Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprensione: Il corso intende far apprendere allo studente la metodologia scientifica che sta alla base della chimica organica e delle discipline ad essa correlate; Il corso ha lo scopo di fornire i concetti di base per la comprensione, ed anche la previsione, della reattività dei gruppi funzionali presenti in molecole organiche sia semplici che complesse.
Il corso fornisce inoltre agli studenti il linguaggio di base relativo alla razionalizzazione ed all’interpretazione dei principali meccanismi di reazione in correlazione con i diversi gruppi mono e poli funzionali che sono argomento del corso.
Lo studente acquisirà la competenza di conoscere la reattività dei gruppi funzionali presenti nelle molecole organiche e di interpretare la reattività dei composti organici secondo i principali meccanismi di reazione.
Conoscenze e comprensione: il corso intende fornire agli studenti le conoscenze teoriche di base per la determinazione strutturale di semplici composti organici attraverso l’ausilio concertato di diverse tecniche spettroscopiche. Saranno inoltre sviluppati gli aspetti teorici e pratici di laboratorio delle metodologie sintetiche apprese durante il corso di chimica organica II frequentato in parallelo. Ciò consentirà allo studente di acquisire la capacità di comprendere le correlazioni fra struttura e proprietà fisiche e la reattività delle principali classi di composti organici. Applicazione delle conoscenze: lo studente sarà in grado di realizzare, in modo autonomo, la preparazione e la purificazione di un prodotto organico attraverso metodologie di sintesi di base e di identificarne la struttura mediante l’interpretazione dei relativi spettri di massa, UV, IR e NMR (1H e 13C).
Prerequisiti
Conoscenza degli argomenti sviluppati nel corso di Chimica Generale ed Inorganica e nel corso di Chimica Organica I e Laboratorio.
Contenuti dell'insegnamento
1 : Eteroaromaticità - Aromaticità e regola di Huckel per i sistemi eteroaromatici; - Eterocicli a 5 e 6 termini e loro reattività: orientamento nelle reazioni di sostituzione elettrofila aromatica; - Orientamento nella reattività di aromatici con anelli condensati (naftalene). 2 : Aldeidi e chetoni - Discussione delle reazioni di addizione nucleofila e di protonazione- addizione; - Reazioni di idratazione, formazione di emiacetali ed acetali, formazioni di immine ed enammine, reazioni di Wittig, reazioni con nucleofili al carbonio; - Addizioni nucleofile coniugate a sistemi α, β insaturi, controllo cinetico e termodinamico. Addizione di Michael. Aldeidi e chetoni come elettrofili nella SEAr. 3 : Acidi carbossilici e derivati - Acidità degli acidi carbossilici, influenza dei sostituenti; - Discussione delle reazioni di sostituzione nucleofila acilica; - Derivati degli acidi carbossilici, sintesi e reattività; - Riarrangiamenti elettrofili verso atomi di C, N ed O elettron deficienti; - Tioesteri ed anidridi simmetriche e miste. 4 : Reazioni di sostituzione in alfa al gruppo carbonilico - Tautomeria cheto-enolica, reazioni di α sostituzione, alogenazioni; - Alchilazione di enolati, sintesi malonica ed acetacetica, alchilazione diretta; - Reazioni di condensazione di composti carbonilici: condensazione aldolica e disidratazione, condensazione di Knoevenagel, condensazione di Claisen, , importanza delle condensazioni in campo biologico. Fenoli: acidità e attacco O/C. 5 : Ammine - Basicità delle ammine - Sintesi e reattività delle ammine - Sali di ammonio quaternario 6 : Carboidrati - Classificazione dei carboidrati, monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi - Strutture furanosiche e piranosiche - Stereochimica, formule di Fisher e di Haworth, anomeri ed epimeri; - Mutarotazione, emiacetali ed acetali; - Legame glicosidico, formazione del legame e stereochimica del legame; - Cellulosa, amido e glicogeno. 7 : Ammino acidi, peptidi, proteine - Ammino acidi, struttura ed acidità, punti isoelettrici, sintesi di ammino acidi - Peptidi, legame peptidico, cenni sulla sintesi di peptidi; - Introduzione alle proteine. 8 : Lipidi - Lipidi saponificabili e non saponificabili, cere, grassi ed oli; - Trigliceridi, fosfolipidi, sfingolipidi, saponi; - Terpeni e steroidi. 9 : Acidi Nucleici – Introduzione alla struttura degli acidi nucleici, nucleosidi e nucleotidi; - Basi puriniche e pirimidiniche.
Verranno affrontate problematiche relative alla sintesi di molecole mono- e polifunzionali secondo l'approccio retrosintetico.
La sicurezza nel laboratorio di chimica organica. Spettroscopia IR: principi e applicazioni a classi di molecole organiche. Spettrometria di massa: principi, cenni sulle principali tecniche di frammentazione. Descrizione dettagliata della tecnica di spettrometria di massa a impatto elettronico. Spettroscopia NMR: spettroscopia 13C NMR; concetti avanzati di accoppiamento spin-spin; NMR dinamico. Determinazione della struttura di molecole organiche incognite da dati NMR, UV, IR e MS. Sorgenti di letteratura primaria e secondaria in ambito chimico. Database e software necessari per condurre ricerche bibliografica mirate alla sintesi di composto organici.
Esercitazioni in laboratorio:
• Riduzione di un chetone con sodio boroidruro.
• Condensazione aldolica.
• Addizione coniugata ad un composto carbonilico alfa,beta-insaturo.
• Sintesi di un prodotto deuterato mediante condensazione di Knoevenagel.
• Reazione di protezione di un amminoacido: sintesi di D- mannosio diacetonide.
• Reazione di protezione di un amminoacido con gruppo Cbz.
• Sintesi di un dipetide.
Programma esteso
1 : Eteroaromaticità - Aromaticità e regola di Huckel per i sistemi eteroaromatici; - Eterocicli a 5 e 6 termini e loro reattività: orientamento nelle reazioni di sostituzione elettrofila aromatica; - Orientamento nella reattività di aromatici con anelli condensati (naftalene). 2 : Aldeidi e chetoni - Discussione delle reazioni di addizione nucleofila e di protonazione- addizione; - Reazioni di idratazione, formazione di emiacetali ed acetali, formazioni di immine ed enammine, reazioni di Wittig, reazioni con nucleofili al carbonio; - Addizioni nucleofile coniugate a sistemi α, β insaturi, controllo cinetico e termodinamico. Addizione di Michael. Aldeidi e chetoni come elettrofili nella SEAr. 3 : Acidi carbossilici e derivati - Acidità degli acidi carbossilici, influenza dei sostituenti; - Discussione delle reazioni di sostituzione nucleofila acilica; - Derivati degli acidi carbossilici, sintesi e reattività; - Riarrangiamenti elettrofili verso atomi di C, N ed O elettron deficienti; - Tioesteri ed anidridi simmetriche e miste. 4 : Reazioni di sostituzione in alfa al gruppo carbonilico - Tautomeria cheto-enolica, reazioni di α sostituzione, alogenazioni; - Alchilazione di enolati, sintesi malonica ed acetacetica, alchilazione diretta; - Reazioni di condensazione di composti carbonilici: condensazione aldolica e disidratazione, condensazione di Knoevenagel, condensazione di Claisen, , importanza delle condensazioni in campo biologico. Fenoli: acidità e attacco O/C. 5 : Ammine - Basicità delle ammine - Sintesi e reattività delle ammine - Sali di ammonio quaternario 6 : Carboidrati - Classificazione dei carboidrati, monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi - Strutture furanosiche e piranosiche - Stereochimica, formule di Fisher e di Haworth, anomeri ed epimeri; - Mutarotazione, emiacetali ed acetali; - Legame glicosidico, formazione del legame e stereochimica del legame; - Cellulosa, amido e glicogeno. 7 : Ammino acidi, peptidi, proteine - Ammino acidi, struttura ed acidità, punti isoelettrici, sintesi di ammino acidi - Peptidi, legame peptidico, cenni sulla sintesi di peptidi; - Introduzione alle proteine. 8 : Lipidi - Lipidi saponificabili e non saponificabili, cere, grassi ed oli; - Trigliceridi, fosfolipidi, sfingolipidi, saponi; - Terpeni e steroidi. 9 : Acidi Nucleici – Introduzione alla struttura degli acidi nucleici, nucleosidi e nucleotidi; - Basi puriniche e pirimidiniche.
Verranno affrontate problematiche relative alla sintesi di molecole mono- e polifunzionali secondo l'approccio retrosintetico.
La sicurezza nel laboratorio di chimica organica. Spettroscopia IR: principi e applicazioni a classi di molecole organiche. Spettrometria di massa: principi, cenni sulle principali tecniche di frammentazione. Descrizione dettagliata della tecnica di spettrometria di massa a impatto elettronico. Spettroscopia NMR: spettroscopia 13C NMR; concetti avanzati di accoppiamento spin-spin; NMR dinamico. Determinazione della struttura di molecole organiche incognite da dati NMR, UV, IR e MS. Sorgenti di letteratura primaria e secondaria in ambito chimico. Database e software necessari per condurre ricerche bibliografica mirate alla sintesi di composto organici.
Esercitazioni in laboratorio:
• Riduzione di un chetone con sodio boroidruro.
• Condensazione aldolica.
• Addizione coniugata ad un composto carbonilico alfa,beta-insaturo.
• Sintesi di un prodotto deuterato mediante condensazione di Knoevenagel.
• Reazione di protezione di un amminoacido: sintesi di D- mannosio diacetonide.
• Reazione di protezione di un amminoacido con gruppo Cbz.
• Sintesi di un dipetide.
Bibliografia
- V. H. Brown, C. Foote: Chimica Organica, Casa Ed. Edises, Napoli
- Morrison-Boyd: Chimica Organica, Casa Ed. Ambrosiana, Milano.
- P. Volhardt, N. Schore: Chimica Organica, Casa Ed. Zanichelli, Bologna.
- J. McMurry: Chimica Organica, Casa Ed. Piccin, Padova
Spettroscopia:
- M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh, "Metodi spettroscopici in chimica Organica", 2^ edizione, EdiSES, 2010.
- R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kiemle, “Identificazione spettrometrica di composti organici, 2^ edizione, Casa Editrice Ambrosiana (MI), 2006.
Laboratorio:
- M. D'Ischia: "La Chimica Organica in Laboratorio." Piccin (Padova) 2002.
- R. M. Roberts, J. C. Gilbert, S. F. Martin: "Chimica Organica Sperimentale". Zanichelli Editore (BO), prima edizione 1999.
- J. R. Mohrig et al. "Techniques in Organic Chemistry", 2nd ed., W.H. Freeman and Company, NY, 2006.
Metodi didattici
Materiale didattico a disposizione degli studenti. Le lezioni frontali sono integrate da attività di tutorato in aula.
Attività in aula: aspetti teorici di base della spettroscopia IR, NMR e della spettrometria di massa con ionizzazione ad impatto elettronico; esercizi di interpretazione di spettri 1H e 13C NMR, IR, UV e MS per la determinazione della struttura di composti organici. Attività in laboratorio: sette esperienze di laboratorio che riguardano la sintesi e la caratterizzazione strutturale di composti organici.
Modalità verifica apprendimento
Verrà verificata l'acquisizione di un linguaggio formalmente corretto, la capacità di esprimere i contenuti in modo chiaro e lineare, di collegare le conoscenze acquisite nelle diverse parti del corso, di gestire i concetti fondamentali della Chimica Organica, e di riconoscere e prevedere la reattività di un composto organico (anche complesso).
In particolare la valutazione del profitto avverrà mediante un esame scritto e orale, e si baserà sui seguenti parametri: a) conoscenze acquisite e capacità di comprensione dei metodi e del linguaggio proprio della disciplina (6 punti), b) comprensione e capacità di applicare con padronanza di metodo le conoscenze acquisite (15 punti); c) autonomia di giudizio nell’affrontare i problemi attinenti gli argomenti del corso ( 3 punti); d) capacità di comunicare le proprie conoscenze e competenze sia in forma scritta che verbale, utilizzando un linguaggio chimico appropriato(5 punti).
L'esame del corso di Laboratorio sarà costituito da una prova scritta e da una prova orale. Nella prova scritta i candidati dovranno determinare la struttura di un composto organico incognito attraverso l’interpretazione di una collezione di dati NMR (1H e 13C), UV-vis, IR e MS. La prova orale riguarderà domande sulle tematiche teoriche della prima parte del corso. E’ prevista inoltre la redazione di un quaderno di laboratorio.
Altre informazioni
La docente è a disposizione degli studenti per chiarimenti e spiegazioni degli argomenti trattati durante il corso, previo appuntamento.
Il corso di Laboratorio si articolerà in lezioni frontali di 2 ore ciascuna distribuite su due mattine per settimana. Sono previste 7 esercitazioni pratiche di laboratorio di 4 ore ciascuna a cadenza settimanale.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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