Eisenkatalysierte Bildung von Methylradikalen als gemeinsame Quelle für umweltrelevante flüchtige organische Verbindungen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Comba; Professor Dr. Frank Keppler
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438659314

Organische und anorganische flüchtige Verbindungen mit einem Kohlenstoffatom (C1) wie Kohlendioxid, Methan, Methanol, Formaldehyd, Kohlenmonoxid und Chlormethan sind in der Umwelt weit verbreitet und spielen eine zentrale Rolle in der Physik und Chemie der Atmosphäre, da sie als Treibhausgase wirken, stratosphärisches Ozon zerstören und die atmosphärische Oxidationskapazität beeinflussen. Darüber hinaus spielen diese Verbindungen eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Bisher waren die meisten C1-Verbindungen in der Umwelt mit komplexen Stoffwechsel- und Enzymprozessen in Organismen oder Verbrennungsprozessen verbunden. Bisher wurde nicht erkannt, dass viele C1-Verbindungen in der Geobiosphäre auch einen gemeinsamen Ursprung in Methylgruppen von methylsubstituierten Substraten haben könnten, die durch die eisenkatalysierte Bildung von Methylradikalen entstehen.Durch die Kombination der Expertise von zwei etablierten Arbeitsgruppen, die sich ideal ergänzen, möchten wir die eisenkatalysierte Bildung von Methylradikalen als gemeinsame Quelle für umweltrelevante C1-Verbindungen untersuchen und die chemischen Schritte, die den Prozessen zugrunde liegen entschlüsseln.Aufgrund unserer bisherigen Ergebnisse gehen wir davon aus, dass die Bildung von Methylradikalen durch abiotische und möglicherweise auch biochemische Prozesse in der Umwelt mit verschiedenen Heteroatom-methylierten-Substraten weitverbreitet ist. Wir schlagen vor, dass durch Erzeugung von Methylradikalen die Bildung des gesamten Spektrums von C1-Verbindungen mit Kohlenstoffoxidationsstufen von -IV bis + IV, aber auch die Bildung von kurzkettigen n-Alkanen und Alkenen möglich ist. Die relativen Mengen der gebildeten einzelnen C1-Spezies hängen vom Redoxmilieu und den biogeochemischen Bedingungen ab, wie beispielsweise der Verfügbarkeit von Methylradikal-Lieferanten, den Eisenspezies, dem Sauerstoffgehalt, dem pH-Wert und möglicherweise einer Reihe anderer Parameter.In diesem Projekt untersuchen wir systematisch die Bildung von C1-Verbindungen im Labor unter Verwendung unterschiedlicher Eisenspezies und biogeochemisch relevanter methylierter Substrate. Um die Chemie hinter diesen Prozessen gründlich zu verstehen, werden wir stabile Isotopentechniken anwenden, die mechanistischen Schritte der Methylradikal- und C1-Bildung identifizieren und mechanistische Szenarien durch Computermodellierung unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie und quantenchemischer ab-initio-Studien verifizieren. Schließlich werden wir unsere Labor- und theoretischen Erkenntnisse auf die Praxis anwenden und diese Reaktionen an Wasser- und Bodenproben aus der Umwelt untersuchen.Die Ergebnisse unseres Projekts werden dazu beitragen, unser Wissen über Bildungsprozesse von C1-Verbindungen in der Geobiosphäre zu verbessern. Damit werden die Grundlagen geschaffen, um in zukünftigen Studien diese Prozesse unter feldähnlichen Bedingungen anhand biologischer und geochemischen Methoden zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professorin Dr. Katharina Lenhart; Professor Dr. Heinz-Friedrich Schöler