W ostatnim etapie endocykliczną grupę aminową utlenia się do aminoksylu () za pomocą np. nadtlenku wodoru w obecności wolframianu sodu. class=skin-invert-image|centruj|bezramki|700px|Synteza TEMPO
Budowa i stabilność TEMPO w warunkach standardowych jest pomarańczowoczerwonym krystalicznym ciałem stałym, które bardzo łatwo sublimuje. Trwałość TEMPO wynika z szeregu efektów stabilizujących jego strukturę. Najważniejszym czynnikiem jest występowanie rezonansu chemicznego pomiędzy atomami tlenu i azotu, wynikającym z istnienia niewiążących elektronów na atomie azotu, czyli powstania dodatkowego wiązania typu 2c3e (z – wiązanie 2-centrowe 3-elektronowe) oraz hiperkoniugacji. Dodatkowym czynnikiem jest efekt steryczny wynikający z obecności czterech grup metylowych w sąsiedztwie grupy aminoksylowej. Grupy metylowe uniemożliwiają tworzenie się podwójnego wiązania pomiędzy atomem azotu a sąsiadującymi atomami węgla. Taka zawada steryczna znacząco ogranicza dostęp do niesparowanego elektronu, co uniemożliwia zajście reakcji rekombinacji i dysmutacji (dysproporcjonacji) między dwoma rodnikami nitroksylowymi. W wyniku dysmutacji nitroksydy przekształcają się w odpowiednią N-hydroksyloaminę oraz odpowiedni nitron. Struktura rodnika TEMPO została potwierdzona eksperymentalnie za pomocą rentgenografii strukturalnej.