CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO M - Z

12 CFU - 2° Semester

Teaching Staff

SALVATORE FOTI - Module Organic Chemistry I - CHIM/06 - 6 CFU
VERA MUCCILLI - Module LABORATORY OF ORGANIC CHEMISTRY I - CHIM/06 - 6 CFU

Learning Objectives

Organic Chemistry I
Basic knowledge of organic compounds, of their three-dimensional structure abd of their reaction mechanisms
LABORATORY OF ORGANIC CHEMISTRY I
The course will provide the students with the theoretical and practical knowledge of the main experimental techniques of the organic chemistry laboratory. Special emphasis will be given to safety related issues. Moreover, the course content complements the theoretical concepts acquired in the Organic Chemistry I course.
The students will master a formally corrected scientific language. They will also be able to clearly express organic chemistry related concepts and to write a scientific report.
At the end of the course, the students will be able to independently carry out the purification and characterization of an organic compound working in safe conditions.

Detailed Course Content

Organic Chemistry I
. INTRODUZIONE

Origine del termine "organico" e significato attuale.

Le strutture elettroniche degli atomi. Rapprentazioni di Lewis. Il legame chimico. Legame ionico, potenziale di ionizzazione e affinità elettronica. Legame covalente ed elettronegatività. Lunghezza di legame e forza di legame. Carica formale. La teoria della risonanza. Meccanica quantistica: forma degli orbitali atomici s e p. Orbitali ibridi sp, sp2, sp3. Struttura del metano, dell’ammoniaca e dell’acqua. Doppio e triplo legame.

Principali gruppi funzionali e relative classi di composti.

2. ALCANI

Struttura degli alcani, serie omologhe, isomeria strutturale, nomenclatura corrente. Principi generali della nomenclatura IUPAC e applicazione nel caso degli alcani. Classificazione degli atomi di carbonio e di idrogeno. Conformazioni degli alcani. Proiezioni di Newman. Proprietà fisiche. Forze di dispersione. Fonti naturali e cenni sulla lavorazione del petrolio. Reattività – Con alogeni. Con ossigeno.

3. CICLOALCANI

Struttura, nomenclatura e proprietà fisiche. Conformazioni e stabilità relative del ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano, cicloesano. Contributi alla tensione d’anello: distorsione dell’angolo di legame, tensione di eclissamento e interazione diassiale. Idrogeni assiali ed equatoriali nel cicloesano. Conformazioni preferite dei cicloesani sostituiti. Isomeria cis-trans nei cicloalcani.

4. ACIDI E BASI

Acidità e basicità: acidi secondo Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis. Definizione del pKa. Reazioni acido-base: posizione dell'equilibrio e forza relativa degli acidi e delle basi.

5. STEREOCHIMICA

Isomeri strutturali e stereoisomeri. Chiralità e stereocentri. Enantiomeri. Nomenclatura degli enantiomeri: il sistema R-S. Proiezioni di Fischer. Molecole con più stereocentri: enantiomeri e diastereomeri; forme meso. Proprietà fisiche degli enantiomeri. Attività ottica: luce polarizzata e polarimetro. Potere rotatorio specifico. Purezza ottica ed eccesso enantiomerico. Metodi di risoluzione di miscele racemiche.

6. ALCHENI

Struttura del doppio legame. Nomenclatura. Isomeria. Nomenclatura cis-trans e Z-E. Proprietà fisiche. Reattività – Concetti generali sui meccanismi di reazione. Addizioni elettrofile: addizione di acidi alogenidrici e regioselettività (stabilità relativa dei carbocationi e regola di Markovnikov); addizione di acqua (idratazione acido-catalizzata. Riarrangiamento dei carbocationi. Addizione di bromo e cloro in solvente non nucleofilo e nucleofilo e stereoselettività; idroborazione-ossidazione. Reazioni di ossidazione: con permanganato di potassio; con tetrossido di osmio e perossido di idrogeno; con ozono; con peracidi. Idrogenazione catalitica, calori di idrogenazione e stabilità relativa degli alcheni.

Preparazioni - Deidroalogenazione degli alogenuri alchilici (Þalogenuri alchilici). Disidratazione degli alcoli (Þalcoli). Idrogenazione chimica e catalitica di un alchino (Þalchini). Reazione di Wittig (Þcomposti carbonilici).

7. DIENI

Classificazione. Struttura dei dieni coniugati secondo la teoria del legame di valenza. Stabilità relativa delle forme limiti e loro contributo all'ibrido di risonanza. Energia di risonanza. Addizione elettrofila ai dieni coniugati: addizioni -1,2 e -1,4. Controllo termodinamico e cinetico dell'addizione ai sistemi coniugati.

8. ALCHINI

Struttura del triplo legame. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Reattività – Acidità: acetiluri. Idrogenazione catalitica e chimica. Idroborazione e tautomeria cheto-enolica. Addizione di alogeni. Addizione di acidi alogenidrici. Addizione di acqua al triplo legame. Preparazioni - Ottenimento dell'acetilene dal carburo di calcio e dalla pirolisi del metano. Deidroalogenazione dei dialogenuri vicinali. Reazione di acetiluri con alogenuri alchilici.

9. ALOGENURI ALCHILICI

Struttura e nomenclatura. Proprietà fisiche. Preparazioni - Alogenazione degli alcani: meccanismo dell’alogenazione radicalica; scissione omolitica dei legami. stabilità relativa e struttura dei radicali alchilici primari, secondari e terziari. Reattività relativa degli alogeni nelle reazioni di alogenazione. Clorurazione degli alcani superiori: reattività relative degli idrogeni primari, secondari, terziari e stabilità relative dei rispettivi radicali. Reazioni regioselettive (postulato di Hammond); stereochimica dell’alogenazione radicalica. Addizione di acidi alogenidrici agli alcheni e agli alchini (Þalcheni e alchini); addizione di alogeni agli alcheni (Þalcheni); alogenazione degli alcoli con reattivi alogenanti e con HX (Þalcoli).

Reattività – Meccanismo, cinetica e stereochimica della sostituzione nucleofila alifatica SN2 (Sostituzione Nucleofila Bimolecolare) ed SN1 (Sostituzione Nucleofila Monomolecolare). Fattori che influenzano il meccanismo SN1 ed SN2. b- eliminazione: meccanismo E2 ed E1. Fattori che influenzano il meccanismo E1 ed E1. Competizione fra sostituzione ed eliminazione. Raffronto tra le SN1 e le SN2, le E1 ed E2.

10. ALCOLI

Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche: il legame idrogeno. Reattività - Acidità e basicità degli alcoli. Reazioni con metalli attivi. Formazione di alogenuri alchilici: reazione con acidi alogenidrici e saggio di Lucas; reazioni con cloruro di tosile, SOCl2, PX3, PX5. Disidratazione ad alcheni e regola di Zaitsev. Il riarrangiamento pinacolico. Ossidazione di alcoli primari e secondari con bicromato e con piridinio clorocromato. Ossidazione dei glicoli con acido periodico. Formazione di esteri organici (Þacidi carbossilici).

Preparazioni- Addizione di H2O agli alcheni (Þalcheni); ossimercuriazione-riduzione degli alcheni (Þalcheni); idroborazione-ossidazione (Þalcheni); idrolisi di alogenuri alchilici (Þalogenuri alchilici); addizione di organo-metallici alle aldeidi e ai chetoni (Þcomposti carbonilici); riduzione dei composti carbonilici (Þcomposti carbonilici); riduzione di acidi carbossilici ed esteri (Þacidi carbossilici e derivati funzionali degli acidi carbossilici).

11. ETERI ED EPOSSIDI

Struttura e nomenclatura degli eteri. Proprietà fisiche. Preparazioni- Sintesi di Williamson. Disidratazione degli alcoli. Addizione di alcoli agli alcheni. Reattività - Scissione con acidi; formazione di idroperossidi.

Struttura e nomenclatura degli epossidi. Preparazioni- Ossidazione degli alcheni con perossiacidi; sostituzione nucleofila interna nelle aloidrine. Reattività – Scissione acida e basica.

12. ALDEIDI E CHETONI

Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Reattività- Addizione di nucleofili al carbonio: addizione di reattivi di Grignard; addizione di alchini; addizione di HCN; reazione di Wittig. Addizione di nucleofili ossigenati: addizione di acqua; addizione di alcoli (semiacetali e acetali). Addizione di nucleofili azotati: reazioni con derivati dell'ammoniaca (ammine, idrossilammina, idrazina, fenilidrazina, semicarbazide). Tautomeria cheto-enolica. Reazioni al carbonio a: alogenazione in alfa e reazione aloformica; la condensazione aldolica. Reazioni di ossidazione delle aldeidi: saggi di Tollens e di Fehling; ossidazione spontanea in presenza di ossigeno. Ossidazione dei chetoni. Riduzione ad alcoli con NaBH4 e con LiAlH4 e con idrogeno in presenza di catalizzatori; riduzione ad idrocarburi in ambiente acido e basico. Preparazioni- Ossidazione di alcoli secondari (Þalcoli); ossidazione di alcoli primari con clorocromato di piridinio (Þalcoli); ossidazione di glicoli con acido periodico (Þalcoli); idratazione degli alchini (Þalchini); idroborazione-ossidazione degli alchini (Þalchini); riduzione dei derivati degli acidi (Þderivati degli acidi).

13. ACIDI CARBOSSILICI

Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Acidità; effetto dei sostituenti sull'acidità in acidi alifatici; formazione di sali; saponi. Reattività- Esterificazione; reazione con diazometano; trasformazione in alogenuri acilici; formazione di ammidi; riduzione con idruro di litio e alluminio. Reazioni sulla catena laterale per gli acidi alifatici. Alogenazione in : reazione di Hell, Vholard, Zelinsky. Preparazioni: ossidazione di alcoli primari e di aldeidi (Þalcoli); ossidazione di metilchetoni con la reazione aloformica (Þaldeidi); carbonatazione dei reattivi di Grignard; idrolisi dei nitrili.

14. DERIVATI FUNZIONALI DEGLI ACIDI CARBOSSILICI

Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Reattività- La sostituzione nucleofila acilica: meccanismo di addizione-eliminazione; sostituzione acilica catalizzata da acidi. Confronto della sostituzione acilica con quella alchilica. Reazione con acqua (idrolisi). Reazione con alcoli.

15. AMMINE ALIFATICHE

Struttura. Nomenclatura. Proprietà fisiche. Reattività- Basicità; eliminazione di Hofmann; Eliminazione di Cope; trasposizione di Beckmann; reazioni con acido nitroso.
LABORATORY OF ORGANIC CHEMISTRY I
Introduction to the organic chemistry laboratory: safety regulations; Laboratory equipment: risks and use; Use of laboratory solvents.

Laboratory separation techniques: purification of solids and purity criteria; the choice of the solvent and melting point determination; extraction techniques of organic compounds; natural product extraction;basic and acid substances extraction; chromatographic separations; the choice of the eluent, thin layer chromatography, column chromatography, distillation techniques

Laboratory experiences:
Purification of an organic compound through recrystallisation;
Separation of organic products through acid-base extraction;
Caffeine extraction from tea leaves;
Thin layer chromatography and column chromatography;
Soap preparation; Pigment extractions; Aspirin synthesis

Textbook Information

Organic Chemistry I
1. W. H. Brown, C. S. Foote, B. L. Iverson. Chimica Organica, (EdiSES)
2. Streitwieser, C. H. Heathcock, E. M. Kosower, Chimica Organica (EdiSES);
3. Seyhan Ege, Chimica Organica, (Sorbona);
4. P. Vollhardt, Chimica Organica, (Zanichelli);
5. J. McMurry, Chimica Organica (Piccin)
6. B. Botta, Chimica Organica (edi-ermes)
LABORATORY OF ORGANIC CHEMISTRY I
1. D. L. Pavia, G. M. Lampman, G. S. Kriz. Il laboratorio di Chimica Organica. Ed. Sorbona

2. M. D’Ischia. La Chimica Organica in Laboratorio. Ed. Piccin

3. R. M. Roberts, J. C. Gilbert, S.F. Martin. Chimica Organica Sperimentale.Zanichelli

4. K. L. Williamson, K. M. Masters. Macroscale and Miscoscale Organic Experiments. Ed. K. Williamson, Houghton Mifflin

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