Vor dem Hintergrund des weltweit wachsenden Bedarfes an Bodenverbesserungsmitteln, durch die Humus-, Nährstoff- und Wassermangel auf Problemstandorten kompensiert werden sollen, war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, Bodenwasser-speicher auf Basis der nachwachsenden Biopolymere Stärke und Lignin zu entwickeln. Durch Derivatisierung der Stärke wurde deren Hydrophilie deutlich gesteigert, was Voraussetzung für die Bildung von Hydrogelen war. Es konnte gezeigt werden, dass durch Vernetzung der wasserlöslichen Stärkederivate Carboxymethylstärke und Monostärkemonophosphat mit Di-/Tricarbonsäuren quellfähige Hydrogele erzeugt werden, deren Quellungsvermögen und rheologische Eigenschaften über die Wahl des Vernetzers und die Vernetzerstoffmenge gezielt eingestellt werden können. Die Modifizierung von Lignin wurde durch Oxidation mit Wasserstoffperoxid, z.T. in Kombination mit Fe(II)- bzw. Mn(II)-Chloriden realisiert. Dadurch wurde die Vernetzbarkeit von Lignin deutlich verbessert, was auf oxidativ bedingte Strukturänderungen des Lignins zurückzuführen war. Diese bestanden im Wesentlichen in der Spaltung und Oxidation der Lignin-Seitenkette sowie der Hydroxylierung der Seitenkette und aromatischer Strukturen. Die Vernetzung von Lignin mit Poly-(ethylenglycol)-diglycidylether ergab quellfähige Hydrogele, deren Wasseraufnahmevermögen und rheologische Materialfunktionen von der eingesetzten Vernetzerstoffmenge abhängig sind. Es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Stärkephosphat- und Lignin-Hydrogelen das Wasserspeichervermögen erhöht und die Evaporationsraten eines entsprechend behandelten Sandbodens verringert werden. Im Wachstumsversuch wurden die Frischmasseerträge von Gelbsenf (Sinapis alba) durch Behandlung eines Sandbodens mit Hydrogelen gesteigert. / Soil degradation leading to a lack of humus, nutrients and water especially on exploited sites causes the worldwide need in soil amendments. Aim of the work was the development of hydrogels from renewable biopolymers starch and lignin improving water retention especially in degraded soils. A significant increase of hydrophilic properties of starch was obtained by chemical modification with the objective of forming starch based hydrogels. Swellable hydrogels were formed by cross-linking of water soluble starch derivatives like carboxymethyl starch and monostarch monophosphates with di- and tricarboxylic acids. Swelling capacity and rheological properties of the starch gels were selective adjusted by variation of cross linking agent and whose amounts. Modification of lignin was realized by oxidation with hydrogen peroxide partly in combination with ferrous and manganese chlorides, respectively. In consequence of oxidative structural changes which were cleavage and oxidation of side chain as well as aliphatic and aromatic hydroxylation, gelation of lignin was improved significant. Lignin hydrogels with different swelling capacities and rheological functions were formed by cross-linking lignin with different amounts of poly (ethylene glycol) diglycidyl ether. Application of hydrogels based on starch and lignin causes increased water storing capacity/field capacity and decreased evaporation of a sandy soil as well as an increased biomass yield of yellow mustard (Sinapis alba).

Source de carbone la plus abondante du règne végétal et non concurrentielle de la chaîne alimentaire, la cellulose est une alternative aux ressources fossiles crédible pour le développement de nouveaux matériaux polymères. Néanmoins, à ce jour, les nombreux travaux décrits dans la littérature et visant la valorisation et la modification chimique de ce biopolymère fascinant ne répondent pas suffisamment, ou tout au moins que très partiellement, aux critères de durabilité. Pour répondre à ces critères de développement durable, le caractère renouvelable de la cellulose et les concepts de procédés propres et de chimie ‘verte’, doivent être réellement pris en compte. Ceci implique un choix réfléchi des solvants et réactifs utilisés, une maîtrise des procédés de modification chimique et bien évidemment une évaluation de la pertinence des produits formés, pour lesquels les propriétés obtenues doivent être innovantes et supérieures aux matériaux polymères existants. Cette thèse se divise en trois parties principales, à savoir la solubilisation, la régénération et la modification chimique de la cellulose. Tout au long de ce travail, une attention particulière a été portée sur la durabilité de sa transformation chimique pour viser l’élaboration de matériaux cellulosiques processables et aux propriétés innovantes. Dans la première partie de la thèse, un système composé d’un catalyseur organique nucléophile (DBU) et de CO2 a permis la dissolution rapide de la cellulose dans le DMSO. Une étude détaillée visant à optimiser le système DMSO-DBU-CO2 a été réalisée grâce à un suivi par spectroscopie infrarouge in situ. Ainsi, jusqu'à 8 % massique de cellulose ont pu être dissous en 15 minutes à 30 °C sous une faible pression de CO2 (2-5 bars). L’originalité de ce système commutable (fixation-relargage réversible du CO2), par comparaison aux autres solvants classiques de la cellulose, inclut une recyclabilité plus facile par simple dépressurisation du CO2 et une solubilisation rapide et douce, à plus bas coût, en comparaison aux systèmes utilisant les liquides ioniques. La mise en évidence de la création de fonctions carbonate par réaction avec différents composés électrophiles tels les halogénures d’alkyle a permis d’avoir une connaissance approfondie de ce système. L'optimisation réussie d'un système ‘propre’ permettant la dissolution de la cellulose nous a conduit à étudier sa régénération. Dans cet objectif, des aérogels de cellulose ont été préparés par un procédé de solubilisation, coagulation et lyophilisation. Différents paramètres ont été examinés tels la concentration en cellulose, le solvant de coagulation ou encore la nature et concentration en super-base (DBU-CO2), sur les propriétés des aérogels (densité, morphologie, taille des pores). Les résultats obtenus démontrent que des aérogels avec une densité entre 0.05 et 1,2 g/cm3, des porosités entre 92 et 97 % et des tailles de pore entre 1,1 et 4,5 μm ont été obtenus. Enfin, l’analyse des aérogels par microscopie électronique à balayage (SEM), a révélé la formation de réseaux de cellulose interconnectés et macroporeux. La modification chimique de la cellulose pour l’élaboration de matériaux processables aux propriétés innovantes fait l’objet de la troisième partie de la thèse. Cette partie est divisée en deux sous-parties: la dérivatisation de la cellulose par réaction de transestérification d’une part, et par réaction multi-composants, d’autre part. Dans la première sous-partie et gardant à l'esprit les principes de la chimie verte, la nature unique du système commutable DBU-CO2 amenant un changement d’hydrophilie du squelette cellulosique a permis l’utilisation directe de l’huile de tournesol pour la transestérification de la cellulose. [...] / As the most abundant source of carbon in our planet, without any competition with food or feed supplies, cellulose is a viable alternative to replace the widely used and unsustainable fossil-based polymers. However, the majority of researchers working on this fascinating biopolymer fail to incorporate sustainability considerations during cellulose chemical transformation to make materials. The consequence is a shift of the “environmental burden” to other stages of the process cycle. Therefore, to ensure sustainability, both the renewability feature of cellulose as well as sustainability considerations concerning its transformation processes are necessary. This implies to consider the solvent, the reactants, the derivatization process and the wastes produced as well as an evaluation of the suitability of the resultant products, for which relevant properties have to be obtained to compete with existing alternatives. This thesis is therefore divided into three main parts (solubilization, regeneration and derivatization of cellulose), and addresses the various concerns of sustainability during cellulose transformation with an end-goal of making processable materials.In the first part of the thesis, a sustainable solvent system for cellulose was investigated. In this regard, a detailed optimization study of the DBU-CO2 switchable solvent system was performed using in-situ infrared spectroscopy. Upon optimization, up to 8 wt.% cellulose could be dissolve within 15 min at 30 °C using low CO2 pressure (2-5 bar). What makes this solvent system sustainable, when compared to other classical cellulose solvents, includes: easier recyclability by simple release of the CO2 pressure, fast and mild solubilization and lower cost compared to ionic liquids. Finally, by successfully trapping the formed in-situ cellulose carbonate using an electrophile, a clearer understanding of this solvent system was established.The successful optimization of a sustainable solvent system for cellulose led to the second part of the thesis: the regeneration of cellulose. Here, the general solubilization and coagulation ways followed by freeze-drying was adopted to prepare cellulose aerogels. Various processing conditions such as cellulose concentration, coagulating solvent and super base, were investigated on their effect of the aerogels properties (density, morphology, pore size). The obtained results showed aerogels with densities between 0.05 and 1.2 g/cm3, porosities between 92 and 97 % and pore sizes between 1.1 and 4.5 μm. In addition, from scanning electron microscopy (SEM), open large macroporous inter-connected cellulose networks were observed.The derivatization of cellulose to make thermally processable materials is covered in the third part of the thesis. This part is divided into two sub-parts; transesterification and multicomponent reaction modification. [...] / Als Kohlenstoffquelle mit der größten Verfügbarkeit auf unserem Planeten, ohne Konkurrenz zur Lebens- und Futtermittelversorgung, stellt Cellulose eine interessante Alternative dar, um die vielfältig genutzten, nicht-nachhaltigen Polymere auf Erdölbasis zu ersetzen. Die Mehrheit der Forscher, die mit diesem faszinierenden Biopolymer arbeiten, vernachlässigt allerdings Überlegungen zur Nachhaltigkeit in die chemische Modifizierung von Cellulose bei der Herstellung von Materialien zu integrieren. Die Konsequenz dessen ist eine Verlagerung der Umweltbelastung auf andere Abschnitte des Prozess-Zyklus. Um Nachhaltigkeit sicherzustellen, sind deshalb sowohl der erneuerbare Aspekt von Cellulose als auch Überlegungen zur Nachhaltigkeit im Reaktionsprozess wichtig. Dies beinhaltet die Berücksichtigung des Lösungsmittels, die Reaktanden, des Derivatisierungsprozesses, die produzierten Abfälle sowie eine Beurteilung der Nachhaltigkeit der resultierenden Produkte, die relevante Eigenschaften aufweisen müssen um mit bestehenden Alternativen konkurrieren zu können. Diese Arbeit ist deshalb in drei Teile gegliedert (Löslichkeit, Rückgewinnung und Derivatisierung von Cellulose) und befasst sich mit den verschiedenen Aspekten der Nachhaltigkeit während der Umsetzung von Cellulose mit dem Ziel, verarbeitbare Materialien herzustellen.Im ersten Teil der Arbeit wurde ein nachhaltiges Lösungsmittelsystem für Cellulose untersucht. In diesem Zusammenhang wurde eine detaillierte Optimierungsstudie des DBU-CO2 schaltbaren Lösungsmittelsystems mittels in-situ Infrarot Spektroskopie durchgeführt. Nach der Optimierung konnten bis zu 8 Gew.-% Cellulose innerhalb von 15 min. bei 30°C und einem niedrigen CO2-Druck (2-5 bar) gelöst werden. Verglichen mit klassischen Lösungsmitteln für Cellulose weist dieses Lösungsmittelsystem verschiedene nachhaltige Aspekte auf: Einfaches Recycling durch entfernen des CO2-Drucks, schnelles und mildes Auflösen und geringere Kosten als ionische Flüssigkeiten. Durch erfolgreiches Abfangen des in-situ gebildeten Cellulose-Carbonats mit einem Elektrophil, konnte schließlich ein besseres Verständnis dieses Lösungsmittelsystems erreicht werden. Die erfolgreiche Optimierung eines Lösungsmittelsystems für Cellulose führte zum zweiten Teil der Arbeit: der Regenerierung von Cellulose. Hier wurde der bereits mit anderen Systemen beschriebene Weg von Lösen und Ausfällen, gefolgt von Gefriertrocknen übernommen, um Cellulose-Aerogele herzustellen. Verschiedene Bedingungen bei der Verarbeitung wie die Cellulose-Konzentration, Lösungsmittel zum Ausfällen und die Superbase und deren Effekt auf die Eigenschaften der Aerogele (Dichte, Morphologie und Porengröße) wurden untersucht. So wurden Aerogele mit einer Dichte von 0.05-1.20 g/cm3, Porositäten zwischen 92 und 97% und Porengrößen zwischen 1.1 und 4.5 μm erhalten. Zusätzlich wurden im Rasterelektronenmikroskop offene große und makroporöse, miteinander verbundene Cellulose-Netzwerke beobachtet. [...]

Characterization of cellulose by its molecular weight distribution is afforded after polymeranalogeous dissolution. Additionally, a molecular dispersion of the polymer is a prerequisite. Common processes are dissolution of cellulose in dimethylacetamide-lithiumchloride, nitration and carbanilation. Degradation of the polysaccharide chains can occur in each of the mentioned processes. It is shown that degradation in pyridine occurs via beta-elimination at carbonyl groups along the cellulose chains. Carbanilierung in DMSO is much more pronounced. It comprises oxidation along the Pfitzner-Moffatt-mechanism and subsequent beta-elimination at the thus formed carbonyl-groups. This was elucidated with model systems and by investigation of the carbanilation in different media. Carbonyl groups of cellulose are masked through reaction with phenylisocyanate. This was shown with model. Therefore, the determination of carbonyl groups in cellulose-tricarbanilates is not possible. The separation of low-molecular weight byproducts was optimised. The influence of pretreatment and preactivation of cellulose-samples on the completeness of the conversion was studied. A standard protocol for the carbanilation of cellulose is provided. / Cellulose wird u.a. durch ihre Molmassenverteilung charakterisiert, deren Ermittlung ein polymeranaloges Verfahren zur molekulardispersen Auflösung des Polymers erfordert. Hierfür sind die Direktlösung, die Nitrierung und die Carbanilierung in Gebrauch. Bei allen Prozessen kann es zum Abbau der Polysaccharidketten kommen, wobei diesen Prozessen wenig Beachtung geschenkt wurde. In der Arbeit wird gezeigt, daß der Abbau bei der Carbanilierung in Pyridin durch Beta-Eliminierung an vorhandenen Carbonylgruppen erfolgt. Die Carbanilierung in DMSO fällt stets stärker aus als bei Einsatz von Pyridin und umfasst die Prozesse Oxidation nach dem Pfitzner-Moffatt-Mechanismus und anschließende Beta-Eliminierung an den neu gebildeten Carbonylgruppen. Dies wird durch Untersuchungen an Modellsystemen und am Polymer herausgearbeitet. Carbonylgruppen an Cellulose werden durch die Umsetzung mit Phenylisocyanat maskiert, was an Modellverbindungen gezeigt wurde (Bildung von Endioldicarbanilaten und carbanilierten Halbacetalen). Ihre Bestimmung in Cellulosecarbanilaten ist daher nicht möglich. Die Abtrennung von niedermolekularen Nebenprodukten der Umsetzung wurde optimiert. Der Einfluss der Vorbehandlung und Voraktivierung von Celluloseproben auf die Vollständigkeit der Umsetzung wurde eingehend untersucht. Es wird ein Standardverfahren zur Carbanilierung von Cellulose angegeben.

In der vorliegenden Arbeit wurden Einsatzmöglichkeiten der Headspace-Festpahsenmikroextraktion (HS-SPME) in Kombination mit der GC-MS für forensische und toxikologische Fragestellungen, insbesondere in der Haaranalytik, untersucht. Für basenstabile Drogen- und Medikamentenwirkstoffe wurden Nachweismethoden nach alkalischer Hydrolyse der Haare mit Natriumhydroxid und anschließender HS-SPME entwickelt. Für das Lokalanaesthetikum Lidocain und für das Heroinsubstitutionsmittel Methadon wurden optimierte Verfahren auf Haarproben von Drogentodesfällen angewandt. Um die Einsatzmöglichkeiten der HS-SPME gerade für Wirkstoffmetaboliten zu erweitern, wurden drei Derivatisierungsmöglichkeiten überprüft: (i) Umsetzung von primären und sekundären Aminen im alkalischen Haarhydrolysat mit Alkylchloroformiaten zu Carbamaten ("in sample" Derivatisierung), (ii) "On Fiber" Derivatisierung primärer und sekundärer Amine nach erfolgter HS-SPME mit N-Methyl-bis-trifluoracetamid (MBTFA) sowie (iii) Reaktion von Monofluoressigsäure mit 1-Pyrenyldiazomethan (PDAM) an einer vorher mit dem Derivatisierungsreagenz benetzten SPME-Faser. Fettsäureethylester konnten nach einer Flüssigextraktion der Haare von Alkoholikern mit einem DMSO/n-Hexan-Gemisch extrahiert und nach optimierter HS-SPME nachgewiesen werden. Im Vergleich zu Haarproben von Abstinenzlern und Gelegenheitstrinkern ergaben sich deutliche Unterschiede in den Konzentrationen. Für die schnelle Bestimmung von Valproinsäure und Trichlorethanol wurde eine Quantifizierungsmethode aus Blut- und Urinproben erarbeitet. Die Anwendung der HS-SPME ermöglichte eine schnelle, einfache und lösungsmittelfreie Extraktion bei geringem Probenverbrauch. Sie führte zu sauberen Extrakten und für dieses Verfahren hohen absoluten Extraktionsausbeuten. Bessere Reproduzierbarkeiten, ein hoher Probendurchsatz und eine verlängerte Einsetzbarkeit der SPME-Faser wurden durch die Verwendung eines automatischen Probengebers erreicht. / In the presented thesis possible fields of applications of the headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) in combination with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) for forensic and toxicological problems were investigated with special focus on hair analysis. Detection methods after alkaline hydrolysis of hair with sodium hydroxid and following HS-SPME were developed for basic stable drugs. For the local anaesthetic lidocaine and for the heroine substitute methadone optimized methods were applied to hair of drug fatalities. In order to enhance the fields of application of the HS-SPME especially for drug metabolites three derivatization procedures were tested: (i) conversion of primary and secondary amines in the alkaline hair extract with alkylchloroformates to carbamates ("in sample" derivatization), (ii) "on fibre" derivatization of primary and secondary amines after HS-SPME with N-methyl-bis-trifluoroacetamide (MBTFA) and (iii) reaction of monofluoroacetic acid (compound 1080) with 1-pyrenyldiazomethane (PDAM) on a SPME-fibre previously occupied with the derivatization reagent. Fatty acid ethyl ester (FAEE) could detected after liquid extraction from hair of alcoholics with a mixture of DMSO/n-hexane and optimized HS-SPME. In comparison to hair samples of teetotalers and social drinkers significant differences in the concentrations of the FAEE were found. A quantification method were developed for the fast determination of valproic acid and trichloroethanol from blood and urine. The application of HS-SPME allows a fast, simple and solvent free extraction from a small sample amount. HS-SPME lead to clean extracts and high absolute extraction yields for this kind of extraction. Better reproducibilities, a high sample throughput and extended lifetime of the SPME-fibre were obtained using an automatic sampler.

Vitamin-D-Mangel und -Unterversorgung haben sich zu einem großen Problem für die öffentliche Gesundheit entwickelt, das vor allem auf eine unzureichende Sonnenlichtexposition und eine begrenzte Zufuhr dieses essenziellen Nährstoffs über die Nahrung zurückzuführen ist. Diese "Pandemie" hat zu einem bemerkenswerten Anstieg der Nachfrage nach der Bestimmung des zirkulierenden 25-Hydroxyvitamin-D-Spiegels (25(OH)D) geführt. Die meisten Studien fokussieren sich in erster Linie auf 25(OH)D und betrachten es als Biomarker für den Vitamin-D-Status. Es besteht jedoch ein wachsendes Interesse an der gleichzeitigen Messung mehrerer klinisch bedeutsamer Vitamin-D-Metaboliten wie dem nativen Vitamin D, 25(OH)D-Epimeren, 1,25-Dihydroxyvitamin D und 24,25-Dihydroxyvitamin D. Die Flüssigchromatographie/Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) gilt als "Goldstandard" für die Bestimmung des Vitamin-D-Spiegels und ermöglicht die gleichzeitige Analyse mehrerer Analyten, die für das Verständnis der physiologischen Rolle von Vitamin D und seiner klinischen Auswirkungen unerlässlich sind. In der vorliegenden Doktorarbeit soll verschiedene Aspekte der Vitamin-D-Landschaft erforschen, umfassende Einblicke geben und Herausforderungen innerhalb des Forschungsthemas besprechen. Zunächst lag der Schwerpunkt auf dem Vergleich mehrerer Derivatisierungsreagenzien für die Vitamin-D-Analyse und der Frage, wie sie sich auf die Nachweisempfindlichkeit der Methode und die chromatographische Trennung der getesteten Vitamin-D-Metaboliten auswirken. Ein zweiter Schwerpunkt lag auf der Untersuchung der Stabilität der Derivatisierungsprodukte in Serumextrakten. Der letzte Versuch war die Entwicklung einer LC-MS/MS-Methode, die die Ergebnisse der vorangegangenen Untersuchungen nutzen sollte. Als Ergebnis wurde eine neue Methode vorgestellt, die meines Wissens zum ersten Mal FMP-TS für die chemische Derivatisierung von Vitamin-D-Metaboliten verwendet. / Vitamin D deficiency has emerged as a significant public health concern, attributed largely to insufficient exposure to sunlight and limited dietary sources rich in this essential nutrient. This “pandemic” has led to a notable increase in the demand for assessing circulating levels of 25-hydroxyvitamin D (25(OH)D). Most studies have primarily focused on 25(OH)D, considered it as the vitamin D status biomarker. However, there is a growing interest in simultaneously measuring multiple clinically significant vitamin D metabolites such as the native vitamin D, 25(OH)D epimer, 1,25-dihydroxyvitamin D, 24,25-dihydroxyvitamin D and others. Thus, there is an urgent need to develop analytical methods which will be able to separate and quantify the metabolites of interest accurately and precisely. Liquid chromatography/tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) stands out as the “gold standard” technique for vitamin D analysis. Its versatility enables simultaneous analysis of multiple analytes, thereby facilitating the generation of comprehensive vitamin D profiles essential for understanding its physiological role and clinical implications. The present doctoral thesis is designed to explore diverse aspects of vitamin D landscape, providing comprehensive insights and addressing challenges within the research topic. Initially there was a focus on comparing multiple derivatization reagents for vitamin D analysis and discovering how they impact the method’s detection sensitivity and the chromatographic separation of the tested vitamin D metabolites. Moreover, there was a second focal point on examining the stability of the derivatization products in serum extracts. The final attempt was the development of an LC-MS/MS method that would utilize the outcomes of the investigations conducted before. As a result, a new method was introduced utilizing FMP-TS for the chemical derivatization of vitamin D metabolites, a reagent which has not been reported before for vitamin D analysis.