Als Radikale (= freie Radikale) bezeichnet man Atome, Moleküle oder Ionen mit einem ungepaarten Elektron in einem Orbital. Dies sind meist Stoffe mit einer ungeraden Anzahl Elektronen. Eine Ausnahme ist O2, das mit einer geraden Anzahl Elektronen ein Diradikal ist. Manche Radikale sind stabil und langlebig wie z.B. O2, die meisten jedoch sind extrem reaktiv und instabil (Zerfall in ns). Das einfachste Radikal ist nach dieser Definition das H-Atom.
Mit der spektroskopischen Technik der Elektronenspin- Resonanz-Spektroskopie (ESR) kann man freie Radikale messen. Dabei werden Energieunterschiede des Spins festgestellt, die dabei auftreten, wenn ein ungepaartes Elektron in Wechselwirkung mit einem magnetischen Feld tritt.
Hier einige weitere Radikale:
OH·, HOO·, NO2, CH3O·, CH3OO·, Cl·, Br· usw.,
Die Radikalteilchen werden mit einem Punkt gekennzeichnet (z.B A·. In der Regel muß ein Radikal sein ungepaartes Elektron mit einem anderen Elektron paaren und reagiert deshalb mit einem anderen Teilchen, um das fehlende Elektron zu bekommen. Dadurch wird das kontaktierte Teilchen selbst zum Radikal.
Dies geschieht solange, bei ein Radikal auf eine weiteres trifft. Dann ist die Reaktion, die also als Kettenreaktion abläuft beendet.
Betrachten wir einige Radikale rund um den Sauerstoff mal genauer.
Normalerweise verbinden sich 2 Sauerstoffatome zu einem Sauerstoffmolekül mit einer Doppelbindung. Manchmal nimmt nun ein solches Sauerstoffmolekül ein Elektron auf und wird zum Superoxid-Radikal (siehe Abb. 2.4.2 rechts).
Nach der Orbitaltheorie ist die Elektronenkonfiguration von O2 :
1s2 1s*2 2s2 2s*2 1p4 3s2 1p*2
wobei die s und p -Orbitale bindende Orbitale sind und die s* und p* antibindende Orbitale darstellen. Bindende Orbitale sind für die Bindung der Atome verantwortlich, antibindende Orbitale sind für die Aufrechterhaltung des Bindungsabstandes zuständig. (Energieniveauschema O2 siehe hier)
Der Sauerstoff der Luft, den wir einatmen ist im Grundzustand und wird als 3O2 symbolisiert. Das Molekül ist ein freies Radikal, genauer ein Diradikal da es 2 ungepaarte Elektronen hat. Moleküle, deren Elektronenspin der Außenelektronen parallel sind (
) sind im Triplettzustand. Solche Moleküle sind nicht sehr reaktiv, denn die parallelen Spins der Außenelektronen verhindern eine Bindung. Moleküle deren Elektronenspin der Außenelektronen antiparallel ist (
) sind im Singulettzustand.
SpaceDurch Energieaufnahme (z.B. Licht) kann das reaktionsträge Triplett-O2-Molekül in das reaktive Singulett-O2-Molekül umgewandelt werden (1O2*). Der Stern deutet an, daß das Molekül energiereich ist. Dabei wurde der Spin eines Außenelektrons umgedreht, so daß Antiparallelität entstand.
Da sich ein Singulettzustand nicht direkt in einen Triplettzustand umwandeln kann hat das Singulett-O2 eine lange Lebensdauer und kann seine Energie durch Reaktion mit einem anderen Molekül abgeben und dadurch in den Triplettzustand übergehen.
Der Triplett-O2 kann auch durch Elektronenaufnahme in ein Superoxidmolekül umgewandelt werden (O2·-). Das Superoxidmolekül ist ein Radikal. Im menschlichen Körper reagiert Superoxid mit sich selbst und 2 Protonen zu H2O2 (Wasserstoffperoxid).
Abb. 2.4.1 |
Spektroskop |
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Carotinoide sind alle Carotin ähnlichen Farbstoffe.
