Meisen, Stefan:

Analytik von Alkylphenolethoxylaten in Pflanzenschutzmitteln und anderen Matrices

Duisburg, Essen (2008), X, 322 S.
Dissertation / Fach: Chemie
Fakultät für Chemie » Analytische Chemie
Molt, Karl (Doktorvater, Betreuerin)
Telgheder, Ursula (GutachterIn)
Dissertation
Abstract:
Bei den Alkylphenolethoxylaten (APEO) handelt es um Verbindungen, die aufgrund ihrer amphiphilen Molekülstruktur grenzflächenaktive Eigenschaften aufweisen und zur wirtschaftlich sehr bedeutenden Gruppe der nicht-ionischen Tenside gehören. Sie weisen in der Anwendung als Reinigungsmittel, Emulgatoren, Dispergiermittel, Lösungsvermittler oder Benetzungsmittel ein breites Spektrum auf. Sie werden z. B. in Wasch-, Reinigungs- und Desinfektionsmittel, als Textil- und Lederhilfsmittel, in der Kunststoffindustrie, bei der Farben- und Lackherstellung, als Hilfsmittel für die Zellstoff- und Papierindustrie, als Additiv von Schmierstoffen und Ölen, in Bauchemikalien und als Hilfsmittel in Agrochemikalien verwendet. Da APEO biologisch nicht immer vollständig abgebaut werden und da ihre Abbauprodukte, wie etwa Alkylphenole, Alkylphenolmono- und diethoxylate, Alkylphenolethoxycarboxylate und Carboxyalkylphenolethoxycarboxylate, teilweise persistent sind, eine hohe Neigung zur Bioakkumulation aufweisen und als Xenoöstrogene wirksam sind, wurde ihr Einsatz in einigen Staaten größtenteils verboten bzw. stark eingeschränkt. Kommen APEO in Pflanzenschutzmitteln zum Einsatz, so führt dies zu einer direkten Freisetzung in die Umwelt. Aus diesem Grund gibt es in Europa für die Verwendung in Pflanzenschutzmitteln einen Grenzwert von 0,1 % (w/w) für Nonylphenolethoxylat (NPEO). Bei NPEO handelt es sich neben Octylphenolethoxylat (OPEO) um das bedeutendste APEO.
Für ein APEO-Screening solcher Produkte, z. B. bezüglich der Einhaltung des o. g. Grenzwertes, bedarf es geeigneter analytischer Methoden. Die quantitative APEO-Bestimmung in Pestizidformulierungen ist insofern eine komplexe Aufgabenstellung, als dass zum einen die Ethoxymerenverteilung der als Formulierungshilfsmittel verwendeten APEO als auch die Beschaffenheit der Matrix aufgrund unterschiedlicher Formulierungsformen stark variieren kann. Unter Verwendung der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) wurde eine Methode entwickelt, die eine Bestimmung von NPEO und OPEO in Pflanzenschutzmitteln und auch anderen Matrices ermöglicht. Es wurden für die unterschiedlichen Formulierungstypen (z. B. Pulver, Granulate, emulgierbare Konzentrate oder Suspensions-konzentrate) und in Abhängigkeit von den weiteren Beistoffen, wie etwa verschiedene Lösemittel, Tenside oder Öle, geeignete Methoden zur Probenvorbereitung (APEO-Extraktion, Matrixisolierung) entwickelt.
Es wurde durch eine Kombination der Umkehrphasen-Flüssigkeitschromatographie (RPLC) an C18 und der Normalphasen-Flüssigkeitschromatographie (NPLC) an Aminopropylsilica unter Verwendung von UV-, Diodenarray- und Fluoreszenzdetektoren eine Methode entwickelt, die eine Identifizierung, Charakterisierung und Quantifizierung der APEO in Pestizidformulierungen und anderen Matrices ermöglicht. Mit Hilfe der RPLC ist eine Auftrennung der APEO in OPEO- und NPEO-Fraktionen möglich. Dafür wurden zwei unterschiedliche isokratische RPLC-Methoden entwickelt, die in Abhängigkeit von der Art der Probe zum Einsatz kamen. Außerdem wurde eine HPLC-Methode mit einer online Kopplung einer C8- mit einer C18-Säule verwendet. Die NPLC ermöglicht dann die Auftrennung der APEO-Fraktionen in ihre einzelnen Ethoxymere. Durch die Ermittlung der Ethoxymerenverteilung mittles NPLC wird die Bestimmung von mittleren Molmassen und mittleren Ethoxylierungsgraden ermöglicht. Eine universelle Kalibrierstrategie, bei der sowohl der APEO-Typ (z. B. OPEO oder NPEO) als auch die Ethoxymerenverteilung im verwendeten Standard und in der Probe berücksichtigt wird, diente zur Quantifizierung der APEO in den Pflanzenschutzmitteln und anderen Proben.
In Abhängigkeit von der Matrix, also dem Formulierungstyp, sind unterschiedliche Probenvorbereitungsmethoden notwendig. Hierzu wurden unterschiedliche Methoden etabliert. Für die Isolierung von APEO aus Feststoffproben ist die Flüssig/Fest-Extraktion mit Acetonitril, Ethanol oder Methanol unter Verwendung von Schüttelmaschinen, Dispergiergeräten oder mit Hilfe von Ultraschall geeignet. APEO können aus wasserlöslichen oder aus in Wasser dispergierbaren Proben mit Hilfe der Wickbold-Methode durch Ausblasen mit N2 in Ethylacetat aus der wässerigen Phase extrahiert werden. Falls erforderlich, ist ein Clean-up der Extrakte mit Hilfe der Festphasenextraktion (SPE) an Silicagel möglich. Bei Proben, die in unpolaren Lösemitteln wie n-Hexan, Cyclohexan oder Dichlormethan löslich sind, kann mit Hilfe der Flüssig/Flüssig-Extraktion (30 %-ige Essigsäure / n-Hexan oder Acetonitril-Wasser 70:30 / n-Hexan) oder mittels SPE ein Entfernen von störenden Matrixbestandteilen erreicht werden.
Alle oben beschriebenen Methoden wurden validiert. Mit Hilfe von Aufstockungsexperimenten wurde deren Richtigkeit überprüft und es konnte gezeigt werden, dass sie ebenfalls für Waschmittel und diverse Öle geeignet sind. Mit Hilfe dieser Methoden ließen sich in acht von zehn untersuchten Pflanzenschutzmitteln APEO in Gehalten von 0,4 bis 15 % (w/w) nachweisen. Diese enthielten zu drei Vierteln NPEO und zu einem Viertel OPEO. Die untersuchten Pflanzenschutzmittel waren mit APEO formuliert, die einen mittleren Ethoxylierungsgrad von 3,6 bis 9,6 aufwiesen.

Alkylphenol ethoxylates (APEO) are surface-active agents on account of their amphiphilic molecular structure. APEO belong to the group of non-ionic surfactants of large economic relevance. They show a broad spectrum of different applications as cleaners, emulsifiers, dispersing agents, solubilizers and wetting agents. APEO are used in detergents, cleaning and disinfecting agents, as adjuvants in textile and leather production, during polymerisation processes, as dyeing aids, in varnishes, as adjuvants in pulp and paper manufacture, as additives in lubricants and oils, in construction chemicals, and as adjuvants in agrochemicals. The prohibition or limitation of APEO in some countries is a result of several studies showing that under some conditions APEO biodegradation is only poor and leads to persistent, bioaccumulable and xenoestrogenic metabolites, e.g. alkylphenols, alkylphenol mono- and diethoxylates, alkylphenol ethoxycarboxylates, and carboxyalkylphenol ethoxycarboxylates. The formulation of pesticides with APEO leads to a direct release of APEO into the environment. Therefore, a limiting value of 0.1 % (w/w) nonylphenol ethoxylate (NPEO) in pesticides was laid down in Europe. NPEO is the most important APEO beside OPEO.
There is a demand for analytical methods suitable for an APEO screening in such products, e.g. with regard of above mentioned limiting value. The quantification of APEO in pesticides is a complex task because of a varying APEO ethoxymer distribution and diversity of matrix components in different formulation types. An analytical method suitable for the determination of NPEO and OPEO in pesticides and other matrices using high-performance liquid chromatography (HPLC) was established. With regard to the differences of the formulation types (e. g. powders, granulates, emulsifiable concentrates or suspension concentrates) and considering the presence of other adjuvants (solvents, surfactants or oils) in the pesticide different suitable sample preparation methods for APEO extraction or matrix isolation had been developed.
Combining reversed phase liquid chromatography (RPLC) using a C18 column with normal phase liquid chromatography (NPLC) using an aminopropyl silica column an analytical method was developed for the APEO identification, characterization and quantification in pesticides and other matrices using UV, diode array and fluorescence detectors. By means of RPLC a separation of OPEO and NPEO is possible. Two different isocratic RPLC methods suitable for different sample types were established. Additionally, an online LC-LC coupling of a C8 column and a C18 column was used for this purpose. Then, NPLC enables ethoxymer separation of the different APEO fractions. The determination of the ethoxymer distribution by NPLC is used for the calculation of mean molecular masses and mean degrees of ethoxylation. Quantification of APEO in pesticides and other samples was performed by means of a universal calibration procedure considering APEO type (OPEO or NPEO) and ethoxymer distribution of the used standards and analysed samples.
Depending on the matrix of the formulation different sample preparation methods are necessary. Therefore, various methods had been established. APEO can be extracted with acetonitrile, ethanol or methanol from solid samples by solid/liquid extraction using a shaker, a dispersing apparatus or ultrasonication. Solvent sublation according to the Wickbold procedure is suitable for APEO extraction of water soluble and in water suspended samples. If necessary clean-up of the extracts can be achieved by solid phase extraction (SPE) using silica. Are samples soluble in non-polar solvents like n-hexane, cyclohexane and dichloromethane interfering matrix compounds can be removed either by means of liquid/liquid extraction (30 % acetic acid / n-hexane or acetonitrile-water 70:30 / n-hexane) or by SPE using silica.
The above mentioned methods had been validated, and via spiking experiments accuracy was proofed. It was shown that the methods are also suitable for detergents and various oils. In eight of ten analysed pesticides APEO were detected in a range from 0.4 to 15 % (w/w). 75 % of them contain NPEO, 25 % OPEO. The analysed pesticides had been formulated with APEO of an average degree of ethoxylation from 3.6 to 9.6.