Università degli Studi di Bari Dipartimento di Farmacia Scienze del Farmaco Corso di Laurea in Tecniche Erboristiche A.A. 2013-2014 Chimica Organica Prof. Giuseppe Gerardo Carbonara Finalità. Scopo del corso è quello di evidenziare i principi fondamentali della Chimica Organica, i suoi aspetti applicativi e i suoi stretti collegamenti con la vita di tutti i giorni, con i processi biologici e con la struttura e l azione farmacologica. Organizzazione. Il Corso è articolato in lezioni ed esercitazioni in aula per sette ore settimanali per un totale di circa cento ore di didattica frontale. Esame finale e modalità di svolgimento. L'esame consiste in una prova scritta preliminare all ammissione alla prova orale, costituita da otto esercizi che spaziano sull intero programma. Lo studente ammesso al colloquio finale deve dimostrare di: a) essere in possesso delle conoscenze teoriche di base della chimica organica; conoscere le caratteristiche strutturali delle molecole organiche, la stereochimica e le proprietà chimico-fisiche; la reattività acidobase; conoscere le molecole organiche naturali e di interesse biologico (amminoacidi, zuccheri, basi azotate, lipidi, ecc.); b) risolvere esercizi sulla reattività e le trasformazioni dei gruppi funzionali più comuni, formulando meccanismi di reazione plausibili; d) proporre metodologie di sintesi di molecole semplici. Programma 1. COS È LA CHIMICA ORGANICA? I. Natura della chimica organica II. Storia e attività presente III. Identità e purezza delle sostanze IV. Metodi di purificazione e separazione V. Analisi elementare quantitativa e formule molecolari 2. LA STRUTTURA DEI COMPOSTI ORGANICI E LE CARATTERISTICHE CHIMICO- FISICHE 1. Caratteristiche dei legami chimici I. Struttura atomica II. Legame ionico e legame covalente III. Formule strutturali ed isomeri IV. Ioni covalenti e strutture isoelettroniche V. Orbitali atomici VI. Orbitali molecolari VII. Ibridazione e legami covalenti VIII. Distanze ed angoli di legame IX. Energie di legame X. Elettronegatività e dipoli 1
XI. Legame d idrogeno 2. Conseguenze del legame chimico I. Idrocarburi II. Gruppi funzionali III. Determinazione della struttura delle molecole organiche IV. Nomenclatura 3. Rassegna delle classi di sostanze I. Idrocarburi II. Composti contenenti gruppi funzionali semplici III. Composti contenenti gruppi funzionali non saturi 4. Legami coniugati: Risonanza, Tautomeria ed Aromaticità I. Il metodo degli orbitali molecolari II. Il metodo della risonanza III. Applicazioni qualitative del concetto di risonanza IV. Risonanza e tautomeria. Un confronto V. Aromaticità 5. Geometria molecolare. Conformazione e Stereochimica I. Modelli e rappresentazioni di molecole II. Rotazione impedita. Doppi legami III. Rotazione impedita. Legami singoli IV. Tensione angolare V. Analisi conformazionale VI. Analisi conformazionale di composti ciclici VII. Simmetria, asimmetria e chiralità VIII. Attività ottica IX. Carbonio asimmetrico: configurazione X. Centri asimmetrici XI. Stereoisomeria in composti ciclici XII. Asimmetria molecolare XIII. Separazione, determinazione e interconversione di stereoisomeri 6. Proprietà fisiche e struttura molecolare I. Punti di transizione e solubilità II. Interazioni intermolecolari III. Spettri di assorbimento: generalità IV. Spettri nell ultravioletto e nel visibile (cenni) V. Spettri infrarossi (cenni) VI. Spettri di risonanza magnetica nucleare (cenni) VII. Spettri di massa (cenni) 7. Reattività chimica e struttura molecolare I. Acidi e basi protici II. Scale di acidità e basicità III. Energia e reazioni acido-base IV. Effetti di risonanza 2
V. Effetti induttivi ed elettrostatici VI. Effetti sterici e legame d idrogeno VII. Acidi e basi di Lewis VIII. Complessi a trasferimento di carica IX. Tautomeria X. Usi degli acidi e basi 3. LA STRUTTURA E LA REATTIVITÀ 1. Reazioni Organiche - Terminologia e classificazione - Natura delle reazioni ioniche - Energie di reazione ed equilibrio - Velocità di reazione e teoria dello stato di transizione - Studio sperimentale delle reazioni 2. Sostituzione nucleofila al carbonio saturo - Meccanismo e utilità della sostituzione - Stereochimica - Reattività relative nella sostituzione - Partecipazione di gruppi circostanti e ciclizzazione - Reazioni competitive 3. Impiego della sostituzione nucleofilica nella sintesi organica - Alcoli e composti C O - Tioli e altri composti C S - Alogenuri alchilici: legami C X - Ammine e altri composti C N - Formazione di legami C H per spostamento con idruri - Formazione di legami C C: generalità - Formazione di legami C C: alchilazione di enolati 4. Carbonile e gruppi affini: addizione nucleofilica - Considerazioni generali sulla reattività del carbonile - Addizione nucleofilica con eteroatomi (N, O, S, X) - Nucleofili donatori di ione idruro - Addizioni di carbanioni; reagenti organometallici - Addizione eliminazione; la condensazione aldolica - Addizione viniloga o coniugata - Derivati dell anidride carbonica - Addizione nucleofilica a gruppi affini 5. Gruppi carbonilici e analoghi. Sostituzione nucleofilica - La famiglia degli acidi carbossilici - Sostituzione mediante idruri e carbanioni organometallici - Acilazione del carbonio - Reazioni di ciclizzazione del carbonile - Decomposizione dei composti -dicarbonilici - Derivati dell acido carbonico e decarbossilazione 3
- Sostituzione nucleofilica su gruppi insaturi analoghi - Sostituzione viniloga - Altre sostituzioni nucleofiliche aromatiche - Addizioni e sostituzioni nucleofiliche in sintesi organica 6. Reazioni di eliminazione - Formazione di alcheni per eliminazione di protoni - Formazione di alcheni attraverso altri tipi di eliminazione - Altri doppi legami (C=N; C=O) formati per eliminazione - Legami tripli formati per eliminazione 7. Addizione elettrofilica a legami multipli - Direzione e stereochimica dell addizione - Alogenuri alchilici da reazioni di addizione - Formazione di alcoli e composti analoghi per idratazione - Altre addizioni di tipo trans - Addizione cis - Addizioni ed eliminazioni nelle reazioni di sintesi 8. Sostituzioni elettrofiliche; composti aromatici - Meccanismo della sostituzione elettrofilica - Alogenazione; alogenuri arilici - Nitrazione; legami arile-azoto - Solfonazione; legami arile-zolfo - Il protone come elettrofilo - Alchilazione e acilazione - Sintesi di composti aromatici 9. Composti eterociclici - Aromaticità e reattività - Eterociclici a cinque termini - Eterociclici a sei termini - Eterociclici con due o più eteroatomi - Eterociclici biologicamente importanti 10. Trasposizioni molecolari (cenni) - Trasposizioni a centri elettron-deficienti - Orientazione e stereochimica della trasposizione - Trasposizioni a centri ricchi di elettroni (anionici) - Migrazione di legami doppi e tripli - Migrazione di gruppi funzionali - Trasposizioni su anelli aromatici 11. Ossidazioni e riduzioni - Generalità; stati di ossidazione - Ossidazioni a un solo atomo di carbonio - Ossidazioni a due atomi di carbonio adiacenti - Ossidazione di altri atomi - Idrogenazione catalitica 4
- Riduzioni con idruri - Riduzioni con metalli - Utilizzazione di ossidazioni e riduzioni in sintesi organica 12. Elementi della terza riga: zolfo e fosforo (cenni) - Le speciali proprietà degli elementi della terza riga - Stati di ossidazione e loro interconversione - Il fosforo come nucleofilo - Il fosforo come elettrofilo - Lo zolfo come nucleofilo - Lo zolfo come elettrofilo 13. Reazioni radicaliche (cenni) - Radicali liberi stabili - Generazione di radicali - Reazioni di accoppiamenti di radicali - Sostituzione al carbonio saturo - Addizioni radicaliche - Sostituzione aromatica - Stereochimica delle sostituzioni radicaliche 4. LA SINTESI DEI COMPOSTI ORGANICI 1. Sintesi organiche - Fattori che intervengono in un progetto di sintesi - Formazione di legami carbonio-carbonio - Interconversione di gruppi funzionali - Stereochimica 2. La green chemistry (cenni) 5. LE MOLECOLE DELLA VITA 1. Polimeri naturali e sintetici - Polimeri di condensazione - Polisaccaridi e lignine - Amminoacidi e proteine - Acidi nucleici - Proprietà fisiche dei polimeri 2. La chimica dei prodotti naturali - Biosintesi di prodotti naturali - Zuccheri - Acetogenine - Terpeni e steroidi - Alcaloidi 5
Testi di riferimento. - Chimica Organica J.B. Hendrickson, D.J. Cram, G.S. Hammond Piccin Editore, Padova, 1986 Brown, Foote, Inverson, Anslyn 4 ed EdiSES, 2009 - Chimica Organica Un approccio biologico J. McMurray Zanichelli, 2008 - Chimica Organica P.Y. Bruice EdiSES, Napoli, 2008 - Materiale fornito dal docente 6