Course Syllabus

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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

  • I principali strumenti teorico/pratici per affrontare lo studio meccanicistico delle reazioni in chimica organica

  • La suddivisioni delle reazioni in chimica organica attraverso lo studio delle principali famiglie meccanicistiche

  • L’ applicazione dei concetti appresi nel corso in un laboratorio avanzato di chimica organica.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate

  • 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

  • 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

  • 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

  • Saper descrivere il meccanismo di reazione organica utilizzando la terminologia corretta

  • 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

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

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.

Conoscenze della Chimica Organica a livello di laurea triennale

24 lezioni da 2 ore in presenza. Didattica erogativa.

2 lezioni di laboratorio da 2 ore in presenza. Didattica erogativa
5 attività di laboratorio da 4 ore in presenza, Didattica Interattiva

Il corso verrà erogato in lingua italiana.

F. A. Carey, R.J. Sundberg “Advanced Organic Chemistry“, Ed. Plenum Press, New York

registrazione integrale delle lezioni.

slides del corso annotate durante le lezioni

primo semestre

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.

Schema di valutazione:

18-19: preparazione su un numero ridotto di argomenti presenti nel programma del corso, con capacità di trattazione e analisi limitate che, nel caso della prova orale, emergono solo a seguito dell’aiuto e delle domande del docente; competenza espositiva e lessico non sempre corretti, con una capacità di elaborazione critica limitata;
20-23: preparazione su una parte degli argomenti presenti nel programma del corso, capacità di analisi autonoma solo su questioni puramente pratiche ed esecutive, uso di un lessico corretto anche se non del tutto accurato e chiaro e di una capacità espositiva a tratti incerta;
24-27: preparazione su un numero ampio di argomenti trattati nel programma del corso, capacità di svolgere in modo autonomo l’argomentazione e l’analisi critica, capacità di applicazione delle conoscenze ai contesti e collegamento dei temi a casi concreti, uso di un lessico corretto e competenza nell’uso del linguaggio disciplinare;
28 – 30/30L: preparazione completa ed esaustiva sugli argomenti in programma d’esame, capacità personale di trattazione autonoma e di analisi critica dei temi, capacità di riflessione e autoriflessione e di collegamento dei temi a casi concreti e a diversi contesti, ottima capacità di pensiero critico e autonomo, piena padronanza del lessico disciplinare e di una capacità espositiva rigorosa e articolata, capacità di argomentazione, riflessione e di autoriflessione, capacità di collegamenti ad altre discipline.

su appuntamento, generalmente 8:30-18:00

ISTRUZIONE DI QUALITÁ
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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

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

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.

Knowledge of Organic and Physical chemistry at bachelor level

24 two-hour lectures, in person. Delivered Didactics

2 two-hour lab lectures, in person. Delivered Didactics
5 four-hour lab activities, in person, Interactive Teaching

Teaching language will be italian.

F. A. Carey, R.J. Sundberg “Advanced Organic Chemistry“, Ed. Plenum Press, New York

integral recording of the lessons

annotated slides.

1 semester

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.

Evaluation Scale:

18-19: Knowledge of a limited number of topics from the course syllabus, with restricted ability in discussion and analysis, which, in the case of an oral exam, emerge only with the help and questions from the instructor; expository skills and vocabulary are not always accurate, with limited critical thinking ability.
20-23: Knowledge of some topics from the course syllabus, independent analytical skills only on purely practical and procedural issues, use of correct but not entirely precise and clear vocabulary, and an occasionally uncertain expository ability.
24-27: Knowledge of a broad range of topics covered in the course syllabus, ability to conduct argumentation and critical analysis independently, ability to apply knowledge to different contexts and connect topics to real cases, use of correct vocabulary and proficiency in disciplinary language.
28-30/30L: Comprehensive and thorough knowledge of the exam topics, independent ability to discuss and critically analyze themes, capacity for reflection and self-reflection, as well as for connecting topics to real cases and various contexts, excellent critical and independent thinking skills, full command of disciplinary vocabulary, and a structured, rigorous expository ability, with strong argumentative, reflective, and interdisciplinary connections skills.

upon request, generally 8:30-18:00

QUALITY EDUCATION
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Key information

Field of research
CHIM/06
ECTS
8
Term
First semester
Activity type
Mandatory
Course Length (Hours)
72
Degree Course Type
2-year Master Degreee
Language
Italian

Staff

    Teacher

  • Luca Beverina
    Luca Beverina
  • Norberto Manfredi
    Norberto Manfredi
  • Mauro Sassi
    Mauro Sassi

Students' opinion

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Bibliography

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Enrolment methods

Manual enrolments
Self enrolment (Student)

Sustainable Development Goals

QUALITY EDUCATION - Ensure inclusive and equitable quality education and promote lifelong learning opportunities for all