02.00.03 – органическая химия

Специальность
Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 7 июня 2007 г. № 108
 

Цель и задачи курса

Органическая химия – раздел химии, изучающий органические химические вещества, являющиеся по своему строению соединениями углерода (за исключением простейших, традиционно относящихся к неорганическим, и высокомолекулярных), их строение, свойства, реакционную способность, механизмы реакций с их участием и методы их химического синтеза и промышленного производства.

Экзаменующийся должен показать высокий уровень теоретической и профессиональной подготовки, знание общих концепций и методологических вопросов органической химии, истории её формирования и развития, глубокое понимание основных разделов биохимии, а также умение применять свои знания для решения исследовательских и прикладных задач.

Введение

1. Место органической химии среди других химических наук. Основные этапы развития органической химии. Вклад белорусских ученых в развитие органической химии. Основные научные достижения по органической химии Н.А.Прилежаева, И.Г.Тищенко, Н.С.Козлова, А.А.Ахрема, Ю.А.Ольдекопа и их учеников. Современное состояние научных исследований по органической химии в Республике Беларусь.

2. Беларусь – страна большой химии. Общая характеристика производителей химических продуктов в Республике Беларусь. Промышленное производство продуктов органического синтеза на предприятиях в Республике Беларусь: история, современное состояние и перспективы развития. Значение органической химии в расширении объемов и ассортимента производства органических веществ в Беларуси.

Химическая связь и строение органических соединений

3. Современные представления о природе химической связи. Электронные представления о природе связей. Типы связей в органической химии. Распределение электронной плотности в органических соединениях. Индукционный эффект. Мезомерный эффект. Ароматичность и антиароматичность. Правило Хюккеля. Сверхсопряжение.

4. Кислотность и оновность. Кислоты и основания по Бренстеду-Лоури и Льюису. Кислотность типичных кислот. Основность типичных оснований. Теория жестких и мягких кислот и оснований (ЖМКО) и ее применение в органической химии.

Стереохимия и конформационный анализ

5. Основные понятия стереохимии. Два типа пространственной изомерии: диастереомерия и энантиомерия. Хиральность, условия для ее возникновения. Оптическая активность соединений с хиральными молекулами. Энантиомеры, рацематы. Абсолютная и относительная конфигурация.

6. Конформационная изомерия и конформационный анализ. Конформация, ее отличие от конфигурации. Конформеры. Номенклатура конформеров. Конформационный анализ алифатических соединений, производных циклогексана и декалина. Угловое напряжение и другие типы напряжения в циклических системах. Связь конформаций молекул с их реакционной способностью.

Механизмы органических реакций

7. Общая классификация органических реакций: по результатам, реагирующим частицам, по стадии, определяющей скорость реакции. Классификация реагентов в органических реакциях. Понятие о нуклеофилах и электрофилах. Кинетика органических реакций. Теория переходного состояния: синхронные и асинхронные реакции. Изотопные эффекты. Принцип Франка-Кондона.

8. Основные типы интермедиатов в органической химии.

Карбокатионы. Методы генерирования карбокатионов. Строение карбокатионов. Понятие о неклассических ионах. Основные типы реакций карбокатионов и области их синтетического использования. Скелетные перегруппировки и гидридные сдвиги в карбокатионах.

Карбанионы и С-Н-кислоты. Методы генерации карбанионов. Основные реакции карбанионов, анионные перегруппировки. Амбидентные и полидентные анионы.

Карбены. Электронная структура, синглетное и триплетное состояние карбенов. Методы генерации карбенов и использование их в органическом синтезе.

Свободные радикалы и ион-радикалы. Методы генерирования радикалов. Электронное строение и факторы стабилизации свободных радикалов. Типы стабильных свободных радикалов. Реакции свободных радикалов, реакционная способность и избирательность при радикальных реакциях. Обнаружение свободных радикалов и признаки радикальных реакций.

Катион- и анион-радикалы. Методы генерирования и свойства. Основные реакции ион-радикалов. Комплексы с переносом заряда.

9. Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода. Реагенты и реакции. Мономолекулярное нуклеофильное замещение (реакция SN1) и бимолекулярное нуклеофильное замещение (реакция SN2). Пространственное протекание реакций SN1 и SN2. Влияние растворителей на механизмы реакций SN1 и SN2. Влияние заместителей на механизмы реакций SN1 и SN2, эффекты соседних групп. Связь между механизмом реакций нуклеофильного замещения и составом продуктов реакций.

10.Элиминирование. Классификация реакций ионного 1,2-элиминирования.  Мономолекулярное (Е1) и бимолекулярное (Е2) элиминирование и их взаимосвязь с SN1- и SN2-замещением. Ориентация элиминирования (правила Зайцева и Гофмана). Стереохимия Е2-элиминирования. Стереоэлектронные влияния при Е1-элиминировании.

11. Присоединение к неактивированным двойным и тройным связям. Электрофильное присоединение к алкенам и алкинам. Механизм электрофильного присоединения и пространственное протекание реакции. Правило Марковникова. Примеры реакций электрофильного присоединения: присоединение галогенов, протонных кислот и воды к алкена и алкинам, эпоксидирование, гидроксилирование, гидроборирование и озонолиз алкенов, катионная полимеризация алкенов.

Электрофильное присоединение к сопряженным диенам.

Нуклеофильное присоединение к алкенам и алкинам. Анионная полимеризация алкенов. Нуклеофильное присоединение к ацетилену.

Радикальное присоединение.

Присоединение к алкенам и алкинам, катализируемое металлами и комплексами металлов. Гетерогенное и гомогенное гидрирование.

12. Реакции карбонильных соединений. Реакции карбонильных соединений с основаниями. Общие механизмы. Кислотно-основной катализ.

Реакции карбонильных соединений с С-Н-кислотами. Механизмы реакций, С-Н-кислотность, енолизация. Региоспецифичность альдольного присоединения и конденсации. Стереохимия альдольных реакций. Реакции Виттига и Виттига-Хорнера.

Реакции β-дикарбонильных соединений. Конденсация Кляйзена, реакции расщепления, алкилирования.

Реакции карбонильных соединений с криптооснованиями. Реакции Меервейна-Пондорфа-Верлея, Оппенауэра, Канницаро, Тищенко. Бензиловая перегруппировка.

Реакции гетероаналогов карбонильных соединений (нитрилов, азометинов, нитросоединений).

Нуклеофильное присоединение к винилогам карбонильных соединений. Присоединение по Михаэлю.

13. Электрофильное замещение в аренах. Механизм реакции электрофильного ароматического замещения. Влияние заместителей на реакционную способность аренов и ориентацию вступления второго заместителя. Примеры реакций электрофильного замещения в аренах: нитрование, сульфирование, галогенирование, нитрозирование, карбоксилирование, алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу, синтезы Гаттермана и Вильсмейера.

14. Нуклеофильное замещение в аренах. Нуклеофильное замещение в активированных аренах. Нуклеофильное замещение в неактивированных аренах. Механизмы бимолекулярного замещения и элиминирования-присоединения в реакциях нуклеофильного замещения в аренах. Дегидробензол. Комплексы Мейзенгеймера.

15. Радикальные и ион-радикальные реакции. Реакции присоединения, замещения и элиминирования, протекающие с участием радикалов и ион-радикалов. Цепные радикальные реакции. Полимеризация, теломеризация, реакции автоокисления. Ингибиторы, инициаторы и промоторы цепных реакций.

16. Согласованные реакции. Концепция сохранения орбитальной симметрии и правила Вудворда—Гофмана. Реакции (2+2) и (2+4)-циклоприсоединения. 1,3-Диполярное циклоприсоединение. Электроциклические реакции, сигматропные перегруппировки.

17. Перегруппировки. Нуклеофильные 1,2-перегруппировки. Перегруппировки у атома углерода: пинаколиновая и ретропинаколиновая перегруппировки, перегруппировки Вагнера-Мейервейна и Вольфа. Перегруппировки у атомов азота и кислорода: деструкция по Гофману и Курциусу, реакция Шмидта, перегруппировка Бекмана. Реакция Байера-Виллигера.

Перегруппировки в аренах: бензидиновая перегруппировка, синтез индолов по Фишеру.

Илидные перегруппировки: перегруппировки Виттига и Михаэлиса-Арбузова.

18. Двойственная реакционная способность и таутомерия органических соединений. Прототропные и сигматропные перегруппировки. Правило Корнблюма. Кето-енольное равновесие. Нитросоединения и нитроновые кислоты, нитрозосоединения и оксимы. Металлотропия.

Основные принципы современного органического синтеза

19. Формулировка целей органического синтеза

20. Стратегия органического синтеза. Планирование от исходных соединений или целевой структуры. Ретросинтетический анализ. Выбор синтетических схем: линейные и конвергентные схемы. Понятие о синтонах и синтетических эквивалентах.

21. Тактика органического синтеза. Понятие синтетического метода, основные требования к синтетическому методу, его отличие от органической реакции. Понятие о конструктивной реакции.

Синтетические методы образования С-С-связи и основные пути построения углеродного скелета органических соединений.

Основные методы введения функциональных групп и перехода от одних функциональных групп к другим.

Использование защитных групп в органическом синтезе, основные методы их введения и удаления.

22. Молекулярный дизайн. Понятие о структурно-ориентированном дизайне: синтез кубана, додекаэдрана и их производных, синтез фуллеренов. Понятие о функционально-ориентированном дизайне: синтез краун-эфиров.

Методы синтеза и реакционная способность основных классов органических соединений

23. Алканы и циклоалканы. Промышленные источники алканов. Основные методы синтеза алканов в лаборатории: гидрирование алкенов, восстановление алкилгалогенидов через реактивы Гриньяра и металлами в кислоте, реакция Вюрца, синтез Кольбе, восстановление карбонильных соединений.

Реакции алканов: галогенирование, внедрение метиленовой группы, горение, пиролиз, сульфохлорирование. Селективность радикальных реакций и относительная стабильность алкильных радикалов. Термический и каталитический крекинг. Ионные реакции алканов в суперкислых средах (дейтероводородный обмен и галогенирование).

Промышленные источники циклоалканов. Методы синтеза и строение циклопропанов, циклобутанов, циклопентанов и циклогексанов. Основные реакции циклоалканов.

24. Алкены. Промышленные источники алкенов. Производство этилена в Беларуси. Лабораторные методы синтеза алкенов: дегидрогалогенирование алкилгалогенидов, дегидратация спиртов, дегалогенирование вицинальных дигалогенидов, восстановление алкинов. Синтез алкенов по Гофману и Коупу. Синтез алкенов из тозилгидразонов по реакции Шапиро. Синтез алкенов по реакции Виттига и Виттига-Хорнера. Стереохимия и селективность реакции Виттига.

Электрофильные реакции алкенов: присоединение водорода, каталитическое гидрирование, электрофильное присоединение галогенов, галогеноводородов, серной кислоты, воды, образование галогенгидринов, эпоксидирование по Прилежаеву и Шарплесу и транс-гидроксилирование (через оксираны и по реакции Прево), гидроборирование-окисление, цис-гидроксилирование по Вагнеру, Вудворду и Криге.

Радикальные реакции алкенов: присоединение бромистого водорода и аллильное галогенирование.

25. Алкины. Промышленные источники ацетилена. Методы синтеза алкинов: дегидрогалогенирование дигалогеналканов, реакция ацетиленидов натрия с первичными алкилгалогенидами, дегалогенирование тетрагалогенидов. Реакции Фаворского и Реппе.

Реакции алкинов: гидрирование, присоединение галогенов, галогенводородов, воды, реакции алкинов с карбонильными соединениями, образование ацетиленидов металлов. Ацетилен-алленовая перегруппировка.

26. Диены. Методы синтеза 1,3-диенов: дегидрирование алканов, синтез Фаворского—Реппе. Реакции 1,3-диенов: галогенирование и гидрогалогенирование, 1,2- и 1,4-присоединение. Реакция Дильса—Альдера с алкенами и алкинами. Полимеризация и сополимеризация 1,3-диенов, их практическое значение.

27. Арены Промышленные источники аренов: каменоугольная смола, нефть. Производство бензола, толуола и ксилолов в Беларуси. Методы синтеза алкилбензолов: алкилирование аренов по Фриделю-Крафтсу, ацилирование аренов по Фриделю-Крафтсу и восстановление арилалкилкетонов по Клемменсену и Кижнеру-Вольфу. Реакции алкилбензолов: электрофильное замещение в ароматическом ядре, свободнорадикальное замещение в боковой цепи, гидрирование, окисление.

Применение аренов: производство капролактама, фталевого ангидрида и диметилтерефталата (ДМТ) в Беларуси.

28. Спирты и простые эфиры. Промышленные источники спиртов. Производство метанола и этанола в Беларуси. Методы синтеза одноатомных спиртов: гидратация и гидроборирование-окисление алкенов, синтезы Гриньяра, гидролиз алкилгалогенидов, восстановление карбонильных соединений, сложных эфиров и карбоновых кислот, альдольная конденсация.

Реакции одноатомных спиртов: замещение гидроксильной группы в спиртах на галоген (под действием галогеноводородов, галогенидов фосфора и тионилхлорида). Дегидратация спиртов. Образование алкоголятов, простых и сложных эфиров. Окисление первичных и вторичных спиртов. Реагенты окисления на основе соединений хрома (VI), диоксида марганца и диметилсульфоксида (методы Моффата и Сверна).

Промышленные источники гликолей. Методы синтеза и реакции гликолей. Окислительное расщепление 1,2-диолов (иодная кислота, тетраацетат свинца).

Промышленные источники простых эфиров. Методы синтеза простых эфиров: реакция Вильямсона, алкоксимеркурирование спиртов. Реакции простых эфиров: образование оксониевых солей, расщепление кислотами, образование перекисей.

Циклические эфиры: тетрагидрофуран, диоксан, методы их получения, применение.

29. Соли диазония. Структура и номенклатура солей диазония. Методы синтеза солей диазония. Реакции солей диазония, протекающие с замещением: замещение азота на атомы хлора, брома и цианогруппу (реакция Зандмейера), замещение на атомы иода, фтора, водорода, гидроксигруппу. Реакция сочетания.

30. Фенолы Промышленные источники фенолов. Кумольный метод производства фенола. Методы синтеза фенолов: гидролиз солей диазония, щелочное плавление сульфонатов. Реакции фенолов: кислотность фенолов, образование солей, простых и сложных эфиров, реакции замещения в кольцо фенолов (нитрование, сульфирование, галогенирование, алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу, перегруппировка Фриса, нитрозирование, сочетание с солями диазония, карбоксилирование (реакция Кольбе), образование альдегидов (реакция Реймера-Тимана), реакция с формальдегидом.

31 Альдегиды и кетоны. Промышленные источники формальдегида, ацетальдегида, ацетона, метилэтилкетона и циклогексанона. Методы синтеза альдегидов: окисление первичных спиртов, метилбензолов, озонолиз алкенов, гидроборирование алкинов, восстановление хлорангидридов кислот, реакция Реймера-Тимана. Методы синтеза кетонов: окисление вторичных спиртов, ацилирование по Фриделю-Крафтсу, реакция хлорангидридов кислот с кадмийорганическими реагентами, синтезы на основе ацетоуксусного эфира, декарбоксилирование карбоновых кислот.

Реакции альдегидов и кетонов:  реакции окисления и восстановления, присоединение цианид-аниона, бисульфита, спиртов и производных аммиака. Реакция Канниццаро. Галогенирование кетонов.

Присоединение карбанионов: альдольно-кротоновая конденсация и конденсация по Перкину.

Реакции Виттига и Виттига-Хорнера и их синтетическое значение.

Взаимодействие альдегидов и кетонов с металлорганическими соединениями.

Конденсация альдегидов и кетонов с малоновым эфиром и другими соединениями с активной метиленовой группой по Кневенагелю. Аминометилирование альдегидов и кетонов по реакции Манниха. Бензоиновая конденсация. Конденсация с нитроалканами по Анри.

Дезоксигенирование альдегидов и кетонов: реакции Клемменсена и Кижнера—Вольфа. Окисление кетонов надкислотами по Байеру—Виллигеру.

32. α,β -Непредельные альдегиды и кетоны. Методы получения: конденсации, окисление аллиловых спиртов. Реакция 1,2- и 1,4-присоединения литийорганических соединений, триалкилборанов, диалкил- и диарилкупратов, цианистого водорода, галогеноводородов, их синтетическое значение. Реакции α,β-непредельных карбонильных соединений: Эпоксидирование α,β -непредельных кетонов, сопряженное присоединение енолятов и енаминов к α,β -непредельным альдегидам и кетонам по Михаэлю, доноры и акцепторы Михаэля, каатализаторы реакции, ее обратимость, ретро-реакция Михаэля.

33. Карбоновые кислоты и их производные. Промышленные источники важнейших карбоновых кислот и их производных. Производство ацетонитрила, акрилонитрила и капролактама в Беларуси. Методы синтеза карбоновых кислот: окисление первичных спиртов, окисление алкилбензолов, карбоксилирование реактивов Гриньяра, гидролиз нитрилов, синтезы через малоновый эфир.

Реакции карбоновых кислот: образование солей, превращения в хлорангидриды, сложные эфиры, ангидриды, амиды и нитрилы, восстановление, галогенирование в α-положение, декарбоксилирование, электролиз по Кольбе.

34. Амины. Промышленные источники аминов. Производство анилина. Методы синтеза аминов: восстановление нитросоединений, реакции галогенпроизводных с аммиаком или аминами, восстановительное аминирование, восстановление нитрилов, расщепление амидов по Гофману, фталимидный синтез по Габриэлю. Реакции аминов: образование солей, алкилирование, превращение в амиды, замещение в кольцо ароматических аминов, реакция с азотистой кислотой, реакции элиминирования для четвертичных соединений по Гофману и Коупу.

35. Нитросоединения. Промышленные источники нитросоединений. Методы синтеза нитросоединений: нитрование органических соединений, синтез из алкилгалогенидов (правило Корнблюма). Реакции нитросоединений: кислотность и таутомерия нитроалканов, восстановление нитросоединений, конденсация Анри, реакция Нефа.

36. Гетероциклические соединения 1. Пятичленные гетероциклы.  Структура пиррола, фурана и тиофена. Промышленные источники пятичленных гетероциклов. Методы синтезы основных пятичленных гетероциклов: синтез из 1,4-диоксосоединений по Паалю-Кнорру, из дикарбоновых кислот, по реакции Юрьева, по Кнорру. Реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения в синтезе пятичленных гетероциклов. Реакции электрофильного замещения в пирроле, фуране и тиофене. Реакционная способность и ориентация.

Индол. Методы синтеза индола и его производых. Реакции электрофильного замещения в индоле.

37. Гетероциклические соединения 2. Шестичленные ароматические гетероциклы. Структура пиридина. Промышленные источники получения пиридиновых соединений. Методы синтеза производных пиридина и хинолина. Реакции пиридина и хинолина.

38. Перспективные направления развития органической химии. Супрамолекулярная химия, ее основные принципы и области применения.

Комбинаторная химия. Современные методы обработки реакционных масс, очистки и выделения продуктов. Проведение реакций на твердых носителях.

Зеленая химия. Экологические проблемы современного органического синтеза.

Применение физико-химических методов для выделения и установления строения органических соединений

39. Применение хроматографических методов в органической химии. Основные типы хроматографических методов: адсорбционная хроматография, распределительная хроматография, ионнообменная хроматография, электрофорез, гель-фильтрация. Возможности методов и основные принципы их использования в органической химии.

Газо-жидкостная хроматорафия, ее применение в органической химии.

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) и ее возможности. Нормально- и обращенно-фазовая ВЭЖХ.

40. Основные принципы применения масс-спектрометрии в органической химии. Возможности метода. Основные методы ионизации в масс-спектрометрии: электронный удар, электронный захват, фотоионизация, полевая ионизация, химическая ионизация, ионизация ускоренными атомами. Масс-спектры положительных и отрицательных ионов, области их применения. Основные принципы интерпретации масс-спектров. Масс-спектры высокого разрешения.

41. Применение инфракрасной (ИК) спектроскопии в органической химии. Характеристические частоты колебаний основных функциональных групп органических соединений. Применение ИК спектров для доказательства строения органических соединений с гидроксигруппами, карбонилсодержащих и ненасыщенных соединений. Понятие о Фурье ИК-спектроскопии.

42. Применение ультрафиолетовой (УФ)-спектроскопии в органической химии. Возможности метода. Максимумы поглощения основных хромофоров. Правила Вудворда-Физера для определения максимумов поглощения диенов и сопряженных карбонилсодержащих соединений.

43. Применение дисперсии оптического вращения (ДОВ) и кругового дихроизма в органической химии. Понятие об эффекте Коттона. Правило октантов.

44. Применение спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в органической химии. Возможности метода. Основная информация, извлекаемая из спектров ЭПР.

45. Применение спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в органической химии. Основные параметры спектров ЯМР. Спектры ядерного магнитного резонанса на протонах (1Н ЯМР) и ядрах 13С (13С ЯМР). Фурье спектроскопия ЯМР. Эталонные соединения и растворители, применяемые для записи спектров ЯМР. Основные принципы интерпретации спектров 1Н и 13С ЯМР. Методики офф-резонанса и  DEPT и их применение для интерпретации спектров 13С ЯМР. Химические сдвиги основных типов протонов и атомов углерода в спектрах 1Н и 13С ЯМР. Константы спин-спинового взаимодействия в спектрах 1Н ЯМР. Уравнение Карплуса и его применение для установления строения органических соединений. Ядерный эффект Оверхаузера. Спектры двойного резонанса. Двумерная спект­роскопия ЯМР, основные двумерные эксперименты COSY и NOESY.

46. Применение рентгеноструктурного анализа в органической химии. Кристаллическая и молекулярная структура органических соединений. R-фактор.

Список рекомендуемой литературы

  1. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия, М.: Мир, 1974 – 1132 с.
  2. Беккер Г. Введение в электронную теорию органических реакций. Пер. с нем. М.: Мир, 1977 – 658 с.
  3. Органикум: Практикум по органической химии / Г. Беккер, В. Бергер, Г.Домшке и др. Т. 1, 2. М.: Мир, 1979.
  4. Марч Дж. Органическая химия, Т. 1-4. М.: Мир, 1987.
  5. Смит В., Бочков А., Кейпл Р. Органический синтез. Наука и искусство: Пер. с англ. – М.: Мир, 2001. – 573 с.
  6. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. – М.: Мир, 1976. – 541 с.
  7. Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии. Кн. 1, 2. М.: Химия, 1981.
  8. Джилкрист Т.Л. Химия гетероциклических соединений. М.: Мир, 1996.
  9. Потапов В.М. Стереохимия. М.: Химия, 1988.
  10. Титце Л., Айхер Т. Препаративная органическая химия. Реакции и синтезы в практикуме органической химии и научно-исследовательской лаборатории. М.: Мир, 1999 – 704 с.
  11. Теддер Дж., Нехватал А., Джубб А. Промышленная органическая химия. М.: Мир, 1977 – 700 с.
  12. Химия республики. [Сб. статей]/ Сост. Г.Н.Гацко. Минск: Народная асвета, 1985 – 184 с.