CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO

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1 DIPARTIMENTO DI SCIENZE CHIMICHE Corso di laurea in Chimica Anno accademico 2015/ anno CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO 12 CFU - 2 semestre Docenti titolari dell'insegnamento CORRADO TRINGALI - Modulo - CHIM/06-6 CFU ctringali@unict.it Edificio / Indirizzo: Viale A. Doria Catania - Edificio 2 Telefono: Orario ricevimento: Da lunedì a venerdì, sempre disponibile tramite appuntamento via DOMENICO SCIOTTO - Modulo CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2) - CHIM/06-6 CFU dsciotto@unict.it Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Scienze Chimiche, edificio 2 Telefono: Orario ricevimento: Disponibile tutti i giorni PREREQUISITI RICHIESTI Buone conoscenze di chimica generale. Conoscenze di base di Matematica e Fisica. FREQUENZA LEZIONI Obbligatoria almeno per il 75% delle lezioni. CONTENUTI DEL CORSO Modulo 1 dell insegnamento Chimica organica I e Laboratorio (6 CFU) 1. Introduzione. (Lez. 1) Le origini della chimica organica. Perché studiare la chimica organica. Come studiare la chimica organica. Organizzazione del corso. La chimica del carbonio. 2. Struttura delle molecole. (Lez. 2 5) Orbitali atomici. Configurazione elettronica dell atomo di carbonio. La regola dell ottetto. Formazione di legami covalenti. Legami covalenti polari e apolari. La scala di elettronegatività di Pauling. Le strutture di Lewis e di Kekulé. Teorie VB e MO.

2 Legami sigma. Promozione degli elettroni. Ibridazione degli orbitali: ibridi sp 3, sp 2 ed sp. La teoria VSEPR. Geometria delle molecole. Struttura dell etano. Legami pi greco; struttura dell etene e dell etino. Risonanza: forme mesomere e ibrido di risonanza. Energia di risonanza e delocalizzazione degli elettroni. Struttura dello ione carbonato. Momenti dipolari e interazioni dipolo-dipolo. Legami a idrogeno. Struttura e proprietà fisiche. Interazioni soluto-solvente. Strutture e modelli molecolari. Classificazione dei composti organici. Gruppi funzionali. Isomeria di struttura. Cenni sulla struttura dei composti aromatici. 3. Le reazioni in chimica organica. (Lez. 6 8) Scissione omolitica ed eterolitica di un legame. Carbocationi, carbanioni e radicali. Acidi e basi secondo Brønsted-Lowry. Costante di dissociazione acida e pka. Forza relativa degli acidi e valori di pka. Fattori che influenzano l acidità: elettronegatività, dimensione dell atomo, ibridazione. L equilibrio nelle reazioni acido-base. Acidi e basi secondo Lewis. Reazioni organiche: diagramma dell energia libera: coordinata di reazione. Cinetica e termodinamica. Reazioni esoergoniche ed endoergoniche. Reazioni esotermiche ed endotermiche. Numero di osssidazione dei composti organici. 4. Alcani. (Lez. 9-12) Classificazione degli idrocarburi. Nomenclatura IUPAC e nomi d uso degli alcani. Alcani ramificati. Cicloalcani. Le conformazioni di alcani e cicloalcani. Cicloalcani disostituiti. Stereoisomeria cis-trans. Proprietà fisiche. Fonti naturali e usi degli alcani. Cere paraffiniche. Proprietà chimiche: combustione; alogenazione. Meccanismo della sostituzione radicalica (SR). Reazioni a stadi. Stadio cineticamente determinante. BDE e stabilità dei radicali alchilici: iperconiugazione e risonanza. Postulato di Hammond. Regioselettività nella alogenazione degli alcani. 5. Alcheni. (Lez ) Nomenclatura. Struttura: lunghezze di legame. Grado di insaturazione. Isomeria cis-trans negli alcheni. Regole di priorità: nomenclatura E,Z. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Isoprenoidi. Proprietà chimiche: addizione elettrofila (AE) al doppio legame. Meccanismo della AE. Addizione di acidi alogenidrici. Stabilità dei carbocationi. Regioselettività: regola di Markovnikov. Trasposizione di carbocationi. Addizione anit-markovnikov: effetto perossidi. Addizione di alogeni. Formazione di aloidrine. Reazioni organiche con catalizzatore. Addizione di H 2 O. Catalisi enzimatica e addizione di H 2 O nei sistemi biologici. Addizione di alcoli. Addizione di perossiacidi. Idroborazione-ossidazione. Ossidazione a glicoli. Idrogenazione catalitica. Calore di idrogenazione e stabilità. Sostituzione radicalica allilica. Radicali allilici. 6. Dieni. (Lez ) Dieni e polieni: classificazione, nomenclatura. Struttura degli alleni e dei dieni coniugati. Stabilizzazione dei dieni coniugati: risonanza e orbitali molecolari. Cenni su orbitali di frontiera (HOMO e LUMO). Addizione elettrofila 1,2 e 1,4 ai dieni coniugati. Carbocatione allilico. Controllo cinetico e controllo termodinamico. 7. Alchini. (Lez ) Nomenclatura. Struttura: lunghezze di legame. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Addizione elettrofila: addizione di acidi alogenidrici e di alogeni. Idrogenazione. Catalizzatore di Lindlar e reazioni stereoselettive. Acidità degli alchini terminali: acetiluri. 8. Stereochimica. (Lez ) Chiralità delle molecole. Carbonio asimmetrico e centro stereogenico. Enantiomeri e diastereoisomeri. Configurazioni R, S: regole di priorità di Cahn, Ingold e Prelog. Metodi di rappresentazione tridimensionale delle molecole: proiezioni di Fisher. Attività ottica. Polarimetro. Rotazione specifica. Molecole intrinsecamente chirali: atropoisomeri.

3 Stereoisomeri con due o più atomi C asimmetrici. Composti meso. Proprietà fisiche di enantiomeri e diastereoisomeri. Racemi e loro risoluzione. Stereochimica delle reazioni organiche: reazioni diastereoselettive ed enantioselettive. Enantioselettività degli enzimi. Stereochimica della alogenzione radicalica. Stereochimica della addizione elettrofila ad alcheni. 9. Alogenuri Alchilici. (Lez ) Nomenclatura. Struttura: lunghezze dei legami carbonioalogeno. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche. Sostituzione nucleofila bimolecolare S N 2. Meccanismo della S N 2. Reazioni di secondo ordine. Ingombro sterico e ordine di reattività degli alogenuri nella S N 2. Inversione della configurazione. Fattori che influenzano le reazioni S N 2: gruppo uscente, nucleofilo, solvente. Solventi protici e aprotici. Sostituzione nucleofila bimolecolare S N 1. Meccanismo della S N 1. Reazioni di primo ordine. Stabilità dei carbocationi e ordine di reattività nella S N 1. Alogenuri allilici. Racemizzazione. Fattori che influenzano le reazioni S N 1. Confronto fra S N 2 e S N 1. Eliminazione bimolecolare E2. Regioselettività e stereoselettività nelle reazioni E2. La regola di Zaitsev. Eliminazione monomolecolare E1. Regioselettività e stereoselettività nelle reazioni E1. Confronto fra E1 ed E2. Competizione fra sostituzione ed eliminazione. Formazione dei reattivi di Grignard: composti organometallici. 10. Alcoli ed eteri. (Lez ) Nomenclatura. Struttura. Proprietà fisiche. Legami a idrogeno. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche. Formazione di sali; acidità e basicità. Reazione con metalli. Formazione di alogenuri alchilici: reazioni con acidi alogenidrici e con agenti alogenanti; meccanismo (S N 2 e S N 1). Disidratazione catalizzata da acidi; meccanismo (E1 ed E2). Regioselettività e stereoselettività. Ossidazione degli alcoli primari e secondari. Formazione di semiacetali e acetali (vedi aldeidi e chetoni). Formazione di esteri (vedi acidi carbossilici e derivati). Eteri: nomenclatura e struttura. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche. Scissione con HI o HBr. Meccanismo (S N 2 e S N 1). Epossidi (ossirani): nomenclatura e struttura. Reazioni di apertura dell anello. 11. Composti solforati e ammine alifatiche. (Lez ) Nomenclatura e struttura: tioli, solfuri, disolfuri, solfossidi, solfoni, acidi solfonici. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche di tioli e solfuri: formazione di tiolati e complessi con Hg; reazioni con alogenuri alchilici. Ammine alifatiche: nomenclatura. Struttura: inversione all azoto. Proprietà fisiche: legame a idrogeno. Fonti naturali e applicazioni. Alcaloidi. Proprietà chimiche. Formazione di Sali: basicità. Alchilazione dell ammoniaca e delle ammine. Meccanismo (S N 2). Eliminazione di Hoffmann. Meccanismo: regioselettività. Formazione di immine (vedi aldeidi e chetoni). Formazione di ammidi (vedi acidi carbossilici e derivati). 12. Aldeidi e chetoni. (Lez ) Composti carbonilici, acidi carbossilici e derivati. Nomenclatura di aldeidi e chetoni. Struttura dei composti carbonilici: il legame CO: orbitali molecolari e risonanza. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche: addizione nucleofila al carbonile. Aspetti meccanicistici e stereochimici nella addizione ai composti carbonilici. Reazione con NaBH 4. Reazione con reattivi di Grignard. Reazione con HCN. Reazione con acetiluri. Reazione con alcoli: formazione di emiacetali e acetali: meccanismo con catalisi acida e basica. Acetali come gruppi protettori. Emiacetali ciclici: carboidrati. Formazione di immine (basi di Schiff) e derivati imminici (ossime, semicarbazoni, idrazoni). Formazione di enammine. Ossidazione di aldeidi ad acidi. Ossidazione di Bayer-Williger dei chetoni. Riduzione ad alcoli. Riduzione di Wolff-Kishner. Acidità degli idrogeni in a al carbonile. Tautomeria chetoenolica. Racemizzazione. Addizione nucleofila coniugata: meccanismo. Condensazione aldolica: meccanismo.

4 13. Acidi Carbossilici e derivati. (Lez ) Acidi carbossilici: nomenclatura. Nomi comuni di acidi carbossilici di origine naturale; acidi grassi. Nomenclatura dei derivati degli acidi: alogenuri acilici, anidridi, esteri, lattoni, ammidi, lattami, nitrili. Struttura di acidi e derivati. Proprietà fisiche. Fonti naturali e applicazioni. Proprietà chimiche. Sostituzione nucleofila acilica: aspetti meccanicistici. Scala di reattività degli acidi carbossilici e derivati. Acidi carbossilici: formazione di Sali. Acidità; effetto dei sostituenti. Saponi. Esterificazione di Fisher. Formazione di cloruri acilici. Riduzione di con LiAlH 4. Cloruri acilici: idrolisi. Conversione a esteri, anidridi, ammidi. Anidridi: idrolisi. Conversione a esteri e ammidi. Esteri: idrolisi in condizioni acide e basiche. Transesterificazione. Amminolisi. Ammidi: idrolisi acido-catalizzata. Conversione a esteri. Nitrili: idrolisi acida. TESTI DI RIFERIMENTO 1. P. Y. BRUICE - Chimica organica - 2a Edizione EdiSES 2. W.H. BROWN e altri autori - Chimica Organica 5a Edizione EdiSES 3. Diapositive del corso (vedi: materiale didattico) I testi base consigliati includono gli argomenti descritti nel programma sopra riportato con la medesima dizione, chiaramente descritta nell indice e facilmente accessibile a uno studente universitario di primo anno. In alcuni casi il docente ha ritenuto opportuno introdurre alcuni argomenti con una scansione leggermente diversa da quella prevista dai testi consigliati. Il docente ritiene che collegare i contenuti delle lezioni con il materiale disponibile sui testi consigliati costituisca un utile esercizio per lo studente; tuttavia per eliminare eventuali difficoltà cui dovesse andare incontro anche una minima percentuale degli studenti, il docente rende disponibile su STUDIUM copia delle slides delle lezioni, che di fatto costituiscono anche una guida alla consultazione dei testi. ALTRO MATERIALE DIDATTICO Le diapositive del corso saranno rese disponibili temporaneamente, in formato pdf, sulla piattaforma STUDIUM ( Di norma questo materiale è riservato agli studenti che frequentano le lezioni, solo per uso personale. Ne è vietata ogni forma di diffusione o commercializzazione, inclusa la vendita di fotocopie. Chi vende o acquista questo materiale potrà risponderne in termini di legge. PROGRAMMAZIONE DEL CORSO * Argomenti Riferimenti testi

5 1 Introduzione 3: prima parte 2 * Struttura delle molecole 1,2: capitoli introduttivi; 3: seconda parte 3 * Le reazioni in chimica organica 1,2: capitolo 'Alcani'; 3: seconda parte 4 * Alcani 1,2: consultare l'indice; 3: terza parte 5 * Alcheni 1,2: consultare l'indice; 3: quarta parte 6 * Dieni 1,2: consultare l'indice; 3: quinta parte 7 * Alchini 1,2: consultare l'indice; 3: quinta parte 8 * Stereochimica 1,2: consultare l'indice; 3: sesta parte 9 * Alogenuri Alchilici 1,2: consultare l'indice; 3: settima parte 10 * Alcoli ed eteri 1,2: consultare l'indice; 3: ottava parte 11 * Composti solforati e ammine alifatiche 1,2: capitoli introduttivi; 3: ottava parte 12 * Aldeidi e chetoni 1,2: capitoli introduttivi; 3: nona parte 13 Gli argomenti minimi irrinunciabili per il superamento dell esame sono quelli trattati nelle diapositive del corso, disponibili su STUDIUM * Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame. N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame. VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO Prova orale. CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2) Verrà valutata, nelle prove pratiche di laboratorio, la capacità di gestire e condurre in modo autonomo, seguendo in modo rigoroso le procedure di sicurezza, semplici operazioni di laboratorio chimico coinvolgenti composti organici, così come la capacità di programmare in modo corretto le attività associate. Verranno valutate, inoltre, nell'esame orale, la conoscenza degli aspetti teorici delle esperienze di laboratorio, l'applicazione della spettroscopia IR a semplici molecole e la capacità di stilare una reazione scientifica.

6 PROVE IN ITINERE CHIMICA ORGANICA I E LABORATORIO (Mod. 2) Non previste ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI Non ci sono domande più frequenti di altre (se non per evento casuale) in quanto tutti i contenuti trattati a lezione sono considerati egualmente importanti per una adeguata preparazione nella Chimica Organica di base e sono oggetto, a rotazione, di interrogazione all esame. Si veda anche: argomenti minimi irrinunciabili.