Ateneo - UPO

Il corso si propone di completare le conoscenze di chimica organica, la cui acquisizione è iniziata durante il primo anno della laurea triennale, esaminando classi di reazioni, composti organici e strategie sintetiche che non sono state trattate nel primo corso di base

1) J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, “Organic Chemistry”, 2nd Edition, Oxford University Press 2012 (ISBN 978-0-19-927029-3); 2) P.Y.Bruice, “Chimica Organica”, EdiSES; 3) B. Botta, “Chimica Organica”, Ed. Edi.Ermes, Milano (ISBN 9788870513271).
Approfondimenti: S. Warren, “Organic synthesis: the disconnection approach”, Wiley (ISBN 0471101613).
Eserciziari: 1) T.W. Solomons e altri, “La chimica organica attraverso gli esercizi”, Zanichelli 2) M.V. D’Auria, “Guida ragionata allo svolgimento di esercizi di chimica organica”, Loghia. Saranno messi a disposizione su DiR le slide del corso.

Il Corso si integra con quello di Chimica Organica I, esaminando classi di reazioni, composti organici e strategie sintetiche che non sono state trattate in precedenza. Gli studenti acquisiranno inoltre conoscenze sui principi fondamentali della sintesi organica e l’abilità di sviluppare semplici sequenze sintetiche di composti organici polifunzionali e di applicare i principi delle moderne strategie sintetiche: approcci per disconnessione, formazione di legami carboniocarbonio, organometallica, protezione/deprotezione di gruppi funzionali. Lo studente deve anche acquisire la capacità di comprendere e discutere criticamente il meccanismo delle reazioni e le metodologie usate. Lo studente dovrà dimostrare la capacità di apprendere e l’autonomia nel trarre conclusioni oltre alle abilità comunicative: lo studente deve saper realizzare e comunicare i risultati di una breve ricerca bibliografica svolta in autonomia mediante l’uso delle banche dati e testi scientifici presenti in biblioteca di dipartimento ed esporla in maniera appropriata con la corretta terminologia.

Sono prerequisiti del corso le nozioni di base di chimica organica acquisite nel corso di Chimica Organica I. In particolare: nomenclatura dei composti organici e gruppi funzionali. Stereochimica e chiralità. Delocalizzazione elettronica. Acidità e basicità. Reazioni di addizione elettrofila ad alcheni, di sostituzione nucleofila ed eliminazione. Reazioni di sostituzione elettrofila e nucleofila aromatica. Reazioni di addizione al carbonile e reazioni di sostituzione nucleofila acilica.

Sono previste lezioni frontali per 48 ore. Nelle lezioni in aula si privilegerà il confronto con gli studenti sugli aspetti teorici in modo critico per far emergere eventuali preconoscenze sui temi trattati e sviluppare le abilità comunicative mediante l’utilizzo del lessico appropriato. Nel corso delle lezioni una parte è sempre dedicata alla risoluzione collegiale di esercizi opportunamente selezionati per applicare i concetti teorici appresi e stimolare mediante il confronto l’autonomia di giudizio. Saranno comunque forniti agli studenti tutti i file elettronici proiettati durante le lezioni.

Sono inoltre previste 14 ore extra di esercitazioni come didattica integrativa in cui saranno svolti dal docente esercizi orientati da un lato a favorire la comprensione e l'assimilazione degli argomenti trattati nelle lezioni teoriche, e dall'altro a guidare gli studenti nella preparazione dell'esame.
L’apprendimento in itinere è monitorato mediante la risoluzione di esercizi di sintesi organica svolti in classe singolarmente o collegialmente in modo da stimolare la preparazione e testare i progressi effettuati. Al termine del corso è svolta una prova d'esame scritta con esercizi che coprono tutto il programma svolto poi corretta e commentata con il docente.

L’esame scritto consta di 10 esercizi sulla reattività che coprono tutto il programma svolto suddivisi in quattro tipologie: 1) individuare i prodotti conoscendo i reagenti; 2) individuare i reagenti in una sequenza sintetica; 3) formulare il meccanismo di una reazione; 4) analisi retrosintetica di una breve sintesi.
All'interno di questi 10 esercizi i primi 3 hanno punteggio 1, i seguenti 4 punteggio 3 e i restanti 3 punteggio 5. Seguirà il colloquio orale, se si supera con esito positivo la prova scritta, atto a confermare le conoscenze acquisite dallo studente, l’autonomia di giudizio e l’abilità di comunicare in maniera efficace e con la corretta terminologia. La sufficienza viene raggiunta dimostrando di aver acquisito le basi teoriche fondamentali e di saperle applicare alla soluzione di problemi di sintesi più semplici (punti 1 e 2) e di avere un lessico appropriato. L’eccellenza può essere conseguita dimostrando spiccate doti nel conoscere i meccanismi di reazione e nel risolvere problemi di sintesi complessi (punto 3 e 4)

1) ORBITALI MOLECOLARI, CHEMO- e REGIOSELETTIVITA’ – GRUPPI PROTETTORI
Introduzione al corso. Orbitali molecolari applicati alla reattività delle molecole organiche. HOMO e LUMO. Chemoselettività in reazioni di riduzione ed ossidazione. Uso di borano, DIBAL; reazione di idrogenolisi; riduzioni con metallo disciolto; riduzione di Birch. Ossidazioni con il periodinano Dess Martin; ossidazione di Swern; ossidazione di alcoli allilici e benzilici. Controllo cinetico e termodinamico delle reazioni. Reazioni intramolecolari. Eliminazione E1cB. Chemoselettività di dianioni. Gruppi protettori di ammine, acidi carbossilici, alcoli e carbonili. Ortogonalità dei gruppi protettori. Reazioni di formazione e deprotezione.
2) ENOLI, ENOLATI, ADDIZIONI CONIUGATE e CONDENSAZIONI
Enoli ed enolati. Enolati di composti carbonilici e di derivati di acidi carbossilici. Aza-enolati. Reattività ione enolato e alfa-alogenazione. Natura della base e regioselettività nella formazione di ioni enolato. Enol eteri e silil enol eteri. Alchilazione di enolati. Alchilazione di aldeidi usando enammine. Alchilazione di aldeidi tramite enammine e azaenolati. Alchilazione di composti beta-dicarbonilici e decarbossilazione. Controllo cinetico e termodinamico nella formazione e alchilazione di enolati. Composti alfa-beta-insaturi: addizione di Michael e addizione diretta. Orbitali molecolari e reattività. Fattori che influenzano la reazione di Michael. Nucleofili hard e soft. Reazione di sostituzione coniugata. Accettori di Michael e donatori di Michael. Enolati da composti dicarbonilici come donatori. Enoli, enammine, silil enol eteri e nitrocomposti come donatori di Michael. Reazioni di Darsen e Henry.
Condensazione aldolica incrociata: utilizzo di equivalenti enolici (litio enolati, silil enol eteri, aza-enolati). Reazioni di Cannizzaro, di Mannich, di Knoevenagel, di Reformatski. Reazione aldoliche intramolecolari e anellazione di Robinson. Condensazione di Claisen diretta e incrociata. Esteri reattivi non enolizzabili. Acilazione. Condensazione di Dieckmann.
3) REAGENTI CON FOSFORO, ZOLFO, SILICIO
Reazione di Wittig. Ilidi di fosfonio. Stereoselettività. Utilizzo delle ilidi di fosfonio o alchilfosfonati come equivalenti enolici in reazioni di condensazione. Ilidi di solfonio e solfossonio.
Reazioni di olefinazione di Peterson e Julia. Stereoselettività E/Z.
Lo zolfo e i suoi composti (struttura e reattività). Stabilizzazione di carbanioni. Tioacetali. Ditiani e loro utilizzo come acilanioni equivalenti. Idrolisi e desolforazione dei ditiani. Anioni solfinato e dei solfoni. Stabilizzazione di carbocationi adiacenti allo zolfo e partecipazione in beta dello zolfo. Addizione nulcleofila di bisolfito.
4) REAZIONI di CICLOADDIZIONE e CARBENI
Reazione di Diels Alder. Dieni e Dienofili. Stereochimica delle reazioni di Diels Alder. Regola Endo. Prodotto cinetico e termodinamico della reazione di Diels Alder. Approccio con gli orbitali molecolari. Influenza di solvente e catalisi con acidi di Lewis. Reazioni intramolecolari. Regioselettività nelle reazioni di Diels Alder. Reazione di Diels Alder a domanda elettronica inversa. Reazioni Alder-ene e carbonil-ene. Cicloaddizioni [2+2] per via fotochimica.
Diazometano. Carbeni: struttura, preparazione e reattività. Sintesi di ciclopropani. Reazione di Simmons Smith. Inserzione di carbeni in legami C-H e O(N)-H.
Reazione di metatesi di alcheni. Ring closing metathesis. Catalizzatori ed esempi.
5) REAGENTI ORGANOMETALLICI E REAZIONI DI CROSS-COUPLING
Introduzione alla chimica organometallica. Sintesi di reattivi organometallici tramite addizione ossidativa, transmetallazione e scambio metallo-alogeno. Sintesi di reattivi organometallici tramite deprotonazione di alchini o ciclopentadiene. Preparazione e reattività del benzino. Uso di reattivi organometallici in reazioni SN2, epossidi e con carbonili. Dialchilcuprati e loro reattività.
Regola dei 18 elettroni e tipi di leganti. Apticità. Conteggio degli elettroni in un complesso organometallico. Addizione ossidativa. Eliminazione riduttiva. Inserzione di legante/migratoria. Carbonilazione. Beta eliminazione. Il palladio, reattività e complessi di Pd(0) e Pd(II). Riduzione in situ di Pd(II) a Pd(0).
Reazione di Heck. Ciclo catalitico. Regioselettività e stereochimica delle reazioni di Heck. Reazioni di cross-coupling. Ciclo catalitico generico. Reazione di Stille. Reazione di Suzuki. Ciclo catalitico e attivazione del boro. Esempi per formazione biarili, dieni e arilalcheni. Reazione di Negishi. Reazione di Sonogashira.
Sostituzione nucleofila su sistemi allilici e regioselettività. Attivazione di sistemi allilici con Pd(0). Reazioni con vinil-epossidi e allil-carbonati. Reazione di Buchwald e Hartwig. Attacco nucleofilo ad alcheni mediato da Pd(II). Ossidazione di Wacker.
6) RETROSINTESI
Approccio retrosintetico. Definizioni ed esempi di sintoni e reagenti. Analisi retrosintetica di derivati aromatici usando sostituzioni elettrofile e nucleofile. Analisi retrosintetica con esempi: disconnessioni C-C 1,1; 1,2; 1,3; disconnessione alfa-beta; disconnessione di Mannich e di Claisen. Disconnessione 1,5. Reattività "naturale" e umpolung. Composti difunzionali 1,2. Strategie per composti difunzionali 1,4. Elenco di sintoni più comuni.

Conoscenza e capacità di comprensione: 1) conoscere in modo approfondito le relazioni-struttura-reattività nei composti organici polifunzionali 2) conoscere i principi che guidano le reazioni organiche e che permettono di interpretarne i meccanismi.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione: 1) saper descrivere i meccanismi di reazione in molecole organiche polifunzionali 2) saper classificare le trasformazioni organiche sulla base delle interazioni tra i diversi gruppi funzionali presenti in una molecola organica 3) saper descrivere la progettazione di una semplice sequenza sintetica.
Autonomia di giudizio: 1) proporre delle strategie sintetiche con particolare riguardo alla protezione-deprotezione dei gruppi funzionali; 2) saper affrontare agevolmente un’analisi retrosintetica semplice.
Abilità comunicative: 1) essere in grado di descrivere chiaramente l’uso delle varie nozioni apprese nel corso con linguaggio scientifico appropriato. 2) saper esporre in maniera chiara e con linguaggio appropriato i meccanismi di reazione.
Capacità di apprendimento: 1) dimostrare di essere capace di reperire e applicare nuove informazioni necessarie per progettare la sintesi di molecole organiche sia in modo diretto che via retrosintesi.