Studenti budou umět:

názvosloví a stereochemii organických sloučenin

na základě struktury předpovědět reaktivitu uhlovodíků

mechanismy reakcí uhlovodíků

syntetizovat halogenderiváty jako základní intermediáty v organické syntéze

Students will be able to:

use the nomenclature and stereochemistry of organic compounds

based on the structure predict the reactivity of hydrocarbons

solve the mechanisms of hydrocarbons reactions

synthesize the halogen derivatives as basic intermediates in organic synthesis

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

Povinná:

• Organická chemie, McMurry, John, 2015

Doporučená:

• Písanka organické chemie, Budka, Jan, Cibulka, Radek, 2021
• Konstituce, konformace, konfigurace v organickém názvosloví, preferované IUPAC názvy (PIN), Liška, František, 2023

Obligatory:

• Organická chemie, McMurry, John, 2015

Recommended:

• Písanka organické chemie, Budka, Jan, Cibulka, Radek, 2021
• Konstituce, konformace, konfigurace v organickém názvosloví, preferované IUPAC názvy (PIN), Liška, František, 2023

PODROBNÉ SYLABY:

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 rozvinuté, racionální, čárové, perspektivní). Hlavní třídy organických sloučenin. Principy nomenklatury (McMurry, 8. vydání: kap. 1, Dodatek A).

2. Elektronegativita atomů. Formální oxidační číslo. Dipólový moment. Druhy vazeb: kovalentní, polární kovalentní, iontová. Homolytické a heterolytické štěpení vazeb. Karbokation, karbanion, radikál. Stabilita karbokationtů a radikálů. Hyperkonjugace, elektronové efekty - induktivní a rezonanční. Vliv substituentů na polarizaci dvojné vazby (vysvětlení z hlediska induktivního a rezonančního efektu). Rezonance, zobrazování rezonančních struktur. Kyseliny a báze, Brønstedova definice, Lewisova definice. Síla kyselin a bází, pKa - včetně rozšíření na organické látky. (McMurry, 8. vydání: kap. 2, 3.1-3.3 a 7.9).

3. Radikálové reakce, iontové reakce. Šipkový formalismus v mechanismech organických reakcí. Termodynamika a kinetika chemických reakcí, rovnováha. Základní rozdělení reakcí (adice, substituce, eliminace, přesmyky), oxidace a redukce v organické chemii, oxidační čísla, vyčíslování redoxních reakcí. Reakční mechanismy, reakční meziprodukty, teorie transitního stavu, reakční koordináta, G a G# (vliv na rychlost a rovnováhu). Kineticky a termodynamicky řízené reakce. (McMurry, 8. vydání: kap. 6).

4. Alkany a cykloalkany. Struktura, konstituční isomerie. Konformace alkanů (ethan, butan, perspektivní vzorce a Newmanova projekce) a cykloalkanů (cyklohexan - perspektivní vzorce a jejich znázorňování). Cyklohexan: torzní a sterické pnutí, židličková a vaničková konformace, konformační rovnováha monosubstituovaných a disubstituovaných cyklohexanů, cis/trans konfigurace. Další způsoby zakreslování cyklických sloučenin (Haworthova projekce). Radikálové reakce. Radikálová substituce alkanů (chlorace, bromace, nitrace): mechanismus reakce, vznik radikálů, regioselektivita halogenace. Relativní zastoupení produktů radikálové halogenace. (McMurry, 8. vydání: kap. 3, 4 a 6.3)

5. Stereochemie (chiralita, enantiomery, diastereomery, optická aktivita), sekvenční pravidla, R/S nomenklatura, perspektivní vzorce, Fischerova projekce (obousměrné překreslování). Optická aktivita, enantiomer, racemát. Relativní a absolutní konfigurace (erythro/threo), diastereomer, racemát, mesosloučenina, převod perspektivních vzorců do Fischerovy projekce a naopak. (McMurry, 8. vydání: kap. 3.5-3.7, kap. 4, 5).

6. Alkeny - struktura, fyzikální vlastnosti. E/Z nomenklatura. Elektrofilní adice na dvojnou vazbu: adice halogenvodíků, koncentrované a zředěné H2SO4 (regioselektivita - Markovnikovovo pravidlo), adice halogenů (stereoselektivita) a halogenů s participací rozpouštědla (voda, alkoholy). Hydroxymerkurace/redukce, hydroborace/oxidace - syntetické aspekty adice „vody“ na dvojnou vazbu. Epoxidace alkenů, dihydroxylace (včetně stereoselektivity), ozonolýza. Hydrogenace. Radikálová adice HBr na alkeny (Kharash), radikálové halogenace do allylové polohy. Karbeny a cyklopropanace včetně Simmons-Smithovy reakce. ( McMurry, 8. vydání: kap. 7, 8 a 10.1-3).

7. Alkyny - struktura, vlastnosti. Acidita terminálních alkynů. Alkylace aniontu. Reakce na trojné vazbě: hydrogenace (H2 na Pd/C a na Lindlarově katalyzátoru). Redukce sodíkem. Adice elektrofilů - halogenu (1, resp. 2 moly), halogenvodíku (1, resp. 2 moly). Adice vody - oxo-enol tautomerie. Oxidační štěpení. (McMurry, 8. vydání: kap. 9).

8. Halogenalkany 1 - 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. Stereoselektivita SN. Příklady využití SN v syntéze (příklady O-nukleofilů: voda, hydroxid, alkoholy, alkoxidy, N-nukleofilů: amoniak, aminy, azidy, C-nukleofilů: kyanid, acetylid); P- a S-nukleofily. (McMurry, 8. vydání: kap. 10 a 11.1-11.6).

9. Halogenalkany 2 - dehydrohalogenace a dehalogenace. Stereochemický průběh eliminačních reakcí. Eliminace jako konkurenční reakce SN, mechanismus E1 a E2, vztah mezi bazicitou a nukleofilitou. Regioselektivita dehydrohalogenačních reakcí (Zajcevovo pravidlo). Eliminační reakce na cyklohexanu. Příprava alkenů a alkynů (McMurry, 8. vydání: kap. 11.7-11.12).

10. Organokovové sloučeniny - Grignardovo činidlo, alkyllithia, organokupráty. Příprava z halogenderivátů - přepólování. Transmetalační reakce. Organokovy jako báze (soli alkanů) - reakce se sloučeninami s kyselým vodíkem. Organokovy jako nukleofily – reakce s aldehydy a ketony, reakce organokuprátů s organickými halogenderiváty. Komplexní hydridy jako vodíková analoga organokovů. (McMurry, 8. vydání: kap. 10.6, 10.7, 19.7).

Konjugace, konjugované systémy. Allylový 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). (McMurry, 8. vydání: kap. 14).

11. Areny 1. Nomenklatura, podmínky aromaticity, Hückelovo pravidlo. Rezonanční struktury. Aromatické elektrofilní substituce - obecný mechanismus, energetický průběh reakce. Halogenace, nitrace, sulfonace. Friedelova-Craftsova alkylace (přesmyk karbokationtu) a acylace. Direktivní vlivy substituentů na benzenu, vysvětlení s využitím elektronových efektů. Aromatická elektrofilní substituce - srovnání benzenu a naftalenu, kinetické a termodynamické řízení. (McMurry, 8. vydání: kap. 15 a 16.1-16.6, 24.9).

Reakce v postranním řetězci – benzylový radikál a kation, radikálová halogenace, oxidace na karboxylovou kyselinu, redukce (acyl na alkyl - Clemmensen, Wolff-Kižněr – a na alkohol). Redukce nitrobenzenu. Redox reakce aromatického jádra: průmyslová oxidace na anhydridy, katalytická hydrogenace, Birchova redukce. (McMurry, 8. Vydání: kap. 16, 19.9)

12. Areny 2. Nukleofilní substituce aromatických sloučenin: Adičně-eliminační (Meisenheimerův intermediát) a eliminačně-adiční (arynový) mechanismus. Příprava a reakce diazoniových solí, jejich syntetické využití. Azokopulace, azosloučeniny. Diazomethan. (McMurry, 8. vydání: kap. 15 a 16, 24.8.)

Kyslíkaté deriváty uhlovodíků a jejich oxidační hierarchie. Alkoholy a fenoly 1 - struktura, fyzikální vlastnosti. Syntéza alkoholů a fenolů. Acidobazické vlastnosti - srovnání acidity. Alkoholáty jako nukleofily a báze. Alkoholy jako báze - protonace (reakce s halogenvodíky), dehydratace alkoholů, přesmyky karbokationtů.

13. Alkoholy a fenoly 2. Příprava alkylhalogenidů z alkoholů (s využitím halogenovodíků a halogenidů anorganických kyselin), převedení alkoholů na sulfonáty (mesyláty, tosyláty), sulfonáty jako odstupující skupiny. Oxidace alkoholů na aldehydy a ketony (PCC, PDC), primárních alkoholů na karboxylové kyseliny (KMnO4, CrO3). Štěpení 1,2-diolů HIO4. Fenoly jako aromáty. Kyselost fenolů, fenoláty jako nukleofily. Příprava fenolů. Oxidace fenolů, chinony. (McMurry, 8. vydání: kap. 17) Sirná analoga alkoholů: thioly, thiofenoly a jejich vlastnosti. (McMurry, 8. vydání: kap. 18.8). Ethery, epoxidy a sirná analoga. Ethery - struktura, bazicita. Štěpení etherů a otevírání epoxidů. Oxoniové soli. Thioethery, alkylace a oxidace. Sulfony, sulfoxidy, disulfidy, sulfoniové soli. Příprava etherů, epoxidů a sirných analogů. Chiralita sulfoxidů (McMurry, 8. vydání: kap. 18).

14. Dusíkaté deriváty uhlovodíků a jejich oxidační hierarchie. Aminy – struktura, bazicita, kvantitativní vyjádření bazicity, pKb. Aminy jako nukleofily - alkylace a acylace aminů. Kvartérní amoniové soli. Syntéza aminů (hydrogenace azidů a kyanidů, využití kalium-ftalimidu, redukce nitrosloučenin). Oxidace aminů, Hofmannova eliminace, Copeho štěpení. Fosforová analoga, fosfiny, fosfoniové soli. (McMurry, 8. vydání: kap. 24).

PODROBNÉ INFORMACE O UKONČENÍ PŘEDMĚTU:

Předmět je zakončen zkouškou. Studující mohou přistoupit ke zkoušce z Organické chemie A poté, co získali zápočet ze semináře z Organické chemie A.

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 A 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 do organické chemie. Teorie vazeb. Principy nomenklatury.

2. Elektronegativita atomů. Druhy a štěpení vazeb. Stabilita karbokationtů a radikálů. Elektronové efekty. Rezonance. Acidobazická teorie.

3. Chemické reakce. Reakční mechanismy a jejich zapisování. Oxidace a redukce v organické chemii.

4. Alkany a cykloalkany. Struktura a konformace alkanů a cykloalkanů. Radikálová substituce alkanů.

5. Stereochemie, optická aktivita, relativní a absolutní konfigurace.

6. Alkeny. Stereochemie. Elektrofilní adice na dvojnou vazbu. Regioselektivita a stereoselektivita. Redox reakce. Radikálové reakce. Karbeny a cyklopropanace.

7. Alkyny. Acidita terminálních alkynů. Reakce na trojné vazbě. Oxidační štěpení.

8. Halogenalkany 1. Nukleofilní substituce - mechanismus SN1 a SN2. Stereoselektivita SN. Příklady využití SN v syntéze.

9. Halogenalkany 2. Eliminační reakce. Regioselektivita a stereoselektivita. Eliminační reakce na cyklohexanu.

10. Organokovové sloučeniny. Příprava, transmetalační reakce. Organokovy jako báze a nukleofily. Konjugace, konjugované systémy. Adice na konjugované dieny.

11. Areny 1. Aromaticita. Aromatická elektrofilní substituce, direktivní vlivy substituentů. Reakce v postranním řetězci. Redox reakce aromatického jádra.

12. Areny 2. Nukleofilní substituce aromatických sloučenin. Diazoniové soli. Alkoholy a fenoly 1 - acidobazické vlastnosti, dehydratace.

13. Alkoholy a fenoly 2. Příprava alkylhalogenidů z alkoholů. Oxidace alkoholů, diolů a fenolů. Ethery a epoxidy. Sirná analoga.

14. Aminy – struktura, bazicita, syntéza. Amoniové soli. Hofmannova eliminace.

1. Organic chemistry - an introduction. Bond theory. Principles of nomenclature.

2. Electronegativity of atoms. Types and cleavage of bonds. Stability of carbocations and radicals. Electron effects. Resonance. Acidobasic theory.

3. Chemical reactions. Reaction mechanisms and their depiction. Oxidation and reduction in organic chemistry.

4. Alkaes and cycloalkane. Structure and conformation of alkanes and cycloalkanes. Radical substitution of alkanes.

5. Stereochemistry, optical activity, relative and absolute configuration.

6. Alkenes. Stereochemistry. Elektrophilic addition to double bond. Regioselectivity and stereoselectivity. Redox reactions. Radical reactions. Carbenes and cyclopropanation.

7. Alkynes. Acidity of terminal alkynes. Reactions of triple bond. Oxidative cleavage.

8. Haloalkanes 1. Nukleophilic substitution - mechanisms SN1 and SN2. Stereoselectivity of SN reactions. Samples of using of SN reactions in synthesis.

9. Haloalkanes 2. Elimination reactions. Regioselectivity and stereoselectivity. Elimination reactions of cyclohexane ring.

10. Organometalic compounds. Synthesis, transmetalation reactions. Organomatal as base and nucleophile. Conjugation, conjugate systhems. Addition reactions of conjugate dienes.

11. Arenes 1. Aromaticity. Aromatic elekctrophilic substitution, directive effects of substituents. Reactions in side chain. Redox reactions of aromatic ring.

12. Arenes 2. Nukleophilic substitution of aromatic compounds. Diazonium salts. Alcohols and phenols 1 - acidobasic behaviour, dehydratation.

13. Alcohols and phenols 2. Synthesis of haloalkanes from alcohols. Oxidation of alcohols, diols and phenols. Ethers and epoxides. Sulphur analogues.

14. Amines – structure, basicity, synthesis. Ammonium salts. Hofmann elimination.

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

Elektronic workbook: http://och.vscht.cz

Obecná a anorganická chemie I

General and inorganic chemistry I