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Máster Universitario en Química y Desarrollo Sostenible

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Catálisis: De los Métodos Clásicos a la Química Sostenible

Código asignatura
MQDESO01-1-017
Curso
Primero
Temporalidad
Segundo Semestre
Carácter
Optativa
Créditos
6
Pertenece al itinerario Bilingüe
No
Actividades
  • Clases Expositivas (30 Horas)
  • Prácticas de Aula/Semina (15 Horas)
Guía docente

Curso 2024-2025

La asignatura “Catálisis: de los Métodos Clásicos a la Química Sostenible” se encuentra dentro del Módulo 4 “Presente y futuro de la Química”, de naturaleza optativa, del Máster Universitario en “Química y Desarrollo Sostenible” de la Universidad de Oviedo. Esta asignatura se imparte en el segundo semestre, después de la asignatura Química Orgánica Avanzada, que se cursa en el primer semestre y tiene carácter obligatorio. Con la asignatura de Catálisis se persigue complementar y ampliar los conocimientos en Química Orgánica del estudiante, proporcionándole una formación específica en los tipos fundamentales de catálisis enantioselectiva –catálisis con metales, organocatálisis y biocatálisis-. La catálisis asimétrica es una herramienta sintética de alto valor y muy útil en el ámbito de la investigación, desarrollo e innovación de procesos sintéticos. Se hará hincapié en aquéllos métodos que permiten un desarrollo sostenible de la Química.

La asignatura de catálisis está íntimamente relacionada con otra asignatura, también optativa, de este módulo “Síntesis Orgánica” ya que los métodos catalíticos suelen ser las etapas claves de muchas estrategias sintéticas.

Los contenidos de la asignatura tienen fundamentalmente un carácter teórico. Están estructurados en cuatro bloques que desarrollan: a) los fundamentos y conceptos básicos de catálisis y su relación con el desarrollo sostenible, b) catálisis con complejos de metales de transición, c) organocatálisis y d) biocatálisis.

Los alumnos que cursen esta asignatura deben adquirir la capacidad para reconocer la versatilidad de los diferentes métodos catalíticos y para utilizar estas metodologías de catálisis asimétrica en el contexto de un desarrollo sostenible.

Esta asignatura podrá ser cursada por cualquier alumno que posea un título oficial de:

  • Licenciado en: Química, Bioquímica, Farmacia, Biotecnología o Ingeniería Química.
  • Grado en: Química, Bioquímica, Farmacia, Biotecnología o Ingeniería Química.
  • Cualquier otro titulado de Licenciatura, Ingeniería o Grado, siempre que acredite ante la Comisión Académica del Máster tener: conocimientos generales en distintas áreas de la Química, fundamentalmente en Química Orgánica y tener capacidad de utilizar la terminología y la nomenclatura química con propiedad.

Es recomendable que los alumnos que opten por esta asignatura dominen el inglés científico a un nivel que les permita consultar la bibliografía sin dificultad y conozcan las herramientas informáticas que se usan frecuentemente, como Word, ChemDraw, Power-Point o SciFinder.

Al aprobar la asignatura, los alumnos habrán adquirido las siguientes competencias:

Competencias Básicas (CB):

CB6     Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.

CB7     Saber aplicar los conocimientos adquiridos y tener capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.

CB9     Poder comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.

CB10   Poseer las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

 

Competencias Generales (CG):

CG1     Ejercer su actividad profesional en un contexto de desarrollo sostenible.

CG2     Relacionar el método de síntesis, la estructura y la composición de las especies químicas con sus propiedades.

CG4     Reconocer y evaluar la calidad de los resultados teóricos y prácticos utilizando las herramientas adecuadas.

CG5     Utilizar correctamente los métodos inductivo y deductivo en el ámbito de la Química.

CG8     Analizar y sintetizar literatura científica relacionada con la materia.

CG9     Presentar informes de modo oral y escrito.

CG11   Relacionar la Química con otras disciplinas.

 

Competencias Específicas (CE):

CE32   Conocer y comprender los conceptos básicos relacionados con la catálisis química.

CE33   Reconocer y utilizar la versatilidad y las aplicaciones sintéticas de la catálisis química y biocatálisis en el contexto de un desarrollo sostenible.

CE36   Proponer estrategias sintéticas alternativas y eficientes considerando un desarrollo sostenible.

Las competencias de esta asignatura se traducen en los siguientes resultados de aprendizaje:

Resultados de aprendizaje (R):

R4       Elaborar y presentar correctamente un informe, tanto de forma oral como escrita.

R5       Exponer y debatir ideas relacionadas con los distintos tipos de catálisis.

R14     Demostrar conocimiento y comprensión de los fundamentos y aplicaciones de la catálisis química y biocatálisis.

Los contenidos de la asignatura “Catálisis: de los Métodos Clásicos a la Química Sostenible” se han organizado en los cuatro bloques siguientes, que se desarrollarán en este mismo orden:

CONCEPTOS GENERALES

Tema 1. Introducción: Catálisis y Sostenibilidad. Química verde y desarrollo sostenible. Cuantificación del impacto ambiental: eficiencia, factor E, economía atómica. Catálisis y su importancia en Síntesis Orgánica: principios generales. Ciclo catalítico. Cinética de las reacciones catalíticas. Tipos de catalizadores. Clasificación de la catálisis. Procesos catalíticos en cascada. Catálisis dual. Catálisis asimétrica. Fotocatálisis.

CATÁLISIS CON METALES (METALOCATÁLISIS)

Tema 2. Reacciones de Acoplamiento Catalizadas por Complejos de Metales de Transición. Reacción de acoplamiento cruzado. Reacción de heteroacoplamiento cruzado. Reacción de Heck. Reacción de carbonilación. Reacción de arilación directa. Reacción de sustitución alílica.

Tema 3. Complejos Metal Carbeno en Procesos Catalíticos. Clases de complejos metal carbeno. Metátesis de alquenos. Metátesis de alquinos. Descomposición de diazocompuestos catalizada por metales. Otros complejos metal carbeno.

Tema 4. Funcionalización de Olefinas. Hidrofuncionalización de olefinas. Hidroformilación de olefinas. Reacción de hidroaminometilación. Hidrosililación. Hidroarilación de olefinas. Funcionalización oxidante de olefinas.

Tema  5. Activación de Alquinos. Reacciones de anulación de alquinos. Procesos de ciclación de eninos. Ciclooligomerización de alquinos.

ORGANOCATÁLISIS

Tema 6. Organocatálisis Enantioselectiva. Introducción. Catalizadores privilegiados. L-prolina, alcaloides cinchona (quinina, quinidina, cinchonina y cinchonidina), TADDOL, BINOL y BINAP.

Tema 7. Organocatálisis Covalente. Ciclo catalítico de enamina: reacciones aldólicas, reacciones de Mannich, reacciones de Michael y a-heterofuncionalizaciones. Organocatálisis asimétrica basada en iones iminio: cicloadiciones, adiciones conjugadas, reacciones en cascada.

Tema 8. Organocatálisis no Covalente. Ácidos y bases de Lewis quirales. Ácidos de Brönsted quirales. Organocatalizadores ácidos-bases bifuncionales. Otros tipos de organocatálisis: catálisis por transferencia de fase.

CATÁLISIS ENZIMÁTICA

Tema 9. Catálisis Enzimática. Reacciones de Hidrólisis. Introducción. Clasificación y nomenclatura de enzimas. Coenzimas. Interacciones enzima-sustrato e inhibidores enzimáticos. Hidrolasas: introducción. Tipos y mecanismos de actuación. Lipasas, esterasas y proteasas. Epóxido-hidrolasas.

Tema 10. Catálisis Enzimática en Medios no Acuosos. Hidrolasas en disolventes orgánicos. Resolución de alcoholes y de aminas catalizada por lipasas. Resolución de ácidos carboxílicos y sus ésteres. Transformaciones regioselectivas de compuestos polifuncionalizados. Utilización de enzimas en otros medios: líquidos iónicos y fluidos supercríticos. Procesos enzimáticos co-catalizados con complejos metálicos o con organocatalizadores.

Tema 11. Reacciones Redox Enzimáticas. Reducción de aldehídos y cetonas. Reducción de C=C activados. Reacciones de oxidación: clasificación y tipos de enzimas. Reacciones de oxigenación: mecanismo de activación de O2. Monooxigenasas: hidroxilación de alcanos y cicloalcanos, epoxidación de alquenos y oxidación de Baeyer-Villiger. Hidroxilación de compuestos aromáticos: acción de mono- y dioxigenasas.

Tema 12. Aldolasas y Transferasas. Aldolasas: tipos y aplicaciones. Reacciones aldólicas consecutivas. Condensaciones aciloínicas y benzoínicas. Otros enzimas que catalizan la formación de enlaces C-C: oxinitrilasas. w-Transaminasas: resoluciones cinéticas y reacciones en cascada.

Con objeto de racionalizar la organización docente de la asignatura, se ha realizado la distribución de sus contenidos con arreglo a la siguiente tipología de modalidades docentes:

  1. Presenciales
    1. Clases expositivas
    2. Prácticas de aula/Seminarios/Talleres
    3. Sesiones de evaluación
  2. No presenciales
    1. Trabajo autónomo
    2. Trabajo en grupo

Las clases expositivas se complementan con la realización de seminarios de ejercicios que pongan en práctica las metodologías de catálisis asimétrica que se han estudiado y el análisis de la síntesis de moléculas orgánicas descritas en la bibliografía que utilicen procedimientos catalíticos eficientes.

A lo largo del curso se propondrán a los alumnos algunos ejercicios, similares a los que se habrán trabajado en las clases, los cuales se resolverán de forma individual fuera del aula y el resultado será entregado por escrito al profesor. A cada alumno se le asignará un breve Trabajo Personal que tendrá que elaborar y que durante el desarrollo de la asignatura será expuesto y debatido por el alumno en sesión pública con el resto de los alumnos y el profesor.

En la Tabla 1 se muestran los temas que componen el programa de la asignatura “Catálisis: de los Métodos Clásicos a la Química Sostenible”, los cuales están distribuidos temporalmente de acuerdo a las modalidades docentes citadas. Esta organización docente recoge también el orden de impartición de los diferentes temas.

En la Tabla 2 se indica la distribución horaria de la asignatura entre las diferentes modalidades docentes mencionadas.

TRABAJO PRESENCIAL

TRABAJO NO

PRESENCIAL

Temas

Horas totales

Clase Expositiva

Prácticas de aula /Seminarios/ Talleres

Prácticas de laboratorio /campo /aula de  informática/ aula de idiomas

Prácticas clínicas  hospitalarias

Tutorías grupales

Prácticas  Externas

Sesiones de Evaluación

Total

Trabajo grupo

Trabajo autónomo

Total

1.- Introducción: Catálisis y Sostenibilidad

17

4

2

6

1

10

11

2.- Catálisis con Metales: Reacciones de Acoplamiento

21

4

3

7

2

12

14

3.- Catálisis con Metales: Complejos Metal Carbeno

15

2.5

1.5

4

2

9

11

4.- Catálisis con Metales: Funcionalización de olefinas

9

1

0.5

1.5

1

6.5

7.5

5.- Catálisis con Metales: Activación de Alquinos

11

1.5

1

2.5

1

7.5

8.5

6.- Organocatálisis enantioselectiva

3

1

1

2

2

7.- Organocatálisis covalente

19

3.5

1.5

5

2

12

14

8.- Organocatálisis no covalente

10

2

1

3

1

6

7

9.- Catálisis enzimática. Reacciones de hidrólisis

11,5

2

1,5

3,5

1

7

8

10.- Catálisis enzimática en medios no acuosos

9,5

2

1,5

3,5

2

7

9

11.- Reacciones redox enzimáticas

9

2

1

3

1

6

7

12.- Aldolasas y transferasas

8

1,5

0,5

2

1

5

6

Evaluación

3

3

3

Total

150

27

15

3

45

15

90

105

               

MODALIDADES

Horas

%

Totales

Presencial

Clases Expositivas

27

18

30

Práctica de aula / Seminarios / Talleres

15

10

Prácticas de laboratorio / campo / aula de informática / aula de idiomas

Prácticas clínicas hospitalarias

Tutorías grupales

Prácticas Externas

Sesiones de evaluación

3

2

No presencial

Trabajo en Grupo

15

10

70

Trabajo Individual

90

60

Total

150

El sistema de evaluación del aprendizaje de los estudiantes y los porcentajes de ponderación se indican a continuación.

CONVOCATORIA ORDINARIA

  • Examen Escrito Final: 70%. Prueba escrita con preguntas y/o ejercicios sobre la materia impartida.
  • Exposición oral: 15%. Prueba oral que se realizará durante el curso y que consistirá en la exposición (15 minutos) y posterior defensa (5 minutos) de un artículo de investigación sobre un tema relacionado con los contenidos de la asignatura. Se valorará el nivel científico, la exposición y las respuestas a las cuestiones planteadas en el debate posterior.
  • Trabajo del alumno: 15%. En este apartado se valorará la realización del trabajo que se asigne al estudiante periódicamente.

CONVOCATORIAS EXTRAORDINARIAS

            Examen Escrito: 100%. Prueba escrita con preguntas y/o ejercicios sobre la materia impartida. 

El material bibliográfico fundamental para desarrollar el trabajo de esta asignatura son textos especializados en las diferentes partes de la asignatura y que abarcan los contenidos esenciales de la misma. Se indica a continuación una relación de estos textos.

Bibliografía de referencia:

  1. R. A. Sheldon, I. Arends, U. Hanefeld, Green Chemistry and Catalysis, Wiley-VCH, Weinheim, 2007.
  2. J. Hartwig, Organotransition Metal Chemistry. From Bonding to Catalysis, University Science Books, Sausalito, California, 2010.
  3. P. I. Dalko (Ed.), Enantioselective Organocatalysis, Wiley-VCH, Weinheim, 2007.
  4. K. Faber, Biotransformations in Organic Chemistry, 6th Edition, Springer, 2011.

Bibliografía de consulta:

  1. G. Rothenberg, Catalysis. Concepts and Green Applications, Wiley-VCH, Weinheim, 2008.
  2. M. Beller, A. Renken, R. A. van Santen, Catalysis: From Principles to Applications, Wiley-VCH, Weinheim, 2012.
  3. M. Beller, C. Bolm, Transition Metals for Organic Synthesis (Vol 1, 2), 2nd Edition, Wiley, Weinheim, 2004.
  4. L. S. Hegedus, B. C. G. Söderberg, Transition Metals in the Synthesis of Complex Organic Molecules, 3th Edition, University Science Books, Sausalito, California, 2010.
  5. A. de Meijere, F. Diederich, Metal-Catalyzed Cross-Coupling Reactions (Vol 1, 2), 2nd Edition, Wiley, Weinheim, 2004.
  6. A. Berkessel, H. Gröger, Asymmetric Organocatalysis, Wiley-VCH, Weinheim, 2005.
  7. W.-D. Fessner, T. Anthonsen, Modern Biocatalysis. Stereoselective and Environmentally Friendly Reactions, Wiley-VCH, 2009.
  8. K. Drauz, H. Gröger, O. May (Eds.), Enzyme Catalysis in Organic Synthesis vol. 1-3, 3rd Ed., Wiley-VCH, 2012.
  9. J. Tao, R. Kazlauskas (Eds.), Biocatalysis for Green Chemistry and Chemical Process Development, John Wiley & Sons, 2011.
  10. U. T. Bornscheuer, R. J. Kazlauskas, Hydrolases in Organic Synthesis. Regio- and Stereoselective Biotransformaciones, 2nd Edition, Wiley-VCH, 2006.
  11. V. Gotor, I. Alfonso, E. García-Urdiales (Eds.), Asymmetric Organic Synthesis with Enzymes, Wiley-VCH, 2008.
  12. A. S. Bommarius, B. R. Riebel, Biocatalysis. Fundamentals and Applications, Wiley-VCH, 2004.