Учебно-методическое объединение вузов РБ по естественнонаучному образованию

Учебно-методическое объединение вузов РБ по экологическому образованию
УТВЕРЖДАЮ

Первый заместитель Министра образования

Республики Беларусь

________________ А.И. Жук

1-31 01 01 Биология;

1-33 01 01 Биоэкология

Аркадий Петрович Ельницкий, профессор кафедры органической химии Белорусского государственного университета, кандидат химических наук, доцент;

Кафедра органической химии Учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет»;

Федор Федорович Лахвич, заведующий кафедрой химии Учреждения образования «Белорусский государственный педагогический университет имени М. Танка, кандидат химических наук, доцент.

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ:

Кафедрой органической химии Белорусского государственного университета

(протокол № 2 от 6 октября 2008 г.);
Научно-методическим советом Белорусского государственного университета

(протокол № 1 от 01 декабря 2008 г.);

Учебно-методического объединения вузов РБ по естественнонаучному

Образованию (протокол № 6 от 23 декабря 2008 г.);
Научно-методическим советом по специальностям 1-33 01 01 Биоэкология и
1-33 01 02 Геоэкология Учебно-методического объединения вузов РБ по

экологическому образованию (протокол № 5 от 23 декабря 2008 г.).

Ответственный за редакцию: Аркадий Петрович Ельницкий.

Ответственный за выпуск: Аркадий Петрович Ельницкий.

Органическая химия относится к блоку фундаментальных научных дисциплин химического цикла для биологических специальностей университета. Целью курса является освоение студентами тех знаний и представлений по органической химии, на основе которых базируются научные представления о строении биомолекул и механизмах биохимический процессов.

Типовая программа составлена на основе требований образовательного стандарта в соответствии с современным методологическим и научным содержанием курса органической химии, с учетом опыта его преподавания в ведущих вузах ближнего и дальнего зарубежья.
Основными целями изучения органической химии являются:

1. 
   Знакомство с внутренней логикой органической химии как науки; формирование представлений о механизмах органических реакций.
   
2. 
   Изучение основных классов органических соединений; формирование представлений о связи реакционной способности органических молекул с их строением.
   
3. 
   Изучение закономерностей взаимодействия различных органических веществ с объектами окружающей среды, их физиологического и фармакологического действия, биологической роли, применения в практической деятельности человека; формирование представлений об экологических проблемах, связанных с использованием органических веществ.
   

• 
  основные понятия органической химии;
  
• 
  основные свойства важнейших классов органических соединений и их применение;
  
• 
  механизмы основные органических реакций;
  
• 
  основные методы химической и спектральной идентификации органических веществ;
  
• 
  основные приемы работы в лаборатории органической химии
  

• 
  изображать строение типичных представителей классов органических соединений по названию и называть их по структурным формулам на основе знания принципов номенклатуры и изомерии;
  
• 
  выделять в молекуле реакционные центры, прогнозировать поведение органического соединения в конкретных условиях, исходя из его структуры и знания типичной реакционной способности функциональных групп;
  
• 
  проводить простой химический эксперимент по синтезу, выделению, очистке и химической идентификации вещества;
  
• 
  оформлять отчеты лабораторных работ.
  

Межпредметные связи: изучение дисциплины базируется на понятиях общей и неорганической химии, а знания, умения и навыки, приобретенные студентами в результате изучения органической химии, необходимы для успешного освоения ими биохимии, генетики, молекулярной биологии и других дисциплин биологического цикла.

Преподавание курса проводится по модульному принципу с выделением пяти основных модулей (блоков):

1. 
   Введение: основные понятия органической химии; строение и реакционная способность органических соединений; методы исследования строения органических соединений.
   
2. 
   Углеводороды;
   
3. 
   Гомофункциональные соединения.
   
4. 
   Гетерофункциональные соединения.
   
5. 
   Гетероциклические соединения.
   

В связи с современной тенденцией к уменьшению числа аудиторных занятий (лекций) и увеличению роли самостоятельной работы студентов некоторые вопросы программы (они выделены курсивом) могут быть предложены студентам для самостоятельного рассмотрения либо вынесены на лабораторные занятия. Их перечень может меняться в зависимости от обеспеченности отдельных разделов учебной и учебно-методической литературой.

Лабораторные занятия предусматривают приобретение начальных навыков проведения химического эксперимента по синтезу, выделению, очистке и химической идентификации органического вещества.

Эффективность работы студентов целесообразно проверять в ходе текущего и итогового контроля знаний в форме письменного и устного опроса, коллоквиумов, тестового компьютерного контроля по темам и разделам курса (модулям). Для общей оценки качества усвоения студентами учебного материала рекомендуется использование рейтинговой системы.

Программа курса рассчитана максимально на 232 часа, в том числе 100 часов аудиторных: 44 – лекционных, 56 – лабораторных занятий.

ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Состав органических веществ, элементы-органогены. Многообразие органических веществ. Место органической химии в системе естественных наук. Источники органических соединений.

Формирование и основные положения теории строения органических соединений (А.М. Бутлеров, А.Кекуле, А.Купер). Валентность. Основные типы

структурных фрагментов органических молекул: простые и кратные связи, углеродные цепи и циклы, функциональные группы. Структурные формулы как средство отображения строения органических соединений.

Основные признаки классификации: скелет молекулы, степень насыщенности, наличие функциональных групп. Основные классы органических веществ.

Тривиальные и систематические названия органических соединений. Заместительная номенклатура IUPAC, основные принципы построения названий органических соединений. Родоначальная структура, характеристические группы. Названия функциональных групп, нефункциональных заместителей, насыщенных и ненасыщенных углеводородных групп. Старшинство функциональных групп. Принципы радикало-функциональной номенклатуры.

Типы изомерии: структурная и пространственная. Способы изображения пространственного строения молекул: перспективные (клиновидные) проекции, "лесопильные козлы", проекции Ньюмена, Фишера: принципы построения и правила пользования ими.

Конформации, конформеры. Заслоненная, заторможенная, скошенная конформации. Асимметрический атом углерода. Энантиомеры (оптические антиподы). Понятие об оптической активности и хиральности. Рацематы. Принципы R-, S-номенклатуры; D- и L-ряды. Стереоизомерия соединений с двумя асимметрическими атомами. Диастереомеры. Эритро- и трео-изомеры. Мезо-формы. Пространственная изомерия алкенов: цис-, транс- и Z-, E-номенклатуры.
1.5. Электронное строение и реакционная способность органических соединений.

Типы связей в молекулах органических соединений. σ- и π-связи. Гибридизация, понятие о молекулярных орбиталях.

Представление о механизмах реакций. Гомо- и гетеролитический разрыв связей. Представление о промежуточных частицах: радикалы, карбокатионы, карбанионы. Классификация реагентов: радикалы, нуклеофилы, электрофилы. Энергетический профиль реакции; энергетический барьер реакции, энергия активации, энергия переходного состояния, тепловой эффект реакции. Кинетический и термодинамический контроль.

Кислоты и основания (Бренстед, Льюис). Сопряженные кислоты и основания. Кислотно-основные равновесия. Константа кислотной ионизации и ее показатель (рК_а).

Взаимное влияние атомов в молекулах, ионах, радикалах. Электронные и пространственные эффекты в органических реакциях (индуктивный эффект, эффект поля, мезомерный эффект, гиперконьюгация).

Химические свойства алканов. Общие представления о механизме цепных радикальных реакций замещения в алканах (на примере реакции галогенирования). Алкильные радикалы и факторы, определяющие их относительную стабильность. Сравнение региоселективности реакций хлорирования и бромирования.

Пути использования алканов.
2.2. Алкены. Номенклатура. Структурная и пространственная изомерия. Электронное строение, sp²-гибридизация. Физические свойства алкенов.

Общие представления о реакционной способности алкенов. Каталитическое гидрирование, проявление относительной стабильности структурных и пространственных изомеров алкенов.

Реакции электрофильного присоединения к двойной связи алкенов, их механизмы. Реакции присоединения галогенов, галогеноводородов (гидрогалогенирование), воды (гидратация). Направление присоединения. Правило Марковникова и его объяснение. Алкильные катионы и факторы, определяющие их относительную стабильность. Перегруппировки карбокатионов. Представление о стереохимии присоединения галогенов.

Реакции радикального присоединения (присоединение бромоводорода по Харашу).

Реакции окисления алкенов по С=С связи: цис-дигидроксилирование (перманганатом калия по Вагнеру, тетраоксидом осмия), эпоксидирование (по Прилежаеву). Окислительное расщепление алкенов (восстановительный и окислительный озонолиз), использование для определения структуры.

Гидроборирование алкенов и использование в синтезе спиртов.

Полимеризация алкенов как важнейший метод получения высокомолекулярных соединений. Полиэтилен, полипропилен. Понятие о стереорегулярных полимерах.

Аллильное хлорирование алкенов, механизм. Аллильный радикал. Окисление алкенов кислородом воздуха (пероксидное окисление).

Сопряженные диены (1,3-бутадиен и изопрен). Сопряжение двойных связей (,-сопряжение) и реакции электрофильного присоединения. 1,2- и 1,4-присоединение. Аллильный катион. Диеновый синтез (реакция Дильса-Альдера), представление о механизме реакции.

Изопреновое звено в природных соединениях. Понятие об изопреноидах. Каучук. Синтетические каучуки.
2.4. Алкины. Номенклатура. Электронное строение, sp-гибридизация. Физические свойства алкинов.

Восстановление тройной связи до двойной: каталитическое гидрирование и восстановление натрием в жидком аммиаке, использование в синтезе (Z)- и (E)-алкенов.

Реакции электрофильного присоединения к тройной связи алкинов. Галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация (реакция Кучерова) и родственные реакции.

Кислотность ацетилена и терминальных алкинов. Получение ацетиленидов металлов и их взаимодействие с галогеналканами и с карбонильными соединениями.

Димеризация, тримеризация ацетилена. Полиацетилен.
2.5. Алициклические углеводороды (циклоалканы). Классификация и номенклатура, структурная изомерия. Пространственное строение циклоалканов. Конформации циклогексана и его производных, экваториальные и аксиальные связи, пространственная изомерия производных циклогексана.

Типы напряжений в циклах. Химические свойства циклобутана, циклопентана и циклогексана. Особенности свойств циклопропана.
2.6. Ароматические углеводороды (арены). Классификация и номенклатура аренов. Природа связей в молекуле бензола. Ароматичность, критерии ароматичности. Правило Хюккеля. Небензоидные ароматические системы: циклопропенилий- и тропилий-катионы, циклопентадиенильный анион, азулен.

Реакции электрофильного замещения в бензоле (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование), Представление о механизме реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду. - и -комплексы. Влияние заместителей в бензольном кольце на изомерный состав продуктов и скорость реакции. Активирующие и дезактивирующие заместители. Орто-, пара- и мета-ориентанты.

Реакции радикального замещения и окисления в боковой цепи. Причины устойчивости бензильных радикалов.

Конденсированные ароматические углеводороды: нафталин, антрацен, фенантрен, бензпирен, их структурные фрагменты в природных и биологически активных веществах (стероидов, алкалоидов, антибиотиков).
III. Гомофункциональные соединения
3.1. Галогенпроизводные углеводородов.

Классификация, номенклатура, изомерия галогенуглеводородов.

Реакции нуклеофильного замещения атома галогена, их использование в синтезе органических соединений различных классов (спиртов, простых и сложных эфиров, аминов, тиолов и сульфидов, нитроалканов, нитрилов). Представление об идеализированных механизмах S_N1 и S_N2. Кинетика, стереохимия реакций. Влияние природы субстрата, реагента и растворителя на скорость реакции S_N1 и S_N2-типов.

Соединения с повышенной подвижностью атома галогена. Аллил- и бензилгалогениды, стабилизированные карбокатионы (аллильный и бензильный).

Соединения с пониженной подвижностью атома галогена. Винилхлорид и хлорбензол. Активированные галогенарены и механизм присоединения-отщепления, анионные комплексы (Мейзенгеймера).

Реакции элиминирования галогеноводорода. Механизм Е2. Правило Зайцева.

Литий- и магнийорганические соединения и их использование в органическом синтезе.

Биологическое действие галогенпроизводных, их применение в народном хозяйстве. Хлороформ, иодоформ, перфторуглеводороды, перфторполиэтилен (тефлон). Инсектициды.
3.2. Спирты, фенолы, простые эфиры.

Одноатомные спирты. Номенклатура, изомерия. Электронное строение. Физические свойства спиртов, роль водородной связи.

Химические свойства спиртов: кислотно-основные свойства. Алкоголяты металлов, их основные и нуклеофильные свойства.

Реакции нуклеофильного замещения с участием спиртов. Активация гидроксигруппы протонными кислотами и кислотами Льюиса, превращение в эфиры серной, фосфорной, ди- и трифосфорной кислот (сульфаты, фосфаты, пирофосфаты, трифосфаты), сульфокислот (тозилаты и мезилаты). Диметилсульфат как метилирующий агент.

Биологически важные реакции нуклеофильного замещения с участием эфиров фосфорных кислот.

Внутри- и межмолекулярная дегидратация спиртов (образование алкенов и простых эфиров).

Окисление первичных и вторичных спиртов.

Многоатомные спирты (диолы и полиолы). Этиленгликоль, глицерин, пентаэритрит, инозит. Химические свойства 1,2-диолов. Кислотность, образование хелатных комплексов, окислительное расщепление 1,2-диолов (йодной кислотой). Образование циклических простых эфиров. Эфиры многоатомных спиртов и азотной кислоты.

Фенолы. Номенклатура и изомерия. Простейшие представители: фенол, крезолы, пирокатехин, резорцин, гидрохинон, флороглюцин, пирогаллол. Электронное строение фенола. Кислотность фенолов.

Образование простых и сложных эфиров фенолов.

Реакции электрофильного замещения в ряду фенолов (галогенирование, сульфирование, нитрование, алкилирование). Пикриновая кислота. Карбоксилирование фенолятов щелочных металлов (реакция Кольбе).

Окисление фенолов. Хиноны и их биологическая роль. Фенольные антиоксиданты и механизм их действия. Фенольные соединения в природе. Витамин Е. Флавоноиды.

Классификация, номенклатура и изомерия. Алифатические и ароматические амины, первичные, вторичные и третичные амины.

Электронное строение. Роль неподеленной электронной пары азота в проявлении основных и нуклеофильных свойств алкил- и ариламинов. Реакции ацилирования и алкилирования аминов. Аммониевые соли.

Особенности свойств ариламинов. Реакции электрофильного замещения в бензольном ядре ариламинов и их производных. Реакции диазотирования, соли арилдиазония. Реакции солей арилдиазония с выделением азота (замещение диазогруппы) и без выделения азота (азосочетание). Азокрасители.

Классификация, номенклатура и изомерия карбонильных соединений.

Строение карбонильной группы в альдегидах и кетонах и реакции нуклеофильного присоединения. Общие представления о механизме этих реакций, кислотный и основный катализ. Реакции с С-нуклеофилами (реактивами Гриньяра, циановодородом). Реакции с гетеронуклеофилами: присоединение воды и спиртов, образование ацеталей. Реакции карбонильных соединений с аммиаком, аминами и родственными соединениями и строение образующихся продуктов. Имины, оксимы, гидразоны, семикарбазоны, 2,4-динитрофенилгидразоны. Роль иминов в биохимических процессах.

Стереохимия присоединения к карбонильной группе. Энантиотопные и диастереотопные стороны.

СН-Кислотность карбонильных соединений и кето-енольная таутомерия. Реакции енольных форм: -галогенирование, галоформное расщепление, изотопный обмен водорода. Альдольно-кротоновая конденсация, кислотный и основный катализ. Альдоли и ,-непредельные карбонильные соединения.

Взаимодействие неенолизирующихся альдегидов со щелочами (реакция Канниццаро). Бензоиновая конденсация.

Реакции окисления и восстановления карбонильных соединений.
3.6. Карбоновые кислоты и их производные.

Монокарбоновые кислоты. Номенклатура. Строение карбоксильной группы и карбоксилат-иона. Кислотность карбоновых кислот. Производные карбоновых кислот: сложные эфиры и тиоэфиры (S-эфиры карбоновых кислот), галогенангидриды, ангидриды, амиды, нитрилы, их получение и взаимопревращения. Реакции ацилирования. Общие представления о механизме присоединения-отщепления. Механизм реакций этерификации, аминирования. Кислотный и щелочной гидролиз сложных эфиров и амидов.

Реакции восстановления карбоновых кислот и их производных.

Сложноэфирная конденсация и ее механизм. Ацетоуксусный эфир: кето-енольная таутомерия, реакции по карбонильной группе и по активированному метиленовому звену.

Жирные кислоты, важнейшие представители (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая). Жиры, сложные липиды (фосфатидовая кислота и ее производные), мыла.

Ненасыщенные карбоновые кислоты: акриловая, метакриловая, полимеры на их основе.

Дикарбоновые кислоты. Основные представители: щавелевая, малоновая, адипиновая, фталевые кислоты. Фумаровая и малеиновая кислоты.

Синтезы на основе малонового эфира. Малонилкофермент А и синтез жирных кислот в организме. Полиэфирные волокна на основе терефталевой и адипиновой кислот.

Моносахариды (рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза). Стереохимия моносахаридов, D- и L-ряды. Кольчато-цепная таутомерия. Пиранозные и фуранозные формы. a- и b-аномеры. Мутаротация. Эпимеризация.

Гликозиды. Особые свойства гликозидного гидроксила. Реакции окисления и восстановления глюкозы. Глюконовая, глюкаровая и глюкуроновая кислоты. Глюцит (сорбит), ксилит. Реакции алкилирования и ацилирования моносахаридов.

Аскорбиновая кислота (витамин С).

Дисахариды и их типы (восстанавливающие и невосстанавливающие). Сахароза, лактоза, мальтоза, целлобиоза.

Полисахариды (крахмал, целлюлоза, хитин, гликоген).

Биологическая роль и распространенность углеводов.
4.2. Гидроксикарбоновые кислоты.

Молочная, яблочная, лимонная, винные кислоты. Стереохимия a-гидроксикарбоновых кислот. Дегидратация -, - и -оксикислот. Лактиды. Лактоны.

Фенолокарбоновые кислоты. Салициловая кислота и ее производные. Ацетилсалициловая кислота.
4.3. Аминокислоты.

Классификация аминокислот. Основные представители природных a-аминокислот, их стереохимия. Свойства аминокислот: амфотерность, изоэлектрическая точка. Реакции по карбоксильной и аминогруппе. Отношение к нагреванию. Лактамы. Дикетопиперазины. Пептидная связь. Синтез пептидов: активация и защита функциональных групп аминокислот. Белки, их строение и биологическая роль

1) Органическая химия: Учебник для вузов в 2 кн.(Под ред. Н.А. Тюкавкиной) − М.: Дрофа, 2002, 2008.

4) Райлс А., Смит К., Уорд Р. Основы органической химии. Пер. с англ. − М.: Мир, 1982.

Дополнительная:

1) Ельницкий А. П. Номенклатура органических соединений. Сборник упражнений. − Минск: «Сэр-Вит», 2003.

2) Ельницкий А. П., Ильина Н. А, Козырьков Ю. Ю., Матюшенков Е. А., Бубель О. Н, Шевчук Т. А., Асташко Д. А., Райман М. В.. Задачи и упражнения по органической химии, ч.1. − Минск: БГУ, 2007.

3) Тюкавкина Н.А., Бауков Ю. И. Биоорганическая химия. − М.: Медицина. 1991.

4) Тейлор Г. Основы органической химии. Пер. с англ. − М.: Мир, 1989

5) Вайзман Ф., Основы органической химии, СП6, 1995.

6) Сайкс П., Механизмы реакций в органической химии, Пер. с англ. − М.: Химия, 1991.