Органическая химия

Бакалавриат 2020/2021

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс обязательный (Химия)

Направление: 04.03.01. Химия

Кто читает: Факультет химии

Где читается: Факультет химии

Когда читается: 2-й курс, 1-4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Воронин Алексей Александрович, Михайлов Андрей Андреевич, Саликов Ринат Фаритович, Титов Илья Юрьевич

Язык: русский

Кредиты: 16

Контактные часы: 320

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Цель курса Органическая химия: дать студентам базовые представления о строении органических соединений, научить студентов связывать структуру молекул с их реакционной способностью, дать им первичные навыки планирования синтеза сложных соединений из простых. Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах: ● Теоретическая неорганическая химия; ● Химия элементов Для освоения учебной дисциплины студенты должны владеть следующими знаниями и компетенциями: ● периодический закон; ● строение атома, представления об атомных орбиталях и их уровнях; ● модель гибридизации Полинга; ● понятие о химической связи (σ- и π-св язи); ● метод молекулярных орбиталей на примере двухатомных молекул, понятие о связывающих и разрыхляющих орбиталях; ● понятие о химическом равновесии, связь изменения стандартной энергии Гиббса с константой равновесия; ● основы химической кинетики, уравнение Аррениуса, кинетические уравнения 1 и 2 порядка.

Цель освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины "Органическая химия" является формирование у студентов базовых представлений о строении органических соединений и механизмах органических реакций, способности связывать структуру молекул с их реакционной способностью, первичных навыков планирования синтеза сложных соединений из простых.

Планируемые результаты обучения

Демонстрирует знания о механизмах и электронных переходах элементарных стадий основных реакций в органической химии.
Владеет терминологией, знаниями о протонных и Льюисовых кислотах-основаниях, применяет эти знания в написании механизмов органических реакций.
Демонстрирует знания о механизмах синхронных реакций в органической химии, о конкурентных продуктах превращений в таких системах.
Демонстрирует знания о механизмах катализируемых палладием реакций сочетания, о конкурентных продуктах превращений в таких системах
Предлагает синтетические схемы многостадийных превращений органических соединений
Демонстрирует знания о номенклатуре изомерных и оптически активных структур, стереохимических конфигурациях и их превращениях.

Содержание учебной дисциплины

Основы строения органических соединений
Модель гибридизации Полинга, основные типы гибридизации атомов второго периода, пере-ход от теории к модели, ограничения. Степени окисления в органической химии. Сопряжение и метод резонанса, понятие ортогональности p-орбиталей, строение π-систем, алленовые системы. Метод молекулярных орбиталей, связывание vs. разрыхление, строение молекулярных орбиталей π-систем, волновая функция и ее знак, узловая поверхность, орбитальные коэффициенты. Изомерия в органической химии. Геометрическая и пространственная изомерия, диастереомерия. Правила Ка-на-Ингольда-Прелога. Стереохимия трех- и шестичленных циклов, угловое напряжение.
Кислотность, основность и нуклеофильность в органической химии
Типы растворителей. Водородная связь. Полярность растворителя, протонные и апротонные растворители . Поляризуемость молекул, индуцированный дипольный момент. Слабые кислоты. Стабильность анионов и катионов для разных элементов. Константа кислотности, определение pKa. Основные типы слабых кислот. Диаграммы химических реакций. Обратимые и необратимые реакции. Понятие контроля прохождения химической реакции. Основность vs. нуклеофильность.
Нуклеофильное замещение и элиминирование
Два механизма нуклеофильного замещения. Влияние растворителя, природы субстрата и ухо-дящей группы. Виды уходящих групп и нуклеофилов. Превращение спиртовой группы в уходя-щую. Хлориды, бромиды, сульфонаты. Превращение галогенидов в амины. Некоторые реакции. Реакция Финкельштейна. Синтез метиловых эфиров карбоновых кислот с использованием диазо-метана. Четыре механизма элиминирования. Правило Зайцева в E1 и E2. Конкуренция реакций SN1/SN2/E1/E2. Катионные перегруппировки. Движущая сила. Псевдокатионные перегруппировки.
Электрофильное присоединение к кратной связи
Механизмы электрофильного присоединения. Реакции алкенов с кислотами в протонных растворителях. Реакция Риттера. Гидробромирование алкенов в апротонной среде. Образование бромониевого и меркурониевого иона. Внутри- и межмолекулярные реакции. Хлорирование алке-нов. Эпоксидирование и раскрытие эпоксидов. Дигидроксилирование алкенов по Вудворду и Прево. Методы Вагнера и Криге. Реакции ацетиленов. Реакция Кучерова. Гидроборирование алке-нов и алкинов. Реакции борорганических соединений. Регио- и стереохимия реакций электро-фильного присоединения
Реакции окисления и восстановления
Понятие степени окисления, подсчет степеней окисления органических соединений. Понятие окислительного уровня. Реакции окисления спиртов в альдегиды и кетоны. Реакции окисления спиртов в карбоновые кислоты. Реакции окисления алкенов. Реакции восстановления алкенов, ал-кинов
Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе
Механизмы нуклеофильного присоединения. Общий и специфический кислотный катализ. Синтез полуацеталей, ацеталей, циангидринов. Присоединение бисульфита. Реакции с гидридны-ми нуклеофилами и простейшими металлоорганическими соединениями. Реакция Виттига. Реак-ция Кори-Фукса. Реакция Кори-Чайковского. Синтез иминов и енаминов. Восстановительное ами-нирование.
Реакции присоединения-элиминирования в ряду производных карбоновых кислот
Гидролиз сложных эфиров и этерификация карбоновых кислот. Синтез хлорангидридов (2 способа) и их использование. Присоединение металлоорганических соединений к кетонам и слож-ным эфирам. Селективное восстановление в спирты и альдегиды. Синтез кетонов из производных карбоновых кислот.
Реакции сопряженного присоединения
Зарядовый, орбитальный и термодинамический контроль в реакциях сопряженного присо-единения. Повышение селективности реакций сопряженного присоединения с использованием кислот Льюиса. Металлоорганические соединения в реакциях сопряженного присоединения (Li, Mg, Cu, Ce). Циклопропанирование по Кори-Чайковскому. Эпоксидирование по Джулиа-Колонне.
Алкилирование енолятов и реакции альдольного типа
Строение енолят-аниона с точки зрения метода резонанса и метода молекулярных орбиталей. Кинетический контроль в реакциях алкилирования. Бромирование енолов и енолятов. Понятие термодинамического и кинетического енолята. Алкилирование ацетоуксусного эфира, кетонное и кислотное расщепления. Алкилирование малонового эфира, расщепление до моноэфира и моно-кислоты. Алкилирование кетонов, альдегидов и сложных эфиров. Альдольно-кротоновая конден-сация. Ограничения кросс-реакций. Понятие о движущей силе. Реакция Анри. Конденсация Кляй-зена (Дикмана). Конденсация Кневенагеля. Реакция Манниха. Понятие о карбонильном и метиле-новом компонентах. Использование кетонов и альдегидов в качестве метиленовой компоненты. Реакция Реформатского. Ацилирование енолятов. Сопряженное присоединение енолятов. Реакция Михаэля. Кремниевые еноляты. Енамины.
Радикальные реакции в органической химии
Элементарные стадии радикальных реакций: генерация радикалов, их превращения и обрыв цепи. Ряд стабильности радикалов. Понятие об электрофильных и нуклеофильных радикалах. Ряд реакционной способности радикалов. Правила Болдуина для внутримолекулярных присоединений и их нарушения. Хлорирование метана. Региохимия хлорирования и бромирования пропана. Ради-кальные превращения станнанов. Восстановление ароматических систем щелочными металлами в жидком аммиаке (реакция Берча)
Понятие ароматичности, введение в химию ароматических соединений.
Молекулярные орбитали гексатриена и бензола. Правило Хюккеля, круги Фроста. Понятие ароматичности и антиароматичности. Критерии ароматичности. Эффект Яна-Теллера для антиаро-матических систем. Электрофильное замещение в ароматическом ряду, механизм реакции, ориен-танты I и II рода, активирующие и дезактивирующие заместители. Реакции Фриделя-Крафтса, нит-рования, бромирования, их ограничения. Прочие реакции электрофильного замещения. Защитные группы в ароматическом замещении. Реакции замещения в ряду пяти- и шестичленных гетероцик-лов. Нуклеофильное замещение в ароматическом ряду. Механизм. Ариновый механизм нуклео-фильного замещения. Селективность реакции. Синтез и превращения солей диазония. Синтез и превращения металлорганических соединений. Восстановление ароматических кетонов, альдеги-дов, нитросоединений. Окисление алкильных групп, ограничения. Введение в химию переходных металлов. Основные стадии, катализируемые палладием ре-акций кросс-сочетания. Реакции Сузуки и Стилле. Карбонилирование. Реакции Хека и Соногаши-ры. Реакция Ульмана.
Перициклические реакции и реакции циклоприсоединения.
Введение в перициклические реакции. Правила Вудворда_Хофмана. Реакция Дильса-Альдера. Регио- и стереоселективность реакции [4+2]-циклоприсодинения. 1,3-Диполярное цикло-присоединение. Три типа диполей. Реакции [2+2]-циклоприсоединения. Сигматропные перегруп-пировки. Электроциклические реакции.
Реакция метатезиса
Введение в перициклические реакции. Правила Вудворда_Хофмана. Реакция Дильса-Альдера. Регио- и стереоселективность реакции [4+2]-циклоприсодинения. 1,3-Диполярное цикло-присоединение. Три типа диполей. Реакции [2+2]-циклоприсоединения. Сигматропные перегруп-пировки. Электроциклические реакции.
Обобщение методов синтеза и реакционной способности по классам органических соединений
Углеводороды. Методы синтеза и реакции алканов, алкенов, алкинов, аренов. Методы синте-за и реакции галогеналканов, простых эфиров. Карбонильные соединения. Окислительные и восстановительные методы. Взаимосвязь спир-тов, альдегидов, кетонов и производных карбоновых кислот. Алициклические соединения. Напряжение в циклах. Методы синтеза малых циклов. Циклы среднего размера. Конформационный анализ. Методы синтеза. Реакции макроциклизаций.
Основы ретросинтетического анализа на примере синтеза аминов.
Ретросинтетический анализ. Подходы к расщеплению связей. Синтез аминов. Создание C-СN связи. Синтез аминов. Создание C-ССN связи. Синтез аминов. Создание C-СССN связи. Нитрено-вые и перегруппировки. Синтез диазосоединений. Перегруппировки Гофмана и Курциуса. Химия изоцианатов. Перегруппировка Бекмана.
Практикум по органической химии
В ходе выполнения практикума студенты под руководством преподавателя выполняют 12 экспериментальных работ, включающих проведение одно-двух стадийного органического синтеза.

Элементы контроля

Домашние задания 1 модуль
В первом модуле студент сдает три домашних задания
Контрольные работы 1 модуль
В первом модуле студент сдает одну контрольную работу
Контрольные работы 2-3 модуль
Во втором модуле студент сдает две контрольные работы. В третьем модуле студент пишет две контрольные работы. Правила проведения контрольной работы с использованием дистанционных технологий: https://docs.google.com/document/d/12r6onFE8Zz1YgnTAusfTK64BDbWD7X2Y_c-GF1VgFLo/edit
Контрольные работы (4 модуль)
В четвертом модуле студент сдает две контрольные работы
Экзамен 1 модуль
Экзамен 3 модуль
Студенты по очереди по предварительно составленным и согласованным со старостой спискам получают билет, содержащий два теоретических вопроса и одну задачу. Студенту даётся 30 минут на подготовку к ответу. Во время экзамена студент может пользоваться только свой ручкой и предоставленной преподавателями бумагой. Наличие у студента в аудитории оргтехники и любых письменных или печатных материалов запрещено, при их обнаружении выставляется оценка 0. По окончании отведенного времени студент устно защищают свой ответ одному из преподавателей в течение 15-20 минут. Преподаватель задает дополнительные вопросы по теме билета и по содержанию всего пройденного курса.
Экзамен (4 модуль)
Студенты по очереди по предварительно составленным и согласованным со старостой спискам получают билет, содержащий два теоретических вопроса и одну задачу. Студенту даётся 30 минут на подготовку к ответу. Во время экзамена студент может пользоваться только свой ручкой и предоставленной преподавателями бумагой. Наличие у студента в аудитории оргтехники и любых письменных или печатных материалов запрещено, при их обнаружении выставляется оценка 0. По окончании отведенного времени студент устно защищают свой ответ одному из преподавателей в течение 15-20 минут. Преподаватель задает дополнительные вопросы по теме билета и по содержанию всего пройденного курса.В диплом выставляется результирующая оценка по учебной дисциплине, рассчитываемая следующим образом: О = 0.25Оп/а1 + 0.45Оп/а3 + 0.3Оп/а4, где п/а - промежуточная аттестация соответствующего модуля
Коллоквиум 2-3 модуль
Во втором модуле проходит один коллоквиум. В третьем модуле проходит один коллоквиум.
Коллоквиум 4 модуль
В четвертом модуле проводится один коллоквиум
Практикум
Оценка за практикум выставляется руководителем практикума по органической химии в ИОХ РАН

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (1 модуль)
0.3 * Домашние задания 1 модуль + 0.3 * Контрольные работы 1 модуль + 0.4 * Экзамен 1 модуль
Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.2 * Коллоквиум 2-3 модуль + 0.25 * Контрольные работы 2-3 модуль + 0.2 * Практикум + 0.35 * Экзамен 3 модуль
Промежуточная аттестация (4 модуль)
0.06 * Коллоквиум 4 модуль + 0.09 * Контрольные работы (4 модуль) + 0.25 * Промежуточная аттестация (1 модуль) + 0.45 * Промежуточная аттестация (3 модуль) + 0.15 * Экзамен (4 модуль)

Программа дисциплины