Органическая химия для студентов 2 курса факультета физико-математических и естественных наук специальности “Химия”.
Факультет физико-математических и естественных наук
Кафедра органической химии
Обязательный курс
Объем учебной нагрузки: 122 часа – лекции, 250 часов – лабораторные работы
Цель курса
Научить обучающихся основам органической химии, которые позволяют им самостоятельно ориентироваться в специальных разделах органической химии и смежных химических дисциплинах. Обучающимся предстоит изучить основные фундаментальные проблемы органической химии, наиболее важные механизмы органических реакций, связи между строением и реакционной способностью, основными понятиями стереохимии и научиться активно использовать полученные знания для решения конкретных задач.
Содержание курса
Тема 1. Введение.
Органические соединения в природе. Роль органической химии в познании закономерностей жизненных процессов на молекулярном уровне. Методологическое значение теории органической химии, органического синтеза. Источники органического сырья. Промышленность органического синтеза. Роль органической химии в научно-технической революции.
Методы выделения органических соединений. Качественный и количественный анализ органических соединений. Идентификация и установление молекулярной формулы органического соединения.
Основные этапы развития органической химии. Теория химического строения органических соединений А.М.Бутлерова. Структурные формулы. Углеводородный радикал. Гомология. Изомерия. Функциональные группы. Ряды и классы органических соединений.
Физические методы исследования в органической химии. Инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Масс-спектрометрия.
Простые и кратные связи. Типы гибридизации атомных орбиталей углерода. Двухцентровые локализованные связи. Образование σ- и π-связей при перекрывании s- и p-атомных орбиталей. Энергия диссоциации связей. Многоцентровые делокализованные молекулярные орбитали. Распределение электронной плотности на атомах. Полярность связи. Семиполярная связь. Водородные связи. Соединения с топологическими связями.
Номенклатура органических соединений. Система Канна-Ингольда-Прелога. Классификация реакций органических соединений. Механизмы реакций. Промежуточные частицы: радикалы, карбены, карбкатионы, карбанионы, анион-радикалы. Переходное состояние. Интермедиаты. Гетерогенный и гомогенный катализ.
Тема 2. Ациклические соединения.
Алканы.
Гомологический ряд, номенклатура и изомерия алканов. Природные источники алканов. Методы синтеза алканов: гидрирование непредельных углеводородов, получение из галогенопроизводных по реакции Вюрца, электролиз и пиролиз солей карбоновых кислот. Получение моторного топлива из синтез-газа.
Физические свойства алканов и их изменение в гомологическом ряду, а также в ряду изомерных соединений. sp-3-Гибридизация атома углерода. Природа С-Н и С-С связей в алканах. Длины связей и валентные углы. Пространственное строение алканов. Вращательная изомерия. Конформации поворотных изомеров и их относительные энергии.
Химические свойства насыщенных углеводородов. Гомолитический разрыв связи. Методы генерации свободных радикалов. Строение свободных радикалов и факторы, определяющие их относительную стабильность. Превращения свободных радикалов в условиях термического крекинга углеводородов. Реакции радикального замещения алканов: галоидирование, нитрование по методу Коновалова и в газовой фазе, сульфохлорирование и сульфоокисление, окисление. Радикально-цепной механизм реакций.
Изомеризация алканов. Гетеролитический разрыв связей в алканах. Карбокатионы, их строение и факторы, определяющие их относительную стабильность. Реакции алканов в сверхкислых условиях.
Дегидроциклизация и дегидрирование алканов.
Метан, этан, пропан, бутан, изомерные пентаны и изооктан. Источники получения и применение их в химической промышленности. Биохимический метод получения белково-витаминного концентрата из углеводородов нефти.
Тема 3. Галогенопроизводные предельных углеводородов.
Изомерия и номенклатура многогалогенопроизводных алифатических углеводородов. Первичные, вторичные и третичные галогенопроизводные. Получение галогенопроизводных из спиртов и алкенов. Хлорирование метана. Получение хлористого метила окислительным хлорированием метана. Методы синтеза фторпроизводных. Физические свойства моногалогенопроизводных. Полярность связи С-Наl. Дипольные моменты галогенопроизводных. Энергия связи С-Наl. Сравнение химической активности фтор-, хлор-, бром- и йодалканов, а также активности первичных, вторичных и третичных галогенопроизводных. Реакции алкилирования.
Нуклеофильное замещение атомов галогена. Гидролиз первичных и третичных галогенопроизводных, механизмы реакций SN1 и SN2. Ионные пары. Влияние различных факторов (строение алкилгалогенида, природа растворителя, природа и концентрация нуклеофила и основания) на протекание реакций по этим механизмам. Проведение реакций алкилирования в условиях межфазного катализа.
Дегидрогалогенирование первичных и третичных галогенопроизводных. Механизмы реакций β-элиминирования Е1 и Е2.
Взаимодействие галогенопроизводных с металлами. Цинкорганические соединения. Реакивы Гриньяра и литийорганические соединения. Реакция Вюрца. ИК спектры галогенопроизводных. Методы синтеза и свойства вицинальных и геминальных дигалогенопроизводных. Способы получения и применение дихлорэтана, трихлорэтана и тетрахлорэтана. Галоформы. Получение и применение хлороформа и йодоформа. Галоформная реакция. Четыреххлористый углерод. Прлучение и применение фреонов. Влияние свободных радикалов, образующихся из фреонов, на озонный слой Земли.
Тема 4. Одноатомные насыщенные спирты (алканолы, алкоголи).
Изомерия и номенклатура спиртов. Первичные, вторичные и третичные спирты. Методы синтеза спиртов: гидролиз алкилгалогенидов, восстановление карбонильных соединений и сложных эфиров, присоединение воды к двойной связи, гидроборирование – окисление алкенов. Реакции оксимеркурирования, синтеза спиртов с помощью металлоорганических соединений. Промышленные способы получения метанола, этанола и изопропилового спирта. Синтез высокомолекулярных спиртов по методу Циглера, по реакции оксо-синтеза (гидроформилирования олефинов) и окислением алканов.
Физические свойства спиртов и их изменение в гомологическом ряду и в ряду изомерных спиртов. Ассоциация спиртов. Электронная природа и полярность связей С-О и О-Н. Кислотно-основные свойства спиртов.
Химические свойства спиртов. Образование алкоголятов. Взаимодействие спиртов с галогеноводородами, серной кислотой, с галогеноангидридами минеральных кислот. Этерификация спиртов. Окисление и дегидрирование первичных и вторичных спиртов. Дегидратация первичных, вторичных и третичных алканолов. Механизм дегидратации спиртов в условиях катализа протонами.
Применение метилового, этилового, н-пропилового, изопропилового, бутилового и высокомолекулярных спиртов.
ИК спектры спиртов. Характеристические полосы поглощения свободных и ассоциированных гидроксильных групп.
Тема 5. Простые эфиры.
Изомерия и номенклатура простых эфиров. Получение простых эфиров из спиртов при нагревании с серной кислотой, из алкоголятов и галоидных алкилов, присоединением спиртов к олефинам. Механизмы этих реакций.
Физические свойства простых эфиров. Расщепление простой эфирной связи. Аутоокисление простых эфиров. Образование солей оксония. Применение диэтилового и метил-трет-бутилового эфиров. ИК спектры простых эфиров.
Тема 6. Тиоспирты (тиолы, меркаптаны) и диалкилсульфиды (тиоэфиры).
Тиоспирты как сернистые аналоги спиртов. Получение меркаптанов алкилированием гидросульфидов. Синтез тиолов из мочевины и галоидных алкилов; механизм реакции. Физические и химические свойства тиоспиртов. Образование меркаптидов. Окисление меркаптидов до алкансульфеновых, алкансульфиновых и алкансульфокислот.
Строение и номенклатура диалкилсульфидов (тиоэфиров). Получение их из меркаптидов, а также из средних солей сероводородной кислоты. Окисление диалкилсульфидов до сульфоксидов и сульфонов. Сульфониевые соединения, получение и расщепление их по Гофману. Диметилсульфоксид.
Тема 7. Сложные эфиры минеральных кислот.
Методы получения моно- и диалкилсульфатов. Гидролиз диалкилсульфатов в щелочных условиях. Кислый и щелочной гидролиз моноалкилсульфатов. Применение диметил- и диэтилсульфата в качестве алкилирующих средств. Алкилнитраты. Получение алкилнитратов из спиртов и азотной кислоты, механизм этой реакции. Синтез триалкилфосфитов из алкоголятов и треххлористого фосфора. Диалкиловые эфиры алкилфосфоновой кислоты. Реакция Арбузова. Эфиры борной кислоты. Средние и кислые эфиры ортокремниевой кислоты.
Тема 8. Альдегиды (алканали) и кетоны (алканоны).
Изомерия и номенклатура оксосоединений. Общие способы синтеза альдегидов и кетонов: окисление и дегидрирование спиртов, гидролиз геминальных дигалогенпроизводных и виниловых эфиров, озонолиз олефинов, гидратация алкинов, окислительное расщепление α-гликолей. Восстановление хлорангидридов кислот. Получение кетонов из нитрилов и металлорганических соединений. Пиролиз солей карбоновых кислот.
Промышленные способы получения: формальдегида из метанола; ацетальдегида из ацетилена, а также из этилена; ацетона из изопропилового спирта, а также из кумола.
Оксисинтез (гидроформилирование).
Физические свойства альдегидов и кетонов. Электронное строение карбонильной группы, распределение электронной плотности и дипольный момент.