Катализ в органическом синтезе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Химический факультет
Кафедра органической химии
УТВЕРЖДАЮ
Декан химического факультета
профессор __________Гущин А.В.
«12 » сентября 2011 г.
Учебная программа
дисциплины «Катализ в органическом синтезе»
по направлению подготовки 020100.62 – «Химия»
Нижний Новгород
2011 год
1. Область применения
Данная дисциплина относится к циклу специальных дисциплин регионального
компонента, преподается на IV курсе в 7 семестре.
2. Цели и задачи курса
Цели дисциплины:
Формирование знаний о новейшем и интенсивно развивающемся направлении
современной химии – каталитический органический синтез, получение представлений о
механизмах гомогенных и гетерогенных каталитических реакций, освоение основных
методов каталитического синтеза различных классов органических соединений.
Задачи дисциплины:
 Рассмотреть научные основы катализа в органическом синтезе (типы гомогенных и
гетерогенных катализаторов, применяемых в органическом синтезе, классификация
каталитических органических реакций, элементарные стадии каталитических циклов).
 Изучить особенности механизмов каталитических органических реакций.
 Дать информацию о практическом использовании катализа в тонком органическом
синтезе, а также в различных промышленных процессах, в том числе
фармацевтических производствах.
 Сформировать навыки синтеза целевых органических соединений, варьируя природу
катализатора и условия проведения реакции.
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В процессе изучения курса студент должен получить представление о важнейших и
интенсивно развивающихся направлениях современной органической химии –
гомогенном и гетерогенном катализе, знание особенностей механизмов реакций,
протекающих в условиях металлокомплексного гомогенного катализа и катализа
металлами, нанесенными на различные носители. Студент должен освоить методы
каталитического синтеза различных классов органических соединений, получить
информацию об использовании металлокомплексного гомогенного и гетерогенного, а
также органокатализа в тонком органическом синтезе и в различных промышленных
процессах, в том числе фармацевтических производствах.
4.
Объем дисциплины и виды учебной работы очной формы обучения
Виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды лабораторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет,
экзамен)
Всего часов
49
18
18
31
экзамен
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№п/п
Раздел дисциплины
Лекции
ПЗ (или С)
ЛР
1
Введение в
каталитический
органический синтез
*)
Не предусмотрены
Не предусмотрены
2
Гомогенный
металлокомплексный
катализ
*)
Не предусмотрены
Не предусмотрены
3
Гетерогенный катализ
*)
Не предусмотрены
Не предусмотрены
4
Органокатализ
*)
Не предусмотрены
Не предусмотрены
5.2. Содержание разделов дисциплины
Введение в каталитический органический синтез
Роль катализа в органической химии. Концепция экономии атомов. Типы катализаторов,
применяемых в органическом синтезе. Виды катализа: гомогенный и гетерогенный
катализ, гетерогенно-гомогенный катализ, мицеллярный катализ, межфазный,
нанокатализ. Классификация по химической природе катализатора: кислотно-основной
катализ, металлокомплексный катализ, ферментативный катализ, органокатализ.
Гомогенный метало-комплексный катализ
Характеристика гомогенных катализаторов. Электронные и пространственные эффекты
лигандов. Классификация лигандов в соответствии с донорным атомом. Моно- и
бидентатные лиганды. -Донорные и -акцепторные свойства лигандов. Элементарные
стадии и механизм металлокомплексного катализа. Окислительное присоединение,
реакции внедрения, альфа-, бета-элиминирование, гаптотропные перегруппировки,
реакции переноса электрона, восстановительное элиминирование, окислительное
сочетание и восстановительное расщепление.
Основные реакции, катализируемые комплексами переходных металлов: гидрирование
алкенов; окисление (Вакер-процесс, эпоксидирование олефинов, гидроксилирование
метал-оксо-комплексами, металл-дикислородные интермедиаты в реакциях селективного
окисления С-H связей в углеводородах); карбонилирование и карбоксилирование
(карбонилирование метанола, алкенов, алкинов и арилгалогенидов, гидроформилирование
олефинов); метатезис алкенов, алкинов и циклоалкенов; реакции кросс-сочетания
(реакция Хека, кросс-сочетание с использованием элементоорганических соединений); СH–активация и функционализация алканов и аренов (электрон-насыщенные металлы,
реакции переноса водорода, борирование алканов и аренов, электрофильные
катализаторы).
Гетерогенный катализ
Гетерогенные металлокомплексные катализаторы. Носители для металлокомплексных
катализаторов. Адсорбционная, ионообменная, координационная и ковалентная
гетерогенизация. Топологическое закрепление комплексов переходных металлов.
Концепции гетерогенного катализа. Катализ металлополимерами. Гидрогенирование CO
и CO2. Процесс Фишера-Тропша. Метатезис алканов, алкенов, и алкинов. Окисление
углеводородов. Достоинства и недостатки гетерогенных металлокомплексных
катализаторов. Нанокатализ на границе гомогенного и гетерогенного катализа.
Органокатализ
Органокатализаторы (кислоты и основания Льюиса). Аллильное алкилирование.
Окисление и восстановление. Реакция Байлиса-Хиллмана. Реакция Манниха. Реакция
Дильса-Альдера. Реакция Михаэля. Реакции раскрытия цикла.
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1. Рекомендуемая литература
а) основная литература:
1. Б.Н. Долгов. Катализ в органической химии. Государственное научно-техническое
изд-во химической литературы, Ленинград, 1959, 810 с.
2. Катализ в органической химии. Под редакцией проф. А. М. Рубинштейна, Изд-во
иностранной литературы, Москва, 1953, 320 с.
3. D. Astruc. Organometallic Chemistry and Catalysis. Springer, 2007, 609 p.
4. S. Bhaduri, D. Mukesh Homogeneous catalysis: mechanisms and industrial applications.
John Wiley & Sons, Inc., 2000, 256 p.
5. G.V. Smith, F. Notheisz. Heterogeneous catalysis in organic chemistry. Academic Press,
1999, 346 p.
б) дополнительная литература:
1. P. W. N. M. Leeuwen. Homogeneous catalysis: understanding the art. Kluwer academic
publishers, New York, 2004, 407 p.
2. R.A. Sheldon. Atom efficiency and catalysis in organic synthesis. Pure Appl. Chem., 2000,
72 (7), 1233.
3. U. Heiz, U. Landman. Nanocatalysis. Springer, 2009, 503 p.
4. Metal-Catalyzed Cross-Coupling Reactions. Edited by A. de Meijere, F. Diederich, WileyVCH, 2004, 932 p.
5. E.M. Carreira, L. Kvaerno. Classics in stereoselective synthesis. Wiley-VCH, 2009, 632 p.
6. F. Joó. Aqueous organometallic catalysis. Kluwer academic publishers, New York, 2002, 305
p.
6.2. Программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
http://pubs.acs.org
http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/home
http://www.thieme-connect.com/ejournals/home
http://search.tandf.co.uk/results.asp
http://www.rsc.org/Publishing/Journals/articlefinder.asp
http://springer.metapress.com
7.
Вопросы для контроля
1. Классификация каталитических органических реакций.
2. Типы катализаторов, применяемых в органическом синтезе. Характеристика
гомогенных и гетерогенных катализаторов.
3. Асимметрическое каталитическое гидрирование олефинов.
4. Гидроборирование, гидроцианирование и гидроаминирование алкенов.
5. Метатезис алканов, алкенов, алкинов и циклоалкенов.
6. Металл-дикислородные интермедиаты в реакциях селективного окисления С-H
связей в углеводородах.
7. Реакции карбонилирования и карбоксилирования (промышленные процессы
синтеза).
8. Каталитические реакции формирования связей углерод-углерод и углеродгетероатом.
9. Каталитические реакции С-H–активации и функционализации алканов и аренов.
10. Стереоселективные реакции окисления (Нобелевская премия 2001 г., Б.
Шарплесс).
11. Методы
получения
и
основные
характеристики
гетерогенных
металлокомплексных катализаторов.
12. Гидрогенирование моно- и диоксида углерода.
13. Процесс Фишера-Тропша.
14. Катализ наночастицами. Сходства и различия с классическим гомогенным и
гетерогенным катализом.
15. Определение органокатализа. Основные классы органокатализаторов.
16. Реакции, катализируемые органокатализаторами.
17. "Клик-химия" – современный подход к поиску новых фармацевтических
препаратов.
18. С-Н–активация в синтезе природных соединений.
19. Промышленный каталитический синтез органических веществ.
8.
Критерии оценок
Экзамен
Превосходно
Превосходная подготовка с очень незначительными
погрешностями. Исчерпывающее и логически строгое
изложение всех разделов дисциплины. Владение материалом
позволяет быстро справится с видоизмененным заданием.
Успешное решение любых типов практических заданий.
Отлично
Подготовка, уровень которой существенно выше среднего с
некоторыми ошибками. Твердое знание всех разделов
дисциплины. Допускаются неточности, нарушения в
последовательности изложения материала. Владение
необходимыми приемами и способами решения практических
заданий.
Очень хорошо
Хорошая подготовка с рядом заметных недочетов. Твердое
знание основных разделов дисциплины. Владение
необходимыми приемами и способами решения основных типов
практических заданий.
Хорошо
В целом, хорошая подготовка, но со значительными ошибками.
Твердое знание основных разделов дисциплины. Владение
необходимыми приемами и способами решения практических
заданий.
Удовлетворительно
Подготовка, удовлетворяющая минимальным требованиям.
Знания основного одержания разделов дисциплины,
допускаются грубые неточности, неправильные формулировки,
нарушения в последовательности изложения материала.
Имеющихся знаний достаточно для освоения дисциплин
последующих курсов. Допускаются значительные ошибки при
выполнении практических заданий.
Неудовлетворительно Необходима дополнительная подготовка для успешного
прохождения испытания. Незнание значительной части
Плохо
основного содержания разделов дисциплины. Имеющихся
знаний недостаточно для освоения дисциплин последующих
курсов.
Подготовка совершенно недостаточная. Отсутствуют знания
большей части основного содержания разделов дисциплины.
Имеющихся знаний совершенно недостаточно для своения
дисциплин последующих курсов.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным
стандартом по направлению подготовки «Химия»
Автор программы _______________________ Малышева Ю.Б.
подпись
Программа рассмотрена на заседании кафедры 29 августа 2011 г. протокол № 1
Заведующий кафедрой _____________________ Додонов В.А.
подпись
Программа одобрена методической комиссией факультета 05 сентября 2011г.
протокол № 1
Председатель методической комиссии __________________Сулейманов Е.В.
подпись