Benzene ed aromaticità; teoria dell’OM di Hückel. Sostituzione aromatica. Sintesi e reattivita’ di composti aromatici. Eterocicli aromatici. Reazioni catalizzate da Pd. Enolati e enammine. Reazioni aldolica, di Claisen e di Diekmann, acetoacetica e malonica. Reazioni di Michael e Robinson. Cicloaddizione di D-A. Lipidi. Amminoacidi. Peptidi. Carboidrati. Acidi nucleici. Laboratorio: Separazione e caratterizzazione di due composti incogniti aromatici. Spettrometria di Massa e NMR.
Le lezioni seguono principalmente (ma non esclusivamente) gli argomenti trattati in "Chimica Organica" W.H. Brown, B.L. Iverson, E.V. Anslyn, C.S. Foote. In generale, tutti gli argomenti trattati nel corso si ritrovano nei vari testi di Chimica Organica per i corsi di Laurea in Chimica. Uno stesso testo può essere utilizzato per lo studio di entrambi i corsi di Chimica Organica I e II. Si consiglia di fare riferimento alle dispense per avere la traccia degli argomenti che andranno comunque studiati su un libro di testo idoneo.
Obiettivi Formativi
Il corso è il proseguimento del corso di Chimica Organica I e si propone di dare agli studenti un quadro delle problematiche che riguardano la struttura e reattività dei composti organici, incluse alcune classi di composti naturali, come i grassi, amminoacidi, carboidrati, acidi nucleici. Saranno fornite anche le conoscenze base della spettrometria di massa (EI) e 13C NMR. L'esperienza pratica riguarda la separazione e caratterizzazione strutturale di due composti incogniti.
Prerequisiti
Corsi propedeutici: Chimica Organica I e Laboratorio di Chimica Organica I.
Il presente corso è il proseguimento dei corsi di C.O. I e Lab di C.O. I e tutti i contenuti sono strettamente correlati.
Metodi Didattici
Lezioni frontali: 32 ore
Esercitazioni svolte in aula: 12 ore
Esercitazioni svolte in laboratorio: 12 ore
Altre Informazioni
Il materiale proiettato a lezione è disponibile sulla piattaforma Moodle.
La frequenza delle lezioni propedeutiche alle esercitazioni di laboratorio (prima parte del corso) è obbligatoria
Modalità di verifica apprendimento
Gli studenti devono consegnare una relazione al termine dell’esperienza di laboratorio che è propedeutica al sostenimento dell’esame orale.
La verifica finale consiste in un esame orale svolto alla lavagna in cui mediante esercizi e domande su tre argomenti del programma scelti dalla docente si verifica:
- la conoscenza della struttura, delle proprietà e della reattività dei derivati del benzene e degli eterocicli aromatici.
- la conoscenza della struttura, delle proprietà e della reattività degli enoli e loro analoghi.
- la conoscenza delle reazioni catalizzate da palladio e delle cicloaddizioni di Diels-Alder.
- la conoscenza della struttura, delle proprietà e della reattività degli zuccheri, amminoacidi, peptidi e proteine, lipidi e acidi nucleici.
- la conoscenza dei meccanismi delle reazioni analizzate durante le lezioni e dei relativi aspetti di selettività.
- la capacità si saper progettare l’analisi retrosintetica dei composti analizzati durante le lezioni e di composti analoghi.
- la capacità si saper applicare i processi sintetici studiati a brevi sintesi multistadio.
Sarà valutata la capacità di esporre correttamente i concetti appresi durante il corso e di saperli applicare mediante il ragionamento alla risoluzione degli esercizi proposti.
Programma del corso
PROGRAMMA DETTAGLIATO
I parte:
Benzene: struttura e proprietà. Modello degli Orbitali Molecolari (OM). Modello della Risonanza. Energia di risonanza: definizione, calcolo dell’energia di risonanza. Concetto dell’aromaticità: criteri di Huckel per l'aromaticità e l’anti-aromaticità. Metodo della circonferenza di Frost. Annuleni aromatici, antiaromatici e non aromatici: struttura e reattività. Metodi teorici e sperimentali per determinare l’aromaticità. NMR: chemical shift dei protoni negli annuleni.
Eterocicli aromatici a 6 e 5 termini (piridina, pirimidina, furano, tiofene, pirrolo, imidazolo, indolo, purina): struttura, energia di risonanza relativa, proprietà acido-base. Ioni idrocarburici aromatici e antiaromatici: struttura, stabilità e proprietà acido-base (valore della pKa del ciclopentadiene a confronto con la pKa degli alcani e di altre classi di composti). Applicazione del metodo della circonferenza di Frost. Generazione dello ione tropilio e suoi frammenti nello spettrometro di massa.
Regole per la nomenclatura dei derivati del benzene mono e polisostituiti. Nomi sistematici e nomi comuni: toluene, fenolo, anilina, benzaldeide, acido benzoico. Gruppi fenile e benzile. Fenolo e suoi derivati: struttura e proprietà acido-base (valore della pKa di fenolo, acidi carbossilici ed alcoli, influenza dei sostituenti sulla pKa dei fenoli sostituiti). Anilina e suoi derivati: struttura e proprietà acido-base (valore della pKa dell’anilina e delle ammine, influenza dei sostituenti sulla pKa delle aniline sostituite).
Separazione per estrazione chimicamente attiva
Concetti base della spettrometria di massa (MS).
Reazioni del benzene e dei suoi derivati. Sostituzioni elettrofile aromatiche (alogenazione, nitrazione, solfonazione, alchilazione, acilazione): reagenti, meccanismo, effetto dei sostituenti. Processi di sostituzione indiretti (sintesi di aniline, alchilbenzeni e acidi benzoici). Disostituzione e polisostituzione. Postulato di Hammond. Teoria degli effetti orientanti, attivanti e disattivanti e diagrammi di energia relativi. Sintesi multistadio.
Prodotto cinetico. Prodotto termodinamico. Reazione sotto controllo cinetico. Reazione sotto controllo termodinamico.
Sostituzioni nucleofile aromatiche di alogenuri arilici: via intermedio arinico e mediante un meccanismo di addizione-eliminazione.
Alchilbenzeni. Ibrido di risonanza di catione, anione e radicale benzilici. Reazioni in posizione benzilica: ossidazione, alogenazione radicalica (meccanismo e selettività), sintesi e idrogenolisi dei benzileteri e loro utilizzo come gruppi protettori. Frammentazione dei derivati benzilici nella MS.
Sintesi e reattività dei fenoli e degli ioni fenossido (nucleofili bidentati): struttura e reazioni acido-base, reazione di Williamson per la preparazione di eteri alchil-arilici, reazione di carbossilazione di Kolbe per la sintesi dell’acido salicilico, ossidazione a chinoni, riduzione di chinoni, sintesi di fenoli a partire dalle aniline via sali di diazonio, deprotezione di O-benzil-fenoli via idrogenolisi.
Sintesi e reattività delle ammine aromatiche: struttura e reazioni acido-base. Reazione con l’acido nitroso di ammine primarie secondarie e terziarie. Confronto tra ammine alifatiche e aromatiche. Sintesi e reattività dei sali di diazonio aromatici.
Analisi retrosintetica: definizione, disconnessioni, FGI. Simbolo.
Composti eterociclici saturi ed aromatici: definizione. Nomi e struttura di alcuni eterocicli comuni (piridina, pirimidina, furano, tiofene, pirrolo, imidazolo, ossazolo, tiazolo, benzofurano, indolo, benzotiofene, purina, tetraidrofurano, pirrolidina). Composti eterociclici aromatici elettronricchi: pirrolo, furano, tiofene, indolo, benzofurano, benzotiofene, imidazolo, ossazolo e tiazolo. Pirrolo, furano, tiofene: struttura, energia di risonanza, proprietà acido-base e reattività. Polimerizzazione del pirrolo in ambiente acido, apertura dell’anello furanico in ambiente acido, sostituzione elettrofila aromatica. Furano: reazione di cicloaddizione di Diels-Alder. Benzofurano, indolo, benzotiofene: struttura, regioselettività delle reazioni di sostituzione elettrofila aromatica. Imidazolo, ossazolo, tiazolo: struttura, aromaticità, proprietà acido-base, reattività e regioselettività nelle reazioni di sostituzione elettrofila aromatica.
Piridina: struttura, energia di risonanza, proprietà acido-base e nucleofilicità. Addizioni elettrofile all’azoto: alchilazione, acilazione, reazione con acidi di Lewis. Sostituzione elettrofila aromatica: reattività rispetto al benzene, regioselettività, orientamento nella polisostituzione, attivazione temporanea mediante formazione dell’N-ossido, confronto con il fenossido. Piridina N-ossido: sintesi, reattività nelle sostituzioni elettrofile aromatiche, riduzione a piridina. Reazioni di sostituzione nucleofila aromatica della piridina: reattività e regioselettività. Reazione di Chichibabin e suo utilizzo per l'introduzione indiretta di vari sostituenti sull'anello piridinico. Piridoni: sintesi e struttura.
Alchilpiridine: struttura, proprietà acido-base e reattività.
II parte:
Composti organometallici: sintesi e reattività dei reattivi di Grignard, reattivi di alchillitio e dei cuprati.
Complessi dei metalli di transizione: addizione ossidativa ed eliminazione riduttiva. Reazione di Heck: reagenti, condizioni di reazione, meccanismo e ciclo catalitico, aspetti di regioselettività, stereoselettività e stereospecificità, reazioni con isomerizzazione dell'alchene.
Reazioni di accoppiamento catalizzate da palladio: meccanismo generale e ciclo catalitico. Aspetti di stereoselettività e stereospecificità. Accoppiamento di Suzuki. Accoppiamento di Stille. Accoppiamento di Sonogashira.
Composti carbonilici: reattività generale. Tautomeria cheto-enolica: meccanismo. Costanti di acidità di ammine, alcoli, acqua, chetoni, esteri, -dichetoni, -chetoesteri, esteri malonici. Formazione e reazioni degli anioni enolato: sostituzione nucleofila e addizione nucleofila. O-alchilazione e C-alchilazione (prodotto cinetico e prodotto termodinamico). Bromurazione di aldeidi e chetoni.
Caratteristiche di enoli e ioni enolato a confronto. Reazione aldolica: reazione di addizione aldolica e reazione di condensazione aldolica (condizioni di reazione e meccanismi: catalisi acida, catalisi basica, disidratazione di -idrossialdeidi e -idrossichetoni catalizzata da basi e da acidi). Reazione aldolica incrociata inter- ed intramolecolare. Reazione aldolica incrociata mediante l’uso di enammine preformate. Analisi retrosintetica di composti -idrossicarbonilici e carbonili ,-isaturi.
Reazioni di condensazione di Claisen e di Dieckmann. Reazione di condensazione di Claisen incrociata. Analisi retrosintetica di -chetoesteri. Idrolisi di -chetoesteri e decarbossilazione di -chetoacidi. Analisi retrosintetica di chetoni mediante formazione intermedia di -chetoesteri.
Struttura degli emiamminali e delle enammine. Sintesi ed idrolisi delle enammine. Reattività delle enammine: reazione di alchilazione, reazione di acilazione, idrolisi dei prodotti. Analisi retrosintetica di composti carbonilici, -dicarbonilici, 1,4-dichetoni e 4-chetoesteri.
Sintesi acetoacetica. Analisi retrosintetica di derivati alchilati di -chetoesteri e di composti carbonilici sostituiti sul C con gruppi alchilici. Sintesi malonica. Analisi retrosintetica di derivati alchilati del diestere dell’acido malonico e di acidi carbossilici sostituiti sul C con gruppi alchilici.
Addizioni coniugate. Addizione di Michael di anioni enolato stabilizzati ed enammine. Nucleofili ed accettori utilizzabili nella reazione di addizione di Michael. Addizione 1,4 vs addizione 1,2 su composti carbonilici ,-insaturi. Analisi retrosintetica di composti 1,5-dicarbonilici, 1,5-chetonitrili, 1,4-nitrochetoni, derivati di 1,3-dichetoni, di chetoni, di acidi carbossilici e -chetonitrili.
Reazione di anellazione di Robinson. Analisi retrosintetica di cicloesenoni.
Sintesi di litio diorganocuprati. Addizione coniugata di litio diorganocuprati. Analisi retrosintetica di derivati carbonilici.
LDA. Sintesi e struttura dell’LDA. pKa della diisopropilammina, del butano, di chetoni ed esteri semplici. Reazioni aldolica e di Claisen incrociate utilizzando enolati generati con LDA. Reazioni degli enolati di litio. Regioselettività della reazione di enolizzazione di chetoni non simmetrici con LDA, controllo cinetico e controllo termodinamico.
Reazioni di cicloaddizione e ciclizzazione: definizione. Reazione di cicloaddizione di Diels-Alder: reagenti, prodotti, meccanismo e sua razionalizzazione mediante l’analisi degli orbitali molecolari di frontiera, aspetti di stereospecificità e diastereoselettività endo/eso. Analisi retrosintetica di derivati del cicloesene.
III parte:
Carboidrati: struttura, biosintesi, classificazione e nomenclatura. Stereochimica.
Rappresentazione della struttura dei monosaccaridi lineari: struttura tridimensionale con la catena a “zig-zag”, proiezione di Fischer. Configurazione relativa ed assoluta. Configurazione D e L. Descrittori R/S. Stereoisomeri: enantiomeri, diastereoisomeri, epimeri. Struttura degli aldosi della serie D. Chetosi e amminozuccheri. Emiacetali e acetali: struttura, meccanismo di formazione ed idrolisi. Forme cicliche dei monosaccaridi: meccanismo di formazione. Rappresentazioni della struttura tridimensionale: conformazione a sedia. Proiezione di Haworth. Anomeri e carbonio anomerico. Mutarotazione. Effetto anomerico.
Monosaccaridi comuni: rappresentazioni di strutture sia aperte che cicliche, tridimensionali con la catena a “zig,zag”, conformazione a sedia, proiezione di Fisher e proiezione di Haworth: D- ed L-gliceraldeide, ribosio, 2-deossiribosio, arabinosio, glucosio, mannosio, galattosio, fruttosio, glucosammina, mannosammina, galattosammina, N-acetil-glucosammina
Reazioni dei carboidrati: esterificazione, eterificazione, glicosidi, N-glicosidi e disaccaridi, riduzione di aldosi ad alditoli con NaBH4, ossidazione ad acidi aldonici (reattivo di Tollens; Br2/CaCO3/H2O), ossidazione ad acidi uronici, scissione ossidativa con acido periodico. Zuccheri riducenti e zuccheri non riducenti. Glicosidi, legame glicosidico, aglicone, N-glicosidi. Idrolisi dei glicosidi. Disaccaridi e polisaccaridi: maltosio, cellobiosio, lattosio, saccarosio, amido (amilosio e amilopectina), glicogeno, cellulosa.
Lipidi: definizione e classificazione. Acidi grassi saturi ed insaturi. Trigliceridi: grassi e oli. Reazione di saponificazione. Nome e struttura di alcuni acidi grassi più comuni: acido palmitico, acido stearico, acido oleico, acido linoleico, acido linolenico e acido arachidonico. Acidi grassi essenziali omega-3 e omega 6. Processo di indurimento degli oli. Cere. Saponi e detergenti (naturali e sintetici, anionici, cationici, neutri). Fosfolipidi. Glicerofosfolipidi, acido fosfatidico, fosfatidiletanolammina, fosfatidilserina. Fosfolipidi e membrane cellulari. Prostaglandine. Acido prostanoico. Biotrasformazione dell’acido arachidonico in prostaglandine (CENNI). Steroidi: struttura. Colesterolo. Classi principali degli ormoni steroidei. Acidi biliari: struttura. Acido colico. Vitamine liposolubili. Vitamina A. Ciclo della visione.-Carotene, vitamina A (retinolo), retinale.
Amminoacidi. Amminoacidi proteinogenici. Proprietà acido-base: zwitterione e proprietà fisiche. Chiralità e configurazione assoluta. Scrittura tridimensionale e proiezione di Fischer. Classificazione in base alla catena laterale e proprietà acido-base. Nome, codice a tre lettere e struttura dei 20 -amminoacidi proteinogenici. Determinazione dei valori delle pKa tramite titolazione. Punto isoelettrico. Forme prevalenti a pH acido, neutro, basico, al punto isoelettrico e a pH=pKa). Elettroforesi. Ninidrina come rivelatore di amminoacidi.
Proteine: classificazione (semplici, coniugate, fibrose, globulari). Peptidi e proteine: struttura primaria. Legame peptidico. Scrittura con catena a ‘zig-zag’ di dipetiditi, tripeptidi etc. Analisi della composizione di un polipeptide: idrolisi acida, analisi cromatografica a scambio ionico e rivelazione con ninidrina. Analisi della sequenza amminoacidica di un polipeptide: bromuro di cianogeno (BrCN, scissione del legame peptidico formato dal CO2H della metionina, NO MECCANISMO); degradazione di Edman: scissione selettiva dell’amminoacido N-terminale (NO MECCANISMO); idrolisi enzimatica (cenni).
Formazione di ammidi con dicicloesilcarbodiimmide (DCC). Sintesi di peptidi: strategie. Gruppi protettori del gruppo amminico, carbammati: Cbz (o Z) e BOC, proprietà, sintesi e metodi di rimozione. Gruppi protettori del gruppo carbossilico (esteri metilico e benzilico, sintesi, idrolisi o idrogenolisi). Formazione del legame peptidico con DCC. Resina di Merrifield. Sintesi su fase solida di Merrifield.
Struttura tridimensionale di peptidi e proteine: geometria del legame peptidico. Geometria relativa di legami peptidici adiacenti. Peptidi e proteine: struttura primaria, struttura secondaria, struttura terziaria e struttura quaternaria. Legami e forze che stabilizzano la struttura proteica: legame disolfuro, legame ponte di idrogeno, ponti salini, interazioni idrofile ed idrofobe. Denaturazione delle proteine.
Acidi nucleici DNA ed RNA. Basi azotate, nucleosidi e nucleotidi (nucleosidi mono-, di- e tri-fosfati): struttura e nomi. D-ribosio, 2-deossi-D-ribosio, purina, adenina, adenosina, AMP, dAMP, ADP e ATP, guanina, guanosina, GMP e dGMP, pirimidina, uracile, uridina, UMP, citosina, citidina, CMP e dCMP, timina, timidina, TMP. DNA: struttura primaria (dinucleotide, trinucleotide, etc, e sezione di filamento), struttura secondaria (modello a doppia elica) e struttura terziaria (superavvolgimento). Replicazione del DNA. RNA: struttura, classificazione (RNA ribosomale, RNA transfer e RNA messaggero) e loro funzioni. Trascrizione. Codice genetico e Traduzione (codone e anticodone). Biosintesi delle proteine.