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Academic Year/course: 2018/19

452 - Degree in Chemistry

27232 - Homogeneous Catalysis


Syllabus Information

Academic Year:
2018/19
Subject:
27232 - Homogeneous Catalysis
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
452 - Degree in Chemistry
ECTS:
5.0
Year:
4
Semester:
Second semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

4.1. Methodological overview

The methodology followed in this course is oriented towards achievement of the learning objectives. It favors the understanding of the different chemical processes that occur in homogeneous catalysis as well as an overview about industrial processes based on transition metal homogeneous catalysts. A wide range of teaching and learning tasks are implemented, such as lectures and tutorials.

Students are expected to participate actively in the class throughout the semester.

Classroom materials will be available via Moodle. These include a repository of the lecture notes used in class, the course syllabus, as well as other course-specific learning materials.

Further information regarding the course will be provided on the first day of class.

4.2. Learning tasks

The course includes 5 ECTS organized according to:

  • Theory sessions (5 ECTS): 50 hours. lecture notes and a series of problems (and its solutions) will be available for the students. At the end of each topic, some of the problems will be solved in class by the professor and the rest will be done individually.
  • Tutorials. 

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:

Section 1. Introduction

  • Topic 1. Introduction to homogeneous catalysis. Basic concepts and importance of homogeneous catalysis. Green-Chemistry and catalysis. The selectivity of a catalytic process. Transition metal compounds and their application as homogeneous catalysts. The 18-electron rule. The electronic and steric effects exerted by the ligands in transition metal complexes. Coordinative unsaturation. Trans effect and trans influence.
  • Topic 2. Fundamental Reactions in Homogeneous Catalysis. Oxidative addition and reductive elimination reactions Characteristics of the oxidative addition reactions. Classification of the oxidative addition reactions. Mechanisms of the oxidative addition reactions. Oxidative addition of C-H bonds to transition metal complexes. Characteristics of the reductive elimination reactions and some examples. Insertion and elimination reactions. Reactions involving attack to coordinated ligands. Characteristics of the insertion and elimination reactions. Mechanisms of the insertion reactions. Characteristics of the alpha and beta elimination reactions. Changes in the reactivity of coordinated ligands. Examples of reactions involving attack to coordinated ligands.

Section 2. Applications of the homogenous catalysis

  • Topic 1. Isomerization. Isomerization of alkenes: positional isomerization, cis-trans isomerization, skeletal isomerization. Asymmetric Isomerization: synthesis of menthol.
  • Topic 2. Hydrogenation. Hydrogen activation. Homogeneous hydrogenation mechanisms. Representative hydrogenation catalysts. Asymmetric Hydrogenation. Non-classics mechanisms: bifunctional, ionic. Hydrogen transfer reactions.
  • Topic 3. Carbonylation. Characteristics of the carbonylation reactions. Carbonylation of methanol. Carbonylation of methyl acetate. Hydroformylation. Copolymerization of carbon monoxide and olefins.
  • Topic 4. Oxidation. Characteristics of the oxidation reactions. The Wacker process. Epoxidation of olefins. Oxidation of C-H bonds. Polymerization and oligomerization.
  • Topic 5. Olefin polymerization. Representative catalysts for olefin polymerization: Ziegler-Natta catalysts, metallocenes, other catalysts. Mechanism of polymerization reactions. Polymers and copolymers. Dimerization and oligomerization. SHOP process (Shell Higher Olefin Process).
  • Topic 6. Metathesis. Metathesis reactions. Metathesis of acyclic and cyclic olefins. Mechanism of reactions of olefin metathesis. Types of metathesis catalysts. Applications of the metathesis reactions.
  • Topic 7. Hydrocyanation and hydrosilylation. Characteristics of the hydrocyanation reactions. Preparation of adiponitrile by hydrocyanation of butadiene. Characteristics of the hydrosilylation reactions. Mechanisms of the hydrosilylation reactions.
  • Topic 8. Carbon-carbon coupling reactions. Carbon-carbon coupling reactions: Heck reaction, carbon-carbon coupling reactions via transmetallation. Other C-C coupling reactions.

4.4. Course planning and calendar

Further information concerning the timetable, classroom, office hours, assessment dates and other details regarding this course, will be provided on the first day of class or please refer to the Facultad de Ciencias web (https://ciencias.unizar.es/grado-en-quimica-0).

4.5. Bibliography and recommended resources

LISTADO DE URLs:
 

 

Organometallic HyperTextBook - [http://www.ilpi.com/organomet/]

 

 


Curso Académico: 2018/19

452 - Graduado en Química

27232 - Catálisis homogénea


Información del Plan Docente

Año académico:
2018/19
Asignatura:
27232 - Catálisis homogénea
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
452 - Graduado en Química
Créditos:
5.0
Curso:
4
Periodo de impartición:
Segundo semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Módulo:
---

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

El objetivo global de la asignatura es el estudio de los distintos tipos de reacciones catalizadas por complejos de metales de transición y de las reacciones fundamentales necesarias para entender los mecanismos de reacción, con particular énfasis en los procesos industriales de mayor importancia y en los retos, científicos e industriales, más actuales en esta área.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

La asignatura Catálisis Homogénea se encuadra en el módulo avanzado del Grado en Química. Es una asignatura optativa que se imparte en el segundo cuatrimestre y tiene una carga lectiva de 5 créditos ECTS. Los contenidos de la asignatura Catálisis Homogénea complementan los conocimientos adquiridos en la asignatura Química Inorgánica II y son fundamentales para comprender la importancia de la catálisis en la industria química, así como para la realización de diversos trabajos de fin de Grado en el área de conocimiento de Química Inorgánica.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Se recomienda haber cursado la asignatura Química Inorgánica II.

Se requiere el dominio de conceptos básicos de estructura, enlace y reactividad de compuestos de coordinación.

La asistencia a clase y el trabajo continuado facilita la superación de la asignatura.

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para...

Identificar las aplicaciones industriales de mayor importancia basadas en catalizadores homogéneos.

Aplicar los conceptos de química organometálica al diseño de catalizadores homogéneos.

Proponer las etapas fundamentales que integran el mecanismo de las reacciones catalíticas homogéneas.

Evaluar la actividad y selectividad de los catalizadores, y la sostenibilidad de los procesos catalíticos.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados...

Comprensión de las reacciones fundamentales en catálisis homogénea.

Conoce las reacciones catalíticas homogéneas catalizadas por complejos de metales de transición, sus mecanismos de reacción y sus aplicaciones industriales.

Elige el catalizador homogéneo más adecuado para un proceso sintético.

Propone el ciclo catalítico operativo en la preparación de un producto.

Elabora, expone y defiende trabajos tutelados básicos de catálisis homogénea.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

Los conocimientos adquiridos en la asignatura deben proporcionar al alumno una visión global del impacto de la catálisis homogénea en la industria química y de las expectativas que genera tanto en investigación básica como aplicada. El uso de catalizadores en medio homogéneo hace posible transformaciones químicas selectivas en condiciones muy suaves, metodologías de síntesis más eficientes, y el desarrollo de una industria química con bajo impacto medioambiental.

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluacion

Los alumnos serán evaluados, de forma continua, de la siguiente manera:

1.- Seminarios y problemas (15 %). La evaluación se realizará mediante controles de resolución de problemas, cuestiones teórico-prácticas y actividades relacionadas.

2.- Parte teórica (85 %). La realización de dos pruebas escritas parciales, cuyas fechas se anunciarán convenientemente al inicio del curso, que consistirán en la resolución de problemas y cuestiones teórico-prácticas, que se calificarán de manera independiente. La calificación de la parte teórica de la asignatura se obtendrá como la media aritmética de las notas de cada una de ellas.  Para que pueda realizarse dicho promedio, el alumno deberá obtener un mínimo de 5 puntos (sobre 10) en cada una de las pruebas parciales.

La calificación final de la asignatura será:

Calificación = Seminarios y problemas (15%) + Parte teórica (85%)

Los alumnos que no hayan aprobado la asignatura por este procedimiento o deseen mejorar su calificación deberán realizar la prueba global de la asignatura, que se realizará de acuerdo con el calendario de exámenes de la Facultad de Ciencias, y que supondrá el 100 % de la calificación. Dicha prueba global consistirá en un único examen escrito de contenido teórico-práctico. Para aprobar será necesario alcanzar una calificación mínima de 5 puntos (sobre 10).

El número de convocatorias oficiales de examen a las que la matrícula da derecho (2 por matrícula) así como el consumo de dichas convocatorias se ajustará a la Normativa de Permanencia en Estudios de Grado y Reglamento de Normas de Evaluación del Aprendizaje. A este último reglamento, también se ajustarán los criterios generales de diseño de las pruebas y sistema de calificación, y de acuerdo a la misma se hará público el horario, lugar y fecha en que se celebrará la revisión al publicar las calificaciones. Dicha normativa puede consultarse en: http://wzar.unizar.es/servicios/coord/norma/evalu/evalu.html

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

  1. Clases teóricas (4 ECTS).
  2. Resolución de problemas y seminarios (1 ECTS).

4.2. Actividades de aprendizaje

El programa que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos comprende las siguientes actividades:

1.- Actividad formativa de adquisición de conocimientos básicos de Catálisis Homogénea. Esta actividad comprende 40 horas presenciales de clases expositivas-interactivas en grupo grande.

2.- Actividad formativa de clases de resolución de problemas y seminarios. Esta actividad comprende 10 horas de clases presenciales en las que los alumnos, de forma individual o en grupo, resolverán problemas propuestos y debatirán sobre temas relacionados con el programa de la asignatura.

3.- Tutorías. Los alumnos dispondrán de 6 horas semanales para tutorías individualizadas.

4.3. Programa

El programa teórico de la asignatura comprende los siguientes temas:

Introducción

Conceptos básicos. Características de la catálisis homogénea y heterogénea. Conceptos de selectividad en procesos catalíticos. Catálisis y química "verde". Compuestos de coordinación y catálisis homogénea. Regla de los 18 electrones. Insaturación coordinativa. Efectos electrónicos y estéricos de los ligandos. Efecto e influencia trans.

Reacciones Fundamentales en Catálisis Homogénea

Reacciones de adición oxidante y eliminación reductora

Características de las reacciones de adición oxidante. Tipos de reacciones de adición oxidante. Mecanismos de las reacciones de adición oxidante. Adición oxidante de enlaces C-H.

Reacciones de eliminación reductora.

Reacciones de inserción y eliminación. Reacciones de ataque a ligandos coordinados

Reacciones de inserción y eliminación. Mecanismo de las reacciones de inserción. Características de las reacciones de inserción. Eliminaciones alfa y beta. Modificaciones en la reactividad de ligandos coordinados. Reacciones de ataque a ligandos coordinados.

Reacciones Cataliticas Homogeneas: Aplicaciones

Isomerización

Isomerización de alquenos: isomerización de posición, isomerización cis-trans, isomerización esqueletal. Isomerización asimétrica: síntesis de mentol.

Hidrogenación

Activación de hidrógeno. Mecanismos de hidrogenación homogénea. Catalizadores de hidrogenación representativos: catalizador de Wilkinson, catalizadores catiónicos de rodio e iridio: hidrogenación asimétrica; catalizadores de rutenio: hidrogenación asimétrica, otros catalizadores. Mecanismos no clásicos: bifuncional, iónico. Reacciones de transferencia de hidrógeno.

Carbonilación

Reacciones de carbonilación. Carbonilación de metanol. Carbonilación de acetato de metilo. Hidroformilación. Copolimerización de olefinas y monóxido de carbono.

Oxidación

Reacciones de oxidación. El proceso Wacker. Epoxidación de olefinas. Dihidroxilación de olefinas. Oxidación de enlaces C-H.

Polimerización y oligomerización.

Polimerización de olefinas. Catalizadores de polimerización representativos: Catalizadores Ziegler-Natta, metalocenos, otros catalizadores. Mecanismo de las reacciones de polimerización. Polímeros y copolímeros. Dimerización y oligomerización. Proceso SHOP (Shell Higher Olefin Process).

Metátesis

Reacciones de metátesis. Metátesis de olefinas acíclicas y cíclicas. Mecanismo de las reacciones de metátesis de olefinas. Tipos de catalizadores de metátesis. Aplicaciones de las reacciones de metátesis.

Hidrocianación e hidrosililación

Reacciones de hidrocianación. Preparación de adiponitrilo por hidrocianación de butadieno. Reacciones de hidrosililación. Mecanismos de las reacciones de hidrosililación.

Reacciones de acoplamiento carbono-carbono

Reacciones de acoplamiento carbono-carbono: Reacción de Heck. Reacciones de acoplamientos carbono-carbono vía transmetalación. Otras reacciones de acoplamiento.

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Calendario de sesiones presenciales y presentación de trabajos

Los horarios de la asignatura y fechas de exámenes se publican en el tablón de anuncios y en página web de la Facultad de Ciencias: http://ciencias.unizar.es/web/horarios.do.

Las fechas de las pruebas de evaluación se expondrán con la debida antelación en el tablón de anuncios del Departamento de Química Inorgánica y las pruebas globales podrán consultarse en la página web de la Facultad de Ciencias: http://ciencias.unizar.es/web/horarios.do

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

LISTADO DE URLs:
 

 

Organometallic HyperTextBook - [http://www.ilpi.com/organomet/]