hexabromocyklododekan

Hexabromcyklododekan (HBCD) je alicyklická sloučenina používaná od počátku 80. let jako aditivní retardátor hoření u mnoha výrobků. Jeho produkce v roce 2001 činila přibližně 20 000 tun. Jeho celosvětová výroba i spotřeba nadále vzrůstá. Komerčně vyráběný HBCD je směsí 3 izomerů. Jedná se o izomery alfa, beta a gama [2, 64, 65].

Obrázek 7: Hexabromcyklododekan

Výroba

Při průmyslové výrobě HBCD se nejčastěji uplatňují dva postupy, prvním je bromace cyklododekanu, druhým adiční reakce na trans, trans, cis - 1, 5, 9 - cyklododekatrien [64, 66]. V obou těchto případech vzniká směs různých stereoisomerů 1, 2, 5, 6, 9, 10 - hexabromcyklododekanu. Komerčně používaná HBCD se pak vyrábí ve dvou formách: high melting (HM) a low metling (LM) lišících se od sebe obsahem jednotlivých isomerů. Zatímco HM směs obsahuje více než 90% gama isomeru, směs LM obsahuje 70 - 80% gama isomeru a 20 - 30% isomerů alfa a beta [31].

Obrázek 8: Výroba hexabromcyklododekanu [31]:

Fyzikálně - chemické vlastnosti

Díky svým vlastnostem má stejně jako ostatní retardátory hoření tendenci akumulovat se v životním prostředí a tím pádem také pronikat do potravního řetězce.

Tabulka 4: vybrané fyzikálně - chemické vlastnosti HBCD [10]:

Toxicita

Testy na laboratorních zvířatech prokázaly velice rychlou absorpci v zažívacím traktu a následné zvýšení hladiny HBCD v krvi a některých orgánech [31]. Při orální expozici v potravě docházelo k rychlému vstřebání látky a následné distribuci do celého organismu. Nejvyšší koncentrace HBCD byly nalezeny v tukových tkáních. Většina dávky byla však v důsledku rychlé metabolizace ve střevech vyloučena ve výkalech. K těmto výsledkům dospěly jak studie krátkodobé, tak i dlouhodobé [2]. In vitro studie výrazný nárůst intragenních rekombinací a předpokládá se, že HBCD může vyvolávat rakovinové bujení. Pokusy na laboratorních hlodavcích ale tuto skutečnost zatím nepotvrdily [30]. Akutní toxicita HBCD je pro myši velmi nízká, pouze při vysokých dávkách může dojít k drobnému poškození kůže nebo očí [31]. O toxicitě HBCD není v současné době příliš známo. Podle studií provedených na králících, potkanech a myších je akutní toxicita velmi nízká a to při orální, dermální i respirační expozici. HBCD rovněž nezpůsoboval podráždění kůže ani očí u králíků a morčat. U některých studií se ovšem projevila senzibilizace v závislosti na dávce po intra - dermální aplikaci HBCD morčatům [2].

Použití

Hlavní oblastí využití HBCD je stavebnictví, ve kterém se používá jako přísada do vytlačovacích (XPS) a rozpínavých (EPS) polystyrénových pěn, které jsou součástí tepelných izolací budov [2]. HBCD je pro toto použití velmi výhodný, protože požadovanou ochranu proti vzniku požáru poskytují již jeho velmi nízké koncentrace. Proto se v těchto polystyrénových pěnách v současné době používá pouze HBCD, ostatní bromované retardátory hoření by se v nich museli nacházet v mnohem vyšších koncentracích. Typické koncentrace HBCD v polystyrénových pěnách jsou 0,67% v EPS, respektive 2,5% u XPS pěn [31]. Další významnou oblastí použití HBCD je v čalounických výrobcích, kde je aplikován mezi vlákna. Jeho koncentrace se zde pohybuje v rozmezí 6 - 15%. V menším množství se pak používá při výrobě audio a video kazet. Na rozdíl od PBDE se však nepoužívá v elektronice [4]. Konečné produkty těchto odvětví, ve kterých se HBCD používá, jsou tedy především stavební materiály, čalouněný nábytek, textil, automobilové sedačky a jejich potahy, izolace v nákladních autech a karavanech.

HBCD ve složkách životního prostředí

HBCD patří, stejně jako PBDE, mezi látky kontaminující životní prostředí. Jeho vlastnosti, jakými jsou např. nízké rozpustnost ve vodě, vysoká hodnota rozdělovacího koeficientu K_ow, nebo dobrá odolnost vůči přírodní degradaci, jej předurčují k hromadění ve složkách životního prostředí, a to především v půdě, sedimentech a vzdušném prachu [30]. Co se živých organismů týče, je velmi rychle absorbován v jejich zažívacím traktu. Jeho zvýšené koncentrace byly nalezeny v játrech, ledvinách krvi a plících. V plících ovšem dochází k jeho velmi rychlé metabolizaci a následnému vyloučení z těla. Naopak je tomu u tukových tkání, kde je HBCD metabolizován o poznání pomaleji, a proto právě v tukových tkání dochází v případě dlouhodobé expozice k jeho akumulaci [4]. Zatímco komerčně vyráběné směsi HBCD obsahují 10 - 20% alfa-, 1-10% beta- a 70 - 90% gama-isomeru, ve skutečných vzorcích jsou často jejich poměry značně odlišné. Tato skutečnost může být vysvětlena možnou metabolickou transformací mezi jednotlivými izomery.

HBCD byl od počátku 80. let identifikován v řadě vzorků pocházejících z různých míst po celém světě. Většinou je stanovován společně s PBDE a jeho hladiny v přírodě, stejně jako koncentrace ostatních bromovaných retardátorů hoření, každoročně vzrůstají [10]. Hodnoty HBCD jsou předmětem studií a zájmu především ve Švédsku, a to hlavně z důvodu, že se v této zemi nalézá velké množství továren zabývajících se výrobou, průmyslovým využitím a zpracováním HBCD. Jedna z nejrozsáhlejších studií, která se zabývala výskytem HBCD ve složkách životního prostředí, byla provedena právě ve Švédsku a to v letech 1996 - 2001. Z výsledků této studie je patrné, že nejvyšší nálezy HBCD byly nalezeny ve vzduchu v okolí továren zabývajících se výrobou XPS polymerů, ve kterých je HBCD vysoce využíván. Hodnoty HBCD v okolí těchto továren se pohybovaly v okolí 1 000 ng/m³, což velmi výrazně kontrastuje s hodnotami HBCD naměřených v oblastech kolem běžných průmyslových podniků či průmyslových budov, které se pohybovaly maximálně v jednotkách ng/m³. Velice podobných výsledků bylo dosaženo také při detekci HBCD v půdě a sedimentech v okolí továren vyrábějících XPS a továren zabývajících se běžnou průmyslovou výrobou. Výsledky této studie tedy dokazují, že při průmyslovém zpracování HBCD dochází k jeho významnému úniku do složek životního prostředí [29]. Dále byl ve Švédsku potvrzen výskyt HBCD ve vzorcích vody (jednotky až desítky ng/l), rybách (desítky až stovky µg/kg sušiny matrice) a také v běžných potravinách jako jsou nejrůznější druhy masa, kde koncentrace HBCD dosahovaly 1,0 - 6,5 µg/kg lipidů [29].

Analytické stanovení

Co se vzorkování a extrakce týče, jsou postupy u HBCD velice podobné jako je tomu u PBDE. Vzorkuje se jak aktivně, tak pasivně, ve vodách metodou SPMD. Pro extrakci se používá jak metoda extrakce na pevnou fázi, tak také extrakce Soxhletova a mikrovlnná. Rozdíl nastává až při analytické koncovce, kde se stanovení provádí na chromatografu kapalinovém a nikoliv plynovém, jako tomu bylo v případě PBDE. Je možné HBCD stanovit jako celkovou koncentraci všech tří diastereoisomerů pomocí plynové chromatografie spojené s hmotnostním spektrometrem používajícím detektor elektronového záchytu. Tato technika však neumí rozdělit a změřit hodnoty jednotlivých stereoisomerů, a to z důvodu teplotního přeuspořádání při teplotách kolem 160°C a tepelného rozkladu při teplotách kolem 240°C. Kapalinová chromatografie ve spojení s hmotnostní spektrometrií (LC/MS), nebo s tandemovou hmotnostní spektrometrií (LC/MS/MS) je proto preferována pro stanovení diastereoisomerů HBCD ve vzorcích životního prostředí a bioty [23].

Kapalinová chromatografie

V kapalinové chromatografii je mobilní fází kapalina. Na rozdíl od chromatografie plynové rozhodují o separaci složek vzorku nejen jejich interakce se stacionární fází, ale velmi výrazně i zvolená fáze mobilní. V současné době se již klasická kapalinová chromatografie nevyužívá, ale stala se základem pro tzv. vysoce účinnou kapalinovou chromatografii (High Performance Liquid Chromatography - HPLC), která k separaci používá velmi malých zrníček sorbentu a pracuje proto za velmi vysokého tlaku.

Kapalinový chromatograf se skládá z:

Čerpadlo: čerpá kapalinu do kolony, pracuje při tlaku až 35 MPa a průtoku od mikrolitrů do desítek mililitrů za minutu, Je potřeba vyhladit tlakové pulzy čerpadla, a proto se používají dvojčinná čerpadla, v sérii zapojená čerpadla, nebo čerpadla využívající dvou a více pístů.

Směšovací zařízení: s využitím zásobníků různých kapalin připravuje směs potřebného složení (složení se může v průběhu analýzy měnit).

Dávkovací zařízení: dávkuje vzorek do kolony. V současné době probíhá dávkování obtokovým dávkovacím kohoutem.

Kolona: v kapalinové chromatografii jsou používány pouze kolony náplňové, bývají zhotoveny z nerezové oceli a dochází v nich k separaci složek. Při analýze HBCD je uvnitř kolony často silikagel, na který jsou navázány uhlovodíky nebo alkyly. Stacionární fáze je nepolární, jedná se tedy o chromatografii na obrácených fázích. Mobilní fáze je většinou složena z acetonitrilu a vody.

Termostat: většinou není potřeba, některé separace ale probíhají za zvýšené teploty lépe, programová změna teploty se však u HPLC nepoužívá.

Detektor: pro detekci se u HBCD opět nejčastěji využívá hmotnostního spektrometru, který bývá povětšinou opatřen kvadrupólovým analyzátorem iontů [36].

Vybrané případové studie

Tato studie je zaměřena na stanovení hexabromo cyklodedodekanových disatereoisomerů ve vzorcích prachu a půdy pomocí kapalinové chromatografie spojené s hmotnostní spektrometrií za použití elektrospreje jako ionizační techniky

Nedávné studie prokázaly, že HBCD je všudypřítomný organický polutant a sdílí hlavní charakteristiky perzistentních organických polutantů: perzistence, bioakumulace, nebo toxicita. Proto byl také zařazen na listinu OSPAR (Úmluva o ochraně vodního ekosystému v Severo - východním Atlantiku). Komerčně vyráběná směs HBCD se skládá především ze tří izomerů: alfa, beta a gama.

Vzorkování

Vzorky byly odebrány v období 11- 15 Listopadu 2008. Ke vzorkování bylo použito vysokoobjemového vzorkovače. Polyuretanová pěna (PUF), použitá jako sorbent, byla extrahována v Soxhletově extraktoru po dobu 48 hodin v roztocích: metanol, hexan - aceton v poměru 1:1. Objem vzorkovaného vzduchu byl 800 - 860 m³, s gradientem 0,3 - 0,5 m³/ minuta po dobu 32 - 35 hodin. Po vzorkování byly sorbenty (PUF disky) umístěny do sklenic vypláchnutých rozpouštědlem s hliníkovým víčkem a byly uchovány při teplotě -20°C do doby extrakce. Vzorky půdy byly odebrány v prosinci 2006, a to do předem vyčištěných ocelových nádob. Před extrakcí byly vzorky půdy vysušeny mrazem při teplotě -18°C po dobu 24 hodin prosety přes ocelové síto.

Extrakce a příprava vzorků

Vzorky byly extrahovány za použití směsi aceton - hexan v poměru 1:1 v Soxhletově extraktoru po dobu 72 hodin. K odstranění elementární síry byly ke vzorkům přidány granule aktivované mědi. Po extrakci byly vzorky přečištěny a rozděleny v koloně naplněné aluminou (6cm, 3% deaktivovaná), neutrálním silika gelem (4 cm, 3% deaktivovaný), křemennou drtí obsahující 50% koncentrované kyseliny sírové (8 cm) a anhydridem síranu sodného (1 cm). Směs byla eluována 30 ml hexanu a 60 ml směsi hexan - chlormethan v poměru 1:1. Konečný extrakt obsahoval vzorky vzduchu a půdy v hexanu zkoncentrované na 200µl, připravené pro LC/MS analýzu. Před analýzou bylo ještě vyměněno rozpouštědlo z hexanu na metanol - u stanovení diastereoisomerů pomocí LC/MS/MS.

Chromatografie

Byl použit vysoce - účinný kapalinový chromatograf Agilent 1100 (výrobce Agilent Technologies, Palo Alto, CA, USA) vybavený automatickým dávkovačem. Pro separaci byla použita kolona Zorbax SB - C18 s obrácenými fázemi (250 mm x 4,6 mm, 5 µm, výrobce Agilent). Mobilní fáze se skládala z methanolu (A), acetonitrilu (B), vody s přídavkem 10 mM octanu amonného. Rychlost průtoku mobilní fáze byla nastavena na 0,5 mL/ minuta. Mobilní fáze byla dávkována v poměrech: 8:1:1 (A:B:C), poté byl za dobu 18 minut poměr změněn na 5:4:1 (A:B:C), po 23 minutách byl poměr 3:7:0 (A:B:C), ten byl zachován po dobu 7 minut a nakonec byl poměr změněn na původní hodnotu 8:1:1 (A:B:C) za 8 minut. Rovnováha v koloně byla zachována ještě po dobu 6 minut.

Hmotnostní spektrometrie

Byla provedena na hmotnostním spektoretru Biosystems - Sciex API 4000 (výrobce Applied Biosystems, Foster City, CA, USA) vybaveném kvadrupólovým analyzátorem a operujícím s turbo ionizačním sprejem. Rozsah skenovaných m/z byl 630 - 660, skenovací interval byl 0,5 s [23].

Závěr

Bromované retardátory hoření jsou novým druhem perzistentních organických polutantů. Různé studie prokázaly jejich výskyt již ve všech složkách životního prostředí a to včetně člověka. Mají tendenci k akumulaci v tuku, sedimentech, prachu a odpadních kalech. Jejich koncentrace ve složkách životního prostředí v minulých desetiletích rostly, v poslední době však dochází k jejich omezování, a proto se jejich koncentrace již výrazněji nezvyšuje. Jejich akutní toxicita není příliš vysoká, jsou však podezřelé z narušování správné funkce thyroidních hormonů.

Jejich hodnoty se ve složkách životního prostředí pohybují v rozmezí jednotek až desítek ng na g tuku nebo suché. Pro jejich stanovení jsou nutné citlivé a specifické metody. Nejpoužívanější jsou plynová chromatografie (u PBDE) a vysoce účinná kapalinová chromatografie (u HBCD). Detekce se provádí hmotnostním spektrometrem, v obou případech.

Současné informace o hodnotách FR ve složkách životního prostředí v České republice nejsou příliš dostačující a vyžadují další studie. Hlavní expoziční cestou pro člověka je inhalace kontaminovaného prachu, a proto právě na studium FR v ovzduší v domácím a pracovním prostředí by se měly tyto studie zaměřit.

SEZNAM CITOVANÝCH ZDROJŮ

WHO/ICPS: Environmental health kriteria 192, Flame retardants – general introduction, World health organization, Geneva, 1997

C. de Wit: An overview of brominated flame retardants in the environmnet, Chemosphere 46, 583 – 624, 2002

U. Sellström, B. Jansson, A. Kierkegaard, C. de Witt, T. Odsjö, M. Olsson: Polybrominated Diphenyl Ethers (PBDE) in Biological Samples from the Swedish Environment, Chemosphere 26, 1703 – 1718, 1993

A. Pettersson, M. Karlsson: Analysis and toxikology of brominated flame retardants with emphasis on PBDEs, MTM 01-8-PP, Man-Technology Environment Research Centre, Department of Natural science, Orebro University, 1-55, 2001

J. de Boer, K. de Boer, J. P. Boom: Polybrominated biphenyls and diphenyl ethers, The handbook of environmental chemismy 3, New types od persistent halogenated compoud, 61 – 95, 2000

WHO/ICPS: Environmental health kriteria 162, Brominated diphenyl ethers, World health organization, Geneva, 1994

P. L. Haglund, D. R. Zook, H. – R. Buser, J. Hu: Indentification and Quantification od Polybrominated Diphenyl Ethers in Baltic Biota, Environmental Science and Technology 31, 3281 – 3287, 1997

F. Rahman, K. Langford, M. Scrimshaw, J. Lester: Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) flame retardants, The science of total environment 275, 1 – 17, 2001

G. Marsh, J. Hu, E. Jakobsson, S. Rahm, A. Bergman: Synthesis and Characterisation of 32 Polybromated Diphenyl Ethers, Environmental Science and Technology 33, 3033 – 3037, 1999

Dr. Ing. Poustka, J.: Bromované retardátory hoření: enviromentální xenoestrogeny [online]. 2005, poslední revize 31. 1. 2005 (citováno 2009-02-24).

A. Christiansson, L. Hovander, i. Athanassiadis, K. Jakobsson, A. Bergman: Polybrominated diphenyl ethers in aircraft cabins - A source of human exposure? Chemosphere 73, 1654 – 1660, 2008

J. M. Norris, R. J. Kociba, B. A. Schwetz, J. Q. Rose, C. G. Huminston, G. L. Jewett, P. J. Gehring, J. B. Mailhes: Toxicology of Octabromobiphenyl and Decabromodiphenyl Oxide, Environmental health Perspectives 11, 153 – 161, 1975

E. Klasson-Wehler, A. Morck, H. Hakk: Metabolism of Polybrominated Ethers in the Rat, The sekond International Workshop on Brominated Flame retardants, Stockholm, Sweden, 2001

D. Meironyté, K. Norén, Anylysis of Polybrominated Diphenyl Ethers in Swedish Human Milk. A Time – Related Trend Study, 1972 – 1997, Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A, 58, 329 – 341, 1999

A. Sjödin, L. Hagmat, E. Klasson – Wehler, K. Kronholm – Diab, E. Jakobsson, A. Bergman: Flame retardants exposure: Polybrominated Diphenyl Ethers in Blood from Swedish Workers, Environmental Health Perpectives 107, 643 – 648, 1999

B. Carté, J. Faulkner: Polybrominated diphenyl ethers from Dysedia chlorea and phyllospongia foliascens, Tetrahedron 37, 2335 – 2339, 1981

M.D., PHD, M.P.H. JANSSEN, S. Brominated Flame Retardants: Rising Levels of Concern. 2005

Ch. E. Talsness: Overview of toxicological aspects of polybrominated diphenyl ethers: A flame – retardant additive in several consumer products, Environmnetal Research 108, 158 – 167, 2008

N.G. Dodder, B. Strandberg, R.A. Hites: Concentrations and Spatial Variations of Polybrominated Diphenyl Ethers in Fish and Air from the Northeastern United States, Organohalogen Compounds 47, 69 – 72, 2000

A. Bergman, A. Anthanasiadou, E.K. Wehler, A. Sjödin: Polybrominated Environmental Pollutants: Human and Wildlife Exposures, Organohalogen Compounds 43, 89 – 92, 1999

BSEF. Major Brominated Flame Retardants Volume Estimates: Total Market Demand By Region in 2001.

Z. Yu, P. an Peng, G. Sheng, J. Fu: Determination of hexabromocyclododecane diastereoisomers in air and soil by liquid chromatography – electrospray tandem mass spektrometry, Journal of Chromatography A 1190, 74 – 79, 2008

U. S. DEPARTMENT OF HEALTH AND HUMAN SERVICES: Toxicological profile for polybrominated biphenyls and polybrominated diphenyl ethers, Public Health Service, Agency for toxic substances and disease registry, 2004

A. Sjodin, L. Hagman, E. Klasson-Wehler, K. Kronholm-Diab, E. Jakobsson, A. Bergman: Flame retardant exposure – polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) in blood from Swedish workers, Environmental Health Perspectives 107, 643 – 648, 1999

R. Kazda, J. Hajslova, J. Poustka, T. Cajka: Determination of polybrominated diphenyl ethers in human milk samples in the Czech Republic – Comparative study of negative chemici ionisation mass spectometry and time of flight resolution mass spectometry. Analytica Chimica Acta 520, 237 – 243, 2004

WHO/ICPS: Environmental health kriteria 162, Flame retardants – general introduction, World health organization, Geneva, 1994

J. K. HUwe, M. Lorentzsen, K. Thuresson, A. Bergman: Polybrominated diphenyl ethers in chickens, Organohalogen compounds 47, 429 – 432, 2000

M. Remberger, J. Sternbeck, A. Palm, L. Jak, K. Stromberg, E. Brorstrom – Lunden:   The environmental occurence of haxebromocyclododecane in Sweden, Chemosphere 54, 9 – 21, 2004

C de Witt: Brominated flame retardants, Swedish Environmental Protection Agency, Report 5065, Stockholm, Sweden 1 – 96, 2000

American Chemistry Council: Data summary and test plan for hexabromcyclododecane (HBCD), 2001

C. Schroter-Kermani, D. Helm, T. Herrman, O. Papke:The German environmental specimen bank – applications in trend monitoring of polybrominated diphenyl ethers in human blood, Organohalogen Compounds 47, 49 – 52, 2000

F. Rahman, K.H. Langford, Mark D. Scrimshaw, J.N. Lester: Polybrominated diphenyl ether (PBDE) flame retardants, The Science of the Total Environment 275, 1-17, 2001

R. C. Hale, M. J. La Guardia,E. P. Harvey, T. M. Mainor, W. H. Duff, M. O. Gaylor, E. M. Jacobs, G. L. Mears: Comparsion of brominated diphenyl ether fire retardant and organochlorrine burdens in fis from Virginia rivers (USA), Organohalogen Compounds 47, 65 – 68, 2000

[Riddelová K.: Izolační a separační metody, VŠCHT Praha

KLOUDA, Pavel. Moderní analytické metody. 2. dopl a přepr. vyd. Ostrava: Pavel Klouda, 2003. 132 s.