Reaktionsdynamik von Zwei-Zentren-Kohlenwasserstoffen

Um chemische Reaktionen zu verstehen und ihren Ablauf vorherzusagen braucht es Untersuchungen der intrinsischen Dynamik des Stoßprozesses isolierter atomarer und molekularer Reaktanden. Wir schlagen vor mit einem Kreuzstrahl-Spektrometer, das die Messung differentieller Streuquerschnitte von massen-selektierten Reaktanden ermöglicht, Ionen-Molekül-Reaktionen von kleinen Kohlenwasserstoffmolekülen mit zwei Kohlenstoff Atomen zu untersuchen. Dies sind die kleinsten Moleküle für die mehrere Arten von Reaktionen möglich werden, von denen alle von großem Interesse für Anwendungen in der Molekülsynthese, in Kohlenwasserstoff-Plasmen und Flammen sowie in Kohlenstoff-reichen Planetenatmosphären und interstellaren Wolken sind. Wir werden uns auf drei wesentliche Reaktionsarten konzentrieren, die Bildung verschiedener Strukturisomere mittels nukleophiler Substitution, die Eliminierungs-Reaktion und ihre Konkurrenz mit der Substitutions-Reaktion, sowie das Wachstum von Kohlenstoff-Ketten. Dafür werden wir die einzigartigen Fähigkeiten der Kreuzstrahl-Methode verwenden, differentielle Wirkungsquerschnitte für verschiedene Kollisionsenergien zu messen, um Informationen darüber zu erhalten, wie reaktive Stöße ablaufen. Mit den ermittelten Reaktionsmechanismen und den gemessenen internen Energien der Produkte werden wir ein Analyseverfahren entwickeln, um die erreichbaren Produkt-Kanäle zu unterscheiden. Dieses Verfahren kann auch dann verwendet werden, wenn eine massenspektrometrische Unterscheidung der Reaktionsprodukte nicht möglich ist. Mit diesen Methoden werden wir die Isomer-Bildung in Reaktionen des Cyanid-Anions analysieren, bei denen es entweder am Kohlenstoff- oder am Stickstoffende zu einer Bindung kommt. In Reaktionen von atomaren Halogen- und von Hydroxyl-Anionen mit Ethyl-Halogeniden werden wir die Konkurrenz zwischen Eliminierung und Substitution untersuchen. Und wir werden die Bildung von Kohlenstoff-Ketten in reaktiven Stößen von Azetylen mit deprotoniertem Azetylen und deprotoniertem Diazetylen studieren. Mit diesen Experimenten werden wir eine neue Methode zur Bestimmung des Verzweigungsverhältnisses in der Isomer-Bildung und in der Konkurrenz von Reaktionspfaden bei reaktiven Stößen in der Gasphase demonstrieren, und wir werden qualitativ neue Einblicke in die Reaktionsdynamik von mehreren wichtigen Ionen-Molekül-Reaktionen erhalten.

Im Zuge dieses Projekts haben wir das Verständnis des Ablaufs chemischer Reaktionen verbessert. Um das zu erreichen, haben wir Untersuchungen der atomaren Dynamik von Stoßprozessen zwischen einzelnen atomaren und molekularen Spezies vorgenommen. Wir haben ein spezielles Kreuzstrahl-Spektrometer für die Messung der Streuung massenselektierter Edukte verwendet. Dieses einzigartige Spektrometer liefert Winkel- und Geschwindigkeits-aufgelöste Daten der Reaktionsprodukte für mehrere ausgesuchte Stoßenergien.Im Speziellen haben wir Ionen-Molekülreaktionen kleiner Kohlenwasserstoff-Moleküle untersucht. Die gewählten Moleküle können mittels verschiedener und miteinander konkurrierender Reaktionen ablaufen, die von großem Interesse für Anwendungen in der Molekülsynthese, in Kohlenwasserstoff-Plasmen, und in kohlenstoffreichen planetaren Atmosphären und interstellaren Wolken sind. Wir haben uns auf drei besondere Reaktionsklassen konzentriert: die Bildung verschiedener Strukturisomere in der nukleophilen Substitution, die Eliminierungsreaktion und ihre Konkurrenz mit der Substitutionsreaktion, und das Wachstum von Kohlenstoffkettenmolekülen. Für alle drei Systeme haben wir eine Reihe experimenteller Messungen durchgeführt und, wenn verfügbar, mit theoretischen Berechnungen verglichen. Durch Analyse der gemessenen Produktgeschwindigkeiten haben wir Informationen über die Verzweigungsverhältnisse der Reaktionen in verschiedene Produktisomere, das sind aus denselben Atomen aufgebaute Moleküle mit unterschiedlicher geometrischer Struktur, extrahiert. In Reaktionen mehrerer kleiner negativer Ionen, Fluor-, Chlor- und Cyanid-Anionen, mit Alkylhalogeniden haben wir die Konkurrenz zwischen Eliminierungs und Substitutionsreaktionen untersucht. Diese Analysen fundieren auf den gemessen Streudaten, da konventionelle Massenspektrometrie nicht zwischen diesen Kanälen unterscheiden kann, da die Kanäle zu den gleichen Produktmassen führen. Schließlich haben wir die Bildung von Kohlenstoff- Kettenmolekülen in reaktiven Stößen verschiedener Kohlenstoffmolekül-Anionen mit Acetylen untersucht.Mit diesen Experimenten konnten wir eine neue Methode zur Bestimmung der Verzweigungsverhältnisse für die Bildung von Isomeren und die Konkurrenz zwischen verschiedenen Reaktionspfaden in Gasphase-Reaktionen demonstrieren. Das hat es uns erlaubt, neue, detailreiche Einblicke in die Reaktionsdynamik mehrerer wichtiger Ionen-Molekül-Reaktionen zu erhalten. Diese Forschungen haben auf internationalen wissenschaftlichen Konferenzen viel Aufmerksamkeit erhalten. Sie haben des weiteren mehrere Theorie-Gruppen dazu angeregt neue und genauere Berechnungen durchzuführen um das atomare Verständnis dieser Reaktionen weiter zu verbessern.