molecole organiche per gruppi funzionali:
Alcani e Cicloalcani; Alcheni e Alchini; Alogenuri alchilici; Alcoli,
Eteri e Tioli; il Benzeni e suoi derivati; le Ammine; i Chetoni e le Aldeidi; gli Acidi
carbossilici e i suoi derivati.
Struttura e reattività degli anioni enaloto con esemplificazione in alcuni
processi biologici.
Proprietà strutturali, conformazionali e di reattività di alcune importanti classi di macromolecole biologiche quali i carboidrati, le proteine, gli acidi nucleici e i lipidi.
Programma esteso
Introduzione
Introduzione alla Chimica Organica; scelta del C come atomo centrale dei
composti organici; strutture elettroniche e di Lewis degli atomi; modello
di legame di Lewis; elettronegatività; strutture di Lewis di molecole e ioni;
angoli e distanze di legame e forma delle molecole secondo la teoria
VSEPR; momento dipolare di legami e molecole; Risonanza. Legame
covalente secondo il modello del legame di valenza: Ibridazione degli
orbitali atomici. Introduzione ai gruppi funzionali. Forze intermolecolari
(interazioni dipolo-dipolo, legami di idrogeno, forze di van der Waals);
polarizzabilità; solubilita' e proprietà fisiche dei composti organici;
proprietà dei solventi (solventi apolari, protici e dipolari aprotici);
costante dielettrica dei solventi.
Fondamenti di cinetica chimica. Reazioni del 1° e 2° ordine. Molecolarità
di una reazione. Effetto della temperatura sulla velocità di reazione.
Applicazioni della Termodinamica e Cinetica
Calore molare e entropia di reazione. Cinetica delle reazioni: meccanismo
di reazione, stadi di reazione, intermedi di reazione, stati di transizione
ed energia di attivazione; velocità di reazione e costante di velocità
specifica; molecolarità; equazione di Eyring. Catalisi chimica. Reazioni
sotto il controllo cinetico o termodinamico. Reazioni competitive.
Postulato di Hammond. Acidi e Basi di Brønsted-Lowry. Acidi e Basi di
Lewis. Nucleofili ed elettrofili.
Analisi della struttura, proprietà e reattività delle molecole organiche per
gruppi funzionali
Alcani. Nomenclatura. Cicloalcani. Nomenclatura. Conformazione di alcani. Conformazione di cicloalcani e cicloalcani sostituiti. Proprietà
fisiche di alcani e cicloalcani. Fonti di alcani. Reattività degli alcani.
Ossidazione, combustione. Alogenazione. Scissione omolita. Radicali.
Stabilità dei radicali. Iperconiugazione. Orientamento nell’alogenazione.
Fattori statistici e probabilistici. Reattività/selettività. Regiochimica nelle
reazioni radicaliche. Combustione. Esercizi.
Chiralità. Molecole chirali e achirali. Stereocentro, definizione.
Stereoisomeri. Designazione R/S. Proiezioni di Fischer. Enantiomeri.
Molecole con più centri chirali: diastereoisomeri e composti meso.
Proprietà degli stereoisomeri. Attività ottica. Miscele racemiche e
risoluzione. Eccesso enantiomerico e diastereoisomerico. Chiralità nel
mondo biologico. Enantiomeri nel mondo biologico e farmaci. Origine dell’
omogeneità chirale in natura.
Alcheni e alchini. Struttura e nomenclatura. Isomeria geometrica
(cis/trans e E/Z). Cicloalcheni. Terpeni. Reazioni degli alcheni. Addizioni
elettrofile al doppio legame e cenni sulle reazioni di polimerizzazione.
Addizione di acidi alogenidrici. Stabilità dei carbocationi. Idratazione di
alcheni. Addizione di cloro e bromo ad alcheni: ione bromonio. Reazioni
regioselettive e regiospecifiche. Formazione di glicoli. Riduzione di
alcheni: calore di idrogenazione e stabilità degli alcheni. Stereochimica
nell’addizione ad alcheni. Struttura e acidità di alchini. Reattività di
alchini. Addizione di H2, X2, HX e idratazione. Dieni isolati coniugati e
cumulati. Calori di idrogenazione. Polimerizzazione di alcheni e dieni.
Alogenuri alchilici: Struttura e nomenclatura. Sostituzione nucleofila
alifatica. Nucleofili e basi, elettrofili e acidi. Meccanismi SN2 ed SN1:
differenze cinetiche, meccanicistiche e stereochimiche. Stereoselettività
e stereospecificità delle reazioni. Fattori che influenzano la velocità delle
SN2 ed SN1: struttura del nucleofilo, di RX, del gruppo uscente e effetto
solvente. Esempi di SN2 ed SN1. b-Eliminazione o deidroalogenazione.
Regola dei Saitzev, meccanismo E2 ed E1. Confronto E2 ed E1.
Stereochimica delle E2. Biosintesi dei terpeni.
Alcoli, eteri e tioli: struttura, nomenclatura e proprietà fisiche. Acidità
degli alcoli in base agli effetti induttivi dei sostituenti. Acidità di
metanolo, etanolo, isopronalo e t-butanolo. Reazione con metalli attivi,
conversione in alogenuri alchilici. Meccanismo della formazione di cloruri
alchilici a partire da alcoli e cloruro di tionile. Reazioni di disidratazione
con catalisi acida. Ossidazione di alcoli 1° e 2°. Formazione degli eteri via
reazione di Williamson. Eteri a corona e criptandi. Epossidi e loro
reattività in catalisi acida e basica. Reazione dei tioli: acido-base e
ossidazione.
Benzeni e suoi derivati. Energia di risonanza e aromaticità. Composti
eterociclici aromatici e basi azotate degli ac nucleici. Nomenclatura.
Benzeni mono e polisostituiti. Fenoli: acidità e reazioni acido-base.
Introduzione alla Sostituzione Elettrofila Aromatica. Acidità di fenoli
sostituiti. Separazione alcoli/fenoli.
Ammine. Classificazione delle ammine. pKb e pKa delle ammine.
Equazione di Henderson-Hasselbach. Relazione struttura-basicità nelle
ammine alifatiche, aromatiche ed eterocicliche aromatiche. Reazioni con
gli acidi. Stereochimica all’azoto di ammine e sali di ammonio quaternari.
Chetoni e aldeidi. Caratteristiche strutturali del gruppo carbonilico.
Nomenclatura. Reazioni del gruppo carbonilico. Addizione con nucleofili
all’ossigeno: emiacetali e acetali. Addizione con nucleofili all’azoto: le
immine o basi di Schiff. Tautomeria cheto-enolica e racemizzazione del
carbonio in a al carbonile. Ossidazione e riduzione di aldeidi e chetoni.
Acidi carbossilici: struttura e nomenclatura. Proprietà fisiche. Acidità ed
effetto dei sostituenti in acidi acetici e benzoici. Separazione
alcoli/fenoli/ac.benzoico. Riduzione di acidi carbossilici. Esterificazione di
Fischer. Conversione in cloruri acilici. Decarbossilazione di b-chetoacidi e ac malonici.
Derivati degli acidi carbossilici: cloruri acilici, anidridi, esteri e ammidi.
Struttura e nomenclatura. Lattoni, lattami e esteri dell’ac. fosforico.
Sostituzione nucleofila acilica: similitudini e differenze con reattività del
carbonile di aldeidi e chetoni. Scala di reattività dei derivati degli acidi in
base alle caratteristiche del gruppo uscente e all’elettrofilia del reagente.
Idrolisi, reazioni con alcoli, con ammoniaca ed ammine. Riduzione degli
esteri e delle ammidi.
Anioni enolato. Acidità degli H in a ad un carbonile. Formazione di enolati.
Chetoni e aldeidi enolizzabili e non. Formazione di enoli per catalisi acida.
Condensazione aldolica: meccanismi di catalisi acida e basica. Aldoliche
simmetriche e incrociate. Aldoliche intramolecolari. Condensazione di
Claisen e di Dieckmann. Idrolisi e decarbossilazione dei b-chetoesteri.
Condensazioni di Claisen e Aldolica nel mondo biologico.
Composti bioorganici
Carboidrati: classificazione. D- ed L-monosaccaridi: rappresentazioni di
Fischer. Amminozuccheri. Struttura ciclica emiacetalica: proiezioni di
Haworth e conformazioni a sedia. Epimeri e anomeri. Mutarotazione.
Reazioni dei monosaccaridi: formazione dei glucosidi, riduzione ad
alditoli, ossidazione ad ac. aldonico, saggio del glucosio. Acido ascorbico.
Disaccaridi: Maltosio, Lattosio, Saccarosio. Le sostanze dei gruppi
sanguigni. Polisaccaridi: amido, glicogeno e cellulosa.
Ammino acidi. Classificazione. a-Ammino acidi naturali. Proprietà acidobase.
Punto isoelettrico. Polipeptidi e proteine: strutture primaria,
secondaria (a-elica e b foglietto ripiegato), terziaria e quaternaria. Sintesi
chimica di polipeptidi: gruppi protettori e attivanti. Sintesi di fase solida.
Biosintesi delle proteine
Lipidi:classificazione. Trigliceridi: acidi grassi saturi e insaturi. Oli e grassi.
Saponi e detergenti. Fosfolipidi: doppio strato lipidico e modello a
mosaico delle membrane cellulari. Vitamine liposolubili. Steroidi:
colesterolo, ormoni steroidei, acidi biliari. Cenni sulla biosintesi del
colesterolo. Prostaglandine.
Acidi nucleici. Basi azotate, nucleosidi, nucleotidi. DNA: struttura primaria
e secondaria. RNA.
Bibliografia
Testo adottato
· W. Brown, T. Poon: Introduzione alla Chimica Organica, 3^ Edizione,
EdiSES, Napoli.
Da consultare per approfondimenti
· N. L. Allinger, M. P. Cava, D. C. De Jongh, C. R. Johnson, N. A. Lebel, C. L.
Stevens, Chimica Organica, 2^ Edizione, Zanichelli, Bologna.
· W. H. Brown, C. S. Foote: Chimica Organica, 2^ Edizione, EdiSES,
Napoli.
· J. McMurry, Chimica Organica, 1^ Edizione, Zanichelli, Bologna.
Metodi didattici
Applicazione di conoscenze e capacità di comprensione: Capacità di analizzare composti organici e biomolecole in termini di gruppi funzionali e stereocentri presenti. Capacità di classificare e dare il nome sistematico alle principali classi di composti organici. Acquisire la comprensione dei meccanismi delle principali reazioni organiche anche attraverso il formalismo delle frecce. Acquisire le principali informazioni strutturali e di reattività delle macromolecole di interesse biologico (peptidi, carboidrati, lipidi ed acidi nucleici).
Lezioni frontali ed esercitazioni in classe con la risoluzione di quesiti atti a meglio comprendere le problematiche relative alla struttura e reattività delle differenti classi di composti organici.
Modalità verifica apprendimento
Durante gli esami (scritto e orale) si verificherà la preparazione dello studente attraverso lo svolgimento di esercizi di chimica organica atti a valutare la capacità di applicazione delle conoscenze e attraverso domande sulla struttura e reattività dei composti organici e biorganici.
La soglia di sufficienza verrà raggiunta dallo studente che saprà analizzare composti organici e biomolecole in termini di gruppi funzionali e stereocentri presenti e che saprà classificare e dare il nome sistematico alle principali classi di composti organici.
Si valuterà inoltre la capacità di descrivere la stereochimica dei composti organici e le proprieta degli stereoisomeri (fino a uilteriori 3 punti) nonchè la conoscenza della reattività delle principali classi dei composti organici (fino ad ulteriori 3 punti)
Si verificherà la capacità di mettere in relazione la reattività con le proprietà molecolari (relazione struttura-attività) di composti organici e biologici e di descrivere il meccanismo delle principali reazioni organiche anche attraverso il formalismo delle frecce (ulteriori 3 punti).
Infine si valuterà la capacità di discutere le reazioni organiche in termini di controllo cinetico e termodinamico (fino a 3 punti) .
Altre informazioni
Attività di supporto: Parallelamente alle ore di lezione teoriche, verranno condotte esercitazioni in aula (2 ore settimanali di tutoraggio) volte all’illustrazione di esempi e allo svolgimento di esercizi che facilitino la comprensione della materia e che fungono da esempi di esercizi che verranno proposti all'esame.
Modalità d'esame: L'esame consiste in una prova scritta (con problemi di Chimica Organica) e una prova orale. Per facilitare gli studenti frequentanti il corso, a meta' e a fine semestre verranno anche tenuti due verifiche scritte parziali (rispettivamente sulla prima e seconda meta' del programma). Solo chi supera entrambi gli scritti parziali o uno scritto totale puo' accedere alla prova orale.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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