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Resource typeDissertation
Title(s)Methoden zur Anwendbarkeit des Benign by Design Konzepts für die biologische Abbaubarkeit in der Umwelt am Beispiel der ionischen Flüssigkeiten
DOI10.48548/pubdata-1557
Handle20.500.14123/1635
CreatorAmsel, Ann-Kathrin  0000-0003-1097-4063
RefereeKümmerer, Klaus  0000-0003-2027-6488
Zumstein, Michael  0000-0002-1099-5174
Ebinghaus, Ralf  0000-0003-0324-5524  1245897233
AdvisorKümmerer, Klaus  0000-0003-2027-6488
AbstractUm schädliche Wirkungen auf Menschen und Umwelt zu vermeiden, sollten Chemikalien und Pharmazeutika entsprechend des Konzepts Benign by Design (BbD) so designt sein, dass sie in Abwasserbehandlungsprozessen und der Umwelt vollständig mineralisieren (10. Prinzip der Grünen Chemie, design for degradation). Die ionischen Flüssigkeiten (engl. ionic liquids, ILs) werden aufgrund ihres niedrigen Dampfdrucks als „grüne“ Alternative zu flüchtigen organischen Verbindungen gesehen. Allerdings sind die ILs nicht mehr „grün“ unter Berücksichtigung, dass a) ihre Synthese mit einem hohen Energieverbrauch, dem Einsatz schädlicher Lösungsmittel und nicht erneuerbarer Ressourcen verbunden ist, b) viele ILs persistent in der Umwelt und (öko-)toxisch sind und c) Anwendungen und Produkte zu einem Eintrag der ILs in die Umwelt führen. Folglich bedarf es für die ILs nachhaltigere Ansätze für das Design. Für die Umsetzung von BbD müssen die computergestützten Methoden auf verschiedene Substanzklassen angepasst werden. Daher sollte in dieser Arbeit die Anpassung und Weiterentwicklung der Methoden mit dem Ziel einer Anwendbarkeit des BbD-Konzepts auf ILs näher untersucht werden, um einen Beitrag zur Entwicklung von in der Umwelt mineralisierenden ILs zu leisten. Um dies zu erreichen wurden a) mithilfe einer Literaturrecherche bereits etablierte Vorgehensweisen für BbD identifiziert und ein Arbeitsablauf für die systematische Kombination von Laborexperimenten und computergestützten Methoden entwickelt, b) entsprechend des targeted Re-Designs, als eine der Vorgehensweisen in BbD, neue Strukturfragmente in vorhandene ILs eingebaut und die Anwendbarkeit der Vorgehensweise untersucht, c) mithilfe einer systematischen Literaturrecherche Bioabbaudaten von ILs aufbereitet, in einem Datensatz zusammengestellt und mittels einer Clusteranalyse Struktur-Bioabbaubarkeitsbeziehungen (engl. structure-biodegradability relationships, SBRs) identifiziert und d) Modelle zur quantitativen SBR (QSBR) für die Anwendung in dem BbD-Arbeitsablauf entwickelt. Die Ergebnisse wurden in internationalen peer-reviewed Fachzeitschriften veröffentlicht. Die Untersuchung vorhandener Studien hinsichtlich der Vorgehensweisen zur Umsetzung von BbD und der Kombination von Laborexperimenten und computergestützten Methoden lieferte vier Vorgehensweisen, das targeted und non-targeted Re-Design sowie targeted und non-targeted de novo Design (Publikation 1). Für BbD wurde ein Arbeitsablauf entwickelt, welcher eine systematische Kombination aus Laborexperimenten und computergestützten Methoden zur Bewertung verschiedener Eigenschaften einer Substanz nutzt. Für die Bioabbaubarkeit verwendet der Arbeitsablauf (Q)SBR-Modelle, um Substanzen mit den geforderten Eigenschaften zu identifizieren und zu priorisieren. Die Möglichkeiten und Herausforderungen in der Umsetzung des Arbeitsablaufs für BbD wurden diskutiert (Publikation 1). Im Rahmen des targeted Re-Designs wurden vier Gemini-L-Phenylalanin-ILs (Gemini-Phe-Ester-ILs) entwickelt, welche sich in vier Strukturfragmenten unterschieden, der Ester- und Amidbindung sowie der n-Butyl- und n-Hexylkette (Publikation 5). Anhand der Ergebnisse aus den Bioabbautests nach OECD 301D und 301F und der Analytik über hochauflösende Massenspektrometrie wurden SBRs ermittelt, die für das Design von mineralisierenden ILs genutzt werden können. Die Gemini-Phe-Ester-ILs sind geeignet, um mögliche toxische Wirkungen von langen Alkylketten in ILs zu reduzieren und gleichzeitig vollständige Mineralisierung zu erreichen. Anhand der Ergebnisse konnte die erfolgreiche Umsetzung des targeted Re-Designs für ILs aufgezeigt werden (Publikation 5). Die Aufbereitung der Bioabbaudaten der ILs, welche mittels der systematischen Literaturrecherche erhalten wurden, verdeutlichte, dass viele ILs in den standardisierten Tests zur leichten biologischen Abbaubarkeit kaum oder nicht bioabbaubar sind (Publikation 2). Weiterhin wurde dargelegt, dass valide und zuverlässige Bioabbaudaten benötigt werden, um diese für die Analyse von SBRs und der Entwicklung von QSBR Modellen zu nutzen (Publikation 2). Die Auswertung der Literaturdaten zur leichten biologischen Abbaubarkeit mittels Clusteranalyse erwies sich als geeignet, um die ILs nach ihrer strukturellen Ähnlichkeit zu gruppieren. Für das Kation, dessen Seitenketten und das Anion wurden die SBRs bestimmt und Datenlücken identifiziert. Die Ergebnisse wurden im Hinblick auf Empfehlungen für das Design bioabbaubarer ILs und zu testende Kombinationen von Kationen und Anionen diskutiert (Publikation 3). Für die Anwendbarkeit des Arbeitsablaufs auf ILs wurden fünf fragmentbasierte QSBR-Modelle für die ILs auf Basis von OECD 301D-Daten (Publikation 4). Die Modellvalidierung zeigte, dass die Performance der Modelle ausreichend ist, um Vorhersagen für gängige ILs wie Imidazolium, Pyridinium, quartäre Ammoniumverbindungen und Cholinium zu treffen. Es konnte dargelegt werden, wie die Modelle für den Einsatz in der Testbatterie im Arbeitsablauf für BbD eingesetzt werden können (Publikation 4). Die im Rahmen dieser Arbeit erfolgte Anpassung und Weiterentwicklung neuer und spezifischer Vorgehensweisen und Methoden von der Datenrecherche, Datenaufbereitung, Datensatzerstellung, Datenanalyse bis zur Modellentwicklung ermöglicht die Anwendbarkeit von BbD auf ILs (Publikation 1–5). In dieser Arbeit konnten das Potential von computergestützten Methoden für BbD demonstriert und für ILs anwendbar gemacht werden. Des Weiteren verdeutlichen die Ergebnisse, dass bereits etablierte Vorgehensweisen und Methoden individuell für verschiedene Substanzklassen angepasst werden müssen, um eine Anwendbarkeit des BbD-Konzepts zu ermöglichen. Voraussetzung dafür sind Kenntnisse zu SBRs und QSBR-Modelle mit einem Anwendungsbereich für die jeweilige Substanzklasse. Mit den weiterentwickelten Vorgehensweisen und Methoden für BbD in dieser Arbeit wird ein Beitrag zur Umsetzung der Chemikalienstrategie für Nachhaltigkeit der Europäischen Kommission geleistet, da die Bioabbaubarkeit ein wichtiges Kriterium von sicheren und nachhaltigeren Chemikalien ist und bereits im Designprozess berücksichtigt werden muss.
LanguageGerman
English
KeywordsGrüne Chemie; Nachhaltige Chemie; Benign by Design; Ionische Flüssigkeit; Biologische Abbaubarkeit; Green chemistry; Sustainable chemistry; Ionic liquid; Biodegradation
Date of defense2024-12-03
Year of publication in PubData2024
Publishing typeFirst publication
Date issued2024-12-17
Creation contextResearch
Granting InstitutionLeuphana Universität Lüneburg
Published byMedien- und Informationszentrum, Leuphana Universität Lüneburg
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