Программа блоков «основы строения и реакционной способности органических соединений». «углеводороды»

Программа по органической химии включает ознакомление не только с основными классами и типами органических веществ, но также с основными положениями методологии органической химии, с историей этой науки и ее новыми, наиболее интересными тенденциями, складывающимися в настоящее время.

Программа составлена с учетом современных достижений теоретической органической химии и промышленности органического синтеза. Из большого теоретического материала отобраны вопросы, которые имеют наибольшее значение для понимания основных проблем органической химии и позволяют студентам самостоятельно работать с учебными пособиями.

В течение семестра рекомендуется проводить 5 – 6 контрольных работ, позволяющих проверить усвоение текущего материала и знание теоретических основ курса.

Целью курса «Органическая химия» является:

• освоение основных направлений приложения химических представлений и методов в смежных областях, таких как биология, охрана природы, народное хозяйство;

• представление о наиболее актуальных проблемах современной теоретической и экспериментальной химии;

• знание принципов построения и методологии химических исследований;

• владение принципами построения преподавания химии в средней школе, представление о теоретических и психолого-педагогических основах управления процессом обучения.

При изучении курса перед студентами ставятся следующие задачи:

• свободное владение основными понятиями, терминологией, теоретическими моделями и методами современной химии;

• представление об исторических этапах развития химии, важнейших открытиях отечественных ученых, объективной необходимости возникновения новых направлений в химической науке;

• овладение генетической связью между классами органических соединений и особенностями электронного строения, как причиной своеобразия химической активности;

• изучение механизмов важнейших химических реакций и получение важнейших классов органических реакций.

Предмет органической химии. История развития органической химии. Основные положения и значение теории химического строения.

Электронная теория химической связи. Основные параметры и кривая потенциальной энергии молекулы. Ковалентная связь. Метод ВС и особенности ковалентной связи. Октетные формулы Льюиса. Способы образования ковалентной связи. Теория гибридизации и теория отталкивания. Метод МО.

Изомерия органических соединений. Виды изомерии. Структурная и пространственная изомерия. Оптическая изомерия, понятие о хиральности. Энантиомеры, диастереомеры. Проекционные формулы Фишера, знак вращения и конфигурация. Правила определения относительной конфигурации.

Классификация и номенклатура органических соединений. Классификация органических соединений, понятие о функциональной группе. Номенклатура органических соединений ИЮПАК. Тривиальная и рациональная номенклатура.

Основные понятия о реакционной способности органических соединений. Понятие о электроотрицательности элемента. Электронные эффекты: индуктивный, мезомерный и гиперконъюгации. Перераспределе-ние электронной плотности по системе π-связей. Влияние электронных эффектов на физико-химические свойства соединений.

Промежуточные частицы и классификация химических реакций. Радикалы, электрофильные и нуклеофильные реагенты, кабкатионы. Классификация органических реакций.

Кислотные и основные свойства органических соединений. Основные теории кислот и оснований в органической химии. Кислотность и основность по Бренстеду-Лоури. Количественная сравнительная оценка кислотности и основности. Кислоты и основания Льюиса. Жесткие и мягкие кислоты и основания по Пирсону (ЖМКО).

Углеводороды. Алканы. Гомологический ряд метана. Изомерия. Номенклатура. Природные источники алканов и их промышленное значение. Методы синтеза алканов: промышленные и лабораторные. Физические свойства алканов. Агрегатное состояние, закономерности в изменении температур кипения и плавления в гомологическом ряду. Пространственное строение. Хиральность алканов. Химические свойства алканов. Объяснение склонности к радикальным реакциям в условиях фотолиза и термолиза, механизм. Галогенирование, региоселективность реакций, сравнение устойчивости первичных, вторичных и третичных радикалов. Получение иодпроизводных реакцией Финкельштейна. Сульфохлорирование. Сульфоокисление. Нитрование. Реакции алканов с кислородом: горение, окисление с разрывом связи С–С (получение уксусной кислоты из бутана, синтетических жирных кислот из нефтяных фракций), окисление н-алканов до спиртов без разрыва С–С связей. Термические превращения алканов, цель и значение этих процессов. Применение алканов, экологичекие аспекты их использования.

Алкены. Гомологический ряд этиленовых углеводородов. Структурная и пространственная изомерия. Номенклатура. Методы получения алкенов. Дегидрирование и крекинг алканов, отщепление воды от спиртов, галогенводорода или галогена от галогеналкана (правило Зайцева), гидрирование диенов и алкинов, реакции конденсации. Физические свойства. Химические свойства алкенов. Присоединение. Гидрирование алкенов. Электрофильное присоединение к алкенам. Реакции с Н-электрофилами, механизм. Правило Марковникова. Гидратация алкенов. Реакции с С-электрофилами, селективность реакции, гипогалогенирование. Оксосинтез алкенов. Реакции окисления: окисление без разрыва С–С связей, окисление с разрывом С–С связей, значение этих реакций. Взаимодействие алкенов со свободными радикалами, механизм, исключение из правила Марковникова. Олигомеризация и полимеризация алкенов, механизмы реакций полимерзации. Реакции циклоприсоединения: [2+1], [2+2], [2+4]. Реакции алкенов в аллильном положении: аутоокисление, изомеризация, аллильное галогенирование. Применение и представители алкенов, экологичекие аспекты их использования.

Алкадиены. Классификация и номенклатура, изомерия алкадиенов. Методы синтеза. Физические свойства и строение алленов и алкадиенов-1,3. Пространственное строение. Химические свойства алленов и алкадиенов-1,3. Реакции присоединения, перегруппировки и полимеризации. Гидрирование диенов активными металлами, каталити-ческое гидрирование. Гидрогалогенированние бутадиена-1,3 (механизм). Присоединение галогенов. Реакция полимеризации (механизм). Синтез Дильса-Адлера.

Натуральный и синтетический каучук.

Природные изопреноиды, терпены. Моно- и бициклические терпены. Понятие о стероидах.

Алкины. Гомологический ряд ацетилена, изомерия, номенклатура. Электроотрицательность углерода в ацетилене и замещенных алкинах, сопоставление поляризуемости двойной и тройной связи. Физические свойства алкинов. Способы получения. Прямой синтез; реакция пиролиза метана и этана (этилена); реакции карбидов металлов – синтез Велера, механизм; реакции отщепления, получение алкилзамещенных алкинов. Химические свойства. Реакции присоединения: гидрирование; взаимодействие с электрофильными реагентами (механизм), правило Марковникова (реакции с Н-электрофилами и галогенами); взаимодействие с нуклеофильными реагентами (механизм). Карбонилирование; реакции окисления ацетиленовой связи. Димеризация, циклоолигомеризация, полимеризация алкинов. Изомеризация. Кислотные свойства алкинов. Ацетилен, как сырье в промышленности органического синтеза. Экологичекие аспекты использования алкинов.

Карбоциклические соединения. Алициклические углеводороды и их производные. Классификация и номенклатура. Виды изомерии. Способы получения малых циклов: циклизация α-, ω-дигалогеналканов. Взаимодействие дигалогеналканов с натриймалоновым эфиром. Получение из дигалогенкарбонильных соединений. Синтез пяти- и шестичленных циклов: пиролиз кальциевых солей карбоновых кислот, с последующим восстановлением циклических кетонов; сложноэфирные конденсации. Гидрирование ароматических соединений. Циклизация непредельных соединений. Физические свойства циклоалканов. Состав нефти, работы русских ученых по химии нефти. Химические свойства циклоалканов. Гидрирование. Галогенирование, действие галоген-водородов. Окисление. Основные представители и применение. Природные алициклы. Полиэдрические алициклы.

Соединения ароматического ряда. История открытия ароматических соединений. Классификация. Арены ряда бензола. Изомерия и номенклатура. Понятие об ароматических свойствах бензола. Электронное строение бензола, схема σ-, π-связей. Методы создания бензольного кольца. Дегидратация и дегидроциклизация. Циклотримеризация. Пути химических превращений бензольного ядра: получение из кислородсодержащих производных бензола; алкилирование. Химические свойства аренов. Реакции электрофильного замещения в молекуле бензола. Нарушение симметрии электронного облака при введении заместителя в бензольное кольцо. Заместители первого рода и второго рода, их классификация. Стабилизация σ-комплекса в электрофильном замещении, при наличии в бензольном кольце заместителей. Особенность атома галогена. Взаимодействие с Н-электрофилами. Реакции гомологов бензола с участием боковой цепи. Реакции присоединения. Фотохимическая изомеризация.

Полициклические арены с конденсированными кольцами. Типы конденсированных систем и правила их названия, представители. Нафталин. Изомерия и номенклатура моно- и дизамещенных нафталина. Методы получения: природные источники, реакция дегидроциклизации. Реакции замещения, механизм реакции; влияние внешних факторов на направление и продукты реакции, возможные побочные реакции. Реакции присоединения нафталина. Применение нафталина: производство фталиевого ангидрида, тетралин и декалин, нафталинсульфокислоты и нитронафталин.

Полициклические арены с изолированными кольцами. Бифенил. Реакции получения. Физические свойства и строение. Сопряженная система бифенила. Химические свойства, применение. Фенилметаны. Строение, способы получения. Химические свойства. Красители трифенилметанового ряда и их синтез – аминопроизводные трифенил-метана, малахитовый зеленый, электронное строение катиона малахитового зеленого, изменение окраски с избытком кислоты; оксипроизводные производные трифенилметана, причины проявления окраски в щелочной среде. Экологические аспекты использования ароматических углеводородов.