66214 - SINTESI ORGANICA

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente sa impostare alcune ipotesi di sintesi totali di una molecola organica applicando principalmente la logica retrosintetica, e sa eseguire una valutazione comparativa delle varie soluzioni sulla base di concetti di fattibilità, praticità, economia e sostenibilità. Lo studente acquisisce inoltre esperienza su alcune fra le più moderne procedure sperimentali nel campo della sintesi organica in più passaggi.

Programma/Contenuti

Prerequisiti: lo studente che accede a questo insegnamento deve essere in possesso di una buona preparazione nei fondamenti della chimica organica, dagli aspetti strutturali a quelli meccanicistici e alle relazioni struttura-reattività. Conosce inoltre le principali classi di sostanze organiche naturali e ha familiarità con le pratiche di laboratorio analitiche e preparative più comuni.

Programma: Nell'ambito del grande tema dell'innovazione di processo, acquisire la capacità di progettare ed eseguire nuove sintesi più efficienti e sostenibili di prodotti per i più vari settori merceologici è una priorità nella formazione di un chimico moderno.

Contenuti dell'unità didattica teorica.

1.     Introduzione: i premi Nobel e i grandi Maestri della sintesi organica.

a)     Il glossario del chimico sintetico: sintesi lineari e convergenti, resa di una sintesi totale, fattori economici, di rischio ed ambientali nella valutazione di un processo chimico.

b)  Reazioni di costruzione del legame carbonio-carbonio, reazioni intermolecolari, reazioni di ciclizzazione, anellazioni e trasposizioni.

c)     Reazioni di rifunzionalizzazione: livelli di funzionalità, rassegna dei principali metodi di interconversione di gruppi funzionali. Span di funzionalità in molecole polifunzionalizzate.

d)     Extrasteps: separazioni e purificazioni, introduzione di elementi di controllo temporaneo della reattività, reazioni di protezione di gruppi funzionali, introduzione di gruppi attivanti mobili e di ausiliari chirali.

2.     Analisi retrosintetica: glossario, i tre livelli dell'analisi retrosintetica, disconnessione di legami strategici, sintoni.

a)     Elementi di simmetria come guida all'identificazione di disconnessioni strategiche.

b)     Elementi strutturali ripetitivi come guida all'identificazione di disconnessioni strategiche.

c)     Identificazione di sottostrutture disponibili commercialmente come guida al riconoscimento di disconnessioni strategiche.

d)     Ricerca di disconnessioni strategiche in alcani e molecole monofunzionalizzate: tabelle di correlazione gruppo funzionale-disconnessioni strategiche in alcani, alcheni, alchini, alcoli e derivati, composti carbonilici e derivati, acidi carbossilici e derivati.

3.     Analisi retrosintetica di molecole polifunzionalizzate. Span di funzionalità (FS) di coppie di gruppi funzionali e tabelle di correlazione fra FS di coppie di gruppi funzionali e disconnessioni strategiche.

a)     Composti con due gruppi funzionali ossigenati, azotati, alogenati ecc. a span 2, 3, 4 e 5.

b)     Composti con due insaturazioni carbonio-carbonio a span 2, 3, 4 e 5.

c)     Composti con un gruppo funzionale ossigenato, azotato ecc. ed una insaturazione carbonio-carbonio, a span 2, 3, 4 e 5.

d)     Adattamento delle predette tabelle di correlazione a molecole polifunzionalizzate.

4.     Analisi retrosintetica di molecole complesse chirali.

a)     Approfondimenti sulla stereochimica di strutture complesse.

b)     Tecniche di risoluzione di enantiomeri, risoluzione cinetica, risoluzione cinetica dinamica.

c)     Strategie di riutilizzo dell'enantiomero non desiderato.

d)     Strategia difensiva nella sintesi di molecole chirali attraverso l'uso di sintoni chirali derivanti dal pool delle sostanze organiche naturali.

e)     Utilizzo di gruppi ausiliari chirali nella sintesi di centri stereogenici.

f)      Strategie offensive nella sintesi di molecole chirali: induzione asimmetrica, sintesi asimmetrica con reagenti chirali, catalisi asimmetrica.

5.     Analisi retrosintetica di molecole cicliche.

a)     Reazioni di ciclizzazione per la formazione di anelli omo- ed eterociclici, regole di Baldwin.

b)     Principali classi di anellazioni [1+2], [2+2], [3+2] e [4+2].

6.    Reazioni radicaliche in sintesi organica: proprietà elettroniche dei radicali liberi, chemoselettività delle reazioni radicaliche. Discussione su esempi tratti dalla letteratura recente.

7.     Esercizi di analisi disconnetteva di molecole complesse.

Contenuti dell'unità  didattica di laboratorio: dopo discussione preliminare dei meccanismi delle classi di reazione alla base delle esperienze programmate, vale a dire reazioni di cross-coupling, di metatesi di olefine e reazioni organocatalitizzate, lo studente esegue una reazione di cross coupling di Sonogashira; una reazione di ring-closing metatesi di olefine; una preparazione di un organocatalizzatore seguito da una sua applicazione in sintesi asimmetrica.

 

Testi/Bibliografia

I lucidi proiettati a lezione sono scaricabili dallo studente. Fondamentale sarà  l'utilizzo di appunti di lezione.

Per ulteriori approfondimenti si consigliano:

  • K. C. Nicolaou, E. J. Jorgensen, "Classics in Total Synthesis", VCH.
  • K. C. Nicolaou, S. A. Snyder, "Classics in Total Synthesis II", Wiley-VCH.
  • M. B. Smith, "Organic Synthesis", McGraw Hills-Chemistry Book.
  • S. Warren, "Organic Synthesis: The Disconnection Approach", Wiley.
  • P. Wyatt, S. Warren, "Organic Synthesis: Strategy and Control (5)", Wiley.
  • C. Willis, M. Wills, "Organic Synthesis", Oxford Chemistry Primers N. 31.
  • G.D. Meakins, "Functional Groups: Characteristics and Interconversions", Oxford Chemistry Primers N. 35.

Metodi didattici

Il corso si suddivide in due unità  didattiche: la prima, teorica, è costituita da lezioni frontali accompagnate da esercizi in classe di applicazione delle nozioni presentate e della logica retrosintetica con lo scopo di allenare lo studente nella progettazione di una sintesi organica in più  passaggi. La seconda unità  didattica prevede attività di laboratorio per 6 esperienze di 4 ore, volta ad approfondire da un punto di vista sperimentale alcune fra la più moderne metodologie di sintesi. Questa unità  didattica è tenuta dal Prof. Marco Lombardo.

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso il solo esame finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese nella sintesi di molecole organiche tramite lo svolgimento di una prova scritta della durata di 2 ore senza l'aiuto di appunti o libri, seguita da una prova orale.

La prova scritta consiste in 10 quesiti, 5 dei quali fanno riferimento alle procedure di esecuzione delle esperienze di laboratorio, mentre i rimanenti 5 sono esercizi relativi all'applicazione di metodologie di sintesi apprese durante il corso teorico.

Ogni quesito consente di ottenere un massimo di 3 punti. Per essere ammessi a sostenere la prova orale è necessario ottenere nella prova scritta un punteggio minimo di 18 punti.

Gli studenti che hanno acquisito almeno 18 punti sostengono la prova orale. Questa consiste nell'analisi retrosintetica di una molecola assegnata loro, dalla quale ciascun studente dovrà  ricavare alcune proposte di sintesi totale e valutarle comparativamente sulla base di considerazioni economiche, di praticità  e di sostenibilità . La durata della prova orale è mediamente di 45 minuti.

Il voto finale viene calcolato come media aritmetica della prova scritta e della prova orale.

Strumenti a supporto della didattica

Lezioni con supporti multimediali.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Claudio Trombini

Consulta il sito web di Marco Lombardo