CHIMICA ORGANICA I

Il corso si propone di fornire le basi per la comprensione della Chimica Organica (prima parte) attraverso l’esame delle reazioni che coinvolgono i vari gruppi funzionali.

56 Ore Frontali e 24 Esercitazioni (Totale = 80 ore)

Esame di chimica generale I.

Obbligatoria

Modulo 1 (N. Crediti 1.4)

RICHIAMI DI CHIMICA DI BASE.

Configurazione elettronica degli elementi e regola dell’ottetto. Spin elettronico, principio di esclusione di Pauli e principio della massima molteplicità.

Legami chimici: ionico e covalente (omopolare, polare e dativo). Legame polarizzato e polarità delle molecole. Forza ed energia di legame. Lunghezza ed angolo di legame. Carica formale e numero di ossidazione di atomi nei composti organici.

Orbitali atomici e molecolari. Orbitali HOMO e LUMO. Orbitali ibridi sp³, sp², sp.Legami  e .

Interazioni molecolari: Forze inter- ed intramolecolari: Interazioni dipolo-dipolo, dipolo-dipolo indotto, legame ad idrogeno e di van der Waals. Proprietà fisiche di rilievo delle molecole organiche: punti di fusione ed ebollizione, solubilità.

Definizione di risonanza e regole per scrivere le strutture di risonanza. Effetti induttivi e mesomerici.

Definizione di acido e di base secondo le teorie di Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Scale di acidità e basicità.

Gruppi funzionali, Classi di composti organici e nomenclatura

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

Elementi di stereochimica.

Classificazione: isomeria costituzionale e stereoisomeria. Diastereomeri ed enantiomeri. Differenze di natura conformazionale (Proiezioni di Newman) e configurazionale. Stereoisomeria ottica e geometrica. Centri, assi e piani stereogenici. Chiralità molecolare ed elementi che la determinano (centri, assi e piani). Miscele racemiche e scalemiche. Descrittori di configurazione cis/trans, E/Z, R/S. Regole di priorità di Cahn-Ingold-Prelog. Rappresentazione di strutture mediante proiezioni di Fischer (regole per la loro corretta scrittura e manipolazione). Mesoforme. Centri pseudoasimmetrici (descrittori di configurazione r/s). Epimeri. Proprietà scalari e pseudoscalari (attività ottica, eccesso enantiomerico, purezza ottica). Configurazione relativa di centri asimmetrici: descrittori D/L, eritro/treo, sin/anti, eso/endo. Cenni sulla risoluzione di enantiomeri.

LE REAZIONI DELLA CHIMICA ORGANICA.

Grandezze termodinamiche coinvolte nelle reazioni: variazioni di energia libera, entalpia ed entropia, equazione di Gibbs. Diagrammi energetici che descrivono le variazioni di queste grandezze in funzione della coordinata di reazione. Grandezze cinetiche implicate nelle reazioni organiche: costanti di velocità ed energie di attivazione. Ordine di reazione. Relazione tra costanti di velocità e costante di equilibrio.

Scissione omolitica ed eterolitica dei legami. Reazioni di Addizione, sostituzione, eliminazione, Reazioni pericicliche e reazioni di riarrangiamento: definizioni.

Possibili meccanismi implicati: reazioni radicaliche, reazioni polari elettrofilo-nucleofilo, reazioni pericicliche. Reazioni elementari e composte, monomolecolari e bimolecolari.

Modulo 2 (N. Crediti 1.6)

Idrocarburi

Alcani e Cicloalcani: analisi conformazionale e tensione d’anello (calore di combustione)

Stereoisomeria dei ciclo alcani (decalina)

Sintesi di alcani e cicloalcani: idrogenazione degli alcheni, riduzione degli alogenuri alchilici, sintesi di Corey-House

Reazioni Radicaliche: Alogenazione di alcani. Meccanismo radicalico: stadio di attivazione (scissione omolitica di un legame dell’iniziatore), di propagazione e di terminazione della reazione. Regioselettività della sostituzione. Stabilità di radicali alchilici. Principio della reattività-selettività, postulato di Hammond, interpretazione della diversa selettività tra reazioni di clorurazione e bromurazione

Alogenuri alchilici:

Reazioni: Sostituzione Nucleofila: SN1, SN2 e meccanismi di confine. Partecipazione del gruppo vicinale.

Reazione di eliminazione: E1, E2, E1cb. Competizione fra la reazione di sostituzione ed eliminazione.

Geometria a stabilità dei carbocationi e carbanioni. Trasposizioni molecolari. Alogenuri allilici e benzilici nelle reazioni di sostituzione nucleofila. Sintesi degli alogenuri alchilici( vedi reazioni degli altri gruppi funzionali)

Alcheni:

Reazioni di Addizione: Addizione di acidi alogenidrici, acido solforico, acqua, bromo, cloro: meccanismi di reazione e stereochimica. Reazioni stereospecifiche e stereo selettive. Formazione di aloidrine. Ozonolisi. Reazioni di ossidazione e riduzione (calore di 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, dealogenazione dei dibromuri vicinali, reazione di Wittig e reazioni correlate, reazione di Julia.

Alchini

Acidità e sostituzione degli idrogeni acetilenici degli alchini terminali

Reazioni: Idrogenazione (addizioni sin ed anti); addizione di alogeni, di acidi alogenidrici e di acqua (tautomeria cheto-enolica). Reazioni di ossidazione.

Sintesi degli alchini: deidroalogenazione di dialogenuri alchilici: Reazione di acetiluri con alogenuri alchilici.

Modulo 3 (N. crediti 3)

Dieni e polieni: conformazioni e stabilità. Addizione 1,2 ed 1,4 (controllo cinetico e termodinamico). Reazione di Diels-Alder.

Aromaticità e Sostituzione Elettrofila Aromatica

Struttura e stabilità del benzene. Regola di Hückel: annuleni e ioni aromatici. Composti aromatici, antiaromatici e non aromatici. Composti policiclici aromatici: naftalene, antracene, fenantrene, pirene e benzo[a]pirene.

Sostituzioni elettrofile aromatiche

Reazioni e meccanismi di: alogenazione, nitrazione, solfonazione, alchilazione ed acilazione di Friedel-Crafts. Effetto dei sostituenti su reattività ed orientamento. Alchil benzeni: Radicali e cationi benzilici. alogenazione in catena laterale ed ossidazione.

Alcoli

Reazioni proprietà acido-base. con: acidi alogenidrici, cloruro di tionile, cloruro di metansolfonile, cloruro di tosile, cloruro di trimetilsilile, tribromuro di fosforo, disidratazione, sintesi degli esteri, reazione di Mitsunobu, reazioni di ossidazione.

Preparazioni (idratazione degli alcheni, ossimercuriazione-demercuriazione, idroborazione-ossidazione, sostituzione con ossidrili: meccanismi e stereochimica), sintesi dai Grignard, idrolisi di alcuni derivati degli acidi, riduzione dei: composti carbonilici, esteri ed acidi.

Eteri

Scissione degli eteri

Sintesi degli eteri: deidratazione intra- ed intermolecolare degli alcoli, alchilazione degli alcoli, sintesi di Williamson

Epossidi Reazioni: apertura dell’anello in catalisi acida e basica. Reazioni con composti organometallici, con litio alluminio idruro, con diborano, con acidi di Lewis. Reazione di Darzens: conversione di un epossi acido ad aldeide.

Preparazioni: Ossidazione del doppio legame con perossoderivati elettrofilici e nucleofilici. Condensazione di Darzens

Dioli:

Reazioni: Trasposizione pinacolica acida e basica. Ossidazione degradativa con periodato

Preparazioni:Idrolisi di epossidi, Ossidazione di alcheni: con tetrossido di osmio, con KMnO_4. Riduzione di chetoni con metalli.

Alogenuri arilici e vinilici

Reazioni: Sostituzioni nucleofile: addizione-eliminaziome, eliminazione addizione, reazioni catalizzate dal Cu o Cu(I), sostituzione nucleofila delegata. Reazioni di arilazione e vinilazione catalizzate (vedi composti metallo organici).

Preparazioni: alogenazione diretta, reazioni di arildiazonio.

Fenoli: Reazioni (acidità e basicità, reazione di: Reimer e Tieman, Kolbe, nitrosazione, copulazione. Trasposizione di Claisen. Sintesi di esteri ed eteri. Reazioni di condensazione )

Preparazioni: Sintesi dal cumene. Processo Dow, fusione alcalina dei solfonati, idrolisi dei Sali di arendiazonio.

Modulo 4 (N. crediti 4)

Aldeidi e chetoni

Addizioni Nucleofile al Gruppo Carbonilico: Addizione al doppio legame carbonio-ossigeno di: acqua formazione di diolo geminali), alcoli (formazione di emicetali e di acetali in presenza acidi anidri), ammoniaca e suoi derivati (formazione di immine ed enammine), idrazina (riduzione di Wolff-Kishner), acido cianidrico, sodio bisolfito, ilidi (reazione di Wittig), reagenti organometallici ([alchil litio, Grignard, alchilacetiluri], reazione di Reformatsky): Aspetti meccanicistici e stereochimici. Reazione di Cannizzaro

Riduzione ad alcoli con idruri o con idrogeno in presenza di catalizzatori metallici: riduzione a metileni (Clemensen e Wolff-Kishner). Ossidazione con potassio permanganato, ossido di argento e perossiacidi (ossidazione di Baeyer-Villiger). Acidità degli idrogeni in  al gruppo carbonilico, Tautomeria cheto-enolica, Carattere elettrofilo del carbonio carbonilico e nucleofilo dello ione enolato. Formazione di dello ione enolato da chetoni non simmetrici: controllo cinetico e termodinamico della loro reazione di alchilazione. Racemizzazione. Alogenazione dei chetoni e delle aldeidi (meccanismo catalizzato sia da acidi che da basi). Reazione aloformica. Uso di enammine per achilazioni selettive di chetoni non simmetrici. Reazione di Meyers; Ditiani e Cianidrine come carbanioni (acil anioni). Generazione ed alchilazione dei dianioni. Generazione ed alchilazione delle enammine e degli anioni amminici. Carbanioni da immine e da idrazoni). Condensazioni aldoliche catalizzate dalle basi e dagli acidi, reazione di Claisen-Schmidt. Anellazione di Robinson. Condensazioni con nitroalcani e nitrili (Thorpe e Thorpe-Zigler). Sintesi delle aldeidi: [ossidazione di alcoli primari e dei gruppi aril metilici, idratazione degli alchini, ozonolisi degli alcheni], riduzione controllata di cloruri acilici, esteri e nitrili.

Sintesi dei chetoni: [ossidazione di alcoli secondari, ozonolisi degli alcheni, acilazione di Friedel-Crafts, idratazione degli alchini], addizione di litio dialchilcuprati a cloruri acilici ed addizione di reattivi di organo litio o Grignard ai nitrili.

Acidi carbossilici

Reattività: Acidità (Fattori che influenzano l’acidità degli idrogeni carbossilici e l’acidità degli idrogeni in posizione a nei loro derivati) e basicità (Fattori che influenzano la basicità dell’ossigeno carbonilico dei derivati), Sostituzione Nucleofila al Carbonio Acilico (meccanismo e scala di reattività dei derivati degli acidi). Reazione di idrolisi in ambiente acido e basico dei derivati degli acidi. Reazione di Hell-Volhard-Zelinski, Alchilazione in a. Omologazione di acidi carbossilici. Degradazioni (reazione di Hundsdiecker, Barbier-Wieland, Kochi)

Sintesi di: acidi carbossilici (ossidazione degli alcoli primari ed di aldeidi, ozonolisi di alcheni bisostituiti e di alchini, addizione dei composti organo-metallici a CO₂) cloruri acilici, anidridi, esteri lattoni, ammidi, lattami, nitrili. Derivati dell’acido carbonico e decarbossilazione

Derivati degli acidi (Cloruri, anidridi, esteri, ammidi e nitrili)

Alogenuri acilici

sintesi (acidi carbossilici con cloruro di tionile, o PX3 o PX5, trans alogenazione)

Reazioni: riduzioni Rosemund, LiAl(OR)₃H, LiAlH₄

Anidridi

Sintesi alogenuri acilici con carbosssilati, anidride acetica con acidi carbossilici, disidratazione di acidi carbossilici,

Esteri

Sintesi (Reazione di Fischer, reazione con diazometano, trans esterificazione; reazione di Bayer –Villinger.

Reazioni:con ammoniaca o ammine prim. e sec; riduzioni: con DIBAL-H, LiAlH₄.

Ammidi: sintesi( pirolisi di carbossilati di ammonio, alogenuri acilici o anidridi con ammoniaca o ammine prim e sec (reazione di Schotten-Baumann; idrolisi parziale dei nitrili, degradazione di Hofman,, Curtius.Reazioni: trans amminazione riduzione con LiAlH₄, e altri agenti riducenti

Nitrili: Sintesi (reazione di sostituzione di alogenuri alchilici con cianuro. disidratazione di ammidi primarie, disidratazione delle ossime con anidride acetica).Reazioni: addizione di alcooli (imminoesteri), di ammine (ammidine), riduzione con LiAlH₄, H₂, DIBAL-H.

Ammine alifatiche e aromatiche

Reazioni: Proprietà acido-base. Fattori che ne influenzano la basicità (effetti di solvatazione, di delocalizzazione di elettroni pi-greco, stato di ibridazione dell’azoto, effetti induttivi e mesomerici di sostituenti). Proprietà nucleofile dell’azoto: alchilazione, acilazione, ossidazione, nitrosazione. Eliminazioni di Hofmann e di Cope. Saggio di Hinsberg. Sali di diazonio aromatici e loro applicazioni (Reazioni di Sandmeyer e di Schiemann. Diazocopulazione

Sintesi: ammonolisi degli alogenuri, alchilazione di immidi (sintesi di Gabriel), riduzione di nitrocomposti, ammidi e nitrili, amminazione riduttiva, trasposizioni di Hofmann e di Curtius e di Schmidt.

Composti bicarbonilici

Acidi bicarbossilici: comportamento termico. Reazioni: Sintesi acetoacetica e sintesi malonica. Come intermedi di sintesi: Alchilazioni dirette degli esteri. Reazioni di Mannich e di Stork.

Condensazioni di Claisen, di Dieckmann.

Composti organometallici.

Struttura, nomenclatura e proprietà fisiche. Carattere basico e nucleofilo del carbonio legato al metallo. Composti organo litio; reattivi di Grignard; composti organo zinco; composti organo rame, composti organo palladio, composti organoboro.

Idrossialdeidi e idrossichetoni

Condensazione aciloinica e bezoinica. Effetto del calore.

Idrossi acidi

idrolisi di a-alocarbossilici, idrolisi di cianidrine, Formazione di lattoni

Composti carbonilici a,b-insaturi

Reazioni: Addizioni nucleofile di composti azotati, ossigenati, e carboniosi (addizione di Michael). Addizione normale e coniugata.

Sintesi: Condensazione di Knoevenagel, di Perkin, Stobbe, Baylis-Hilman.

a) CHIMICA ORGANICA a cura di Bruno Botta, Autori: Appendino. Botta, Cacchi, Chiacchio, Corsaro, … Taddei. Ed. Edi-Ermes (Milano) ISBN 978-88-7051-327-1.

b) W. H. Brown;

c) P. Y. Briuce;

d) K. Peter e C. Vollhardt;

e) INTRODUZIONE ALLA CHIMICA ORGANICA A. Streitwieser, C. H. Heathcock; Piccin

f) Norman e Coxon;

Verifica scritta ed orale.

Assegnazione nome IUPAC a composti della chimica organica.

Disporre in ordine crescente di acidità i composti A) e di basicità i composti B).

A) acetofenone, trifenilmetano, 1-fenilbut-1,3-dione, acetonitrile, tricloroacetaldeide.

B) 4-fluoroanilina, pirrolidina, 3-metossianilina, metanolo, formammide.

Disporre in ordine crescente di acidità i composti a) e di basicità i composti b). A) p-nitrofenolo,3-cloropirrolo, acido benzensolfonico, a-cloroacetone, p-amminofenolo. b) 4-nitroanilina, metanammide, anilina, ammoniaca, 3-amminopirrolo.

Riportare i meccanismi di ossimercuriazione demercuriazione del metilcicloesene e dell’anellazione di Robinson.

Descrivere il meccanismo della reazioni di enolati con composti a,b-insaturi.

Riportare i meccanismi delle reazioni di: Krapcho, Darzens, Stobbe, SNAr Delegata, Idroborazione ossidazione degli alcheni

Proporre le sintesi di composti aromatici.