1016011 - CHIMICA GENERALE INORGANICA E ORGANICA 3
Modulo 1016013 - CHIMICA ORGANICA

Introduzione - Nozioni di base di chimica generale

Configurazione elettronica degli elementi e Regola dell’ottetto. Natura del legame chimico. Orbitali atomici, ibridazione e geometria molecolare, orbitali molecolari. Formule strutturali e condensate. Forze intermolecolari: interazioni dipolo-dipolo, dipolo-dipolo indotto, legame ad idrogeno e forze di van der Waals. Cenni di cinetica chimica. Concetto di acido e base secondo le teorie di Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Effetti induttivi e coniugativi (risonanza).

Gruppi funzionali, Classi di composti organici e nomenclatura

Descrizione dei gruppi funzionali. Classi di composti organici. Nomenclatura e caratteristiche chimico-fisiche.

Elementi di stereochimica

Introduzione al concetto di isomeria; configurazione assoluta e regole di priorità di Cahn-Ingold-Prelog; descrittori di configurazione cis/trans, E/Z, R/S; attività ottica; stereoisomeri: enantiomeri e diastereoisomeri; simmetria e chiralità; proiezioni di Fischer; isomeri conformazionali (proiezioni di Newman) e stereoisomeri.

Le reazioni della Chimica Organica

Terminologia e classificazione. Nucleofili ed elettrofili. Aspetti cinetici e termodinamioci. La rappresentazione delle frecce curve. Reazioni Radicaliche. Addizione Elettrofile. Sostituzioni Nucleofile (SN1, SN2; SNAr; SNAc). Eliminazioni E1 e E2. Sostituzioni Elettrofile Aromatiche ed effetto dei sostituenti. Addizioni nucleofile a legami multipli. Reazioni Pericicliche.

Alcani e Cicloalcani. Struttura degli alcani; isomeria strutturale degli alcani; nomenclatura IUPAC e tradizionale; classificazione degli atomi di carbonio e idrogeno. Cicloalcani: struttura e nomenclatura. Conformazioni degli alcani e cicloalcani; proprietà fisiche. Reazioni degli alcani: ossidazione, alogenazione (clorurazione e bromurazione - regioselettività). Sintesi: idrogenazione degli alcheni, riduzione degli alogenuri alchilici, Sintesi di Corey-House.

Alogenuri alchilici. Carattere elettrofilo del carbonio legato all’alogeno nei derivati alchilici. Reazioni di Sostituzione Nucleofila ed Eliminazione: meccanismi di reazione, stereochimica e fattori che influenzano la velocità delle reazioni SN2 ed SN1, E2 ed E1. Competizione tra sostituzione ed eliminazione. Stabilità e Geometria dei carbocationi e dei carbanioni.

Alcheni. Nomenclatura; stereoisomeria; Reazioni di addizione; meccanismi di reazione e stereochimica; addizione di acidi alogenidrici, di acqua, di bromo, di cloro e formazione di aloidrine, idroborazione-ossidazione, idrogenazione catalitica. Ozonolisi. Di-idrossilazione sin ed anti (dioli). Scissione ossidativa dei doppi legami. Riduzione (idrogenazione). Stabilità degli alcheni. Addizione radicalica di acido bromidrico. Radicale allilico e catione allilico: descrizione, stabilità e risonanza. Clorurazione e bromurazione allilica. Sintesi: deidroalogenazione di alogenuri alchilici, deidratazione degli alcoli.

Alchini. Nomenclatura; comportamento acido dell’acetilene e degli alchini terminali. Preparazione: deidroalogenazione dei di-alogenuri alchilici. Reazioni degli acetiluri metallici con alogenuri alchilici primari. Reazioni: idroalogenazione, idratazione (tautomeria cheto-enolica), alogenazione, ozonolisi, riduzione. Alchilazione degli alchini terminali.

Dieni e polieni. Conformazioni e stabilità. Addizione 1,2 ed 1,4 (controllo cinetico e termodinamico). La luce e la sua interazione con le molecole organiche; il colore; la chimica della visione. Reazione di Diels-Alder (cenni).

Composti Aromatici - Benzene: struttura e stabilità del. Regola di Hückel. Composti policiclici aromatici: naftalene, antracene, fenantrene, pirene e benzo[a]pirene.

Sostituzione Elettrofila Aromatica : reazioni e meccanismi di: alogenazione, nitrazione, solfonazione, alchilazione ed acilazione di Friedel-Crafts. Effetto dei sostituenti su reattività ed orientamento (gruppi attivanti e disattivanti).

Alchil benzeni: Radicali e cationi benzilici. Alogenazione in catena laterale ed ossidazione.

Alcoli. Nomenclatura; struttura e proprietà acido-base. Reazioni: con acidi alogenidrici (reatività di HX e di ROH), con cloruro di tionile, con cloruro di metansolfonile, con cloruro di tosile, con tribromuro di fosforo. Disidratazione. Formazione degli esteri. Sintesi: Idratazione degli alcheni, Ossimercuriazione-demercuriazione, Idroborazione-ossidazione, Sostituzione nucleofila con ossidrili, Sintesi di Grignard, Riduzione dei composti carbonilici, degli acidi e degli esteri.

Eteri. Nomenclatura; struttura e proprietà. Reazioni: scissione con acidi. Sintesi: deidratazione intra- ed intermolecolare degli alcoli. Alcossimercuriazione-demercuriazione. Alchilazione degli alcoli, Sintesi di Williamson.

Epossidi. Nomenclatura; struttura e proprietà. Reazioni: Scissione catalizzata da acidi e da basi: reazione con i reattivi di Grignard. Sintesi: Ossidazione degli alcheni con composti perossidici. Deidroalogenazione delle aloidrine.

Dioli. Sintesi: Idrossilazione degli alcheni ed Apertura dell’anello epossidico: Aspetti meccanicistici e stereochimici. Reazioni: Ossidazione con acido periodico. Formazione di acetali e chetali.

Alogenuri arilici. Reazioni: Sostituzione nucleofila aromatica per addizione-eliminazione (SNAr) e per eliminazione-addizione. Sostituzione nell’anello. Sintesi: Alogenazione diretta; Sostituzione dell’azoto dei sali di diazonio.

Fenoli. Proprietà acido-base. Sostituzione nell’anello (Reazione di Reimer-Tieman, Nitrosazione, Copulazione). Formazione di esteri. Formazione di eteri. Sintesi: trasposizioni degli idroperossidi; processo Dow; fusione alcalina dei solfonati; idrolisi dei sali di diazonio.

Aldeidi e Chetoni: Addizione Nucleofila al gruppo carbonilico. Nomenclatura; Proprietà fisiche e chimiche; Struttura del gruppo carbonilico. Sintesi: Ossidazione degli alcheni e degli alcoli; Idratazione ed idroborazione degli alchini. Ozonolisi degli alcheni. Riduzione controllata dei cloruri acilici (riduzione di Rosenmund), esteri e nitrili; Acilazione di Friedel-Crafts. Addizione di reattivi di Grignard ai nitrili. Reazioni: addizioni nucleofile al doppio legame carbonio-ossigeno; Nucleofili all’ossigeno [acqua, (dioli geminali), alcoli (emicetali, acetali, chetali)]; Nucleofili all’azoto [ammoniaca e derivati (immine ed enammine), idrazina, idrossilammina]; Nucleofili all’idrogeno (riduzione ad alcoli con idruri o con idrogeno in presenza di catalizzatori metallici); Nucleofili al carbonio [acido cianidrico (cianidrine), di ilidi di fosfonio (reazione di Wittig), di reagenti organometallici (reattivi di Grignard, alchilacetiluri)]: Ossidazioni [(potassio permanganato, ossido di argento e perossiacidi (ossidazione di Baeyer-Villiger)].

Aldeidi e Chetoni: Enoli ed enolati. Acidità degli idrogeni in α al carbonile. Enoli e Ioni Enolato: Tautomeria cheto-enolica (catalisi acida e basica). Alogenazione di aldeidi e chetoni (catalisi acida e basica). Reazione aloformica. Addizione Aldolica (catalisi acida e basica), disidratazione degli aldoli (condensazione). Reazione di Cannizzaro.

Acidi carbossilici. Nomenclatura; Proprietà fisiche e chimiche; Struttura del gruppo carbossilico. Sintesi: Ossidazione di alcoli primari ed aldeidi (acido cromico); Ossidazione di alcheni e alchini (permanganato a caldo, ozonolisi); Ossidazione delle catene laterali di alchilbenzeni (permanganato a caldo) e di anelli benzenici (con ozono); Ossidazione di metilchetoni (reazione aloformica); Carbonatazione dei reattivi di Grignard; Idrolisi acida e basica di nitrili, cloruri acilici, anidridi, esteri ed ammidi. Reazioni: acidità degli idrogeni carbossilici e l’acidità degli idrogeni in posizione α, basicità dell’ossigeno carbonilico. Sostituzione nucleofila acilica con SOCl2, con PX3 o PX5; riduzione controllata ad aldeidi [Li(OBu)3AlH, DIBAL-H] e ad alcoli [LiAlH4]. Reazione di Hell-Volhard-Zelinski.

Derivati funzionali degli acidi carbossilici. Struttura e nomenclatura e reattività. Alogenuri degli acidi. Anidridi degli acidi. Esteri. Ammidi. Reazioni di Sostituzione Nucleofila Acilica (SNAc). Reazione con acqua, con alcoli, alogenuri acilici, con ammoniaca ed ammine.

Nitrili. Sintesi: sostituzione di alogenuri alchilici con cianuro; disidratazione di ammidi primarie; disidratazione delle ossime con anidride acetica. Reazioni: addizione di alcoli e di ammine; riduzione con LiAlH4, con H2 in presenza Ni, con DIBAL-H: idrolisi in ambiente acido e basico.

Composti beta-dicarbonilici. Acidità e reazioni dei composti β-dicarbonilici: Sintesi acetacetica. Sintesi malonica. Condensazione di Claisen.

Composti carbonilici α,β-insaturi. Reazioni: addizioni nucleofile di composti azotati, ossigenati, e carboniosi. Addizione di Michael. Addizione diretta e coniugata. Sintesi: Condensazione di Knoevenagel.

Ammine alifatiche e aromatiche. Nomenclatura; struttura; proprietà fisiche; proprietà acido-base; fattori che influenzano la basicità; proprietà nucleofile dell’azoto. Sintesi: ammonolisi degli alogenuri; alchilazione di immidi (sintesi di Gabriel); riduzione di nitrocomposti, ammidi, nitrili ed azidi; amminazione riduttiva; trasposizioni di Hofmann e di Curtius. Reazioni: alchilazione, acilazione. Eliminazioni di Hofmann e di Cope. Saggio di Hinsberg. Reazioni con acido nitroso: diazotazione, N-nitrosammine; Sintesi mediante i sali di arendiazonio: sostituzione del gruppo diazonio con idrossido, cloruro, bromuro, ioduro e cianuro (reazioni di Sandmeyer), fluoruro (reazione di Schiemann) e con idrogeno – Reazioni di diazocopulazione

Biomolecole

Amminoacidi. Struttura, nomenclatura, stereochimica e caratteristiche fisiche. Struttura zwitterionica e sue conseguenze; acidità e basicità (punto isoelettrico, curva di titolazione di amminoacidi). Sintesi: amminazione di α-alogenoacidi, sintesi di Strecker, di Grabriel e di Schmidt. Sintesi mediante l’estere malonico. Amminazione riduttiva e transamminazione. Esempi di sintesi stereoselettive. Risoluzione di miscele racemiche di α-amminoacidi. Reazioni: Reazioni dei gruppi amminoacidici e dei gruppi funzionali delle catene laterali. Reazione con acido nitroso. Saggio alla ninidrina. Reazioni di protezione del gruppo carbossilico (come estere metilico, etilico, benzilico o terz-butilico) e del gruppo amminico (cbz, boc e fmoc).

Peptidi e Proteine. Caratteristiche del legame peptidico. Convenzione nella scrittura di catene polipeptidiche. Struttura primaria e determinazione della sequenza degli amminoacidi (degradazioni di Sanger e di Edman). Idrolisi chimica ed enzimatica. Struttura secondaria, terziaria e quaternaria. Sintesi classica di peptidi e proteine, sintesi in fase solida di Merrifield.

Carboidrati. Monosaccaridi: classificazione, nomenclatura, struttura (proiezioni di Fischer, di Haworth e strutture a sedia). Forme cicliche emiacetaliche furanosiche e piranosiche, anomeri α e β, mutarotazione. Effetto anomerico. Reazioni: formazione di glicosidi, determinazione della dimensione dell’anello, eterificazione, esterificazione. Trattamento con alcali. Reazioni di ossidazione in ambiente acido e basico (reattivi di Fehling, di Benedict, di Tollens, acqua di bromo, acido nitrico, acido periodico). Riduzione ad alditoli. Epimerizzazione. Reazione con fenilidrazina (fenilidrazoni ed osazoni). Sintesi di Kiliani-Fischer. Degradazione di Wohl. Disaccaridi: saccarosio, maltosio, cellobiosio, lattosio. Polisaccaridi: amido, glicogeno, cellulosa e derivati.

Lipidi. Acidi grassi, saponi e detergenti. la struttura degli acidi grassi. Struttura e preparazione dei saponi naturali. Prostaglandine. Steroidi. Fosfolipidi. Cenni su biosintesi acidi grassi.

Nucleosidi e nucleotidi. Struttura, proprietà fisiche e reattività. Composti eterociclici azotati. Cenni di sintesi del DNA. Uso biologico e biomedico di nucleosidi e nucleotidi.