Grado en Química. 4 O Curso REACTIVIDAD EN QUÍMICA INORGÁNICA. Guía Docente

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1 Grado en Química 4 O Curso REACTIVIDAD EN QUÍMICA INORGÁNICA Guía Docente

2 Guía Docente. 1. Datos descriptivos de la materia. Código: G Carácter: Optativo Convocatoria: 1 er cuatrimestre Créditos: 4.5 teórico-prácticos Profesorado: Antonio Sousa Pedrares Profesor Contratado Doctor del Departamento de Química Inorgánica, Facultad de Química. Idioma en que es impartida: Castellano 2. Situación, significado e importancia de la materia en el ámbito de la titulación Módulo al que pertenece la materia en el Plan de Estudios. Materias con las que se relaciona. Módulo 9: Química Avanzada. Se relaciona fundamentalmente con la asignatura de introducción a los compuestos organometálicos Química Inorgánica V (Módulo 4) y, en menor medida, con las demás asignaturas del Módulo 4 (Química Inorgánica) Papel que juega este curso en ese bloque formativo y en el conjunto del Plan de Estudios. Esta asignatura se centra en la reactividad de los compuestos organometálicos. Teniendo en cuenta la implicación de estos compuestos como intermedios en procesos catalíticos, esta asignatura es clave para comprender tanto los procesos industriales modernos como para el desarrollo de investigación en síntesis orgánica e inorgánica. Se recomienda cursar la asignatura a los alumnos interesados en la investigación tanto en química orgánica como en química inorgánica Conocimientos previos (recomendados/obligatorios) que los estudiantes han de poseer para cursar la asignatura. Es imprescindible conocer los aspectos generales de la química organometálica, descritos en la asignatura Química Inorgánica V (Módulo 4). 3. Objetivos del aprendizaje y competencias a alcanzar por el estudiante con la asignatura Objetivos del aprendizaje. Conocer los mecanismos de las reacciones inorgánicas más importantes: de sustitución, de transferencia electrónica y de ligandos. Saber aplicar los conceptos de la química organometálica, la química de coordinación y la química de materiales a algunas reacciones catalíticas importantes. 2

3 3.2. Competencias generales. CG2 - Que sean capaces de reunir e interpretar datos, información y resultados relevantes, obtener conclusiones y emitir informes razonados en problemas científicos, tecnológicos o de otros ámbitos que requieran el uso de conocimientos de la Química. CG3 - Que puedan aplicar tanto los conocimientos teóricos-prácticos adquiridos como la capacidad de análisis y de abstracción en la definición y planteamiento de problemas y en la búsqueda de sus soluciones tanto en contextos académicos como profesionales. CG4 - Que tengan capacidad de comunicar, tanto por escrito como de forma oral, conocimientos, procedimientos, resultados e ideas en Química tanto a un público especializado como no especializado. CG5 - Que sean capaces de estudiar y aprender de forma autónoma, con organización de tiempo y recursos nuevos conocimientos y técnicas en cualquier disciplina científica o tecnológica Competencias específicas. CE4 - Conocer los tipos principales de reacción química y sus principales características asociadas. CE11 - Comprender la relación entre propiedades macroscópicas y propiedades de átomos y moléculas individuales: incluyendo macromoléculas (naturales y sintéticas), polímeros, coloides y otros materiales. CE13 - Ser capaz de demostrar el conocimiento y comprensión de los hechos esenciales, conceptos, principios y teorías relacionadas con las áreas de la Química. CE15 - Ser capaz de reconocer y analizar nuevos problemas y planear estrategias para solucionarlos. CE16 - Ser capaz de evaluar e interpretar datos Competencias transversales. CT6 Realizar trabajo en equipo. CT7 - Realizar trabajo en equipo de carácter interdisciplinar. CT8 - Ser capaz de trabajar en un contexto internacional. CT9 - Desarrollar habilidades en las relaciones interpersonales. CT10 - Adquirir razonamiento crítico. CT11 - Lograr compromiso ético. 4. Contenidos del curso Epígrafes del curso: Tema 1. Reacciones de sustitución de ligandos. Tema 2. Reacciones de adición oxidante. Tema 3. Reacciones de eliminación reductora. Tema 4. Reacciones de acoplamiento oxidante. Tema 5. Reacciones de inserción. Tema 6. Ataque nucleófilo a los ligandos. Tema 7. Ataque electrófilo a los ligandos. Tema 8. Catálisis. 3

4 4.2. Bibliografía recomendada Básica (manual de referencia). R. H. CABTREE, E. PERIS FAJA RNÉS, Química Organometálica de los metales de transición, Complementaria. G. O. SPESSARD, G. L. MIESSLER, Organometallic chemistry, Prentice-Hall, cop

5 TEMA 1. Reacciones de sustitución de ligandos. 1. Sentido del tema (Introducción) En este tema se estudian los posibles mecanismos de sustitución de ligandos (asociativo y disociativo) analizando los datos experimentales que permiten distinguir entre un mecanismo u otro. Además, se prestará especial atención a la estereoquímica de los productos finales, según el mecanismo seguido. 2. Epígrafes del tema. -Tipos de reacciones de sustitución de ligandos. -Sustitución disociativa. Características. Estereoquímica. Promoción de la sustitución. Sustituciones sucesivas. -Sustitución asociativa. Características. Estereoquímica. Efecto trans. -Mecanismo de intercambio. 3. Bibliografía R. H. CABTREE, E. PERIS FAJARNÉS, Química Organometálica de los metales de transición, Capítulo 1 (efecto trans), páginas 27-29, y Capítulo 4, páginas Actividades a desarrollar. Además de aprender las cuestiones teóricas relacionadas con este tema, los alumnos deberán resolver una serie de ejercicios y cuestiones relacionados (Boletín 1). Estos ejercicios deberán ser trabajados por el alumno de forma personal. Estos ejercicios se resolverán en los seminarios correspondientes al tema (Seminarios S1 y S2). Los alumnos resolverán estos ejercicios en la pizarra. En los seminarios también se resolverán otras dudas que los alumnos pudieran plantear. Asimismo, algunos de los ejercicios podrían usarse para ampliar algunos aspectos teóricos de la materia. Aquellos alumnos que tengan especial dificultad con los ejercicios que se realizan en este tema deberán contactar con el profesor para recibir el apoyo necesario. 5

6 TEMA 2. Reacciones de adición oxidante. 1. Sentido del tema (Introducción) En este tema se estudian los posibles mecanismos de adición oxidante. Se prestará especial atención a los datos experimentales cinéticos que permiten distinguir entre los mecanismos posibles. Se introducirá el uso de sondas estereoquímicas para la utilización de la estereoquímica de la reacción en la distinción de los posibles mecanismos de adición oxidante. 2. Epígrafes del tema. -Consideraciones generales. Factores que favorecen la adición oxidante. -Mecanismo concertado. Datos experimentales cinéticos. Interacción M-H 2. Adición oxidante de grupos C-H. Adición oxidante de grupos C-C. -Mecanismo iónico. Datos experimentales cinéticos. -Mecanismo S N 2. Datos experimentales cinéticos. Estereoquímica. -Mecanismo radicalario. Reacciones no en cadena. Reacciones en cadena. Estereoquímica. 3. Bibliografía R. H. CABTREE, E. PERIS FAJARNÉS, Química Organometálica de los metales de transición, Capítulo 6, páginas Actividades a desarrollar. Este tema está muy relacionado con el tema siguiente, dedicado a su inversa microscópica, Eliminación Reductora. A su vez estos dos temas se pueden relacionar con el tema 4, Acoplamiento Oxidante. Por esta razón, los ejercicios y cuestiones de estos tres temas se agrupan en un único boletín (Boletín 2), ya que es más interesante presentarlos juntos para que el alumno relacione los procesos. Este boletín se resolverá a lo largo de varios seminarios (S3- S6) de la misma forma que el anterior, es decir, los alumnos resolverán los ejercicios en la pizarra. También se podrá resolver cualquier otra duda que los alumnos quieran presentar sobre el tema. Aquellos alumnos que tengan especial dificultad con los ejercicios que se realizan en este tema deberán contactar con el profesor para recibir el apoyo necesario. 6

7 TEMA 3. Reacciones de eliminación reductora. 1. Sentido del tema (Introducción) En este tema se estudian los procesos de eliminación reductora, inversa microscópica de la reacción de adición oxidante. Por esta razón será interesante explicarlo de forma relacionada con la materia vista en el tema de adición oxidante, prestando especial atención a la naturaleza de los productos eliminados y a la estereoquímica de los productos finales. 2. Epígrafes del tema. -Consideraciones generales. Factores que favorecen la eliminación reductora. Tipos de mecanismos. -Mecanismo concertado. Complejos octaédricos. Complejos plano-cuadrados. -Metátesis de enlaces sigma. 3. Bibliografía R. H. CABTREE, E. PERIS FAJARNÉS, Química Organometálica de los metales de transición, Capítulo 6, páginas Actividades a desarrollar. Tal como se indicado en el tema anterior, los ejercicios y cuestiones de este tema se incluyen con los del tema 2 y los del tema 4 (Boletín 2). Los ejercicios los resolverán los alumnos en la pizarra durante las sesiones de seminario (S3-S6). Aquellos alumnos que tengan especial dificultad con los ejercicios que se realizan en este tema deberán contactar con el profesor para recibir el apoyo necesario. 7

8 TEMA 4. Reacciones de acoplamiento oxidante. 1. Sentido del tema (Introducción) En este tema se tratan algunos aspectos de la reacción de acoplamiento oxidante. A pesar de la poca duración del tema, esta reacción es fundamental para entender algunos procesos que sufren las olefinas. Se relacionará con los temas anteriores, especialmente con el de eliminación reductora. 2. Epígrafes del tema. -Consideraciones generales y ejemplos. -Acoplamiento oxidante como eliminación reductora. 3. Bibliografía R. H. CABTREE, E. PERIS FAJARNÉS, Química Organometálica de los metales de transición, Capítulo 6, páginas Actividades a desarrollar. Tal como se indicado en los temas anteriores, los ejercicios y cuestiones de este tema se incluyen con los del tema 2 y los del tema 3 (Boletín 2). Los ejercicios los resolverán los alumnos en la pizarra (seminarios S3-S6). Aquellos alumnos que tengan especial dificultad con los ejercicios que se realizan en este tema deberán contactar con el profesor para recibir el apoyo necesario. 8

9 TEMA 5. Reacciones de inserción. 1. Sentido del tema (Introducción) En este tema se estudian las reacciones de inserción y desinserción. Es muy importante marcar las diferencias entre los tipos de sustratos, ya que estos determinan el tipo de inserción, (1, 1) o (1, 2). El tema también trata con detalle la eliminación β (beta), inversa microscópica de la inserción (1, 2). Para cada tipo de proceso se explicará su mecanismo, prestando especial atención a la estereoquímica de los productos finales. El tema se completa con una pequeña exposición sobre la eliminación α (alfa). Los procesos incluidos en este tema son fundamentales para entender las maneras de evolución de alquilos metálicos y por ello son clave para comprender los procesos de catálisis homogénea. 2. Epígrafes del tema. -Tipos de reacciones de inserción. -Reacciones que implican CO; inserciones (1, 1). Termodinámica. Cinética; mecanismo de reacción. -Reacciones que implican alquenos; inserciones (1, 2). Termodinámica. Cinética; mecanismo de reacción. -Eliminación β. Condiciones para la eliminación β. Ejemplos. Estereoquímica. -Inserciones de enlaces M-C en olefinas. Mecanismo. Estereoquímica. -Eliminación α. 3. Bibliografía R. H. CABTREE, E. PERIS FAJARNÉS, Química Organometálica de los metales de transición, Capítulo 7, páginas Actividades a desarrollar. Se realizarán ejercicios propuestos por el profesor (Boletín 3), que deberán ser resueltos por los alumnos de forma individual antes de los seminarios (S7-S10). En los seminarios los alumnos resolverán los ejercicios en la pizarra y discutirán con el profesor distintos aspectos de la materia presentada en las clases expositivas. Aquellos alumnos que tengan especial dificultad con los ejercicios que se realizan en este tema deberán contactar con el profesor para recibir el apoyo necesario. 9

10 TEMA 6. Reacciones de ataque nucleófilo a los ligandos. 1. Sentido del tema (Introducción) En este tema (ataque nucleófilo) y el siguiente (ataque electrófilo) se tratan las reacciones de ataque intermolecular, es decir, las que pueden sufrir ligandos no saturados coordinados a un metal por ataques de reactivos externos. Con respecto al ataque nucleófilo, se estudiarán estos procesos en función del tipo de ligando que sufra el ataque (CO, olefinas, polienos). Se explicarán los mecanismos de los procesos prestando atención a la estereoquímica de los productos finales. Es muy interesante comparar estos ataques intermoleculares con sus análogos intramoleculares, es decir, con los procesos de inserción descritos en el tema Epígrafes del tema. -Introducción. -Ataque nucleófilo a CO. -Ataque nucleófilo sobre olefinas coordinadas. Proceso Wacker. -Ataque nucleófilo a un ligando polieno o polienilo. Reglas de Green, Davies y Mingos. 3. Bibliografía R. H. CABTREE, E. PERIS FAJARNÉS, Química Organometálica de los metales de transición, Capítulo 8, páginas Actividades a desarrollar. Tal como se ha indicado, este tema y el siguiente completan los procesos intermolecualres que pueden sufrir compuestos organometálicos. Debido a que los dos temas están muy relacionados, los ejercicios y cuestiones de estos dos temas se agrupan en un único boletín (Boletín 4), ya que es más interesante presentarlos juntos para que el alumno relacione los procesos. Este boletín se resolverá a lo largo de varios seminarios (S11-S13) de la misma forma que los anteriores, es decir, los alumnos resolverán los ejercicios en la pizarra y discutirán con el profesor distintos aspectos del tema. Aquellos alumnos que tengan especial dificultad con los ejercicios que se realizan en este tema deberán contactar con el profesor para recibir el apoyo necesario. 10

11 TEMA 7. Reacciones de ataque electrófilo a los ligandos. 1. Sentido del tema (Introducción) En este tema se tratan los procesos intermoleculares de ataque electrófilo que pueden sufrir los compuestos organometálicos. Se prestará especial atención a los procesos de extracción de los ligandos de la esfera de coordinación del metal, y los posibles reactivos para llevar a cabo estos procesos. 2. Epígrafes del tema. -Extracción electrófila de un ligando R. Mecanismos. -Extracción electrófila de parte de un ligando. 3. Bibliografía R. H. CABTREE, E. PERIS FAJARNÉS, Química Organometálica de los metales de transición, Capítulo 8, páginas Actividades a desarrollar. Se resolverán ejercicios propuestos por el profesor (Boletín 4), que deberán ser resueltos por los alumnos de forma individual antes de los seminarios (S11-S13). Tal como se ha comentado, estos ejercicios de ataque electrófilo se discutirán a la vez que los de ataque nucleófilo (tema 6). Aquellos alumnos que tengan especial dificultad con los ejercicios que se realizan en este tema deberán contactar con el profesor para recibir el apoyo necesario. 11

12 TEMA 8. Catálisis. 1. Sentido del tema (Introducción) Los temas 1 al 7 describen los procesos básicos que pueden seguir los compuestos organometálicos. En este tema se aplican esos conocimientos al campo de la catálisis homogénea. Después de una introducción sobre los procesos de catálisis homogénea, el tema se centra en la descripción de tres tipos de procesos de gran interés industrial: isomerización de olefinas, hidrogenación de olefinas e hidroformilación. El objetivo será la comprensión de los mecanismos de los procesos y cómo diseñar experimentos que permitan comprobar la validez de los mecanismos propuestos. 2. Epígrafes del tema. -Consideraciones generales: tipos de catálisis. Ciclo catalítico. -Isomerización de olefinas. Mecanismos: (a) mecanismo alquílico; (b) mecanismo alílico. -Hidrogenación de olefinas. Activación por adición oxidante. Activación heterolítica. Activación homolítica. -Hidroformilación (Proceso Oxo). 3. Bibliografía R. H. CABTREE, E. PERIS FAJARNÉS, Química Organometálica de los metales de transición, Capítulo 9, páginas Actividades a desarrollar. Se realizarán ejercicios propuestos por el profesor (Boletín 5), que deberán ser resueltos por los alumnos de forma individual antes del seminario (S13). En el seminario los alumnos resolverán los ejercicios en la pizarra y discutirán con el profesor distintos aspectos de la materia presentada en las clases expositivas. Aquellos alumnos que tengan especial dificultad con los ejercicios que se realizan en este tema deberán contactar con el profesor para recibir el apoyo necesario. 12

13 5. - Indicaciones metodológicas y atribución de carga ECTS Atribución de créditos ECTS. TRABAJO PRESENCIAL EN EL AULA Clases expositivas en grupo grande Clases interactivas en grupo reducido (Seminarios) HORAS TRABAJO PERSONAL DEL ALUMNO 28 Estudio autónomo individual o en grupo 6 Resolución de ejercicios, u otros trabajos Tutorías 2 Preparación de las presentaciones orales, escritas, elaboración de ejercicios propuestos. Actividades en biblioteca o similar Total horas trabajo presencial en el aula o en el laboratorio 36 Total horas trabajo personal del alumno HORAS TOTAL Actividades formativas en el aula con presencia del profesor A) Clases expositivas en grupo grande: Lección impartida por el profesor que puede tener formatos diferentes (teoría, problemas y/o ejemplos generales, directrices generales de la materia ). El profesor puede contar con apoyo de medios audiovisuales e informáticos aunque los estudiantes no necesitan manejarlos en clase. Habitualmente estas clases seguirán los contenidos del manual de referencia indicado en la bibliografía. La asistencia a estas clases no es obligatoria, pero resulta muy recomendable. Estas clases aparecen en las tablas horarias como L. El número que acompaña indica el tema que se trata en esa clase. B) Seminarios: Clase teórico/práctica en la que se proponen y resuelven aplicaciones de la teoría, problemas, ejercicios El alumno participa activamente en estas clases de distintas formas: entrega de ejercicios al profesor (algunos de los propuestos en boletines de problemas que el profesor entrega a los alumnos con la suficiente antelación), resolución de ejercicios en el aula, etc. El profesor puede contar con apoyo de medios audiovisuales e informáticos aunque los estudiantes no los manejarán en clase. Se incluyen las pruebas de evaluación si las hubiere. La participación en estas clases será evaluada, si bien la asistencia no es obligatoria. Estas clases aparecen en las tablas horarias como B. El número que acompaña indica el boletín que se resuelve en esa clase. D) Tutorías en grupo reducido: Supondrán 2 horas para cada alumno. En estas clases los alumnos deberán exponer, debatir o comentar aquellas actividades previamente planteadas por el profesor. Las actividades se realizarán individualmente o en grupo según indique el profesor. La participación en las tutorías será evaluada, aunque la asistencia no es obligatoria. Estas clases aparecen en las tablas horarias como T. 13

14 5.3. Recomendaciones para el estudio de la materia Para seguir con provecho este curso, los alumnos han debido seguir un curso general de Química Inorgánica y otro de Química Orgánica. Además deben estar familiarizados con la obtención, estructura y enlace en los compuestos organometálicos de los metales de transición (Química Inorgánica V). Es también importante que estén familiarizados con las técnicas instrumentales, principalmente IR y RMN, de determinación estructural de los compuestos químicos. Igualmente: a) Es muy importante asistir a las clases expositivas, a los seminarios y a las tutorías. b) Para establecer un primer contacto con los contenidos de los temas se recomienda leer los libros de texto propuestos. c) Una vez finalizada la lectura de un tema en los libros de texto de referencia, es útil hacer un resumen de los puntos importantes, asegurándose de conocer y comprender el significado de los conceptos explicados. d) La resolución de problemas es clave para el aprendizaje de esta materia. Es importante resolver los problemas planteados por el profesor antes de su resolución en las clases de seminario y en las tutorías. e) La asistencia a los seminarios y tutorías debe ser activa, es decir, es muy importante participar y discutir con el profesor y otros alumnos sobre la materia presentada en las clases expositivas. 14

15 5.4. Calendario de actividades. Setiembre Octubre Noviembre L Ma Mi X Vi L Ma Mi X V PRE L1 L3 L3/ L1 B B1 B1 B2 B L L2 L2 B2 T L2 L L L B5 T L5 L L5 B3 L5 L Ma Mi X Vi B B3 B3 L L6 L L7 B B4 L8 Diciembre Otras actividades Notas L Ma Mi X Vi PRE Presentación del curso. 1 Exámenes L Clases expositivas (teóricas) 10 16:00 h L1 (Tema 1), L2,, Ln. Enero Aula Bioloxía B Clases interactivas 29 16:00 (Seminarios) Junio Aula Q. Inorgánica B1 (Boletín 1º), B2,, Bn. T B4 Clases interactivas (tutorías) T. Días no lectivos. 15

16 6. Indicaciones sobre la evaluación Procedimiento de evaluación. La evaluación de esta materia se hará mediante evaluación continua y la realización de un examen final. La evaluación continua se hará por medio de controles escritos y de la participación en el aula en seminarios y tutorías. La evaluación deberá apoyarse principalmente en la realización de una prueba final escrita y común para todos los alumnos. La calificación final del alumno se distribuye en dos secciones: a) Examen (75%). Se realizará un examen al final del cuatrimestre en el que se evaluará el aprendizaje de los contenidos y la capacidad para la resolución de problemas de forma individual. Este examen incluirá todos los aspectos de la asignatura. b) Evaluación continua (25%: 20% Seminario + 5% Tutoría). Los trabajos y actividades realizados durante las sesiones de seminario servirán para evaluar la capacidad de resolución de problemas individualmente o en grupo. Asimismo, en las tutorías se evaluará la capacidad de análisis y síntesis y la capacidad para resolver de manera autónoma alguna cuestión puntual planteada por el profesor. La evaluación continua (N1) tendrá un peso del 25% en la calificación de la asignatura y constará de dos componentes: clases interactivas en grupo reducido (seminarios, 20%), clases interactivas en grupo muy reducido (tutorías, 5%). La calificación del alumno, que no será inferior a la del examen final (N2) ni a la obtenida ponderándola con la nota de la evaluación continua, se obtendrá cómo resultado de aplicar la fórmula siguiente: Nota final= máximo [(0.25 x N x N2), N2] Siendo N1 la nota numérica correspondiente a la evaluación continua (escala 0-10) y N2 la nota numérica del examen final (escala 0-10). Para superar la asignatura habrá que obtener, como mínimo, un 50% de la calificación global. Para obtener una nota final como media ponderada de los distintos apartados, se exigirá alcanzar una puntuación mínima de un 40% en el examen final. Los alumnos repetidores tendrán el mismo régimen de asistencia a las clases que los que cursan la asignatura por primera vez. Los alumnos que no superen la materia en la Primera Oportunidad, serán evaluados con un examen de Segunda Oportunidad, que consistirá en un examen global de la asignatura. La evaluación de las competencias adquiridas en la asignatura será realizada a través de las siguientes vías: -Examen final: Conocimiento adquirido del programa (competencias generales CG2, CG3, CG4, CG5 y competencias específicas CE4, CE11, CE13, CE15, CE16). -Asistencia y participación en las clases expositivas e interactivas (competencias generales CG2, CG3, CG4, CG5, competencias específicas CE4, CE11, CE13, CE15, CE16 y competencias transversales CT6, CT7, CT8, CT9, CT10, CT11). 16

17 6.2. Recomendaciones de cara a la evaluación. El alumno debe repasar los conceptos teóricos introducidos en los distintos temas utilizando el manual de referencia y los resúmenes. El grado de acierto en la resolución de los ejercicios propuestos proporciona una medida de la preparación del alumno para afrontar el examen final de la asignatura. Aquellos alumnos que encuentren dificultades importantes a la hora de trabajar las actividades propuestas deben de acudir en las horas de tutoría del profesor, con el objetivo de que éste pueda analizar el problema y ayudar a resolver dichas dificultades. Es muy importante a la hora de preparar el examen resolver algunos de los ejercicios que figuran al final de cada uno de los capítulos del manual de referencia Recomendaciones de cara a la recuperación. El profesor analizará con aquellos alumnos que no superen con éxito el proceso de evaluación, y así lo deseen, las dificultades encontradas en el aprendizaje de los contenidos de la asignatura. También les proporcionará material adicional (cuestiones, ejercicios, exámenes, etc.) para reforzar el aprendizaje de la materia. 17