Syllabus del corso
Obiettivi
Approfondimento dei principali meccanismi di reazione di molecole organiche. Reattività avanzata di sistemi aromatici ed eteroaromatici. Reazioni di ciclizzazione.
Conoscenze e capacità di comprensione sviluppate
Al termine del corso lo studente conosce
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I principali strumenti teorico/pratici per affrontare lo studio meccanicistico delle reazioni in chimica organica
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La suddivisioni delle reazioni in chimica organica attraverso lo studio delle principali famiglie meccanicistiche
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L’ applicazione dei concetti appresi nel corso in un laboratorio avanzato di chimica organica.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
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Al termine del corso lo studente ha gli strumenti per affrontare lo studio delle principali reazioni organiche da un punto di vista meccanicistico, allo scopo ottenere reazioni regio e stereo selettive
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Al termine del corso lo studente è in grado di scegliere le migliori condizioni di reazioni per ottimizzare la regio e stereo selezione di una reazione
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Al termine del corso lo studente è in grado di operare in un laboratorio di chimica organica avanzata.
Autonomia di giudizio
- Al termine del corso lo studente è in grado di valutare quale sia il modello meccanicistico migliore per affrontare lo studio di una reazione organica
Abilità comunicative
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Saper descrivere il meccanismo di reazione organica utilizzando la terminologia corretta
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Saper descrivere in un quaderno di laboratorio una reazione organica effettuata in laboratorio utilizzando la terminologia corretta e fornendo le corrette informazioni
Capacità di apprendere
Applicare le conoscenze apprese durante il corso per interpretare in modo corretto qualunque articolo di chimica organica
Contenuti sintetici
Richiami relativi alla struttura elettronica di molecole organiche. Orbitali molecolari di frontiera e equazione di Klopman-Salem. Meccanismi in chimica organica: termodinamica e cinetica, controllo termodinamico e cinetico, acidità e basicità, elettrofilia e nucleofilia, relazioni di energia libera, postulato di Hammond, catalisi generale acida e basica e catalisi specifica. Classi di reazioni: sostituzione nucleofila, addizione, eliminazione, reazioni di ossidoriduzione. Specie reattive: nucleofili e elettrofili, carbanioni, radicali al carbonio, addizione al gruppo carbonilico. Aromaticità. Sostituzione aromatica. Reazione pericicliche. Riarrangiamenti molecolari.
Nella parte relativa al laboratorio verranno presentate le norme di sicurezza e di comportamento da seguire in un laboratorio di chimica organica, e utilizzando le principali tecniche di sintesi analisi e purificazione di sostanze organiche verranno sintetizzati alcuni composti utilizzando protocolli sintetici multi-step
Programma esteso
Concetti meccanicistici di base: Controllo cinetico e termodinamico, Postulato di Hammond, Principio di Curtin-Hammet, Principio della reversibilità microscopica.
Teoria Perturbativa e HSAB: Applicazioni della teoria perturbativa ( ciloaddizioni secondo Diels-Alder e 1,3 dipolari ) Applicazioni della teoria HSAB
Correlazioni lineari struttura reattività: Equazione di Hammet
Effetto cinetico isotopico primario
Acidi e basi; Acidi piu forti di H3O+ e basi piu forti di OH-, scale di nucleofilicità, equazione di Swain-Scott, equazione di Ritchie
Catalisi acido base; Catalisi acida specifica, catalisi acida generale.
Sostituzione Nucleofila: i casi limite Sn1 e Sn2, meccanismi borderline, Nucleofilicità ed effetto solvente, Effetto dei gruppi uscenti sulla reattività, Riarrangiamento dei carbocationi.
Reazioni di Addizione ed Eliminazione; Addizione di HCl agli alcheni, Reazione di idratazione acido catalizzata, Addizione di alogeni, Addizione elettrofila metallo-catalizzata, meccanismi E1,E2, E1cb, Regioselezione nelle reazioni di eliminazione,
Reazioni dei composti carbonilici; Idratazione ed addizione di alcoli ad aldeidi e chetoni, Addizione del carbonio nucleofilo ad aldeidi e chetoni, Idrolisi degli esteri, idrolisi delle ammidi
Aromaticità: Il concetto di aromaticità, gli annuleni, Omoaromaticità, Sistemi ad anelli fusi, Anelli eterociclici aromatici.
Sostituzioni Aromatiche Reazioni di sostituzione elettrofila aromatica, Relazioni struttura reattività, Reattività di composti policiclici ed eterociclici aromatici, Specifici meccanismi di sostituzione elettrofila aromatica.
Reazioni Pericicliche: Reazioni Elettrocicliche, Riarrangiamenti Sigmatropici, Reazioni di cicloaddizione.
Nella parte riferita al laboratorio verranno presentate le norme di sicurezza e di comportamento da seguire in un laboratorio di chimica organica, le principali tecniche di analisi e purificazione di sostanze organiche (cristallizzazione, distillazione, tecniche cromatografiche, estrazione selettiva con solventi) e si condurranno reazioni di chimica organica di per la sintesi di due molecole principali ottenute a seguito di sintesi multistep.
Prerequisiti
Conoscenze della Chimica Organica a livello di laurea triennale
Modalità didattica
Oral lessons
Materiale didattico
F. A. Carey, R.J. Sundberg “Advanced Organic Chemistry“, Ed. Plenum Press, New York
Elementi di Chimica Organica Fisica Giorgio Molteni Aracne Editrice 2009
Periodo di erogazione dell'insegnamento
primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale orientata a verificare: a) conoscenza dell' approccio chimico fisico organico dei principali meccanismi di reazione b) meccanismi delle principali reazioni organiche c) strategie di sintesi di semplici molecole polifunzionali
Per la parte di laboratorio verrà valutata l'attività svolta, la compilazione del quaderno di laboratorio e lo svolgimento di due test relativi alle competenze acquisite da fare durante il corso sulla piattaforma e-learning. Il voto di laboratorio farà media con quello della parte frontale.
Orario di ricevimento
su appuntamento, generalmente 8:30-18:00
Aims
Detailed discussion of the main reaction mechanisms of organic molecules. Advanced reactivity of aromatic and heteroaromatic systems. Cyclization reactions.
Knowledge and understanding skills developed
At the end of the course the student knows
- The main theoretical / practical tools to address the mechanistic study of reactions in organic chemistry
- The subdivision of reactions in organic chemistry through the study of the main mechanistic families
- The application of the concepts learned in the course in an advanced laboratory of organic chemistry.
Knowledge and understanding skills applied
- At the end of the course the student has the tools in order to study the organic reactions from a mechanistic point of view, in order to obtain selective regio and stereo reactions
- At the end of the course the student is able to choose the best reaction conditions to optimize the regio and stereo selection of a reaction
- At the end of the course the student is able to work in an advanced organic chemistry laboratory.
Autonomy of judgment
At the end of the course the student is able to evaluate which is the best mechanistic model to develop the study of an organic reaction
Communication skills
- Knowing how to describe the organic reaction mechanism using the correct terminology
- Knowing how to describe in a laboratory notebook an organic reaction carried out in the laboratory using the correct terminology
Ability to learn
- Apply the knowledge learned during the course to correctly interpret any organic chemistry article
Contents
Elements of eletronic structure of organic materials. Frontier molecular orbitals (FMO) and the Klopman-Salem equation. Mechanisms: thermodynamics and kinetics, thermodynamic and kinetic control of produc composition, acidity and basicity, electrophilicity and nucleophilicity, free-energy relationships, Hammond’s postulate, general and specific catalysis). Reactions: nucleophilic substitution, addition, elimination, oxidation and reduction. Reactive species: nucleophiles and electrophiles, carbanions, radicals, addition to carbonyl group. Aromaticity. Aromatic substitution. Pericyclic reactions. Molecular rearrangements.
The lab module is addressed to provide the student with the safety and behavior aspects for conducting correctly an organic chemistry experiment. The experiments carried out in the laboratory are intended to exploit the basic technical operations in organic chemistry to synthesise some organic compounds using multi-step synthetic protocols
Detailed program
Basic mechanistic concept: kinetic versus thermodynamic, Hammond' s postulate, Curtin-Hammett principle, microscopic reversible principle.
Linear correlation structure-reactivity: Hammet equation
Primary kinetic isotopic effect
Acid and bases: Acids stronger tha H3O+, nucleohilic scale: Swain-Scott and Ritchie equations.
Acid catalysis: general and specific catalysis
Nucleophilic substitution: the limiting cases Sn1 e Sn2, borderline mechanism, nucleophilicity and solvent effect, leaving group effect, rearrangements of carbocataion
Polar addition and Elimination reactions, additions of hydrogen halides to alkens, acid-catalyzed hydration, addition of halogens, electrophilic addition involving metal ions, the E1, E2, E1cb, mechanism, stereochemistry of E2 reactions.
Reactions of carbonyl compounds; hydration and addition of alchools to aldehydes and ketons, addition of carbon nucleophiles to carbonyl groups, ester hydrolysis, amide hydrolysis
Aromaticity: the concept of aromaticity, the annulenes, Homoaromacity, fused-ring system, heterocyclic rings.
Aromatic Substitution: Electrophilic Aromatic Substitution, Structure-Reactivity Relationship, reactivity of polyciclic and heteroaromatic compounds. Specific substitution mechanism
Peryciclic Reaction: electrocyclic reaction, sigmatropic rearrangements, cycloaddition reaction,
In the laboratory will be presented the safety rules and behavior to be followed in an organic chemistry laboratory, the main techniques of analysis and purification of organic substances (crystallization, distillation, chromatographic techniques, selective extraction with solvents) and how to handle organic chemistry reactions for the synthesis of molecules obtained as a result of multistep synthesis.
Prerequisites
Knowledge of Organic and Physical chemistry at bachelor level
Teaching form
Oral lessons
Textbook and teaching resource
F. A. Carey, R.J. Sundberg “Advanced Organic Chemistry“, Ed. Plenum Press, New York
Elementi di Chimica Organica Fisica Giorgio Molteni Aracne Editrice 2009
Semester
1 semester
Assessment method
Oral examination aimed at verifying adequate knowledge of: a) the chemical physical basis of mechanisms in organic chemistry b) the main general mechanisms of reaction in organic chemistry c) the capability to plan the synthetic access to simple organic multifuctional molecules.
For the laboratory part, the activity carried out will be evaluated as well as the compilation of the laboratory notebook. Furthermore, two tests relating to the skills acquired to be done during the course on the e-learning platform will complete the evaluation of the laboratory course.
Office hours
upon request, generally 8:30-18:00
Staff
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Luca Beverina
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Norberto Manfredi
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Sara Mattiello
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Antonio Papagni