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

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

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

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

1. Organic reactions. Basic classification (addition, substitution, elimination), oxidation and reduction in organic chemistry, oxidation numbers, classification of reagents, 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.

2. Nucleophilic substitution on saturated carbon atom. Mechanism and stereochemistry and their dependence on the structure of substrate, leaving group and solvent. Competitive reactions. Preparation of alcohols, ethers, thiols, esters, alkylation of ammonia, amines and sulfur derivatives. Gabriel synthesis of amines, preparation of alkylhalides from alcohols using hydrogen halides or halides of inorganic acids, transformation of alcohols to the sulfonates (methanesulfonates and tosylates), sulfonates as the leaving groups, cleavage of ethers, opening of an epoxide ring. Formation of C-C bond by alkylation reactions - preparation of nitriles, reaction of organocooper reagents with alkyl-, alkenyl- and arylhalides.

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, Hofmann elimination, dehalogenation, dehydration, elimination during the solvolysis (E1), formation of alkynes, nitriles from dehydration of aldoximes, pinacol rearrangement.

4. Hydrocarbon derivatives containing carbonyl group – oxidation levels, redox reactions, reactivity tovards nucleophiles.

Aldehydes and ketones: Nucleophilic addition to unsaturated carbon atom - H – nucleophiles (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 HX, alcohols, thiols and amines. Additiob 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). Acetoacetic and malonate synthesis. Aldol-style reactions (Aldolisation of aldehydes, aldol condensation of ketones, cross-aldol condensation. Claisen and cross-Claisen condensation, condensation of esters with ketones, Dieckmann condensation).

7. Electrophilic addition to unsaturated systems. Addition of hydrogen halides to alkenes and alkynes, hydration of alkenes and alkynes (revision and extension), hydroboration, 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. Aromatic electrophilic substitution - introduction of second substituent (mechanism), comparison of benzene, naphthalene, pyrrole, furan, thiophene and pyridine.

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 mechanism).

10. Heterocycles - basic types of five- and six-membered heterocycles, aromaticity. Preparation and reactivity of five-membered heterocycles and of indole. Six-membered heterocycles containing nitrogen - pyridine, quinoline, isoquinoline, principle of their synthesis. Basicity, reactions on nitrogen, electrophilic and nucleophilic substitution reactions.

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 - oxidation of side chain on the aromatic ring, alcohols, spliting of 1,2-diols with HIO4, quinones. Oxidation of sulphur compounds and amines, Bayer-Villiger oxidation. Reduction - Birch reduction, reduction of alkynes to alkenes. Reduction of aldehydes, ketones, carboxylic acid and their derivatives (Wolff-Kishner, Clemmensen, reductive dimerization - pinacol reaction, acyloin condensation, reduction using complex hydrides, DIBAH and BH3). Cannizzaro reaction. Reduction of nitrogen and sulphur derivatives (nitro compounds, disulfides, sulfonic acids).

13. Amino acids and peptides. Classification of amino acids, coded amino acids, structural types of coded amino acids, acido-basic equilibrium, isoelectric point, synthesis (Strecker synthesis, alkylation of acetamidomalonate). Chemistry of amino acids - behavior of alpha-amino acids on heating, esters of amino acids, acylation of amino acids. Analysis of peptides - amino acid analysis, sequence analysis (Sanger's reagent, dansylation, Edman degradation). Synthesis of peptides - protective groups (Z, Boc, benzyl and t-butyl ester), formation of peptide bond (DCCI, solid phase synthesis).

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

Příprava alkoholů, etherů, epoxidů, thiolů, esterů, alkylace amoniaku, aminů a sirných derivátů, Gabrielova syntéza aminů, 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. Tvorba C-C vazby alkylačními reakcemi - příprava nitrilů, reakce organokuprátů s alkyl, alkenyl a arylhalogenidy.

3. Eliminační reakce. E2 a E1 eliminace, vztah k nukleofilní substituci, dehydrohalogenace, Zajcevovo pravidlo, vliv velikosti báze, stereochemie, Hofmannova eliminace, Copeho štěpení, pyrolýza acetátů. Dehalogenace, dehydratace, eliminace při solvolýze (E1), tvorba alkynů, nitrily dehydratací aldoximů. Pinakolový přesmyk.

4. Kyslíkaté deriváty uhlovodíků – oxidační stupně, redox reakce. Sloučeniny obsahující karbonylovou skupinu – rozdělení, reaktivita karbonylové skupiny vůči Nu.

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). Acetoacetátová a malonátová syntéza. Reakce aldolového typu (Aldolizace aldehydů, aldolová kondenzace ketonů, smíšená aldolová kondenzace. Claisenova kondenzace, smíšená Claisenova kondenzace, kondenzace esterů s ketony, Dieckmannova kondenzace).

7. Elektrofilní adice k nenasyceným systémům. Adice halogenovodíků na alkeny a alkyny, hydratace alkenů a alkynů (opakování + rozšíření), hydroxymerkurace, hydroborace, 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. Aromatická elektrofilní substituce - substituce do druhého stupně (mechanismus), srovnání benzenu, naftalenu, pyrrolu, furanu, thiofenu a pyridinu, 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 mechanismus).

10. Heterocykly - základní typy pěti a šestičlenných heterocyklů, aromaticita (opakování). Příprava a reaktivita pětičlenných heterocyklů a indolu. Šestičlenné dusíkaté heterocykly - pyridin, chinolin, isochinolin, principy syntézy. Bazicita, reakce na dusíku, elektrofilní a nukleofilní substituční reakce.

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

12. Oxidace a redukce (připomenutí probraného a rozšíření). Oxidace - postranního řetězce aromátů, alkoholů, štěpení 1,2-diolů HIO4, chinony, oxidace sloučenin síry a dusíku, Baeyer-Villigerova oxidace. Redukce alkenů, alkynů, parciální redukce alkynů, Birchova redukce, redukce aldehydů, ketonů, karboxylových kyselin a jejich derivátů (Wolff-Kižněr, Clemmensen, redukční zdvojení - pinakol, acyloinová kondenzace, redukce komplexními hydridy, DIBAH a BH3). Cannizzarova reakce. Redukce nitrosloučenin na aminy, redukce disulfidů a sulfonylchloridů na thioly.

13. Aminokyseliny, peptidy. Typy aminokyselin, kódované aminokyseliny, příklady strukturních typů kódovaných aminokyselin, acidobazické rovnováhy, isoelektrický bod, syntézy (Streckerova syntéza, alkylace acetamidomalonátů). Chemie - chování alfa-aminokyselin při zahřívání, estery, acylace. Analýza peptidů - aminokyselinová analýza, sekvenční analýza (využití Sangerova činidla, dansylace, Edmanovo odbourávání). Syntéza peptidů - chránění (Z, BOC, CH2Ph ester), DCCI, syntéza na pevné fázi.

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

14. Carbohydrates. Structure, stereochemistry, chemical properties.

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

14. Sacharidy. Struktura, stereochemie, chemické vlastnosti.

Organic Chemistry I

Organická chemie I

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.