CATALYSIS AND REACTIVITY OF INORGANIC SYSTEMS
Academic year2022/23
CourseCHEMISTRY
Code352CC
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| CATALISI E REATTIVITÀ DI SISTEMI INORGANICI | CHIM/03,CHIM/03 | LEZIONI | 48 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Modulo “Catalisi” (3 CFU). Il Modulo di Catalisi consente allo studente di approfondire i principi di base per la comprensione e lo studio del fenomeno della catalisi eterogenea ed omogenea. Sono discussi vari esempi di processi catalitici industriali, i problemi connessi e come questi sono stati risolti.
Modulo “Reattività di Sistemi Inorganici” (3 CFU). Dopo aver seguito il corso e studiato il programma relativo, lo studente avrà acquisito una approfondita conoscenza della chimica di coordinazione, con particolare riferimento ad aspetti strutturali, natura del legame e di reattività (cinetica e termodinamica) relativi a complessi di metalli di transizione d. Inoltre, lo studente avrà acquisito conoscenze su alcune metalloproteine ed il ruolo dei metalli nei sistemi biologici.
Knowledge
Section “Catalysis” (3 CFU). The course provides the students with fundamental principles for understanding heterogeneous and homogenous catalysis. The development of several catalytic industrial processes will be discussed, along with related issues and how these have been dealt with.
Section “Reactivity of Inorganic Systems” (3 CFU). The course provides the students with advanced knowledge of coordination chemistry of d transition metal complexes, with respect to structure, metal-liagand bonding and reactivity (both kinetic and thermodynamic). In addition, the students will also become familiar with selected metalloproteins and the role of metals in biological systems.
Modalità di verifica delle conoscenze
Esame finale orale.
Assessment criteria of knowledge
Final exam (oral).
Capacità
Dopo aver seguito il corso e studiato il programma relativo, lo studente :
- conoscerà le principali classi di catalizzatori e sarà grado di mettere in relazione le proprietà del catalizzatore alle principali caratteristiche delle reazioni catalizzate
- dimostrerà una conoscenza approfondita di un certo numero di processi catalitici usati industrialmente, dei problemi connessi e di come questi siano stati risolti
- avrà acquisito strumenti per discutere aspetti strutturali (natura del legame) di un composto di coordinazione, in funzione dei leganti nella sfera di coordinazione, del centro metallico considerato e delle loro interazioni.
- saprà indicare come specifiche proprietà di un centro metallico e/o di alcuni leganti possano determinare la reattività di un composto di coordinazione, in senso termodinamico e cinetico
Skills
At the end of the course, the student will be able to:
- Know the main class of catalysts and be able to relate the properties of the catalyst with those of the catalytic reaction
- Show advanced knowledge of several industrially-relevant catalytic processes
- Discuss structural aspects (nature of bonding) of a coordination complex, with respect to specific properties of the ligand(s), of the metal center and their interaction(s).
- Know how specific properties of metal centers and ligands may affect the reactivity of a coordination compound, in a thermodynamic and kinetic sense
Modalità di verifica delle capacità
Esame finale orale.
Assessment criteria of skills
Final exam (oral).
Comportamenti
Lo studente potrà sviluppare conoscenza approfondita delle proprietà chimiche fondamentali alla base delle varie applicazioni dei complessi di metalli di transizione; in particolare del loro utilizzo in catalisi e del loro ruolo biologico.
Behaviors
Students will acquire elaborate knowledge of the fundamental chemical properties of transition metal complexes underlying their various applications; with particular refence to catalysis and biology.
Modalità di verifica dei comportamenti
Discusione sugli argomenti trattati durante le lezioni
Assessment criteria of behaviors
Open discussion during each lesson
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Per una migliore comprensione degli argomenti trattati, è necessario avere una conoscenza di base riguardo alla chimica inorganica, in particolare la chimica di coordinazione e la chimica organometallica dei metalli di transizione d.
Prerequisites
In order to better understand the topics covered by the course, the student must have basic knowledge of inorganic chemistry, particularly coordination chemistry and organometallic chemistry of d block metals.
Indicazioni metodologiche
- Il corso si svolgerà attraverso lezioni frontali con ausilio di slides. Le lezioni saranno tenute in italiano.
- Sulla piattaforma Moodle / Elearning, saranno regolarmente caricate le slides delle lezioni ed altro materiale didattico, prevalentemente in lingua inglese.
- Su richiesta degli studenti, saranno fissati dei ricevimenti (anche online)
- Comunicazioni sul corso (data/ora/luogo, programma ed eventuali variazioni) e richieste di ricevimento saranno gestite mediante email e tramite la piattaforma Moodle / Elearning
Teaching methods
- The course will be composed of several lectures to be held in the classroom. Lessons will be in Italian.
- The slides of each lesson, as well as other teaching material, in english, will be available on the Moodle / Elearning website
- Meetings (also online) can be scheduled upon student’s request
- Announcements concerning date/place of the lessons, program, and any request by the students will be given/received via email and on the Moodle / Elearning website
Programma (contenuti dell'insegnamento)
Modulo “Catalisi” (3 CFU). Principi alla base del fenomeno della catalisi. Catalisi eterogenea. Struttura, preparazione e usi di catalizzatori solidi. Principali usi industriali della catalisi eterogenea. Catalizzatori eterogenei per idrogenazioni selettive. Idrogenazione di oli naturali. La sintesi industriale di ammoniaca. Reazioni catalitiche di ossidazione selettiva usate industrialmente. Produzione industriale di ossido di etilene per ossidazione selettiva di etilene catalizzata da argento. Produzione industriale di formaldeide per ossidazione del metanolo. Catalizzatori omogenei contenenti metalli di transizione. Reazioni di complessi organometallici importanti per la catalisi. Cicli catalitici. Il processo Wacker. Reazioni di idrogenazione. Il catalizzatore di Wilkinson. La reazione di idrogenazione enantioselettiva per la sintesi di L-DOPA. Reazioni di carbonilazione promosse da catalizzatori omogenei. Idroformilazione di olefine. Reazione di shift del gas d’acqua. Reazioni di Reppe. Carbonilazione del metanolo ad acido acetico. Complessi di palladio come catalizzatori omogenei per reazioni di carbonilazione. Processo Alpha. Sintesi di Ibuprofene e Naproxene.
Modulo “Reattività di Sistemi Inorganici” (3 CFU). Andamenti generali degli orbitali, elettronegatività e raggi ionici per i metalli. Simmetria e isomeria nei composti di coordinazione. Aspetti elettronici, geometrici e sterici relativi ai leganti ed ai centri metallici che definiscono la loro interazione e influenza reciproca. Stabilità degli stati di ossidazione. Reazioni di sostituzione di leganti: stabilità dei complessi. Classificazione hard/soft e preferenze di legame. Leganti polidentati chelanti e macrociclici. Stabilità al variare del centro metallico e dei leganti (effetti elettronici e sterici). Aspetti cinetici/meccanicistici delle reazioni di sostituzione di leganti e di trasferimento elettronico. Descrizione di alcuni metalloenzimi di Zn, Cu, Fe, Ni e confronto con la chimica di coordinazione del centro metallico.
Syllabus
Module “Catalysis” (3 CFU). Basic principles of catalysis. Heterogeneous catalysis. Structure, preparation and uses of solid catalysts. Major industrial applications. Selective hydrogenations & fat oil hydrogenation. Industrial synthesis of ammonia. Selective oxidation reactions. Industrial synthesis of ethylene oxide from ethylene and formaldehyde from methanol. Homogeneous catalysis. Prominent examples of organometallic catalysts. Wacker process. Catalytic hydrogenation. Wilkinson’s catalyst. Enantioselective hydrogenation for L-DOPA synthesis. Carbonylation reactions. Olefin hydroformylations. Water gas shift reaction. Reppe reaction. The Alpha process. Industrial synthesis of Ibuprofen and Naproxen.
Module “Reactivity of Inorganic Systems” (3 CFU). General periodic trends for orbitals, elecronegativity and ionic radii for metal centers. Symmetry and isomerism in coordination compounds. Electronic and steric properties of ligands and metal centers defining their interactions and mutual influence. Stability of oxidation states. Ligand substitution reactions: stability of metal complexes. Hard/soft classification and bonding preferences. Polydentate chelating and macrocyclic ligands. Electronic and steric aspects of metal centers and ligands influencing the complex stability. Kinetic/mechanistic aspects of ligand exchange reactions and electron transfer reactions. Description of selected Zn, Cu, Fe and Ni emetalloenzymes and comparison with the coordination chemistry of the metal center.
Bibliografia e materiale didattico
Materiale didattico: le slides delle lezioni ed altro materiale didattico sarà reso disponibile sulla piattaforma Moodle / Elearning. Testi di riferimento per gli argomenti trattati a lezione sono i seguenti :
Modulo “Catalisi” (3 CFU).
- G. P. Chiusoli and P. Maitlis, Metal-Catalysis in Industrial Organic Processes, RSC Publishing 2006. (Disponibile in Biblioteca) Capitoli 2, 3, 4, 7 e Appendici 1 e 2.
- R. Whyman, Applied Organometallic Chemistry and Catalysis, Oxford Chemistry Series, 2001. Capitoli 1, 2, 3.
- Istvan T. Horvath, Encyclopedia of Catalysis, Volume 2, Pag 387-397.
- G. C. Bond, Heterogeneous Catalysis: Principles and Applications, Oxford Chemistry Series, Seconda Edizione 1987. (Disponibile in Biblioteca) Capitoli 1, 2, 3, 5, 6, 7, 10, 12.
- S. J. Thomson and G. Webb, Heterogeneous Catalysis, Oliver & Boyd 1968. (Disponibile in Biblioteca) Capitolo 1.
- C. Masters, Homogeneous Transition-metal Catalysis, A GENTLE ART, Chapman and Hall 1980. (Disponibile in Biblioteca) Capitolo 1
- G. W. Parshall and S. D. Ittel, Homogeneous Catalysis, John Wiley & Sons, Inc., Seconda Edizione 1992. (Disponibile in Biblioteca) Capitoli 5, 6.
- M. V. Twigg, Catalyst Handbook, Wolfe Publishing Ltd, second Edition. (Disponibile in Biblioteca) Cap. 8.
Modulo “Reattività di Sistemi Inorganici” (3 CFU)
- J. E. Huheey, E. A. Keiter, R. L. Keiter, Principles of Structure and Reactivity, 4th. Ed. 1993, cap. 9, 11-14 (testo base)
- M. E. Gerloch, E. C. Constable, Transition Metal Chemistry – The Valence Shell in d-Block Chemistry (testo avanzato)
- Fred Basolo, Ronald Johnson, Coordination Chemistry – The Chemistry of Metal Complexes
- Catherine E. Housecroft, The Heavier d-Block Metals – Aspects of Inorganic and Coordination Chemistry
- E. Martell, R. D. Hancock, Metal Complexes in Aqueous Solutions, ed 1996, cap 2-4,6 (Argomenti selezionati sono disponibili come articoli/Review sulla pagina Elearning)
- Mechanisms of Inorganic Reactions, F. Basolo, R. G. Pearson, 2nd Ed. 1967 (Argomenti selezionati sono disponibili come articoli/Review sulla pagina Elearning)
- Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski, Axel Klein, Bioinorganic Chemistry : Inorganic Elements in the Chemistry of Life (in relazione agli esempi discussi)
Bibliography
Slides of the lessons and other teaching material will be available on Moodle / Elearning website. Reference text for topics covered in the course are the following:
Section “Catalysis” (3 CFU).
- G. P. Chiusoli and P. Maitlis, Metal-Catalysis in Industrial Organic Processes, RSC Publishing 2006. (Disponibile in Biblioteca) Capitoli 2, 3, 4, 7 e Appendici 1 e 2.
- R. Whyman, Applied Organometallic Chemistry and Catalysis, Oxford Chemistry Series, 2001. Capitoli 1, 2, 3.
- Istvan T. Horvath, Encyclopedia of Catalysis, Volume 2, Pag 387-397.
- G. C. Bond, Heterogeneous Catalysis: Principles and Applications, Oxford Chemistry Series, Seconda Edizione 1987. (Disponibile in Biblioteca) Capitoli 1, 2, 3, 5, 6, 7, 10, 12.
- S. J. Thomson and G. Webb, Heterogeneous Catalysis, Oliver & Boyd 1968. (Disponibile in Biblioteca) Capitolo 1.
- C. Masters, Homogeneous Transition-metal Catalysis, A GENTLE ART, Chapman and Hall 1980. (Disponibile in Biblioteca) Capitolo 1
- G. W. Parshall and S. D. Ittel, Homogeneous Catalysis, John Wiley & Sons, Inc., Seconda Edizione 1992. (Disponibile in Biblioteca) Capitoli 5, 6.
- M. V. Twigg, Catalyst Handbook, Wolfe Publishing Ltd, second Edition. (Disponibile in Biblioteca) Cap. 8.
Section “Reactivity of Inorganic Systems” (3 CFU).
- J. E. Huheey, E. A. Keiter, R. L. Keiter, Principles of Structure and Reactivity, 4th. Ed. 1993, cap. 9, 11-1(basic textbook)
- M. E. Gerloch, E. C. Constable, Transition Metal Chemistry – The Valence Shell in d-Block Chemistry (advanced textbook)
- Fred Basolo, Ronald Johnson, Coordination Chemistry – The Chemistry of Metal Complexes
- Catherine E. Housecroft, The Heavier d-Block Metals – Aspects of Inorganic and Coordination Chemistry
- E. Martell, R. D. Hancock, Metal Complexes in Aqueous Solutions, ed 1996, cap 2-4,6 (Selected topics are available as articles/Reviews on the Elearning page)
- Mechanisms of Inorganic Reactions, F. Basolo, R. G. Pearson, 2nd Ed. 1967 (Selected topics are available as articles/Reviews on the Elearning page)
- Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski, Axel Klein, Bioinorganic Chemistry : Inorganic Elements in the Chemistry of Life (only with reference to the examples discussed)
Modalità d'esame
- L'esame consiste in un colloquio che riguarda gli argomenti trattati dal corso.
- La prova orale è superata qualora lo studente dimostri una sufficiente conoscenza e capacità di ragionamento degli argomenti trattati, esprimendosi in modo chiaro ed usando la terminologia scientifica corretta.
- Alla fine dell’esame il docente assegnerà un voto (da 18/30 a 30/30 con lode) a seconda del grado di preparazione dello studente.
- Il colloquio non avrà esito positivo se lo studente non dimostrerà sufficienti conoscenze e non sarà in grado di esprimersi in modo chiaro e di usare la terminologia scientifica corretta.
L’esame verrà svolto in date selezionate presso il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale.
Assessment methods
- The final exam is an interview about the topics covered during the course.
- The oral exam is approved if the student is familiar with the topics being discussed and has developed a critical knowledge, expressing himself clearly and using the correct scientific terminology.
- At the end of the exam, the teacher will assign a grad, from 18/30 to 30/30 cum laude.
- The oral exam is not approved if the student does not possess sufficient knowledge of the topics and does not express himself clearly and using the correct scientific terminology.
The exam will take place in selected dates at the Department of Chemistry.
Updated: 28/09/2022 21:45
