Obiettivi Formativi

Fornire, insieme al corso complementare di Chimica Organica II, un’ampia conoscenze di base della chimica organica che includa la nomenclatura, la rappresentazione tridimensionale delle molecole organiche e la classificazione in base al gruppo funzionale in esse presente. Far acquisire capacità critiche utili ad analizzare le proprietà e la reattività dei composti organici monofunzionali, esaminando l'interazione tra reagenti, l'evoluzione delle specie intermedie e la formazione dei prodotti. Consentire allo studente di interpretare e razionalizzare le trasformazioni organiche in termini di meccanismo di reazione, sulla base di correlazioni struttura/reattività. Illustrare le norme di sicurezza del laboratorio chimico evidenziando i principali fattori di rischio connessi con la manipolazione di reagenti organici. Fornire conoscenze teoriche e pratiche sulle procedure sintetiche standard e sulle tecniche fondamentali di purificazione e isolamento di molecole organiche (work-up, estrazione, distillazione, cristallizzazione, cromatografia). Far apprendere tecniche spettroscopiche di base utili a identificare semplici composti organici.

Learning Goals

Provide, together with the complementary Organic Chemistry II course, a broad basic knowledge of organic chemistry including nomenclature, three-dimensional representation of organic molecules and classification based on the functional group present in them. Acquire critical skills useful for analysing the properties and reactivity of monofunctional organic compounds, examining the interaction between reagents, the evolution of intermediate species and the formation of products. Allow the student to interpret and rationalize organic transformations in terms of the reaction mechanism, based on structure/reactivity correlations. Illustrate the safety standards of the chemical laboratory by highlighting the main risk factors associated with the handling of organic reagents. Provide theoretical and practical knowledge of standard synthetic procedures and of the basic techniques of purification and isolation of organic molecules (work-up, extraction, distillation, crystallization, chromatography). Supply basic spectroscopic techniques useful for identifying simple organic compounds.

Metodi didattici

Lezioni frontali, esercitazioni in aula ed esercitazioni pratiche di laboratorio. Le lezioni frontali sono somministrate prevalentemente alla lavagna (ma prevedono anche l’utilizzo di diapositive e l’impiego di modelli molecolari). Le esercitazioni in aula sono organizzate in modo da permettere l’acquisizione di quei processi logico-deduttivi necessari per risolvere problemi di chimica organica e di identificazione strutturale di semplici composti organici organizzando una strategia adeguata. Le esercitazioni pratiche di laboratorio saranno precedute da lezioni frontali in cui saranno illustrati i principi teorici delle singole prove di laboratorio. Per il modulo di laboratorio la frequenza alle lezioni è obbligatoria, sono consentite assenze per non più del 30% delle ore di didattica complessiva. La frequenza verrà accertata tramite appUniMe e/o foglio firme.

Teaching Methods

The course consists of lectures, practice sessions and laboratory sessions. Lectures involve the use of a blackboard (slides as well as molecular model are also used). The practice sessions are designed in such a way as to allow the acquisition of the logical-deductive skill necessary to solve organic chemistry problems and identify the structure of simple organic molecules by designing an appropriate strategy. The laboratory experiments will be preceded by lectures in which the theory of each experiment will be illustrated. For the laboratory module, class attendance is mandatory; absences are allowed for no more than 30 percent of the total teaching hours. Attendance will be ascertained by appUniMe and/or signature form.

Prerequisiti

Aver acquisito concetti di base di Chimica Generale quali la struttura elettronica degli atomi, i legami chimici, l’ibridizzazione, le reazioni acido-base e la frequenza contemporanea o precedente del corso di Chimica Organica I.

Prerequisites

Being familiar with basic concepts of General Chemistry such as the electronic structure of atoms, chemical bonds, the hybridization, acid-base reactions and Students should attend in the same semester (or must have previously attended) Organic Chemistry I.

Verifiche dell'apprendimento

L’esame finale è orale. L’esame orale è preceduto da una prova preliminare scritta costituita da una serie di domande. In seguito al raggiungimento di un punteggio pari almeno al 50% di quello massimo previsto dalla prova stessa, verrà consigliato al candidato di accedere alla prova d’esame orale. L'esame orale prevede anche la valutazione delle relazioni relative alle esperienze di laboratorio e delle competenze tecnico-pratiche acquisite in laboratorio.

Assessment

Students must pass an oral exam at the end of the course. Prior to the oral exam, candidates will be assessed with a preliminary written test consisting of a series of questions. Candidates must achieve a score of at least 50% on this test in order to qualify for the oral. The oral exam will test the students' knowledge of the whole course syllabus. In the oral exam the students' laboratory reports and practical laboratory skill will also be assessed. 

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: 1002 - CHIMICA ORGANICA I ------------------------------------------------------------ I 6 CFU del corso si articolano in lezioni frontali (24 ore) ed esercitazioni (24 ore). Le lezioni frontali affronteranno i seguenti argomenti: classificazione e nomenclatura dei composti organici, acidi e basi organiche. Isomeria, analisi conformazionale, stereochimica, chiralità ed attività ottica. Reattività in chimica organica, concetto di stato di transizione e intermedio di reazione. Reazioni radicaliche e ioniche. Radicali, carbocationi e carbanioni. Sintesi, reattività e proprietà di: alcani, cicloalcani, alcheni, alchini, alogenuri alchilici, alcoli, eteri, epossidi, dieni, composti organo metallici, aldeidi e chetoni. Le esercitazioni serviranno ad integrare le lezioni frontali ed ampliare le conoscenze con la pianificazione/risoluzione di problemi sintetici di chimica organica. PROGRAMMA ESTESO: Note introduttive – Struttura elettronica degli atomi. Legami chimici. Regola dell’ottetto. Strutture di Lewis e cariche formali. Orbitali atomici e molecolari. Ibridazioni sp3, sp2, sp del carbonio. Gruppi funzionali e classi di composti organici. Principi generali di nomenclatura. Acidi e basi secondo Broensted-Lowry e secondo Lewis.Acidi e basi in chimica organica. Specie elettrofile e nucleofile. Concetto di stato di transizione, intermedio e prodotto di reazione. Diagrammi di reazione. Energia di attivazione e urto efficace. Reattività in chimica organica. Reazioni radicaliche e ioniche. Formule di risonanza. Alcani e cicloalcani – Nomenclatura, proprietà e reattività. Isomeri di struttura ed isomeri conformazionali.  Formule di Newman. Analisi conformazionale in sistemi lineari e ciclici. Stereochimica – Chiralità e molecole chirali. Stereocentri e stereo isomeri. Enantiomeri e racemi. Configurazioni assolute e relative. Regole di Cahn-Ingold-Prelog. Luce polarizzata e attività ottica. Composti con più stereocentri: diastereoisomeri, forme meso. Cicloesani disostituiti. Formule di Fisher. Risoluzione di racemi. Alcheni – Struttura, nomenclatura e proprietà. Isomeria E/Z (cis/trans). Stabilità relative degli alcheni. Preparazione di alcheni: deidroalogenazione, disidratazione di alcoli e idrogenazione parziale di alchini. Reazioni di addizione elettrofile al doppio legame carbonio-carbonio (acqua, acidi alogenidrici, alogeni). Formazione di aloidrine. Stabilità dei carbocationi. Effetti induttivi. Iperconiugazione. Trasposizione di carbocationi. Regola di Markovnikov. Reazioni regioselettive, stereoselettive e stereospecifiche. Idroborazione-ossidazione. Ossimercuriazione-demercuriazione. Idrogenazione catalitica. Calori di idrogenazione. Ossidazione a dioli ed epossidi. Scissione ossidativa. Ozonolisi. Alchini – Struttura, nomenclatura e proprietà. Acidità degli alchini terminali. Preparazione di alchini: deidroalogenazione e sostituzione nucleofila con ioni acetiluro. Idrogenazione totale e parziale. Addizione elettrofila: di alogeni, acidi alogenidrici, acqua. Idroborazione-ossidazione. Alogenoalcani – Struttura, nomenclatura e proprietà. Preparazioni di alogenoalcani: alogenazione radicalica di alcani, alogenazione allilica, addizione radicalica di HBr ad alcheni. Reazioni di sostituzione nucleofila ed eliminazione monomolecolare e bimolecolare (SN1/SN2 e E1/E2). Competizione tra sostituzioni ed eliminazioni. Alcoli – Struttura, nomenclatura e classificazione. Acidità e basicità. Formazione di alcossidi. Preparazione di alcoli: da alcheni. Disidratazione di alcoli. Conversione in alogenoalcani (con alogenuri di fosforo e cloruro di tionile). Sintesi di alchil/aril solfonati (mesilati, triflati, tosilati). Ossidazione di alcoli.  Eteri ed Epossidi – Struttura, nomenclatura e proprietà degli eteri. Preparazione di eteri: sintesi di Williamson, disidratazione di alcoli. Scissione acido-catalizzata di eteri. Preparazione di epossidi: ossidazione di alcheni con perossiacidi. Idrolisi base- e acido-catalizzata di epossidi. Dieni – Isolati, coniugati e cumulati (alleni). Stabilità dei dieni coniugati. Reazioni di addizione elettrofila 1,2 e 1,4 ai dieni coniugati. Controllo cinetico e termodinamico. Reazione di Diels-Alder. Composti organometallici – Composti di Grignard e organo-litio, preparazione e reattività. Aldeidi e chetoni – Struttura, nomenclatura e proprietà. Preparazione di aldeidi e chetoni: idratazione e idroborazione-ossidazione di alchini. ossidazione di alcoli, riduzione di derivati di acidi carbossilici. Reazioni di addizione nucleofila al gruppo carbonilico. Addizione di reattivi organometallici, ioni acetiluro, acido cianidrico, acqua, alcoli e dioli, ammine. Reazione di Witting. Ossidazione di aldeidi e chetoni. Reazioni di riduzione con idrogeno ed idruri misti. Reazioni al carbonio in posizione alfa. Formazione dello ione enolato.  ------------------------------------------------------------ Modulo: 766 - LABORATORIO DI CHIMICA ORGANICA I ------------------------------------------------------------ Contenuti del corso: Analisi dei fattori di rischio e delle norme di sicurezza nei laboratori chimici. Uso dei solventi e dei reagenti. Utilizzo delle apparecchiature di laboratorio. Esecuzione delle seguenti procedure di laboratorio: cristallizzazione, estrazione di composti organici; distillazione frazionata; separazione cromatografica su strato sottile e su colonna. Introduzione alle Tecniche Spettroscopiche (Ultravioletto-Visibile, Infrarosso, Risonanza Magnetica Nucleare, Spettrometria di Massa): strumentazione e concetti teorici di base. Determinazioni strutturali mediante tecniche UV-VIS, IR, NMR, MS. Programma del corso: 6 CFU: 2 CFU (12 ore) di Lezioni Teoriche (LT), 4 CFU (48 ore) di Esercitazioni di Laboratorio (EL). Introduzione al Laboratorio di Chimica Organica: norme di sicurezza nei laboratori chimici; uso dei solventi e dei reagenti; apparecchiature di laboratorio, e loro uso. (12 ore). Esercitazioni di Laboratorio: cristallizzazione, tecniche di estrazione di composti organici; distillazione frazionata; separazione cromatografica su strato sottile e su colonna. (24 ore). Introduzione alle Tecniche Spettroscopiche (Ultravioletto-Visibile, Infrarosso, Risonanza Magnetica Nucleare, Massa): strumentazione e concetti teorici di base; determinazioni strutturali mediante tecniche UV-vis, IR, NMR, MS. (24 ore).

Course Syllabus

------------------------------------------------------------ Modulo: 1002 - CHIMICA ORGANICA I ------------------------------------------------------------ The course will consist of lectures (4 CFU; 1 CFU equals 6h) and exercise sessions (2 CFU; 1 CFU equals 12h). Lectures will cover the following topics: classification and nomenclature of organic compounds; acids and bases in organic chemistry; isomers, conformational analysis, stereochemistry, chirality, and optical activity. Transition state, reaction intermediate. Syntheses, reactivity and properties of: alkanes, cicloalkanes, alkenes, alkynes, haloalkanes, alcohols, ethers, epoxides, dienes, organometallic compounds, aldehydes and ketones. The practice sessions will supplement topics dealt with in the lectures and will provide the basic skills for solving organic chemistry problems. SYLLABUS: Introductory concepts – The electronic configurations of atoms, chemical bonds, Lewis structures, formal charges. Atomic and molecular orbitals. Carbon hybridization. Classification and nomenclature of organic compounds. Broensted-Lowry and Lewis acids and bases. Nucleophiles and electrophiles species. Transition state, reaction intermediate. Energy diagrams, activation energy. Radical and ionic reactions. Resonance structures. Alkanes and cycloalkanes – nomenclature, properties and reactivity. Constitutional and conformational isomers. Newman projections. Stereochemistry – Chirality and chiral molecules. Stereocentres and stereoisomers. Enantiomers and racemic mixtures. Absolute and relative configurations. Cahn-Ingold-Prelog rules. Polarized light and optical activity. Disubstituted cycloalkane stereoisomers. Molecules with multiple stereo centres: diastereomers, meso compounds. Fisher projections. Resolution of enantiomers. Alkenes – Structure, nomenclature and properties. Cis/trans and E/Z isomers. Alkene stability. Alkene syntheses: dehydrohalogenation, dehydration of alchools, partial hydrogenation of alkynes. Electrophilic addition to the double bond (H2O, HX, X2). Halohydrin formation. Carbocation stability: inductive effects, hyperconjucation. Carbocation rearrangements. Markovnikov’s rule. Regio-, stereo-selective and stereospecific reactions. Hydroboration-oxidation and oxymecuration-demercuration of alkenes, catalytic hydrogenation of alkenes. Oxidation (diols and epoxides) of the unsaturated bond. Ozonolysis. Alkynes – Structure, nomenclature and properties. Acidity of terminal alkynes. Alkynes syntheses: dehydrohalogenation, alkylation of acetylide ions. Hydrogenation of alkynes. Elettrophilic addition of halogen, hydrogen halides and water. Hydroboration-oxydation. Haloalkanes – Structure, nomenclature and properties. Syntheses of haloalkanes: radical halogenation of alkanes. Allilic halogenation. Radical halogenation of alkenes with HBr. Nucleophilic substitution reactions and elimination reaction (SN2/SN1 and E2/E1). Competition between substitution and elimination reactions. Alcohols – Structure, nomenclature and classification. Acid-base properties. Alkoxide formation. Syntheses from alkenes. Dehydration. Conversion to haloalkanes (with PX3 and thionyl chloride) and alkyl/aryl sulfonate. Oxydation of alcohols. Ethers and Epoxides – Structure, nomenclature and properties of ethers. Preparation of ethers: Williamson synthesis, alcohol dehydration. Acid-catalized cleavage. Preparation of epoxides: alkene oxidation. Acid- and base-catalized ring opening. Dienes – Stabilities of non-conjugated and conjugated dienes, cumulenes (allenes). 1,2 and 1,4 electrophilic addition to conjugated dienes. Kinetic vs thermodynamic product composition control. Diels-Alder reactions. Organometallic compounds – Preparation and reactivity of organolithium and Grignard reagents. Aldehydes and Ketones – Structure, nomenclature and properties. Sintheses: hydration and hydroboration-oxidation of alkynes. Oxidation of alcohols, reduction of carboxylic acid derivatives. Nucleophilic additions to the carbonyl group. Addition of organometallic reagents, acetylide ions, hydrogen cynide, water, alcohols, ammines. The Witting reaction. Oxidation of aldehydes and ketones. Reduction with hydrides. Reactivity at the alfa-carbon. Base- and acid-catalized enolate ion formation. Keto-enol tautomerism. Aldol condensation. ------------------------------------------------------------ Modulo: 766 - LABORATORIO DI CHIMICA ORGANICA I ------------------------------------------------------------ - Analysis of risk factors and safety standards in chemical laboratories. Use of solvents and reagents. Use of laboratory equipment. Performing the following laboratory procedures: crystallization, extraction of organic compounds; fractional distillation; chromatographic separation on thin layer and on column. Introduction to Spectroscopic Techniques (Ultraviolet-Visible, Infrared, Nuclear Magnetic Resonance, Mass Spectrometry): instrumentation and basic theoretical concepts. Structural elucidation by UV-VIS, IR, NMR, MS techniques. - 6 CFU: 2 CFU (12 hours) of lectures (LT), 4 CFU (48 hours) practical organic chemistry (EL). Introduction to the course: safety in the organic chemistry laboratory; solvents and reagents handling; basic laboratory equipment; setting up and working up reactions (12 h). Laboratory practice: separation/purification techniques, such as crystallization, solid-liquid and liquid/liquid extraction, column chromatography and thin layer chromatography, simple and fractional distillation (24 h). Introduction to spectroscopic techniques: UV-vis, IR, NMR and MS. Theory and spectral data analysis. Structural elucidation (24 h).