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 saper comprendere e prevedere le proprietà e la reattività delle principali classi di molecole organiche anche in base alla loro struttura.
Autonomia di giudizio: Lo studente acquisirà autonomia nel saper valutare e interpretare i dati sperimentali relativamente alle proprietà e reattività di molecole organiche. 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.
Lo studente sarà inoltre in grado di valutare la didattica.
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: Lo studente inizierà ad acquisire la metodologia di studio che gli consentirà la prosecuzione della formazione universitaria.
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
Modalità d'esame: L'esame consiste in una prova scritta (con problemi di Chimica Organica) della durata di 2 ore e di 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.
Le prove scritte verteranno su esercizi di Chimica Organica (completamento di sintesi organiche, meccanismi delle reazioni, proprietà acido-base di composti organici, stereochimica organica e struttura di biomolecole). Lo scritto è composto da 6 domande a risposta aperta ognuma delle quali vale 5 punti.
Nella prova orale si verificheranno maggiormente gli aspetti teorici e la discussione delle molecole e macromolecole di interesse biologico.
La votazione finale sarà la media aritmentica della prova scritta e della prova orale.
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.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Questo insegnamento concorre alla realizzazione degli obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile
