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Jan Kuhlmann

Methodenentwicklung und Bestimmung anthropogener organischer Kontaminanten, ihrer Transformationsprodukte und

potentiell biogener Organohalogenverbindungen in der aquatischen Umwelt

Dissertation

Universitt Hamburg 2007

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Methodenentwicklung und Bestimmung anthropogener organischer Kontaminanten, ihrer Transformationsprodukte und

potentiell biogener Organohalogenverbindungen in der aquatischen Umwelt

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades des Fachbereichs Chemie der Universitt Hamburg

vorgelegt von Jan Kuhlmann

Hamburg 2007

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Diese Arbeit ist im Zeitraum April 2001 bis August 2005 am Institut fr Organische Chemie der Universitt Hamburg im Arbeitskreis von Prof. Dr. H. Hhnerfuss angefertigt worden. Tag der letzten mndlichen Prfung (Disputation): 1.02.2008 1. Gutachter: Prof. Dr. H. Hhnerfuss 2. Gutachter: Prof. Dr. Dr. h. c. W. Francke

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Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 organische Spurenanalytik 1 1.2 organische Substanzen in der aquatischen Umwelt 2 1.2.1 Eintrag & Verteilung 2 1.2.2 organische Xenobiotika in aquatischen Systemen 4 1.2.3 Metaboliten & Transformationsprodukte 7 1.2.4 Biogene Biozide 8 1.3 Zielsetzung 10 2 Auswahl der Standardsubstanzen 11 2.1 externe Standardsubstanzen 11 2.1.1 Chlorierte Benzoesuren 12 2.1.2 Chlorierte Phenylethansuren 14 2.1.3 Phenoxyalkylcarbonsuren 15 2.1.4 Weitere Carbonsuren 17 2.1.5 Halogenierte Phenole 19 2.1.6 Steroide 21 2.1.7 Halogenierte Aniline 23 2.1.8 Weitere stickstoffhaltige Verbindungen 24 2.1.9 Halogenierte Anisole 27 2.1.10 Weitere Verbindungen 28 2.2 interne Standardsubstanzen 30 3 Derivatisierung von Referenzsubstanzen 33 3. 1 Silylierungen 34 3.1.1 Silylierung von Steroiden 36 3.1.2 Untersuchungen zur Silylierung von Referenzsubstanzen 42 3.1.3 Zusammenfassung 56 3. 2 Alkylierungen und Acylierungen 57 3.2.1 Derivatisierung acider Analyten 58 3.2.2 Bekannte Derivatisierungen mit Chlormethanoatreagenzien 58 3.2.2.1 Entwicklung und Verwendung spezieller Chlormethanoate 61 3.2.2.2 Spezielle Variationen der Reaktionsfhrung bei der Umsetzung von

Carbonsuren mit Chlormethanoaten 63 3.2.3 Untersuchungen zur Derivatisierung acider Referenzsubstanzen mit Alkylchlormethanoaten 67 3.2.3.1 Derivatisierung mit Alkylchlormethanoat und dem korrespondierenden Alkohol (homogene Derivatisierungen) 68 3.2.3.2 Einschrnkungen bei der homogenen Derivatisierung acider Analyten 76 3.2.3.3 Derivatisierung mit Alkylchlormethanoat und einem nicht korres-

pondierenden Alkohol (heterogene Derivatisierungen) 77

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3.2.3.4 Untersuchung der Ursachen fr die ausbleibende Veresterung von o,o-disubstituierten Benzoesuren bei Umsetzungen mit Alkyl- chlormethanoaten 88

3.2.4 Zusammenfassung 101 4 Probenahme & Analytenanreicherung 103 4.1 Entwicklung eines Wasserschpfers 103 4.2 Entwicklung einer Filtrationseinheit 106 4.3 Festphasenextraktion 109 4.3.1 Verwendete Festphasen 109 4.3.2 Einflu des pH-Wertes auf die SPE 110 4.3.3 Entwicklung einer Extraktionseinheit 110 4.4 Elution 115 4.4.1 Fraktionierende Elution von SDB-1 bei der Analyt- anreicherung aus dotierten Leitungswasserproben 116 4.4.2 Fraktionierende Elution von Oasis HLB bei der Analyt- anreicherung aus dotierten Leitungswasserproben 120 4.5 Zusammenfassung 125 5 Validierung und Optimierung der analytischen Methoden zur Bestimmung strogener Analyten 126 5.1 Ermittlung quantitativer Parameter bei der Bestimmung strogener Steroide und Triclosan 126 5.2 Entwicklung einer zweistufigen Derivatisierung von Steroiden 132 5.3 Zusammenfassung 138 6 Entwicklung einer Gesamtmethode zur parallelen Bestimmung saurer, neutraler und basischer Analyten 139 6.1 Optimierung der Anreicherung und Derivatisierung acider Analyten 139 6.1.1 Untersuchung des Einflusses einer natrlichen Wassermatrix auf die Festphasenextraktion und Derivatisierung acider Analyten 141 6.1.2 Entwicklung einer Arbeitsvorschrift fr die Derivatisierung von Umweltprobenextrakten 143 6.1.3 Bestimmung des Einflusses einer natrlichen Probenmatrix auf die Derivatisierung mit MCF und ECF 145 6.1.4 Etablierung einer l/l-Extraktion zur Matrixabreicherung vor der Derivatisierung 148 6.1.5 Bestimmung von Wiederfindungsraten acider Analyten nach der Festphasenextraktion dotierter Leitungswasser- und Umweltproben 151 6.1.6 Auswirkungen einzelner Komponenten der Probenaufarbeitung auf die Wiederfindung saurer Targetanalyten 156 6.2 Orientierende Untersuchung undotierter Umweltproben auf saure Analyten 158 6.3 Orientierende Untersuchung undotierter Umweltproben auf saure neutrale und basische Analyten 163

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6.3.1 Untersuchung der Verteilung polarer Analyten in unbehandelten oder sauer/basisch extrahierten Realprobeneluaten 163 6.4 Untersuchung der Verteilung polarer Analyten in sauer oder basisch extrahierten Realprobeneluaten 174 6.4.1 Untersuchung der Verteilung unpolarer Analyten in den Eluaten von Realproben 180 6.5 Kombination aller optimierten Arbeitsschritte zu einer analytischen Gesamtmethode 182 6.6 Zusammenfassung 183 7 Bestimmung ausgewhlter Analyten in Realproben 185 7.1 Probenahmestellen 186 7.2 Ergebnisse der Targetanalysen 187 7.2.1.1 Pharmazeutika, Personal Care Products & ihre Metaboliten 188 7.2.1.2 Zusammenfassung PPCPs & Metaboliten 197 7.2.2.1 Pestizide & Pestizidmetaboliten 197 7.2.2.2 Zusammenfassung Pestizide & Pestizidmetaboliten 202 7.2.3 Halogenamine, -anisole, -indole und phenole 202 7.2.4.1 Benzoe- und Phenylethansurederivate 204 7.2.4.2 Zusammenfassung Benzoe- und Phenylethansurederivate 215 8 Zusammenfassung 216 9 Summary 220 10 Experimenteller Teil 224 10.1 Ermittlung quantitativer Parameter bei der Bestimmung acider Analyten 224 10.1.1 Bestimmung der Retentionszeiten, Quantifizierungsionen und relativen Signalflchen der Derivate aus S I nach Umsetzung mit ECF/Pyridin/F3EtOH und MCF/Pyridin/MeOH/H2O 225 10.1.2 Bestimmung der Reproduzierbarkeit bei der homogenen und heterogenen Umsetzungen mit Alkylchlormethanoaten 230 10.1.3 Variation der extraktiven Reaktionsaufarbeitung 234 10.2 Methodenvalidierung 236 10.3 verwendete Instrumente 250 10.4 Methoden 250 10.5 Synthesen 251 10.6 Verwendete Chemikalien 260 11 Literaturverzeichnis 265 Eidesstattliche Versicherung_ 292 Danksagung 293 Anhang 294

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Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Schematische Darstellung der Haupteintragsquellen von anthropogenen Schadstoffen in die Umwelt und des mglichen Stoffaustauschs zwischen allen Kompartimenten 4 Abb. 2: Strukturformeln, Trivialnamen und wichtigste Anwendungen einiger

im Rahmen dieser Arbeit in Wasserproben detektierter Xenobiotica 6 Abb. 3: Strukturformeln, Trivialnamen und Klassifizierungen einiger im Rahmen dieser Arbeit untersuchter Transformationsprodukte 8 Abb. 4: Grundstrukturen und Substitutionsmuster mono-, di- und trichlorierter Benzoe- und Phenylethansuren 13 Abb. 5: Konstitutionsformeln der Strukturisomere Clofibrinsure und Mecoprop 16 Abb. 6: Strukturformeln der PPCP-Metaboliten Ibu-COOH, Ibu-OH und Bayrepel-COOH unter Kennzeichnung der stereogenen Centren 18 Abb. 7: Grundstruktur und Substitutionsmuster der eingesetzten einfachen Phenolderivate 20 Abb. 8: Strukturformeln der in Tabelle 6 aufgefhrten Steroide 22 Abb. 9: Grundstruktur und Substitutionsmuster der eingesetzten Anilinderivate 24 Abb. 10: Ausgesuchte Strukturformeln und Bezeichnungen von Standardanalyten aus der Gruppe der stickstoffhaltigen Verbindungen, Teil 1 25 Abb. 11: Ausgesuchte Strukturformeln und Bezeichnungen von Standardanalyten aus der Gruppe der stickstoffhaltigen Verbindungen, Teil 2 26 Abb. 12: Grundstruktur und Substitutionsmuster der eingesetzten Anisolderivate 27 Abb. 13: Strukturformeln und Bezeichnungen der in Tabelle 10 auf- gefhrten Verbindungen 29 Abb. 14: Strukturformeln und Bezeichnungen der in Tabelle 11 aufgefhrten sauren und basischen Surrogatstandards 31 Abb. 15: Strukturformeln und Bezeichnung des in Tabelle 11 aufgefhrten neutralen Surrogatstandards und des Volumenstandards 31 Abb. 16: Strukturformeln der Silylierungsreagenzien MSTFA, MTBSTFA und BSTFA 35 Abb. 17: Um