rp_metody_organicheskogo_sinteza

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет
Имени Н.Г. Чернышевского»
ИНСТИТУТ ХИМИИ
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической
Работе, д.ф.н., профессор Е.Г. Елина
___________________________
«___» ________________ 2011г.
Рабочая программа дисциплины
Методы синтеза химических веществ
Модуль «Методы органического синтеза»
Направление подготовки
050100 Педагогическое образование
Профиль подготовки
Химия
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
Очная
Саратов, 2011
1. Целью освоения модуля дисциплины является формирование навыков
самостоятельной экспериментальной работы, освоение методов и техники синтеза
органических веществ; закрепление, углубление и расширение теоретических знаний,
практических умений и навыков студентов по органической химии.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата. Дисциплина «Методы
синтеза химических веществ» относится к вариативной части цикла специальных
дисциплин.
Для освоения модуля «Методы органического синтеза» дисциплины «Методы
синтеза химических веществ» обучающиеся используют знания, умения,
сформированные в ходе изучения дисциплин «Математика», «Общая и
неорганическая
химия»,
«Аналитическая
химия»,
«Физическая
химия»,
«Органическая химия» и «Основы супрамолекулярной химии». Модуль «Методы
органического синтеза» является базой для последующего изучения других
дисциплин вариативной части профессионального цикла, подготовки к итоговой
государственной аттестации. Освоение модуля служит установлению межпредметных
связей, а также развивает навыки экспериментальной работы студента, готовит его к
проведению практических работ при прохождении педагогической практики.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения модуля
«Методы органического синтеза»
Формулировка компетенции
Владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке целей и выбору путей ее
достижения
Способен использовать знания о современной естественнонаучной
картине мира в образовательной и профессиональной деятельности,
применять методы математической обработки информации,
теоретического и экспериментального исследования
Владеет основными химическими и физическими понятиями,
знаниями фундаментальных законов химии и физики, явлений и
процессов, изучаемых химией и физикой
Владеет знаниями о составе, строении и химических свойствах
простых веществ и химических соединений; имеет представление
об электронном строении атомов и молекул, закономерностях
химических превращений веществ
Владеет классическими и современными методами анализа
веществ; способен к постановке эксперимента, анализу и оценке
лабораторных исследований
Способен понимать особенности химической формы организации
материи, место неорганических и органических систем в эволюции
Земли, единство литосферы, гидросферы и атмосферы, роль
химического многообразия веществ на Земле
Код
ОК-1
ОК-4
СК-2
СК-3
СК-4
СК-1
В результате изучения дисциплины студент должен:
 Знать:
1) новейшие достижения отечественной и зарубежной науки, касающиеся
методов получения органических соединений;
2) основные понятия науки химии, законы и теории;
3) основные методы синтеза, выделения и очистки органических соединений;
4) правила выбора оптимального пути синтеза органических веществ;
5) механизмы изучаемых химических реакций;
6) физико-химические способы идентификации соединений.
 Уметь:
1) применять химические теории и законы, понятия о строении и реакционной
способности органических веществ;
2) с помощью современных средств информации и самостоятельного анализа
данных литературы приобретать новые знания по органическому синтезу;
3) выбирать оптимальный путь синтеза органических соединений;
4) проводить математический расчет синтеза и анализировать полученные
экспериментальные данные.
 Владеть:
1) технологиями синтеза сложных органических молекул;
2) навыками работы с лабораторным оборудованием;
3) навыками определения физико-химических констант полученного соединения;
4) навыками проведения основных операций при выделении и очистке веществ;
5) способами ориентации в профессиональных источниках информации.
4. Структура и содержание модуля «Методы органического синтеза»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы; 108 часов.
№
п/п
1
1
2
3
Раздел дисциплины
2
Введение. Основные
принципы ОС. Общие
основы
теоретической
органической химии.
Реакции окисления и
восстановления.
Степень окисления.
Реакции SN у атома
углерода
в
sp3гибридизации.
Механизм моно- и
бимолекулярного
нуклеофильного
замещения. Реакции
SN у атома углерода в
sp2-гибридизации.
Механизм
реакции
ацилирования,
ацилирующие агенты.
Реакции
электрофильного
замещения
в
ароматических
соединениях.
Механизм,
электрофильные
реагенты, факторы.
Заместители 1 и 2
рода.
Реакции
нитрования
и
сульфирования
Семе
стр
Неделя
семестра
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов, и
трудоемкость (в часах)
Лекционные
Лаб.
зан.
СРС Всего
3
4
5
6
7
8
8
1
2
6
6
14
8
2
2
6
8
16
Формы
текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Формы
промежуточн
ой аттестации
(по
семестрам)
9
Собеседование
по правилам
работы в
учебной
химической
лаборатории
Устный отчет.
Отчет по
лабораторному
журналу
8
3
2
6
8
16
Коллоквиум по
теме
«Нуклеофильн
ое замещение в
алифатическом
ряду»
4
5
6
7
Реакции
диазотирования
и
азосочетания.
Диазотирующие
агенты,
механизм,
строение
диазосоединений.
Реакции
азосочетания.
Анилиновые
красители.
Реакции конденсации
карбонильных
соединений.
Альдольная
и
кротоновая
конденсации.
Механизм, факторы,
метиленовая
и
карбонильная
компоненты.
Конденсация
альдегидов и кетонов
с
соединениями,
имеющими
подвижные
атомы
водорода.
Металлорганические
соединения.
Магнийорганический
синтез.
Получение
реагентов Гриньяра,
их
строение.
Факторы, влияющие
на
реакционную
способность
алкилгалогенидов.
Итоговое занятие по
теме «Карбонильные
соединения»
Промежуточная
аттестация
Итого:
часов
(зачетных единиц)
8
4
2
6
8
16
Устный отчет.
Отчет по
лабораторному
журналу
8
5
2
6
8
16
Контрольная
работа по теме
«Механизмы
реакций
электрофильно
го замещения,
диазотировани
я,
азосочетания»
8
6
2
6
8
16
Устный отчет.
Отчет по
лабораторному
журналу
8
7
6
8
14
42
54
108
(3)
8
12
Коллоквиум по
теме «Реакции
конденсации
карбонильных
соединений.
Магнийоргани
ческий синтез»
Зачет
4.1 Содержание модуля
1. Введение. Терминология и общепринятая символика в органическом синтезе.
Основные принципы проведения органического синтеза (ОС) вещества заданной
структуры. Реакционная способность органических соединений. Классификация
органических реакций и реагентов.
Реакции окисления-восстановления в органической химии. Определение понятий
«окисление» и «восстановление» в органической химии, степень окисления атома
углерода. Окисление алкенов: реакции Прилежаева, Вагнера (α-окиси и α-гликоли),
озонирование, жесткое окисление с разрывом связи. Окисление спиртов (первичных,
вторичных, третичных). Окисление альдегидов и кетонов, правило Попова.
Окисление ароматических углеводородов. Восстановление нитросоединений,
альдегидов, кетонов, непредельных и ароматических углеводородов. Синтез ацетона.
Синтез бензойной кислоты.
2. Реакции нуклеофильного замещения у насыщенного атома углерода.
Определение реакций нуклеофильного замещения, схема реакции SN. Примеры
субстратов и нуклеофилов. Типы реакций SN. Механизм мономолекулярного
нуклеофильного замещения SN1. Доказательство мономолекулярности реакции.
Стереохимия. Механизм бимолекулярного нуклеофильного замещения SN2.
Характеристика переходного состояния, стерические факторы. Доказательство
бимолекулярности реакции. Стереохимия. Факторы, влияющие на механизм и
скорость нуклеофильного замещения: влияние структуры субстрата, силы реагента,
природы растворителя и катализатора. Нуклеофильное замещение гидроксильной
группы в спиртах: общая схема реакции. Кислотный катализ. Обратимость реакции.
Важнейшие побочные реакции (Е, образование простых эфиров, перегруппировки).
Синтез бромэтана.
Реакции нуклеофильного замещения у ненасыщенного атома углерода. Общая
схема реакции SN у тригонального атома углерода. Примеры субстратов и
нуклеофилов (спиртов, фенолов, аминов). Ацилирующие агенты, сравнение их
ацилирующей способности. Реакция этерификации, механизм, кислотный катализ.
Синтез этилацетата. Реакция ацилирования фенолов. Трудности ацилирования
фенолов, причина. Ацилирование хлорангидридами и ангидридами кислот.
Щелочной катализ. Ацилирование аминов. Механизм ацилирования ароматических
аминов карбоновыми кислотами и ангидридами кислот. Синтез ацетанилида.
3. Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре. Реакции
электрофильного замещения в ароматических соединениях. Примеры. Электрофилы.
Механизм реакций SE. Характеристика
π- и
σ-комплекса. Характеристика
заместителей I- и II-рода. Влияние их на реакцию SE . Устойчивость σ-комплексов.
Влияние стерических факторов на соотношение изомеров в продуктах реакции
SE.яющие Нитрование ароматических соединений. Механизм нитрования.
Нитрующие агенты. Условия реакции нитрования. Синтез п-нитроанилина.
Сульфирование ароматических соединений: механизм, сульфирующие агенты.
Обратимость реакции сульфирования, побочные реакции. Синтез сульфаниловой
кислоты. Галогенирование ароматических соединений. Механизм галогенирования.
Методы активации галогена. Условия введения галогена в ароматическое ядро и в
боковую цепь. Различия в свойствах галогенпроизводных, содержащих галоген в
ароматическом ядре и в боковой цепи. Алкилирование по Фриделю-Крафтсу:
механизм реакции, алкилирующие свойства. Сравнение электрофильной активности
первичных, вторичных и третичных алкилгалогенидов. Обратимость реакции
алкилирования. Побочные процессы. Промышленное знание реакций алкилирования.
Электрофильное ароматическое замещение с помощью карбонильных соединений.
Реакционная способность карбонильных соединений (хлорангидридов, ангидридов
кислот, альдегидоа, кетонов оксида углерода IV). Ограничения применения реакций
электрофильного замещения с помощью карбонильных соединений.
4. Реакции диазотирования и азосочетания. Реакции диазотирования: механизм,
диазотирующие агенты. Условия проведения реакции диазотирования, побочные
реакции. Прямой и обратный методы диазотирования. Строение диазосоединений и
солей диазония. Химические свойства диазосоединений: замещение диазогруппы на
гидроксил и галогены. Реакции азосочетания, азо- и диазосоставляющие. Механизм
реакции. Условия проведения реакции азосочетания (с фенолами, с ароматическими
аминами). Синтез β-нафтолоранжа.
5. Реакции конденсации карбонильных соединений (реакции нуклеофильного
присоединения к карбонильной группе). Альдольная и кротоновая конденсация
альдегидов и кетонов в щелочной среде. Метиленовая и карбонильная компоненты.
Механизм. Дикетонная конденсация: механизм, условия реакции. Конденсация
альдегидов и кетонов с соединениями, имеющими подвижные атомы водорода.
Характеристика метиленовых компонент. Конденсация Клайзена-Шмидта, механизм
нуклеофильного присоединения АN. Конденсация ароматических альдегидов с
ангидридами карбоновых кислот в присутствии оснований (реакция Перкина).
Метиленовые и карбонильные компоненты, катализаторы, механизм реакции.
Конденсация альдегидов и кетонов с дикарбоновыми кислотами и их производными в
присутствии оснований (реакция Кнёвенагеля). Метиленовые компоненты.
Конденсация малонового эфира с альдегидами в присутствии оснований (механизм).
Реакции конденсации сложных эфиров (конденсация Клайзена). Карбонильные и
метиленовые компоненты. Роль основных катализаторов. Конденсация сложных
эфиров между собой, конденсация сложных эфиров с кетонами, конденсация
сложных эфиров с другими веществами, содержащими подвижные атомы водорода.
Конденсация ароматических альдегидов, не содержащих водорода в ά-положении к
карбонильной группе. Бензоиновая конденсация: условия реакции, механизм. Реакция
Канниццаро. Конденсация ароматических альдегидов с первичными ароматическими
аминами (основания Шиффа). Конденсация Михаэля: механизм,условия проведения
реакции, область применения. Конденсация Манниха: механизм реакции, роль
кислотного катализатора.
6. Магнийорганический синтез. Получение магнийорганических соединений и их
строение. Полные и смешанные магнийорганические соединения. Реактив Гриньяра,
растворители в магнийорганическом синтезе. Влияние природы галогена и характера
радикала на реакционную способность алкилгалогенидов по отношению к магнию.
Побочные реакции. Реакции магнийорганических соединений. Полярность связи
углерод-магний; нуклеофильный характер магнийорганических соединений. Реакции
алкилмагнийгалогенидов с а) галоидными алкилами; б) соединениями, содержащими
подвижный атом водорода (водой, спиртами, аминами, карбоновыми кислотами); в)
ацетиленом
и
алкилацетиленами
(Иоцич).
Взаимодействие
смешанных
магнийорганических соединений с альдегидами и кетонами. Побочные реакции при
синтезе спиртов из альдегидов и кетонов, пространственные затруднения. Синтез
спиртов из окиси этилена и из производных карбоновых кислот (механизмы).
Получение альдегидов и кетонов из муравьиной кислоты и из производных
карбоновых кислот. Побочные реакции.
5. Образовательные технологии
Для успешного освоения дисциплины и формирования соответствующих
компетенций у обучаемых необходимо применение преподавателем комплексного
сочетания образовательных технологий. При освоении модуля «Методы
органического синтеза» используются следующие образовательные технологии:
- интерактивные лекции с элементами междисциплинарного обучения (реакции
диазотирования и азосочетания) 2 часа;
- практические занятия с постановкой натурного химического эксперимента;
- неимитационные методы: групповые дискуссии, поисковая лабораторная работа
(реакции конденсации карбонильных соединений) 6 час.;
- имитационные методы: проведение деловых игр, опережающей самостоятельной
работы (сборка сложных установок для проведения органического синтеза –
магнийорганического синтеза) 6 час.
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, составляет 22 %
аудиторных занятий.
Занятия лекционного типа составляют 39 % объема аудиторных занятий.
6.
Учебно-методическое
Оценочные
средства
обеспечение
текущего
самостоятельной
контроля
работы
успеваемости,
студентов.
промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины
6.1 Самостоятельная работа включает следующие виды деятельности:
1) подготовка к лабораторным занятиям;
2) оформление лабораторных работ;
3) выполнение домашних заданий;
4) Составление опорных конспектов по теме, поиск информации в сети Интернет;
5) изучение дополнительной литературы;
6) подготовка к контрольным работам, рубежному и итоговому контролю, изучение
программного материала, не вошедшего в лекционный курс.
Для повышения мотивации к самостоятельной работе вопросы по темам, вынесенные
для самостоятельного изучения, используются при проведении рубежного и
выходного контроля. Целесообразно применять организацию самостоятельной
работы студентов по индивидуальным заданиям или проектам с последующей (в виде
итога) презентацией или защитой.
6.2. Система контроля над самостоятельной работой учащихся включает:
1) Выполнение и оформление лабораторных работ;
2) Разбор конкретных ситуаций;
3) Оценку личностных качеств студента (аккуратность,
исполнительность и инициативность);
4) Участие в коллоквиумах и деловых играх.
работа
у
доски,
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля «Методы
органического синтеза»
а) Основная литература:
1) В.А. Смит, Д. Дильман Основы современного органического синтеза. Изд-во:
БИНОМ. Лабораторное знание, 2009. – 756 с.
2) В.Ф. Травень Органическая химия. Учебник для вузов в 2 Т., М.: ИКЦ
«Академкнига», 2006. – Т.!. – 727 с., Т.». – 572 с.
б) Дополнительная литература:
1) Ш. Бакстон, С. Робертс Введение в стереохимию органических соединений, М.:
Мир, 2005. – 311 с.
2) И.И. Гранберг Органическая химия. – М.: Дрофа, 2001. – 672 с.
3) А.И. Артеменко Органическая химия, М.: Высш. шк., 2003. – 605 с.
в) Интернет-ресурсы:
1) http://www.fpt.ru/Chem_block.html - различные учебно-методические материалы по
химии;
2)
http://chemistry-chemists.com/Uchebniki.html
-
учебники,
практикумы
справочники по химии;
3) Сайты http://www.xumuk.ru/ , http://www.nehudlit.ru/books/subcat281.html .
и
Вопросы для промежуточной аттестации
1) Какие реакции называются реакциями нуклеофильного замещения? Примеры
субстратов и нуклеофилов.
2) Нуклеофильное замещение гидроксильной группы в спиртах. Важнейшие
побочные реакции (отщепление, образование простых эфиров, перегруппировки).
3)
Механизм
бимолекулярного
нуклеофильного
замещения.
Характеристика
переходного состояния. Стереохимия.
4) Механизм мономолекулярного нуклеофильного замещения. Стереохимия.
5) Факторы, влияющие на механизм и скорость нуклеофильного замещения у
насыщенного атома углерода.
6) Общая схема реакции нуклеофильного замещения у атома в sp2- гибридизации.
Примеры субстратов и нуклеофилов.
7) Реакции этерификации, механизм, кислотный катализ. Получение этилацетата.
8)
Ацилирование
аминов.
Механизм
ацилирования
ароматических
аминов
ангидридами кислот. Синтез ацетанилида.
9) Реакция ацилирования, ацилирующие агенты, сравнение ацилирующей силы.
10) Реакции окисления-восстановления в органической химии. Окисление спиртов.
11) Окисление альдегидов и кетонов, правило Попова.
12) Окисление ароматических углеводородов.
13) Окисление алкенов (мягкое, жесткое, озонирование).
14) Восстановление альдегидов и кетонов.
15) Окисление вторичных спмртов. Синтез ацетона.
16) Механизм реакции SE в аренах. Характеристика π- и σ-комплексов.
17) Характеристика заместителей I и II рода.
18) Нитрование ароматических соединений, механизм реакции. Нитрующие агенты.
Синтез п-нитроанилина.
19) Реакция электрофильного замещения в ароматических соединениях. Примеры
электрофильных реагентов. Механизм действия электрофилов.
20) Влияние стерических факторов на соотношение изомеров в продуктах реакции
электрофильного замещения.
21) Восстановление ароматических соединений.
22) Галогенирование ароматических соединений. Условия галогенирования в
бензольное кольцо. Механизм.
23)
Сульфирование
ароматических
соединений.
Обратимость
реакции
сульфирования, побочные реакции сульфирования. Синтез сульфаниловой кислоты.
24) Ацилирование ароматических соединений. Ацилирующие агенты, катализ.
8. Материально-техническое обеспечение модуля «Методы органического
синтеза»
а) Информационно-коммуникативные средства:
1) электронные базы данных по курсу органической химии (химия карбонильных и
гетероциклических соединений);
2) электронные варианты материалов конференций по дикарбонильным соединениям.
б) Технические средства:
1) компьютер мультимедийный с пакетом прикладных программ, возможностью
подключения к сети Интернет, приводами для чтения и записи компакт-дисков;
2) экран проекционный;
3) лекционные аудитории;
4) учебные лаборатории;
5) лаборатория микроанализа;
6) лаборатория физико-химических методов исследования;
7) химические реактивы;
8) наличие кафедральной библиотеки;
9) химическое оборудование: штативы, лапки, барашки, лабораторные термометры,
весы (технические, электронные, аналитические), водяная и песчаная бани,
колбообогреватели, электроплитки, газовые горелки, пинцеты, шпатели, фарфоровые
ступки с пестиком, стеклянные палочки, фильтровальная бумага, перчатки резиновые,
очки защитные, аппарат для дистилляции воды, микроскоп, прибор для определения
температуры плавления, механические мешалки, рефрактометр;
10) Химическая посуда: стаканы, колбы, мерные цилиндры, холодильники
(воздушные и водяные), воронки для фильтрования, колбы Вюрца, колбы Бунзена,
воронки Бюхнера, воронки делительные и капельные;
11) Специализированная мебель (стол лабораторный химический, шкафы секционные
для хранения реактивов, раковина-мойка, шкаф вытяжной).
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО
направления
подготовки
050100 Педагогическое образование,
утвержденного
приказом Минобрнауки России 17 сентября 2009 года, № 337. Профиль «Химия»
ФГОС ВПО утвержден приказом Минобрнауки России от 22 декабря 2009 года, №
788 с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 050100
Педагогическое образование, профиль «Химия».
Автор
Профессор кафедры химии и методики обучения,
д.х.н.
Л.И. Маркова
Программа одобрена на заседании кафедры химии и методики
Института Химии СГУ от 29 августа 2011 года, протокол № 15
Подписи:
Зав. кафедрой химии и методики обучения,
д.х.н.
Директор Института химии,
д.х.н., профессор
обучения
Н.В. Пчелинцева
О.В. Федотова