Catalogo dei Corsi di studio

1.a. Obiettivi formativi generali
La chimica organica è una disciplina chimica che coinvolge lo studio della struttura, della reattività, delle proprietà e delle applicazioni di composti che sono formati principalmente da atomi di carbonio, formando legami covalenti, sia da fonti naturali che artificiali.
L'obiettivo generale è quello di fornire agli studenti del corso di Chimica Organica II le conoscenze e le competenze necessarie per comprendere le relazioni esistenti tra la struttura molecolare e la reattività dei principali gruppi funzionali, i meccanismi di base delle reazioni organiche, la chimica dei composti eterociclici e delle biomolecole.
Per uno studente di Chimica e Tecnologia Farmaceutiche, questo apprendimento è essenziale, perché la maggior parte dei farmaci sono composti eterociclici e la loro attività biologica dipende dalla loro interazione con i target biologici, che sono anche composti organici.
L’acquisizione di queste conoscenze, consentirà agli studenti di essere in grado di comprendere le metodologie sintetiche di base utilizzate per la sintesi di derivati eterociclici, argomento principale del corsi di Chimica Farmaceutica previsti dal corso di laurea. L’acquisizione delle competenze di stereochimica superiore e quelle riguardanti la reattività molecolare, sarà essenziale per la comprensione dei meccanismi di interazione farmaco-recettore, argomento trasversale in quanto trattato in diversi corsi specifici.

1.b. Obiettivi formativi specifici
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Gli obiettivi specifici del corso comprendono l’acquisizione delle seguenti conoscenze e competenze:
1) comprensione della stereochimica superiore e sua rilevanza ai fini della reattività;
2) comprensione della relazione intercorrente tra la distorsione della struttura chimica e la reattività dei gruppi funzionali;
3) acquisizione delle conoscenze necessarie per la comprensione della catalisi organica
4) acquisizione delle conoscenze di relative alle proprietà chimiche dei principali nuclei eterociclici e alle principali vie sintetiche per il loro ottenimento;
5) acquisizione delle conoscenze necessarie alla comprensione e alle applicazioni in campo sintetico delle reazioni pericicliche
6) acquisizione delle conoscenze necessarie alla formulazione di meccanismi di reazione
7) acquisizione delle conoscenze necessarie alla comprensione delle proprietà chimiche di peptidi, carboidrati e lipidi.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine del corso lo studente sarà in grado di progettare la sintesi di derivati eterociclici attraverso reazioni organiche tradizionali e di tipo organometallico; attraverso l’acquisizione delle competenze di stereochimica superiore e quelle riguardanti la reattività molecolare, sarà in grado di comprendere i meccanismi di interazione farmaco-recettore.

3. Autonomia di giudizio
Il corso di Chimica Organica II si propone di formare gli studenti in modo da renderli autonomi, in grado di proporre soluzioni ad argomenti tratti da studi specifici della chimica organica. L’acquisizione di questa capacità avverrà attraverso la formazione impartita durante le lezioni frontali, organizzate in modo da proporre casi di studio su tematiche di interesse generale.

4. Abilità comunicative
Allo scopo di sviluppare buone capacità espositive sulle tematiche proprie del corso, verrà stimolato il confronto continuo tra docenti e studenti durante le lezione frontali. Inoltre, verranno incentivati gli scambi culturali all’interno delle iniziative Erasmus, finalizzate a sviluppare le capacità comunicative necessarie per trasmettere informazioni, idee, problemi e soluzioni a interlocutori specialisti e no.

5. Capacità di apprendimento
Sarà fornito in rete il materiale didattico utile ad agevolare lo studente nel seguire lo svolgimento delle lezioni in aula focalizzando l’attenzione sulle principali tematiche affrontate.
Tuttavia, allo studente verranno indicati i testi da consultare allo scopo di approfondire e proseguire autonomamente lo studio raggiungendo un livello di preparazione adeguato per il superamento dell’esame finale.

Programma

Blocco 1. Struttura e reattività. (12 ore)
Introduzione alla meccanica molecolare. Analisi conformazionale di molecole acicliche: alchini, aldeidi, chetoni, dieni coniugati, composti carbonilici a-b-insaturi. Analisi conformazionale di molecole cicliche: cicloesano e suoi derivati mono-, di- e polisostituiti. Effetto anomerico. Sistemi eterociclici: effetto dell’eteroatomo sulla conformazione. Sistemi conformazionalmente “bloccati” e “condizionati”.
Effetto della conformazione sulla reattività. Ossidazione del cis- e trans-4-t-butil-cicloesanolo. Acetilazione del cis- e trans- 4-t-butil-cicloesanolo, saponificazione dell’etilestere dell’acido cis- e trans-4-t-butil-cicloesancarbossilico. Ossidazione di piranosil acetali con CrO3. Eliminazione di tipo E2 in sistemi cicloesanici. Competizione tra E2 / SN2 in sistemi cicloesanici.Effetto della tensione sterica sulla reattività. Idrolisi di esteri con meccanismo di tipo AAL1.
Effetto della tensione angolare sulla reattività. Scissione carbonilica in ambiente basico. Reazioni di solvolisi di alchil bromuri.
Reazioni di ciclizzazione: relazione tra dimensione del ciclo e velocità di ciclizzazione
Effetto della tensione torsionale sulla reattività: riduzione di composti ciclici
Effetto della tensione sterica sulle proprietà acido-base. Trifenilmetano, proton sponges. Acici arilacetici sostituiti. Effetti elettronici nella reazione di sostituzione nucleofila.
Blocco 2. Complementi di stereochimica organica (4 ore)
Gli elementi di simmetria: asse di simmetria, piano di simmetria, asse di rotoriflessione, centro di inversione. Gli elementi stereogenici: centro tetraedrico, asse di chiralità, piano di chiralità. Composti meso. Nomenclatura R/S per composti con asse e piano di chiralità.
Prostereisomeria: definizioni. Gruppi omotopici, enantiotopici, diastereotopici. Facce omotopiche, enantiotopiche, diastereotopiche. Nomenclatura per gruppi e facce enantiotopiche.
Blocco 3. Studio dei meccanismi di reazione (6 ore)
Uso dei dati termodinamici. Controllo termodinamico e controllo cinetico nella distribuzione dei prodotti di reazione: caso della formazione di anioni enolato. Il postulato di Hammond. Grafico energetico della reazione di sostituzione elettrofila aromatica. Principio di Curtin-Hammet. Effetto isotopico primario. Effetto isotopico secondario. Relazioni lineari di energie libere. L’equazione di Hammet. Interpretazione dei valori di sigma e ro
La catalisi. Catalisi acido-base di Brönsted: catalisi acida (basica) specifica: idrolisi degli acetali. Catalisi acida (basica) generalizzata: idrolisi di vinileteri, idrolisi di ortoesteri, enolizzazione di chetoni, eliminazione E2. Legge di Brönsted. Andamento della velocità di formazione delle ossime al variare del pH. Catalisi mediata da acidi di Lewis. Catalisi nucleofilica intermolecolare ed intramolecolare. Catalisi bifunzionale.
Blocco 4. Reazioni pericicliche (4 ore)
Generalità. Reazioni elettrocicliche: ciclizzazione di sistemi dienici e trienici. Modalità con rotatoria e disrotatoria per la ciclizzazione. Diagrammi di correlazione, analisi della simmetria dell’HOMO, analisi della simmetria dello stato di transizione per la predizione della modalità della reazione di ciclizzazione. Dewar benzene. Reazioni di apertura di sistemi ciclopropilici. Reazioni sigmatropiche: shift 1,3 di idrogeno, di alchile, shift 1,5 di idrogeno, di alchile. Modo suprafacciale e antarafacciale. Riarrangiamento 3,3 di Claisen, di Cope. Diagrammi di correlazione, analisi della simmetria dell’HOMO, analisi della simmetria dello stato di transizione per la predizione della modalità della reazione di ciclizzazione. Reazioni di cicloaddizione. Reazione di Diels.Alder. Orientamento endo ed eso. Diagrammi di correlazione, analisi della simmetria dell’HOMO, analisi della simmetria dello stato di transizione per la predizione della modalità della reazione di ciclizzazione. Reattività di vari di dienofili e dieni nella reazione di Diels.Alder. Regioselettività nella reazione di Diels.Alder. Dienofili di interesse sintetico. Dieni di interesse sintetico: diene di Danishefsky, chinidinodimetano. Reazioni intramolecolari.
Blocco 5. Chimica dei composti eterociclici (26 ore)
Classificazione, struttura, aromaticità, nomenclatura degli eterocicli: nomi triviali e sistematici. Regole di nomenclatura secondo Hantzsch-Widman per sistemi mono e policiclici. Esempi rappresentativi.
Eterocicli a tre termini.
a) Ossirano: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche.
Proprietà chimiche: isomerizzazione a composti carbonilici, apertura dell’anello in presenza di nucleofili, riduzione ad alcol, deossigenazione ad olefine.
Sintesi: epossidazione di alcheni, ciclodeidroalogenazione di b-alogeno alcoli, ossidazione di Sharpless, reazione di Darzens, sintesi di Corey.
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: ossirano, epicloridrina, resine epossidiche.
b) Aziridina: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche.Proprietà stereoisomeriche: stabilità all’inversione piramidale.
Proprietà chimiche: reazioni acido-base, reazioni con reagenti elettrofili, apertura dell’anello in presenza di nucleofili.
Sintesi: ciclizzazione di ammine b-sostituite, (approfondimento: reazione di Mitsunobu)

Eterocicli a quattro termini.
a) Ossetano: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche.
Proprietà chimiche: apertura dell’anello acido-catalizzata, reazione di ciclo-oligomerazzazione e di polimerizzazione.
Sintesi: ciclizzazione di alcoli g-sostituiti, Reazione di Paterno-Büchi.
b) Azetidina: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche.
Proprietà chimiche: apertura dell’anello acido-catalizzata.
Sintesi: ciclizzazione di ammine -sostituite, ciclizzazione 1,3-dialogenoalcani.
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: principali vie sintetiche per l’azetidin-2-one: ciclizzazione di etil--amminopropionati, clorosolfonil isocianati e alcheni, immine e cheteni. Sintesi di acidi -ammino carbossilici stereocontrollata.
Eterocicli a cinque termini con un eteroatomo.
a) Furano: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: sostituzione elettrofila aromatica, metallazione, reazioni di addizione, Diels Alder, reazioni di apertura dell’anello.
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi di Paal-Knorr di furani 2,5-disostituiti, sintesi di Feist-Benary di furani 2,3,4-trisostituiti, trasformazione di ossazoli in furani.
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: furano, (approfondimento: reazione di Cannizzaro, Perkin, Knoevenagel), furfurale (sintesi dai pentosani), uso del furfurale per la sintesi del 3,4-diidropirano.
b) Benzofurano: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: sostituzione elettrofila aromatica, reazione di metallazione, reazioni di cicloaddizione.
Sintesi: riarrangiamento di Perkin, sintesi attraverso fenolati e alochetoni, sintesi attraverso ciclizzazione palladio catalizzata di o-idrossiaril acetilene, (approfondimento: reazione di Vielsmeir).
c) Pirrolo: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: reazioni acido-base, reazioni con reagenti elettrofili sull’atomo di azoto, reazione di sostituzione elettrofila aromatica, acilazione di Houben-Hoesch, reazioni con i sali di diazonio, reazioni con composti carbonilici, reazioni di addizione, cicloaddizioni [2+2], reazione di Paterno –Büchi, apertura dell’anello acido catalizzata,
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi di Paal-Knorr di pirrolii 2,5-disostituiti, sintesi di Hantzsch di pirroli 1,2,3,4-tetrasostituiti, sintesi di Knorr di 3-alcossicarbonil o 3-alcossiacil pirroli sostituiti, sintesi di Kenner di pirroli 2-carbossialchil 3- sostituiti.
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: pirrolo
d) Indolo: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: reazioni acido-base, reazioni con reagenti elettrofili sull’atomo di azoto, reazione di sostituzione elettrofila aromatica, (approfondimento, reazione di Mannich), reazioni di ossidazione.
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi di Reissert, sintesi di Gassmann, sintesi di Batcho-Leingruber, sintesi di Bishler, sintesi attraverso la reazione di Sonogashira, sintesi di Fisher, modifica di Japp-Klingemann della sintesi di Fisher, modifica di Buchwald della sintesi di Fisher, sintesi di Nenitzescu.
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: indolo, indolo -3(2H)-one, ossindolo, isatina, melanine.
e) Tiofene: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: reazione di sostituzione elettrofila aromatica, reazione di metallazione, reazione di Diels Alder, apertura dell’anello.
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi di Paal, sintesi di Fiesselmann, sintesi di Gewald.
Eterocicli a cinque termi1ni con due eteroatomi
a) Ossazolo: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: formazione di sali, reazione di metallazione, reazioni con reagenti elettrofili, reazioni con nucleofili, reazioni di cicloaddizione.
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi di Paal, sintesi di Robinson-Gabriel e varianti (approfondimento: reazione di Dakin-West), sintesi di van Leusen (approfondimento: proprietà chimiche del tosilmetilisocianato), sintesi di Schöllkopf.
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: ossazolo, arilossazoli, sintesi della vitamina B6.
b) Tiazolo: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: formazione di sali, reazione di metallazione, reazioni con reagenti elettrofili, reazioni con nucleofili, reazioni di 2-alchil tiazoli.
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi di Hantzsch e sue varianti.
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: tiazolo, 2-amminotiazolo, tiamina (approfondimento: ruolo della tiamina nelle decarbossilasi).
c) Imidazolo: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: reazioni acido-base, tautomeria annulare, formazione di complessi, reazione di metallazione, formazione di carbeni, reazioni con reagenti elettrofili, reazioni di sostituzione elettrofila aromatica, reazioni con nucleofili.
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi da composti a-dicarbonilici, sintesi di Bredereck, sintesi di Marckwald, sintesi di van Leusen
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: imidazolo, istidina, istamina, (approfondimento: impiego dell’imidazolo come agente acilante)
d) Pirazolo: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: reazioni acido-base, tautomeria annulare, reazione di metallazione, reazioni con reagenti elettrofili, reazioni di sostituzione elettrofila aromatica.
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi da derivati idrazinici,
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: pirazolo.

Eterocicli a sei termini con un eteroatomo
a) Piridina: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: basicità dei derivati piridinici, reazioni elettrofile sull’atomo di azoto, formazione di N-addotti con acidi di Lewis, reazioni di sostituzione elettrofila aromatica: nitrazione, solfonazione (controllo cinetico e termodinamico), reazione di sostituzione nucleofilo aromatica: meccanismo di addizione/eliminazione ed eliminazione/addizione (approfondimento: reazione di Chichibacin, reazione di Ziegler), reazione di metallazione, reattività della catena laterale di tipo alchilico, formazione reversibile di derivati piridininici N-ossido e loro proprietà chimiche, reazioni di ossidazione, reazioni di riduzione,
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi da reazioni di ciclocondensazione, sintesi di Hantzsch e varianti, reazioni di cicloaddizione, sintesi da furani.
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: piridina, acido nicotinico, alcaloidi naturali, vitamine del gruppo B, NAD+/NADH, il 2-cloro-1-metilpiridinio ioduro come agente esterificante, i sali di N-benzilpiridinio come agenti ossidanti.
b) Chinolina: struttura, proprietà spettroscopiche e fisiche. Aromaticità.
Proprietà chimiche: reazioni di sostituzione elettrofila aromatica: (approfondimento: studio della reattività relative dei vari atomi di carbonio mediante scambio D/H), reazione di nitrazione, alogenazione, solfonazione. Reazione di sostituzione nucleofila aromatica, reazione di Reissert, reattività della chinolina N-ossido, reattività della catena laterale di tipo alchilico, reazioni di ossidazione, reazioni di riduzione.
Analisi retrosintetica.
Sintesi: sintesi nitroderivati, esempio di sintesi palladio-catalizzata, sintesi di Friedländer, sintesi di Ptizinger, sintesi di Combes (approfondimento: regioselettività nella ciclizzazione), sintesi di Knorr, sintesi di Skraup e di Doebner-Miller, (approfondimento: sintesi dell’acroleina dal glicerolo), sintesi di Meth-Cohn, (approfondimento: sintesi di 2-alochinoline da 2-chinoloni).
Derivati importanti, prodotti naturali, intermedi di sintesi, composti attivi biologicamente: chinolina, 8-idrossichinolina, alcaloidi naturali.
Blocco 6. Chimica dei carboidrati (4 ore)
Classificazione, convenzione D/L, correlazioni, la struttura ciclica emiacetalica, mutarotazione. Centri pseudoasimmetrici. Reazioni dei monosaccaridi: riduzione ad alditoli, ossidazione ad acidi aldarici ed aldonici. Zuccheri riducenti e non riducenti: saggio di Tollens, Benedict e Feeling. Formazione di glucosidi, di N-glicosidi. Disaccaridi: lattosio, saccarosio, maltosio. Polisaccaridi: amido, cellulosa.

Blocco 7. Chimica dei peptidi (4 ore)
Amminoacidi. Classificazione, proprietà stereisomeriche, proprietà acido-base, punto isoelettrico, il legame peptidico. Determinazione della sequenza amminoacidica di un polipeptide: metodo del bromuro di cianogeno, degradazione di Edman. Sintesi di polipeptidi per via chimica: strategia retrosintetica, uso dei gruppi protettori, attivazione della funzione carbossilica via formazione di anidride mista e con DCC. Sintesi in fase solida: sintesi e uso della resina di Merrifield.

Blocco 8. Chimica dei lipidi (4 ore)
Classificazione. Gruppo A. a) Trigliceridi: struttura, caratteristiche chimico-fisiche, riduzione, saponificazione, formazione di micelle; b) Fosfolipidi: struttura, caratteristiche chimico-fisiche; c) Prostaglandine: struttura, cenni di biosintesi; d) vitamine liposolubili: Vitamina A, D, E e K: struttura, attività. Gruppo B. a) colesterolo: struttura chimica e proprietà chimico-fisiche, biosintesi del colesterolo; b) ormoni steroidei: struttura chimica e proprietà chimico-fisiche; c) acidi biliari: struttura chimica e proprietà chimico-fisiche.

Blocco 9. Ripilogo e esercitazioni (8 ore)
Regole di nomenclatura dei composti eterociclici. Proprietà acido-base delle molecole organiche.

Testi adottati

Per i capitoli 1, 3, 4: “Advanced Organic Chemistry”; F. A. Carey, R. J. Sundberg, Plenum
Publishing Corporation, ISBN 0-306-43457-1.
Per il capitolo 2: “Stereochemistry of Organic Compounds”; E. L. Eliel, S. H. Wilen, Wiley
Int. ISBN 0-471-05446-1.
Per il capitolo 5: “The Chemistry of Heterocycles”; T. Eicher, S. Hauptmann, Wiley-VCH,
ISBN 3-527-30720-6 e "Chimica dei composti eterociclici"; G. Broggini, G. Zecchi, Zanichelli, ISBN 978-88-08-42087-9
Per i capitoli 6-8: un testo a scelta di Chimica Organica di primo livello.

Prerequisiti

Indispensabili: Per la comprensione delle lezioni di Chimica organica II è indispensabile che lo studente sia in possesso delle seguenti conoscenze: proprietà acido-base dei composti organici, stereochimica di base, proprietà e reattività dei gruppi funzionali della chimica organica.

Modalità di svolgimento

La didattica si svolge in presenza e in videoconferenza in modalità combinata. La lezione tipo si svolge con il sussidio didattico costituito dalle diapositive del corso, che sono state preparate in forma originale dal docente e sono soggette a revisione annuale. La lezione è integrata da approfondimenti proposti agli studenti utilizzando la lavagna elettronica in aula.

Modalità di frequenza

La frequenza alle lezioni, sebbene molto utile al raggiungimento degli obbiettivi formativi del corso, non è tuttavia obbligatoria.

Modalità di valutazione

L'acquisizione dei CFU del corso è subordinata al superamento della prova finale, il cui svolgimento è previsto a partire dalla fine del corso, durante i periodi di esame stabiliti dal consiglio di corso di laurea. Il docente è inoltre disponibile a interrogare gli esaminandi in piccoli gruppi all’interno della durata dell’appello per consentire loro di organizzare lo studio. Non sono previste prove in itinere a carattere di esonero parziale.
Obiettivo della prova finale è certificare le conoscenze dello studente sugli argomenti affrontati durante il corso.
La prova orale termina con una valutazione in trentesimi alla cui formulazione numerica concorrono i seguenti elementi:
1) Preparazione sull’intero programma svolto;
2) Capacità e chiarezza espositiva;
3) Capacità di collegamento e di sintesi tra i vari argomenti.
Il superamento dell’esame con il minimo dei voti richiede una conoscenza sufficiente degli argomenti trattati, nelle varie parti del programma. Per conseguire un punteggio pari a 30/30 e lode, lo studente deve invece dimostrare di aver acquisito una conoscenza eccellente di tutti gli argomenti trattati durante il corso, di essere in grado di raccordarli in modo logico e coerente.
Non è previsto un numero massimo di prove d’esame sostenibili nell’arco dell’anno accademico.

Data inizio prenotazione	Data fine prenotazione	Data appello
27/10/2022	23/01/2023	24/01/2023
03/02/2023	09/02/2023	10/02/2023
27/10/2022	13/02/2023	14/02/2023
17/02/2023	19/02/2023	20/02/2023
27/10/2022	03/04/2023	04/04/2023
27/10/2022	12/06/2023	13/06/2023
15/06/2023	15/06/2023	16/06/2023
27/10/2022	10/07/2023	11/07/2023
27/10/2022	06/09/2023	07/09/2023
27/10/2022	20/11/2023	21/11/2023
27/10/2022	15/01/2024	16/01/2024
04/12/2023	22/01/2024	23/01/2024