Органическая химия. Способы синтеза и механизмы. (наименование курса)

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы
«Школа № 171»
Согласовано:
заместитель директора
_______________________
«_____»________20___г.
Программа дополнительного образования
Органическая химия. Способы синтеза и механизмы.
(наименование курса)
Срок реализации программы: 1 год
Возраст учащихся: 15-18 лет
Сосонюк Сергей Евгеньевич
(Ф.И.О. учителя, составившего рабочую учебную программу)
Москва, 2015 г.
1. Пояснительная записка
Целью данного факультатива является углубленное изучение органической химии. В
последние десятилетия наука сделала огромный рывок вперед, и разрыв между тем, что
изучают школьники общеобразовательных учебных заведений, и тем, что является
передовым краем науки, заметно вырос. Программы ВУЗов адаптируются к новым
реалиям, а значит, для их успешного усвоения необходимо уже в школе получить
дополнительные знания и навыки.
Факультатив проходит в виде семинарских занятий. В начале каждого занятия
преподаватель проводит небольшую вводную лекцию, объясняя новый материал. Затем
следует решение задач, в которых требуется использовать полученную информацию.
Поскольку факультатив проходит параллельно изучению основного курса, темы
факультативных занятий подбираются с учетом только что пройденного в школе.
Программа факультатива рассчитана на один учебный год. Занятия проходят два
раза в неделю, продолжительность каждого семинара – 2 академических часа. Контроль
усвоения материала проводится непосредственно на семинарах (решение учащимися
задач у доски). Кроме того, планируется проведение 2 олимпиад.
Темы факультатива можно разбить на две группы. В первую входят теоретические
вопросы, методы анализа и номенклатура. Целью этой части является получение
дополнительной информации: например, о современных методах анализа, основанных на
физико-химических методах исследования.
Вторая часть посвящена использованию различных реакций при решении
синтетических задач. Основной школьный курс органической химии ставит перед собой
задачу, как максимум, обеспечить поступление в ВУЗ. Но специфика вступительных
экзаменов такова, что основной упор в заданиях делается на расчетные задачи. Однако во
время изучения курса органической химии студенту потребуется скорее понимание
механизмов органических реакций и навык построения синтетических цепочек. На
семинарах по ходу решения конкретных синтетических задач обсуждаются также
механизмы ключевых стадий, что позволяет не только «поиграть» в синтез как в
конструктор, но и понять его логику.
Очевидно, что многие задачи, поставленные перед этим факультативом, слишком
сложны, чтобы всерьез говорить об их успешном решении за один год. Однако, кроме
навыков, которые школьник получит, закрепит и сможет в дальнейшем самостоятельно
использовать, он также придает уверенности при решении задач, похожих на
разобранные. Когда выпускник школы, обучавшийся по программе данного факультатива,
попадет в ВУЗ, то при более детальном изучении органических реакций у него будет
возникать «эффект узнавания», и сложные задачи, с которыми ему придется столкнуться,
не будут казаться особенно трудными.
1.1. Направленность образовательной программы
Предлагаемая программа относится к естественнонаучному циклу.
1.2. Новизна, актуальность, педагогическая целесообразность
Программа данного факультатива составлена автором специально для лицейских
классов школы 171 и не имеет аналогов. Актуальность данной программы заключается в
том, что при помощи полученных в результате ее освоения знаний и навыков учащиеся
знакомятся с логическим аппаратом, необходимым для понимания современной
органической химии. Целесообразность изучения данного материала заключается не
только в том, что ученики узнают часть материала программы ВУЗов, но и в том, что они
начинают лучше понимать, как и какие именно задачи им предстоит решать, если они
выберут для специализации данную область знаний.
1.3. Цель и задачи дополнительной образовательной программы
Таким образом, целью данного факультатива является создание у школьников
понимания современной органической химии как области знаний с собственной логикой,
позволяющей ориентироваться в бесконечном массиве фактических данных. Задачи,
которые он решает, следующие:
- более глубокое ознакомление с номенклатурой органических соединений как
способ классификации;
- знакомство с основами физико-химических методов анализа, без которых
немыслима современная органическая химия;
- знакомство с методом молекулярных орбиталей как способом описания строения
многоатомных молекул;
- изучение ряда синтетических приемов и общей логики их использования для
построения сложных органических молекул;
- использование механизмов химических превращений для предсказания их
селективности;
- умение предугадывать механизмы неизвестных химических реакций.
1.4. Отличительные особенности данной дополнительной образовательной программы от
уже существующих образовательных программ
В процессе изучения нового материала в рамках данной программы минимальное
время отводится на изложение нового материала учителем. Большая часть задач решается
школьниками самостоятельно на основе знаний, полученных из школьной программы.
Роль учителя сводится к тому, чтобы задать правильные вопросы и подсказками
подтолкнуть учащегося к решению.
1.5. Возраст детей, участвующих в реализации данной дополнительной образовательной
программы
Программа адресована ученикам старших классов школ с углубленным изучением химии.
Возраст детей, участвующих в реализации данной образовательной программы 15—18 лет
1.6. Сроки реализации дополнительной образовательной программы
Программа рассчитана на 1 год обучения, всего 72 часа.
1.7. Формы и режим занятий
Основной формой занятий является семинарская. Ряд тем разбирается в режиме
круглого стола или в виде конкурса, когда учащиеся разбиваются на несколько команд и
стараются решить поставленные перед ними задачи быстрее соперников.
1.8. Ожидаемые результаты и способы определения их результативности
Основным результатом работы должно стать умение учащихся
- видеть пути сборки сложных органических молекул;
- догадываться о возможном механизме превращения исходя из общих
представлений о реакционной способности органических соединений;
- определять строение неизвестных соединений по набору спектров.
Для определения результативности используются как занятия-конкурсы, на которых
учащиеся самостоятельно решают предложенные задания, соревнуясь друг с другом, так и
итоговые занятия-олимпиады, на которых предлагается решить ряд заданий повышенной
сложности.
1.9. Формы подведения итогов реализации
Для подведения итогов используется результат финальной олимпиады.
2. Учебно-тематический план
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Итого:
Номенклатура полициклических соединений и гетероциклов
Номенклатура пространственных изомеров. R/S номенклатура,
E/Z номенклатура. Проекции Фишера и D/L номенклатура.
Оптическая изомерия, не связанная с асимметрическим атомом
углерода
Строение органических соединений. Применение электронных
эффектов для описания их реакционной способности. Метод
молекулярных орбиталей. Применения метода МО на
качественном уровне
Основы физико-химических методов, используемых для
идентификации органических соединений. ИК, УФ, ЯМР, массспектрометрия, пакет программ ACDLabs.
Стерео- и региоселективность. Селективные синтезы на основе
алкенов с использованием реакций гидроборирования,
присоединения водорода, галогеноводородов и галогенов, бисгидроксилирования
Создание углеродного скелета алкилированием алкинов.
Окислительное сдваивание
Использование в синтезе реакции Дильса-Альдера
Метатезис олефинов
Реакции электрофильного и нуклеофильного замещения в
ароматическом кольце
Металлоорганические соединения. Получение, использование в
реакциях кросс-сочетания, в качестве оснований и нуклеофилов.
Способы введения дейтерия в молекулу органического
соединения
Стереоселективность нуклеофильного замещения и
элиминирования
Реактивы Виттига и Гриньяра как способ создания новых С-С
связей
Синтезы на основе ацетоуксусного и малонового эфиров
Реакция Михаэля и другие реакции нуклеофильного
присоединения к двойной углерод-углеродной связи
Защита карбонильной, спиртовой и амино-групп
Перегруппировки Вагнера-Мейервейна, Кляйзена, Гофмана,
Курциуса, Бекмана, реакция Байера-Виллигера
Синтез алициклических соединений
Синтез гетероциклов: синтез пиридина и пиррола по Ганчу,
синтезы пятичленных гетероциклов по Паалю-Кнорру, синтез
индолов по Фишеру
Олимпиады (две)
4 часа
4 часа
2 часа
6 часов
4 часа
2 часа
2 часа
2 часа
4 часа
4 часа
4 часа
2 часа
4 часа
4 часа
6 часов
2 часа
4 часа
4 часа
4 часа
4 часа
72 часа
3. Содержание программы
3.1. Номенклатура
3.1.1. Номенклатура органических соединений, содержащих асимметрический атом углерода и
несимметрично замещенную двойную связь (R/S и 3,2E/Z номенклатура). Правила Кана-ИнгольдаПрелога. Стереохимия соединений с несколькими асимметрическими центрами, проекции
Фишера.
3.1.2 Номенклатура полициклических соединений.
3.1.3. Номенклатура Ганча-Видмана для гетероциклов.
3.2. Метод молекулярных орбиталей.
3.2.1. Описание методом молекулярных орбиталей-систем.
3.2.2. Реакционной способности-систем в реакциях циклоприсоединения.
3.2.3. Молекулярные орбитали метана.
3.3 Физико-химические методы анализа.
3.3.1. Физические основы методов ЯМР-, ИК- и УФ-спектроскопии, а также масс-спектрометрии.
3.3.2. Решение задачи идентификации органического фещества по данным ИК- и ЯМРспектроскопии.
3.4. Синтетические методы и приемы.
3.4.1. Гидроборирование. Превращение боранов в алканы и спирты.
3.4.2. Алкилирование ацетиленидов. Смещение тройной связи в терминальное положение
(«ацетиленовая молния»). Окислительное сдваивание алкинов.
3.4.3. Син- и анти-гидроксилирование.
3.4.4. Введение дейтериевой метки в молекулу органического соединения (взаимодействие
карбанионов с дейтероводой, замена бора на дейтерий, замена ртути на дейтерий при
оксимеркурировании, присоединение дейтерия к кратным связям, электрофильное дейтерирование
ароматических соединений).
3.4.5. Реакция Дильса-Альдера.
3.4.6. Метатезис олефинов.
3.4.7. Реакции кросс-сочетания: реакции Хека, Сузуки и Соногаширы.
3.4.8. Сборка углеродного скелета органических молекул на основе реакций карбонильных
соединений. Присоединение реактивов Гриньяра. Реакция Виттига.
3.4.9. Получение и использование в синтезе енолятов. Конденсация Кляйзена. Синтезы на основе
малонового и ацетоуксусного эфиров. Реакция Михаэля.
3.4.10. Использование защитных групп для спиртовой, амино- и карбонильной групп.
3.4.11. Синтез алициклов с использованием ранее изученных реакций.
3.4.12. Синтез гетероциклических соединений. Получение пиридина по Ганчу, Синтез фурана,
пиррола и тиофена по Пааль-Кнорру. Синтез индлолов по Фишеру.
3.5. Механизмы химических реакций.
3.5.1. Четыре исключения из правила Марковникова (присоединение к алкенам, содержащим
акцепторный заместитель, присоединение бромоводорода по Харрашу, присоединение боранов,
присоединение хлоридов серы и иода).
3.5.2. Ацетилен-алленовая изомеризация.
3.5.3. Механизм металлокомплексного катализа на примере реакций метатезиса и кросс-сочетания.
3.5.4. Стереоселективность органических реакций на примере присоединения к алкенам
(гидрирование, галогенирование, гидроксилирование, гидроборирование), нуклеофильного
замещения и элиминирования.
3.5.5. Принцип ЖМКО на примере присоединения к ненасыщенным ,-карбонильным
соединениям.
3.5.6. Механизмы перегруппировок: Вагнера-Меервейна, Бекмана, Кляйзена, Гофмана, Курциуса,
синтез Арндта-Эйстерта, реакция Байера-Виллигера, синтез индолов по Фишеру.
4. Методическое обеспечение образовательной программы
Используемая литература:
1. И. И. Грандберг. Органическая химия. Москва, «Дрофа», 2004.
2. О. А. Реутов, А. Л. Курц, К. П. Бутин. Органическая химия. Москва, «Бином.
Лаборатория знаний», 2004.
3. Дж. Марч. Органическая химия. Москва, «Мир», 1987.
4. Ф. Кери, Р. Сандберг. Углубленный курс органической химии. Москва, «Химия»,
1981.
5. Дж. Джоуль, К. Миллс. Химия гетероциклических соединений. Москва, «Мир»,
2004.
6. http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/
http://www.acdlabs.com/iupac/nomenclature/
При изучении спектроскопии ЯМР используется пакет программ ACDLabs 12.0.
Для самостоятельной подготовки школьникам рекомендованы первые две книги из
списка. В качестве заданий используются адаптированные задания студенческих
контрольных работ, например, из задачника:
А.Л. Курц, М.В. Ливанцов, А.В. Чепраков, Л.И. Ливанцова, Г.С. Зайцева, М.М. Кабачник.
Задачи по органической химии с решениями. Москва, «Бином. Лаборатория знаний»,
2004.
Для обеспечения наглядности и доступности изучаемого материала используется
конструктор для создания шаростержневых моделей молекул.