Ejercicios catálisis parte II

advertisement
CATÁLISIS Y METALES DE TRANSICIÓN
1. Defina Química Organometálica
La química organometálica es la rama de la química que estudia la síntesis,
estructura y reactividad de compuestos químicos que contienen al menos
un enlace M-C. Es una disciplina que engloba a otras subdisciplinas de la
química, como: química orgánica, química inorgánica, fisicoquímica y
electroquímica.
2. ¿Cómo se relaciona la Química Organometálica con la catálisis y la
química verde?
En el campo de la catálisis se utilizan muchos compuestos organometálicos
y miles de posibles ligandos orgánicos, las posibilidades de desarrollar
combinaciones diferentes y precisas son muy grandes y existen numerosos
ejemplos de catalizadores heterogéneos y homogéneos
La Química Organometálica es un campo de investigación, amplio y
multidisciplinar, cuya finalidad es el estudio de aquellos compuestos que
contienen uno o más enlaces metal-carbono. Su importancia surge, no sólo
de la enorme variedad de situaciones estructurales y de enlace presentes
en este tipo de compuestos, sino de su reactividad y del enorme interés de
sus posibles aplicaciones. Por ejemplo, los compuestos organométálicos
son la base de los procesos de catálisis (acción activadora, o retardadora,
de una reacción mediante sustancias –catalizadores- que permanecen
inalterados en la reacción) homogénea, imprescindibles para la producción
de combustibles, plásticos o productos farmacéuticos. La catálisis
homogénea ofrece una excelente economía atómica de los procesos, que
cada día gana importancia en el diseño de procesos de muy bajo impacto
medioambiental y que constituye el objetivo de la “química verde”, nos
permite cumplir con otros principios de la química verde, como generar
productos eficaces pero no toxicos, disminuir consumo energético, uso de
metodologías que generen productos con toxicidad reducida, potenciación
de catálisis.
Actuan con la reactividad química y promoviendo transformaciones que, en
general, no tendrían lugar en ausencia del metal. Muy a menudo estas
transformaciones pueden ocurrir de manera catalítica. Por lo tanto, es
natural que las principales aplicaciones de la Química Organometálica se
desarrollen en el campo de la Catálisis. Debido a su naturaleza molecular y
su solubilidad en disolventes líquidos, los catalizadores organometálicos se
consideran usualmente como ejemplos arquetípicos de catalizadores
homogéneos.
3. ¿Qué características deben tener los complejos organometálicos para
emplearlos en catálisis?
Actividad catalítica alta.
Reactividad: a) estado de oxidación b) número de electrones d sobre el
metal en el estado de oxidación considerado c) número de coordinación del
metal y la facilidad de este para formar sitios vacantes de coordinación.
4. Mencionar las tendencias actuales que tiene esta rama de la Química
 Obtención de nanopartículas de metales, pequeños fragmentos de
metales como el platino, el oro o el paladio que tienen un tamaño del
orden de los nanómetros 10-9 m y que se utilizan en diversos
aspectos de la vida cotidiana, aunque sus aplicaciones están por
desarrollar.

Síntesis de nuevos materiales que puedan tener unas propiedades
ópticas, magnéticas o electrónicas particulares, como por ejemplo los
LEDs, en los que el metal permite controlar por ejemplo el color de la
luz.

Utilización de las moléculas organometálicas como fármacos, en
especial contra enfermedades como el cáncer.

Se están desarrollando compuestos Organometálicos para las
tecnologia
́ s energéticas, como la generación de hidrógeno a partir de
agua y de otras sustancias quim
́ icas menos frecuentes, o la
transformación del metano al metanol.
 En el área de bio-inorgánica
5. ¿Cómo se nombran según la IUPAC estos compuestos? Dar los
nombres formales: a) ferroceno, b) [RhMe(PMe3)4
Fe bis(η5-ciclopentadienilo)
Metiltetraquis (trimetilfosfina)rodio
6. ¿Qué es la regla de los 18 electrones? ¿A qué se refieren los términos
complejos saturados y complejos insaturados? ¿Por qué es
importante el conteo de electrones? ¿Hay excepciones a esta regla?
Explique.
Es una aproximación usada principalmente en química de metales de
transición para caracterizar y predecir la estabilidad de los complejos
metálicos
La regla de 18 electrones se aplica para los complejos de metales de
transición. Hay excepciones a la regla de 18 electrones, pero en general,
complejos de metales de transición con 18 electrones de Valencia son
considerados compuestos altamente estables.
“La suma de los electrones d del metal más los proporcionados por los
ligantes nunca debe exceder 18”
COMPLEJO SATURADO
Un complejo de metal de transición que tiene formalmente 18 electrones en
la capa externa en el átomo central de metal.
COMPLEJO INSATURADO
Un complejo de metal de transición que posee menos ligandos de los que
existen en el complejo coordinadamente saturado. Estos complejos
generalmente tienen menos de 18 electrones en la capa externa en el
átomo central de metal.
El conteo de electrones es importante para saber si el compuesto tiene
estabilidad estructural.
EXCEPCIÓN A LA REGLA
Aunque en la mayoría de los compuestos organometálicos de los
elementos de transición cumplen la regla de los 18 electrones, existen
excepciones.
Las excepciones a la conocida regla de los 18 electrones en compuestos
organometálicos son comunes en el lado izquierdo del bloque d, puesto que
ya que no les es posible aglomerar suficientes ligantes alrededor del metal
para satisfacer la regla. Cuando más a la derecha este situado el metal más
electrones d tendrá al principio y le será ms fácil completar su capa de
valencia con 18e.
 Los que tienen 16 e, en vez de 18.
 Los que pasan de 18 (21-22).
 Los que nunca pasan de 18 e.
Un ejemplo es (Ti (CH2PH)4) NEV 4+4=8e
7. Definir y ejemplicar
 Efecto quelato Es la formación de anillos que incluyen al centro
metálico en compuestos de coordinación. La formación de este tipo
de compuestos se da cuando un ligante con más de un "diente" se
coordina a un mismo centro metálico. La formación de quelatos
genera compuestos de mayor estabilidad en comparación con sus
análogos que no formen quelatos. Este efecto de incremento de
estabilidad se llama efecto quelato.

Hapticidad es el número de átomos del ligando que interaccionan
con el metal.

Ligante puente Ligandos que unen a dos átomos centrales distintos.
Pueden ser átomos monodentados, portando su par a uno de los
átomos centrales pero usando la posición de coordinación del otro.
8. Mencionar de cuántos electrones son los siguientes compuestos:
Compuesto
Tipo
MoL4X3
Conteo covalente
Mo 6eCp 5eAlquino 2eP2(MeO)6 4 eIon -1 e-
Total 16 e-
NiL4X2
2Cp 10eNi 10 e-
Total 20eTaL2X5
Ta 5e
Cl2 2eAlqueno 2e2PR3 4eT-Butil 1e-
Total 14 e-
WL6
W 6eCO4 8e2(PMe3) 4e-
NiL3X2
Total 18 eNi 10 eCp 5eNO 3e-
ScL4X3
Total 18eSc 3eOR 1e2Cp 10e-
WL3X4
Total 14eW 6eCarbyne 3eAlqueno 2e2fosfina 4eAlcano 1e-
Total 16e-
CrX12
Cr 6eNitryde 12e-
Total 18eMoL4X4
Mo 6eNMe2 12e-
Total 18e-
TiL4X4
Ti 4e2Cp 10eBr 2e-
Total 16e-
PdL2X2
Pd 10e2Alilo 6e-
Total 16e-
MoL4X3
CO 2eCp 5eMo 6eAlil 3eNO 1e-
Total 17e-
CrL5X2
3CO 6eCr 6ePR3 4eAlqueno 2e-
Total 18e-
CoL3X3
Co 9ePR3 6eAlil 3e-
Total 18e-
MnL4X3
Mn 7ePR3 2eCO 2eAlqueno 2eCp 5e-
Total 18e-
9. Las reacciones de oxidación frecuentemente se usan en la producción
de químicos finos y a granel. Revisar las principales diferencias de los
procesos utilizados en cada sector, discutiendo estas diferencias en
términos de los 12 principios de la química verde.
Tabla 1. Diferencias generales respecto a los 12 principios de reacciones de
oxidación a granel y en química fina
Producción de compuestos químicos
a granel (heterogéneo)
Fácil recuperación del catalizador
(potenciación de catálisis)
Evita la derivatización innecesaria
Reduce el uso de sustancias auxiliares
Producción de compuestos
química fina (homogéneo)
Monitorización en tiempo real
de
Potenciación de catálisis
(mayor
selectividad)
Mayor costo (Metales de transición)
Mayor economía atómica
Tabla 2. Diferencias de procesos de oxidacion respecto a los 12 principios de
reacciones de oxidación a granel y en química fina
REACCIONES DE OXIDACION
A GRANEL
QUIMICA FINA
Según con los 12 principios de la
química verde, con cuerda con el
principio 7 que es la utilización
de materias primas renovables,
en este caso el agua. También con
el principio 6, que dice disminuir
el consumo energético. Principio
3, uso de tecnologías que generen
productos
con
toxicidad
reducida.
Principio 3. Uso de metodologías
que generen productos
cn
toxicidad reducida.
Pricipio 4. Generar productos
La ciclohexanona es el reactivo
eficaces
obtención
de de partida para la producción de pero no toxicos.
ciclohexanona por ácido adípico y
Principio 9. Potenciación de
oxidación
del caprolactama que son compuestos catálisis.
empleados
ciclohexano
en la síntesis del nailon 6,6 y 6,
respectivamente.
También se ha reportado un
sistema más activo
para la oxidación del ciclohexano.
oxidación del agua
a oxígeno gas
oxidación
sulfuros
Es un desarrollo de las reacciones
principales para la producción de
combustibles renovables a partir de
agua y luz solar.
de Otra reacción de oxidación
importante en la industria.
Los sulfuros están presentes en los
industria de curtiembres de cueros
vacunos, siendo un problema grave
de contaminación y, por ello, el
interés en oxidarlos totalmente a
SO2. Por otro lado, la oxidación
selectiva de estos sulfuros permite
obtener sulfóxidos y sulfonas que
son de importancia en el ámbito
farmacológico, como es el caso de
la
dapsona
(4,4´-diaminofenil
sulfona), un poderoso antibiótico
contra la malaria
oxidación
del en la cual se adiciona un cometil-fe-nilcatalizador,
Tempo
(1-oxilsulfuro con H2O2 2,2,6,6-tetrametilpiperi-dina). En
esta reacción solo se generan
trazas de la sulfona.
sustancias de gran importancia
La oxidación de
aminas
permite la obtención de iminas constituirse en intermediarios
síntesis en la producción
(C=N) y nitrilos (CN)
fármacos y otros productos
por
de
de
de
de la producción de compuestos Nheterocíclicos, tales como, los
alcaloides que se emplean
como fármacos en el tratamiento de
enfermedades mentales y los
analgésicos
10. Proponer una síntesis de (S)-ibuprofeno que en términos de los
principios de la química verde se compare favorablemente con la ruta
comercial:
a)
b)
En la síntesis b) la biohidrólisis de varios derivados de óxido de α-metilestireno,
sustituidos de manera diferente en el anillo aromático, se investigó utilizando 10
hidrolasas epóxidas de diferentes orígenes. En este procedimiento existe mayor
enantioselectividad, evitando derivatización, se potencializó la catálisis al usar un
biocatalizador, aunque la ruta comercial usa 4 pasos, en la síntesis b) tiene un
rendimiento general mayor.
11. Con referencia a dos productos de su selección discutir el papel que
la catálisis ha jugado en el desarrollo de una industria química a
granel más económica y ambientalmente amigable. ¿Por qué la
catálisis ha tenido menos impacto en el desarrollo de productos finos
y farmacéuticos?
60% de los productos químicos se sintetizan por procesos catalíticos, 70% de
los procesos químicos de fabricación son catalíticos. Más del 99% de la
producción mundial de gasolina ocurre a través del craqueo catalítico de
fracciones del petróleo y de otras reacciones catalíticas.
Más del 90% de los procesos industriales nuevos son catalíticos
Los combustibles como la gasolina de alto grado se consigue mediante un
proceso conocido como hidrofinado, es decir, la hidrogenación de petróleo
refinado a alta presión en presencia de un catalizador, El hidrolizado no sólo
convierte el petróleo de bajo valor en gasolina de mayor valor, sino que al
mismo tiempo purifica químicamente
eliminando el azufre como
contaminante. Otro producto donde la catálisis juega un papel importante es
la industria de los polímeros donde el componente principal de técnica de
polimerización es el catalizador organometálicos, los cuales ha demostrado ser
excelentes controladores en cuanto pesos moleculares e índices de
polidisperdidad de cadena , obteniendo altos grados de conversión en menores
tiempos de polimerización.
El uso de catalizadores en diversos procesos químicos tanto a nivel industria
como científico ha jugado un papel muy importante en el desarrollo de las
industria química a granel y representa una gran alternativa para la
disminución de tiempo de reacción global, entre otros beneficios que
involucran el uso de estos componentes en los procesos, además de estar
incluidos dentro de los 12 preceptos de la Química Verde. Contribuyendo a la
mejora y conservación de nuestro medio ambiente.
Y este mismo proceso catalítico o catálisis ha tenido menor impacto en la
química fina porque se hace a nivel laboratorio lo que lleva a un menor impacto
a nivel ambiental y en la industria farmacéutica se ven involucrados
catalizadores que solo intentan degradar diferentes productos como; los
azúcares, las grasas, los carbohidratos y las proteínas que hemos tomado en los
alimentos, para ser convertidos en energía a través de diversas reacciones en
cadena de acciones químico-catalíticas.
12. ¿Qué es la nanocatálisis? Dar dos ejemplos de procesos que empleen
nanocatalizadores.
La diferencia actual entre nanocatálisis y catálisis radica en el tamaño de
partícula, menor a 100 nm en el caso de la primera. Nanocatálisis se refiere
a la aplicación de Nanomateriales como catalizadores. En la nanocatalisis
se ha comprobando cambios considerables en el comportamiento y la
potencialización de propiedades de los materiales a esta escala. Por
ejemplo, las nanopartículas de oro han mostrado una alta actividad
catalítica inesperada que no posee este metal a una dimensión mayor. Asi
mismo, compuestos con porosidades nanométricas también cambian su
actividad catalítica.
Los nanocatalizadores que se obtienen en la actualidad van dirigidos a
mejorar la selectividad, un bajo consumo de energía y una elevada
efectividad en el rendimiento de la reacción. Su morfología, tamaño y
estabilidad térmica y química juegan un rol primordial. La variedad de
reacciones que se pueden catalizar con este tipo de nanomateriales es muy
diversa, entre ellas la obtención de biocombustibles, reacciones de
reducción, las ocurridas en celdas de combustible de membrana de
intercambio protónico.
1. Por ejemplo se usa para lograr una mayor selectividad y rendimiento de
productos químicos de valor agregado a partir de lignina utilizando
nanocatalizadores incrustados en un fotomicrorreactor. La lignina, un
subproducto industrial y contaminante predominante, ha sido reconocida
hoy como un rico reservorio de sustancias químicas aromáticas y un
recurso importante. Los estudios fotocatalíticos sobre lignina, que a
menudo usan lignina disuelta en condiciones alcalinas, a menudo
generan una amplia gama de químicos orgánicos valiosos que
encuentran aplicaciones en la industria farmacéutica, alimentaria,
cosmética y química fina.
2. Nanocatalizadores que ayudan a transformar selectivamente los
contaminantes en productos inocuos que permanecen en el reservorio
petrolero que pueden resultar en la explotación económica y
ambientalmente eficiente de arenas petrolíferas.
13. ¿Cuáles son las técnicas de caracterización de los catalizadores?
X-ray crystallography
Infrared spectroscopy
NMR spectroscopy
Mass spectrometry
Elemental analysis
Others
Download
Related flashcards
Create Flashcards