ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

Органическая химия


Программа курса для студентов II курса геологического факультета МГУ

Введение.

Предмет органической химии. Теория химического строения Бутлерова А.М. Взаимосвязь химического строения и химических свойств органических соединений. Формулы органических соединений: эмпирическая, молекулярная, структурная (полная и сокращенная), электронная (по Льюису). Понятие о химической функции. Основные химические функции и их строение. Классификация органических соединений. Генетическая связь между основными классами органических соединений. Понятие о гомологии и изомерии. Структурная и пространственная изомерия органических соединений. цис- , транс-изомерия в ряду алканов и циклоалканов, пространственная изомерия органических соединений с одним и двумя асимметрическими атомами углерода (на примере винных кислот). Понятие об энантиомерах, диастереомерах, рацематах и мезо-формах. Способы изображения пространственного строения органических молекул: ²лесопильные ко¢злы², клиновидные проекции, проекции Ньюмена и проекционные формулы Фишера.
Основные типы химических связей в молекулах органических соединений: ионная, ковалентная (полярная и неполярная), координационная (донорно-акцепторная). Природа s- и p-связей.
Строение атома углерода в основном и возбужденном состоянии, атомные орбитали, гибридизация атомных орбиталей и основные валентные состояния атома углерода (sp3, sp2 и sp); молекулярные орбитали.
Современная теория строения органических соединений, пространственные и электронные эффекты заместителей и их влияние на химические свойства соединений и их реакционную способность.
Понятие о механизме химической реакции с участием молекул органических соединений. Кислотность и основность органических соединений, понятие о нуклеофильных и электрофильных реагентах. Органические анионы, катионы и радикалы как промежуточные частицы многих органических реакций (строение, устойчивость и примеры реакций с их участием). Классификация органических реакций: а) по типу превращения: реакции замещения, присоединения, отщепления (элиминирования), полимеризации и поликонденсации; б) по способу разрыва связи в исходной органической молекуле: радикальные, ионные, нуклеофильные и электрофильные реакции.
Основы современной номенклатуры органических соединений: рациональная и систематическая (заместительная) номенклатура ИЮПАК. Основные правила построения систематических названий органических соединений. Использование компьютерных программ (ACD/Labs), позволяющих назвать практически любые органические соединения, основываясь на его структурной формуле (с учетом стереохимии).

Алканы

Алканы. Строение, изомерия и номенклатура алканов. Природные источники алканов – нефть, уголь, газ и их промышленная переработка (пиролиз и крекинг природного углеводородного сырья). Промышленные каталитические методы получения алканов: из угля и водорода, из оксидов углерода (II и IV) и водорода (по Фишеру-Тропшу). Лабораторные методы получения алканов: получение метана из карбида алюминия (Al4C3), декарбоксилирование карбоновых кислот (нагревание солей карбоновых кислот со щелочами), реакции Вюрца и Кольбе, каталитическое гидрирование непредельных соединений (алкенов и алкинов). Химические свойства алканов. Радикальное замещение в алканах: нитрование по Коновалову, галогенирование, сульфохлорирование, окисление и сульфоокисление. Понятие о цепных реакциях (механизм радикально-цепного хлорирования и бромирования метана).
Циклоалканы. Строение циклоалканов С3-С6. Напряженность малых циклов (С3-С4), конформации циклогексана. цис-, транс-Изомерия дизамещенных производных циклоалканов. Получение циклоалканов (С3-С6). Химические свойства циклоалканов: гидрирование, галогенирование и гидрогалогенирование. Особые свойства циклопропана.
Алкены. Строение алкенов: природа двойной связи углерод-углерод, структурная и пространственная изомерия, цис-, транс- и Z-, E- номенклатура алкенов. Методы получения алкенов: каталитическое дегидрирование алканов, дегидратация спиртов и дегидрогалогенирование галогенводородов (правило Зайцева), дегалогенирование вицинальных дигалогенидов (α,β-дигалогенидов), каталитическое гидрирование алкинов (катализатор Линдлара), восстановление интернальных алкинов щелочными металлами в жидком аммиаке.
Химические свойства алкенов. Электрофильное присоединение к алкенам, его механизм и синтетическое применение (гидратация алкенов, присоединение галогенов и галогенводородов). Правило Марковникова и его современное обоснование. Сопряженное присоединение к алкенам. Присоединение электрофильных реагентов к полярной двойной связи. Радикальные реакции алкенов: присоединение бромистого водорода в присутствии перекисей (эффект Хараша), высокотемпературное аллильное хлорирование по Львову. Окисление алкенов. Окисление алкенов с сохранением углеродного скелета (получение эпоксидов и вициальных диолов). син-Гидроксилирование алкенов по Вагнеру и анти-гидроксилирование алкенов по Прилежаеву. Окислительное расщепление алкенов под действием сильных окислителей. Озонолиз алкенов. Восстановительное и окислительное расщепление озонидов (получение спиртов, альдегидов, кетонов и карбоновых кислот). Гидрирование алкенов. Полимеризация алкенов (радикальная, катионная, анионная и ионно-координационная).
Алкины. Строение алкинов: природа тройной связи углерод-углерод, изомерия и номенклатура алкинов. Методы получения алкинов: пиролиз метана, карбидный метод (из карбида кальция СаС2), двойное дегидрогалогенирование геминальных и вицинальных дигалогенидов (α,α- и α,β-дигалогенидов). Химические свойства алкинов. Электрофильное присоединение к алкинам: галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация (по Кучерову). Полное и парциальное каталитическое гидрирование алкинов, восстановление интернальных алкинов щелочными металлами в жидком аммиаке. Стереохимия парциального восстановления гидрирование интернальных алкинов. Ацетилениды меди и серебра. Получение ацетиленидов щелочных металлов и их алкилирование галоидными алкилами.
Диены. Классификация и номенклатура. 1,3-Диены: строение, понятие о сопряжении. Получение 1,3-диенов (дегидрогалогенирование галогенпроизводных алканов и алкенов, дегидратация двухатомных спиртов). Промышленные методы получения дивинила (бутадиена-1,3), изопрена и хлоропрена и каучуки на их основе. Реакции 1,2- и 1,4-присоединения к сопряженным диенам. Диеновый синтез (реакция Дильса-Альдера) и его синтетическое применение.
Ароматические углеводороды. Понятие ароматичности, правило Хюккеля. Примеры ароматических систем различной природы: нейтральные молекулы – бензол, нафталин, гетероциклические соединения; ароматические анионы и катионы. Химические свойства ароматических углеводородов на примере бензола. Реакции электрофильного замещения в бензоле: галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование и ацилирование. Механизм электрофильного замещения, p- и s-комплексы. Реакционная способность производных бензола. Пространственное и электронное влияние заместителей. Правила ориентации электрофильного замещения в моно- и дизамещенных производных бензола. Согласованная и несогласованная ориентация заместителей. Радикальное замещение атома водорода в боковой цепи алкилбензолов. Получение бензойной кислоты и ее производных окислением боковых цепей алкилбензолов.

Галогенпроизводные производные углеводородов.

Алкилгалогениды, строение, изомерия, методы получения и номенклатура. Химические свойства. SN1 и SN2 механизмы нуклеофильного замещения (понятие и и простейшие примеры). Замещение галогена на другой галоген, гидрокси, циано и нитрогруппу. Реакции элиминирования. Дегидрогаленирование алкилгалогенидов и дегидратация спиртов. Е1 и Е2 механизмы элиминирования (понятие и простейшие примеры).
Винил- и арилгалогениды. Взаимное влияние галогена и двойной связи (или ароматического кольца). Сравнение реакционной способности алкил- и винил(арил)галогенидов.
Металлоорганические соединения. Магний и литийорганические соединения, литийдиалкил(диарил)купраты: получение, строение, химические свойства и использование в органическом синтезе. Понятие о кросс-сочетании.

Спирты, простые эфиры, фенолы.

Спирты. Одноатомные спирты, строение, изомерия и номенклатура. Методы получения одноатомных спиртов: гидратация алкенов, гидролиз алкилгалогенидов, восстановление карбонильных соединений, магнийорганический метод получения спиртов из карбонильных соединений и сложных эфиров. Химические свойства спиртов: дегидратация, ацилирование, замещение гидроксильной группы на галоген. Кислотные свойства спиртов (спирты как ОН-кислоты), образование алкоголятов металлов. Непредельные спирты, правило Эльтэкова-Эрленмейера. Окисление первичных и вторичных спиртов (окислители, условия и продукты окисления). Многоатомные спирты: этиленгликоль, глицерин, углеводы. Получение этиленгликоля и глицерина. Качественная реакция на гликоли с гидроксидом меди (II).
Простые эфиры. Получение простых эфиров (алкилирование алкоголятов щелочных металлов алкилгалогенидами, дегидратация спиртов). Взаимодействие простых эфиров с концентрированной иодистоводородной кислотой. Краун-эфиры и их использование в органическом синтезе.
Фенолы. Строение, взаимное влияние атома кислорода и фенольного кольца. Получение фенолов (кумольный метод, гидролиз галогенбензолов, сплавление солей бензолсульфокислот со щелочами). Химические свойства фенолов, сравнение со свойствами спиртов. Кислотность фенолов, нуклеофильность фенолов и фенолят-анионов, получение простых и сложных эфиров фенолов. Электрофильное замещение в ароматическом ядре фенола (галогенирование, нитрование). Восстановление фенола до циклогексанола и окисление до 1,4-бензохинона. 1,4-Бензохинон как диенофил в диеновом синтезе.

Оксосоединения (альдегиды и кетоны).

Альдегиды и кетоны. Строение и номенклатура. Методы получения карбонильных соединений: окисление первичных и вторичных спиртов, гидролиз гемдигалогенидов, гидратация алкинов, озонолиз алкенов, кетонизация солей карбоновых кислот, окисление кумола. Химические свойства карбонильных соединений. Карбонильная активность альдегидов и кетонов. Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе: присоединение воды, спиртов, цианистого водорода, гидросульфита натрия, аммиака, гидразина, гидроксиламина, магний и литийорганических соединений. Этинилирование карбонильных соединений (реакции Фаворского и Реппе). Получение 1,3-бутадиена по Реппе. Реакции карбонильных соединений с участием a-водородного атома. СН-кислотность карбонильных соединений, кето-енольная таутомерия. Реакции енольных форм карбонильных соединений: дейтерирование, галогенирование, галоформная реакция. Альдольная и кротоновая конденсации (механизм и применение в органическом синтезе). Восстановление и окисление карбонильных соединений (получение спиртов и карбоновых кислот). Взаимодействие карбонильных соединений с пентагалогенидами фосфора (получение гемдигалогенидов).
Ароматические альдегиды и кетоны. Строение и номенклатура. Получение ароматических альдегидов и кетонов: окисление толуола, формилирование и ацилирование бензола и его производных. Электрофильное замещение в бензольном ядре ароматических альдегидов и кетонов. Окислительно-восстановительное диспропорционирование неенолизуемых алифатических и ароматических альдегидов (реакция Канниццаро).

Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты. Строение, изомерия и номенклатура. Получение карбоновых кислот: каталитическое окисление алканов, окисление и озонолиз алкенов и алкинов, окисление спиртов и карбонильных соединений, гидролиз нитрилов и других производных карбоновых кислот, магнийорганический метод синтеза карбоновых кислот. Химические свойства карбоновых кислот. Кислотные свойства карбоновых кислот. Функциональные производные карбоновых кислот (соли, ангидриды, галогенангидриды, амиды, сложные эфиры, нитрилы), методы их получения и взаимные превращения. Механизм этерификации карбоновых кислот, механизмы омыления сложных эфиров в кислой и щелочной среде. Замещение a-водородного атома на галоген (реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского). Восстановление карбоновых кислот до альдегидов и спиртов.
Непредельные карбоновые кислоты. Акриловая, метакриловая, кротоновая, олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты. Химические свойства a,b-непредельных карбоновых кислот: гидрирование, присоединение галогенов и галогеноводородов.
Жиры. Строение, состав, физические и химические свойства.
Дикарбоновые кислоты. Щавелевая, малоновая, янтарная и адипиновая кислоты. Особые свойства метиленового звена малонового эфира. Получение карбоновых кислот на основе малонового эфира.
a,b-Непредельные карбоновые кислоты. Малеиновая и фумаровая кислоты. Использование малеиновой и фумаровой кислот и их производных в качестве диенофилов в диеновом синтезе.
Ароматические карбоновые кислоты. Методы получения бензойной кислоты: Электрофильное замещение в ароматическом кольце бензойной кислоты. Фталевая и терефталевая кислоты, получение и свойства.

Амины

Амины. Алифатические амины, классификация электронное строение и номенклатура. Методы получения алифатических аминов: восстановление нитросоединений, нитрилов и амидов карбоновых кислот, алкилирование аммиака галоидными алкилами и спиртами, получение первичных аминов по Габриэлю, восстановительное аминирование карбонильных соединений, гипогалогенитное расщепление карбоновых кислот (перегруппировка Гофмана). Химические свойства аминов. Основность и нуклеофильность аминов. Четвертичные аммониевые основания и их использование для получения алкенов с наименьшим числом алкильных групп у двойной связи (правило Гофмана). Взаимодействие алифатических аминов с азотистой кислотой.
Ароматические амины. Получение, особенности химического строения и номенклатура. Основность и нуклеофильность ароматических аминов, сравнение свойств ароматических и алифатических аминов. Ацетильная защита аминогруппы и электрофильное замещение в ароматическом ядре анилина: галогенирование, нитрование, сульфирование. Понятие о сульфамидных препаратах. Взаимодействие ароматических аминов с азотистой кислотой. Образование солей диазония и примеры их реакций с выделением и без выделения азота. Азосочетание и получение кислотно-основных индикаторов и азокрасителей, получение фенолов и галогенбензолов.

Гетероциклические соединения.

Ароматические гетероциклические соединения. Пятичленные ароматические гетероциклические соединения. Фуран, пиррол, тиофен, их электронное строения. Электрофильное замещение в пятичленных гетероциклах, ориентация электрофильной атаки, сравнение их реакционной способности с бензолом. Шестичленные гетероциклы на примере пиридина. Электронное строение пиридина, его основность и нуклеофильность, сравнение с циклогексиламином. Электрофильное замещение в пиридине, ориентация электрофильной атаки, сравнение его реакционной способности с бензолом. Нуклеофильное замещение в пиридине, реакция Чичибабина. Гидрирование пяти- и шестичленных ароматических гетероциклов.

Природные соединения.

Углеводы. D- и L-формы. Моносахариды на примере рибозы, дезоксирибозы, глюкозы и фруктозы, открытые и циклические формы моносахаридов. Глюкозидный гидроксил (a- и b-аномеры). Мутаротация сахаров. Химические свойства альдоз на примере глюкозы: реакция глюкозы как многоатомного спирта и как карбонильного соединения. Реакции глюкозидного гидроксила. Понятие о гликозидах и агликонах. Спиртовое и молочнокислое брожение глюкозы. Дисахариды. Сахароза, мальтоза, целлобиоза. Восстанавливающие и невосстанавливающие сахара. Полисахариды. Крахмал и целлюлоза.
Природные аминокислоты. Природные a-аминокислоты, их строение и стереохимия. D- и L-формы a-аминокислот. Получение a-аминокислот: гидролиз белков, нуклеофильное замещение атома галогена в a-галогенкарбоновых кислотах на аминогруппу, синтез Штреккера-Зелинского. Физические и химические свойства a-аминокислот. Полиамиды и полипептиды. Общие представления о составе, строении, физических и химических свойствах белков. Классический вариант пептидного синтеза, защита амино-группы и активация карбоксильной группы исходных аминокислот.
Нуклеиновые кислоты. Общие представления о составе, строении и биологической роли ДНК и РНК. Нуклеозиды и нуклеотиды. Нуклеотиды как строительные блоки цепей нуклеиновых кислот.

Биологически активные вещества.

Биологически активные вещества. Понятие о лекарствах, витаминах, ферментах и гормонах. Роль перечисленных биологически активных соединений в обеспечении нормального функционирования организма человека.

Рекомендуемая литература.
  • Грандберг И.И. «Органическая химия». М., Дрофа, 2004.
  • Фримантл М. «Химия в действии». т.2, М., Мир, 1998.
  • «Химическая энциклопедия».М., Советская энциклопедия, 1988.
  • Тейлор Г. «Основы органической химии для студентов нехимических специальностей». М., Мир, 1989.

Программа составлена
 доцентом Ливанцовым М.В.




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору