Cílem jednosemestrálního kurzu "Struktura a reaktivita II" je (a) porozumět vztahu struktura-reaktivita, (b) ozřejmit si základní principy, jimiž se řídí mechanismy organických reakcí a (c) dosáhnout schopnosti navrhovat realistické mechanismy reakcí, které jsou využívány v organické syntéze. Důraz je kladen na koncept elektronového toku od dárce k příjemci, na teorii molekulových orbitalů a na popis vzniku, struktury a reaktivity klíčových intermediátů. Pozornost je věnována karbaniontům, organokovovým intermediátům, karbokationtům, radikálům, radikáliontům, ylidům, karbenům, nitrenům a arynům. Jsou diskutovány obecné principy, pravidla, efekty včetně chemo-, regio- a stereoselektivity. Organické reakce jsou klasifikovány podle reakčních mechanismů a je popisován jejich průběh. Další část kurzu se věnuje mechanismům důležitých organických reakcí, jakými jsou např. cross-couplingové reakce katalyzované tranzitními kovy, metathese alkenů/alkynů, adice na polární C=X vazby, reakce typu aldolizace, cykloisomerizace alkynů, moderní oxidace a redukce, metallace, C-H aktivace, tvorba esterové a amidové vazby, organokatalýza, asymetrické reakce aj. V neposlední řadě jsou probírány metody studia mechanismů organických reakcí. V rámci kurzu studenti průběžně řeší příklady mechanismů vybraných z literatury, aby si osvojili filozofii používání reakčních šipek.
Poslední úprava: Rubešová Jana, RNDr., Ph.D. (01.04.2018)
A basic goal of the course is to encourage the students to acquire basic knowledge of organic reaction mechanisms. The attention is paid to the most important processes used in modern organic synthesis emphasizing the principles of electron flow and MO theory, the role of organic reaction intermediates, and the control over chemo-, regio-, and stereoselectivity. The course includes selected mechanistic aspects of organometallic chemistry, supramolecular chemistry, and biochemistry. The students are trained in their "arrow pushing" ability solving the reaction mechanism problems of current interest to understand, explain, and predict the most probable reaction path.
Poslední úprava: Rubešová Jana, RNDr., Ph.D. (01.04.2018)
Literatura -
1. Grossman R. B. The Art of Writing Reasobable Organic Reaction Mechanisms; Springer: New York 2007.
2. Scudder P. H. Electron Flow in Organic Chemistry; Wiley: New York, 1992.
3. Carey F.; Sundberg R. Advanced Organic Chemistry; Springer: New York, 2007.
Poslední úprava: Rubešová Jana, RNDr., Ph.D. (01.04.2018)
1. Grossman R. B. The Art of Writing Reasobable Organic Reaction Mechanisms; Springer: New York 2007.
2. Scudder P. H. Electron Flow in Organic Chemistry; Wiley: New York, 1992.
3. Carey F.; Sundberg R. Advanced Organic Chemistry; Springer: New York, 2007.
Poslední úprava: Rubešová Jana, RNDr., Ph.D. (01.04.2018)
Požadavky ke zkoušce
Podklady k přednáškám budou distribuovány průběžně jako pdf soubory.
Požadavky ke složení zkoušky: 1. Znalost reakčních intermediátů a jejich vlastností 2. Porozumět principům, jimiž se řídí mechanismy organických reakcí 3. Schopnost navrhnout realistické mechanismy organických reakcí 4. Schopnost vyřešit zadané úlohy z mechanismů organických reakcí
Poslední úprava: Starý Ivo, RNDr., CSc. (14.09.2023)
Sylabus -
Sylabus
1. Úvod: Elektronový tok v průběhu organických reakcí, krokové versus součinné reakce, popis reakčních mechanismů, formalismus reakčních šipek ("pushing arrows"), návrhy reakčních mechanismů, studijní literatura.
2. Karbanionty jako reakční intermediáty: Struktura karbaniontů, vznik karbaniontů, stabilizace a destabilizace karbaniontů, reaktivita karbaniontů, enolátů a jejich analogů.
3. Organometalické sloučeniny jako reakční intermediáty: Struktura organometalických sloučenin, elektronové účetnictví, ligandy, oxidační stavy kovů, elektronová konfigurace kovů, typy chemické vazby, adice a disociace ligandů, oxidativní adice a reduktivní eliminace, inserce a β-eliminace, metateze σ- a π-vazeb, transmetalace, [2+2] cykloadice, oxidativní cykloadice, stechiometrické versus katalytické procesy.
4. Karbokationty jako reakční intermediáty: Struktura karbokationtů, vznik karbokationtů, stabilizace a destabilizace karbokationtů,reaktivita karbokationtů, neklasické karbokationty.
5. Radikály a radikálionty jako reakční intermediáty: Radikálové reakce, řetězové a neřetězové reakce, struktura radikálů, vznik radikálů, stabilizace a destabilizace radikálů, reaktivita radikálů, radikálanionty, radikálkationty.
6. Ylidy, karbeny, nitreny a aryny jako reakční intermediáty: Struktura karbenů, nitrenů a arynů, generování karbenů, nitrenů a arynů, stabilizace a destabilizace karbenů, nitrenů a arynů, reaktivita karbenů, nitrenů a arynů.
8. Principy, pravidla, efekty: Kyseliny a báze, elektrondonorní skupiny, elektronakceptorní skupiny, odstupující skupiny, zdroje a příjemci elektronů, efekt rozpouštědla, kinetická versus termodynamická kontrola, obecná pravidla.
9. Klasifikace mechanismů organických reakcí: Polární reakce v bázickém a kyselém prostředí, substituční reakce, eliminační reakce, adiční reakce, přesmyky, isomerizační reakce, vícekrokové (kaskádové, dominové) reakce, katalýza a autokatalýza, chemo-, regio- a stereoselektivní reakce.
10. Mechanismy vybraných organických reakcí: Cross-couplingové reakce katalyzované tranzitními kovy, metateze alkenů, alternativní metody konstrukce C=C vazby, adice na polární C=X vazby, aldolizace a podobné reakce, cykloisomerizace alkynů, moderní metody oxidace a redukce, metalace, C-H aktivace, vznik esterů a amidů a jejich štěpení, organokatalýza, asymetrické reakce, biorelevantní reakce.
11. Metody studia mechanismů organických reakcí: Studium struktury produktů, studium kinetiky reakcí, stereochemie reakcí, isotopové značení, určení kinetické rovnice a rychlostních konstant, detekce a charakterizace intermediátů, studium katalýzy, experimentální a výpočetní prostředky.
Poslední úprava: Rubešová Jana, RNDr., Ph.D. (01.04.2018)
Syllabus
1. Introduction: Electron flow in organic reaction mechanisms, stepwise versus concerted reactions, the description of reaction mechanisms, pushing arrows, drawing reaction mechanisms, textbooks.
2. Carbanions as reaction intermediates: The structure of carbanions, generating carbanions, stabilising and destabilising carbanions, reactivity of carbanions, enolates and their analogues.
3. Organometallics as reaction intermediates: The structure of organometallic compounds, electron bookkeeping, ligands, oxidation states, electronic configuration, bonding types, addition and dissociation of ligands, oxidative addition and reductive elimination, insertion and β-elimination, metathesis of σ-bonds, transmetallation, [2+2] cycloaddition, oxidative cyclisation, stoichiometric versus catalytic processes.
4. Carbocations as reaction intermediates: The structure of carbocations, generating carbocations, stabilising and destabilising carbocations, reactivity of carbocations, nonclassical carbocations.
5. Radicals and radical ions as reactions intermediates: Free-radical reactions, chain and nonchain reactions, structure of radicals, generating radicals, stabilising and destabilising radicals, reactivity of radicals, radical anions, radical cations.
6. Ylides, carbenes, nitrenes and arynes as reaction intermediates: The structure of ylides, carbenes, nitrenes and arynes, their generation, stabilisation, destabilisation and reactivity.
7. Pericyclic reactions: Reaction controlled by the symmetry of frontier orbitals, thermal versus photochemical reactions, electrocyclic reactions, cycloadditions, sigmatropic rearrangements, ene reactions, photochemical reactions.
8. Principles, rules, effects: Acids and bases, electron donating groups, electron withdrawing groups, leaving groups, electron sources and sinks, solvent effects, kinetic versus thermodynamic control, general rules.
9. Classification of organic reaction mechanisms: Polar reactions under basic and acidic conditions, substitution reactions, elimination reactions, addition reactions, rearrangements, isomerisation reactions, multistep (cascade, domino) reactions, catalysis and autocatalysis, chemo-, regio- and stereoselective reactions.
10. Mechanisms of selected important organic reactions: Transition metal-catalysed cross-coupling reactions, alkene metathesis and other methods for the construction of the C=C bond, additions to the polar C=X bonds, aldolisation-type reactions, alkyne cycloisomerisation, modern oxidation and reduction reactions, metallation, C-H activation, the ester and amide formation and cleavage, organocatalysis, asymmetric reactions, biorelevant reactions.
11. Methods for Investigating Organic Reaction Mechanisms: Product studies, investigation of kinetics, stereochemical considerations, isotopic labelling, determining rate equation and rate constant, detection and characterisation of intermediates, investigation of catalysis, experimental and computational tools.
Poslední úprava: Rubešová Jana, RNDr., Ph.D. (01.04.2018)
Výsledky učení
Student po absolvování kurzu:
Obecná teorie průběhu organických reakcí - používá formalismus šipek znázorňujících elektronový tok v průběhu reakčního mechanismu - zhodnotí a navrhne krokový vs součinný mechanismus - lokalizuje elektronový zdroj a příjemce elektronů
Reakční intermediáty - navrhne mechanismus reakce se zapojením klíčových intermediátů (karbaniontů, karbokationtů, radidálů, radikáliontů, ylidů, karbenů, nitrenů, arynů) - popíše strukturu, vznik, stabilizaci, destabilizaci a reaktivitu základních intermediátů - rozpozná aromaticitu vs antiaromaticitu
Karbanionty - aplikuje pKa hodnoty na průběh reakcí - popíše karbanionty, enoláty a jejich analoga, rozliší kinetické a termodynamické enoláty
Karbokationty - rozliší klasické a neklasické karbokationty - navrhne možnosti přesmyku
Radikály a radikálionty - rozliší řetězové a neřetězové radikálové reakce - vysvětlí fáze řetězové radikálové reakce - rozpozná mechanismus jednoelektronového přenosu - objasní kaptodativní efekt
Ylidy, karbeny, nitreny a aryny - rozpozná reakce zahrnující tyto intermediáty - rozliší spinový stav biradikálů
Součinné reakce - navrhne mechanismus součinné reakce - identifikuje hraniční orbitaly a posoudí jejich lokalizaci a symetrii - rozezná a popíše základní termální vs fotochemické reakce, elektrocyklické reakce, cykloadice, sigmatropní přesmyky, enovou reakci, fotochemické reakce
Principy, pravidla, efekty - rozliší a popíše kyseliny a báze, elektrondonorní a elektronakceptorní skupiny, odstupující skupiny, zdroje a příjemce elektronů - zhodnotí efekt rozpouštědla - aplikuje kinetickou vs termodynamickou kontrolu - používá obecná pravidla (Hammondův postulát, princip mikroskopické reversibility, Curtin-Hammettův princip)
Klasifikace mechanismů organických reakcí - rozpozná polární reakce v bázickém a kyselém prostředí - popíše substituční, eliminační a adiční reakce, přesmyky, isomerizační reakce - vysvětlí vícekrokové (kaskádové, dominové) reakce - rozliší katalýzu a autokatalýzu - rozpozná chemo-, regio- a stereoselektivní reakce
Mechanismy vybraných organických reakcí - popíše cross-couplingové reakce katalyzované tranzitními kovy, metatezi alkenů a alkynů, alternativní metody konstrukce C=C vazby, adice na polární C=X vazby, aldolizaci a podobné reakce, cykloisomerizaci alkynů, moderní metody oxidace a redukce, metalace, C-H aktivace, click reakce, vznik esterů a amidů a jejich štěpení, organokatalýzu, asymetrické a biorelevantní reakce
Metody studia mechanismů organických reakcí - objasní studium struktury produktů, kinetiky reakcí a stereochemie reakcí - popíše isotopové značení, - navrhne určení kinetické rovnice a rychlostních constant - navrhne detekci a charakterizaci intermediátů - popíše studium katalýzy, navrhne aplikovat experimentální a výpočetní prostředky studia reakčních mechanismů
Poslední úprava: Matoušová Eliška, PharmDr., Ph.D. (25.09.2024)
