Obiettivi formativi
Gli obiettivi formativi di questo corso sono articolati secondo i seguenti descrittori:
• Conoscenze e comprensione: acquisire a livello di base la capacità di interpretare e valutare la struttura, le proprietà fisiche e la reattività di molecole organiche monofunzionali, di discutere gli aspetti meccanicistici, termodinamici e cinetici delle reazioni organiche, di definire in termini notazionali le molecole organiche e la loro stereochimica.
• Conoscenze e comprensione applicate: attraverso il metodo didattico induttivo e/o deduttivo verranno stimolati gli studenti ad integrare le conoscenze e competenze via – via acquisite durante lo svolgimento degli argomenti propri della chimica organica. Fin dalla trattazione dei primi argomenti del programma, verrà data grande importanza all’applicazione di un rigoroso approccio metodologico alla comprensione della materia
• Capacità di apprendere: attraverso un corretto uso del linguaggio tecnico-scientifico utilizzato nello svolgimento delle lezioni teoriche, di esercizi correlati ed attività di tutorato, verranno forniti agli Studenti gli strumenti per sviluppare ed approfondire in modo graduale la capacità di apprendere concetti di crescente complessità.
• Capacità di comunicare: indipendentemente dalle capacità comunicative del singolo, è un obiettivo importante di questo corso far acquisire agli Studenti un rigoroso linguaggio disciplinare attraverso il quale non solo comprendere la materia, ma anche saper trasmettere le proprie conoscenze e competenze sia ad esperti del settore che ad esperti di discipline contigue.
• Autonomia di giudizio: accompagnare gli Studenti verso l’autovalutazione rappresenta è una delle sfide più cogenti che un Docente del primo anno incontra. Uno strumento che si è rivelato particolarmente efficace all’autovalutazione è l’organizzazione di due giorni di esercizi che vengono svolti prima di ogni appello scritto. In queste giornate, agli Studenti viene fornita una serie di esercizi; in una prima fase gli esercizi vengono affrontati autonomamente e discussi in piccoli gruppi (confronto tra pari) e successivamente, sotto la guida del Docente, affrontati e discussi da uno di loro. In quest’ultima fase, la discussione ed il confronto delle conoscenze e competenze tra i partecipanti permette di verificare la congruità della propria preparazione.
Programma esteso
Introduzione al corso: la scelta evolutiva dei composti organici nel mondo biologico (struttura, funzioni, energia, controllo cinetico della reattività). I prodotti organici nelle applicazioni industriali. Fonti di carbonio. Aspetti energetici. Chimica primaria e secondaria (chimica fine).
Richiamo alle strutture elettroniche degli atomi. Legame covalente puro (energia e distanze di legame). Scala della elettronegatività del Pauling. Legame covalente polarizzato. Momento dipolare delle molecole biatomiche e poliatomiche (somma vettoriale dei momenti dipolari di legame, sua dipendenza anche dalla simmetria della molecola). Interazioni molecola-molecola, raggi di Van der Waals. Richiami sulle forze intermolecolari aspecifiche: interazioni dipolo-dipolo, dipolo-dipolo indotto, dipolo istantaneo-dipolo indotto, polarizzabilità e suo collegamento con l'indice di rifrazione, effetto della temperatura, discussione esempi. Interazioni intermolecolari specifiche: legame ad idrogeno, interazioni donatore-accettore, discussione esempi. Discussione tensione di vapore e punto di ebollizione quale metodo, a parità del peso molecolare, per valutare le interazioni intermolecolari. Aspetti termodinamici ed energetici delle reazioni chimiche spontanee. Termochimica, calore ed entalpia, calore di combustione e potere calorifico, correlazione con il livello ossidativo della molecola organica. Calcolo della variazione entalpica mediante l'energia dei legami coinvolti nella reazione. Variazione entropica, metodo per verificare il segno di tale variazione (n° molecole, stato fisico). Energia libera, discussione esempi, stato standard e dipendenza dalle concentrazioni delle specie reagenti. Correlazione fra variazione dell'energia libera nello stato standard e la costante di equilibrio. Aspetti cinetici delle reazioni chimiche: velocità delle reazioni, sua misura sperimentale, dipendenza dalle concentrazioni delle specie reagenti, urti, urti efficaci, energia di attivazione, correlazione fra Kv e T, meccanismi di reazione, reazioni in un solo stadio o in più stadi, stato di transizione, intermedio di reazione, stadio cineticamente determinante. Cariche formali sugli atomi.
Classificazione dei gruppi funzionali quale approccio metodologico alla struttura e reattività delle molecole contenenti uno o più gruppi funzionali. Alcani: formula bruta, metano (atomo di carbonio ibridizzato sp3, distanza, angolo ed energia del legame CH) etano (CH e CC)aspetto notazionale delle formule di struttura, omologhi superiori, isomeria di catena, proprietà fisiche ( es. p.e. forze intermolecolari e P.M.), nomenclatura. Stereochimica: conformazioni sfalsate ed eclissate, discussione rotazione legame C-C etano e C2-C3 nel n-butano, energie relative, aspetti notazionali, formule a cavalletto e proiezioni di Newman. Cicloalcani: introduzione, formula bruta, tensione di anello e destabilizzazione dovuta ad aspetti conformazionali. Cicloalcani: ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano e cicloesano. Stabilità relativa tramite il calore di combustione. Isomerie e stereoisomeria cis - trans. Accenno agli aspetti conformazionali del ciclobutano e ciclopentano. Discussione conformazioni del cicloesano, idrogeni equatoriali ed assiali, aspetti notazionali, conformazioni dei cicloesani monosostituiti. Cicloesani bisostituiti: aspetti configurazionali e conformazionali. Reattività degli alcani e cicloalcani: quadro generale. Reazioni di alogenazione: stechiometria, aspetti termodinamici e dati cinetici (reattività relativa degli alogeni, degli alcani, regiochimica delle reazioni). Dai dati cinetici all'ipotesi meccanicistica, reazione a catena con intermedi radicalici, stabilità relativa dei radicali (confronto con energie di legame C-H su metano, carboni primari, secondari e terziari) Stadio cineticamente determinante e postulato di Hammond. Applicazione di questa ipotesi per la spiegazione della reattività relativa degli alcani e loro regioselettività. Reazioni consecutive e loro controllo.
Definizione di molecola chirale. Esempi di molecole chirali - Potere rotatorio specifico - Aspetti notazionali per molecole con un centro stereogeno - Proiezioni di Fisher - Operazioni permesse su queste proiezioni - Nomenclatura D e L, nomenclatura R e S - Principi generali e regole per dare la priorità ai sostituenti. Molecole con più centri stereogeni: numero massimo di stereoisomeri, sterechimica di molecole con 2 centri stereogeni, enantiomeri e diastereoisomeri, forme meso, aldotriosi, tetrosi, pentosi ed esosi naturali. Centri prochirali, reazioni condotte in assenza di elementi chirali portano a miscele raceme. Separazione di enantiomeri: dal rapporto enantiomerico a quello diastereoisomerico, esempio di separazione.
- Alcheni : formula bruta, atomo di carbonio ibridizzato sp2, discussione struttura etilene, legami sigma e p. Omologhi superiori : isomeria di catena, di posizione del doppio legame e stereoisomeria cis-trans. Alcheni: nomenclatura, cis-trans, E-Z. Stabilità relativa degli alcheni via calori di idrogenazione: numero dei sostituenti alchilici e geometria. Reattività degli alcheni: reazioni di addizione, aspetti termodinamici. Reattività degli alcheni: addizione di idrogeno, catalizzatori, andamento stereochimico, stereospecificità sin. Discussione esempio: utilizzo delle formule a cavalletto e passaggio alle proiezioni di Fisher, diastereospecificità. Addizione di HX (acidi alogenidrici e acqua) dati sperimentali, regioselettività e nucleofilia (sua definizione operativa mediante misure cinetiche) relativa dei vari alcheni. Ipotesi meccanicistica, carbocationi, struttura e loro stabilità relativa. Addizioni ad alcheni: HX (acidi alogenidrici e acqua), meccanismo, intermedio carbocationico, stadio cineticamente determinante, applicazione del postulato di Hammond, regioselettività e cinetiche competitive. Spiegazione della diversa nucleofilia di etilene, propilene e isobutilene. Addizione di acqua: spiegazione della necessità del catalizzatore acido, meccanismo. Trasposizione di carbocationi. Addizione di bromo: stereospecificità anti, ipotesi meccanicistica. Alcheni: reazioni alogeno + nucleofilo (Es. bromo + acqua, alcoli, alogenuri) regiochimica, andamento stereochimico, discussione esempi. Addizione antimarkovnikov di acqua via borani: impostazione. Idroboronazione: andamento regiochimico e stereochimico, discussione esempi. Inizio discussione reattività via addizioni radicaliche al doppio legame. Esempi di addizioni radicaliche ad alcheni: HBr e alometani. Meccanismo e regiochimica. Polimerizzazione radicalica. Ossidazione controllata: generazione di epossidi, dioli vicinali con addizioni sin o anti.
Alchini: orbitali ibridi sp, geometria, struttura ed energie del triplo legame, isomerie. Acidità dei CH su triplo legame, definizione Ka, pKa, equilibri acido-base. Reazioni acido base degli alchini: discussione esempi che portano all'acido più debole. Reazioni di addizione su alchini, due reazioni consecutive con possibilità di fermarsi al primo stadio: idrogeno (catalizzatori, addizione sin col catalizzatore di Lindlar ed ottenimento di alcheni cis), bromo (addizione anti), acidi alogenidrici (regiochimica secondo Markovnikov), acqua (catalisi acida, tautomeria cheto-enolica). Dieni non coniugati e coniugati, calori di idrogenazione e stabilità dei dieni coniugati, delocalizzazione elettronica. Mesomeria e formule di risonanza come metodo per descrivere molecole con ordine di legame frazionario e/o con cariche delocalizzate, regole per scrivere le formule di risonanza e per valutare sia il contributo alla struttura reale sia la stabilizzazione dovuta alla mesomeria. Discussione esempi. Dieni coniugati: composti polifunzionali, reattività quali alcheni e quali dieni, addizione di HBr, addizione 1,2 e 1,4, controllo cinetico e termodinamico, meccanismo, carbocatione allilico, 1,2 ad energia di attivazione più bassa ed 1,4 quale prodotto più stabile.
Benzene: struttura, quadro della reattività e confronto con la reattività dell'1,3,5-esatriene, calori di idrogenazione ed energia di risonanza, forme mesomere. Aromaticità: regole di Huckel: discussione esempi sia carbociclici che eterociclici, discussione delle formule di risonanza del pirrolo. Reattività del benzene: discussione esempi di sostituzioni elettrofile aromatiche, catalisi acida di Bronsted o di Lewis, generazione delle specie elettrofila, meccanismo in due stadi con il primo cineticamente determinante, intermedio di Wheland, approccio alla scrittura delle strutture risonanti, postulato di Hammond. Benzeni monosostituiti: dati sulla nucleofilia relativa e sulla regiochimica delle sostituzioni elettrofile aromatiche. Effetti elettronici dei sostituenti: effetti induttivi e mesomeri, analisi effetti gruppi fortemente elettron donatori(OH, NR2 etc.), gruppi alchilici, alogeni e gruppi fortemente elettron attrattori; gruppi carichi. Discussione effetti dei sostituenti sulla stabilità degli intermedi di Wheland e sui relativi complessi attivati, nucleofilia relativa. Effetto dei sostituenti sulla regiochimica delle reazioni di sostituzione elettrofila aromatica. Reazioni consecutive e parametri che ne possono determinare un eventuale controllo. Reazioni di alchilazione di Friedel e Crafts: isomerizzazione delle catene. Sostituzione elettrofile aromatiche su anelli aromatici polisostituiti e cenni alle reazioni della naftalina e antracene. Reattività dei gruppi alchilici legati ad anelli aromatici: reazioni radicaliche e di ossidazione.
Alogenuri alchilici: struttura e proprietà fisiche, quadro generale della reattività. sostituzioni ed eliminazioni. Meccanismi SN2 e SN1. Esempi di reazioni SN2.; Dati sperimentali sulle reazioni SN2: gruppo uscente, gruppo alchile, nucleofilo, solvente. Ipotesi meccanicistica. Reazioni SN1 dati sperimentali: gruppo alchile, gruppo uscente, solvente. Ipotesi meccanicistica. Solventi protici e aprotici, loro interazione con le coppie ioniche e effetti sulla nucleofilia. Effetti del catione sulla nucleofilia di un anione. Quadro conclusivo delle reazioni di sostituzione nucleofila alifatica. Quadro meccanismi reazione di eliminazione. Reazioni E2: dati sperimentali, alfa e beta ramificazione, coniugazione, regiochimica, Seytzeff e Hofmann, requisito stereoelettronico anti. Competizione SN2 ed E2: discussione dati sperimentali. Competizione 1° ordine e 2° ordine: parametri relativi. Competizione SN e E nei due casi. Discussione esempi. Alogenuri arilici e vinilici: scarsa reattività nelle sostituzioni nucleofile. Sostituzione nucleofila aromatica. Meccanismo delle reazioni di sostituzione nucleofila aromatica e reazioni via benzino.
Alcoli: proprietà fisiche e quadro di quelle chimiche. Acidità degli alcoli: effetti dei sostituenti. Reazioni di generazione di alcolati via reazioni acido-base e red-ox. OH come gruppo uscente nelle reazioni di SN: catalisi acida e sue limitazioni, meccanismi, trasformazione in esteri di acidi forti. Alcoli nelle reazioni di eliminazione - catalisi acida - reversibilità. Meccanismi di sostituzione ed eliminazione con catalisi acida: 2° ordine con alcoli primari e 1° ordine con tutti gli altri. OH su carboni ibridizzati sp2: enoli (cenni) e fenoli. Aspetti strutturali dei fenoli. Fenoli: acidità, effetti dei sostituenti, stabilità del legame C-O, reazioni all'ossigeno ed alle posizioni orto-para dell'anello aromatico, elevata reattività nucleofilica di queste ultime posizioni. Eteri: struttura e reattività, rottura del legame C-O con catalisi acida, perossidabilità. Epossidi: reattività in ambiente basico ed acido, regio e stereochimica, meccanismi relativi.
Ammine: classificazione strutturale, basicità, Kb e pKb, Ka e pKa dell'acido coniugato, loro collegamento con Kw e pKw, discussione basicità relativa ammine alifatiche, aromatiche ed eterocicliche. Quadro reattività come nucleofili con elettrofili al carbonio. Sali di tetraalchilammonio per eliminazioni di Hofmann. Confronto fra i vari meccanismi di eliminazione e relativi elementi di controllo.
Sintesi: aspetti generali, retrosintesi, introduzione di nuove funzioni senza e con variazione del numero di atomi di carbonio. Analisi schematica all'approccio sintetico ad alcani, alchil aromatici, cicloalcani, alcheni, alchini, alcoli. Analisi schematica all'approccio sintetico ad alcoli con formazione del legame carbonio-carbonio. Sintesi di fenoli. Sintesi di alogenuri alchilici ed arilici. Sintesi di eteri ed epossidi. Sintesi di ammine alifatiche ed aromatiche. Discussione di alcuni esempi di sintesi via approccio retrosintetico.
