Bewegungsmechanismus in Bromoform entschlüsselt

Die Halomethanverbindung Bromoform (CHBr₃) beeinflusst die Ozonschicht massiv, da sie in der oberen Atmosphäre unter UV-Strahlung Brom-Moleküle freisetzt, welche Ozon zerstören. Diese Reaktion stellte die Wissenschaft lange vor ein Rätsel, da die energetisch scheinbar widersprüchlichen Bewegungsabläufe der beteiligten Moleküle unerklärlich blieben. Am European XFEL gelang es Forschenden nun erstmals, strukturelle Belege für diese Mechanismen zu finden und nachzuweisen, dass es sich dabei um ein universelles Merkmal photochemischer Reaktionen handelt. Damit liefert die Studie entscheidende Erkenntnisse für die atmosphärische Photochemie und das Verständnis darüber, wie Verbindungen wie Bromoform unsere Ozonschicht schädigen.

Das Rätsel der wandernden Moleküle

Die Ozonschicht in 15 bis 30 km Höhe schützt das Leben auf der Erde, indem sie schädliche UV-Strahlung absorbiert. Ein gefährlicher Gegenspieler ist Bromoform (CHBr₃), eine von Meereslebewesen produzierte Halomethanverbindung, die in der Stratosphäre in Aerosolen oder Wassertropfen schwebt. Dort löst UV-Licht eine Photoreaktion aus, die Brom-Moleküle freisetzt – ein Halogengas, das über 100-mal zerstörerischer wirkt als Chlor und Ozonmoleküle rapide vernichtet, was maßgeblich zur Entstehung des Ozonlochs beiträgt. Mithilfe des European XFEL konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun entscheidende strukturelle Details dieser Reaktion aufdecken und so das Verständnis der komplexen Atmosphärenchemie signifikant verbessern.

Röntgenlaser entschlüsselt Brom-Freisetzung in der Stratosphäre

Die Details der ultraschnellen, lichtinduzierten Bromoform-Reaktion stellten die Forschung lange vor ein Rätsel, da sich die Fragmente nach dem UV-Kontakt energetisch untypisch verhalten. „Stabile Zwischenkomplexe bilden sich schließlich, nachdem Bromoform durch UV-Licht fragmentiert wurde“, erklärt Qingyu Kong. „In den Anfangsstadien der Reaktion können sich diese Fragmente jedoch zu Strukturkonfigurationen verbinden, die zumindest aus klassischer Sicht energetisch keinen Sinn ergeben. Anstatt sich vollständig zu trennen oder auf die Weise zu verbinden, die den geringsten Energieaufwand erfordert, verschieben sich die Fragmente langsam relativ zueinander, wobei sie herkömmliche Übergangszustände umgehen.“ Zur Erklärung dieser Beobachtung diente bisher die Hypothese des „Roaming“, bei dem Ionen auf der Suche nach stabilen Konfigurationen umherwandern – ein Vorgang, für den bei Bromoform jedoch strukturelle Belege fehlten.

Mithilfe des European XFEL gelang es nun erstmals, diesen ultraschnellen Mechanismus experimentell zu entschlüsseln. Während frühere Untersuchungen an Synchrotron-Strahlungsquellen lediglich die Endprodukte sichtbar machten, konnten sie die initialen Phasen aufgrund ihrer Geschwindigkeit nicht erfassen. Dazu sagt Dmitry Khakhulin: „Es war offensichtlich, dass der erste entscheidende Schritt der Reaktion, bei dem der Roaming-Mechanismus vermutlich stattfindet, viel schneller abläuft als die Röntgenimpulse am Synchrotron erfassen konnten.“

Femtosekundenpulse machen den Unterschied

Für ihr Experiment injizierten die Wissenschaftler:innen Bromoform-Lösungen in den Versuchsaufbau der Station FXE am European XFEL. Mithilfe der Methode des „femtosecond time-resolved X-ray solution scattering“ löste ein optischer Femtosekunden-Laserpuls die Reaktion aus, während ein zeitversetzter Röntgenpuls die verschiedenen Stadien erfasste. Im Gegensatz zu früheren Versuchen machten es die ultrakurzen Pulse des European XFEL möglich, sämtliche strukturellen Schritte abzubilden – vom ersten Bindungsbruch über die Roaming-Dynamik bis zur Entstehung von Brom und weiteren Rekombinationsprodukten. Die Daten belegen, dass bereits innerhalb von 150 Femtosekunden nach Reaktionsbeginn ein Roaming stattfand und sich allmählich stabile Zwischenverbindungen formten. „Dank der vom European XFEL erzeugten ultrakurzen Röntgenimpulse konnten wir erstmals strukturelle Beweise für das Roaming in Bromoform liefern“, sagt Khakhulin.

Lösungsmittel bestimmen den Reaktionsverlauf von Bromoform

Frühere Studien deuteten bereits darauf hin, dass das Ergebnis der Reaktion durch das verwendete Lösungsmittel beeinflusst wird. Um dies zu überprüfen, untersuchten die Forschenden am European XFEL Bromoform in zwei verschiedenen Flüssigkeiten: Methanol und Methylcyclohexan. „Unsere Ergebnisse zeigten, dass zwar in beiden Flüssigkeiten das Zwischenprodukt gebildet wurde, das weitere Geschehen jedoch stark von dem Lösungsmittel abhing, in dem das Bromoform gelöst war“, erklärt Kong. Während in Methanol die Moleküle des Lösungsmittels um die Bindung am Zwischenprodukt konkurrierten und dessen Zersetzung bewirkten, ermöglichte das weniger reaktive Methylcyclohexan die Transformation in ein stabiles Endprodukt.

Kong schließt daraus: „Insgesamt sind diese neuen Erkenntnisse wichtige Schritte hin zu einem umfassenderen Verständnis der atmosphärischen Photochemie und bieten einen neuen Rahmen, um das Verhalten von Verbindungen wie Bromoform im Kontext von Gasphasenumgebungen, Aerosolen und Wassertröpfchen zu verstehen.“

Quelle

European XFEL GmbH (04/2026)