Studenti budou umět:

nomenklaturu organických sloučenin

stereochemii organických sloučenin, znázorňování struktur organických sloučenin

základní typy reakcí organických sloučenin a jejich mechanismy

základní pojmy z chemické kinetiky a chemických rovnováh

strukturu a reaktivitu uhlovodíků a jejich derivátů

Students will be able to:

name organic compounds

describe stereochemistry and structure of organic compounds

know basic types of chemical reactions and their mechanisms

know basic concepts of chemical kinetic and chemical equilibrium

know reactivity of hydrocarbons and their derivatives

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

Doporučená:

• Organická chemie I, Svoboda, Jiří, 2005
• Organická chemie, český překlad 8. vydání, McMurry, John, 2015

Volitelná:

• Studijní příručka a řešené příklady, k českému vydání učebnice John McMurry: Organická chemie, McMurry, Susan, 2009
• Písanka organické chemie, Budka, Jan, Cibulka, Radek, 2021

Recommended:

• Organická chemie I, Svoboda, Jiří, 2005
• Organic chemistry, McMurry, John, 2012

Optional:

• Organic chemistry, study guide and student solutions manual for John McMurry´s Organic chemistry, McMurry, Susan, 2008
• Písanka organické chemie, Budka, Jan, Cibulka, Radek, 2021

PODROBNÝ SYLABUS:

1. Úvod do organické chemie. Teorie vazeb: základní pojmy: orbitaly, valenční teorie (hybridizace sp3 - methan, ethan, sp2 - ethen, sp - ethyn), základy teorie MO. Znázorňování chemické struktury (vzorce strukturní, racionální, čárové, perspektivní, prostorové). Hlavní třídy organických sloučenin. Základy nomenklatury (McMurry, 6. vydání: kap. 1, 2.12, Dodatek A; McMurry, 8. vydání: kap. 1, Dodatek A).

2. Elektronegativita atomů. Oxidační číslo, vyčíslování oxidačně-redukčních rovnic. Dipólový moment. Druhy vazeb: kovalentní, polární kovalentní, iontová. Homolytické a heterolytické štěpení vazeb. Karbokation, karbanion, radikál. Stabilita karbokationtů a radikálů. Kyseliny a báze, Brønstedova definice, Lewisova definice. Hyperkonjugace, elektronové efekty - induktivní a rezonanční. Vliv substituentů na polarizaci dvojné vazby (vysvětlení z hlediska induktivního a rezonančního efektu). Rezonance, zobrazování rezonančních struktur. Zakreslování mechanismů organických reakcí, šipkový formalismus. Základní pojmy z termodynamiky a kinetiky chemických reakcí, aktivační energie, reakční koordináta (McMurry, 6. vydání: kap. 2.1-2.10, 5.1-5.10, 6.10; McMurry, 8. vydání: kap. 2.1-2.10, 6.1-6.10, 7.9).

3. Alkany a cykloalkany. Struktura, konstituční isomerie. Konformace alkanů (ethan, butan, perspektivní vzorce a Newmanova projekce) a cykloalkanů (cyklohexan - perspektivní vzorce) Cyklohexan: torzní a sterické pnutí, židličková a vaničková konformace, konformační rovnováha monosubstituovaných a disubstituovaných cyklohexanů (cis/trans konfigurace a 1,2-, 1,3- a 1,4-disubstituovaných derivátů). Další způsoby zakreslování cyklických sloučenin (Haworthova projekce). Reaktivita alkanů - radikálová substituce (chlorace a bromace): mechanismus reakce, vznik radikálů, regioselektivita halogenace (McMurry, 6. vydání: kap. 3, kap. 4, 5.3, 5.7-5.10, 10.4; McMurry, 8. vydání: kap. 3, 4, 6.3, 6.7-6.11, 10.2).

4. Alkeny - struktura, fyzikální vlastnosti. E/Z nomenklatura. Elektrofilní adice na dvojnou vazbu: adice halogenvodíků, koncentrované a zředěné H2SO4 (regioselektivita - Markovnikovovo pravidlo), adice halogenu (stereoselektivita) a halogenu s participací rozpouštědla (voda, alkoholy). Epoxidace, hydroxylace. Radikálové reakce - adice HBr (Kharash), hydrogenace, radikálové halogenace do allylové polohy. Polymerace, včetně mechanismu (radikálová a kationtová), příklady vinylových polymerů (McMurry, 6. vydání: kap. 6, 7.2, 7.3, 7.7, 7.10, kap. 31.1-31.3; McMurry, 8. vydání: kap. 7, 8.2, 8.3, 8.6, 8.10, 31.1-31.3).

5. Konjugace, konjugované systémy. Allylový a benzylový radikál a kation, stabilita, rezonanční struktury, Dieny - kumulované (allen) a konjugované (stereochemie, s-cis/s-trans). Adice halogenu a halogenvodíku na konjugované dieny - kinetické a termodynamické řízení reakce (mechanismus pouze u adice halogenovodíků). Dielsova-Alderova cykloadiční reakce, příklady dienofilů (E a Z). Příklady dienových polymerů (McMurry, 6. vydání: kap. 2.4-2.6, 10.4-10.6, 14.1-14.7; McMurry, 8. vydání: kap. 2.4-2.6, 10.2-10.4, 14.1-14.6).

6. Alkyny - struktura, vlastnosti. Acidita terminálních alkynů. Alkylace aniontu. Reakce na trojné vazbě: hydrogenace (H2 na Pd/C a na Lindlarově katalyzátoru). Adice elektrofilů - halogenu (1, resp. 2 moly), halogenvodíku (1, resp. 2 moly). Adice vody - oxo-enol tautomerie. Kyseliny a báze mezi organickými sloučeninami, síla kyselin a bází, pKa; acidita organických sloučenin - přehled. Vliv struktury na aciditu sloučenin. Použití pak pro předpověď acidobazických reakcí (McMurry, 6. vydání: kap. 8, 2.7-2.11; McMurry, 8. vydání: kap. 9, 2.7-2.11).

7. Stereochemie, chiralita: sekvenční pravidla, R/S nomenklatura, perspektivní vzorce, Fischerova projekce (obousměrné překreslování). Optická aktivita, enantiomer, racemát. Relativní a absolutní konfigurace (erythro/threo), diastereisomer, racemát, mesosloučenina. Sterický průběh adičních reakcí (McMurry, 6. vydání: kap. 9; McMurry, 8. vydání: kap. 5).

8. Halogenalkany - struktura, fyzikální vlastnosti. Nukleofilní substituce - mechanismus SN1 a SN2. Energetický průběh reakce. Vliv substrátu (struktura), nukleofilu (pojem nukleofilita), odstupující skupiny a rozpouštědla (protické/aprotické) na mechanismus. Příklady využití SN v syntéze (příklady O-nukleofilů: voda, hydroxid, alkoholy, alkoxidy, N-nukleofilů: amoniak, aminy, azidy, C-nukleofilů: kyanid, acetylid, S-nukleofilů: methanthiolát, P-nukleofilů: trialkylfosfin) (McMurry, 6. vydání: kap. 10.1-10.7; McMurry, 8. vydání:kap. 10.1-10.5).

Dehydrohalogenace a dehalogenace. Stereochemický průběh SN reakcí. Eliminace jako konkurenční reakce SN, mechanismus E1 a E2, vztah mezi bazicitou a nukleofilitou. Regioselektivita dehydrohalogenačních reakcí (Zajcevovo pravidlo), vliv stericky objemných bazí (McMurry, 6. vydání: kap. 11; McMurry, 8. vydání: kap. 11).

9. Organokovové sloučeniny - Grignardova činidlo a organolithné sloučeniny. Příprava z halogenderivátů - umpolung. Struktura a vlastnosti. Organokovy jako báze (soli alkanů) - reakce se sloučeninami s kyselým vodíkem. Organokovy jako nukleofily - adiční reakce na karbonylovou skupinu. Transmetalační reakce (McMurry, 6. vydání: kap. 10.8, 10.9, 19.4, 19.8; McMurry, 8. vydání: kap. 10.6, 10.7, 19.4, 19.7).

10. Areny, nomenklatura. Podmínky aromaticky, Hückelovo pravidlo. Rezonanční struktury. Aromatické elektrofilní substituce - obecný mechanismus, energetický průběh reakce. Halogenace, nitrace, sulfonace. Friedel-Craftsova alkylace (přesmyk karbokationtu) a acylace. Direktivní vlivy substituentů na benzenu, vysvětlení s využitím elektronových efektů. Reakce v postranním řetězci - radikálová halogenace, oxidace na karboxylovou kyselinu, redukce (acyl na alkyl - Clemmensen, anebo hydroxyderivát). Příklady významných heteroaromatických sloučenin (McMurry, 6. vydání: kap. 15, 16.1-16.6, 16.10, 16.11; McMurry, 8. vydání: kap. 15, 16.1-16.5, 16.9, 16.10).

11. Alkoholy a fenoly - struktura, fyzikální vlastnosti. Acidobazické vlastnosti - srovnání acidity. Alkoholáty jako nukleofily (SN - Williamsonova syntéza etherů) a báze (E). Alkoholy jako báze - protonace (reakce s halogenvodíky), dehydratace alkoholů, přesmyky karbokationtů. Oxidace alkoholů na aldehydy a ketony (PCC, PDC), primárních alkoholů na karboxylové kyseliny. Ethery - struktura, oxoniové soli, štěpení etherů. Epoxidy (McMurry, 6. vydání: kap. 17, 18.1-18.3, 18.5, 18.7, 18.8; McMurry, 8. vydání: kap. 17, 18.1-18.3, 18.5-18.6).

12. Karbonylové sloučeniny - aldehydy a ketony, fyzikální vlastnosti. Struktura karbonylových sloučenin, místo ataku báze, kyseliny a nukleofilu. Nukleofilní adice na karbonylovou skupinu - organokovové sloučeniny, redukce komplexními hydridy, kysele katalyzovaná adice alkoholů - poloacetaly a acetaly (podrobný mechanismus reakce). Reakce primárních aminů a amoniaku s karbonylovými sloučeninami. Enolizace, vznik enolátu reakcí s bázemi (LDA) (McMurry, 6. vydání: Přehledný úvod ke karbonylovým sloučeninám, kap. 19.1-19.6, 19.8, 19.11,22., 22.2; McMurry, 8. vydání: Přehledný úvod ke karbonylovým sloučeninám, kap. 19.1-19.5, 19.7, 19.10, 22.1, 22.2).

13. Karboxylové kyseliny - struktura, acidita - vliv substituentů na aciditu. Syntézy kyselin - shrnutí (oxidace, nitrilová a Grignardova syntéza). Funkční deriváty karboxylových kyselin: chloridy, anhydridy, estery, amidy a nitrily. Syntéza acylchloridů. Fischerova esterifikace a kyselá hydrolýza esteru - podrobný mechanismus. Vzájemné transformace funkčních derivátů - vysvětlení a mechanismus (tetraedrický meziprodukt). Bazická hydrolýza funkčních derivátů. Příprava nitrilů dehydratací amidů. (McMurry, 6. vydání: kap. 20, 21.1-21.7; McMurry, 8. vydání: kap. 20, 21.1-21.7).

14. Aminy - struktura, syntéza pomocí SN (hydrogenace azidů a kyanidů, využití kalium-ftalimidu). Bazicita (srovnání s amoniakem), reakce aminů jako bází. Aminy jako nukleofily - alkylace a acylace aminů. Aniliny, redukce nitrobenzenu na anilin. Příklady významných přírodních aminů, aminokyseliny (McMurry, 6. vydání: kap. 24.1-24.8 bez diazoniových solí; McMurry, 8. vydání: kap. 24.1-24.8 bez kap. 24.6.3-24.6.4, 24.7.2, 24.8.2-24.8.3).

PODROBNÉ INFORMACE O UKONČENÍ PŘEDMĚTU:

Předmět je zakončen zkouškou. Student může přistoupit ke zkoušce z Organické chemie I po splnění následujících podmínek:

1. Úspěšně složil zkoušku z Obecné a anorganické chemie I

2. Získal zápočet ze semináře z Organické chemie I.

Zápočet udělují vyučující seminářů na základě výsledků práce studujících 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 seminářích během semestru (zpravidla 7. a 13. týden) a zadávají je vyučující seminářů. Průběžné testy se nenahrazují. V průběhu semestru mohou studující získat ještě dalších maximálně 20 bodů za bonusové aktivity na seminářích.

K udělení zápočtu je zapotřebí získat alespoň 100 bodů, v součtu z obou testů a z bonusových aktivit (T1 + T2 + Aktivita). Např.:

test T1 = 59 bodů, test T2 = 33 bodů, Aktivita = 12 bodů, součet 59 + 33 + 12 = 104 bodů = udělení zápočtu

test T1 = 41 bodů, test T2 = 42 bodů, Aktivita = 5 bodů, součet 41 + 42 + 5 = 88 bodů = neudělení zápočtu

V případě, že studující tato kritéria pro udělení zápočtu nesplnili, mohou napsat souhrnný zápočtový test, který zahrnuje látku za celý semestr. Souhrnný zápočtový test trvá 100 minut a hodnotí se maximálně 100 body, z nichž je potřeba získat alespoň 50 bodů. Body za aktivitu na seminářích se již k výsledku testu nepřipočítávají. Zápočtový test mohou studující psát pouze jednou, a to v jednom ze dvou oficiálních termínů vypisovaných ústavem (zpravidla ve druhém až čtvrtém týdnu 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). Pokud studující opakují předmět Organická chemie I s větším časovým odstupem, musí zápočet získat znovu podle výše uvedených pravidel. Informace o opakování předmětu jsou k dispozici na e-learningu.

Zkouška se skládá z písemné a ústní části. Podmínkou účasti na písemné zkoušce je zápočet zapsaný v SISu. Písemná část zkoušky trvá 120 min. a je klasifikována 100 body. Písemná zkouška má dvě části: část A, v níž lze dosáhnout 50 bodů a která obsahuje otázky ze základů organické chemie; část B, v níž lze rovněž dosáhnout 50 bodů a která obsahuje otázky odpovídající vyšší úrovni pochopení organické chemie. Je-li výsledek písemné zkoušky v části A alespoň 35 bodů a celkový součet výsledků v částech A a B dohromady alespoň 50 bodů, mohou studující skládat ústní zkoušku. Pokud tuto podmínku nesplní, je zkouška klasifikována známkou "F". Pokud studující neuspějí u ústní zkoušky, musí znovu opakovat i písemnou část zkoušky bez ohledu na výsledek té předchozí.

Pokud se studující ze závažných důvodů nestihnou odhlásit ze zkoušky, mohou se omluvit bez zbytečného odkladu přímo svým zkoušejícím. V tomto případě vždy uvedou 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 e-learningu.

Organizace zkoušek:

8:30 - 10:30 Písemná část zkoušky, probíhá ve velké posluchárně (zpravidla AII a AI). Informaci o místě konání písemné části zkoušky se studující dozví předchozí den e-mailem. Studující jsou povinni prokázat při zkoušce svoji totožnost vhodným průkazem totožnosti obsahujícím alespoň jméno, příjmení a aktuální fotografii. Při pozdním příchodu na písemnou zkoušku se zameškaný čas nenahrazuje.

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

13:00 - 14:00 Obvyklý začátek ústní zkoušky, v případě, že jsou zkoušející zaneprázdněni, může se ústní zkouška konat druhý den. Pořadí studentů si určují zkoušející. Přibližný časový rozpis ústního zkoušení obdrží studující e-mailem předchozí den a dostaví se podle něj ve stanovený čas ke zkoušejícím.

1. Úvod. Základní pojmy teorie vazeb. Znázorňování chemické struktury. Hlavní třídy organických sloučenin, základy nomenklatury.

2. Oxidační číslo. Vazby a částice v organické chemii. Elektronové efekty. Rezonance. Způsoby zakreslování mechanismů organických reakcí.

3. Alkany a cykloalkany, struktura, konstituční isomerie. Konformace a konfigurace alkanů a cykloalkanů. Radikálová substituce alkanů.

4. Alkeny - struktura, fyzikální vlastnosti, E/Z-nomenklatura. Elektrofilní adice na dvojnou vazbu a jejich stereochemie. Radikálové adice. Polymerace.

5. Konjugované systémy vazeb. Dieny, typy, stereochemie. Konjugované dieny, 1,2- a 1,4-adice HX a X2. Diels-Alderova reakce. Polymerace dienů.

6. Alkyny - struktura a vazba, kyselost, alkylace aniontu. Adice elektrofilů, oxo-enol tautomerie. Kyseliny a báze. Acidita organických sloučenin.

7. Organická stereochemie. Stereochemie substitučních (SN) a eliminačních reakcí.

8. Halogenalkany. Fyzikální a chemické vlastnosti, nukleofilní substituce, vliv struktury substrátu a nukleofilu.

9. Organokovové sloučeniny (pouze Mg a Li). Struktura a vlastnosti organokovů. Alkylační a adiční reakce organokovových sloučenin.

10. Areny, aromaticita. Aromatická elektrofilní substituce, direktivní vlivy substituentů. Reakce v postranním řetězci, radikálová halogenace.

11. Alkoholy a fenoly - struktura, acidobazické vlastnosti. Reakce alkokolů s halogenovodíky, dehydratace a oxidace alkoholů. Ethery a jejich reaktivita.

12. Karbonylové sloučeniny. Adice na karbonylovou skupinu - organokovy, redukce hydridy, adice nukleofilů - acetaly. Enolizace, enoláty.

13. Karboxylové kyseliny, struktura, acidita. Nukleofilní acylová substituce - transformace kyselin, chloridů, anhydridů a esterů kyselin.

14. Aminy jako substituční deriváty amoniaku - struktura, bazicita, nukleofilita. Reakce aminů jako bází a nukleofilů.

1. Introduction, main classes of organic compounds, principles of the systematic nomeclature.

2. Oxidation numbers. Bonding and particles in organic chemistry. Electronic effects. Writing the mechanisms.

3. Alkanes, cycloalkanes. Physical and chemical properties. Conformation and configuration. Radical substitution.

4. Alkenes. Physical and chemical properties. Electrophilic and radical addition reactions, regioselectivity and stereochemistry.

5. Dienes, structural types, conformational and optical isomerism. Electrophilic and radical addition reactions, kinetic and thermodynamic control. Cycloaddition reactions, principles.

6. Alkynes. Structure and acidity. Alkylation of anion. Oxo-enol tautomerism. Acids and bases in organic chemistry.

7. Organic stereochemistry. Stereochemistry of nucleophilic substitution and elimination.

8. Halogenalkanes. Physical properties. Nucleophilic substitution. Effect of substrate and nucleophile.

9. Organometallic compounds (Mg, Li). Formation and application of organometallic compounds in addition and alkylation reactions.

10. Arenes. Structure, aromaticity. Physical properties. Electrophilic substitution, mechanism and regioselectivity, effect of substituents. Reaction in side chain.

11. Alcohols and phenols, structure and physical properties. Reactions of alcohols with hydrogen halides. Ethers and their reactivity.

12. Carbonyl compounds. Nucleophilic addition reactions. Enolates.

13. Carboxylic acids. Structure, acidity. Principles of nuclephilic acyl substitution. Transformation of acylchlorides, esters and anhydrides.

14. Amines, structure, bazicity and nucleophilicity. Reactions of amines as bases and nucleophiles.

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

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

Obecná a anorganická chemie I

General and Inorganic Chemistry I