Гетероциклические соединения

 

Природа ароматичности ненасыщенных гетероциклов, их клас­сификация.

Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Важнейшие методы синтеза, взаимные переходы (реакция Юрьева). Зависимость свойств от природы гетероатомов. Реакции гидрирования и окисления. Фуран и ацетилпиррол в диеновом синтезе.

Ориентация реакций электрофильного замещения в пятичленных гетероциклах.

Шестичленные циклы с одним гетероатомом. Пиридин. Синтез простейших производных пиридина, их нахождение в природе. Электронное строение. Реакции с алкилгалогенидами, комплексы с бромом, серным ангидридом. Окислительные и восстановительные реакции производных пиридина. Электрофильное замещение в ядро пиридина (нитрование, сульфирование, бромирование). N-Окись пиридина, её использование в синтезе. Расщепление пиридинового кольца. Нуклеофильные реакции пиридинов с амидом натрия (Чичибабин), гидроксидом калия, фениллитием.

Шестичленные гетероциклы с несколькими гетероатомами. Пи­римидин и пурины, их роль в природе. Урацил, тимин, цитозин -. компоненты нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК). Нуклеозиды и нуклеотиды ­ их роль в первичной структуре нуклеиновых кислот. Вторичная структура нуклеиновых кислот, представление о механизме передачи генетической информации.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основной:

1. Травень В.Ф. Органическая химия. В 2 томах. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.

2. Органическая химия. Учеб. для вузов: В 2 кн./ Под ред. Н.А.Тюкавкиной. М.: Дрофа, 2003.

3. Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия. В 4 частях. М.: БИНОМ, 2007.

 

Дополнительный:

1. Иванов В.Г., Горленко В.А., Гева О.Н. Органическая химия. М.: Издательский центр «Академия», 2009.

2. Шабаров Ю.С. Органическая химия. М.: Химия, 1994.

3. Терней А. Современная органическая химия. В 2 томах. М.: Мир, 1981.

4. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия. М.: Мир, 1974.

5. Нейланд О.Я. Органическая химия. М.: ВШ, 1990.

6. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии. М.: Мир, 1991.

7. Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х. Органическая химия. М.: Химия, 1979.

8. Робертс Дж., Кассерио М. Основы органической химии. В 2 томах. М.: Мир, 1978.

9. Казицина Л.А. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. М.: МГУ, 1974.

 

Примерный перечень вопросов для подготовки к итоговому междисциплинарному экзамену

По специальности 020101.65 Химия

 

 

1. Типы химических связей в органических молекулах: ковалентные, ионные связи, водородные. Механизмы образования ковалентной связи. Характеристики ковалентной связи (длина, энергия, полярность, поляризуемость, дипольный момент направленность, насыщаемость). Гомолиз и гетеролиз ковалентных связей.
2. Гибридизация атомных орбиталей и зависимость строения молекул от типа гибридизации. Простые, двойные и тройные связи. Электроотрицательность атома углерода в различных валентных состояниях и влияние на свойства связей.
3. Взаимное влияние атомов с точки зрения электронной теории. Электронные эффекты заместителей.
4. Сопряжённые системы. Делокализация орбиталей. Молекулярно-орбитальное описание ароматических соединений. Понятие об ароматичности циклов. Правило 4n+2. Особенности ароматических систем.
5. Типы органических кислот. O–H-кислоты, S–H-кислоты, N–H-кислоты, C–H- кислоты. Влияние заместителей на константы диссоциации органических кислот.
6. Типы органических оснований. Общие положения зависимости основности от строения.
7. Алканы. Строение и реакционная способность. Реакции свободнорадикального замещения.
8. Алкены. Строение и реакционная способность. Механизм реакции электрофильного присоединения.
9. Реакции присоединения по кратной связи. Электрофильное и свободнорадикальное присоединение.
10. Радикальная и ионная полимеризация и теломеризация алкенов.
11. Особенности строения и свойства сопряженных диенов. Особенности 1,2-и 1,4-присоединения. Диеновый синтез.
12. Алкины. Строение и реакционная способность.
13. Циклоалканы. Зависимость свойств от размера цикла. Методы получения циклоалканов.
14. Арены. Типы аренов. Ароматичность. Правило Хюккеля. Электронное строение бензола,циклопентадиенил-аниона, циклогептатриенил-катиоа, циклопропенил-катиона. Энергия стабилизации бензола.
15. Электрофильное замещение в ряду аренов (галогенирование, нитрование, алкилирование, сульфирование, ацилирование).
16. Механизм реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду. Роль катализаторов в реакциях S _E.
17. Влияние заместителей на ориентацию и скорости реакций электрофильного замещения, согласованная и несогласованная ориентация в ряду производных бензола.
18. Полиядерные ароматические соединения. Реакции электрофильного замещения. Влияние заместителей на направление реакции замещения.
19. Реакции с участием боковых цепей аренов: галогенирование, нитрование, окисление, дегидрирование.
20. Металлоорганические соединения. Получение и реакции магнийорганических соединений.
21. Реакции нуклеофильного замещения в галогеналканах.
22. Конкуренция реакций замещения и элиминирования в галогеналканах. Механизмы Е1 и Е2, их стереохимические особенности.
23. Спирты как основания, нуклеофильные реагенты и O–Н-кислоты.
24. Фенолы. Кислотность фенолов, зависимость её от заместителей в ароматическом фрагменте. Сравнение свойств спиртов и фенолов.
25. Карбонильные соединения. Строение карбонильной группы. Реакционная способность альдегидов и кетонов.
26. Реакции присоединения по карбонильной группе. Механизм реакции нуклеофильного присоединения.
27. Альдольно-кротоновая конденсация карбонильных соединений.
28. Карбоновые кислоты. Особенности строения карбоксильной группы. Особенности физических свойств, обзор реакционной способности. Зависимость кислотности карбоновых кислот от индуктивного эффекта заместителей.
29. Реакции карбоновых кислот, получение производных.
30. Сложные эфиры. Механизм реакции этерификации. Гидролиз и переэтерификация сложных эфиров.
31. Сложноэфирная конденсация. Её использование в органическом синтезе.
32. Гидроксикислоты. Общие методы синтеза. Зависимость свойств (кислотность, отношение к минеральным кислотам, поведение при нагревании) гидроксикислот от их строения. Природные гидроксикислоты.
33. Особенности строения и свойств моносахаридов.
34. Нитросоединения, их электронное строение. Методы синтеза (по Мейеру, Коновалову, окислением аминов). Свойства нитроалканов. Повышенная С–Н- кислотность нитроалканов..
35. Амины. Электронное строение алифатических и ароматических аминов. Общие свойства аминов: амины как основания, нуклеофильные реагенты, N–Н-кислоты.
36. Ароматические амины. Влияние заместителей в ароматическом кольце на основность аминов. Реакции с участием аминогруппы. Отношение ароматических аминов различных типов к азотистой кислоте. Реакция диазоторования.
37. Реакция азосочетания. Механизм, условия азосочетания, азо- и диазосоставляющие. Азокрасители, зависимость их строения от рН среды. Индикаторы.
38. Реакции солей диазония с выделением азота: замена диазогруппы на водород, галогены, гидроксил, циано-группу и др.
39. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Важнейшие методы синтеза, взаимные переходы (реакция Юрьева). Зависимость свойств от природы гетероатомов. Ориентация реакций электрофильного замещения в пятичленных гетероциклах.
40. Шестичленные циклы с одним гетероатомом. Пиридин. Электронное строение. Реакции с алкилгалогенидами, комплексы с бромом, серным ангидридом. Электрофильное замещение в ядро пиридина (нитрование, сульфирование, бромирование).

Физическая химия

 

1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Первый закон термодинамики. Его основные формулировки и следствия. Внутренняя энергия. Свойства внутренней энергии как функции состояния системы. Вычисления изменения внутренней энергии из опытных данных. Энтальпия. Теплоты химических реакций. Термохимические уравнения. Закон Гесса и его следствия. Стандартные состояния и стандартные теплоты химических реакций. Энтальпии образования. Формула Кирхгоффа. Таблицы стандартных термодинамических величин и их использование в термодинамических расчетах.

Второй закон термодинамики Изменения энтропии для обратимых процессов. Уравнение второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов..Постулат Планка и абсолютная энтропия.

 

Характеристические функции. Энергия Гельмгольца и энергия Гиббса.

 

Условия равновесия и критерии самопроизвольного протекания процессов, выраженные через характеристические функции. Работа и теплота химического процесса. Уравнение Гиббса — Гельмгольца.

 

Химические потенциалы, их определение, вычисление и свойства.

 

2. РАСТВОРЫ

Способы выражения состава раствора. Идеальные растворы. Давление насыщенного пара жидких растворов. Закон Рауля. Отклонения от закона Рауля. Метод активностей.

 

Равновесие жидкость—пар в двухкомпонентных системах. Равновесные составы пара и жидкости. Диаграммы состояния. Законы Гиббса—Коновалова. Разделение веществ путем ректификации. Азеотропные смеси и их свойства.

 

3. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ

Гетерогенные системы. Определения фазы, компонента, степени свободы. Правило фаз Гиббса.

 

Однокомпонентные системы. Диаграмма состояния воды, серы, фосфора. Фазовые, переходы первого рода. Уравнение Клапейрона— Клаузиуса и его применение к фазовым переходам первого рода.

 

Теплоты испарения (сублимации) и их вычисление.

 

Двухкомпонентные системы. Диаграммы состояния

двухкомпонентных систем и их анализ на основе правила фаз. Системы, образующие твердые растворы, и их химические соединения с конгруэнтной и инконгруэнтной точкой плавления.

 

4. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Закон действия масс. Константы равновесия. Химическая переменная. Химическое равновесие в идеальных и неидеальных системах.

 

Работа химической реакции. Изотерма Вант-Гоффа. Изменение энергии Гиббса и энергии Гельмгольца и направление химической реакции. Термодинамическая трактовка понятия о химическом сродстве. Зависимость констант равновесия от температуры. Изохора и изобара химической реакции. Расчеты констант равновесия химических реакций с использованием таблиц стандартных значений термодинамических функций.

 

Приведенная энергия Гиббса и ее Использование для расчетов химических равновесии.

Гетерогенные химические равновесия и особенности их термодинамического описания.

 

5. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Адсорбционные равновесия в системах газ—твердое тело. Адсорбент, адсорбат. Структура поверхности и пористость адсорбента. Хемосорбция, физическая адсорбция, локализованная и делокализованная адсорбция, мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция. Изотермы и изобары адсорбции. Константа адсорбционного равновесия. Уравнение Ленгмюра, его термодинамический вывод и условия применимости. Адсорбция из растворов. Гиббсовская адсорбция.

 

Полимолекулярная адсорбция. Уравнение Брунауэра — Эмета — Теллера (БЭТ) и его использование для определения поверхности адсорбентов.

 

Хроматография и ее практическое применение.

 

6. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Механизмы химических реакций. Элементарные стадии химических реакций. Основные понятия химической кинетики. Определение скорости реакции. Кинетические уравнения. Константа скорости и порядок реакции. Молекулярность элементарных стадий.

 

Кинетический закон действия масс. Прямая и обратная задачи химической кинетики. Зависимость константы скорости от температуры. Уравнение Аррениуса. «Эффективная» и «истинная» энергии активации.

 

Необратимые реакции первого, второго и третьего порядков. Определение констант скорости из опытных данных. Методы определения порядка реакции.

 

Сложные реакции. Принцип независимости скоростей элементарных стадий. Методы составления кинетических уравнений. Обратимые реакции первого порядка. Параллельные реакции. Последовательные реакции. Определение констант элементарных стадий из опытных данных.

 

Кинетический анализ сложных процессов. Принцип стационарности Боденштейна.

 

Цепные реакции. Элементарные процессы зарождения, продолжения, разветвления и обрыва цепей. Длина цепи. Методы стационарности для составления кинетических уравнений неразветвленных цепных реакций.

 

Разветвленные цепные реакции. Кинетические особенности разветвленных цепных реакций. Предельные явления в разветвленных цепных реакциях на примере окисления водорода. Полуостров воспламенения. Период индукции. Зависимость положения нижнего предела воспламенения от сосуда и природы его поверхности.

 

Макрокинетика. Роль диффузии в кинетике гетерогенных реакций. Режимы протекания реакций, кинетическая область, область внешней и внутренней диффузии. Энергия активации в кинетической и внутренней диффузионной области.

 

Элементарные акты химических реакций и физический смысл энергии активации. Поверхность потенциальной энергии взаимодействия на примере трех атомов водорода.

Метод переходного состояния (активированного комплекса). Свойства активированного комплекса. Допущения теории активированного комплекса. Трансмиссионный коэффициент. Статистический расчет константы скорости. Термодинамический аспект теории активированного комплекса. Энтропия активации. Различные формы записи основного уравнения при использовании различных единиц концентрации. Соотношения между опытной и истинной энергией активации.

 

Теория соударений в химической кинетике. Газокинетический диаметр соударений.

 

Мономолекулярные реакции. Теория активированного комплекса в применении к мономолекулярным реакциям. Теория соударений в применении к мономолекулярным реакциям. Схема Линдемана, ее использование и применимость.

 

Бимолекулярные реакции. Теория активированного комплекса и теория соударений в применении к бимолекулярным реакциям.

 

Тримолекулярные реакции. Теория активированного комплекса и теория соударений для описания тримолекулярных реакций.

 

Реакции в растворах. «Клеточный» эффект и число соударений молекул в жидкостях. Роль процессов сольватации в химической кинетике.

 

Фотохимические реакции. Элементарные фотохимические процессы и их параметры. Фотохимические активные частицы. Квантовый выход фотохимических процессов. Закон фотохимической эквивалентности Эйнштейна.

 

7. КАТАЛИЗ

Определение и общие принципы катализа. Основные промышленные каталитические процессы. Механизмы каталитических реакций.

 

Гомогенный катализ. Кислотно-основной катализ. Классификация реакций кислотно-основного типа. Кинетика и механизм реакций специфического кислотного катализа.

 

Функция кислотности Гаммета и ее использование длл вычисления скорости реакции и кинетических постоянных. Кинетика и механизм реакций общего кислотного катализа.

 

Катализ комплексными соединениями переходных металлов. Гомогенные реакции гидрирования, их кинетика и механизмы.

 

Гетерогенный катализ. Определение скорости гетерогенной каталитической реакции.

 

Удельная активность. Явления отравления катализаторов. Активность и селективность катализаторов. Активные центры гетерогенных катализаторов. Адсорбция как стадия гетерогенных каталитических реакций.

 

8. ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Метод активностей. Коэффициенты активности компонентов бинарного раствора. Стандартные состояния при определении химических потенциалов компонентов.

 

Растворы электролитов и их свойства. Гидратация ионов. Теория Дебая—Гюккеля. Средняя активность и средний коэффициент активности вещества в растворе.

 

Коэффициенты активности отдельных ионов. Вычисление коэффициентов активности в приближении теории Дебая— Гюккеля. Современные теорий растворов электролитов.

 

Химическое и электрохимическое протекание окислительно- восстановительных реакций.

 

Удельная и эквивалентная электропроводность. Числа переноса и методы их определения. Подвижности ионов и закон Кольрауша. Электрофоретический и релаксационный эффекты.

Эффекты Вина и Дебая — Фалькенгагена. Зависимость предельных подвижностей от радиуса иона и температуры.

 

Электрохимический потенциал и условие электрохимического равновесия на границе раздела фаз. Равновесные электрохимические цепи и их ЭДС. Формула Нернста и уравнение Гиббса — Гельмгольца.

 

Электродные потенциалы. Классификация электродов и электро­химических цепей. Определение коэффициентов активностей и чисел переноса на основе измерения ЭДС.

 

Поверхностный, внешний и внутренний потенциалы, разности потенциалов Гальвани и Вольта. Проблемы Вольта и абсолютного скачка потенциала. Двойной электрический слой.

 

Электрокапиллярные явления; основное уравнение

электрокапиллярности. Емкость двойного слоя, ее измерение и интерпретация полученных данных. Основные модельные представления о структуре ионного двойного слоя.

 

Плотность тока как мера скорости электродного процесса; поляризация электродов.

 

Стадии электродного процесса. Три основных уравнения диффузионной кинетики и общий подход к решению ее задач. Зависимость тока от потенциала в условиях медленной стационарной диффузии к плоскому электроду.

 

Полярография; уравнение Ильковича и уравнение полярографической волны; качественный и количественный полярографический анализ. Уравнение для тока в теории замедленного разряда. Физический смысл энергии активации в условиях замедленного разряда. Ток обмена и перенапряжение. Основные закономерности электровосстановления ионов гидроксония и персульфата. Сопряженные реакции в электрохимической теории коррозии. Химические источники тока.

 

Список литературы

 

а) основная литература:

 

1.Эткинс П., де Паула Дж. Физическая химия. - М.: Мир.2007.

2.В.В.Еремин, С.И. Каргов, И.А.Успенская, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин. Основы физической химии. Теория и задачи.- М.: Экзамен. 2005.

3.Б.Б.Дамаскин, О.А.Петрий, Г.А.Цирлина. Теоретическая электрохимия.- М.: Химия; Колосс, 2006.- 672 с.

4.Папулов Ю.Г. Строение молекул: Учеб. пособие (с грифом УМО университетов РФ по химии). 3-е изд. -Тверь: ТвГУ, 2008. -232 с.

5.Папулов Ю.Г., Папулова Д.Р.Строение молекул и физические свойства: Монография. -Тверь: ТвГУ, 2010. -280 с.

 

б) дополнительная литература:

 

1. Физическая химия./ Под ред. Б.Н.Никольского.- Л.: Химия, 1987.

2. Полторак О.М. Термодинамика в физической химии: Учеб.- М..: Высш.шк:, 1991.

3. Эмануэль Н.М., Кнорре Д. Г. Курс химической кинетики: Учеб. -М.: Высш.шк., 1984.

4. Еремин Е.Н. Основы химической кинетики. -М.: Высш.школа.

5. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Электрохимия: Учеб.пособие. -М.: Высш.шк., 1983.

6. Дуров В.А., Агеев Е.П. Термодинамическая теория растворов неэлектролитов. -М.: Изд-во Моск.ун-та, 1987.

7. Кондратьев В.Н. и др. Термические бимолекулярные реакции в газах. -М.: Наука, 1976.

8. Смирнова Н.А. Методы статистической термодинамики и физической химии: Учеб.пособие. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш.шк., 1982.

9. Топчиева КВ., Хо Ши Тхоанг. Активность и физикохимические свойства высококремнистых цеолитов и цеолитсодержащих катализаторов. -М.: Изд-во Моск.ун-та, 1976.

10. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику: Учеб.пособие. -М.: Высш.шк., 1983.

 

Примерный перечень вопросов для подготовки к итоговому междисциплинарному экзамену