Занятие №1 Ароматические и гетероциклические соединения. Спектральные методы исследования и идентификации органических соединений: электронная и инфракрасная спектроскопия.

I. Цель занятия:

1.Научиться составлять названия ароматических соединений.

2.Познакомиться с концепцией ароматичности и научиться определять, является ли соединение ароматическим.

3.Изучить химические реакции производных бензола, рассмотреть способы синтеза некоторых лекарственных препаратов на основе бензола .

4.Познакомиться с конденсированными ароматическими системами. Рассмотреть особенности химического поведения этих систем.

5.Познакомиться с пяти-, шестиатомными гетероциклическими соединениями, изучить химические свойства важнейших из них.

6.Познакомиться с биологическими веществами и лекарственными препаратами, содержащими открытые и циклические сопряжённые системы.

7.Познакомиться с некоторыми методами исследования и идентификации сопряженных систем - электронной и инфракрасной спектроскопией

II. Исходный уровень знаний:

1.Теория А.М. Бутлерова.

2.Типы гибридизации атомных орбиталей -sp² (-sp, -sp³).

3. Основные свойства бензола и его гомологов. Способы получения бензола.

4.Номенклатура радикалов, гомологов, изомеров и производных бензола.

5.Изомерия ароматических углеводородов.

III. После изучения этой темы студент должен

знать:

- строение, изомерию, номенклатуру и характер химических связей в аренах.

- особенности строения и химических свойств сопряжённых алкадиенов

- химические свойства ароматических углеводородов, ориентирующее действие заместителей и особенности биологического окисления аренов.

- механизм реакции электрофильного замещения S_E.

- возможные электронные состояния атомов азота и влияние их на основность, нуклеофильность и комплексообразующую способность азотсодержащих соединений.

- строение и свойства пяти - и шестичленных ароматических азотсодержащих гетероциклических соединений.

- строение и свойства пиримидиновых и пуриновых производных.

- возможности использования электронных и инфракрасных спектров для изучения структуры и идентификации сопряженных систем и фрагментов.

уметь:

- определять, является ли соединение ароматическим, а для гетероциклических, кроме того, π-избыточным или π-недостаточным.

- объяснить направляющее действие заместителей и предсказать конечный продукт реакции.

- составлять уравнения химических реакций ароматических и гетероциклических соединений с рассмотрением механизма электрофильного замещения (S_E).

IV. Основные вопросы темы:

1.Классификация органических реакций. Электронные эффекты заместителей: индуктивный и мезомерный.

2.Открытые сопряжённые системы: диены, природа химической связи и особенности реакционной способности.

3.Классификация ароматических систем. Условия ароматичности. Термодинамическая устойчивость ароматических систем.

4.Правила замещения в бензольном кольце.

5.Реакции электрофильного замещения в бензольном кольце (S_E): галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование для гомологов и производных бензола. Механизм S_E.

6.Особенности реакционной способности ароматических молекул с конденсированными кольцами.

7. π-избыточные (пиррол, фуран, тиофен, индол) и π-недостаточные (пиридин, хинолин, пиримидин) ароматические молекулы. Имидазол. Пурин

8. Особенности химических свойств гетероциклических соединений.

9. Открытые и циклические сопряжённые системы как основа биологически активных

веществ и лекарственных препаратов.

10. Основы электронной и инфракрасной спектроскопии. Возможности использования УФ- и ИК-спектров для определения и идентификации сопряженных фрагментов и молекул.

V. Вопросы и задания для самоподготовки: ( обязательные домашние задания выполняемые в отдельной тетради).

1 Дайте определение «сопряжения» и «ароматичности».

2. Укажите сопряжённые участки в молекулах биологически важных соединений: ретинола, сорбиновой кислоты, циклопентадиена и циклопентадиенил-аниона.

3. Объясните химические свойства систем с открытой цепью сопряжения: реакции электрофильного присоединения. А_Е (1, 2), А_Е (1,4) на примере изопрена.

4.Классификация систем с замкнутой цепью сопряжения. Напишите формулы стирола,фенантрена,фурана,пиримидина.

5.Условия ароматичности. Правило Хюккеля. Энергия сопряжения ароматических молекул. Докажите и сравните ароматичность бензола, нафталина,пиррола и пиридина.

6.Напишите и назовите:

а) 3 ближайших гомолога бензола, их структурные изомеры (там,где они есть,)

б) радикалы - фенил, бензил, (о-, м-, n-) толил.

7.Объясните,почему для аренов характерны реакции электрофильного замещения (S_E).

Рассмотрите механизм S_E на примере реакции получения толуола (алкилирование бензола).

8.Правила замещения в бензольном кольце. Ориентанты I и II рода. Согласованное и несогласованное действие заместителей. Получите из бензола м-бромнитробензол и п-бромнитробензол.

9.Напишите уравнения следующих реакций и рассмотрите механизм S_E:

а) сульфирование толуола

б) нитрование бензойной кислоты

в) бромирование фенола

10.Напишите формулы промежуточных и конечных продуктов в следующих схемах:

11.Сравните химические свойства конденсированных аренов (нафталина, антрацена, фенантрена) и бензола. Напишите уравнения соответствующих реакций:

а) сульфирование и окисление нафталина

б) гидрирование антрацена

в) бромирование (бромная вода) фенантрена

12.Какие биологически-активные вещества содержат структурные фрагменты конденсированных углеводородов?

13.Гетероциклические пятичленные соединения: пиррол, фуран, тиофен, индол. Почему они называются π-избыточными системами? Что означает термин «пиррольный атом азота»? Напишите уравнения реакций:

а) нитрование фурана

б) сульфирование пиррола

в) алкилирование индола

д) взаимодействия пиррола с натрием.

14. Гетероциклические π-недостаточные системы - пиридин, хинолин, пиримидин. Что означает термин «пиридиновый атом азота». Напишите уравнения реакций и назовите полученные соединения:

а) пиридина с H₂О и HNO₃

б) сульфирования пиридина

в) окисления 3-метил пиридина

Каково медико-биологическое значение производных хинолина?

15. Имидазол, амфотерные свойства имидазола. Пурин - конденсированная система двух гетероциклов ─ пиримидина и имидазола. Значение в процессах жизнедеятельности.

Пиримидиновые и пуриновые основания.

16.Спектральные методы исследования аренов:

а) электронные спектры поглощения: природа и способы изображения электронных спектров. Связь УФ-спектров со строением сопряженных молекул.

б) инфракрасные спектры: типы колебаний атомов в молекуле. Характеристические частоты. Интерпретация ИК- спектров.

VI. Вопросы для самоконтроля (включены в коллоквиум и зачетное занятие)

1.Что такое сопряжение и ароматичность?

2 Как определить, что следующие молекулы являются ароматическими?

1) 2) 3) 4)

. Назовите их, пронумеруйте атомы в молекулах. Укажите наиболее реакционные центры.

3. Почему заместители СН₃, ОН, NH₂ (электронодоноры) являются о-, n – ориентантами, а заместители СООН, NO₂, SO₃H (электроноакцепторы) – м-ориентантами?

4.Приведите примеры согласованного и несогласованного действия заместителей.

5.Почему пиррол – π-избыточная система, а пиррол - π-недостаточная? Докажите это. Что означает «пиррольный атом азота» и «пиридиновый атом азота»?

6.Какое положение (α или β ) пиррола наиболее реакционноспособно в реакциях S_E? Почему?

7.Почему пиррол обладает слабокислыми свойствами? Какой реакцией это можно доказать?

8.Как можно осуществить превращение пиррол фуран тиофен пиррол?

9.Что означает ацидофобность пиррола?

10.Вступает ли индол в реакции S_E? Какое положение (α или β) наиболее реакционноспособно?

11.Почему пиридин обладает основными свойствами? Покажите это с помощью соответствующих реакций.

12.Легче или труднее вступает пиридин в реакции S_E по сравнению с бензолом? Почему?

13.Что такое витамин PP?

14.Сравните химическую активность хинолина, бензола, пиридина в реакциях S_E на примере реакции нитрования.

15.Название пара-метилизопропилбензол соответствует соединению:

1) 2). 3) 4)

16. В каком соединении все заместители проявляют электронодонорные свойства:

1) 2) 3) 4)

17. Молекула не имеет сопряжённую систему связей:

1) 2) 3) 3)

18 Инфракрасные спектры позволяют констатировать

1. присутствие в соединении фенильной группы

2. число заместителей

3. положение заместителей в цикле

4. энергию сопряжения

19. Влияние природы заместителей на бензольный хромофор УФ спектра( 1980, A)

1.электронодонорные заместители увеличивают поглощение

2 .электронодонорные заместители уменьшают поглощение

3. электроноакцепторные заместители увеличивают поглощение

4. электроноакцепторные заместители уменьшают поглощение

Ответы

15	16	17	18	19
В	4	4	1,2,3	1