B5007 - CHIMICA METALLORGANICA E CATALISI OMOGENEA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente avrà competenze sui metodi di sintesi e di reattività di composti metallorganici, e come modelli di intermedi nei meccanismi di reazioni industriali, nonché sulla loro caratterizzazione attraverso opportune tecniche spettroscopiche. Comprende inoltre il ruolo esercitato da composti metallorganici in catalisi omogenea di processi industriali, sia nella chimica di base che farmaceutica e nell’attivazione di molecole quali idrogeno, ossido di carbonio, olefine, legame C-H di alcani, e di CO2 quali stadi chiavi della catalisi industriale attuale ed in previsione per il futuro. Infine lo studente apprende le applicazioni dei composti metallorganici e di coordinazione nello sviluppo di alcuni nuovi materiali molecolari funzionali e il ruolo della sostenibilità nelle metodologie di sintesi e di produzione su scala industriale.

Contenuti

CHIMICA METALLORGANICA E CATALISI OMOGENEA Crediti: 6

Syllabus nuovo

Finalità del corso

Il corso fornisce strumenti avanzati per comprendere, analizzare e progettare cicli catalitici omogenei basati su complessi metallorganici, con particolare attenzione ai meccanismi di attivazione di piccole molecole e alla sostenibilità dei processi industriali.

L’approccio è meccanicistico, comparativo

Risultati di apprendimento attesi (Learning Outcomes misurabili)

Al termine del corso lo studente sarà in grado di:

1. Applicare correttamente il conteggio elettronico (modello ionico e covalente).
2. Assegnare stati di ossidazione e geometrie, motivandoli.
3. Analizzare e discutere un ciclo catalitico completo.
4. Interpretare dati IR e NMR multinucleare di complessi metallorganici.
5. Confrontare sistemi catalitici in termini di selettività, efficienza e stabilità.
6. Valutare un processo in termini di sostenibilità (atom economy, TON, solvente, energia).
7. Presentare e discutere criticamente un articolo scientifico recente.

Struttura del corso (organizzazione focalizzata)

Il corso è articolato in tre moduli progressivi.

MODULO 1 – Fondamenti strutturali e reattività (30%)

Contenuti essenziali:

• Conteggio elettronico (16/18e rule e CI del complesso : geometria no di coordinazione no di elettroni di valenza e stato di ossidazione)
• Legame metallo–CO, metallo–alchile, metallo–idruro, metallo-CO2
• β-H elimination nelle olefine coordnate
• Inserzione migratoria
• Attivazione di H₂, C–H come CH₄ e CO2
• Legame agostico
• Cenni di caratterizzazione IR e NMR per i complessi metallorganici

Obiettivo: fornire strumenti per leggere e costruire meccanismi.

MODULO 2 – Analisi di cicli catalitici (40%)

Studio approfondito di due casi chiave:

1. Idroformilazione catalizzata da Rh
2. Metatesi delle olefine (carbeni di Schrock/Grubbs)

Per ciascun caso:

• Struttura del catalizzatore
• Ciclo catalitico completo
• Stadio determinante la velocita’ di reazione
• Ruolo dei leganti (innocenti e non innocenti)
• Confronto tra varianti catalitiche

Obiettivo: sviluppare capacità comparativa e progettuale.

MODULO 3 – Catalisi e sostenibilità (30%)

Applicazione dei principi di chimica verde ai due casi studio:

• Atom economy
• Turnover number (TON) e turnover frequency (TOF)
• Selettività e sottoprodotti
• Solventi
• Efficienza energetica
• Strategie di miglioramento

La sostenibilità è oggetto esplicito di analisi e valutazione.

Metodologia didattica (Studente al Centro)

Il corso integra:

• Lezioni interattive
• Risoluzione di problemi meccanicistici in piccoli gruppi
• Discussione guidata di articoli scientifici o di filmati dell’ACS
• Quiz formativi con feedbackche illustrano argomenti di punta del mondo della ricerca
• Costruzione collettiva di cicli catalitici alla lavagna

L’obiettivo è sviluppare autonomia critica e non apprendimento mnemonico.

Materiali e slide sono disponibili anticipatamente.

Modalità di verifica e criteri di valutazione

La valutazione è strutturata e trasparente.

A. Presentazione di un articolo scientifico recente (50%)

Lo studente dovrà in 10-12 diapositive con molte immagini

di molecole e meccanismi di reazione e poche scritte saranno di supporto

ad un’esposizione orale di 15 min:

• Inquadrare lo stato dell’arte
• Analizzare il meccanismo proposto
• Evidenziare innovazione e limiti
• Valutare la sostenibilità del processo

Criteri di valutazione:

• Comprensione scientifica
• Analisi meccanicistica
• Collegamento ai principi teorici

Capacità critica

• Chiarezza espositiva
• Valutazione dell’impatto ambientale

B. Discussione orale individuale suun lavoro realizzato in team su temi di argomenti generali (50%) rivisti da pubblicazioni recenti

Verifica di:

• Conteggio elettronico
• Interpretazione di dati spettroscopici
• Analisi comparativa tra sistemi catalitici
• Capacità di argomentazione autonoma

La somma delle 2 prove (1 affrontata durante l’anno ed esposta davanti ai colleghi)

Prerequisiti

• Teoria VSEPR;
• Stati di ossidazione
• Teoria del campo dei leganti
• Orbitali molecolari
• Fondamenti di chimica organica

Carico di lavoro

Il corso di 6 CFU corrisponde a circa 150 ore complessive tra:

• Lezioni
• Studio individuale
• Preparazione e presentazione
• Analisi articoli

Il programma è stato calibrato per garantire approfondimento e non copertura superficiale

Inclusività e supporto

• Ricevimento individuale e di gruppo
• Materiale anticipato
• Possibilità di chiarimenti integrativi
• Attenzione a background eterogenei (invito gli studenti ad espormi spontaneamente in colloquio privato eventuali difficolta’ dovute alla sperequazione di conoscenze precedentemente acquisite

Contributo agli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile

Il corso contribuisce agli SDGs 3, 4, 8 e 15 attraverso l’analisi critica di processi catalitici più efficienti e sostenibili

garantire salute e istruzione di qualità, promuovere uguaglianza di genere, favorire energia pulita, promuovere lavoro dignitoso e crescita economica, tutelare l’ambiente e combattere il cambiamento climatico

Testi/Bibliografia

Miessler "Organometallic Chemistry"

Van Leuven Principle of homogeneous Catalysis

Metodi didattici

Didattica innovativa e mista

Insieme alle lezioni vengono risolti insieme esercizi e piccoli problemi cercando di rispondere in piccoli gruppi di 2,3 studenti o individualmente. Quando di fronte ai quesiti proposti non esisono soluzioni univoche si cerchera' collettivamente di trovare i pro ed i contro di ogni possibile soluzione attraverso discussioni tra pari e studio di casi pratici di studio che possano favorire l'assimilazione insieme di nozioni nuove attraverso l'applicazione del metodo dal particolare al generale.

L'acquisizione di nuove informazioni ed il consolidamento di quelle acquisite possono contribuire alla formazione di un efficace senso critico rispetto a problemi che non hanno una soluzione univoca al fine di incentivare un buon senso chimico guidato senza l'assorbimento mnemonico di conoscenze che spesso utiizzano meri meccanismi di applicazione di regole spesso non generalizzabili in una disciplina come la chimica tra le piu' creative tra le scienze dure.

Lezioni in aula corredate da opportune esercitazioni.

Verra' sollecitata la partecipazioni a conferenze su tematiche inerenti al corso sia in presenza sia on line 

Si richiede una partecipazione attiva in cui non verranno valutati eventuali conoscenze sbagliate ma l'intraprendenza e la voglia di mettersi in gioco tutti insieme. A tale proposito non esistono domande inopportune o semplicistiche

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

A tutti gli studenti viene  richiesta una presentazione in power-point e relativa discussione di un articolo scientifico recente (ultimi 5 anni), a scelta dello studente su una rosa di articoli proposti dal docente inerenti alla chimica metallorganica e alle sue svariate ed innovartive applicazioni in catalisi. L'esposizione deve essere schematica e puntualizzare gli argomenti essenziali. Al termine della discussione verranno effettuate domande esplicativei sul tema. La forma della presentazione richiede un frontespizio con autori la loro affilazione anno di pubblicazione , rivista e titolo del tema di ricerca E' richiesta inoltre una essenziale bibliografia iniziale relativa allo stato dell'arte dell'argomento trattato. Le diapositive dovranno essere sufficientemnte leggibili con illustrazoni e poche scritte per indurre l'audience a seguire l'argomento con interesse senza aver bisogno di leggere per scarsa disponibilita' di tempo durante l'esposizione. Le scritte dovranno essere schematiche e comprensibili per suggerire il filo logico degli argomenti senza avere l'ambizione di essere esaustivi e contenere il riconoscimento del patrimonio intellettuale degli autori ed una inequivocabile identificazione dello stesso.

Strumenti a supporto della didattica

powerpoint; lavagna per eventualmente descrivere schemi di erattivita' o possibili meccanismi o per descrivere la soluzione dei quiz proposti e risolti collettivamente durante l'anno.

video podcast links e quizzes da rispondere in piccoli gruppi per discutere dei diversi aspetti dell'argomento

Si invitano gli studenti ad utilizzare le ore di ricevimento individuale o in piccoli gruppi per richiedere una spiegazione complementare di argomenti che non sono stati svolti con l'opportuna chiarezza

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Silvia Bordoni