Students will be able to:

write mechanisms of reactions in organic chemistry

describe stereochemistry of chemical transformations

estimate reactivity of polyfunctional compounds on the bases of structure

plan two- or three-step synthesis of target compound

know chemical properties of basic building blocks of natural and heterocyclic compounds

Studenti budou umět:

mechanismy základních typů organických reakcí

popsat stereochemický průběh reakcí

odhadnout reaktivitu vícefunkčních organických sloučenin na základě jejich struktury

navrhnout vícekrokovou syntézu jednoduchých mono- a difunkčních sloučenin

chemické vlastnosti základních prekursorů přírodních látek a heterocyklických sloučenin

Předmět je zakončen zkouškou, která se skládá z písemné a ústní části. Student může přistoupit ke zkoušce z Organické chemie II poté, co získal zápočet na cvičeních z Organické chemie II.

R: J. McMurry: Organic Chemistry, 8. Edition, Brooks/Cole, Belmont, CA, USA, 2012. 9780840054449

Z: Svoboda a kol.: Organická chemie I, Nakladatelství VŠCHT, 2005. 8070805617

Z: J. McMurry: Organická chemie, český překlad 8. vydání, VUT Brno, VŠCHT Praha, 2015. 9788070809303

DETAILED SYLLABUS:

1. Organic reactions. Basic classification (addition, substitution, elimination, rearrangements), oxidation and reduction in organic chemistry, oxidation numbers, chemical bonds, the ways of the splitting of chemical bond, reaction mechanism, reaction intermediates, the theory of transition state, reaction coordinate, DG a DG# and their influence on the reaction rate and on the reaction equilibrium. Acido-basic equilibrium.

2. Nucleophilic substitution on saturated carbon atom. Mechanism and stereochemistry and their dependence on the structure of substrate, nucleophile, leaving group and solvent. Nucleophility vs. Basicity. Competitive reactions. Application of SN reactions in alcohols, ethers, epoxides, esters, thiols and sulfides synthesis, alkylation of ammonia, emines and sulfides, azide and Gabriel synthesis of amines. Formation of C-C bond by SN reactions – preparation and application of nitriles and alkynes. Formation of C-C bond by reaction of organocooper reagents with alkyl-, alkenyl- and arylhalides. - Application of alcohols in SN reactions: Synthesis of alkylhalides from alcohols (by using of hydrogen halides and halides of inorganic acids, transformation of alcohols to alkyl sulfonates (mesylates and tosylates), sulfonates as leaving group, cleavage of ethers, opening of an epoxide ring.

3. Elimination reactions. E1 and E2 mechanism, relation to the nucleophilic substitution, dehydrohalogenation, Zaitsev's rule, influence of the bulkiness of the base, stereochemistry of the elimination reactions, dehalogenation. Hofmann elimination, Cope cleavage. Formation of alkynes and dienes. Dehydratation of alcohols and diols. Pinacol and retropinacol rearrangement. - Introduction in oxygen derivatives – oxidation levels, redox reactions. - Hydrocarbon derivatives containing carbonyl group – classification and reactivity tovards nucleophiles.

4. Aldehydes and ketones: Nucleophilic addition to unsaturated carbon atom - H – nucleophiles (complex hydride reduction), O – nucleophiles (hydratation of carbonyl group, acetals, ketals, C – nucleophiles (cyanhydrines and aminonitriles, Grignard reagents, Wittig reaction). N – nucleophiles (addition of ammonia and amines (+ reductive amination), hydrazine and hydroxylamine to aldehydes and ketones). Reaction of oximes – dehydratation of aldoximes, Beckmann rearrangement of ketoximes. Conjugate addition to α,β-unsatzrated carbonyl compounds – addition of hydrogen halides, alcohols, thiols and amines. Addition of organometal compounds: Grignard and Gilman reagents.

5. Carboxylic acids and their derivatives - Nucleophilic substitution on the unsaturated carbon atom. Transformation of carboxylic acids derivatives (halides, esters, anhydrides). Lactones and lactames. Baeyer-Villiger oxidation. Pyrolysis of acetates. Amides of carboxylic acids – Hofmann degradation, heterocumulenes (isocyanates, ketenes) and addition of nucleophiles. Reaction of carboxylic acids derivatives with organometal compounds and complex hydrides. Hydrolysis of carboxylic acids derivatives and nitriles – synthesis of carboxylic acids, amino- a hydroxyacids. Reaction of amino- a hydroxyacids. Basic derivatives of carbonic acid.

6. Reaction including α-hydrogen: Acidic and basic catalysed enolisation, stability of enoles, consequences of enolisation (exchange of α-hydrogen with solvent, racemisation of stereogenic centre on α-carbon). Reactions of enoles and enolates with electrophiles (α-halogenation of aldehades and ketones, Lieben reaction, Hell-Volhart-Zelinskij reaction, alkylation of enolates. Michael additio). Aldol-type reactions (aldolisation of aldehydes, aldol condensation of ketones, cross-aldol condensation. Claisen and cross-Claisen condensation, condensation of esters with ketones, Dieckmann condensation). Acetoacetic and malonate synthesis.

7. Electrophilic addition to unsaturated systems. Addition of hydrogen halides to alkenes and alkynes, hydration of alkenes and alkynes (revision and extension), hydroxymercuration, hydroboration/oxidation, addition of halogens, formation of halohydrines, epoxidation, dihydroxylation and ozonolysis of alkenes. Carbenes and cyclopropanation including Simmons-Smith reaction. Dienes – 1,2- vs. 1,4-electrophilic addition, Diels-Alder cycloaddition.

8. Electrophilic substitution on unsaturated carbon atom. Aromaticity. Aromatic electrophilic substitution. Wolff-Kizhner and Clemmensen reduction. Influence of substituent on introduction of second substituent (mechanism), Reactivity of naphthalene, kinetic and thermodynamic control.

9. Nucleophilic substitution on aromatic compounds. Preparation and reactivity of aromatic diazonium salts, their use in organic synthesis. Aromatic nucleophilic substitution - addition-elimination and elimination-addition (benzyne) mechanism.

10. Heterocycles - basic types of five- and six-membered heterocycles. Comparison of reactivity of benzene and aromatic heterocycles. Pyridine – basicity, reaction on nitrogen atom, electrophilic and nucleophilic substitution reactions. Reactivity of five-membered heterocycles. Electrophilic substitution of condensate nitrogen heterocycles – quinoline, isoquinoline and indole. Principles of aromatic heterocycles synthesis.

11. Radical reactions. Formation of radicals, structure and stability of radicals. Radical halogenation of alkanes and its selektivity, Halogenation to allylic and benzyl position. Radical addition of HBr (revision) and RSH to alkenes.

12. Oxidation and reduction (revision and extension). Oxidation of side chain on the aromatic ring, spliting of 1,2-diols with HIO4, formation of quinones. Reduction of alkenes and alkynes, partial reduction of alkynes to alkenes, Birch reduction. Reductive dimerization - pinacol reaction, acyloin condensation. Cannizzaro reaction.

Oxidation of sulphur and nitrogen compounds Reduction of nitro compounds to amines, disulfides and sulfonic acids to thiols.

13. Carbohydrates. Structure, stereochemistry, configuration, cyclic forms, mutarotation, Kiliani–Fischer synthesis, Wohl degradation, oxidation and formation of lactones, reduction, epimerization, esters, ethers of carbohydrates, glycosides. Disaccharides - reducing and non-reducing, polysaccharides (starch, cellulose).

14. Amino acids and peptides. Classification of amino acids, synthesis (Strecker synthesis, alkylation of acetamidomalonate), stereochemistry of alfa-amino acids. Coded amino acids, structural types of natural amino acids, acido-basic equilibrium, isoelectric point. Peptide synthesis – protective groups (Z, Boc, ester), formation of peptide bond (DCCI), solid phase synthesis..Protein classification. Peptide analysis (total hydrolysis, detetermination of C- and N-ends, sequence analysis - Sanger's reagent, dansylation, Edman degradation). - Principles of nucleobases, nucleotides, nucleic acids; base pairing.

PODROBNÉ SYLABY:

1. Organické reakce. Základní rozdělení reakcí (adice, substituce, eliminace, přesmyky), oxidace a redukce v organické chemii, oxidační čísla, chemická vazba, typy štěpení vazeb, reakční mechanismy, reakční meziprodukty, teorie transitního stavu, reakční koordináta, DG a DG# (vliv na rychlost a rovnováhu), acidobazické rovnováhy.

2. Nukleofilní substituce na nasyceném atomu uhlíku. Mechanismus, stereochemie, závislost na struktuře, substrátu, odstupující skupině, rozpouštědle, nukleofilu. Nukleofilita vs, bazicita - konkurenční reakce. Využití SN reakcí v syntéze: příprava alkoholů, etherů, epoxidů, esterů, thiolů a sulfidů, alkylace amoniaku, aminů a sulfidů, azidová a Gabrielova syntéza aminů. Tvorba C-C vazby SN reakcemi - příprava a využití nitrilů a alkynů. - Vznik C-C vazby reakcemi organokuprátů s alkyl, alkenyl a arylhalogenidy. - Využití alkoholů v SN reakcích: příprava alkylhalogenidů z alkoholů (s využitím halogenovodíků a halogenidů anorganických kyselin), převedení alkoholů na sulfonáty (mesyláty, tosyláty), sulfonáty jako odstupující skupiny, štěpení etherů, otevírání epoxidů.

3. Eliminační reakce. E2 a E1 eliminace, vztah k nukleofilní substituci. Dehydrohalogenace, Zajcevovo pravidlo, vliv velikosti báze, stereochemie, Dehalogenace. Hofmannova eliminace, Copeho štěpení. Tvorba alkynů a dienů. Dehydratace alkoholů a diolů. Pinakolový a retropinakolový přesmyk. - Úvod do kyslíkatých derivátů uhlovodíků – oxidační stupně, oxidace a redukce kyslíkatých derivátů. Sloučeniny obsahující karbonylovou skupinu – rozdělení, reaktivita karbonylové skupiny vůči Nu.

4. Aldehydy a ketony: Nukleofilní adice k nenasycenému atomu uhlíku - H – nukleofily (redukce komplexními hydridy), O – nukleofily (hydratace karbonylové skupiny, acetaly, ketaly (opakování), C – nukleofily (kyanhydriny a aminonitrily, Grignardova činidla, Wittigova reakce). N – nukleofily (adice amoniaku a aminů (+ reduktivní aminace), hydrazinu a hydroxylaminu na aldehydy a ketony). Reakce oximů - dehydratace aldoximů, Beckmannův přesmyk ketoximů. Konjugovaná adice na α,β-nenasycené karbonylové sloučeniny - adice halogenovodíků, alkoholů, thiolů a aminů. Adice organokovových činidel: Grignardova činidla a organokuprátů

5. Karboxylové kyseliny a jejich deriváty - Nukleofilní substituce na nenasyceném atomu uhlíku. Připomenutí transformací funkčních derivátů karboxylových kyselin (acylhalogenidů, esterů, anhydridů). Laktony a laktamy. Baeyerova-Villigerova oxidace. Pyrolýza acetátů. Amidy karboxylových kyselin - Hofmannovo odbourání, heterokumuleny (isokyanáty, keteny) a adice nukleofilů na ně. Reakce funkčních derivátů karboxylových kyselin s organokovovými sloučeninami a komplexními hydridy. Hydrolýza funkčních derivátů karboxylových kyselin a nitrilů - syntéza karboxylových, amino- a hydroxykyselin. Reakce amino- a hydroxykyselin. Základní funkční deriváty uhličité kyseliny.

6. Reakce zahrnující α-vodík: Kysele a bazicky katalyzovaná enolizace, stabilita enolů, důsledky enolizace (výměna vodíků v α-poloze s rozpouštědlem, racemizace stereogenního centra na α-uhlíkovém atomu). Reakce enolů a enolátů s elektrofily (α-halogenace aldehydů a ketonů, haloformová reakce, Hell-Volhart-Zelinskij, alkylace enolátů, Michaelova adice). Reakce aldolového typu (aldolizace aldehydů, aldolová kondenzace ketonů, smíšená aldolová kondenzace, Claisenova kondenzace, smíšená Claisenova kondenzace, kondenzace esterů s ketony, Dieckmannova kondenzace). Acetoacetátová a malonátová syntéza.

7. Elektrofilní adice k nenasyceným systémům. Adice halogenovodíků na alkeny a alkyny, hydratace alkenů a alkynů (opakování + rozšíření), hydroxymerkurace, hydroborace/oxidace, adice halogenů, tvorba halogenhydrinů, epoxidace alkenů, dihydroxylace, ozonolýza. Karbeny a cyklopropanace včetně Simmons-Smithovy reakce. Dieny – 1,2- vs. 1,4-adice elektrofilní, Dielsova-Alderova cykloadice.

8. Elektrofilní substituce na nenasyceném atomu uhlíku. Aromaticita. Aromatická elektrofilní substituce. Wolffova-Kižněrova a Clemmensenova redukce aromatických ketonů. Vliv substituentů na substituci do druhého stupně (mechanismus). Reaktivita naftalenu, kinetické a termodynamické řízení.

9. Nukleofilní substituce aromatických sloučenin. Příprava a reakce diazoniových solí, jejich syntetické využití. Aromatická nukleofilní substituce - adičně-eliminačni a eliminačně-adiční (benzynový) mechanismus.

10. Heterocykly - základní typy pěti a šestičlenných heterocyklů, Srovnání reaktivity benzenu a aromatických heterocyklů. Pyridin - bazicita, reakce na dusíku, elektrofilní a nukleofilní substituční reakce. Reaktivita pětičlenných heterocyklů. Elektrofilní substituce kondenzovaných dusíkatých heterocyklů - chinolin, isochinolin a indol. Principy syntézy aromatických heterocyklů.

11. Radikálové reakce. Tvorba radikálů, struktura, stabilita, radikálová halogenace, selektivita. Halogenace do allylové a benzylové polohy. Radikálové adice HBr (opakování) a thiolů.

12. Oxidace a redukce (připomenutí probraného) a doplnění: Oxidace postranního řetězce aromátů, štěpení 1,2-diolů HIO4, vznik chinonů. Redukce alkenů, alkynů, parciální redukce alkynů, Birchova redukce, Redukční zdvojení – syntéza pinakolu, acyloinová kondenzace. Cannizzarova reakce. - Oxidace sloučenin síry a dusíku. Redukce nitrosloučenin na aminy, redukce disulfidů a sulfonylchloridů na thioly.

13. Sacharidy. Struktura, stereochemie, konfigurace, cyklické formy, mutarotace, výstavba a odbourávání sacharidů, oxidace a tvorba laktonů, redukce, epimerizace, estery, ethery, glykosidy, disacharidy - redukující a neredukující, polysacharidy (škrob, celulóza).

14. Aminokyseliny, peptidy. Typy aminokyselin, syntéza (Streckerova syntéza, alkylace acetamidomalonátů) a stereochemie alfa-aminokyselin. Kódované aminokyseliny, příklady strukturních typů, acidobazické rovnováhy, isoelektrický bod. Syntéza peptidů - chránění (Z, BOC, CH2Ph ester), DCCI, syntéza na pevné fázi. Klasifikace proteinů. Analýza peptidů (totální hydrolýza, stanovení C- a N-konce a sekvence aminokyselin - využití Sangerova činidla, dansylace, Edmanovo odbourávání). - Principy struktury nukleových bází, nukleotidů, nukleových kyselin, párování bází.

PODROBNÉ INFORMACE O UKONČENÍ PŘEDMĚTU:

Student může přistoupit ke zkoušce za následujících podmínek:

1. Úspěšně složil zkoušku z Organické chemie I

2. Získal zápočet ze semináře Organické chemie II.

Zápočet uděluje vyučující na semináře na základě výsledků práce studenta během semestru. Ta se kontroluje dvěma průběžnými testy zaměřenými na probranou látku (test T1 a T2, délka trvání testu je minimálně 50 minut, každý je hodnocen maximálně 100 body). Testy se píší na semináři během semestru (zpravidla 7. a 13. týden) a zadává je vyučující. Průběžné testy se nenahrazují. K udělení zápočtu je zapotřebí získat v součtu obou testů (T1 + T2) alespoň 100 bodů. V případě, že student tato kritéria pro udělení zápočtu nesplnil, může napsat souhrnný zápočtový test, který zahrnuje látku za celý semestr. Souhrnný zápočtový test trvá 100 minut a hodnotí se maximálně 100 body, z nichž student musí získat alespoň 50 bodů. Zápočtový test může student psát pouze jednou, a to v jednom ze dvou oficiálních termínů vypisovaných ústavem (zpravidla v prvních třech týdnech zkouškového období). Dříve získaný zápočet se uznává, ale pouze jednou a pouze v následujícím semestru (zápočet je zapotřebí nechat si znovu do SISu zapsat u svého bývalého vyučujícího na semináře nebo u nového vyučujícího, pokud student navštěvuje seminář i v probíhajícím semestru). Pokud student opakuje předmět Organická chemie A s větším časovým odstupem, musí zápočet získat znovu podle výše uvedených pravidel. Informace pro studenty opakující předmět: https://uoch.vscht.cz/studium/bcpredmety/opakovani-predmetu

Zkouška z Organické chemie II se skládá z písemné a ústní části. Zkoušková písemka trvá 120 min. a je klasifikována 100 body. Podmínkou účasti na písemné zkoušce je zápočet zapsaný v SISu. Podmínkou postupu k ústní zkoušce je, aby student získal ze zkouškové písemky alespoň 50 bodů. Pokud tuto podmínku student nesplnil, je klasifikován známkou "F". Pokud student neuspěje u ústní zkoušky, musí znovu opakovat i zkouškovou písemku bez ohledu na výsledek té předchozí.

Pokud se student ze závažných důvodů nestihl odhlásit ze zkoušky, může se omluvit bez zbytečného odkladu přímo zkoušejícímu. V tomto případě vždy uvede důvod nepřítomnosti na zkoušce. Neomluvená neúčast nebo neuznaná omluva nepřítomnosti u zkoušky se hodnotí klasifikací "F".

Sylaby, vzorové písemky a další materiály jsou umístěny na stránkách ústavu: http://uoch.vscht.cz/studium/bcpredmety

Organizace zkoušek:

8:30 - 10:30 Písemná část zkoušky; probíhá ve velké posluchárně. Během písemné části zkoušky se studenti dozví, kdy a kde se bude konat ústní část zkoušky

10:30 - 14:00 Opravování písemné části zkoušky; výsledky jsou postupně zveřejňovány ve studentském informačním systému

13:00 - 14:00 Obvyklý začátek ústní zkoušky; pořadí studentů si určuje zkoušející. V případě, že je zkoušející zaneprázdněn, ústní zkouška se koná druhý den.

1. Organic reactions, types, mechanisms, acid-base equilibrium.

2. Nucleophilic substitution on saturated carbon. Mechanism, stereochemistry, applications.

3. Elimination E1 and E2. Mechanism, stereochemistry, application.

4. Nucleophilic addition on unsaturated carbon.

5. Nucleophilic substitution on unsaturated carbon.

6. Chemistry of enoles and enolates.

7. Electrophilic additions on unsaturated systems.

8. Electrophilic substitution on unsaturated systems.

9. Nucleophilic substitution on aromatic compounds.

10. Heterocycles. Basic types of five and six membered heterocycles, synthesis and reactivity.

11. Radical reactions, halogenation, additions of HBr and thiols.

12. Oxidation and reduction.

13. Carbohydrates. Structure, stereochemistry, chemical properties.

14. Aminoacids, peptides. Structure, chemical properties, synthesis.

1. Organické reakce, rozdělení, reakční mechanismy, acidobazické rovnováhy.

2. Nukleofilní substituce na nasyceném atomu uhlíku. Mechanismus, stereochemie, využití.

3. E1 a E2 eliminace. Mechanismus, stereochemie, využití.

4. Nukleofilní adice k nenasycenému atomu uhlíku.

5. Nukleofilní substituce na nenasyceném atomu uhlíku.

6. Chemie enolů a enolátů.

7. Elektrofilní adice k nenasyceným systémům.

8. Elektrofilní substituce na nenasyceném atomu uhlíku.

9. Nukleofilní substituce aromatických sloučenin.

10. Heterocykly. Základní typy pěti a šestičlenných heterocyklů, příprava, reaktivita.

11. Radikálové reakce. Halogenace, adice HBr a thiolů.

12. Oxidace a redukce.

13. Sacharidy. Struktura, stereochemie, chemické vlastnosti.

14. Aminokyseliny, peptidy. Struktura, chemické vlastnosti, syntéza.

Electronic workbook: https://och.vscht.cz

Elektronická cvičebnice: https://och.vscht.cz

Organic Chemistry I

Organická chemie I