Course Syllabus
Obiettivi
Il Corso descrive la sintesi di molecole e polimeri organici complessi, prevalentemente polinsaturi, sfruttando l’approccio retrosintetico, l’utilizzo dei gruppi protettivi e le reazioni di cross coupling mediate da catalizzatori metallici e non.
O1 – Conoscenza e capacità di comprensione
Allo studente si richiede di sviluppare una conoscenza delle tecniche di sintesi organica moderna e delle relazioni struttura proprietà in derivati poliinsaturi adeguata a:
- prevedere le caratteristiche ottiche ed elettroniche di un composto organico poliinsaturo a partire dalla sua struttura
- condurre una ragionevole analisi retrosintetica in modo da individuare una possibile ed efficace strategia sintetica.
- possedere un’adeguata padronanza della reattività dei principali gruppi funzionali in chimica organica e il loro uso nella preparazione di molecole e polimeri poliinsaturi.
- Reazioni di accoppiamento catalizzate da metalli.
- preparare i principali materiali polimerici e oligomerici di uso nel campo dei materiali poliinsaturi.
- descrivere i principali processi fotofisici e fotochimici coinvolti nell’assorbimento di radiazione elettromagnetica e la loro ripercussione sulla reattività fotoindotta.
O2 – Capacità di applicare conoscenza e capacità di comprensione
Allo studente si richiede di dimostrare una adeguata capacità nell’applicare la conoscenza e la comprensione dei concetti acquisiti nel:
- individuare i parametri strutturali ed elettronici funzionali di strutture poliinsature basandosi sulla natura e connettività degli elementi costitutivi elementari.
- applicare i concetti della retrosintesi nella semplificazione della strategia di sintesi di semiconduttori organici e molecole polifunzionali, individuando le migliori disconnessioni, i corrispondenti sintoni generati dalla disconnessione operata e i corrispondenti equivalenti sintetici.
- conoscere la reattività dei principali gruppi funzionali organici e le relative strategie di protezione
- conoscere le principali strategie di accoppiamento di unità insature (sistemi aromatici ed eteroaromatici) catalizzate da metalli di transizione
O3 – Autonomia di giudizio
Saper pianificare in indipendenza la strategia di sintesi più opportuna per l’accesso a derivati polifunzionali anche poliinsaturi.
O4 – Abilità comunicative
Saper illustrare e identificare i semiconduttori organici di maggior interesse per applicazioni optoelettroniche, illustrare con proprietà di linguaggio gli approcci retrosintetici e di sintesi utili alla loro preparazione.
O5 –Abilità Capacità di apprendere
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite nel campo della retrosintesi e della sintesi a derivati poliinsaturi con proprietà elettriche, ottiche ed optoelettroniche di interesse per l'elettronica stampabile, la fotonica e la (bio) sensoristica.
Saper prevedere e sfruttare dal punto di vista sintetico la reattività fotoindotta in materiali poliinsaturi.
Contenuti sintetici
Il corso fornisce una panoramica delle strategie di sintesi di materiali organici poliinsaturi utilizzabili in dispositivi optoelettronici. L'approccio alle sintesi prevede la familiarizzazione con i concetti di analisi retrosintetica, con le più comuni strategie di protezione di gruppi funzionali, le reazioni di arilazione, i cross coupling mediati da metallo e le reazioni di olefinazione. Sarà anche fornita una panoramica degli aspetti e dei concetti legati alla fotochimica organica come utile supporto alla sintesi organica.
Programma esteso
Analisi retrosintetica. Sintoni, retroni, esempi di molecole complesse
Chimica dei gruppi protettivi. Protezione di alcoli, composti carbonilici, ammine, tioli.
Le reazioni di cross- coupling mediate da metalli. Concetti base: inserzione ossidativa ed eliminazione riduttiva.
Richiami sui composti organometallici di interesse e relative reazioni di transmetallazione. Organo litio, organo zinco, cuprati, organo stagno, reattivi di grignard.
Reazioni di Suzuki-Miyaura, Stille, Neghishi, Kumada-Corriu, Yamamoto, Buckwald-Hartwig, Ullmann, Heck, Sonoghashira, arilazione diretta, arilazione diretta fotoindotta.
Principali classi di composti organici poliinsaturi di interesse per applicazioni optoelettroniche e loro sintesi.
Elementi di fotochimica dei composti organici.
Prerequisiti
Per seguire in maniera ottimale gli argomenti trattati sono richieste consolidate conoscenze di chimica organica di base e qualche nozione relativamente alle proprietà ottiche ed elettroniche delle molecole organiche e polimeri poliinsaturi coniugati
Modalità didattica
24 lezioni frontali in presenza di 2 ore. Didattica erogativa.
Materiale didattico
Testo di riferimento principale "Synthetic Methods in Organic Electronic and Photonic Materials" Timothy C. Parker and Seth R. Marder. RSC, 2015.
registrazione integrale delle lezioni in aula.
slides annotate
articoli di riferimento della letteratura più recente
Periodo di erogazione dell'insegnamento
primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La verifica dell'acquisizione degli argomenti e concetti trattati durante il corso sarà condotta mediante un esame orale nel quale agli studenti saranno poste domande inerenti tutti gli aspetti trattati. Al termine della verifica sarà proposta allo studente una valutazione in trentesimi. L'esame è superato con un voto di 18/30.
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.
Orario di ricevimento
su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
The course describes the synthesis of complex organic molecules and polymers, predominantly polyunsaturated, using a retrosynthetic approach, the use of protecting groups, and cross-coupling reactions mediated by both metal and non-metal catalysts.
O1 – Knowledge and Understanding
Students are expected to develop a knowledge of modern organic synthesis techniques and the structure–property relationships in polyunsaturated derivatives sufficient to:
- Predict the optical and electronic properties of a polyunsaturated organic compound based on its structure.
- Conduct a reasonable retrosynthetic analysis to identify a possible and effective synthetic strategy.
- Demonstrate adequate mastery of the reactivity of the main functional groups in organic chemistry and their use in the preparation of polyunsaturated molecules and polymers.
- Understand metal-catalyzed coupling reactions.
- Prepare the main polymeric and oligomeric materials used in the field of polyunsaturated materials.
- Describe the main photophysical and photochemical processes involved in the absorption of electromagnetic radiation and their effects on photoinduced reactivity.
O2 – Applying Knowledge and Understanding
Students are expected to demonstrate adequate ability to apply the knowledge and understanding acquired by:
- Identifying structural and electronic parameters of polyunsaturated structures based on the nature and connectivity of their elementary building blocks.
- Applying retrosynthetic concepts to simplify the synthetic strategy of organic semiconductors and multifunctional molecules by identifying the best disconnections, the synthons generated by the disconnection, and their corresponding synthetic equivalents.
- Knowing the reactivity of the main organic functional groups and the relevant protection strategies.
- Understanding the main coupling strategies of unsaturated units (aromatic and heteroaromatic systems) catalyzed by transition metals.
O3 – Making Judgments
Being able to independently plan the most appropriate synthetic strategy to access multifunctional and even polyunsaturated derivatives.
O4 – Communication Skills
Being able to describe and identify the most relevant organic semiconductors for optoelectronic applications, and clearly illustrate retrosynthetic and synthetic approaches useful for their preparation.
O5 – Learning Skills
Being able to apply acquired knowledge in retrosynthesis and synthesis to polyunsaturated derivatives with electrical, optical, and optoelectronic properties of interest for printable electronics, photonics, and (bio)sensing.
Being able to predict and exploit photoinduced reactivity in polyunsaturated materials from a synthetic perspective.
Contents
The course provides an overview of synthetic strategies for polyunsaturated organic materials suitable for use in optoelectronic devices. The synthetic approach includes familiarization with concepts of retrosynthetic analysis, the most common strategies for functional group protection, arylation reactions, metal-mediated cross-coupling reactions, and olefination reactions. An overview of aspects and concepts related to organic photochemistry will also be provided as a useful support for organic synthesis.
Detailed program
Retrosynthetic analysis. Synthons, retrons, and examples of complex molecules.
Protecting group chemistry. Protection of alcohols, carbonyl compounds, amines, and thiols.
Metal-mediated cross-coupling reactions. Basic concepts: oxidative addition and reductive elimination.
Overview of relevant organometallic compounds and their transmetallation reactions: organolithium, organozinc, cuprates, organotin compounds, and Grignard reagents.
Suzuki–Miyaura, Stille, Negishi, Kumada–Corriu, Yamamoto, Buchwald–Hartwig, Ullmann, Heck, Sonogashira reactions, direct arylation, and photoinduced direct arylation.
Main classes of polyunsaturated organic compounds of interest for optoelectronic applications and their synthesis.
Elements of photochemistry of organic compounds.
Prerequisites
For an optimum understanding of the topic treated, a consolidated organic chemistry background is required together with basic knowledge on the optical and electronic properties of polyconjugated organic molecules and polymers.
Teaching form
24 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics
Textbook and teaching resource
Main reference text: Synthetic Methods in Organic Electronic and Photonic Materials by Timothy C. Parker and Seth R. Marder, RSC, 2015.
Full classroom lecture recordings.
Annotated slides.
Selected recent literature articles.
Semester
first semester
Assessment method
Oral examination is the assessment method employed to check the level of understanding of the concepts taught during the course. Questions will ask to the student regarding the entire topic treated during the course. The final mark proposed to the student is in thirtieths, and a final minimum mark of 18/30 is necessary to pass the examination.
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.
Office hours
upon request, on appointment