Modul 21-SC-1 Sustainable Materials and their Synthesis I

Studierende erwerben ein tiefgehendes Verständnis über die Rohstoffbasis, nachhaltige Synthesewege und deren industrielle Relevanz. Sie kennen die stoffliche Rohstoffbasis der heutigen chemischen Industrie („Produktstammbaum“) sowie Perspektiven für deren Umstellung auf erneuerbare Rohstoffe, die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft und die Herausforderungen und Lösungsansätze für das Recycling. Sie entwickeln eine fundierte fachliche Kompetenz in der Auswahl von Rohstoffen für die chemische Synthese. Darüber hinaus können Studierende relevante chemokatalytische und biokatalytische Prozesse analysieren, vergleichen und auf verschiedene Fragestellungen der chemischen Synthese anwenden. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf Konzepten in der homogenen wie auch heterogenen Katalyse, insbesondere in der Übergangsmetall- und Biokatalyse. Sie erwerben die Fähigkeit chemische Reaktionsmechanismen katalytischer Prozesse zu analysieren sowie für neue Syntheserouten anzuwenden und kennen Wege der Katalysator- und Prozessoptimierung zur Steigerung der Nachhaltigkeit und Ökonomie. Darüber hinaus erwerben Studierende ein grundlegendes Verständnis in biokatalytischen und biotechnologischen Synthesemethoden. Auf dieser Grundlage können Studierende Herausforderungen bei der Implementierung erkennen und begründen sowie Lösungsansätze hierfür in groben Zügen erarbeiten. Durch die interdisziplinäre Ausrichtung des Moduls werden sie befähigt, innovative und nachhaltige Lösungen für die Synthese relevanter Moleküle zu entwickeln.

In diesem Modul werden die Nutzung erneuerbarer Ressourcen, die Prinzipien der Chemokatalyse und Biokatalyse sowie ihre Bedeutung und Herausforderungen für die nachhaltige Chemie detailliert besprochen. Schwerpunkte sind zunächst die Rohstoffbasis und der Produktstammbaum, wobei der „benchmark“ die heutige fossile Rohstoffbasis darstellt. Neben der Vermittlung von perspektivisch industriell nutzbaren erneuerbaren und wettbewerbsfähigen Rohstoffquellen stellt ein Fokus die Beiträge der Chemie für die Kreislaufwirtschaft sowie Lösungsansätze und Grenzen des Recyclings dar. Hierbei werden insbesondere die Optionen des chemischen Recyclings als auch die reaktionsmechanistischen Grundlagen hierfür diskutiert. Ein Schwerpunkt liegt darauf, wie sich die Umstellung auf nachwachsende Rohstoffe auf den bestehenden Produktstammbaum auswirkt. Zudem werden die hierfür benötigten Katalyseverfahren für die Herstellung nachhaltiger Industriechemikalien diskutiert. Ein großer Schwerpunkt liegt auf Aspekten der synthetischen organischen Chemie mit besonderer Relevanz für Anwendungen im Bereich der nachhaltigen Chemie, wobei zentrale Katalysatorklassen, ihre Mechanismen und Anwendungen diskutiert werden. Neben Übergangsmetall- und Biokatalyse werden generelle Strategien zur Katalysator- und Prozessoptimierung methodisch beleuchtet, beispielsweise die Immobilisierung und damit Heterogenisierung von Katalysator-Komponenten sowie das Reaktionsengineering unter Einsatz umweltfreundlicher Lösungsmittel. Ein besonderer Fokus liegt auf der enzymatischen Katalyse und biotechnologischen Prozessen sowie deren industriellen Anwendungen. Die interdisziplinäre Betrachtung ermöglicht es, innovative Ansätze für eine ressourcenschonende und effiziente Synthese von wichtigen Chemikalien zu entwickeln.

Kenntnisse vergleichbar mit denen, die in den Veranstaltungen des Bachelor-Studiengangs "Nachhaltige Chemie" erworben werden.

30 ECTS an theoretischen Kenntnissen in Organischer und Anorganischer Chemie und 20 ECTS in chemischer Laborpraxis