Рабочая учебная программа дисциплины Органическая химия

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Утверждаю: проректор по УР

_______________ В.В. Рыбкин

« » 20 г.

Направление подготовки 240100 Химическая технология

Квалификация (степень) Бакалавр

Целями освоения дисциплины "Органическая химия" являются изучение основных закономерностей строения, свойств и взаимных превращений органических соединений различных классов. При изучении данной дисциплины студенты изучат основные концепции теоретической органической химии, ознакомятся с основными путями практического использования органических соединений, современными методами определения состава, строения и реакционной способности органических веществ.

При выполнении лабораторного практикума студенты приобретут навыки синтеза, очистки и идентификации органических веществ, освоят правила безопасности работы в химической лаборатории, сборки типовых установок, используемых в органическом синтезе.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина "Органическая химия" является базовой дисциплиной для всех специальностей по направлению подготовки 240100 Химическая технология.

• 
  стремится к саморазвитию, повышению уровня знаний;
  
• 
  способен понимать роль охраны окружающей среды и рационального природопользования;
  
• 
  способен использовать знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов;
  
• 
  способен использовать знания свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности.
  

• 
  знать: принципы классификации и номенклатуру органических соединений, строение органических соединений, классификацию органических реакций, свойства основных классов органических соединений, способы получения органических соединений и методы их идентификации; применение в промышленности;
  

• 
  уметь: разрабатывать методы синтеза как известных, так и новых органических соединений, составлять уравнения органических реакций, планировать выбор установок для проведения органического синтеза и очистки продуктов на каждой стадии; проводить синтез органических соединений; проводить качественный и количественный анализ органических соединений с использованием химических и физико-химических методов анализа;
  

Общая трудоемкость дисциплины составляет 10 зачетных единиц, 360 часов.

Предмет органической химии. Теория строения органических соединений А. М. Бутлерова. Основополагающее значение идей А. М. Бутлерова для прогресса органической химии.

Причины выделения органической химии в самостоятельную науку. Характерные особенности органических соединений. Электронные эффекты в органических соединениях.

Классификация органических соединений по функциональным группам. -Электронные и атомные функциональные группы. Представления об электронном строении атомов - органогенов (Н, С, Р, К, О, S, С1). Электронные конфигурации атомов - органогенов в основном, возбужденном и ионизированном состояниях и геометрическая структура молекул, образуемых ими. Особенности химических связей углерод - углерод, углерод - водород и углерод - контактный атом функциональной группы. Особенности реакционной способности органических соединений и ее количественные характеристики (константа скорости при стандартных условиях, энергия и энтропия активации).

Гомологический ряд алканов. Общая формула. Изомерия. Первичный, вторичный и третичный атомы углерода. Номенклатура (ИЮПАК, рациональная и тривиальная). Общая характеристика ковалентных связей С-С и С-Н в молекуле алкана. Основное и возбужденное состояние атома углерода. Тетраэдрическая модель насыщенного атома углерода. Валентные углы в алканах. Понятие о свободном вращении вокруг С-С связи. Конформации молекул алканов.

Природные источники насыщенных углеводородов. Промышленные и лабораторные способы получения: гидрирование непредельных соединений, реакция Вюрца, анодный синтез (Кольбе), декарбоксилирование карбоновых кислот.

Физические свойства алканов. Закономерности изменения физических свойств в гомологическом ряду.

Химические свойства алканов. Радикальные реакции замещения: галогенирование, окисление, нитрование, сульфохлорирование. Реакции свободнорадикального замещения в алканах Н-атома (S_R2). Свойства свободных радикалов.

Термическая деструкция алканов (пиролиз и крекинг).

Использование предельных углеводородов в органическом синтезе. Пути их превращения в функциональные производные. Углеводороды как топливо.

Насыщенные циклические углеводороды (циклоалканы).

Циклоалканы. Генетическая связь с алканами. Классификация циклоалканов: малые циклы С₃-С₄; обычные циклы С₅-С₇; средние циклы

Физические свойства циклоалканов. Химические свойства. Отличительные особенности реакций алканов и циклоалканов. Реакции раскрытия малых циклов. Циклопропан и циклогексан.

Общая формула. Гомологический ряд. Номенклатура. Скелетная изомерия алкенов. Изомерия положения. Цис-, транс- изомерия. Второе валентное состояние атома углерода (sр²-гибридизация). Квантово-механическая трактовка двойной связи. Длина, энергия и полярность двойной связи.

Метод электронной абсорбционной спектроскопии. Происхождение электронных спектров поглощения, их характеристика и связь со строением органических соединений. Типы электронных переходов (*, *, n*). Природные источники алкенов. Их синтез в технике и в лаборатории: пиролиз и крекинг парафинов, дегидратация спиртов, дегидрогалогенирование моногалогенпроизводных, синтез из галогенпроизводных и др. Физические свойства алкенов.

Химические свойства алкенов. Реакции электрофильного присоединения (присоединение по двойной связи галогенов, галогеноводородов, неорганических кислот, карбенов, гидроборирование). Механизм электрофильного присоединения Ad_E в алкенах Понятие о комплексах с переносом заряда. Карбокатионы, стабилизация карбокатионов. Правило Марковникова о характере присоединения молекул типа НХ, его теоретическое объяснение. Реакции свободнорадикального присоединения. Перекисный эффект Караша. Радикальные реакции замещения в аллильном положении

Гидрирование алкенов. Окисление алкенов.

Понятие о мономерах и полимерах. Ступенчатая и цепная полимеризация.

Основные пути использования алкенов в технике.

Стереоизомерия в органической химии. Геометрическая изомерия алкенов и циклоалканов. Правила E,Z-номенклатуры. Оптическая изомерия. Оптическая активность органических соединений. Хиральность молекул. Энантиомеры. Проекционные формулы Фишера. Определение относительной и абсолютной конфигурации молекулы по системе Кана-Ингольда-Прелога. Понятие об асимметрическом синтезе.

Общая формула. Гомологический ряд. Номенклатура. Третье валентное состояние атома углерода (sр-гибридизация). Квантово-химическая трактовка тройной связи. Особенности -связей в алкинах. Длина, энергия и полярность тройной связи.

Синтез ацетиленовых углеводородов из галогенопроизводных углеводородов, алкилирование алкинов и др.

Физические свойства алкинов.

Химические свойства алкинов. Особенности реакций электрофильного присоединения галогенов и галогеноводородов к алкинам. Их механизм. Реакции нуклеофильного присоединения. Винилирование. Гидратация по Кучерову; присоединение спиртов, уксусной и синильной кислот. Механизм этих реакций. Гидрирование. Димеризация ацетилена. Винилацетилен. RС-Н ацетилены как СН-кислоты. Ацетилениды и их свойства.

Промышленные синтезы на основе ацетилена.

Три типа диеновых углеводородов. Классификация и номенклатура. Углеводороды с изолированными двойными связями. Углеводороды с двумя кумулированными двойными связями (аллены). Синтез и свойства аллена. Строение. Углеводороды с сопряженными двойными связями: дивинил, изопрен.

Метод молекулярных орбиталей в органической химии. Основные понятия метода МО — связывающие и разрыхляющие орбитали. Несвязывающие (атомные) орбитали. Граничные орбитали. Значение высшей заполненной (ВЗМО) и низшей вакантной (НВМО) молекулярных орбиталей в реакциях присоединения, замещения и др. Числа заполнения орбиталей, порядок связей и устойчивость соединений. Энергетическая (корреляционная) диаграмма молекулярных орбиталей двухатомной молекулы А-В, С₂Н₄, бутадиена.

Способы получения бутадиена и изопрена из нефтяных газов. Получение бутадиена из спирта (С. В. Лебедев), бутандиола-1,4. Получение изопрена из ацетона и ацетилена. Другие способы.

Физические свойства сопряженных диеновых углеводородов.

Химические свойства сопряженных диеновых углеводородов. Присоединение водорода, галогенов и галогеноводородов в положения 1,2 и 1,4. Механизм электрофильного присоединения к сопряженным диенам. Особенности реакций Ad_E алкадиенов. Рассмотрение с точки зрения ВМО.

Перициклические (согласованные) реакции. Правило Вудворда - Гоффмана. Реакции полимеризации алкадиенов. Понятие о натуральном и синтетическом каучуках.

Ароматические углеводороды.

Понятие об ароматическом характере соединений. Бензол. Развитие представлений о строении бензола. Недостаточность описания молекулы бензола формулой Кекуле. Квантово-механическое представление о строении бензола. Молекулярные орбитали бензола. Энергия сопряжения.

Критерии ароматических молекул (геометрические, химические и электронные). Правило Хюккеля. Небензоидные ароматические системы: аннулены, тропилий-катион, азулен и др.

Ароматические углеводороды на основе бензола (арены).

Общая формула. Гомологический ряд бензола. Номенклатура и изомерия производных бензола. Природные источники ароматических соединений. Способы получения бензола в технике. Алкилирование бензола. Реакция Фриделя-Крафтса. Генетическая связь ароматических соединений с соединениями неароматического характера, примеры взаимных превращений.

Физические свойства бензола и его гомологов. Электронные спектры поглощения.

Химические свойства бензола. Реакции электрофильного замещения в аренах Н-атома (S_E2). Механизм (S_E2) - реакций. Экспериментальные доказательства существования - и - интермедиатов (комплексов). Реакции дейтерирования, нитрования, сульфирования, галогенирования, алкилирования, ацилирования.

Применение теории ВМО для оценки влияния заместителей на скорость и направление S_E2 - реакций аренов. Ориентация в реакциях электрофильного замещения у гомологов бензола. Орта- и пара- ориентанты. Мета-ориентанты. Электронейтральные заместители. Их примеры. Электронные эффекты заместителей. Квантово-механические основы ориентирующего действия заместителей. Граничные орбитали в бензоле и его производных. Стерические эффекты. Соотношение изомеров при электрофильном замещении, их зависимость от условий реакции. Радикальное замещение в алкильной цепи. Триплетное состояние бензола и его фотохимические реакции. Расщепление бензольного кольца. Окисление бензола и его гомологов. Бензол. Толуол. Ксилолы.

Ароматические углеводороды с несколькими изолированными бензольными ядрами.

Дифенил, получение и свойства. Строение молекулы. Полифенилы.

Дифенилметан и трифенилметан, их синтез и свойства. Гексафенилэтан. Стабильные карбкатионы, карбанионы и радикалы - производные трифенилметана. Красители трифенилметанового ряда.

Ароматические углеводороды с конденсированными бензольными ядрами (линейные и ангулярные ацены).

Нафталин. Антрацен. Фенантрен. Пирен. Строение. Энергия сопряжения.

Промышленные источники. Применение.

Физические свойства конденсированных аренов.

Химические свойства:, нитрование, галогенирование, сульфирование. Особенности реакций электрофильного замещения. Активность -положений в нафталине и мезо-положений в антрацене. Реакции окисления, гидрирования.

Канцерогенные углеводороды

Классификация. Первичные, вторичные, третичные галогеналканы. Изомерия. Номенклатура. Характеристика связи С-Г (галоген). Состояние атома галогена в молекулах галогенопроизводных. Полярность и энергия связи С-Г. Электронные эффекты атомов галогенов. Индукционные эффекты (±I-эффект) и эффекты сопряжения (±С-эффект) в галогеналканах (R-Г) и галогенаренах (Ar-Г).

Способы введения галогенов. Непосредственное галогенирование алканов, циклоалканов и аренов. Другие методы получения галогенопроизводных: из алкенов, алкинов, диенов, спиртов, альдегидов и кетонов. Непрямые методы введения галогенов в ароматическое ядро.

Физические свойства R-Г и Ar-Г.

Химические свойства. Подвижность атома галогена в реакциях замещения. Восстановление связи С-Г и С-Н. Реакция R-Г и Ar-Г с металлами. Реакции нуклеофильного замещения галогена (на NН₂, ОН и др.) и их механизмы S_N1 и S_N2. Переходное состояние и параметры активации в этих реакциях. Особенности замещения галогена в аллильном и бензильном положении. Замещение атома галогена при sр²-гибридном атоме углерода. Влияние заместителей в бензольном кольце на скорость нуклеофильного замещения галогена.

Реакции элиминирования. Механизмы реакций элиминирования Е1, Е2, Е1св. Стереохимия Е2-реакций. Конкуренция реакций нуклеофильного замещения и элиминирования

Фторзамещенные углеводородов. Особенности связи С-F. Инертность атома F к реакциям замещения. Применение фторалканов и фторалкенов. Способы введения атома фтора. Перфторуглеводороды. Фторолефины. Фреоны. Фторопласт.
Кислородсодержащие производные углеводородов.

Одноатомные спирты.

Гомологический ряд предельных одноатомных спиртов. Общая формула. Классификация. Изомерия. Номенклатура. Понятие о первичных, вторичных и третичных спиртах. Строение функциональной группы спиртов. Характеристика связей (С-О и О-Н) в молекулах спиртов: длина связей, состояние гибридизации атомов, валентные углы, энергия, полярность. Водородная связь в спиртах, ее характеристика. Способы получения спиртов: гидролиз галогеналкилов, действие металлоорганических соединений на альдегиды, кетоны, сложные эфиры, хлорангидриды и нитрилы; гидратация непредельных соединений, восстановление карбонильных соединений и сложных эфиров карбоновых кислот.

Физические свойства спиртов. Ассоциация спиртов и методы ее изучения.

Химические свойства спиртов. Кислотно-основные свойства. Условия кислотной ионизации спиртов. Алконоляты. Алкилоксониевые соли. Нуклеофильное замещение ОН-группы на остатки кислот (НГ, Н₂SО₄ и т.д.). Механизм реакции. Дегидратация спиртов до алкенов и простых эфиров. Окисление и дегидрирование первичных и вторичных спиртов. Спирты как растворители. Комплексообразующие свойства спиртов, образование сольватных комплексов ионов и солей металлов.

Метиловый, этиловый, пропиловый спирты.

Ненасыщенные спирты. Аллиловый и пропаргиловый спирты.

Двухатомные спирты или гликоли. Классификация. Номенклатура. Изомерия. Способы их синтеза.

Физические свойства. Особенности химического поведения. Окисление гликолей. Внутримолекулярное и межмолекулярное выделение воды. Получение диоксана (А. Е. Фаворский). Этиленгликоль. Краун-эфиры, их синтез на основе гликолей, свойства. Применение.

Трехатомные спирты. Глицерин. Получение из жиров. Синтетические способы получения. Физические свойства глицерина. Химические свойства: глицераты, хлорангидриды, сложные эфиры - глицериды; отщепление воды, окисление. Применение глицерина в технике и в тонком органическом синтезе.