Учебные материалы/ Органическая химия

Программа курса "Теоретические проблемы органической химии"

Профессор К.П.Бутин

Студенты изучают теоретические проблемы органической химии в течение двух семестров после прослушивания общего курса по органической химии. Программа перестраиваемая: для данного потока читаются не все разделы Программы. В соответствии с прочитанным на лекциях материалом формулируются контрольные вопросы для подготовки к экзамену.

Часть 1. Структура и свойства молекул.
1.1. Теория молекулярных орбиталей
1.1.1.-Системы.
1.1.2. -Системы.
1.1.3. Роль неподеленных пар электронов
1.2. Кислоты и основания
1.3. Реакционноспособные интермедиаты органических реакций
1.3.1. Свободные радикалы
1.3.2. Карбены и нитрены
1.3.3. Карбокатионы
1.3.4. Карбанионы
1.3.5. Ароматические ион-радикалы
1.3.6. Редкие интермедиаты
Часть 2. Структура и механизм.
2.1. Методы исследования механизма органических реакций
2.2. Алифатическое нуклеофильное замещение.
2.3. Реакции элиминирования
2.4. Алифатическое электрофильное замещение
2.5. Присоединение по двойным углерод-углеродным связям
2.6. Присоединение по карбонильной группе и родственные реакции
2.7. Ароматическое электрофильное замещение
2.8. Ароматическое нуклеофильное замещение
2.9. Ароматическое гомолитическое замещение
2.10. Теория перициклических реакций
2.11. Электроциклические реакции
2.12. Циклоприсоединение
2.13. Сигматропные перегруппировки (сигматропные сдвиги)
2.14. Неперициклические перегруппировки
2.15. Коарктатные реакции.

1.1. Теория молекулярных орбиталей
1.1.1.-Системы.
-Связи в этилене, ацетилене, карбонильной группе. Теория возмущений молекулярных орбиталей. Возмущеня первого и второго порядка. Двухорбитальные взаимодействия. Трёхорбитальные взаимодействия. -Орбитали линейных и циклических сопряжённых полиенов, их построение на основе метода возмущений., симметрия и узловые свойства. Зависимость энергии от числа узлов. Особенности строения нечётных линейных полиенов. Аллильный радикал, анион и катион. Циклические -системы. Парность орбиталей. Вырожденные орбитали. Ароматичность и антиароматичность. -Системы [n]-аннуленов. Экспериментальные критерии ароматичности: термодинамический, структурный, магнитный. Диатропные и паратропные аннулены. 1,6-Метанодекапентаен и 1,6,8,13-диметаноциклотетрадекагептаен. Индексы ароматичности Дьюара. Альтернантные и неальтернантные углеводороды и их свойства. Электронное распределение в чётных и нечётных альтернантных углеводородах. Энергии делокализации и ароматичность. Бензол и его молекулярные орбитали. Граничные орбитали по Фукуи (ВЗМО, НСМО, ОЗМО) и их роль в химии. Многоструктурное описание строения молекулы бензола. Теория резонанса и её применение к бензольной, аллильной и бензильной -системам, 1,3-диполям (диазометан, азиды, нитрилоксиды, нитрилилиды и др.). Гиперконъюгация и её объяснение в рамках теории молекулярных орбиталей.

1.1.2. -Системы.
Канонические молекулярные орбитали тетраэдрической молекулы метана; их построение из групповых орбиталей ансамбля H₄ и атомных орбиталей углерода. Канонические МО плоской квадратной молекулы CH₄. Сравнение свойств тетраэдрического и плоского метана. Причины конфигурационной устойчивости тетраэдра. Концепция гибридных орбиталей; ее применение к описанию строения метана. Недостатки простой теории гибридизации; их устранение путем симметризации гибридных орбиталей. Фотоэлектронные спектры метана. Молекулярные орбитали этана и их построение из "строительных блоков" CH₃. Скелетные орбитали циклопропана и их построение из трех строительных блоков CH₂ с помощью метода возмущений. Плоскостные -орбитали циклопропана. -Свойства циклопропана: "банановость" -связей, протонирование "по ребру", предпочтительная конформация циклопропилалкильных катионов, устойчивость катионов, содержащих циклопропильные заместители. Скелетные орбитали циклобутана. Утрата -свойств при переходе от циклопропана к циклам с большим числом атомов углерода. (1,1,1)-Пропеллан; форма его ВЗМО и НСМО. Причины склонности к радикальным реакциям. Бакминстерфуллерены. Свойства C₆₀. Кластеры с треугольными гранями. Радиальные и тангенциальные кластерные орбитали.

1.1.3. Роль неподеленных пар электронов
Спирты, амины, органические галогениды. Их канонические и гибридные орбитали. Объяснение четырех полос в фотоэлектронном спектре спектре воды. Взаимодействие неподеленных пар. Cтроение гидразина и перекиси водорода.
-Эффект. Аномерный эффект и его объяснение как взаимодействие неподеленных пар гетероатома с разрыхляющими *-орбиталями. Взаимодействие неподеленных пар "через пространство" и "через связи" на примере 1,4-диазабицикло[2.2]октана. Взаимодействия "через пространство" и "через связи" в других молекулах.

1.2. Кислоты и основания
Разбавленные растворы.Кислоты Брёнстеда. Сила кислот и оснований. Кислотный и основной катализ. Специфический и общий кислотный и основной катализ. Уравнение Брёнстеда. Концентрированные растворы. Кислотные функции H₀, H_A, H_R . Соотношение между ними. Кислотные функции и скорости реакций. Суперкислые среды. Превращения органических молекул в суперкислых средах. Суперосновные среды. Система ДМСО-OH^- как суперосновная среда. Функция H_-. Кислоты Льюиса. Жёсткие и мягкие кислоты и основания. Применение принципа ЖМКО к органическим реакциям.

1.3. Реакционноспособные интермедиаты органических реакций
1.3.1. Свободные радикалы
Алкильные радикалы; строение и основные способы генерирования. Обнаружение и установление строения свободных радикалов. Спектры ЭПР. Спин-ловушки. Радикальные пары и эффекты ХПЯ в спектрах ЯМР. - и -Радикалы. Основные радикал-радикальные реакции: рекомбинация, диспропорционирование. Окисление и восстановление свободных радикалов. Реакции свободных радикалов с молекулами. Цепной механизм и его ключевые стадии. Стабильные радикалы трифенилметанового ряда. Бирадикалы и их роль в фотохимических реакциях.

1.3.2. Карбены и нитрены
Конфигурационные взаимодействия в карбенах. Синглетные и триплетные карбены, их геометрия, различимость по тесту Скелла. Строение метилена и дифторметилена. Спектроскопия матричной изоляции. Способы генерации карбенов: -элиминирование, фото- и термораспад кетенов и диазоалканов, диазиридинов и других соединений, Реакции карбенов: присоединение к кратным связям, внедрение по связи C-H, перегруппировки, димеризация. Карбеноиды. Реакция Симмонса-Смита. Ртутьорганические карбеноиды. Нитрены и ионы нитрения. Примеры реакций с их участием. Гермилены, силилены, станнилены.

1.3.3. Карбокатионы
Карбониевые и карбениевые ионы. Генерация трет.- бутильного катиона в суперкислых средах. Строение катионов CH₃⁺ и CH₅⁺ . Факторы, влияющие на стабильность карбениевых ионов. Аллильные, бензильные и полиарилметильные катионы. Катион тропилия и его свойства. Шкала стабильности карбениевых ионов pK_R+ . Объяснение стабилизирующего эффекта метильной, фенильной и циклопропильной групп, галогенов, кислород-, азот- и серусодержащих заместителей. Аренониевые ионы как интермедиаты в электрофильном ароматическом замещении. Бромониевые ионы. Основные реакции карбениевых ионов: присоединение нуклеофилов, отщепление протона, перегруппировкию. Неклассические карбокатионы. Норборнильный катион, его строение и перегруппировки.

1.3.4. Карбанионы
Свободные карбанионы в газовой фазе. Их исследование методами ион-циклотронного резонанса и масс-спектрометрии высокого давления. Получение карбанионов в растворах в суперосновных средах. - и -карбанионы. Факторы, влияющие на стабильность карбанионов. Роль среды и противоиона. Контактные и сольватноразделенные ионные пары. CH-Кислоты. Кинетическая и термодинамическая кислотность. Амбидентные анионы и форма их МО. Факторы, определяющие направление алкилирования енолят-ионов по углероду или кислороду.

1.3.5. Ароматические ион-радикалы
Генерирование катион-радикалов (КР) и анион-радикалов (АР): химическое, фотохимическое, электрохимическое. Реакции КР: диспропорционирование, присоединение нуклеофилов, отщепление протона. Реакции АР: с донорами протонов, диспропорционирование, отщепление нуклеофугной группы. Комплексы с переносом заряда (КПЗ), их роль в химии. Ион-радикальные соли. Теория КПЗ. SET-Механизм в органических реакциях и его обнаружение методом ХПЯ. Примеры таких реакций. Одноэлектронный сдвиг. Механизм электрофильных перегруппировок к электроноизбыточному центру как одноэлектронный сдвиг. Стабильные ион-радикалы (голубой Вюрстера, кетилы и др.).

1.3.6. Редкие интермедиаты
Напряженные углеводороды. Тетраэдран, (1,1,1)пропеллан, циклопропен и его реакция с атомарным углеродом. Фуллерены. Циклические аллены; примеры реакций с их участием. 1,2-Циклогептадиен и бицикло[3.2.1]окта-триен-2,3,6. Циклические ацетилены. Аценафтин. Арины и гетарины, доказательства их существования с помощью меченых атомов. Методы генерирования. Механизм отщепления-присоединения в реакциях нуклеофильного ароматического замещения. Циклобутадиен и его свойства. Эффект Яна-Теллера и строение циклобутадиена. Матричная изоляция. Стабилизация комплексообразованием с переходными металлами.

Часть 2. Структура и механизм.
2.1. Методы исследования механизма органических реакций
Основные типы реакций органических соединений: перегруппировки, рекомбинация и диссоциация, бимолекулярное замещение, перенос электрона. Деление реакций на нуклеофильные, электрофильные и гомолитические. Общая классификация механизмов.. Кинетические исследования. Уравнение Аррениуса. Понятие о переходном состоянии.Кинетический изотопный эффект. Стадии изучения механизма реакций: материальный баланс, кинетика, стереохимические корреляции, изотопные и структурные метки, влияние заместителей, растворителя, катализаторов, поиск нестабильных интермедиатов. Термодинамические параметры реакций. Величина энтропии активации для реакций разных типов. Понятие о кинетическом и термодинамическом контроле реакций. Уравнение Гаммета. Константы заместителей и константы реакций, их знак и абсолютная величина. Индуктивный и мезомерный эффекты. Константы ⁺, ^-, ^*, I. Стерические эффекты. Уравнение Тафта. Сотношение линейности свободных энергий в исследовании переходного состояния.

2.2. Алифатическое нуклеофильное замещение.
Механизмы S_N 1 и S_N 2. Экспериментальные доказательства для них. Ионные пары. Нормальный и специальный солевые эффекты. Стереохимия. Пограничная область. Сольволиз алкильных субстратов, Реакции первично-бензильных субстратов. Возможна ли ультимативная граница между механизмами ? Влияние структуры и растворителя на механизм. Структура субстрата. Уходящая группа. Нуклеофил. Нуклеофильность. -Эффект. Амбидентные нуклеофилы. Другие S_N -механизмы. Механизм S_Ni . Аллильная перегруппировка. Участие соседних групп.

2.3.Реакции элиминирования
Спектр механизмов E1-E2-E 1cB. Характеристики E 1 и E 2 механизмов. Характеристики E 1cB механизма: кинетика, изотопные эффекты равновесных и необратимых E 1cB реакций. Вариабельность переходного состояния E 2. Диаграммы Мор О’Феррала. Стереохимия. Позиционная ориентация. Правиа Зайцева и Гофмана. Геометрическая ориентация. Баланс между элиминированием и замещением. Спектр механизмов E2C-E2H. Пиролитическое элиминирование.

2.4. Алифатическое электрофильное замещение
Уходящая группа. Реакции S_E 1 и S_E 2 ртуть- и оловоорганических соединений. Их стереохимия. Нуклеофильное содействие в электрофильном замещении. SET -Механизм.

2.5. Присоединение по двойным углерод-углеродным связям
Электрофильное присоединение Br₂, Cl₂ , HBr и HCl. Правило Марковникова. Свободнорадикальное присоединение. Нуклеофильное присоединение. Гидроборирование.

2.6. Присоединение по карбонильной группе и родственные реакции
Простое присоединение. Кислотно-основной катализ. Присоединение с последующим замещением. Превращение ацеталей в полуацетали. Специфический и общий кислотный катализ. Механизмы с атакой на алкил и про-карбонил. Гидролиз полуацеталей. Присоединение с последующим элиминированием. Образование иминов из аминов и кетонов. Кислотный катализ этой реакции. Катализ основаниями на стадии элиминирования. Альдольная конденсация. Гидролиз эфиров карбоновых кислот, Классификация Ингольда по типу разрывающейся связи, катализа и молекулярности. Механизмы _AC 2 типа. Механизмы типа AL. Механизм A_AC 1. Не-ингольдовский механизм E1cB. Катализ. Реакции в сильно кислотных растворах. Общий основной и нуклеофильный катализ. "Нейтральный" гидролиз. Внутримолекулярный катализ при гидролизе аспирина. Его роль в ферментативном гидролизе.

2.7. Ароматическое электрофильное замещение
Нитрование. Природа электрофила. Аренониевый ион. Ориентация и реакционная способность. Факторы парциальных скоростей. Селективность и её связь со структурой переходного состояния. -Комплексы. Нитрование в уксусном ангидриде. Нитрование через нитрозирование. Ипсо-нитрование и механизм присоединения-отщепления. Другие реакции электрофильного замещения: галогенирование, сульфирование, реакции Фриделя-Крафтса, азосочетание. Соотношение орто/пара. Реакционная способность полициклических ароматических субстратов. Индексы "суперделокализуемости" Фукуи и "числа реактивности" Дьюара.

2.8. Ароматическое нуклеофильное замещение
Механизм S_N 2(Ar). Комплекс Мейзенгеймера. Кинетика и катализ основаниями. Эффекты уходящей группы. Активирующие группы. Нуклеофильность. Механизм S_N 1 разложения диазониевых и иодониевых солей. Ариновый механизм. Дегидробензол, его строение и свойства. Эффекты уходящей группы. Влияние заместителей на стадию образования арина и стадию присоединения к арину. Механизм S_RN 1, включающий арильные радикалы. ANRORC-Механизм для замещения в шестичленных гетероциклах. Перегруппировки Коста-Сагитуллина.

2. 9. Ароматическое гомолитическое замещение
Реакции алкилирования, арилирования и гидроксилирования.Радикальный -комплекс и его дальнейшие превращения. Ориентация в реакции арилирования. Алкилирование шестичленных гетероциклов.

2.10. Теория перициклических реакций
Классификация перициклических реакций по Вудворду-Хоффману. Характерные особенности: высокая стерео- и региоселективность, изменение селективности при переходе от термической к фотохимической активации. Молекулярно-орбитальная теория перициклических реакций. Перициклические орбитали; супраповерхностные и антараповерхностные взаимодействия. Хюккелевское и мёбиусовское число электронов. Хюккелевская и мёбиусовская топология переходного состояния. Разрешённые и запрещённые реакции; относительность такого разграничения. Объяснение разрешённых и запрещённых путей реакций методами возмущения МО, корреляционных диаграмм и ароматического и антиароматического переходного состояния. Примеры реакций, идущих по "запрещённому" пути. Сохранение орбитальной симметрии. Правила Вудворда-Хоффмана.

2.11. Электроциклические реакции
Их механизм. Конротаторные и дисротаторные процессы. Правила Вудворда-Хоффмана для электроциклических реакций. Применение метода корреляционных диаграмм и метода ароматического переходного состояния к этим реакциям. Синтетическое использование термических и фотохимических электроциклических реакций. Образование четырёхчленных циклов. Образование средних циклов путём раскрытия малого цикла в бициклических системах. Стереохимия. "Запрещённые" реакции бициклических систем;

2.12. Циклоприсоединение
Применение метода ВМО к анализу этих реакций. Метод корреляционных диаграмм и ароматического переходного состояния. Классификация реакций циклоприсоединения по числу электронов, типу орбиталей и геометрии перекрывания. Термические (4+ 2) реакции.Реакция Дильса-Альдера и ретродиеновый распад. Вторичные орбитальные взаимодействия как причина предпочтительного эндо-присоединения. Региоселективность реакции и величина коэффициентов на концевых атомах в граничных орбиталях диена и диенофила. Механизм присоединения карбенов по двойной связи. 1,3-Диполярное циклоприсоединение как (4+ 2)-процесс. 1,3-Диполи и их строение. Фотохимическое (2+2) циклоприсоединение. Правила Вудворда-Хоффмана для циклоприсоединения.

2.13. Сигматропные перегруппировки (сигматропные сдвиги)
Определение. Классификация. Порядок сигматропного сдвига. Примеры [1,2], [3,3] и других сигматропных сдвигов. Ароматическое и антиароматическое переходное состояние. [1,2[-Сдвиги. Перегруппировки Вагнера-Меервейна и пинаколиновая. Миграция водорода и алкильных групп. Неклассические карбокатионы. Строение 2-норборнильного катиона пи данным спектроскопии ЯМР при разных температурах. Стереохимия перегруппировки Вагнера-Меервейна. Миграция арила. Фенониевые ионы. Карбеновая перегруппировка Вольфа. Перегруппировки к электронодефицитному азоту (Бекмана, Гофмана, Курциуса) как [1,2]-сигматропные сдвиги. Стереохимия перегруппировки Бекмана. [3,3]-Сдвиги. Перегруппировки Коупа и Кляйзена. Синтез индола по Фишеру. Бензидиновая перегруппировка как [5,5]-сигматропный сдвиг. Бульвален. Валентная таутомерия.

2.14. Неперициклические перегруппировки
1,2-Перегруппировки к электроноизбыточному центру. Перегруппировки Виттига, Стивенса, Мейзенгеймера. Их стереохимия и радикал-согласованный механизм. Одноэлектронный сдвиг, радикальные пары и эффекты ХПЯ. Перегруппировка Фаворского. Перегруппировки в свободных радикалах. 1,5-Миграция атома водорода.

2.15. Коарктатные реакции.
Определение. Топология электронных сдвигов. Организующие принципы сложных реакций и теория коарктатного переходного состояния. Расширение топологического метода, ранее примененного к перициклическим реакциям на коарктатное переходное состояние. Линейные подсистемы и терминаторы. Неподеленные пары и трехчленные циклы как терминаторы: фрагментация циклопропилкарбена и циклопропилнитрена. Присоединение карбенов к бициклобутанам. Неподеленные пары и пятичленные циклы как терминаторы: перегруппировки фурфурилиденов и их гетероциклических аналогов. Трех- и пятичленные циклы как терминаторы: фрагментации оксиранов, циклоприсоединение ацетиленов к 1,4-циклогексадиенам. Реакции "сдвига связи". Сравнение топологического и альтернативных методов. Дизайн ваших собственных переходных состояний.