Научные основы органического синтеза

1. Цели освоения модуля (дисциплины)
Цели освоения дисциплины: формирование у обучающихся знаний основных физикохимических закономерностей протекания органических реакций, их механизмов,
взаимосвязи структуры, свойств и реакционной способности органических веществ и
формирование компетенций, необходимых для управления химическим процессом
2. Место модуля (дисциплины) в структуре ООП
Дисциплина «Научные основы органического синтеза» относится к циклу М1.В.7 «Химия
и технология биологически активных веществ»
Дисциплине «Научные основы органического синтеза» предшествует освоение дисциплин
(ПРЕРЕКВИЗИТЫ):
 М1.В1.1. Инновационное развитие химической технологии органических веществ
 М1.В2.2. Основные методы исследования в органической химии
Содержание разделов дисциплины «Научные основы органического синтеза» согласовано
с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ):
 М1.В1.7.1 Экспериментальные и теоретические методы в тонком органическом
синтезе
 М1.В1.7.3 Промышленные методы получения лекарственных средств
Для полноценного усвоения данного курса необходимы знания, умения, навыки и
компетенции, приобретенные студентами на дисциплинах Общая и неорганическая
химия», «Органическая химия», «Физическая химия» на уровне бакалаврской подготовки.
Необходимый минимум знаний по указанным дисциплинам определяется при выполнении
входного тестирования на первом практическом занятии. В случае неудовлетворительного
результата входного контроля обучающийся получает рекомендации для восполнения
утраченных знаний.
3. Результаты освоения дисциплины (модуля)
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено на
формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т.ч. в
соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной
дисциплины
Результаты
Составляющие результатов обучения
обучения
Владение
(компетенци Код
Знания
Код
Умения
Код
опытом
и из ФГОС)
закономерност
проводить
методами
и протекания
оценку влияния
анализа
органических
заместителей на
конкретного
реакций;
реакционную
химического
З1. оценка влияния У1.
способность
Р1
В1. процесса (тип
заместителей;
субстратов с
реакции,
6
6
6
классификация
использованием
механизм
реакций и
корреляционных
реакции, роль
реагентов;
уравнений;
катализатора,
теория
устанавливать
влияние
гомогенного
тип химической
растворителя)
2
катализа
органических
реакции;
оценка влияния
растворителя,
основные типы
механизмов
органических
реакций
реакции;
выбирать
реагенты и
условия
протекания
реакции
В результате освоения дисциплины студентом должны быть достигнуты следующие
результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины (модуля)
№ п/п
РД1
РД2
РД3
РД4
Результат
Владение экспериментальными и теоретическими методами качественной
и количественной оценки влияния строения на реакционную способность
органических соединений
Знание основных типов механизмов органических реакций и методов их
изучения
Умение предсказывать качественное и количественное влияние
растворителей на скорость и равновесие химической реакции
Умение
осуществлять
квантово-химические
расчеты
структур
органических соединений и моделировать их свойства и реакционную
способность
4. Структура и содержание дисциплины
1. Раздел 1.
Введение. Энергетический профиль реакции, энтальпия, энтропия и энергия
Гиббса, переходные состояния. Постулат Хэммонда. Кинетический и
термодинамический контроль органических реакций. (2 ч.)
Темы практических занятий (4 ч):
1. Определение строения переходных состояний с использованием постулата
Хэммонда (2 ч)
2. Выбор между кинетическим либо термодинамическим контролем органических
реакций (2 ч)
2. Раздел 2.
Влияние строения на реакционную способность органических соединений. Принцип
линейного соотношения свободных энергий (ЛСЭ). Количественная оценка электронных
эффектов заместителей (индукционный, мезомерный эффекты) на реакционную
способность, уравнения Гаммета, Тафта, константы , , +, -. Использование уравнения
Гаммета для интерпретации механизмов органических реакций. Теории кислот и
оснований (2 ч.)
Темы практических занятий (6 ч):
1. Составление корреляционных уравнений, связывающих влияния заместителей на
скорости и равновесия органических реакций (4 ч)
2. Интерпретация механизмов органических реакций на основе корреляционных
уравнений Гаммета (2 ч)
Перечень лабораторных работ по разделу (4 ч.):
3
1. Вычисление величин  органических реакций (2 ч.)
2. Вычисления констант скоростей и равновесий химических реакций с использованием
величин , +, -. и . (2 ч.)
Темы практических занятий:
3. Раздел 3.
Основные механизмы реакций, используемые в органическом синтезе. Качественные и
количественные влияния растворителей на протекание органических реакций:
сольватация, специфические и неспецифические межмолекулярные взаимодействия,
теория Хьюза-Ингольда. Классификация растворителей. (2 ч)
Темы практических занятий (10 ч)
1. Механизмы реакций нуклеофильного замещения (2 ч)
2. Механизмы реакций электрофильного замещения и присоединения (2 ч)
3. Механизмы реакций нуклеофильного ароматического замещения (2 ч)
4. Механизмы гомогенного катализа органических реакций (2 ч)
5. Механизмы межфазового и гетерогенного катализа органических реакций (2 ч)
Перечень лабораторных работ по разделу (4 ч.):
1. Предсказания механизмов реакций на основании знаков и абсолютных величин
констант . (2 ч.)
2. Вычисления качественных и количественных влияний растворителей на скорости и
равновесие органических реакций с использованием теории Хьюза-Ингольда,
эмпирических параметров растворителей, констант нуклеофильности и электрофильности
реагентов. (2 ч.)
4. Раздел 4.
Применение неэмпирических и полуэмпирических квантово-химических методов расчета
структуры и свойств органических соединений и параметров реакций (2 ч)
Перечень лабораторных работ по разделу (6 ч.):
1. Основные принципы теории МО. (2 ч)
2. Полуэмпирические методы квантово-химических расчетов (2 ч)
3. Методы функционала плотности и неэмпирические методы квантово-химических
расчетов (2 ч)
Перечень лабораторных работ по разделу (8 ч):
1. Основы работы программ Hyper Chem, Gaussian и GaussView (2 ч.)
2. Вычисления термодинамических и спектральных свойств органических
соединений с использованием неэмпирических и полуэмпирических квантовохимических методов (2 ч)
3. Вычисления структур и свободных энергий переходных состояний органических
реакций (4 ч)
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую проблемноориентированную самостоятельную работу (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие
практических умений и включает:
4
Поиск и перевод иностранных научных статей по прорабатываемым в
дисциплине темам с использованием баз данных SciDirect и Reaxys
● Проработка лекционного материала, составлении конспекта лекций по темам,
вынесенным на самостоятельное изучение;
● Подготовка к лабораторным и практическим занятиям
Творческая самостоятельная работа включает:
● Составление рефератов и презентаций по выданным преподавателем темам
● Составление рефератов и презентаций по результатам самостоятельного
литературного поиска зарубежных статей по темам дисциплины
● Выполнение КП.
●
6.3. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом: на
практических занятиях (в форме ответ-вопрос) и на лабораторных занятиях во время
защиты лабораторной работы. Оценка результатов проработкой лекционного материала и
самостоятельной изучения отдельных тем осуществляется во время промежуточного
контроля (контрольные работы).
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения
дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих
контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия
Результаты
обучения по
дисциплине
Защита ЛР, зачет
ИДЗ, зачет
Защита ЛР, зачет
Защита КП, зачет
РД1
РД2
РД3
РД4
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих
мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств):
Входной контроль
Билет №1
1.
2.
3.
Каковы основные отличия механизмов реакция SN1и SN2 ?
Основные типы интермедиатов органических реакций ?
Характеристики электронных эффектов органических функциональных групп .
Задания на экзамен
Билет №1
1. Предложите механизм следующей реакции и дайте возможные методы их доказательств
Cl
CH3ONa
COOCH3
CH3OH
O
O
O
2. N,N–Диметиланилин является очень реакционноспособным ароматическим соединением и реагирует
даже со слабыми электрофилами – нитрозо-катион, диазоний-катион. Объясните, почему орто-замещение
N,N–диметиланилина любыми заместителями резко снижает активность ?
5
3. Какая реакция в каждой паре будет протекать быстрее ?
а) сольволиз в 80%-ном EtOH
б) сольволиз в 100% EtOH
в) сольволиз в AcOH
ИДЗ, Билет № 1
Предложите механизмы следующей реакции и методы их доказательств.
Cl
CH3ONa
COOCH3
CH3OH
O
O
O
Курсовой проект
Цель: научиться анализировать и излагать основное содержание современных публикаций
в области органической химии и органического синтеза (Пока не научимся излагать – не
сможем писать !)
Условия и содержание реферата:
1. Объем – не более 2 страниц
2. Порядок изложения
а) Актуальность темы статьи (желательно ознакомится с приведенными в статье
ссылками)
б) Цель
в) Используемые для достижения цели методы
г) Полученные результаты
д) Заключения, выводы (что доказано, предположено, получено, какую ценность
работа представляет для органической химии, чего не удалось доказать)
3. К реферату можно давать приложение с реакциями, ссылками на другие
работы, высказыванием альтернативных гипотез и предложений
8. Рейтинг качества освоения дисциплины (модуля)
6
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации
обучающихся осуществляется
в соответствии с «Руководящими материалами по
текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой аттестации студентов
Томского политехнического университета», утвержденными приказом ректора № 77/од от
29.11.2011 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
 текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы
на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач,
выполнение заданий, решение проблем и др.) производится в течение семестра
(оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра
студент должен набрать не менее 33 баллов);
 промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце семестра
(оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене (зачете) студент
должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных
в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг
соответствует 100 баллам.
В соответствии с «Календарным планом выполнения курсового проекта (работы)»:
 текущая аттестация (оценка качества выполнения разделов и др.) производится в
течение семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), к моменту
завершения семестра студент должен набрать не менее 22 баллов);
 промежуточная аттестация (защита проекта (работы)) производится в конце
семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), по результатам защиты
студент должен набрать не менее 33 баллов).
Итоговый рейтинг выполнения курсового проекта (работы) определяется
суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций.
Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Курц А.Л., Ливанцов М.В., Чепраков А.В. Задачи по органической химии с решениями.
Москва: Изд. «Бином. Лаборатория знаний», 2013. -350с. – ISBN 978-5-9963-2227-5. Схема
доступа http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=3157
2. Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия. Москва: Изд. «Бином.
Лаборатория знаний», 2013. -726с. – ISBN 978-5-9963-2276-3. Схема доступа
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=3155
3. Смит В.А., Дильман А.Д. Основы современного органического синтеза. Москва: Изд.
«Бином. Лаборатория знаний», 2012. -750с. – ISBN 978-5-9963-0807-1. Схема доступа
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=3171
Дополнительная литература:
1. Марч, Д. Органическая химия. Реакции, механизмы и структура : Углубленный курс
для университетов и химических вузов : В 4-х томах : пер. с англ. / Д. Марч / Д. Марч; Под
ред. И. П. Белецкой. — Москва: Мир, 1987-. — Доп. тит. лист. Схема доступа
http://opac.lib.tpu.ru/catalogue/search_advanced.html?startRecord=1&recordSchema=marcxml
&query=dc.creator+%3D+%22%D0%9C%D0%B0%D1%80%D1%87%22
2. Сайкс, П. Механизмы реакций в органической химии : Вводный курс : пер. с англ. / П.
Сайкс. — Москва: Химия, 2000. — 172 с.: ил.. — Для высшей школы. — ISBN 5-72451094-4.
Схема
доступа
http://opac.lib.tpu.ru/catalogue/document/?query=rec.id%3D%22RU%5CTPU%5Cbook%5C14
804%22&mode=extended
7
3. Ли, Д. Д. Именные реакции. Механизмы органических реакций : пер. с англ. / Дж. Ли.
— Москва: Бином ЛЗ, 2006. — 456 с.: ил.. — Библиогр. в тексте. — Именной указатель: с.
434-436. — Предм. указ.: с. 437-447.. — ISBN 5-94774-368-X. Схема доступа
http://opac.lib.tpu.ru/catalogue/document/?query=rec.id%3D%22RU%5CTPU%5Cbook%5C19
7255%22&mode=extended
4.Advanced
Organic
Chemistry
–
MIT
OpenCourseWare,
2014
http://ocw.mit.edu/courses/chemistry/5-43-advanced-organic-chemistry-spring-2007/index.htm
5. Carey F., Sundberg R. J. Advanced Organic Chemistry. Part A: Structure and Mechanisms.
Springer
Ed.
2007
–
1203
p.
Схема
доступа
http://www.springer.com/chemistry/organic+chemistry/book/978-0-387-44897-8
Internet–ресурсы (в т.ч. Перечень мировых библиотечных ресурсов):
1.Science-direct: http://elsevierscience.ru/products/science-direct/
2. Reaxys: http://elsevierscience.ru/products/reaxys/
3. Ресурсы Американского химического общества http://pubs.acs.org/
4. Ресурсы The Royal Society of Chemistry http://www.rsc.org/
Используемое программное обеспечение:
1.
Hyper Chem 8.0.7
2.
Gaussian98
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Указывается материально-техническое обеспечение дисциплины:
технические средства, лабораторное оборудование и др.
№
п/п
1
2
Наименование (компьютерные классы, учебные
лаборатории, оборудование)
Корпус, ауд.,
количество
установок
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием
2 к, 307А,
Компьютерный класс. Каждый персональный компьютер 2 к. 310 ауд.
оборудован специализированными программами и имеет
выход в Internet.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки 18.04.01
«Химическая технология».
Программа одобрена на заседании кафедры БИОХ
(протокол № 17 от «19» июня 2015 г.).
Автор(ы) ______________Ф.Д. Филимонов
Рецензент(ы) ___________Е.А. Краснокутская
8