Fyzikální organická chemie I - MC270P95

• Anglický název: Physical Organic Chemistry I
• Český název: Fyzikální organická chemie I
• Zajišťuje: Katedra organické chemie (31-270)
• Fakulta: Přírodovědecká fakulta
• Platnost: od 2020
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 3
• Způsob provedení zkoušky: zimní s.:
• Rozsah, examinace: zimní s.:2/1, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: 3
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Poznámka: povolen pro zápis po webu
• Garant: doc. RNDr. Jindřich Jindřich, CSc.
• Vyučující: RNDr. Tomáš Slanina, Ph.D.
• Neslučitelnost : MC270P03

Anotace

čeština

Poslední úprava: PharmDr. Eliška Matoušová, Ph.D. (19.08.2019)

Kurz se skládá z přednášky a cvičení, které se navzájem doplňují. Studenti se naučí porozumět vztahu mezi strukturou organických sloučenin a jejich reaktivitou. Cílem je naučit se aktivně používat fyzikálně chemické metody na konkrétních příkladech, kdy si studenti postupně osvojí schopnost návrhu zkoumání a optimalizace mechanismů organických reakcí. Získané znalosti pomohou studentům orientovat se v odborné literatuře a interpretovat výsledky experimentálních a teoretických studií.

angličtina

Poslední úprava: PharmDr. Eliška Matoušová, Ph.D. (19.08.2019)

The course is composed from lectures and seminars that are complementary to each other. Students will learn how to understand the relationship between the structure of organic compounds and their reactivity. The aim is to gain knowledge about the use of physicochemical methods for practical examples where students will learn how to propose, study and optimize mechanisms of organic reactions. Gained knowledge will help students to get orientation in contemporary chemical literature and to interpret the results of experimental and theoretical studies.

Literatura

čeština

Poslední úprava: PharmDr. Eliška Matoušová, Ph.D. (19.08.2019)

Povinná literatura

E.V. Anslyn, D.A. Dougherty: Modern Physical Organic Chemistry, University Science Books 2006. ISBN 1891389319

Doporučená literatura

I. Fleming: Molecular orbitals and organic chemical reactions. John Wiley & Sons, 2010. ISBN 9780470746585

P. Klán, J. Wirz: Photochemistry of Organic Compounds: From Concepts to Practice. John Wiley & Sons Ltd., 2009. ISBN 978-1-4051-9088-6

angličtina

Poslední úprava: PharmDr. Eliška Matoušová, Ph.D. (19.08.2019)

Required literature

E.V. Anslyn, D.A. Dougherty: Modern Physical Organic Chemistry, University Science Books 2006. ISBN 1891389319

Recommended literature

I. Fleming: Molecular orbitals and organic chemical reactions. John Wiley & Sons, 2010. ISBN 9780470746585

P. Klán, J. Wirz: Photochemistry of Organic Compounds: From Concepts to Practice. John Wiley & Sons Ltd., 2009. ISBN 978-1-4051-9088-6

Požadavky ke zkoušce

čeština

Poslední úprava: doc. RNDr. Jindřich Jindřich, CSc. (02.11.2020)

Podmínky k udělení zápočtu: účast na cvičení (min. 75 %), vypracování domácích úloh (min. 75 %), úspěšné absolvování testu uprostřed semestru (min. 60 %).

Podmínky ke zkoušce: získání zápočtu ze cvičení, závěrečná písemná zkouška (min. 60 %) a ústní zkouška.

Požadavky ke složení písemné a ústní zkoušky: znalost základních principů vztahu mezi strukturou a reaktivitou, schopnost aplikovat fyzikálně chemické principy na studium konkrétních příkladů organických reakcí, schopnost návrhu klíčových experimentů pro zkoumání reakčních mechanismů a optimalizaci jejich parametrů.

 

Po dobu omezení prezenční výuky probíhá výuka v SISu rozvrhovaném čase systémem online přednášek a seminářů prostřednictvím platformy Google Meet na adrese https://meet.google.com/szu-ywvp-twe

Seminář navazuje na přednášku a je veden formou řešení domácích úkolů, které jsou každý týden zadávány. Prezentace, zadání, řešení domácích úloh dostávají účastníci emailem a nahrávky přednášek jsou umisťovány jako neindexované záznamy na youtube, jejichž odkaz jsou studentům zasílány. Také je všechny materiály dostupné v SIS.

angličtina

Poslední úprava: PharmDr. Eliška Matoušová, Ph.D. (19.08.2019)

Requirements for the seminar: attendance (min. 75 %), min. 75 % of homework handed in, mid-term test (min. 60 % of correct answers).

Requirements for the examination: successful completion of the seminar, final written examination (min. 60 %) and oral examination.

Requirements for written and oral examination: knowledge of basic principles between structure and reactivity, ability to apply the physicochemical principles on studies of model examples of organic reactions, ability to propose key experiments for investigation of reaction mechanisms and optimization of their parameters.

Sylabus

čeština

Poslední úprava: PharmDr. Eliška Matoušová, Ph.D. (19.08.2019)

1. Úvod. Definice fyzikální organické chemie. Základní metodologické koncepty. Empirická pravidla pro určení mechanismů organických reakcí. Rozměr, čas, rychlost a energie v chemii. Chemická vazba. Lewisovy struktury. Teorie valenčních vazeb. Rezonance. Elektronegativita. Hybridizace. VSEPR. Dipóly, kvardupóly, polarizovatelnost.

2. Molekulární orbitaly a reaktivita. Sestrojení molekulárních orbitalů. Salem-Klopmanova rovnice. MO-LCAO pro H₂, CH₄, vodu, ethan, ethylen, formaldehyd. Walshovy orbitaly pro cyklopropan. Hückelova aproximace. Korelační diagramy. Woodwardův-Hoffmannův, Dewarův-Zimmermanův, Fukuiho (FMO) model. Výběrová pravidla.

3. Aromaticita, antiaromaticita, homoaromaticita. Hücklova, Woodward-Hoffmannova, Bairdova, Clarova pravidla. NICS, ACID metody. Aromatické ionty a dipóly. Polycyklické aromatické molekuly. Pericyklické reakce: elektrocyklizace, cykloadice (Diels-Alder, keteny), sigmatropní přesmyky, enové reakce, reakce přenosu atomu.

4. Stabilita molekul. Termochemické výpočty. Energie disociace vazeb (BDE). Bensonovy tabulky. Konformace acyklických a cyklických uhlovodíků a jejich derivátů. Torzní a stereoelektronické vlivy. A-hodnoty. Bredtovo pravidlo. Hyperkonjugace. Anomerní efekt. Racionalizace stereoelektronových efektů pomocí FMO. Baldwinova pravidla. Thorpe-Ingoldův efekt.

5. Nekovalentní interakce a solvatace. Chemie v různých fázích. Efekt rozpouštědla. Klecový efekt. Solvatochromismus. Huges-Ingoldův model. Vodíková vazba. Halogenová vazba. Kation-π interakce. π-π interakce. Hydrofobní efekt. CT interakce. Molekulární rozpoznání. Supramolekulární interakce. Iontové kapaliny. Chirální solvatace.

6. Kyseliny a zásady. Acidobazické rovnováhy v různých rozpouštědlech a fázích. Aciditní funkce. Brønstedova rovnice. Efekt substituce na sílu Brønstedových kyselin a zásad. Kinetická kyselost. Superkyseliny. Příprava termodynamicky nestabilních kyselin. Fotokyselost.

7. Chemická reaktivita. Teorie měkkých a tvrdých kyselin a zásad, nukleofilů a elektrofilů (HSAB). Ambidentní nukleofily a elektrofily. Indexy reaktivity. Rychlostní konstanty a transitní stavy. Aktivační a hnací síla reakcí. Aktivační entalpie a entropie. Kinetika. Arrheniova a Eyringova rovnice a jejich spojení se statistickou termodynamikou. Hammondův postulát. Bellův-Evansův-Polanyiho princip. More O'Ferrallovy-Jencksovy diagramy. Curtinův-Hammettův princip.

8. Termodynamika a kinetika a další nástroje pro studium reakčních mechanismů. LFER, Hammettova rovnice. Taftova rovnice. QSAR. Kinetický izotopový efekt. Singletonův experiment. Izotopové značení. Křížové experimenty. Stereochemická analýza. Kinetická analýza, určení řádu reakce, experimentální kinetické metody, diferenciální fitování získaných dat.

9. Katalýza. Termodynamický cyklus. Specifická a obecná acidobazická katalýza. Brønstedovy koeficienty. Lewisovy kyseliny a zásady. Intramolekulární katalýza. Katalýza přechodnými kovy. Imobilizované a heterogenní katalyzátory. Langmuirův model. Katalyzátory přenosu fází. Asymetrická katalýza.

10. Fotochemie. Elektronová excitace. Fotofyzikální a fotochemické procesy. Jabłońskiho diagram. Přenos energie. Sternova-Volmerova analýza. Nástroje pro studium fotochemických procesů.

11. Přenos elektronu. Koopmansův theorém. Ionizační potenciál, elektronová afinita a CT komplexy. Marcusova teorie. Přenos elektronu v S_N reakcích. Nerovnovážný přenos elektronu. PeT, conPet. Fotoredoxní katalýza.

12. Efekty externích vlivů na reaktivitu: teplota, tlak, koncentrace. Le Chatelierův-Brownův princip. Neklasické aktivace. Spinová chemie. Efekt magnetického pole. Mikrovlnná chemie. Sonochemie. Mechanochemie. Radiační chemie. Plazmová chemie. Chemie ve vesmíru. Modálně specifická fotochemie (VIPER).

angličtina

Poslední úprava: PharmDr. Eliška Matoušová, Ph.D. (19.08.2019)

1. Introduction. Definition of Physical Organic Chemistry. Basic methodological concepts. Empirical rules for determination of organic reaction mechanisms. Dimension, time, rate and energy in chemistry. Chemical bond. Lewis structures. Valence bond theory. Resonance. Electronegativity. Hybridization. VSEPR. Dipoles, quadrupoles, polarizability.

2. Molecular Orbitals and Reactivity. Construction of molecular orbitals. Salem-Klopman equation. MO-LCAO for H₂, CH₄, water, ethane, ethylene, formaldehyde. Walsh orbitals for cyclopropane. Hückel approximation. Correlation diagrams. Woodward-Hoffmann, Dewar-Zimmerman, Fukui (FMO) models. Selection rules.

3. Aromaticity. Aromaticity. Antiaromaticity. Homoaromaticity. Hückel, Woodward-Hoffmann, Baird, Clar rules. NICS, ACID methods. Aromatic ions and dipoles. Polycyclic aromatic compounds. Pericyclic reactions: Electrocyclizations, cycloadditions (Diels-Alder, ketenes), sigmatropic rearrangements, ene reactions, atom transfer reactions.

4. Stability of Molecules. Thermochemical calculations. Bond dissociation energy. Benson tables. Conformation of acyclic and cyclic hydrocarbons and their derivatives. Torsion and stereoelectronic effects. A-values. Bredt rule. Hyperconjugation. Anomeric effect. FMO rationalization of stereoelectronic effects. Baldwin rules. Thorpe-Ingold effect.

5. Noncovalent Interactions and Solvation. Chemistry and phases. Solvent effects. Solvent cage effect. Solvatochromism. Hughes-Ingold model. Hydrogen bonding. Halogen bonding. Cation-π-Interaction, π-π-Interaction. Hydrophobic effect. CT interaction. Molecular recognition. Supramolecular interactions. Ionic liquids. Chiral solvation.

6. Acids and Bases. Acid-base equilibria in different solvents and phases. Acidity function. Brønsted equation, Substituent effects and strengths of Brønsted acids and bases. Kinetic acidity. Superacids. Preparation of thermodynamically unstable acids. Photoacidity.

7. Chemical Reactivity. Hard and soft acids, bases, nucleophiles and electrophiles (HSAB theory). Ambident nucleophiles/electrophiles. Reactivity indices. Rate constants and transition state. Activation and driving force of reactions. Activation enthalpy and entropy. Kinetics. Arrhenius and Eyring equation and its connection to statistical thermodynamics. Hammond postulate. Bell-Evans-Polanyi principle. O'Ferrall-Jencks diagrams. Curtin-Hammett principle

8. Thermodynamics and Kinetics and other Tools to Study Mechanisms. Linear free energy relationship (LFER): Hammett equation. Taft equation. QSAR. Kinetic isotope effects. Singleton experiment. Isotopic labelling. Cross experiments. Stereochemical analysis. Kinetic analysis, reaction order determination, experimental kinetic methods, differential least squares fitting.

9. Catalysis. Thermodynamic cycle. Specific and general acid-base catalysis. Brønsted coefficients. Lewis acid and base catalysis. Intramolecular catalysis. Transition metal catalysis. Immobilized and heterogenous catalysts. Langmuir model. Phase transfer catalysis. Asymmetric catalysis.

10. Photochemistry. Electronic excitation. Photophysical and photochemical processes. Jabłoński diagram. Energy transfer. Stern-Volmer analysis. Tools to study photochemical processes.

11. Electron Transfer. Koopmans theorem. Ionization potential, electron affinity and CT complexes. Marcus theory. Electron transfer in S_N reactions. Non-equilibrium electron transfer. PeT, conPeT. Photoredox catalysis.

12. Effects of external factors on reactivity: temperature, pressure, concentration, Le Chatelier-Brown principle, non-classical Activation of Chemical Reactions. Spin chemistry. Magnetic field effect. Magnetic isotope effect. Microwave chemistry. Sonochemistry. Mechanochemistry. Radiation chemistry. Plasma chemistry. Chemistry in space. Mode-specific photochemistry (VIPER).