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Academic Year/course: 2023/24

452 - Degree in Chemistry

27232 - Homogeneous Catalysis


Syllabus Information

Academic year:
2023/24
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:
---

1. General information

The overall objective of the subject is for students to understand the mechanism of a catalytic reaction and how to use this information to design a more effective homogeneous catalyst.

Particular objectives are to study the fundamental reactions that take place in homogeneous catalysis processes catalysed by transition metal complexes and to explain the concepts of active species, catalytic precursor , reaction intermediate and transition state, relating them to the activation energy. All this will be done in the context of relevant industrial processes using homogeneous catalysts. In addition, the scientific and industrial challenges in this area of chemistry will be studied.

2. Learning results

In order to pass this subject, the students shall demonstrate they has acquired the following results:

1. Understand the fundamental reactions in homogeneous catalysis.

2. Know the homogeneous catalytic reactions catalysed by transition metal complexes, their reaction mechanisms and their industrial applications.

3. Choose the most suitable homogeneous catalyst for a synthetic process.

4. Propose the operative catalytic cycle in the preparation of a product.

5. Prepare, present and defend basic tutored works on homogeneous catalysis.

The knowledge acquired in the subject should provide the student with a global vision of the impact of homogeneous catalysis in the chemical industry and of the expectations it generates both in basic and applied research. The use of catalysts in homogeneous media makes possible selective chemical transformations under very mild conditions, more efficient synthesis methodologies, and the development of a chemical industry with low environmental impact.

3. Syllabus

Introduction

Basic concepts. Characteristics of homogeneous and heterogeneous catalysis. Selectivity concepts in catalytic processes . Catalysis and "green" chemistry. Coordination compounds and homogeneous catalysis. Rule of 18 electrons.

Coordinative unsaturation. Electronic and steric effects of ligands. Trans effect and influence.

Oxidative addition and reductive elimination reactions

Characteristics of oxidative addition reactions. Types of oxidative addition reactions. Mechanisms of the oxidative addition reactions. Oxidative addition of C-H bonds. Reductive elimination reactions.

Insertion and elimination reactions. Attack reactions to coordinated ligands

Insertion and elimination reactions. Mechanism of insertion reactions. Characteristics of the reactions of insertion. Alpha and beta eliminations. Modifications in the reactivity of coordinated ligands. Attack reactions to coordinated ligands.

Isomerization

Isomerization of alkenes: position isomerization, cis-trans isomerization, skeletal isomerization. Asymmetric isomerization: synthesis of menthol.

Hydrogenation

Hydrogen activation. Homogeneous hydrogenation mechanisms. Representative hydrogenation catalysts: Asymmetric hydrogenation. Non-classical mechanisms: bifunctional, ionic. Hydrogen transfer reactions.

Carbonylation

Carbonylation reactions. Methanol carbonylation. Carbonylation of methyl acetate. Hydroformylation.

Copolymerization of olefins and carbon monoxide.

Oxidation of alkenes

Oxidation reactions. The Wacker process. Epoxidation of olefins. Dihydroxylation of olefins. Oxidation of C-H bonds.

Polymerization and oligomerization.

Polymerization of olefins. Ziegler-Natta catalysts, metallocenes, other catalysts. Mechanism of the reactions of polymerization. Dimerization and oligomerization. SHOP process (Shell Higher Olefin Process).

Olefin metathesis

Metathesis reactions. Metathesis of acyclic and cyclic olefins. Mechanism of olefin metathesis reactions.

Types of metathesis catalysts. Applications of metathesis reactions.

Hydrocyanation and hydrosilylation

Hydrocyanation reactions.  Hydrosilylation reactions. Mechanisms of hydrosilylation reactions.

Carbon-carbon coupling reactions

Carbon-carbon coupling reactions: Heck's reaction. Carbon-carbon coupling reactions via transmetallation. Other coupling reactions.

4. Academic activities

1.- Master classes in the classroom: Acquisition of basic knowledge of Homogeneous Catalysis. This activity comprises 40 face-to-face hours of expository-interactive classes in large groups.

2.- Problem solving classes and seminars. This activity comprises 10 hours of face-to-face classes in which students, individually or in groups, will solve proposed problems and discuss topics related to the subject syllabus.

3.- Tutoring. Students will have 6 hours per week for individualized tutoring.

The teaching and evaluation activities will be carried out face-to-face unless, due to the health situation, the provisions issued by the competent authorities and by the University of Zaragoza make it necessary to carry them out in a telematic or semi-telematic way with rotating reduced seating capacity.

5. Assessment system

Continuous Assessment

1.- There will be two continuous evaluation tests, consisting of short answer questions and multiple choice questions. In the first test, topics 1 (Introduction) to 5 (Hydrogenation) will be evaluated and in the second test the rest of the topics will be evaluated.

To pass both tests it will be necessary to obtain a grade of 5 points out of 10 in each of them. The students who obtain a grade lower than 5, but equal or higher than 4, in one of the tests may average with the grade of another test and must achieve an average grade equal to or higher than 5. This grade is the C1 grade.

2.- In addition, there will be a problem test, which will consist of exercises similar to those proposed in the seminars. The grade for the problem test will be the C2 grade.

The grade of the subject corresponding to the continuous evaluation modality will be C3 and will be calculated as the most favourable of the following formulas:

                 C3 = C1 x 0.85 +C2 x 0.15

                 C3 = C1

Overall test

Students who have not passed the subject through continuous evaluation or who wish to improve their grade will take a global test on the dates assigned in the Faculty's exam calendar. The test will consist of short answer questions and essay type questions. A minimum grade of 5 points (out of 10)is required to pass the subject.


Curso Académico: 2023/24

452 - Graduado en Química

27232 - Catálisis homogénea


Información del Plan Docente

Año académico:
2023/24
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
Materia:
---

1. Información básica de la asignatura

El objetivo global de la asignatura es que los estudiantes comprendan el mecanismo de una reacción catalítica y sepan cómo utilizar dicha información para diseñar un catalizador homogéneo más efectivo.
Para ello se plantean objetivos particulares, como son estudiar las reacciones fundamentales que tienen lugar en procesos de catálisis homogénea catalizados por complejos de metales de transición y explicar los conceptos de especie activa, precursor catalítico, intermedio de reacción y estado de transición, relacionándolos con la energía de activación. Todo ello se realizará en el contexto de procesos industriales de relevancia que emplean catalizadores homogéneos. Además, se estudiarán los retos científicos e industriales en este área de la química.

2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados:
 
1. Comprende las reacciones fundamentales en catálisis homogénea.
2. Conoce las reacciones catalíticas homogéneas catalizadas por complejos de metales de transición, sus mecanismos de reacción y sus aplicaciones industriales.
3. Elige el catalizador homogéneo más adecuado para un proceso sintético.
4. Propone el ciclo catalítico operativo en la preparación de un producto.
5. Elabora, expone y defiende trabajos tutelados básicos de catálisis homogénea.
 
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. Programa de la asignatura

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 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.
 
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:
Hidrogenación asimétrica. 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 de alquenos
Reacciones de oxidación. El proceso Wacker. Epoxidación de olefinas. Dihidroxilación de olefinas. Oxidación de enlaces
C-H.
 
Polimerización y oligomerización.
Polimerización de olefinas. Catalizadores Ziegler-Natta, metalocenos, otros catalizadores. Mecanismo de las reacciones de polimerización. Dimerización y oligomerización. Proceso SHOP (Shell Higher Olefin Process).
 
Metátesis de olefinas 
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.  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. Actividades académicas

1.- Clases Magistrales en el aula: Adquisición de conocimientos básicos de Catálisis Homogénea. Esta actividad comprende 40 horas presenciales de clases expositivas-interactivas en grupo grande.
2.- 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.
 
Las actividades docentes y de evaluación se llevarán a cabo de modo presencial salvo que, debido a la situación sanitaria,
las disposiciones emitidas por las autoridades competentes y por la Universidad de Zaragoza obliguen a realizarlas de forma
telemática o semi-telemática con aforos reducidos rotatorios.

5. Sistema de evaluación

Evaluación continua
1.- Se realizarán dos pruebas de evaluación continua, que consistirán en preguntas de respuesta corta y de preguntas tipo ensayo. En la primera prueba se evaluarán los temas  1 (Introducción) al 5 (Hidrogenación) y en la segunda prueba se evaluará el resto de los temas.
Para superar ambas pruebas será necesario obtener una calificación de 5 puntos sobre 10 en cada una de ellas. Los
estudiantes que obtengan una calificación inferior a 5, pero igual o superior a 4, en una de las pruebas podrán promediar
con la nota de otra prueba y deberán alcanzar una nota promedio igual o superior a 5. Esta nota es la calificación C1.
 
2.- Además, se realizarán un control de problemas, que consistirá en ejercicios similares a los propuestos en los
seminarios. La nota del control de problemas será la calificación C2.
 
La nota de la asignatura correspondiente a la modalidad de evaluación continua será C3 y se calculará como la más
favorable de las siguientes fórmulas:
                  C3 = C1 x 0.85 +C2 x 0.15
                  C3 = C1
 
Prueba global
Los estudiantes que no hayan superado la asignatura mediante evaluación continua o que deseen subir nota realizarán una prueba global en las fechas asignadas en el calendario de exámenes de la Facultad. Dicha prueba constará de preguntas de preguntas de respuesta corta y de preguntas tipo ensayo. Para aprobar será necesario alcanzar una calificación mínima de 5 puntos (sobre 10).