Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des enantiomerenspezifischen Umweltverhaltens des Flammschutzmittels Hexabromcyclododecan (HBCD). Zu Beginn erfolgte daher die Optimierung und Validierung eines enantiomerenspezifischen Analysenverfahrens für die Bestimmung von HBCD in Biota. Die errechneten mittleren Wiederfindungen lagen im Bereich von 100-102 % und die Nachweisgrenzen zwischen 0,131 und 0,255 pg g-1. Untersuchungen zur ubiquitären Verteilung von HBCD erfolgten an Eiern der Silbermöwe deutscher Nord- und Ostseeinseln (Probenahme 1988-2008). In allen Fällen dominierte alpha-HBCD das Diastereomerenmuster, wobei eine bevorzugte Anreicherung von (-)-alpha-HBCD sowie ein zeitlicher Trend aller Enantiomeren-Gehalte festgestellt wurde. Zur Klärung der Frage einer Bioakkumulation sowie -isomerisierung der HBCD-Stereoisomere erfolgten Langzeit-Fütterungsversuche an Spiegelkarpfen. Die Untersuchungen ergaben eine signifikante Akkumulation des jeweils gefütterten HBCD-Enantiomers, jedoch konnte die Hypothese der Bioisomerisierung nicht bestätigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag in Untersuchungen zur cytochromabhängigen enantiomerenspezifischen Biotransformation von HBCD im Rahmen des Metabolismus an Lebermikrosomen diverser Spezies. Hier konnte gezeigt werden, dass HBCD dem Phase I-Metabolismus unterliegt und hydroxyliert wird. Dabei weist jedes HBCD-Enantiomer ein spezifisches Metabolitenmuster auf, was eine Zuordnung der hydroxylierten Verbindungen zum entsprechenden HBCD-Enantiomer erlaubt. Anhand von Zeitreihen sowie der Berechnung von Halbwertszeiten konnte der Verdacht eines enantiomerenspezifischen Metabolismus in Richtung einer Anreicherung von (-)-alpha- und (+)-gamma-HBCD bestätigt werden. Inkubationsansätze mit reinen Cytochrom (CYP)-Isoformen sowie molekülmechanische Berechnungen legen die Vermutung nahe, dass dem CYP3A4 eine Schlüsselrolle bei der Metabolisierung von HBCD zukommt. / The main emphasis of this thesis was on the enantio-specific environmental behaviour of the polybrominated flame retardant hexabromocyclododecane (HBCD). Initially, an enantio-specific analytical method for the determination of HBCD in biota was optimised and validated. The calculated mean recoveries ranged from 100 to 102 % and the limits of detection are in the range of 0.131 to 0.255 pg g-1. First investigations of the ubiquitous environmental distribution of HBCD were performed using herring gull eggs from different islands in the North and Baltic Sea (sampling 1988 to 2008). In all cases alpha-HBCD was the predominant diastereomer. Significant deviations from the racemic mixture revealed a preferred enrichment of the first eluting (-)-alpha-HBCD. In addition, a temporal trend of HBCD levels was observed. To clarify the issue of accumulation as well as bioisomerisation of HBCD stereoisomers, a long-term feeding study with mirror carps was performed. The results showed an accumulation of each initially fed HBCD enantiomer, but hypothesis of a bioisomerisation could not be confirmed. Another important focus of this work was to study the cytochrome-dependent enantio-specific biotransformation of HBCD enantiomers in various species of liver microsomes. It was shown that HBCD is subject to phase I metabolism. In the course of this process, HBCD is metabolised to hydroxylated products, whereas each HBCD enantiomer results in a specific metabolite pattern allowing the allocation of the corresponding hydroxylated compounds. Investigation of time series as well as the calculation of half-lives, the hypothesis of an enantio-specific metabolism towards an enrichment of (-)-alpha- and (+)-gamma-HBCD could be confirmed. Incubation mixtures with pure cytochrome (CYP) isoforms, as well as molecular mechanic calculations suggest that CYP3A4 plays a key role in the biotransformation processes of HBCD.

Ziel dieser Arbeit war es, ein enantiomerenspezifisches Analysenverfahren für die Bestimmung von Hexabromcyclododecan (HBCD) in Biota-Proben zu entwickeln und die bei erhöhten Temperaturen auftretende Isomerisierung der HBCD-Stereoisomere zu untersuchen. Als erstes wurden die sechs HBCD-Enantiomere isoliert, mittels Einkristallstrukturanalyse, NMR- und IR-Spektroskopie charakterisiert und erstmals die spezifischen Drehwinkel der reinen Enantiomere mit den absoluten Konfigurationen und der Elutionsreihenfolge auf einer chiralen beta-PM-Cyclodextrin-Phase korreliert. Die Untersuchungen der HBCD-Enantiomere in Biota-Proben wurden mit einem HPLC-Tandem-MS-System unter Verwendung einer Kombination aus einer C18- und einer chiralen beta-PM-Cyclodextrin-Phase durchgeführt. Das entwickelte Analysenverfahren wurde validiert und ein Messunsicherheitsbudget erstellt. Die mittlere Wiederfindung für die internen Standards lag im Bereich von 96 - 104 % und die Nachweisgrenzen lagen zwischen 6 und 21 pg/g. Mit Hilfe dieses Analysenverfahrens wurden sowohl maritime als auch Süßwasser Biota-Proben von verschiedenen Probenahmepunkten in Europa untersucht. Die ermittelten Enantiomeren-Verhältnisse, die in allen Fällen vom (±)-alpha-HBCD dominiert wurden, zeigten signifikante Abweichungen von den razemischen Zusammensetzungen. Auffällig hierbei war, dass eine bevorzugte Anreicherung der zuerst eluierenden HBCD-Enantiomere ((-)-alpha-, (-)-beta- und (+)-gamma-HBCD) stattfand. Im Ergebnis der Untersuchungen zur thermisch induzierten intramolekularen Isomerisierung der HBCD-Stereoisomere konnten die verschiedenen Isomerisierungsreaktionen eindeutig aufgeklärt und die jeweiligen Geschwindigkeitskonstanten bei einer Temperatur von 160 °C ermittelt werden. Ergänzend wurde die Isomerisierung mit Hilfe der statistischen Thermodynamik unter Verwendung eines neuen Ansatzes für die klassische Hybrid Monte-Carlo-Simulation untersucht. / The major objectives of this thesis were the development of an analytical procedure for the enantio-specific determination of hexabromocyclododecane (HBCD) in biota samples and the investigation of the interconversion of the individual HBCD isomers at elevated temperatures. The six HBCD enantiomers were isolated, characterised by X-ray diffractometry, NMR- and IR-spectroscopy and the sense of rotation was correlated for the first time with the absolute configurations of the HBCD enantiomers as well as their order of elution on a chiral beta-PM-cyclodextrine-phase. Trace quantification of the individual HBCD enantiomers was achieved by means of high performance liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry equipped with a combination of a C18- and a chiral analytical column. Validation data and an uncertainty budget were determined. The mean recoveries of the different enantiomeric internal standards ranged from 96 to 104 % and the limits of detection are in the range of 6 to 21 pg/g. The analytical procedure was successfully applied to marine and freshwater biota samples from different European sites. The enantiomeric pattern of the six HBCD enantiomers, with (±)-alpha-HBCD as the dominant diastereomer, was determined for all biota samples and showed in most cases a significant deviation from the technical racemate. In these cases a preferential enrichment of the first eluted enantiomers ((-)-alpha-, (-)-beta- and (+)-gamma-HBCD) could be observed. The unambiguous elucidation of the individual isomerisation reactions as well as the quantification of all respective rate constants for the interconversion of the HBCD stereoisomers at 160 °C was done. A mechanistic explanation for the differences of the rate constants which govern the composition of HBCD diastereomers at equilibrium was given. Additionally, the interconversion was investigated by means of statistical thermodynamics using a new approach to classical hybrid Monte-Carlo simulations.