Стереохимия. Стереоселективный синтез

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Декан ______________Цупак Е.Б.
"_____"__________________201__ г.
Рабочая программа дисциплины
«Стереохимия. Стереоселективный синтез»
Направление подготовки (специальность)
020100 Химия
Магистерская программа
Современный органический и неорганический синтез
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Ростов-на-Дону, 2011
2
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения модуля "Стереохимия. Стереоселективный синтез "
являются:
-дать студентам представление о стереохимических особенностях
различных классов органических соединений;
-познакомить
с
основами
номенклатуры
стереоизомеров
и
конформеров;
-изложить основные способы разделения стереоизомеров;
-дать
представление
о
способах
определения
абсолютной
и
относительной конфигурации энантиомеров;
-познакомить с динамической стереохимией – стереоселективными и
стереоспецифическими реакциями, асимметрическим катализом;
-рассмотреть применение современных физико-химических методов
исследования в стереохимии.
2.Место дисциплины в структуре ООП специалитета
Стереохимия – одна из составных частей органической химии.
Несмотря на почтенный возраст, интерес к ней в последнее время все более
возрастает. Определение абсолютной конфигурации большого числа важных
природных соединений, развитие всех видов стереонаправленного синтеза (в
том числе оптически активных соединений, важных для медицины, сельского
хозяйства и других отраслей в связи с их биологической активностью),
создание
стереорегулярных
полимеров
с
заданными
физическими
свойствами – таковы некоторые из многих примеров последних достижений
в этой области.
Основные азы стереохимии (понятие конформации, энантиомерии,
диастереомерии) студенты изучают в курсе органической химии. Настоящий
курс предназначен для более углубленного изучения предмета. Однако для
облегчения
восприятия
студентами
лекционный
материал
излагается
последовательно, на первых этапах частично повторяя уже известный. В
3
дополнение к знаниям, полученным при изучении органической химии,
студенты знакомятся со следующими разделами:
а) использование физических методов (УФ, ЯМР спектроскопии,
рентгеноструктурного анализа и др.) в решении вопросов стереохимии;
б) методы определения абсолютной конфигурации стереоизомеров;
в)
методы
получения
стереоизомеров
(разделение
рацематов,
асимметрический синтез и катализ);
г) стереохимия некоторых реакций;
д) стереохимия природных объектов и стереохимические особенности
атомов азота, серы, кремния и др.
3.
Компетенции
обучающегося,
формируемые
в
результате
освоения модуля.
При освоении дисциплины у студента частично формируются
следующие профессиональные компетенции (ПК):
наличие
представления
о
наиболее
актуальных
направлениях
исследований в современной теоретической и экспериментальной химии
(синтез
и
применение
веществ
в
наноструктурных
технологиях,
исследования в экстремальных условиях, химия жизненных процессов,
химия и экология и другие) (ПК-1);
знание основных этапов и закономерностей развития химической
науки, пониманием объективной необходимости возникновения новых
направлений,
наличием
представления
о
системе
фундаментальных
химических понятий и методологических аспектов химии, форм и методов
научного познания, их роли в общеобразовательной профессиональной
подготовке химиков (ПК-2);
способность
анализировать
полученные
результаты,
делать
необходимые выводы и формулировать предложения (ПК-5);
В результате освоения модуля обучающийся должен:
Уметь
определять
спиральность и т.д.;
вид
хиральности
–
точечная,
планарная,
4
Ориентироваться в номенклатуре конформеров, энантиомеров и
диастереомеров;
Знать основные способы разделения и идентификации энантиомеров и
диастереомеров;
Уметь распознавать энантиотопные и диастереотопные группы и
плоскости;
Знать
основные
типы
энантиоселективных
реакций
и
энантиоселективных катализаторов.
4. Структура и содержание модуля
Общая трудоемкость модуля составляет 4 зачетных единицы, из них
аудиторных - 36 часов, в том числе: лекции – 18 ч, практические занятия – 18
ч.
1
3
Введение
Стереохимические особенности
атома
углерода.
Стереохимические
явления.
Асимметрия и
хиральность.
Элементы хиральности – центр,
ось, плоскость, спиральность.
Хиральность макроциклических
молекул.
Конфигурация
и
конформация. Энантиотопия и
диастереотопия.
1
Самостояте
льная
работа
Практиче
ские
занятия
Виды учебной
работы, включая
самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в
часах)
Лекции
Неделя семестра
Семестр
№
п/п
Раздел
Дисциплины
Формы
текущего
контроля
успеваемост
и (по
неделям
семестра)
Форма
промежуточ
ной
аттестации
(по
семестрам)
5
2
3
4
5
Конформации.
Конформеры.
Проекционные
формулы
–
перспективные,
боковые,
Ньюмена.
Номенклатура
конформеров.
Энергетика конформационных
превращений.
Конформации
алканов,
монои
дигалогеналканов, алкенов и
сопряженных диенов, аренов,
производных
бифенила,
неароматических гетероциклов.
Атропоизомерия. Конформации
и
физические
свойства
–
дипольные моменты, ИК, ЯМР
спектры, рентгеноструктурный
анализ.
Энантиомерия.
Энантиомеры,
рацематы.
Проекционные
формулы
Фишера. Номенклатура: Фишера
(D, L), IUPAC (R,S). Система
Кана-Ингольда-Прелога.
Абсолютная и относительная
конфигурация.
Определение
конфигурации:
метод
химического перехода, метод
оптического
сравнения,
хироптические
методы
–
дисперсия оптического вращения
и круговой дихроизм, метод
спектроскопии ЯМР.
Диастереомерия.
-Диастереомеры.
Номенклатура.
Определение
конфигурации -диастереомеров.
Эпимеризация. Мутаротация. Диастереомеры. Номенклатура.
Определение
конфигурации:
физические методы (дипольные
моменты,
УФ,
ИК,
ЯМР
спектроскопия),
метод
циклизации, метод химической
корреляции.
Получение стереоизомеров.
Энантиомерная
чистота,
оптическая чистота. Методы
получения
энантиомеров:
синтезы на основе природных
оптически активных веществ,
расщепление
рацематов
–
механический
метод,
3
2
2
3
3
4
3
2
2
3
4
4
Контроль
ный тест по
темам 2-4
Контрольный
тест
по
темам 5,6
6
6
7
8
расщепление
через
диастереомеры и молекулярные
соединения, хроматографические
методы
разделения,
ферментативное
расщепление.
Рацемизация: термическая, через
стадию образования ионов, через
стадию образования стабильных
неактивных
соединений.
Асимметрический синтез – на
основе
карбонильных
соединений, присоединение по
С=С
связям,
синтезы
с
хиральных средах, синтез аминокислот.
Закономерности
асимметрического синтеза –
правила Прелога и Крама.
Асимметрический катализ.
Получение
-диастереомеров:
присоединение по СС связи,
реакции
1,2-отщепления.
Взаимные
превращения
диастереомеров.
3
Динамическая стереохимия.
Стереоспецифичные
и
стереоселективные
реакции.
Стереохимия
реакций:
нуклеофильного замещения в
ряду алканов, реакций алкенов,
стереохимия диенового синтеза,
реакций
аренов.
Стереорегулярная
полимеризация.
Стереохимия
биохимических реакций.
Стереохимия
неуглеродных 3
элементов .
Атомы кремния, олова, азота,
серы в качестве хиральных
центров.
Пространственное
строение
атома
азота.
Стереохимия
оксимов,
азометинов,
азосоединений,
амидов.
Стереохимия
природных 3
объектов.
Роль и возникновение оптически
активных веществ в природе.
Стереохимия углеводов, белков,
нуклеиновых кислот, витаминов,
гормонов.
5. Образовательные технологии
4
2
2
1
2
1
7
Помимо лекций и презентаций в рамках модуля предусмотрено
проведение семинарских занятий с элементами дискуссий. В целом активные
формы проведения занятий в учебном процессе составляют не менее 20
процентов аудиторных занятий.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Учебно-тематический план семинарских занятий
Занятие 1. Конформации. (2 ч).
Проекционные формулы конформеров – перспективные, боковые,
Ньюмена. Номенклатура конформеров алканов.
Занятия 2,3.Энантиомерия. (4 ч).
Проекционные формулы Фишера. Система Кана-Ингольда-Прелога.
Номенклатура
энантиомеров:
Фишера
(D,
L),
IUPAC
(R,S).
Атропоизомерия. Номенклатура атропоизомеров.
Занятие 4. Диастереомерия (2 ч).
Номенклатура π- и σ-диастеремеров. Эритро-, трео- и мезо-формы. πДиастереомеры циклоалканов.
Занятия 5,6. Получение стереоизомеров (4 ч).
Энантиомерная чистота, оптическая чистота. Методы получения
энантиомеров.
Асимметрический
синтез.
Асимметрический
катализ.
Получение -диастереомеров.
Занятие 7. Динамическая стереохимия (2 ч).
Стереоспецифичные и стереоселективные реакции. Стереохимия
реакции нуклеофильного замещения в ряду алканов Стереохимия диенового
синтеза.
Занятие
8.
Стереохимия
неуглеродных
элементов
(1
ч).
Стереохимия природных объектов (1 ч) .
Энантиомерия четвертичных аммониевых солей, соединений 3-х и 5-и
валентного фосфора. Стереохимия альдогексоз и стероидов.
8
Задачи для семинарских занятий
Тема Конформации.
1. Нарисуйте проекции Ньюмена для устойчивых конформаций 3,4диметилгексана (взгляд вдоль связи С3-С4). Какая из этих конформаций будет
наиболее предпочтительной и почему?
2.
Нарисуйте
предпочтительные
конформации
1,3-
диметилциклогексанов.
3. Изобразите заслоненные и биссекторные конформации пропилена, 1бутена, ацетальдегида. Какие из них будут более устойчивыми?
4. Объясните, почему холин (Х = ОН) и фторхолин (Х = F) существуют
в гош-конформации, в то время как хлорхолин (Х = Cl), тиохолин (Х = SH) и
селенохолин (Х = SeH) – в анти-конформации.
X
+
C C N(CH3 )3
H2 H2
Y-
5. Объясните, почему для этилбензола конформация А соответствует
энергетическому максимуму, в то время как для анизола конформация Б –
энергетическому минимуму:
CH3
H
CH3
H
A
Б
Тема Энантиомерия.
1. Обозначьте стереогенные центры в молекулах:
OH
CH3
CH3
OH
CH3
H
H3C
CH2Cl
O
9
2.
Укажите
являются
ли
пары
структур
энатиомерами,
диастереомерами или идентичными молекулами:
Cl
Cl
Cl
CH3
Cl
CH3
Cl
Br
Cl
Br
Br
Br
3. Нарисуйте энантиомеры и дайте обозначения стереогенных (R или S)
центров для следующих соединений: а) 2-гидроксифенилуксусная кислота; б)
2-бромформилуксусная кислота; в) 3-бром-2-метилциклопентен.
4. Обозначьте конфигурацию (R или S) соединений:
F
NO2
H3C
5.
H
CH3
Cl
CH3
Cl
При
дегидратации
аланина
возможно
образование
двух
диоксопиперазинов. Объясните, почему один из них (какой?) оптически
неактивен.
CH3
O
H
CH3
H
NH
HN
H
O
O
CH3
NH
HN
O
H
CH3
6. Нарисуйте Фишеровскую проекцию R-цистеина. Что произойдет,
если эту проекцию повернуть: а) на 90 о, б) на 180 о, в) на 270 о?
Тема Получение стереоизомеров.
10
1. Правовращающий -пинен имеет удельное вращение []20D = +51,3.
Каково процентное содержание каждого энантиомера в образце -пинена с
удельным вращением []20D = +30,8. Все измерения проводились в одном и
том же растворителе и при одной и той же концентрации.
2. Укажите, какие из перечисленных расщепляющих агентов можно
использовать для расщепления рацемических карбоновых кислот, аминов,
кетонов.
CO2 Et
NHCH3
HO
Ph
CH3
OH
OCOCH3
H
H
OH
Ph
CO2 Et
(-)-Эфедрин
Диэтил-D-тартрат
CO2 H
H
O-Ацетилминдальная
кислота
3. Диальдегид госсипол был разделен на индивидуальные энантиомеры
с использованием в качестве расщепляющего реагента S-амфетамина.
Определите тип хиральности в госсиполе, нарисуйте его энантиомеры и
напишите схему расщепления рацемического госсипола на стереоизомеры.
CHO OH
HO
CH3
CH3
HO
CH(CH3 )2
2
госсипол
C
H2
H
NH2
S-амфетамин
4. S-BINAL-H восстанавливает ацетофенон в S-1-фенилэтанол (ее 95
%). Зная, что а) перенос атома водорода происходит от атома алюминия к
атому углерода карбонильной группы и б) ион лития координирует атом
кислорода карбонильной группы и атом кислорода этоксигруппы нарисуйте
шестичленное переходное состояние "кресло", объясняющее наблюдаемую
стереохимию продукту реакции.
5. Объясните стереохимию продукта реакции:
11
O
O
O
O
HCHO
HCO2H
реакция Принса
O
O
O
O
H
H
6. Объясните, почему скорость приведенной ниже реакции ниже, чем
скорость реакции элиминирования соответствующего трео-диастереомера.
Ph
реакция стереоспецифична
H
+
N(CH3 )3
H
CH3
Ph
эритро
B:
H
CH3
Ph
Ph
цис
7. Объясните, почему кетон А (R = CH3) полностью рацемизуется за 36
мин, а кетон Б (R = C(CH3)3) – за 19 суток.
R
H
O
Тема Динамическая стереохимия.
1. (S)-Пентанол-2 реагирует с тионилхлоридом с образованием 2хлорпентана с сохранением конфигурации хирального центра. Предложите
механизм, объясняющий этот результат.
2. Скорость реакции тетрацианоэтилена с диенами возрастает в ряду
Z,Z-гексадиен-2,4 < Z-пентадиен-1,3
< Е-пентадиен-1,3. Объясните эту
закономерность.
3. При конденсации аминогруппы фенилаланина и -карбоксильной
группы аспарагиновой кислоты образуется дипептид. R,S-, S,R- и R,RДиастереомеры имеют горький вкус, а S,S-диастереомер очень сладкий и
продается под торговой маркой "аспартам". Нарисуйте структуру аспартама.
12
Ориентировочный перечень вопросов к зачету
1. Элементы симметрии. Элементы хиральности – центр, ось,
плоскость, спиральность.
2. Конформации этана, пропана, бутана. Номенклатура.
Энергетические диаграммы конформационных переходов.
3.Конформации циклоалканов.
4. Атропоизомерия.
5.Энантиомеры. Способы изображения энантиомеров. Проекции
Фишера.
6. Номенклатура энантиомеров: Фишера (D, L), IUPAC (R,S). Система
Кана-Ингольда-Прелога.
7.Рацематы и рацемические смеси. Методы расщепления рацематов.
8. Абсолютная и относительная конфигурация. Определение
конфигурации: метод химического перехода, метод оптического сравнения.
9.
Абсолютная
и
относительная
конфигурация.
Определение
конфигурации: хироптические методы – дисперсия оптического вращения и
круговой дихроизм, метод спектроскопии ЯМР.
10. - и -Диастереомеры. Номенклатура.
11.Определение конфигурации диастереомеров.
12. Удельное вращение. Оптическая чистота.
13. Рацемизация.
14. Энантиоселективный синтез на основе карбонильных соединений.
15. Стереоселективное присоединение по С=С связям.
16. Стереоселективный катализ.
17. Стереоспецифичные и стереоселективные реакции. Стереохимия
нуклеофильного замещения в ряду алканов.
18. Стереоспецифичные и стереоселективные реакции. Стереохимия
диенового синтеза.
19. Атомы азота, фосфора и серы в качестве хиральных центров.
20. Стереохимия углеводов на примере глюкозы.
13
7.
Учебно-методическое
и
информационное
обеспечение
дисциплины (модуля)
а) основная литература:
1. В.М. Потапов Стереохимия. М.: Химия, 1988.
2. Ш. Бакстон, С. Робертс Введение в стереохимию органических
соединений. М.: Мир, 2005.
3. Э. Илиел, С. Вайлен, М. Дойл Основы органической стереохимии.
М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007.
б) дополнительная литература:
1. М. Ногради Стереохимия. М.: Мир, 1984.
2. Э. Илиел Стереохимия соединений углерода. М.: Мир, 1965.
3. В.Г. Дашевский Конформации органических молекул. М.: Химия,
1974.
4. В.В. Дунина, Е.Г. Рухадзе, В.М. Потапов Получение и исследование
оптически активных веществ. М.: Издательство московского университета,
1979.
5. Г.В. Быков История стереохимии органических соединений. М.:
Наука, 1966.
6. О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин Органическая химия, т.2. М.:
Издательство московского университета, 1999.
7. Э. Илиел Основы стереохимии. М.: Бином. Лаборатория знаний,
2005.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
Для преподавания дисциплины необходимы:
лекционные и семинарские аудитории, снабженные презентационным
оборудованием.
14
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с
учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки
Химия.
Автор:
доцент кафедры органической химии О.В. Дябло
Рецензент: профессор
кафедры
химии
природных
и
высокомолекулярных соединений, к.х.н. Е.Б. Цупак
Программа одобрена на заседании УМК химического факультета ЮФУ
от ___________ года, протокол № ________.