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Academic Year/course: 2020/21

543 - Master's in Molecular Chemistry and Homogeneous Catalysis

60452 - Catalysis

Syllabus Information

Academic Year:

2020/21

Subject:

60452 - Catalysis

Faculty / School:

100 - Facultad de Ciencias

Degree:

543 - Master's in Molecular Chemistry and Homogeneous Catalysis

ECTS:

6.0

Year:

Semester:

First semester

Subject Type:

Compulsory

Module:

---

1. General information

1.1. Aims of the course

The global objective of the course is to provide the student with an advanced training in Catalysis including the principles, mechanisms and applications of the different types of catalysts that operate both in homogeneous phase, such as organometallic catalysts and organocatalysts, and in heterogeneous phase.

1.2. Context and importance of this course in the degree

The course focuses on the study of the basic concepts of catalysis, the different types of catalysts, their mechanism of action and their applications. The course is divided into different blocks: i) basic concepts in catalysis, ii) fundamentals of organometallic catalysis, iii) applications and mechanisms of organometallic catalysts, iv) principles, classification and applications of heterogeneous catalysts, and v) design and mechanism of action of organocatalysts. Along the course, we present a selection of some of the cutting-edge research in catalysis and their potential to meet the new challenges for sustainable development.

The course is part of the compulsory module entitled Molecular Chemistry and Catalysis. It is a mandatory subject that is taught during the first semester of the course and it has a workload of 6 ECTS credits. The course provides an advanced training for understanding the basic principles in the design of catalysts for synthetic transformations following an efficient and selective manner. Since the development and optimization of catalysts is one of the main goals of many research groups at the ISQCH (Institute of Chemical Synthesis and Homogeneous Catalysis), this is a fundamental subject for the realization of the Master's Dissertation in this field of research.

1.3. Recommendations to take this course

A mastery of the basic concepts of chemical bonding, structure and reactivity of organic and inorganic compounds is recommended. Class attendance along with continued work facilitates to pass the course.

2. Learning goals

2.1. Competences

To be able to apply the acquired knowledge to address the study of new catalytic transformations.

To be able to apply concepts acquired in the field of inorganic, organic and organometallic chemistry to the design of catalysts.

To be able to apply the fundamentals of catalysis to the synthesis of chemicals following sustainable and environmentally friendly procedures.

To identify and use the most useful literature sources in the scientific research field of catalysis.

To appreciate the potential of the catalysis to face up the new challenges for a sustainable development

To be able to communicate conclusions of a scientific research work in the field of catalysis.

2.2. Learning goals

The student must identify the importance of catalysis in the development of sustainable chemicals processes.

The student must know the different types of catalysts, their mode of action, advantages and disadvantages, as well as their principal applications.

The student should evaluate the activity, selectivity and environmental impact of the catalytic processes.

The student must identify key reactions in organometallic catalysis.

The student must know the main homogeneous reactions catalyzed by transition metal complexes and their reaction mechanisms.

The student should describe the different types of heterogeneous catalysts and the different strategies of immobilisation of molecular catalysts.

The student should describe the different types of organocatalyzed reactions and its applications.

The student must identify the current research lines in catalysis and its contribution to the scientific and technological development.

2.3. Importance of learning goals

Trained skills in this course should provide the student with an overall view of the main scientific research lines in catalysis and their importance in the development of new catalytic processes. The design of new catalysts and the optimization of catalytic processes are key steps in the development of sustainable chemical processes through the efficient use of scarce natural resources and energy.

3. Assessment (1st and 2nd call)

3.1. Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

The evaluation of this course is based on the following activities, weighted as indicated:

1.- Control examination of theoretical, theoretic-practical questions and problems (P1) on Topics 1-8. Students must get a mark of at least 5 out of 10 points to avoid this part of course in the final exam.

2.- Resolution of practical exercises, theoretic-practical questions and related practical activities (T1).

3.- Elaboration and oral presentation of a supervised individual or team-based practical work on a scientific paper (T2).

4.- Global Exam: Written theoretic and problem solving test (P2) on Topics 9-14 to be performed within the global evaluation period. Students who had not been done the control P1 or who had not get a mark of at least 5 out of 10 points must pass an additional exam (P1') with questions and problems of the first part of the course.

To pass the course it is necessary to get a score of at least 5 out of 10 points in each of the two parts of the course: P1(P1’) and P2.

The final numerical mark will be the best of the following:

Mark 1 = 0.35*(P1 ó P1') + 0.35*(P2) + 0.15*T1 + 0.15*T2

Mark 2 = 0.50*(P1 ó P1') + 0.50*(P2)

The rating of the students in the second annual examination session will consist in a single written exam that cover all themes of theory, problems or laboratory sessions defined as learning activities.

The number of official examination calls per registration and their use will be subjected to the statements of the Regulation of Permanence in Master Studies and the Regulation of the Learning Assessment: https://ciencias.unizar.es/normativas-asuntos-academicos. The latest document will also regulate the general design and scoring criteria of the assessment activities, as well as the exam schedules and timetable for the post-examination review.

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The methodology followed in this course is oriented towards achievement of the learning objectives. A wide range of teaching and learning tasks are implemented, such as:

1. Interactive lectures (4 ECTS)

2. Seminar and problem-solving sessions (1.5 ECTS)

3. Laboratory sessions (0.5 ECTS)

4.2. Learning tasks

The course includes the following learning tasks:

Interactive lectures (4 ECTS: 40 hours). In one-hour sessions, students will acquire advanced knowledge of catalysis.
Seminar and problem-solving sessions (1.5 ECTS: 15 hours). Students will work, individually or in small groups, with several case studies and scientific papers related with the course contents.
Tutorials. Students will own 3 hours per week for individualized tutoring.
Laboratory sessions (0.5 ECTS: 5 hours). Attendance is compulsory. The work done in these sessions will be shared with the other courses of the Molecular Chemistry and Catalysis module.

Teaching and assessment activities will be carried out in the classroom with all students in person unless, due to the health situation, the provisions issued by the competent authorities and by the University of Zaragoza arrange to carry them out by telematics means. If the number of enrolled students exceeds the established capacity of the classroom, the teaching will follow the guidelines of the Faculty of Sciences and/or the University of Zaragoza. In the case of practical work developed in the laboratory, where teaching usually implies mobility throughout the laboratory, the use of masks will be mandatory. Tutorial activity will be carried out mainly in remote using on-line tools.

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:

Basic concepts in catalysis

Topic 1. Introduction to catalysis: basic concepts.

Economic impact and challenges of catalysis. Catalysis and sustainable chemistry. Homogeneous catalysis, heterogeneous catalysis and biocatalysis. Activity and selectivity of the catalysts. Quantification of the environmental impact. Frontiers in catalysis: energy and environment.

Fundamentals of organometallic catalysis

Topic 2. Homogeneouscatalysis with transition metals compounds.

Characteristics of transition metal based catalysts. Ligands and catalyst design. Indenyl effect, chelate effect. Bonding in coordination and organometallic compounds.

Topic 3. Reaction mechanisms: thermodynamic and kinetic aspects.

Reaction coordinate diagrams of catalytic reactions. Catalytic cycle: constituent species, steps and catalyst resting state. Kinetics models for two-step reactions. Selectivity determination.

Topic 4. Elementary steps.

Ligand-substitution processes. Oxidative Aaddition. Reductive elimination. s-Bond metathesis. Migratory insertion. ß-Hydride elimination. a-Hydride elimination and a-hydride abstraction. Nucleophilic attack on coordinated ligands. Electrophilic attack on coordinated ligands. Transmetallation.

Organometallic catalysis in homogenous phase: applications

Topic 5. Hydrogenation and hydrogen transfer reactions.

Introduction. Hydrogenation of alkenes: catalysts and mechanisms. Asymmetric hydrogenation. Asymmetric hydrogenation of ketones. Hydrogen transfer hydrogenation: mechanisms.

Topic 6. Hydrofunctionalization reactions.

Introduction. Hydrofunctionalization reactions: hydrocyanation, hydrosilylation, hydroboration and hydroamination.

Topic 7. Carbonylation reactions.

Introducción. Carbonylation of methanol. Olefin carbonylation: hydroformylation, hydroaminomethylation, hydrocarboxylation and hydroesterificacion. Carbonylation of organic halides. Copolymerization of alkenes with carbon monoxide.

Topic 8. Carbon-carbon coupling reactions.

Fundamentals of cross coupling. Catalyst and ligand design. Heck reaction. Oxidative coupling of alkynes. Alkyne dimerization and polymerization.

Topic 9. C-H activation.

Fundamentals of C-H activation. Mechanisms. Directing groups. Fujiwara reaction. Murai reaction. Hydroacilation. C(sp³)-H activation reactions.

Topic 10. Olefin Metathesis.

Preparation of metal-alkylidenes. Catalysts design. Olefin metathesis reaction types. Selectivity. Alkyne metathesis.

Organocatalysis

Topic 11. Covalent activation.

Introduction to asymmetric organocatalysis. Activation pathways in organocatalysis. Organocatalysts acting through covalent activation. Mechanism of action and representative examples.

Topic 12. Activation throughhydrogen bonds.

Organocatalysts acting through hydrogen bonding, weak interactions, phase-transfer catalysts. Mechanism of action and representative examples.

Supported Catalysts

Topic 13. Introductionto heterogeneous catalysis

Principles and concepts of heterogeneous catalysis. Classification of heterogeneous catalysts according to their composition.

Topic 14. Supported Catalysts.

Introduction. General methodologies for preparation and characterization of supported catalysts. Examples of industrial processes based on supported catalysts.

4.4. Course planning and calendar

Further information concerning the timetable, classroom, assessment dates and other details regarding this course, will be provided on the first day of class or please refer to the Faculty of Science https://ciencias.unizar.es/calendario-y-horarios, and the Master's http://masterqmch.unizar.es websites.

The submission of assignments will be done according to the schelude announced in advance.

The students will be provided with diverse teaching material either at reprography or through the University's virtual platform https://moodle2.unizar.es/add.

The subject of Catalysis will be taught during the first semester as well as the other compulsory subjects of this Master and the optional subjects Fundamental methodologies in synthesis and Bibliographic resources and databases. Throughout the course several control-exams and an individual or team-work will be performed. The dates of the control-exams and deadlines for the presentation of the works will be communicated well in advance.

The experimental practices of the course of Catalysis together with those corresponding to other subjects of the Module Molecular Chemistry and Catalysis constitute an integrated block. The laboratory sessions will be performed during the second half of the semester, the schedule and the laboratory will be announced well in advance.

Curso Académico: 2020/21

543 - Máster Universitario en Química Molecular y Catálisis Homogénea

60452 - Catálisis

Información del Plan Docente

Año académico:

2020/21

Asignatura:

60452 - Catálisis

Centro académico:

100 - Facultad de Ciencias

Titulación:

543 - Máster Universitario en Química Molecular y Catálisis Homogénea

Créditos:

6.0

Curso:

Periodo de impartición:

Primer semestre

Clase de asignatura:

Obligatoria

Materia:

---

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

El objetivo global de la asignatura es proporcionar al alumno una formación avanzada en Catálisis relacionada con los principios, mecanismos y aplicaciones de los diferentes tipos de catalizadores que operan tanto en fase homogénea, catalizadores organometálicos y organocatalizadores, como en fase heterogénea.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

La asignatura se centra en el estudio de los conceptos básicos de catálisis, los diferentes tipos de catalizadores, el mecanismo de acción y sus aplicaciones. La asignatura está dividida en varios bloques diferenciados en los que se abordan: i) conceptos básicos de catálisis, ii) fundamentos de catálisis organometálica, iii) aplicaciones y mecanismos de catalizadores organometálicos, iv) los principios, clasificación y aplicaciones de catalizadores heterogéneos, y v) el diseño y mecanismo de acción de organocatalizadores. Por último, a lo largo del curso se presenta una selección de algunas de las líneas de investigación de vanguardia en catálisis y su potencial para afrontar los nuevos retos para un desarrollo sostenible.

La asignatura de Catálisis se enmarca dentro de Módulo obligatorio Química Molecular y Catálisis. Es una asignatura de carácter obligatorio que se imparte durante el primer semestre del curso y tiene una carga lectiva de 6 créditos ECTS. La asignatura proporciona una formación avanzada que permite comprender los principios básicos en el diseño de catalizadores para transformaciones sintéticas de un modo eficiente y selectivo. El desarrollo y optimización de catalizadores es uno de los objetivos prioritarios de muchos de los grupos de investigación del ISQCH (Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea), y por lo tanto, se trata de una asignatura fundamental que debe posibilitar la realización de Trabajos fin de Máster en esta temática de investigación.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Se recomienda el dominio de los conceptos básicos de enlace, estructura y reactividad de compuestos orgánicos e inorgánicos. La asistencia a clase y el trabajo continuado facilita la superación de la asignatura.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Aplicar los conocimientos adquiridos para abordar el estudio de nuevas trasformaciones catalíticas dentro de un contexto de investigación.

Aplicar conceptos de química inorgánica, orgánica y organometálica al diseño de catalizadores.

Trasladar los principios de la catálisis a la preparación de productos químicos a escala de laboratorio observando las normas de sostenibilidad y el respeto ambiental.

Identificar y utilizar las fuentes bibliográficas más habituales en catálisis en un contexto de investigación.

Valorar el potencial de la catálisis para afrontar los nuevos retos para un desarrollo sostenible.

Comunicar las conclusiones de un estudio de investigación en el campo de la catálisis.

2.2. Resultados de aprendizaje

Identificar la importancia de la catálisis en el desarrollo de procesos y productos químicos de modo sostenible.

Conocer los diferentes tipos de catalizadores, su modo de acción, ventajas e inconvenientes, así como sus principales aplicaciones.

Evaluar la actividad, selectividad e impacto ambiental de los procesos catalíticos.

Identificar las reacciones fundamentales en catálisis organometálica.

Conocer las principales reacciones homogéneas catalizadas por complejos de metales de transición y sus mecanismos.

Describir los diferentes tipos de catalizadores heterogéneos así como las diferentes estrategias de inmovilización de catalizadores moleculares.

Describir los diferentes tipos de reacciones organocatalizadas y sus aplicaciones.

Identificar las líneas de investigación actuales en catálisis y su contribución al desarrollo científico y tecnológico.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

Los conocimientos adquiridos en la asignatura deben proporcionar al alumno una visión global de la importancia de la investigación en catálisis, las principales líneas de investigación y la contextualización de las mismas dentro del panorama general de los procesos catalíticos. El diseño de catalizadores, su evaluación y optimización, son claves en el desarrollo de procesos químicos sostenibles ya que permite la utilización eficiente de recursos naturales escasos, la reducción de residuos y la utilización eficaz de la energía.

3. Evaluación

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

La evaluación de esta asignatura está basada en las siguientes actividades con la ponderación que se indica:

1.- Un control de resolución de problemas, cuestiones teóricas y/o teórico-prácticas (P1) de los Temas 1-8. Este control podrá eliminar materia siempre que se obtenga una calificación igual o superior a 5 puntos sobre 10.

2.- Resolución de ejercicios prácticos, cuestiones teórico-prácticas y actividades prácticas relacionadas (T1).

3.- Preparación y exposición oral de forma individual o en grupo de un trabajo dirigido basado en un artículo científico relacionado con los contenidos de la asignatura (T2).

4.- Una prueba escrita dentro del periodo de pruebas globales consistente en la resolución de problemas, cuestiones teóricas y/o teórico-prácticas (P2) correspondiente a los Temas 9-14. Los estudiantes que no se hubieran presentado a la prueba P1 o no hubieran alcanzado una puntuación igual o superior a 5 sobre 10, deberán realizar además una prueba (P1’) consistente en la resolución de problemas, cuestiones teóricas y/o teórico-prácticas de la primera parte de la asignatura.

Para superar la asignatura es necesario obtener una puntuación igual o superior a 5 puntos sobre 10 en cada una de las dos pruebas P1(P1’) y P2.

La calificación final será la mejor de las siguientes notas:

NOTA 1 = 0.35*(P1ó P1') + 0.35*(P2) + 0.15* T1 + 0.15*T2

NOTA 2 = 0.50*(P1 ó P1') + 0.50*(P2)

La calificación de los alumnos en la segunda convocatoria anual se realizará mediante una única prueba escrita que comprenderá todos los temas de teoría, problemas y práctica definidos como actividades de aprendizaje programadas.

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 Máster y al Reglamento de Normas de Evaluación del Aprendizaje (https://ciencias.unizar.es/normativas-asuntos-academicos). 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.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

1.- Clases teóricas (4 ECTS)

2.- Resolución de problemas y seminarios (1.5 ECTS)

3.- Prácticas de Laboratorio (0.5 ECTS)

4.2. Actividades de aprendizaje

Adquisición de conocimientos avanzados de Catálisis. Esta actividad comprende 40 horas presenciales de clases expositivas-interactivas en grupo grande.

Clases de resolución de problemas y seminarios. Esta actividad comprende 15 horas de clases presenciales en las que los alumnos, de forma individual o en grupo, resolverán casos prácticos y trabajarán artículos científicos relacionados con los contenidos de la asignatura.

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

Prácticas de laboratorio. Esta actividad comprende 5 horas y son obligatorias. Las prácticas de la asignatura junto a las de otras asignaturas del Módulo Química Molecular y Catálisis constituyen un bloque integrado.

Las actividades docentes y de evaluación se desarrollarán de modo presencial salvo que, debido a la situación sanitaria, las disposiciones emitidas por las autoridades competentes y por la Universidad de Zaragoza dispongan realizarlas de forma telemática. Si el número de las/os estudiantes matriculadas/os supera el aforo establecido del aula la impartición de la docencia seguirá las directrices de la Facultad de Ciencias y/o de la Universidad de Zaragoza. Las prácticas de ordenador se realizarán de modo presencial en el aula de informática respetando el aforo establecido. En las clases prácticas de laboratorio, en las que el desarrollo docente requiere generalmente movilidad dentro del espacio físico, se hará uso de mascarillas adecuadas al tipo de actividad. La actividad tutorial se realizará preferentemente a distancia.

4.3. Programa

El programa teórico de la asignatura consta de los siguientes bloques temáticos:

Conceptos básicos de catálisis

Tema 1. Catálisis: conceptos generales.

Importancia económica de la catálisis. Catálisis y química sostenible. Tipos de catalizadores: catalizadores homogéneos, heterogéneos y biocatalizadores. Actividad y selectividad de los catalizadores. Cuantificación del impacto medioambiental. Catálisis en la frontera: energía y medioambiente.

Fundamentos de catálisis organometálica

Tema 2. Catálisis homogénea con compuestos de metales de transición.

Característicasgenerales de los catalizadores basados en metales transición. Ligandos y diseño de catalizadores. Efecto indenilo, efecto quelato. Enlace en los compuestos de coordinación y organometálicos.

Tema 3. Mecanismos de reacción: aspectos termodinámicos y cinéticos.

Diagramasde coordenadas de reacciones catalíticas. Ciclo catalítico: especies constituyentes, pasosy “estado de reposo” del catalizador. Modelos cinéticos para reacciones en dos etapas. Determinación de la selectividad.

Tema 4. Procesos Fundamentales

Reacciones de sustitución de ligandos. Adición oxidante. Eliminación reductora. Metátesis de enlaces. Inserción migratoria. Eliminación ß de hidrógeno. Eliminación y abstracción ade hidrógeno. Ataque nucleofílico sobre ligandos coordinados. Ataque electrofílico sobre ligandos coordinados. Reacciones de transmetalación.

Catálisis organometálica en fase homogénea: aplicaciones

Tema 5. Reacciones de hidrogenación y transferencia de hidrógeno.

Introducción. Hidrogenación de alquenos: catalizadores y mecanismos. Hidrogenación asimétrica. Hidrogenación asimétrica de cetonas. Transferencia de hidrógeno: mecanismos.

Tema 6. Reacciones de hidrofuncionalización.

Introducción. Reacciones de hidrofuncionalización: hidrocianación, hidrosililación, hidroboración e hidroaminación.

Tema 7. Reacciones de carbonilación.

Introducción. Carbonilación de metanol. Carbonilación de olefinas: hidroformilación, hidroaminometilación, hydrocarboxilacion e hidroesterificación. Carbonilación de halogenuros orgánicos. Copolimerización de CO y olefinas.

Tema 8. Reacciones de acoplamiento carbono-carbono.

Acoplamiento cruzado. Diseño del catalizador y ligandos. Reacción de Heck. Acoplamiento oxidante de alquinos. Dimerizacion y polimerización de alquinos.

Tema 9. Activación C-H.

Conceptos fundamentales y mecanismos. Grupos directores. Reacción de Fujiwara. Reacción de Murai. Hidroacilación. Reacciones de activación C(sp³)-H.

Tema 10. Metátesis de olefinas.

Preparación de metal-alquilidenos. Diseño de catalizadores. Tipos de reacciones de metátesis. Selectividad. Metátesis de alquinos.

Organocatálisis

Tema 11. Activación por enlaces covalentes.

Introducción a la organocatálisis asimétrica. Modo de activación de los organocatalizadores. Organocatalizadores que actúan mediante formación de enlaces covalentes. Mecanismos de acción y ejemplos representativos.

Tema 12. Activación por enlaces de hidrógeno.

Organocatalizadoresque actúan mediante enlaces de hidrógeno, interacciones débiles, catalizadores de transferencia de fase. Mecanismos de acción y ejemplos representativos.

Catálisis Soportada

Tema 13. Introducción a la catálisis heterogénea

Principios y conceptos de la catálisis heterogénea. Clasificación de los catalizadores heterogéneos en función de su composición.

Tema 14. Catálisis Soportada.

Introducción a la catálisis soportada. Metodologías generales de preparación y caracterización de catalizadores soportados. Ejemplos de procesos industriales que aplican catalizadores soportados.

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

Toda la información sobre horarios, calendario y exámenes se publica en la web de la Facultad de Ciencias: https://ciencias.unizar.es/calendario-y-horarios, y en la web del Máster: http://masterqmch.unizar.es. La presentación de trabajos se realizará de acuerdo al calendario que se anunciará oportunamente.

En reprografía y/o a través del Anillo Digital Docente se proporcionará al alumno diverso material docente preparado por los profesores de la asignatura (https://moodle2.unizar.es/add).

La asignatura Catálisis se cursará durante el primer semestre, al igual que otras asignaturas obligatorias del Máster y las optativas Metodologías fundamentales de síntesis y Recursos bibliográficos y bases de datos. A lo largo del curso se realizarán diversos controles y un trabajo individual o en grupo basado en un artículo científico. Las fechas de realización y presentación de los mismos se comunicarán con la suficiente antelación.

Las prácticas de la asignatura Catálisis, junto a las de otras asignaturas del Módulo Química Molecular y Catálisis, constituyen un bloque integrado. Las sesiones de laboratorio se realizarán en la segunda parte del cuatrimestre en horario y lugar que se anunciarán con la suficiente antelación.