Строение органических соединений

Курс лекций размещен на личной страничке лектора
Никитиной Евгении Валентиновны: http://weblocal.rudn.ru/web-local/prep/prep_1367/
Программа
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ для студентов 2-ого курса экологического факультета
Факультет физико-математических и естественных наук
Кафедра органической химии
Обязательный курс
Объём учебной нагрузки: 18 часов − лекции, 18 часов – лабораторные
работы
Цель курса
Ознакомление студентов с основами органической химии, базиса для
изучения последующих дисциплин: биохимии, микробиологии, экологии,
агрономии, молекулярной биологии, биотехнологии и других. В ходе лекций
излагаются принципы строения и классификация органических соединений,
обсуждаются их физические свойства, нахождение в природе, реакционная
способность, методы получения и применение в различных областях
народного хозяйства. Курс является естественным развитием знаний,
полученных обучающимися в ходе изучения курса неорганической химии.
Формирует общие принципы познания живой материи.
Содержание курса
Введение
Органическая химия - фундаментальный раздел естествознания,
изучающий природные и синтетические соединения углерода. Значение
органической химии как основы биологической химии, молекулярной
биологии и биотехнологии.
Значение
производства.
органической
Органические
химии
удобрения,
для
сельскохозяйственного
гербициды,
инсектициды,
фунгициды, акарициды, ретарданты, аттрактанты, репелленты и ростовые
вещества. Производство и применение в животноводстве белкововитаминного концентрата. Применение органических веществ в ветеринарии
и в переработке сельскохозяйственных продуктов.
Состав органических соединений. Способы их выделения, очистки и
анализа.
Строение органических соединений
Теория химического строения органических соединений А. М.
Бутлерова. Развитие теории химического строения. Принципы номенклатуры
в органической химии. Номенклатура ИЮПАК.
Классификация органических соединений по углеродному скелету и по
функциональным группам. Ряды и классы органических соединений.
Способы изображения органических молекул. Тетраэдрический атом
углерода. Электронное строение атомов углерода, азота и кислорода.
Валентное состояние атома углерода. Гибридизация орбиталей, δ- и π-связи.
Пространственное строение молекул с простыми и кратными связями.
Изомерия органических соединений. Структурная изомерия. Геометрическая
(цис-транс-) изомерия. Стереоизомерия. Строение хиральных молекул.
Оптическая активность.
Химические связи в органических соединениях. Ионная связь.
Ковалентная связь. Донорно-акцепторная и водородная связи. Физическая
природа
ковалентной
связи.
Электроотрицательность
элементов
и
полярность ковалентной связи.
Основные
принципы
реакционной
способности
органических
соединений. Классификация реакций в органической химии. Влияние
заместителей в молекуле. Индуктивный и мезомерный эффекты.
Реагирующие частицы в органических реакциях. Карбоанионы,
карбокатионы, радикалы. Понятие о механизме реакции. Кинетика реакции.
Переходное состояние, δ- и π-комплексы. Кислотность и основность
органических соединений.
Углеводороды
Алканы. Гомологические ряды. Характеристика физических свойств
членов
гомологического
ряда.
Изомерия
алканов.
Номенклатура
насыщенных углеводородов (алканов). Радикалы.
Способы
получения
алканов.
Химические
свойства
алканов.
Галоидирование, нитрование, сульфохлорирование - реакции радикального
замещения. Окисление алканов. Метан, этан, пропан.
Нефть и природный газ. Переработка нефти. Крекинг и пиролиз нефти.
Моторное топливо. Изооктан.
Алкены
(олефины).
Изомерия
и
номенклатура
алкенов.
Геометрическая (цис-транс-) изомерия алкенов. Способы получения
алкенов. Химические свойства алкенов. Реакции присоединения к олефинам
водорода,
галогенов
и
галогеноводородов.
Правило
Марковникова.
Механизм электрофильного присоединения. Радикальное присоединение в
присутствии
перекисей
(эффект
Хараша).
Окисление
алкенов.
Полимеризация. Полиэтилен, полипропилен. Этилен, пропилен.
Алкины (ацетиленовые углеводороды). Изомерия и номенклатура
алкинов. Способы получения. Химические свойства алкинов. Гидратация
ацетилена
(Кучеров).
галогеноводородов,
ацетиленидов
Присоединение
спиртов,
металлов.
к
карбоновых
Реакции
алкинам
кислот.
ацетилена
с
галогенов,
Образование
карбонильными
соединениями.
Диеновые
углеводороды.
Электронное
строение
системы
сопряженных двойных связей бутадиена (дивинила). Эффект сопряжения.
Особенности химических свойств сопряженных диеновых углеводородов:
1,2- и 1,4-присоединение. Полимеризация диеновых углеводородов.
Бутадиен, изопрен. Натуральный и синтетический каучуки.
Циклоалканы (алициклические углеводороды). Напряжённость циклов.
Циклопропан, циклогексан. Теория Байера. Конформации циклогексана
конформационный анализ.
Ароматические углеводороды. Бензол и его гомологи. Изомерия
замещенных бензолов. Источники получения ароматических соединений.
Физические свойства ароматических углеводородов. Электронное строение
молекулы бензола. Химические свойства ароматических углеводородов.
Электрофильное замещение водорода в бензольном ядре. Галоидирование,
нитрование
и
сульфирование
бензола.
Правила
ориентации
при
электрофильном замещении; орто-, пара- и мета-ориентанты и их влияние
на последующее замещение в бензольном ядре. Нитрование бензола и
толуола. Окисление бензола и его гомологов. Реакции присоединения по
кратным связям бензольного цикла: гидрирование и исчерпывающее
галоидирование бензола. Гексахлоран (инсектицид).
Конденсированные ароматические системы. Нафталин. Способы его
получения и свойства. Антрацен и фенантрен.
Производные углеводородов
Галогенопроизводные.
галогенопроизводных
Изомерия
насыщенных
и
и
ненасыщенных
номенклатура
углеводородов.
Физические свойства. Общие способы получения. Химические свойства
галогенозамещенных
парафиновых
и
олефиновых
углеводородов.
Полярность связи углерод - галоген. Замена галоидов на различные
функциональные группы. Реакции алкилирования. Магнийорганические
соединения.
Хлористый
этил,
хлористый
винил,
хлороформ,
йодоформ,
четыреххлористый углерод.
Галогенопроизводные ароматических углеводородов. Хлорбензол и
хлористый бензил. Условия введения галогена в бензольное кольцо и в
боковую цепь. Сравнение химической активности галогена, связанного с
углеродом бензольного кольца и углеродом боковой цепи.
Спирты и фенолы. Одноатомные спирты (алкоголи). Их изомерия и
номенклатура. Первичные, вторичные и третичные спирты. Общие способы
получения спиртов. Физические свойства спиртов. Химические свойства
спиртов. Полярность связей С-О и О-Н в спиртах. Реакция с участием атома
водорода гидроксильной группы: получение алкоголятов и сложных эфиров.
Реакции с участием гидроксильной группы; замена гидроксила на галоген,
дегидратация. Амфотерные свойства спиртов. Окисление спиртов.
Метиловый и этиловый спирты, способы их промышленного
получения и применение. Пропиловые, бутиловые, амиловые и высшие
спирты.
Простые эфиры. Получение диэтилового эфира из этилового спирта.
Свойства диэтилового эфира и его применение,
Двухатомные и трехатомные спирты. Этиленгликоль, его получение,
свойства и применение. Окись этилена и этиленхлоргидрин. Диоксан.
Глицерин. Природные глицериды. Получение глицерина. Свойства и
применение глицерина. Нитроглицерин.
Многоатомные спирты. Пентиты и гекситы; нахождение их в
растениях.
Фенолы
и
ароматические
спирты,
способы
их
получения.
Распределение электронной плотности в бензольном цикле фенола. Кислые
свойства фенола. Образование фенолятов. Влияние донорных и акцепторных
заместителей в бензольном кольце на кислотность фенола. Химические
свойства фенола. Алкилирование и ацилирование фенола по гидроксильной
группе. Реакции электрофильного замещения фенола. Бромирование и
нитрование фенола. Влияние гидроксильной группы на активность фенола в
реакциях электрофильного замещения. Фенолформальдегидные смолы.
Крезолы.
Применение
производных
хлорфенолов
в
качестве
гербицидов. Двухатомные фенолы. Пирокатехин, резорцин и гидрохинон.
Хиноны. Пирогаллол. Свойства и применение многоатомных фенолов.
Нафтолы.
Бензиловый спирт, способы получения и свойства.
Оксосоединения (карбонильные соединения). Строение карбонильной
группы. Номенклатура и изомерия альдегидов и кетонов. Методы получения
альдегидов и кетонов. Нуклеофильное присоединение к карбонильной
группе. Реакции замещения карбонильного кислорода на азот и галоген.
Реакции с участием водорода в α-положении к карбонильной группе.
Замещение
водородов
в
α-положении
на
галоген.
Галоформное
расщепление С−С связи. Альдольная и кротоновая конденсации.
Окисление альдегидов и кетонов. Формальдегид, ацетальдегид,
ацетон, хлоральгидрат.
Ароматические
оксосоединения.
Бензальдегид.
Ацетофенон,
бензофенон.
Хиноны. пара-Бензохинон. пара-Нафтохинон. Антиоксиданты.
Карбоновые кислоты и их производные. Строение карбоксильной
группы. Изомерия и номенклатура карбоновых кислот.
Общие способы получения и свойства карбоновых кислот. Нахождение
в природе. Муравьиная, уксусная и пропионовая кислоты. Способы их
получения. Применение пропионовой кислоты как консерванта овощей и
при силосовании. Масляная, валериановая, пальмитиновая и стеариновая
кислоты.
Одноосновные непредельные кислоты: акриловая, метакриловая,
кротоновая. Органическое стекло.
Двухосновные
кислоты:
щавелевая,
малоновая,
янтарная
и
адипиновая. Нахождение в природе, способы получения, свойства и
применение.
Непредельные двухосновные кислоты. Фумаровая и малеиновая
кислоты как пример геометрической цис-транс-изомерии. Олеиновая и
элаидиновая кислоты.
Производные кислот. Галоидангидриды и ангидриды кислот. Способы
их получения, свойства и применение. Хлористый ацетил. Уксусный
ангидрид. Реакция ацилирования.
Амиды кислот. Сложные эфиры. Природные жиры и масла как
глицериды высших жирных кислот. Распространение жиров в природе и их
значение. Гидролиз (омыление) жиров. Мыла. Гидрогенизация жиров.
Маргарин.
Ароматические
кислоты:
бензойная,
фталевая
и
терефталевая.
Синтетическое волокно лавсан (терилен).
Производные угольной кислоты. Амиды угольной кислоты. Мочевина
(карбамид). Ее синтез и биологическое значение. Свойства мочевины.
Применение мочевины как удобрения и в качестве добавки в корм
домашних животных, для синтеза гербицидов.
Амины. Классификация, изомерия и номенклатура аминов жирного
ряда. Первичные, вторичные и третичные амины. Основные свойства
аминов. Образование солей аминов и четвертичных аммониевых оснований.
Действие азотистой кислоты на первичные, вторичные и третичные
амины. Метиламин, диметиламин, триэтиламин, их получение и свойства.
Диамины: этилендиамин, путресцин, кадаверин, гексаметилендиамин.
Ароматические амины. Анилин. Методы его получения и свойства.
Галоидирование, сульфирование и ацетилирование анилина. Сульфаниловая
кислота и ее амид.
Вторичные и третичные амины: диметиланилин, дифениламин. Их
получение и свойства.
Ароматические диазосоединения. Реакция диазотирования первичных
ароматических аминов. Превращения диазосоединений с выделением азота
и без выделения азота. Получение азокрасителей.
Соединения со смешанными функциями
Аминоспирты. Этаноламин. Холин, ацетилхолин. Биогенные амины.
Дофамин, норадреналин и адреналин; их биологическое значение как
гормонов и нейромедиаторов.
Аминокислоты. Классификация, получение и свойства. Строение
аминокислот.
Биполярный
ион.
Изоэлектрическая
точка.
Реакции
аминокислот по карбоксильной группе и по аминогруппе. Специфические
реакции α-, β- и -аминокислот.
Глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Аспарагин и
глутамин. Аминокапроновая кислота.
Белковые вещества. Физические свойства белков. Специфические
реакции на белки. Гидролиз белков. Полипептиды. α-Аминокислоты как
структурный элемент молекул белков. Строение макромолекулы белков.
Полиамидные синтетические волокна: капрон, найлон.
Оксикислоты. Основность и атомность оксикислот.
Способы получения оксикислот. Общие и специфические свойства α-,
β- и -оксикислот. Гликолевая, молочная, яблочная, винная и лимонная
кислоты.
Оптическая изомерия. Хиральные молекулы. Асимметрический атом
углерода. Энантиомеры (оптические антиподы). Рацемические соединения.
Стереоизомерия молочной, яблочной и винной кислот. Работа Пастера по
разделению рацематов. D-винная кислота, нахождение в природе и ее
производные. Ароматические оксикислоты. Салициловая кислота. Аспирин и
салол.
Альдегидокислоты и кетокислоты
Строение и свойства глиоксиловой кислоты. Получение, строение и
свойства пировиноградной кислоты. Значение пировиноградной кислоты в
биологических процессах.
Углеводы
Углеводы
в
природе.
Фотосинтез.
Классификация
углеводов.
Моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Монозы. Альдозы и кетозы.
Пентозы и гексозы. Строение моносахаридов. Оптическая изометрия моноз,
Кольчато-цепная таутомерия моноз, α- и β-аномеры. Мутаротация. Реакции
моносахаридов по карбонильной группе, по оксигруппам и по гликозидному
гидроксилу.
Глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза, ксилоза, арабиноза, рибоза и
дезоксирибоза. Аскорбиновая кислота (витамин С).
Дисахариды, восстанавливающие и невосстанавливающие биозы.
Строение дисахаридов. Сахароза, мальтоза, лактоза и целлобиоза. Гидролиз
дисахаридов. Инверсия тростникового (свекловичного) сахара.
Полисахариды. Крахмал, инсулин, гликоген. Гидролиз крахмала.
Строение макромолекулы крахмала. Амилоза и амилопектин. Декстрины.
Строение и биологическое значение гликогена.
Целлюлоза. Хлопок. Строение целлюлозы. Гидролиз целлюлозы.
Эфиры целлюлозы. Нитроцеллюлоза и ацетилцеллюлоза. Вискоза.
Гетероциклические соединения
Ароматические пятичленные гетероциклы: тиофен, фуран и пиррол.
Синтез и свойства пиррола. Пирролидин. Индол. Природные производные
индола: скатол, триптофан. Рострегуляторы растений индолилускусная
(гетероауксин) и индолилмасляная кислоты. Индоксил и индиго.
Пиридин и изомерные пиколины. Ароматические свойства пиридина.
Никотиновая кислота и изоникотиновая кислота.
Перечень лабораторных работ
1. Техника безопасности при работе в химической лаборатории. Теория
химического строения органических соединений. Углеводороды. Алканы.
Гомологические ряды. Изомерия. Номенклатура.
2.
Алкены,
алкины.
Химические
и
физические
свойства.
Реакции
присоединения и замещения. Окисление углеводородов.
3. Диены.
4. Контрольная работа №1: Алканы, алкены, алкины, диены.
5. Бензол и его гомологи. Химические и физические свойства.
6.Галогенопроизводные.
7. Спирты, фенолы.
8. Контрольная работа №2: Арены, галогенопроизводные, спирты, фенолы.
9. Амины, основность аминов. Химические свойства. Альдегиды и кетоны.
Строение карбонильной группы. Реакции присоединения по карбонильной
группе.
10. Альдегиды и кетоны. Реакции по -положению оксосоединений.
11. Карбоновые кислоты и их производные.
12. Непредельные кислоты. Окси- и оксокислоты. оптическая изомерия
13. Контрольная работа №3: Амины, альдегиды, кетоны, карбоновые
кислоты.
14. Углеводы. Моносахариды, химические свойства.
16. Дисахариды.
17. Аминокислоты. Белки.
18. Контрольная работа №4 по темам: Углеводы. Аминокислоты.
Литература
Обязательная
1. Агрономов А.Е. “Избранные главы органической химии”, М., Химия, 1990.
2. Артеменко А.И. “Органическая химия”, М., Высшая школа, 1994.
3. Грандберг И.И. “Органическая химия”, М., Дрофа, 2002.
Дополнительная
1.
Простаков Н.С. “Начала органической химии”, М., РУДН, часть 1-3, 1993
г.
2.
Шабаров Ю.С. “Органическая химия”, М., Химия, 2000 г.
3. Ким А.М. “Органическая химия”, Новосибирск, Сибирское университетское
издательство, 2004 г.