Учебные материалы
Органическая химия

Профессор Т.В.Магдесиева Программа курса Теоретические основы органической химии (Применение орбитального подхода в органической химии)

Студенты изучают теоретические проблемы органической химии в течение двух семестров после прослушивания общего курса по органической химии. Программа перестраиваемая: для данного потока читаются не все разделы Программы. В соответствии с прочитанным на лекциях материалом формулируются контрольные вопросы для подготовки к экзамену.

Часть 1. Основные подходы к изучению механизмов реакций.

1.1. Методы исследования механизма органических реакций
Основные типы реакций органических соединений: перегруппировки, рекомбинация и диссоциация, бимолекулярное замещение, перенос электрона.  Деление реакций на нуклеофильные, электрофильные и гомолитические. Общая классификация механизмов... Понятие о переходном состоянии. Стадии изучения механизма реакций: материальный баланс, кинетика, стереохимические корреляции, изотопные и структурные метки, влияние заместителей, растворителя, катализаторов, поиск нестабильных интермедиатов. Термодинамические параметры реакций. Величина энтропии активации для реакций разных типов.  Понятие о кинетическом и термодинамическом контроле реакций. Уравнение Гаммета. Константы заместителей и константы реакций, их знак и абсолютная величина. Константы +, -,*, I. Стерические эффекты. Уравнение Тафта. Соотношение линейности свободных энергий в исследовании переходного состояния.

1.2. Реакционноспособные интермедиаты органических реакций
1.2.1. Свободные радикалы
Алкильные радикалы; строение и основные способы генерирования. Обнаружение и установление строения свободных радикалов. Спектры ЭПР. Спин-ловушки. Радикальные пары и эффекты ХПЯ в спектрах ЯМР. - и -Радикалы. Основные радикал-радикальные реакции: рекомбинация, диспропорционирование. Окисление и восстановление свободных радикалов. Стабильные радикалы.
1.2.2. Карбены и нитрены
Конфигурационные взаимодействия в карбенах. Синглетные и триплетные карбены, их геометрия, различимость по тесту Скелла. Строение метилена и дифторметилена. Спектроскопия матричной изоляции. Способы генерации карбенов:. Нитрены и ионы нитрения. Примеры реакций с их участием. Гермилены, силилены, станнилены.
1.2.3. Карбокатионы
Карбониевые и карбениевые ионы. Строение катионов CH₃⁺ и CH₅⁺.Генерация трет.- бутильного катиона в суперкислых средах. Факторы, влияющие на стабильность карбениевых ионов. Аллильные, бензильные и полиарилметильные катионы. Катион тропилия и его свойства. Шкала стабильности карбениевых ионов pK_R+. Объяснение стабилизирующего эффекта метильной, фенильной и циклопропильной групп, галогенов, кислород-, азот- и серусодержащих заместителей.. Неклассические карбокатионы.
1.2.4. Карбанионы
Свободные карбанионы в газовой фазе. Их исследование методами ион-циклотронного резонанса и масс-спектрометрии высокого давления. Получение карбанионов в растворах в суперосновных средах. - и -карбанионы. Факторы, влияющие на стабильность карбанионов. Роль среды и противоиона. Контактные и сольватноразделенные ионные пары. CH-Кислоты. Кинетическая и термодинамическая кислотность. Амбидентные анионы и форма их МО.
1.2.5. Ароматические ион-радикалы
Генерирование катион-радикалов (КР) и анион-радикалов (АР): химическое, фотохимическое, электрохимическое. Реакции КР: диспропорционирование, присоединение нуклеофилов, отщепление протона. Реакции АР: с донорами протонов, диспропорционирование, отщепление нуклеофугной группы. Ион-радикальные соли. Теория КПЗ. SET-Механизм в органических реакциях и его обнаружение методом ХПЯ. Примеры таких реакций. Одноэлектронный сдвиг. Механизм электрофильных перегруппировок к электроноизбыточному центру как одноэлектронный сдвиг. Стабильные ион-радикалы (голубой Вюрстера,  кетилы и др.).
1.2.6. Примеры редких интермедиатов
Напряженные углеводороды. Тетраэдран, (1,1,1)пропеллан, циклопропен и его реакция с атомарным углеродом. Циклические аллены; примеры реакций с их участием. Циклические ацетилены. Аценафтин. Арины и гетарины, доказательства их существования с помощью меченых атомов.

Часть 2.  Построение молекулярных орбиталей

2.1.-Системы.
-Связи в этилене, ацетилене, карбонильной группе. Теория возмущений молекулярных орбиталей. Возмущения первого и второго порядка. Двухорбитальные взаимодействия. Трёхорбитальные взаимодействия. -Орбитали линейных и циклических сопряжённых полиенов, их построение на основе метода возмущений., симметрия и узловые свойства. Зависимость энергии от числа узлов. Особенности строения нечётных линейных полиенов. Аллильный радикал, анион и катион. Циклические -системы. Парность орбиталей. Вырожденные орбитали. Ароматичность и антиароматичность. Энергии делокализации и ароматичность. Бензол и его молекулярные орбитали. Граничные орбитали по Фукуи (ВЗМО, НСМО, ОЗМО). Многоструктурное описание строения молекулы бензола. Теория резонанса и её применение к бензольной, аллильной и бензильной -системам, 1,3-диполям (диазометан, азиды, нитрилоксиды, нитрилилиды и др.). Гиперконъюгация и её рассмотрение в рамках теории молекулярных орбиталей.

2.2. s-Системы.
Канонические молекулярные орбитали тетраэдрической молекулы метана; их построение из групповых орбиталей ансамбля H₄ и атомных орбиталей углерода. Канонические МО плоской квадратной молекулы CH₄. Сравнение свойств тетраэдрического и плоского метана. Причины конфигурационной устойчивости тетраэдра. Концепция гибридных орбиталей; ее применение к описанию строения метана. Недостатки простой теории гибридизации; их устранение путем симметризации гибридных орбиталей. Фотоэлектронные спектры метана. Молекулярные орбитали этана и их построение из "строительных блоков" CH₃. Скелетные орбитали циклопропана и их построение из трех строительных блоков CH₂ с помощью метода возмущений. Плоскостные -орбитали циклопропана. -Свойства циклопропана: "банановость" - -связей, протонирование "по ребру", предпочтительная конформация циклопропилалкильных катионов, устойчивость катионов, содержащих циклопропильные заместители. Скелетные орбитали циклобутана. Утрата -свойств при переходе от циклопропана к циклам с большим числом атомов углерода.

2.3 Орбитальное строение металлокомплексов
Типы лигандов, понятия дентатности, гаптность, подсчет числа електронов в комплексе, правило 18 электронов, обратное связывание и его роль в стабилизации комплексов. Аналогия изолобальности.
Построение молекулярных орбиталей октаэдрических комплексов.
Построение молекулярных орбиталей плоско-квадратных комплексов.
Построение молекулярных орбиталей тетраэдрических комплексов.
Молекулярные орбитали фрагментов ML₅, ML₄, ML₃, ML₂, CpM, Cp₂M, построение комплексов из фрагментов.

Часть 3. Орбитальные взаимодействия в согласованных и многостадийных органических реакциях.

3.1. Теория перициклических реакций
3.1.1. Классификация перициклических реакций по Вудворду-Хоффману.
Характерные особенности: высокая стерео- и региоселективность, изменение селективности при переходе от термической к фотохимической активации. Молекулярно-орбитальная теория перициклических реакций. Перициклические орбитали; супраповерхностные и антараповерхностные взаимодействия. Критерии ароматичности по Хюккелю и Мёбиусу. Хюккелевская и мёбиусовская топология переходного состояния. Разрешённые и запрещённые реакции; относительность такого разграничения. Объяснение разрешённых и запрещённых путей реакций методами возмущения МО, корреляционных диаграмм и ароматического и антиароматического переходного состояния. Примеры реакций, идущих по "запрещённому" пути. Сохранение орбитальной симметрии. Правила Вудворда-Хоффмана.

3.1.2. Электроциклические реакции
Их механизм. Конротаторные и дисротаторные процессы. Правила Вудворда-Хоффмана для электроциклических реакций. Применение метода корреляционных диаграмм и метода ароматического переходного состояния к этим реакциям. Примеры синтетического использования термических и фотохимических электроциклических реакций. Образование четырёхчленных циклов. Образование средних циклов путём раскрытия малого цикла в бициклических системах. Стереохимия.

3.1.3. Циклоприсоединение
Применение метода ВМО к анализу этих реакций. Метод корреляционных диаграмм и ароматического переходного состояния. Классификация реакций циклоприсоединения по числу электронов, типу орбиталей и геометрии перекрывания. Термические (4+2) реакции. Реакция Дильса-Альдера и ретродиеновый распад. Вторичные орбитальные взаимодействия как причина предпочтительного эндо-присоединения. Региоселективность реакции и величина коэффициентов на концевых атомах в граничных орбиталях диена и диенофила. Механизм присоединения карбенов по двойной связи. 1,3-Диполярное циклоприсоединение как (4+ 2)-процесс. 1,3-Диполи и их строение. Фотохимическое (2+2) циклоприсоединение. Правила Вудворда-Хоффмана для циклоприсоединения.

3.2. Рассмотрение основных закономерностей различных типов органических реакций с точки зрения теории орбитальных взаимодействий.

3.2.1. Алифатическое нуклеофильное замещение.
Механизмы SN₁ и SN₂. Орбитальный контроль и стереохимия реакции. Возможна ли ультимативная граница между механизмами? Влияние структуры и растворителя на механизм. Взаимодействие неподеленных пар. Cтроение гидразина и перекиси водорода. a-Эффект. Аномерный эффект и его объяснение как взаимодействие неподеленных пар гетероатома с разрыхляющими *-орбиталями. Взаимодействие неподеленных пар "через пространство" и "через связи" Анхимерное содействие.

3.2.2. Алифатическое электрофильное замещение
Уходящая группа. Реакции S_E1, S_E2, S_Ei, S_E1(N) ртуть- и оловоорганических соединений. Орбитальные взаимодействия и стереохимия. Нуклеофильное содействие в электрофильном замещении. Кинетические закономерности, определяющая роль электрофильной атаки или нуклеофильного содействия SET-Механизм.

3.2.3. Ароматическое электрофильное и нуклеофильное замещение
Построение молекулярных орбиталей бензола и монозамещенных бензолов. Ориентация и реакционная способность производных бензола в реакциях электрофильного замещения с точки зрения орбитальной теории. Орбитальный и зарядовый контроль. Факторы парциальных скоростей. Селективность и её связь со структурой переходного состояния. Индексы “суперделокализуемости” Фукуи и “числа реактивности” Дьюара.
Энергия и симметрия граничных орбиталей дизамещенных бензолов. Механизм Орбитальные коэффициенты и ориентация нуклеофильного замещения SN2(Ar).

3.2.4. Присоединение по двойным углерод-углеродным связям
Влияние заместителей различной природы на энергию граничных орбиталей алкенов. Орбитальные коэффициенты и региоселективность. Многостадийные и согласованные процессы присоединения. Гидроборирование как пример псевдоперициклической реакции.

3.2.5. Донорно-акцепторные взаимодействия в органической химии
Донорно-акцепторные взаимодействия как элементарный акт многих органических и природных процессов. Комплексы с переносом заряда (КПЗ), их роль в химии.  Кислоты Льюиса. Жёсткие и мягкие кислоты и основания. Орбитальный и зарядовый контроль. Применение принципа ЖМКО к органическим реакциям.
Кислоты Брёнстеда.  Связь между протонной и льюисовской основностью, уравнение Эдвардса. Разбавленные растворы. Сила кислот и оснований. Эффекты сольватации. Кислотный и основной катализ. Специфический и общий кислотный и основной катализ. Уравнение Брёнстеда. Концентрированные растворы. Кислотные функции H₀, H_A, H_R. Соотношение между ними. Кислотные функции и скорости реакций. Суперкислые среды. Превращения органических молекул в суперкислых средах. Суперосновные среды. Система ДМСО-OH- как суперосновная среда. Функция H-.

3.2.6. Внутримолекулярные перегруппировки.
Классификация внутримолекулярных перегруппировок

3.2.6.1. Сигматропные перегруппировки (сигматропные сдвиги)
Определение. Классификация. Порядок сигматропного сдвига. Примеры [1,2], [3,3] и других сигматропных сдвигов. Ароматическое и антиароматическое переходное состояние. [1,2[-Сдвиги. Перегруппировки Вагнера-Меервейна и пинаколиновая. Миграция водорода и алкильных групп. Неклассические карбокатионы. Строение 2-норборнильного катиона по данным спектроскопии ЯМР при разных температурах. Стереохимия перегруппировки Вагнера-Меервейна. Миграция арила. Фенониевые ионы. Карбеновая перегруппировка Вольфа. Перегруппировки к электронодефицитному азоту (Бекмана, Гофмана, Курциуса) как [1,2]-сигматропные сдвиги. Стереохимия перегруппировки Бекмана. [3,3]-Сдвиги. Перегруппировки Коупа и Кляйзена. Синтез индола по Фишеру. Бензидиновая перегруппировка как [5,5]-сигматропный сдвиг. Бульвален. Валентная таутомерия.

3.2.6.2. Неперициклические перегруппировки
1,2-Перегруппировки к электроноизбыточному центру. Перегруппировки Виттига, Стивенса, Мейзенгеймера. Их стереохимия и радикал-согласованный механизм. Одноэлектронный сдвиг, радикальные пары и эффекты ХПЯ. Перегруппировка Фаворского. Перегруппировки в свободных радикалах. 1,5-Миграция атома водорода.

3.2.7. Органические соединения переходных металлов и металлокомплексный катализ
Рассмотрение различных стадий каталитического процесса на примере реакции гидрирования. Влияние различных факторов на каждую стадию каталитического цикла. Транс-эффект. Близкое взаимодействие. Электронное и пространственное влияние лигандов на динамические свойства металлокомплексов. Основные принципы, определяющие выбор катализатора.
Основные каталитические процессы: рассмотрение механизма изомеризации алкенов, кросс-сочетания, метатезиса алкенов, карбонилирования и карбоксилирования.

3.3. Коарктатные реакции.
Определение. Топология электронных сдвигов. Организующие принципы сложных реакций и теория коарктатного переходного состояния. Расширение топологического метода, ранее примененного к перициклическим реакциям на коарктатное переходное состояние. Линейные подсистемы и терминаторы. Неподеленные пары и трехчленные циклы как терминаторы: фрагментация циклопропилкарбена и циклопропилнитрена. Присоединение карбенов к бициклобутанам. Неподеленные пары и пятичленные циклы как терминаторы: перегруппировки фурфурилиденов и их гетероциклических аналогов. Трех- и пятичленные циклы как терминаторы: фрагментации оксиранов, циклоприсоединение ацетиленов к 1,4-циклогексадиенам. Реакции «сдвига связи». Фрагментация спироозонидов. Гомологический принцип коарктатных реакций. Сравнительный анализ коарктатных и псевдоперициклических реакций. Сравнение топологического и альтернативных методов. Дизайн новых переходных состояний и предсказание новых реакций..