Стереохимия (стр. 3 )

№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1.1	1.2	1.3	2.1	2.2	3.1	3.2		…
1.	Выполнение квалификационной работы	+	+	+	+	+	+	+

5.  Содержание дисциплины.

Модуль 1

Тема 1.1. Основные понятия стереохимии.

Место и роль стереохимии в химии. Стереохимические особенности атома углерода. Симметрия молекул некоторых органических соединений. Основные стереохимические явления. Характеристики связей (длина связей, валентные и диэдральные углы). Молекулярные модели. Конформационные явления. Перспективные проекционные формулы, проекции Фишера.

p-Диастереомерия (цис-транс). Формулы. s-Диастереомерия ациклических и циклических соединений. Мезо-, эритро - и трео-формы. Формулы Фишера. Псевдоасимметрический атом углерода. Энантиомерия. Понятие о плоскополяризованном свете. Оптическая активность и ее измерение. Поляриметрия и спектрополяриметрия. Конфигурация. Проекционные формулы и их преобразование. Знак вращения. Рацематы. Асимметрия и хиральность. Стереохимическая номенклатура. Правила последовательности. Номенклатура конформеров. Номенклатура p-диастереомеров. Номенклатура ациклических и циклических s-диастереомеров. Номенклатура энантиомеров. Хиральность молекул: хиральный центр, хиральные ось и плоскость, спиральная хиральность. Стереохимическая номенклатура алленовых и спиро-соединений, атропо-изомеров. Концепция "топности". Гомо-, энантио - и диастереотопные отношения атомов и групп. Прохиральность и ее обозначения.

Тема 1.2. Методы получения стереоизомеров.

Расщепление рацематов отбором кристаллов и самопроизвольная кристаллизация. Кристаллизация в оптически активных растворителях. Расщепление через диастереомеры. Использование "соединительных звеньев". Расщепление через молекулярные соединения. Адсорбционное расщепление. Биохимическое получение оптически активных веществ.

Асимметрический синтез и его типы. Энантиоселективность. Кинетическое расщепление. Диастереоселективность. Возникновение хирального центра из карбонильной группы: правила Прелога и Крама. Абсолютный асимметрический синтез. Методы определения оптической чистоты.

Тема 1.3. Определение пространственной конфигурации молекул.

Определение конфигурации s - и p-диастереомеров. Физические основы оптической активности. Эффект Коттона и циркулярный дихроизм. Определение конфигурации энантиомеров: химическая корреляция, метод оптического сравнения. Метод квазирацематов. Хироптические методы. Спектроскопия ЯМР.

Модуль 2

Тема 2.1. Стереохимия углеводородов и их производных.

Конформационный анализ алканов. Конформации галогеналканов и других производных. Конформации и реакционная способность (реакции замещения и отщепления у насыщенного атома углерода). Оптическая активность и конформации.

Стереохимия циклоалканов и их производных. Особенности стереоизомерии в циклах. Внутренняя энергия циклоалканов: виды напряжений. Циклопропан и циклобутан. Псевдовращение в циклопентане. Циклогексан, его моно - и полизамещенные. Свободная конформационная энергия. Реакционная способность производных циклогексана. Стереохимия циклогептана и его производных. Средние циклы. Трансаннулярные взаимодействия и трансаннулярные реакции. Макроциклы. Конденсированные системы. Спираны.

Стереохимия алкенов, диенов и их производных. Особенности стереоизомерии алкенов и циклоалкенов. Получение p‑диастереомеров. Устойчивость и взаимопревращения. Стереохимия реакций алкенов. Сопряженные диены. Стереохимия диенового синтеза. Аллены и их стереоизомерия.

Стереохимия аренов и их производных. Особености пространственного строения ароматических соединений. Орто-эффект и пространственные препятствия. Конформации ароматических соединений с боковыми цепями. Стереохимия бифенила и его производных. Циклофаны и ансасоединения. Гелицены.

Тема 2.2. Стереохимия соединений азота.

Пространственное строение атома азота в аммиаке и аминах. Стереохимия оксимов и их аналогов. Оптически активные соединения трехвалентного азота: основание Трегера, этиленимины, оксираны. Стереохимия оптически активных соединений с четырехвалентным азотом. Стереохимия амидов и их производных.

Модуль 3

Тема 3.1. Стерические эффекты в органических реакциях.

Связь между пространственным строением молекулы и ее реакционной способностью. Напряженные молекулы. Ароматические и антиароматические структуры.

Нуклеофильные реакции. Пространственное строение нуклеофильных частиц и активированных комплексов. Стерическое влияние объемных заместителей. Инверсия оптической активности в реакциях нуклеофильного замещения. Электрофильные реакции. Пространственное строение электрофильных частиц и активированных комплексов. Стереоселективные реакции электрофильного присоединения.

Стереоселективность электроциклических реакций. Правила Вудворда-Хоффмана и принцип сохранения орбитальной симметрии.

Тема 3.2. Методы количественного выражения стерических эффектов.

Количественная оценка общего влияния электронных и стерических эффектов. Уравнение Гаммета и константы Гаммета. Уравнение Тафта и константы Тафта. Проблемы разделения индуктивного и мезомерного эффектов. Стерические константы заместителей и их определение. Значение корреляционных уравнений для изучения механизмов реакций.

6.  Планы семинарских занятий.

(Примерные типы задач по всем темам приведены в разделе 9)

Тема 1.1. Основные понятия стереохимии. (2 час.). Конфигурация и хиральность. Стереохимическая номенклатура. Молекулы, содержащие один асимметрический атом. Энантиомерия. Решение задач.

Тема 1.2. Методы получения стереоизомеров. (2 час.). Методы получения стереоизомеров. Расщепление. Асимметрический синтез, получение через диастереомеры. Решение задач.

Тема 1.3. Определение пространственной конфигурации. (2 час.). Определение пространственной конфигурации геометрических стереомеров; энантиомеров; диастереомеров. Решение задач.

Тема 2.1 Стереохимия углеводородов и их производных. (3 час.). Стереохимия алканов, циклоалканов, аренов и их производных. Решение задач.

Тема 2.2. Стереохимия соединений азота (3 час.). Стереохимия производных аммиака, иминов, амидов, амидинов. Оптическая активность аминов. Решение задач.

Тема 3.1. Стерические эффекты в органических реакциях. (3 час.). Виды стерических эффектов открытых молекул; малых, средних и макроциклов. Взаимосвязь стерического влияния и реакционной способности. Решение задач.

Тема 3.2. Методы количественного выражения стерических эффектов. (2 час.). Энергия напряжения, эффективный объем заместителей, конформационная энергия. Решение задач.

7.  Темы лабораторных работ (Лабораторный практикум).

Лабораторный практикум учебным планом не предусмотрен.

8.  Примерная тематика курсовых работ

Курсовые работы учебным планом не предусмотрены.

9.  Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).

Примерные вопросы и задачи для контрольных работ

1.  Нарисуйте проекционную формулу Фишера мезо-2,3-дибромбутана.

2.  Укажите конфигурацию по R, S-номенклатуре обоих хиральных центров соединения, приведенного в задаче 1.

3.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 соединения, приведенного в задаче 1.

4.  Приведите проекционную формулу Фишера (R)-1-бром-1-фенилпропана.

5.  Можно ли расщепить на энантиомеры 6,6’-дибромдифенил-2,2’-дикарбоновую кислоту.

6.  Нарисуйте проекционную формулу Фишера эритро-пентандиола-2,3.

7.  Укажите конфигурацию по R, S-номенклатуре обоих хиральных центров соединения, приведенного в задаче 6.

8.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 соединения, приведенного в задаче 6.

9.  Приведите проекционную формулу Фишера S-2-амино-3-оксипропановой кислоты.

10.  Можно ли расщепить на энантиомеры 2,2’-дииоддифенил-4-карбоновую кислоту.

11.  Нарисуйте проекционную формулу Фишера трео-1,2-дифенил-1-бром-2-хлорэтана.

12.  Укажите конфигурацию по R, S-номенклатуре обоих хиральных центров соединения, приведенного в задаче 11.

13.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 соединения, приведенного в задаче 11.

14.  Приведите проекционную формулу Фишера S-3-метилпентена-1.

15.  Можно ли расщепить на энантиомеры 1,3-дифенил-1,3-ди-β-нафтилаллен.

16.  Нарисуйте проекционную формулу Фишера эритро-3-дейтеробутанола-2.

17.  Укажите конфигурацию по R, S-номенклатуре обоих хиральных центров соединения, приведенного в задаче 16.

18.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 соединения, приведенного в задаче 16.

19.  Приведите проекционную формулу Фишера R-фенил-п-хлорфенилкарбинола.

20.  Укажите, являются ли обе стороны двойной связи С=О в соединениях С6Н5СНО, (СН3)2СО гомотопными, энантиотопными или диастереотопными.

21.  Нарисуйте проекционную формулу Фишера мезо-2,3-диметилянтарной кислоты.

22.  Укажите конфигурацию по R, S-номенклатуре обоих хиральных центров соединения, приведенного в задаче 21.

23.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 соединения, приведенного в задаче 21.

24.  Приведите проекционную формулу Фишера S-2-аминопропионовой кислоты.

25.  Укажите, являются ли обе стороны двойной связи С=О в соединениях СН3СОСН(СН3)С2Н5, СН3СОСН2СН2СОСН3 гомотопными, энантиотопными или диастереотопными.

26.  Нарисуйте проекционную формулу Фишера 2,3-дихлор-1,4-бутандиола (трео-форма).

27.  Укажите конфигурацию по R, S-номенклатуре обоих хиральных центров соединения, приведенного в задаче 26.

28.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 соединения, приведенного в задаче 26.

29.  Приведите проекционную формулу Фишера R-2-оксипропионовой кислоты.

30.  Укажите, являются ли обе стороны двойной связи С=С в малеиновой и фумаровой кислоте гомотопными, энантиотопными или диастереотопными.

31.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 для изобутилбромида (СН3)2СНСН2Br.

32.  Напишите проекционную формулу S-пропандиендикарбоновой кислоты.

33.  Обозначьте прохиральность сторон кратной связи в молекуле 2-метилциклогексанона.

34.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 для мезо-1,2-дихлор-1,2-дифенилэтана.

35.  Какие виды изомерии возможны для бутантриендикарбоновой кислоты.

36.  Обозначьте прохиральность сторон кратной связи в молекуле бензальдегида, метилэтилкетона.

37.  Укажите конфигурацию по R, S-номенклатуре обоих хиральных центров соединения, приведенного в задаче 36.

38.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 соединения, приведенного в задаче 36.

39.  Сколько стереоизомеров возможно для 1-бром-2-хлорциклопропана?

40.  Какой энантиомер образуется при взаимодействии бензальдегида с циановодородом с si-стороны?

41.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 для бутанола-2.

42.  Какой энантиомер образуется при восстановлении уксусного альдегида с re-стороны ферментом NADH (фермент дейтерирован).

43.  Нарисуйте проекционную формулу Фишера трео-3-фенилпентандиола-2.

44.  Укажите конфигурацию по R, S-номенклатуре обоих хиральных центров соединения, приведенного в задаче 43.

45.  Приведите проекции Ньюмена φ1, φ3, φ5 соединения, приведенного в задаче 43.

46.  Рассмотрите стереохимию продукта присоединения воды к стиролу с Re-стороны.

47.  Нарисуйте проекционную формулу Фишера для 3(S)-бромбутанола-2(S). Сколько стереоизомеров имеет это соединение?

48.  Приведите проекции Ньюмена для различных скошенных конформаций соединения, указанного в задании 47. Обозначте их по стереохимической конформационной номенклатуре.

49.  Какие топные отношения имеются между гидроксиметильными группами (-СН2ОН) в глицерине? Между атомами водорода этой же группы?

50.  Какие стереохимические отношения возникнут между продуктами этерификации глицерина уксусной кислотой по разным гидроксиметильным группам?

51.  Сколько стереоизомеров возможно для а) 3,4-диметилциклопентанона, б) 3-метилциклопентанона?

52.  Образование каких продуктов можно ожидать при реакции тетрацианэтилена с:

а) цис-S-транс-гексадиеном-2,4;

б) цис-S-гексадиеном-2,4;

в) 3-метиленциклогексеном?

53. В реакции циклопентадиена с малеиновой и фумаровой кислотами образуется несколько стереоизомеров. Опишите стереохимические результаты каждой реакции.

54. Можно ли выделить стереоизомеры следующих соединений:

а) 1,4-дихлорциклогексан;

б) хлорциклогексан (с экваториальным и аксиальным хлором).

55. Транс-коричная кислота при взаимодействии с бутадиеном-1,3 по реакции Дильса-Альдера образует рацемическую смесь. Что получится из цис-коричной кислоты в тех же условиях?

56. Объясните, почему при пиролизе ацетата транс-2-фенилциклогексанола образуется, главным образом, 1-фенилциклогексен и уксусная кислота, а при пиролизе цис-изомера, в основном, 3-фенилциклогексен и уксусная кислота.

57. Приведите синтез цис-циклогексан-дикарбоновой кислоты, исходя из бутадиена и малеинового ангидрида. Точно опишите следующие характеристики полученного соединения: а) пространственную конфигурацию; б) оптическую изомерию.

58. Цис - и транс-1-хлор-2,3-диметилпентены-2 обрабатывают 50%-м водным раствором ацетона. Образуется смесь стереоизомеров, соответствующих двум спиртам различной структуры. При обработке этой смеси Br2 в CCl4 получили два различных продукта, каждый в форме 4-х изомеров. Рассмотрите стереохимию этих изомеров.

59. Какой энантиомер образуется при восстановлении уксусного альдегида с re-стороны ферментом NADH (фермент дейтерирован).

60. Рассмотрите стереохимический результат реакции 1-третбутил-циклогексена-1 с хлором в растворе CCl4.

61. В ИК-спектре этилвинилкетона имеютс полосы поглощения С=О при 1687 и 1708 см-1. Что можно сказать о стереохимии этого соединения?

62. Сравните устойчивость следующих соединений: цис - и транс-2-трет-бутилциклогексанолов.

63. Какая из стереоизомерных форм (трео - или эритро-) предпочтительно образуется при присоединении брома к транс-3-метилпентену-2.

64. Обозначьте конфигурацию дибромида по R, S-номенклатуре.

65. Действуют бромом в присутствии LiCl в CCL4 на транс-4-метил-гексен-3. Напишите какие продукты присоединения образуются в этой реакции и рассмотрите их стереохимию.

66. Напишите структурные формулы транс-3-хлорциклогексанола и цис-4-хлорциклогексанола, а также их энантиомеров, если они возможны.

67. рассмотрите стереохимические результаты реакции 1-трет-бутил-циклогексена-1 с хлором в растворе CCL4.

68. Определите конформацию изопрена, если в его УФ-спектре имеется полоса поглощения при 220 нм (ε=24000).

69. Отщепляют одну молекулу HBr от дибромстильбена, обрабатывая это соединение раствором основания. Зная, что кинетика реакции элиминирования соответствует второму порядку, определите, во что превращается в ходе реакции каждый из изомеров дибромстильбена.

70. Вычислите оптическую чистоту и соотношение D - и L - изомеров α-фенилэтиламина, имеющего [α]D20 +180, если оптически чистое вещество имеет [α]D20 ±40,70.

71. Напишите структуры всех возможных заторможенных конформаций (+)-винной кислоты. Идентичны ли они своим зеркальным отражениям? Сколько оптически активных форм винной кислоты могло бы существовать в том случае, если вращение вокруг 2,3-связи было бы невозможно и существовали только одни заторможенные конформации?

72. Объясните как можно установить, по какому пути – цис - или транс - происходит присоединение перекиси водорода в муравьиной кислоте к циклопентену?

73. Предложите схему превращения R-энантиомера α-дейтероэтанола в S-энантиомер.

74. Напишите проекционную формулу Фишера для эритро-1,2-дифенил-пропанола-1 и обозначьте конфигурацию хиральных центров данного соединения по R, S-номенклатуре.

75. Какой энантиомер образуется при взаимодействии бензальдегида с циановодородом с Si-стороны?

76. Сколько пространственных изомеров и сколько конформаций возможно для гептадиена-2,4?

Контрольные вопросы и задачи к зачету

1.  По заданной химической формуле (составу) вещества:

а) построить пространственную структурную формулу, указать в ней линейные, плоские и тетраэдрические фрагменты;

б) указать величины всех валентных углов;

в) определить наличие (отсутствие) в молекуле стерических напряжений байеровского и питцеровского типов;

г) определить наличие (отсутствие) стереоизомеров, указать тип стереоизомеров, описать их конфигурации.

2. Для заданной молекулы указать наличие электронных эффектов сопряжения и возможную связь между ними и особенностями пространственного строения молекулы.

3. Для заданной органической реакции описать стереохимические особенности переходного состояния.

4. Для заданной органической реакции указать возможность протекания со стереоселективным эффектом.

5. Предложить методику разделения заданной смеси энантиомеров.

6. Предложить экспериментальную методику контроля протекания заданной стереоселективной реакции.

7. Предложить методику экспериментального определения стерических множителей Тафта для заданного типа молекул.

8. Вычислить отношение скоростей реакции по заданным значениям стерических множителей Тафта.

9. Объясните, почему при пиролизе ацетата транс-2-фенилциклогексанола образуется, главным образом, 1-фенилциклогексен и уксусная кислота, а при пиролизе цис-изомера, в основном, 3-фенилциклогексен и уксусная кислота.

10. Проведите синтез цис-циклогексан-дикарбоновой кислоты, исходя из бутадиена и малеинового ангидрида. Точно опишите следующие характеристики полученного соединения: а) пространственную конфигурацию; б) оптическую изомерию.

11. Рассмотрите стереохимический результат реакции 1-третбутилциклогексена-1 с хлором в растворе четыреххлористого углерода.

12. Сравните устойчивость следующих соединений: цис - и транс-2-третбутилциклогексанолов.

13. Отщепляют одну молекулу HBr от дибромстильбена, обрабатывая это соединение раствором основания. Зная, что кинетика реакции элиминирования соответствует второму порядку, определите, во что превращается в ходе реакции каждый из изомеров дибромстильбена?

10.  Образовательные технологии.

При реализации дисциплины с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся предусматриваются следующие формы обучения:

•  активные формы обучения (проблемные лекции, выполнение мини-проектов на практических занятиях, решение ситуационных задач);

•  интерактивные формы обучения ( мультимедийные лекции, использование тестовых заданий по дисциплине для проверки знаний студентов, мастер-классы специалистов).

11.  Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.

11.1.  Основная литература:

1. Беляцкий в органическую химию. Тюмень: Изд-во ТюмГУ. 2007.

2. , Метелева основы органической химии и стереохимия. Методические указания. Тюмень. Изд-во ТюмГУ, 2004.

3. Паничев атомов и молекул. Тюмень: Изд-во ТюмГУ. 2008.

11.2.  Дополнительная литература:

1. Потапов . М.: Химия, 1988.

2. Стереохимия. М.: Мир, 1984.

3. Стереоселективный синтез. М.: Мир, 1989.

4. Основы стереохимии и конформационного анализа. Л.: Химия, 1974.

11.3.  Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:

http://*****

http://e.

12.  Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины.

Все лекции и семинарские занятия обеспечены мультимедийными презентациями и видеофильмами. Для чтения лекций и проведения семинарских занятий необходимо наличие аудиторий, оснащенных мультимедийной техникой (компьютер, проектор и др.).

Для самостоятельной работы студентов необходим доступ в компьютерный класс, имеющий выход в Интернет.