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L535 – Organische Chemie auf der Basis nachwachsender Rohstoffe
Organic Chemistry using Renewable Resources
Version: 3
Prof. Dr. rer. nat. Stefan Schramm
stefan.schramm(at)htw-dresden.de
Deutsch
10.00 Credits
300 Stunden
8.00 SWS (4.00 SWS Vorlesung | 4.00 SWS Praktikum)
180.00 Stunden
Praktikum
Schriftliche Prüfungsleistung
Prüfungsdauer: 120 min | Wichtung: 70 % | nicht kompensierbar
Alternative Prüfungsleistung - Protokolle
Wichtung: 30 % | nicht kompensierbar
Dieses Modul untersucht die entscheidende Rolle, die Naturstoffe, insbesondere sekundäre Naturstoffe, in der chemischen Industrie spielen. Der Fokus liegt auf dem Erkennen ihrer industriellen Bedeutung und den Methoden ihrer Herstellung, eingebettet in den breiteren Kontext der Nachhaltigkeitstransformation und dem Einsatz nachwachsender Rohstoffe in der chemischen Industrie. Im zweiten Teil der Vorlesung wird verstärkt auf Aspekte der „Grünen Chemie“ und spezielle katalytische Themen wie Übergangsmetall-katalysierte Reaktionen und Photokatalyse eingegangen. Die Vorlesung wird wahlweise in Deutscher oder Englischer Sprache angeboten.
Vorlesung
Einführung in sekundäre Naturstoffe:
- Definition und Klassifizierung sekundärer Naturstoffe
- Übersicht über die Vielfalt und das Potenzial sekundärer Naturstoffe in nachwachsenden Rohstoffen
- Industrielle Bedeutung sekundärer Naturstoffe:
- Industrielle Synthese sekundärer Naturstoffe und deren Anwendungsgebiete in Pharmazie, Lebensmitteltechnologie, Kosmetik und Elektronik
- Fallstudien zur Nutzung spezifischer sekundärer Naturstoffe in der Industrie
- Verfahren zur Isolation und Reinigung sekundärer Naturstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen
- Biotechnologische Ansätze und synthetische Methoden zur Produktion und Modifikation sekundärer Naturstoffe
- Totalsynthesen und deren technische Umsetzung unter den Rahmenbedingungen der chemischen Industrie
Nachhaltigkeitstransformation in der chemischen Industrie:
- Wertschöpfungsketten der erdölbasierten chemischen Industrie und Ansatzpunkte für nachwachsende Rohstoffe für Grundchemikalien und Intermediate
- Prinzipien der grünen Chemie als Grundlage für eine nachhaltige Chemieindustrie
- Rolle sekundärer Naturstoffe in der Entwicklung nachhaltiger Produkte und Verfahren
- Strategien zur Minimierung von Umweltauswirkungen und zur Förderung einer Kreislaufwirtschaft
- Ausgewählte Verfahren der Katalyse, insbesondere Übergangsmetall-katalysierte Reaktionen und deren Anwendung in der industriellen Synthese von Feinchemikalien sowie Photokatalyse
- Konzepte der Bioraffinerie als Alternative zur Erdölraffinerie
Praktikum
Schwerpunkt: Organische Synthese von industriell bedeutsamen sekundären Naturstoffen und Grüne Chemie:
- Selbstständige Planung des Versuchsprogrammes für den vorgegebenen Praktikumszeitraum (freies Praktikum)
- Durchführung von Versuchen zur katalytischen und biokatalytischen Stoffwandlung, Arbeiten unter Inertgas und bei tiefen Temperaturen, Synthese von Mehrstufenpräparaten
- Isolierung und Reinigung der Produkte durch Flash-Chromatographie und präparative HPLC
- Charakterisierung der Produkte durch IR-Spektroskopie, Auswertung von Massen- und NMR-Spektren
- Bewertung der durchgeführten Versuche einschließlich der Reinigungsprozesse in Hinblick auf ihre Effizienz
Ziel der Lehrveranstaltungen ist es, die Studierenden mit der Rohstoffquelle nachwachsende Rohstoffe, ihrer volkswirtschaftlichen Bedeutung und Nutzbarmachung vertraut zu machen. Dabei sollen grundlegende Kenntnisse von Techniken zur Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen zur Erzeugung von Energie und zur Herstellung von Materialien und Chemikalien erworben und die Studierenden zur Berücksichtigung nachwachsender Rohstoffe und ihrer Folgeprodukte bei der Gestaltung technischer Verfahren und Produkte befähigt werden. Die Studierenden erwerben Spezialwissen in Form von Grundkenntnissen über moderne und innovative Methoden der grünen Chemie, insbesondere der Katalyse und Biokatalyse. Im Rahmen des Praktikums erfolgt eine Vertiefung und Erweiterung der Kenntnisse und Fertigkeiten spezieller organisch-präparativer Arbeitstechniken und analytischer Methoden. Sie erwerben Fähigkeiten zur Bewertung von Verfahren unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit durch Ermittlung der Atomeffizienz sowie zur Planung und Verwendung neuer effektiver katalytischer und biokatalytischer Verfahren unter Einbeziehung selbständiger Datenbankrecherchen (SciFinder) und Literaturauswertung. Im Praktikum wird das selbständige Arbeiten, aber gleichzeitig dasgemeinsames Arbeiten und der forschungsbezogene wissenschaftliche Austausch in der Gruppe trainiert.
- Trainieren von Planungskompetenz durch Erstellen des Versuchsplanes für den vorgegebenen Zeitraum des freien Praktikums
- Beurteilung der eigenen Arbeitseffizienz durch regelmäßige Überprüfung anhand des erstellten Versuchsplanes, Einbringen von Änderungen
- Effizienzanalyse am Beispiel einer der durchgeführten Synthesen einschließlich der Reinigungsschritte. Beurteilung durch Vergleich mit einer aus der Literatur bekannten Synthese in Hinblick auf Chemikalienkosten, apparativen Aufwand, Zeitaufwand, Entsorgungsaufwand
- Trainieren von Teamfähigkeit durch Arbeit in der Gruppe
Es ist ein breites chemisches Grundwissen, insbesondere ein umfangreiches Vorwissen in organischer Chemie erforderlich (Bachelor-Niveau).
Lehrveranstaltung Nachwachsende Rohstoffe:
Kamm, B., Gruber, P.R., Kamm, M. (Eds.): Biorefineries - Industrial Processes and Products, WILEY-VCH Weinheim, 2006 C.
Stevens, R. Verhe (Eds.), Renewable Bioresources: Scope and Modification for Non-Food Applications, WILEY-VCH. Weinheim, 2004
H. Zoebelein(Ed.), Dictionary of Renewable Resources, 2nd ed., WILEY-VCH Weinheim, 2001
Lehrveranstaltung Grüne Chemie und Katalyse:
Sheldon, R.A., Arends, I., Hanefeld, U.: Green Chemistry and Catalysis, Wiley-VCH 2007
Rothenberg, G.: Catalysis, Wiley-VCH 2008
Cavani, F., Centi, G., Perathoner, S., Trifiro, F.: Sustainable Industrial Chemistry, Wiley-VCH Weinheim, 2009
Faber, K. Biotransformations in Organic Chemistry, Springer Verlag Berlin, 5. Aufl., 2004
Praktikum Grüne Chemie und Katalyse:
Jeromin, G.E., Bertau, M.: Bioorganikum, Wiley-VCH Weinheim, 2005
Brückner, R. et al., Praktikum Präparative Organische Chemie, Band 1: Organisch-Chemisches Grundpraktikum und Band 2: Organisch-Chemisches Fortgeschrittenen-praktikum, Spektrum Verlag Heidelberg 2008 bzw. 2009
https://bildungsportal.sachsen.de/opal/auth/RepositoryEntry/43127144451