Chimica Organica

Anno Accademico 2020/2021 

Programma del Corso (DEFINITIVO), valido per gli esami dal 1 Gennaio 2021 al 31 Dicembre 2021

Il programma è scritto in modo dettagliato affinché possa essere utilizzato anche come guida per lo studio e come mappa concettuale.

Guida per lo studio: Riferimenti ai capitoli del testo "Elementi di chimica organica" di Brown-Campbell-Farrel (pdf).  Nota Bene: per alcuni argomenti il testo va integrato con gli appunti e il materiale caricato su Teams/videolezioni Stream.

1. Chimica Organica Generale

• Struttura atomica, legame covalente, e configurazioni elettroniche degli elementi del 1° e 2° periodo, elettronegatività, legame chimico, regola dell’ottetto, ibridizzazione dell’atomo di carbonio, formule di Lewis, legami semplici e multipli, legami sigma e pi-greco, coppie solitarie, cariche formali, polarità dei legami, risonanza, carbocationi (sp2), carboanioni (sp3), radicali (sp2), numeri di ossidazione del carbonio, calcolo della somma dei numeri di ossidazione del carbonio in un composto organico, calcolo dei numeri di ossidazione di ciascun carbonio in un composto organico.

• Forze intermolecolari deboli: legame a idrogeno, forze dipolo-dipolo e silimi, forze di dispersione di London; punti di fusione e punti di ebollizione dei composti organici e loro relazione alla struttura molecolare; fattori strutturali che determinano la solubilità dei composti organici in acqua.

• Formalismo delle frecce curve da applicare alla risonanza e alle reazioni chimiche.

• Acidi e Basi: secondo Arrhrenius, secondo Bronsted-Lowry, secondo Lewis, Ka e pKa, equilibri acido-base, stima della posizione dell'equilibrio mediante i valori di pKa e/o mediante individuazione della coppia acido/base piu' debole, stima della K di equilibrio di reazioni acido-base secondo Bronsted-Lowry.

• Struttura e conformazione: alcani, cicloalcani, isomerie cis/trans di alcheni e cicloalcani, isomeria E/Z di alcheni, chiralità, isomeria R/S di composti chirali, enantiomeri e diastereoisomeri, attività ottica, miscele racemiche, composti meso, metodi per determinare la configurazione di un C asimmetrico sulle strutture a cunei pieni o tratteggiati, proiezioni di Fischer.

• Nomenclatura IUPAC e nomenclatura tradizionale dei gruppi funzionali elencati al punto 2. E' assolutamente necessario che lo studente conosca i nomi e le strutture dei piu' semplici composti organici con 1, 2, 3, 4 atomi di carbonio nei diversi stati di ossidazione (nomi IUPAC e nomi tradizionali), in particolare: metano, etano, propano, butano, isobutano, metanolo (alcol metilico), etanolo (alcol etilico), n-propanolo (alcol n-propilico), isopropanolo (alcol isopropilico), n-butanolo (alcol n-butilico), 2-butanolo (sec-butanolo, alcol sec-butilico), isobutanolo (alcol isobutilico, 2-metil-1-propanolo), terz-butanolo (alcol terz-butilico, 2-metil-2-propanolo), formaldeide (aldeide formica, metanale), acetaldeide (aldeide acetica, etanale), propionaldeide (aldeide propionica, propanale), aldeide butirrica (butirraldeide, butanale), propanone (acetone), acido formico (acido metanoico), acido acetico (acido etanoico), acido propionico (acido propanoico), acido butirrico (acido butanoico), formiato (metanoato), acetato (etanoato), propionato (propanoato), butirrato (butanoato).

2. Proprietà e Reattività dei Principali Gruppi Funzionali

• Alcani: reazioni di combustione e loro bilanciamento.

• Alcheni: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche, reattività: addizione di HX, addizione di H2O, stabilità dei carbocationi e regola di Markovnikov, addizione di X2; idrogenazione catalitica (riduzione) con H2/Pd. Cenni alla polimerizzazione degli alcheni (senza meccanismo).

• Alchini: acidità degli alchini terminali (pKa = 25);

• Coniugazione e aromaticita': stabilizzazione per risonanza, benzene e aromaticità, regola di Huckel, struttura dei principali composti aromatici (benzene, toluene, benzaldeide, acido benzoico, fenolo, anilina, piridina), nomenclatura orto-meta-para, proprietà fisiche, acidita' del fenolo, reazioni dei fenoli e polifenoli con radicali, ossidazione di catecolo a ortochinone, e ossidazione dell'idrochinone a parachinone.

• Alogenuri alchilici: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche; reazioni di sostituzione nucleofila SN2 per gli alogenuri primari e metilici con nucleofili forti; stereochimica della reazione SN2; reazione di eliminazione E2 e regola di Zaitsev per gli alogenuri secondari e terziari che reagiscono con basi forti;

• Alcoli, fenoli: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche, reattività: acidita' di alcoli (pKa ca 16) e di fenoli (pKa ca 10), deprotonazione di alcoli con sodio metallico, ossidazione di alcoli primari o secondari con acido cromico (alcol primari -> [aldeidi] ->acidi; alcol secondari -> chetoni; alcoli terziari -> non si ossidano); meccanismo E1 per la disidratazione di alcoli secondari e terziari acido-catalizzata.

• Ammine: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche, ammine alifatiche primarie, secondarie, terziarie, anilina, piridina. Basicità delle ammine (pKa degli acidi coniugati).

• Eteri: formazione degli eteri misti mediante sintesi di Williamson (SN2 tra un alogenuro metilico o primario e un alcossido o fenossido).

• Aldeidi e chetoni: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche, reattività: riduzione con acqua per dare gli idrati, addizione di 1 equivalente di alcol (emiacetali/emichetali), addizione di 2 equivalenti di alcol (acetali/chetali),  reazione inversa: da acetali ad emiacetali ad aldeidi/chetoni), reazione con idruri per dare alcoli (usando i donatori di idruro: NaBH4 oppure LiAlH4), ossidazione (aldeidi -> acidi carbossilici; chetoni -> non si ossidano), formazione di immine (basi di Schiff), cenni alla basicità delle immine.

• Zuccheri: cenni alla struttura del D-glucosio, forma aperta (aldeidica) e chiusa (emiacetalica), carbonio anomerico, anomeri alfa e beta, cenni alla formazione di disaccaridi e polisaccaridi, saggio di Tollens per il riconoscimento di zuccheri riducenti, rappresentazione di monosaccaridi ciclici secondo la proiezione di Haworth e secondo la rappresentazione tridimensionale, legame glicosidico, definizione di aglicone.

• Acidi carbossilici: struttura e proprietà fisiche e chimiche degli acidi carbossilici, acidi bicarbossilici, acidi grassi saturi e insaturi, nomenclatura IUPAC e tradizionale, auto-associazione di acidi grassi a formare micelle, acidita' degli acidi carbossilici (ed eventuali effetti induttivi, se presenti); esterificazione di Fischer; formazione di anidridi (senza meccanismo).

• Derivati degli acidi carbossilici: (a) esteri, struttura, nomenclatura, proprieta'. Idrolisi acida degli esteri, idrolisi basica degli esteri (saponificazione), trans-esterificazione acido-catalizzata, cenni alla struttura dei grassi e olii: tri- di- mono-gliceridi; (b) ammidi: formazione di ammidi per amminolisi di esteri, idrolisi acida delle amidi, idrolisi basica di ammidi.

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Lista dei meccanismi di reazione da studiare e rappresentare con il formalismo delle frecce curve:

• Tutte le reazioni acido-base secondo Bronsted-Lowry e secondo Lewis

• Addizione di acidi alogenidrici ad alcheni (regioichimica: Markovnikov)

• Addizione acido-catalizzata di acqua ad alcheni (idratazione) (regiochimica: Markovnikov)

• Addizione di alogeni ad alcheni (via ione alonio)

• Riduzione di alcheni (idrogenazione catalitica, con H2 adsorbito sul catalizzatore)

• Reazione dei fenoli con radicali

• Sostituzione nucleofila bimolecolare (SN2) per alogenuri primari e metilici con nucleofili forti

• Eliminazione bimolecolare (E2) per alogenuri secondari e terziari con basi forti, a dare alcheni

• Disidratazione acido-catalizzata (E1) di alcoli, a dare alcheni

• Idratazione acido-catalizzata di aldeidi e chetoni

• Formazione di emiacetali e acetali, in catalisi acida (anche reazione inversa, da acetale a emiacetale e da emiacetale a composto carbonilico)

• Riduzione di aldeidi e chetoni con donatori di idruro (LiAlH4 o NaBH4)

• Esterificazione di Fischer (acido carbossilico + alcol, catalisi acida)

• Idrolisi acida di Esteri (estere + acqua, catalisi acida)

• Saponificazione di Esteri (estere + OH-)

• Trans-esterificazione

• Amminolisi di Esteri (sintesi di ammidi) (estere + ammina)

• Idrolisi acida e basica di ammidi (ammide + acqua, catalisi acida)

Slides del corso telematico a.a. 2020/21

Link alla cartella Google-drive delle slides a.a. 2020/21

Anno Accademico 2021/2022 

Programma del Corso (DEFINITIVO), valido per gli esami dal 1 Gennaio 2022 al 31 Dicembre 2022

Il programma è scritto in modo dettagliato affinché possa essere utilizzato anche come guida per lo studio e come mappa concettuale.

Guida per lo studio: Riferimenti ai capitoli del testo "Elementi di chimica organica" di Brown-Campbell-Farrel.  Nota Bene: per alcuni argomenti il testo va integrato con gli appunti e il materiale caricato su Teams/videolezioni Stream.

1. Chimica Organica Generale

• Struttura atomica, legame covalente, e configurazioni elettroniche degli elementi del 1° e 2° periodo, elettronegatività, legame chimico, regola dell’ottetto, ibridizzazione dell’atomo di carbonio, formule di Lewis, legami semplici e multipli, legami sigma e pi-greco, coppie solitarie, cariche formali, polarità dei legami, risonanza, carbocationi (sp2), carboanioni (sp3), radicali (sp2), numeri di ossidazione del carbonio, calcolo della somma dei numeri di ossidazione del carbonio in un composto organico, calcolo dei numeri di ossidazione di ciascun carbonio in un composto organico.

• Forze intermolecolari deboli: legame a idrogeno, forze dipolo-dipolo e silimi, forze di dispersione di London; punti di fusione e punti di ebollizione dei composti organici e loro relazione alla struttura molecolare; fattori strutturali che determinano la solubilità dei composti organici in acqua.

• Formalismo delle frecce curve da applicare alla risonanza e alle reazioni chimiche.

• Acidi e Basi: secondo Arrhrenius, secondo Bronsted-Lowry, secondo Lewis, Ka e pKa, equilibri acido-base, stima della posizione dell'equilibrio mediante i valori di pKa e/o mediante individuazione della coppia acido/base piu' debole, stima della K di equilibrio di reazioni acido-base secondo Bronsted-Lowry.

• Struttura e conformazione: alcani, cicloalcani, isomerie cis/trans di alcheni e cicloalcani, isomeria E/Z di alcheni, chiralità, isomeria R/S di composti chirali, enantiomeri e diastereoisomeri, attività ottica, miscele racemiche, composti meso, metodi per determinare la configurazione di un C asimmetrico sulle strutture a cunei pieni o tratteggiati, proiezioni di Fischer.

• Nomenclatura IUPAC e nomenclatura tradizionale dei gruppi funzionali elencati al punto 2. E' assolutamente necessario che lo studente conosca i nomi e le strutture dei piu' semplici composti organici con 1, 2, 3, 4 atomi di carbonio nei diversi stati di ossidazione (nomi IUPAC e nomi tradizionali), in particolare: metano, etano, propano, butano, isobutano, metanolo (alcol metilico), etanolo (alcol etilico), n-propanolo (alcol n-propilico), isopropanolo (alcol isopropilico), n-butanolo (alcol n-butilico), 2-butanolo (sec-butanolo, alcol sec-butilico), isobutanolo (alcol isobutilico, 2-metil-1-propanolo), terz-butanolo (alcol terz-butilico, 2-metil-2-propanolo), formaldeide (aldeide formica, metanale), acetaldeide (aldeide acetica, etanale), propionaldeide (aldeide propionica, propanale), aldeide butirrica (butirraldeide, butanale), propanone (acetone), acido formico (acido metanoico), acido acetico (acido etanoico), acido propionico (acido propanoico), acido butirrico (acido butanoico), formiato (metanoato), acetato (etanoato), propionato (propanoato), butirrato (butanoato).

2. Proprietà e Reattività dei Principali Gruppi Funzionali

• Alcani: reazioni di combustione e loro bilanciamento.

• Alcheni: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche, reattività: addizione di HX, addizione di H2O, stabilità dei carbocationi e regola di Markovnikov, addizione di X2; idrogenazione catalitica (riduzione) con H2/Pd. Cenni alla polimerizzazione degli alcheni (senza meccanismo).

• Alchini: acidità degli alchini terminali (pKa = 25);

• Coniugazione e aromaticita': stabilizzazione per risonanza, benzene e aromaticità, regola di Huckel, struttura dei principali composti aromatici (benzene, toluene, benzaldeide, acido benzoico, fenolo, anilina, piridina), nomenclatura orto-meta-para, proprietà fisiche, acidita' del fenolo, reazioni dei fenoli e polifenoli con radicali, ossidazione di catecolo a ortochinone, e ossidazione dell'idrochinone a parachinone.

• Alogenuri alchilici: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche; reazioni di sostituzione nucleofila SN2 per gli alogenuri primari e metilici con nucleofili forti; stereochimica della reazione SN2; reazione di eliminazione E2 e regola di Zaitsev per gli alogenuri secondari e terziari che reagiscono con basi forti;

• Alcoli, fenoli: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche, reattività: acidita' di alcoli (pKa ca 16) e di fenoli (pKa ca 10), deprotonazione di alcoli con sodio metallico, ossidazione di alcoli primari o secondari con acido cromico (alcol primari -> [aldeidi] ->acidi; alcol secondari -> chetoni; alcoli terziari -> non si ossidano); meccanismo E1 per la disidratazione di alcoli secondari e terziari acido-catalizzata, reazione con HX per produrre alogenuri.

• Ammine: cenni alle struttura, nomenclatura, proprietà fisiche e chimiche, ammine alifatiche primarie, secondarie, terziarie, anilina, piridina. Basicità delle ammine (pKa degli acidi coniugati).

• Eteri: formazione degli eteri misti mediante sintesi di Williamson (SN2 tra un alogenuro metilico o primario e un alcossido o fenossido).

• Aldeidi e chetoni: struttura, nomenclatura, proprietà fisiche, reattività: addizione di acqua per dare gli idrati, addizione di 1 equivalente di alcol (emiacetali/emichetali), addizione di 2 equivalenti di alcol (acetali/chetali),  reazione inversa: da acetali ad emiacetali ad aldeidi/chetoni), reazione con idruri per dare alcoli (usando i donatori di idruro: NaBH4 oppure LiAlH4), ossidazione (aldeidi -> acidi carbossilici; chetoni -> non si ossidano), formazione di immine (basi di Schiff), cenni alla basicità delle immine.

• Zuccheri: cenni alla struttura del D-glucosio, forma aperta (aldeidica) e chiusa (emiacetalica), carbonio anomerico, anomeri alfa e beta, cenni alla formazione di disaccaridi e polisaccaridi, saggio di Tollens per il riconoscimento di zuccheri riducenti, rappresentazione di monosaccaridi ciclici secondo la proiezione di Haworth e secondo la rappresentazione tridimensionale, legame glicosidico, definizione di aglicone.

• Acidi carbossilici: struttura e proprietà fisiche e chimiche degli acidi carbossilici, acidi bicarbossilici, acidi grassi saturi e insaturi, nomenclatura IUPAC e tradizionale, auto-associazione di acidi grassi a formare micelle, acidita' degli acidi carbossilici (ed eventuali effetti induttivi, se presenti); esterificazione di Fischer; formazione di anidridi (senza meccanismo).

• Derivati degli acidi carbossilici: Gruppi funzionali di esteri e ammidi, cenni alla reattività. (a) esteri, struttura, nomenclatura, proprieta'. Idrolisi acida degli esteri, idrolisi basica degli esteri (saponificazione), trans-esterificazione acido-catalizzata, cenni alla struttura dei grassi e olii: tri- di- mono-gliceridi; (b) ammidi: formazione di ammidi per amminolisi di esteri, idrolisi acida delle amidi, idrolisi basica di ammidi.

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Lista dei meccanismi di reazione da studiare e rappresentare con il formalismo delle frecce curve:

• Tutte le reazioni acido-base secondo Bronsted-Lowry e secondo Lewis

• Addizione di acidi alogenidrici ad alcheni (regioichimica: Markovnikov)

• Addizione acido-catalizzata di acqua ad alcheni (idratazione) (regiochimica: Markovnikov)

• Addizione di alogeni ad alcheni (via ione alonio)

• Riduzione di alcheni (idrogenazione catalitica, con H2 adsorbito sul catalizzatore)

• Reazione dei fenoli con radicali

• Sostituzione nucleofila bimolecolare (SN2) per alogenuri primari e metilici con nucleofili forti

• Eliminazione bimolecolare (E2) per alogenuri secondari e terziari con basi forti, a dare alcheni

• Disidratazione acido-catalizzata (E1) di alcoli, a dare alcheni

• Sostituzione SN1/SN2 in ambiente acido per trasformare alcoli in alogenuri

• Idratazione acido-catalizzata di aldeidi e chetoni

• Formazione di emiacetali e acetali, in catalisi acida (anche reazione inversa, da acetale a emiacetale e da emiacetale a composto carbonilico)

• Riduzione di aldeidi e chetoni con donatori di idruro (LiAlH4 o NaBH4)

• Esterificazione di Fischer (acido carbossilico + alcol, catalisi acida)

• Idrolisi acida di Esteri (estere + acqua, catalisi acida)

• Saponificazione di Esteri (estere + OH-)

• Trans-esterificazione

• Amminolisi di Esteri (sintesi di ammidi) (estere + ammina)

• Idrolisi acida e basica di ammidi (ammide + acqua, catalisi acida)

Slides dei corsi telematici in epoca COVID

• Slides del corso telematico AA 2020-2021 (link alla cartella Google-Drive)

• Slides del corso telematico AA 2021-2022 (link alla cartella Google-Drive)