Photoionisationsstudien an Radikalen und Carbenen mit VUV-Synchrotronstrahlung
Die vorliegende Dissertation untersucht reaktive Intermediaten, speziell Radikale und Carbene und deren Verhalten bei Photoionisation mit VUV-Synchrotronstrahlung. Diese instabilen Verbindungen wurden durch Pyrolyse von teils selbstsynthetisierter Vorläufern in einem kontinuierlichen Molekularstrahl...
| Main Author: | |
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| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | deu |
| Published: |
2011
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| Subjects: | |
| Online Access: | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/4865 http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56980 https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56980 https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/4865/Doktorarbeit_Patrick_Hemberger.pdf |
| Summary: | Die vorliegende Dissertation untersucht reaktive Intermediaten, speziell Radikale und Carbene und deren Verhalten bei Photoionisation mit VUV-Synchrotronstrahlung. Diese instabilen Verbindungen wurden durch Pyrolyse von teils selbstsynthetisierter Vorläufern in einem kontinuierlichen Molekularstrahl erzeugt und mittels der TPEPICO-Spektroskopie untersucht. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit werden im Anschluss hervorgehoben. Drei Radikale der Zusammensetzung C9H7, Indenyl, 1- und 3-Phenylpropargyl wurden aus ihren bromierten Vorläufern synthetisiert und ihre Ionisierungsenergien bestimmt. Die Frage ob es möglich ist alle drei Radikale hinsichtlich ihrer IE zu unterscheiden und dadurch eine Identifikation in einer Flamme möglich wird, konnte beantwortet werden. Indenyl und 3-Phenylpropargyl besitzen Ionisierungsenergien von 7.53 und 7.20 eV, was eine Erkennung in Flammen prinzipiell möglich macht. Für 1-Phenylpropargyl wurde eine IEad von 7.4 eV gemessen, was eine selektive Identifikation erschwert. Die Messwerte wurden durch quantenchemischen Rechnungen überprüft und sind mit diesen in guter Übereinstimmung. Die Photoionisation von Cyclopropenyliden (IEad = 9.17 ± 0.015 eV) wurde untersucht,wobei eine niederenergetische Bande dem Propargylen (IEad = 9.02 ± 0.02 eV), dem HCCCH Isomer der Zusammensetzung C3H2, zugeordnet werden konnte. Die Schwingungsstruktur des Spektrums konnte erfolgreich simuliert und dadurch die Geometrie des Kations ermittelt werden. Als Nebenprodukt im Molekularstrahl wurde Chlorcyclopropenyliden (IEad = 9.17 ± 0.02 eV) durch seine Schwingungsprogression identifiziert. Die Analyse der dissoziativen Photoionisation gestaltet sich als schwierig, da sowohl c-C3H2 als auch c-C3HCl im relevanten Energiebereich fragmentieren können und die Anwesenheit von HCl die Auswertung ebenfalls erschwert. Ein Lösungsvorschlag für dieses Problem wurde ebenfalls aufgezeigt. Der Einfluss von Substitutionen auf die IE wurde am Beispiel des Propargylradikals und seiner zwei bromierten Analoga erforscht. Dabei wurde eine Rotverschiebung (IEad(C3H3) = 8.71 ± 0.02 eV / IEad(BrCCCH2) = 8.16 ± 0.02 eV / IEad(BrHCCCH) = 8.34 ± 0.02 eV) gemessen. Diese ist auf den elektronenspendenden Charakter des Broms begründet. Beide Brompropargylradikale lassen sich anhand ihrer IE unterscheiden. Die Schwelle zur dissoziativen Photoionisation von C3H2Br zu C3H2 wurde mit 10.1 eV ermittelt, wobei verschiedene Kanäle für diese Reaktion in Frage kommen. Schwingungsaktivität konnte im TPE-Spektrum des Propargylradikals ebenfalls verzeichnet und die v3 +-Mode mit 1950 cm-1 ermittelt werden. Als letztes Projekt stand die Photoionisation des t-Butyl im Fokus, da teils widersprüchliche Messwerte für die IEad in der Literatur publiziert sind. Es konnte ein Wert von 6.75 eV ± 0.03 eV gemessen werden. Die Schwierigkeit bei diesem Experiment ist die Geometrieänderung während der Ionisierung, da das Radikal pyramidal und das Kation eine planare Struktur im C-Gerüst besitzt. Die Grenzen der angewendeten Methoden wurden an diesem Beispiel deutlich gemacht. Zur vollständigen Charakterisierung wurden auch die Vorläufer genau analysiert, da diese durch dissoziative Photoionisation (DPI) Fragmentionen bilden, welche die gleiche Masse besitzen wie die zu untersuchenden Radikale und Carbene. Aus diesen Ergebnissen konnten Bindungsenergien berechnet werden. Von allen untersuchten reaktiven Intermediaten konnten die Ionisierungsenergien mit einer Genauigkeit von ± 20 meV ermittelt werden. Es wurde gezeigt, dass sogar Isomere mit gleicher Molekülmasse unterscheidbar sind. Diese Daten lassen sich verwenden um reaktive Zwischenprodukte in Flammen zu identifizieren. Die Identifizierung ermöglicht es dann geeignete Modelle für Verbrennungsprozesse zu konstruieren oder vorhandene zu verbessern. Diese könnten wiederum helfen die Ruß- und PAK-Bildung besser zu verstehen. Die Ziele dieser Dissertation konnten somit erreicht werden. Massenspektren, welche in Flammen durch VUV-Synchrotronstrahlung aufgenommen wurden, beherbergen eine große Fülle an größeren reaktiven Intermediaten wie beispielsweise das Fluorenyl oder das Biphenylmethylradikal. Deren Ionisation ist bislang nur sehr vage erforscht und wäre deshalb ein interessantes Projekt um diese Arbeit fortzuführen. === This thesis examines reactive intermediates, especially radicals and carbenes and their behavior at photoionization with VUV-synchrotron radiation. Those unstable compounds were produced by pyrolysis of self-synthesizes precursors in a continuous molecular beam and studied by the TPEPICO spectroscopy. The most important results of this work are highlighted below. Three radicals of the composition C9H7, Indenyl, 1- and 3-phenylpropargyl, were synthesized from brominated precursors and their ionization energies were determined. The question, whether these three radicals can be distinguished by their ionization energy and therefore identified in a combustion flame, was answered. Indenyl and 3-phenylpropargyl exhibit ionization energies of 7.53 and 7.20 eV, which make a distinction possible. For 1-phenylpropargyl an IEad of 7.4 eV was measured, which complicates an selective identification. The measurements were also verified by quantum chemical calculations and are in good agreement. The photoionization of cyclopropenylidene (IEad = 9.17 ± 0.015 eV) was reexamined and and a low-energy band was assigned to propargylene (IEad = 9.02 ± 0.02 eV), which is the HCCCH isomer of the composition C3H2. The vibrational structure of the spectrum of c-C3H2 was successfully simulated and the cationic geometry was also determined. As a by-product chlorocyclopropenylidene (IEad = 9.17 ± 0.015 eV) was found and assigned due to its vibrational progression. The analysis of the dissociative photoionization is difficult, because both c-C3H2 and c-C3HCl are able to fragment in the relevant energy range and the presence of HCl complicates the analysis too. A solution of this problem was also mentioned. The influence of substituents on the IE was studied, using the propargyl radical and its two brominated analogs as an example. A redshift (IEad(C3H3) = 8.71 ± 0.02 eV / IEad(BrCCCH2) = 8.16 ± 0.02 eV / IEad(BrHCCCH) = 8.34 ± 0.02 eV) was measured upon Br substitution. It originates from the electron-donating character of the bromine. Both bromopropargyl radicals can be distinguished by their IE. The threshold of dissociative photoionization of C3H2Br was determined to be 10.1 eV, but several channels can produce the C3H2+ fragment. Vibrational activity was found in the TPE spectrum of the propargyl radical and the v3 + mode was identified (1950 cm-1) as well. As a last project the photoionization of the t-butyl was brought into focus, because partly inconsistent measurements of the IEad are published in the literature. A value of 6.75 ± 0.03 eV was measured in this study. The challenge in experiments on this radical is the huge change in geometry, because the neutral is pyramidal while the cation has a planar carbon framework. The limits of the utilized methods were demonstrated using this example. For a complete characterization the precursors were examined too, because the fragment ions, produced by dissociative photoionization (DPI), could falsely be assigned to the radical or carbene. From these results binding energies were calculated additionally. The ionization energies of all examined reactive intermediates could be determined with an accuracy of ± 20 meV. It was shown that even isomers of the same molecular mass are distinguishable. This data can be used to identify reactive molecules in flames. The identification makes it possible to construct reasonable models for combustion processes or to improve available ones. These models could help to improve the understanding of soot and PAH formation. Therefore the aims of this thesis were achieved. Mass spectra recorded in flames by VUV-synchrotron radiation contain a variety of reactive intermediates for example fluorenyl and biphenylmethyl radicals. Their ionization is only vaguely investigated und therefore an interesting project to continue this work. |
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