HIMICA ORGANICA Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Biologiche A.A. 2013/14 SCV0028 + SCV0182 (laboratorio) Docente: STEFANO BANFI CFU SSD LEZIONI 9 CHIM/03 48 ESERCITAZIONI LABORATORIO 16 24 ANNO LINGUA I-II Italiano Obiettivi dell’insegnamento e risultati di apprendimento attesi Lo studente dovrà essere in grado di riconoscere i gruppi funzionali della chimica organica di base e di dare alle molecole proposte la corretta nomenclatura secondo le regole IUPAC. Di ciascun gruppo funzionale dovrà poter indicare la reattività principale basando le sue conoscenze sulle considerazioni di polarità e cariche presenti. Per meglio comprendere la reattività saranno proposti i meccanismi delle reazioni più comuni mettendo in risalto il concetto di acidità e basicità, di catalisi e quello di risonanza. Nel modulo di laboratorio lo studente eseguirà 8 diverse esperienze che gli consentiranno di apprendere l’uso della comune vetreria da laboratorio e dei sistemi volumetrici usati nelle tecniche di titolazione della chimica generale (titolazioni acido-base, redox, di complessazione) ed alcune tecniche di separazione e semplici processi di sintesi della chimica organica(separazioni pigmenti,estrazione di sostanze naturali, riduzione di substrato prochirale, sintesi di un colorante azoico).In seguito all’esecuzione di queste esperienze, il risultato atteso è che gli studenti abbiano chiari i concetti di:precisione dei sistemi volumetrici, standard, indicatore, rapporti molari, solubilità e polarità dei solventi (tossicità),stechiometria delle reazioni e conoscenze di semplici metodi di purificazione (cromatografia e cristallizzazione). Prerequisiti Lo studente deve aver chiaro i concetti di rapporti stechiometrici, di acidità e basicità e di elettronegatività di atomi o gruppi che ha acquisito nel corso di chimica generale. Contenuti e programma del corso MODULO di CHIMICA ORGANICA (C.O.). Struttura delle molecole organiche: legami semplici, doppi e tripli. Ibridazione del C, N ed O (sp3, sp2, sp). Lunghezze ed energie di legame. Elettronegatività e polarizzazione di un legame biatomico. Effetto della polarizzazione sulla reattività. Concetto di elettrofilo e di nucleofilo. Gruppi funzionali: struttura e nomenclatura IUPAC. Alcani, alcheni, alchini, alogenuri alchilici, alcoli, gruppi carbonilici (aldeidi, chetoni), acidi carbossilici. Derivati degli acidi (esteri, cloruri acilici, ammidi, anidridi), ammine, nitrili e composti solforati (mercaptani, solfuri, solfati). Concetto di risonanza e aromaticità: il butadiene e la definizione dei composti aromatici (benzene e omologhi superiori, i PAH), nomenclatura. Nomenclatura di molecole contenenti più di due gruppi funzionali: scala di priorità dei gruppi funzionali. (Nomenclatura IUPAC dei gruppi subordinati). Stereochimica: definizione di stereocentro (o carbonio stereogenico) ed esempi di atomi di carbonio chirali. Enantiomeri, miscele racemiche e diastereoisomeri. Nomenclatura R,S degli stereocentri secondo le regole di Cahn, Ingold e Prelog (CIP); molecole con due o più stereocentri: enantiomeri, diastereoisomeri e composti meso. Potere ottico rotatorio e nomenclatura D,L degli stereocentri (Gliceraleide) Reazioni enantiospecifiche ed enantioselettive, risoluzione di miscele racemiche. Gruppi funzionali: Reattività. ALCANI: analisi conformazionale di molecole semplici lineari e cicliche. Alogenazione radicalica con meccanismo. Considerazioni energetiche (Entalpia ed energia libera di Gibbs). Ordine di stabilità dei radicali alchilici. ALCHENI: meccanismo generale di reattività in presenza di elettrofili (E+) e nucleofili (Nu-); regola di Markovnikov sulla stabilità dei carbocationi Addizione di acidi alogenidrici (idroalogenazione) con meccanismo (stato di transizione e intermedio di reazione), addizione di acqua (idratazione) con meccanismo e concetto di catalizzatore; addizione di bromo molecolare (meccanismo). Idrogenazione degli alcheni ad alcani; epossidazione (Peracidi); rottura ossidativa per ozonolisi; formazione di dioli (OsO4). Reazione di idroborazione degli alcheni (alcol anti-Markovnikov) e idroalogenazione radicalica (anti-Markovnikov). Reattività dei dieni coniugati e concetto di risonanza. ALCHINI: addizione di acidi alogenidrici e di acqua, (effetto della presenza del secondo doppio legame, forme enoliche e tautomeria cheto-enolica). Alogenazione e riduzione ad alcani e alcheni CIS o TRANS. REATTIVITA DEL BENZENE: le sostituzioni elettrofile aromatiche (meccanismo generale). Esempi di Alogenazione, Nitrazione, Solfonazione, Acilazione ed Alchilazione di Friedel-Crafts. Effetto di un sostituente: attivante (orto-para orientante) e disattivante (meta orientante). Sostituzione Nucleofila aromatica: esempio. Sali di diazonio e reazioni di Sandmeyer. ALOGENURI ALCHILICI: Reazioni di Sostituzione nucleofila (Sn) e di Eliminazione (deidroalogenazione). Reazioni monomolecolari e bimolecolari: esempi di Sn1, Sn2, E1, E2 su alogenuri alchilici (meccanismo ed implicazioni stereochimiche). Cenni su alcuni composti organometallici: i composti di Grignard. ALCOLI: reazioni di disidratazione e ossidazioni. Trasformazione dell’ossidrile in gruppo uscente (solfonato) e relative reazioni di sostituzione. Protezione del gruppo alcolico: formazione dei silil eteri e di acetali. COMPOSTI CARBONILICI: riduzioni del gruppo carbonilico con idruri e via idrogenazione catalitica. Addizione nucleofila su aldeidi e chetoni (idratazione, formazione di chetali, cianidrine, immine ed enammine con meccanismo). Condensazione aldolica: formazione dei beta-idrossicarbonili (meccanismo). Reattività dei carbonili, insaturi (addizione di Michael). ACIDI CARBOSSILICI E DERIVATI: formazione di esteri, ammidi e anidridi a partire da acidi o cloruri acilici. Reazioni di idrolisi acide e basiche (Saponificazione). Reazione di condensazione di Claisen e di Dieckmann (Esteri): formazione dei beta cheto esteri. AMMINE: solubilità e basicità delle ammine. Reazioni di sintesi. Reazione con composti carbonilici. Molecole biologiche:AMMINOACIDI. Struttura e Nomenclatura degli AA naturali e sintesi di peptidi (concetto di gruppo protettivo e di gruppo attivante); punto isoelettrico e solubilità. CARBOIDRATI: dalla gliceraldeide fino agli aldoesosi (glucosio). Fruttosio (chetoesoso). Forme furanosidiche e piranosidiche; carbonio anomerico. Esempi di disaccaridi (saccarosio) e polisaccaridi (cellulosa ed amido). MODULO DI LABORATORIO DI CHIMICA. Le esperienze attualmente proposte sono: 1) diluizione di una molecola colorata ad una concentrazione desiderata e controllo con spettroscopia visibile; determinazione della densità dell’acetone con due sitemi volumetrici diversi 2) Titolazione Redox – standardizzazione del KMnO4 con ossalato e determinazione della purezza di un sale di Mohr; 3) titolazione acido base di acido poliprotico – Titolazione del H3PO4 con indicatori e con pHmetro; 4) Titolazione complessometrica – Standardizzazione dell’EDTA con ZnO e determinazione della durezza dell’acqua; 5) estrazione della caffeina dalle foglie del tè e purificazione mediante cristallizzazione; 6) estrazione dei pigmenti degli spinaci e separazione con colonna cromatografica; 7) riduzione chimica ed enzimatica (lievito) di un chetone prochirale; 8) sintesi di un colorante azoico via formazione del sale di diazonio dell’anilina e copulazione con il 2 idrossinaftalene. Tipologia delle attività didattiche Le lezioni e le esercitazioni sugli argomenti trattati (concernenti la nomenclatura IUPAC e la reattività dei gruppi funzionali) sono tenute frontalmente con la proiezione di slide associata ad un ampio uso della scrittura su fogli di carta contestualmente proiettati sullo schermo. Le esperienze che gli studenti devono eseguire nel laboratorio vengono descritte in dettaglio a lezione e comunque viene fornita la ricetta in laboratorio nel giorno prestabilito. Durante le esperienze la corretta manualità e operatività viene assicurata dalla presenza del docente e di due tecnici Testi e materiale didattico Per consentire agli studenti un adeguato apprendimento vengono fornite le slide usate a lezione e innumerevoli temi di esame che vengono risolti insieme al docente. Inoltre viene suggerito un libro di testo. Modalità di verifica dell’apprendimento Modulo di Chimica Organica: SCRITTO PIU’ ORALE (sostenibile con uno scritto ritenuto sufficiente). STRUTTURA DEL TESTO DELL’ ESAME SCRITTO 10 DOMANDE CHE COMPRENDONO TUTTI GLI ARGOMENTI DEL CORSO. Argomenti delle domande: I - Riconoscimento dei gruppi funzionali II – Nomenclatura: dal nome IUPAC disegnare le molecole (3 per esercizio) III – Nomenclatura: dalla struttura assegnare il nome (IUPAC) (3 per esercizio) IV – Analisi conformazionale su alcani lineari o ciclici. V – Reattività: indicare il meccanismo e prodotti di una reazione specifica. VI – Reattività: 3-4 passaggi di sintesi in cui è indicato il prodotto ma non il reagente VII – Reattività: 3-4 passaggi di sintesi in cui sono indicati i reagenti ma non i prodotti VIII - Domanda su Amminoacidi IX – Domanda sui carboidrati X - Domanda su argomenti vari quali acidità, reattività di un gruppo funzionale, ed altro Orale L’ACCESSO ALL’ORALE E’ CONSENTITO AGLI STUDENTI CHE ABBIANO RAGGIUNTO ALMENO 16/30 NELLA PROVA SCRITTA L’esame orale verte sull’analisi dello scritto e commento degli eventuali errori più domande di approfondimento su meccanismi e reattività. Il voto finale sarà espresso in trentesimi. Modulo di laboratorio. L’esame è solo orale e gli studenti devono presentarsi con una relazione sintetica di quanto da loro svolto in laboratorio. Le domande vertono sulla descrizione di una specifica esperienza con approfondimento di come e perché abbiano eseguito certe operazioni.Il voto finale sarà espresso in trentesimi e con il voto del modulo di chimica organica porterà alla valutazione finale del corso. Orario di ricevimento Il docente è sempre disponibile a fornire spiegazioni agli studenti presso il suo ufficio a seguito della definizione di un appuntamento anche via mail E-mail