Einblicke in die Chemie von Hydroxyl-Radikalen

Die Entstehung von Radikalen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht ist eine zentrale Fragestellung für die Gesundheitsforschung und den Umweltschutz, etwa bei der durch Landwirtschaft bedingten Überdüngung von Gewässern. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Alexander Föhlisch etablierte nun an BESSY II eine neue Methode zur Untersuchung von Hydroxyl-Radikalen (OH·) in Lösung und gewann durch einen methodischen Kniff überraschende Einblicke in deren Reaktionspfade. Diese Radikale sind allgegenwärtig – von der Troposphäre bis hin zu menschlichen Zellen, wo sie oxidativen Stress auslösen und Alterungsprozesse beschleunigen. Auch in Flüssen und Seen nehmen sie zu, da UV-Strahlung des Sonnenlichts dort auf Stickoxide aus überdüngten Böden trifft und durch Photolyse Radikale erzeugt. Aufgrund ihrer extrem hohen Reaktivität mit der direkten Umgebung war es bisher fast unmöglich, die chemischen Abläufe dieser Radikale präzise zu erfassen.

Analytik an BESSY II: TEMPO als Sensor für Radikale

Das Team untersuchte die Chemie von Hydroxyl-Radikalen, die in Wasser aus Stickoxiden entstehen, mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Strahlungsquelle BESSY II. „Wir arbeiten mit einer Liquid-Jet-Probenkammer, in der wir Moleküle in Lösung unter sehr realistischen Bedingungen untersuchen können. Das ist nur an BESSY II möglich“, sagt Leo Cordsmeier. Dabei nutzten die Forschenden die Eigenschaft bestimmter Moleküle aus, Radikale einzufangen. Das Molekül TEMPO, das als Fänger für Kohlenstoff- und Stickoxid-Radikale bekannt ist, diente hierbei als methodischer Kniff. „Wir setzen TEMPO hier wie einen Trick ein“, sagt Cordsmeier und erklärt: „Wir nutzen TEMPO als „Sensor“, denn es ist direkt an der Reaktion beteiligt und lässt sich sehr gut in unserem Experiment detektieren. Dadurch können wir die Reaktion der OH-Radikale analysieren.“

Mechanismus entschlüsselt: Elektronentransfer statt Bindung

Schritt für Schritt beobachtete das Team, wie in stickoxidhaltigen wässrigen Lösungen unter UV-Bestrahlung Radikale entstehen und von TEMPO gebunden werden. Dabei gelang die Messung eines unerwarteten Zwischenzustands, der eine präzise Rekonstruktion des Reaktionspfades ermöglichte. Die Ergebnisse belegen, dass zunächst das Proton des Hydroxyl-Radikals mit TEMPO reagiert. „Der Mechanismus des Einfangens von Hydroxylradikalen durch TEMPO läuft eben nicht, wie in der Literatur vorgeschlagen, über einen gebundenen Zwischenzustand zwischen den beiden Molekülen, sondern stattdessen über einen Elektronentransfer. Dies ist eine überraschende Erkenntnis“, sagt Alexander Föhlisch. Mit dieser Studie etablierte das Team eine neue Methode, um Radikale in Lösung zu untersuchen und selektiv zu beobachten, wo Bindungen gelöst werden oder neu entstehen.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (04/2026)