Florian Hirsch

• Reactive hydrocarbon species are important in a multitude of different scientific areas. In this thesis, the vibrational spectra of hydrocarbon radicals, biradicals and their reaction product have been studied in a gas-phase environment. The specific molecules investigated here, are of particular importance in the field of combustion and astrochemistry. They were produced from suitable precursors in a pyrolytically heated micro-reactor and subsequently seeded in an appropriate carrier gas. As methodology, IR/UV ion dip spectroscopy has beenReactive hydrocarbon species are important in a multitude of different scientific areas. In this thesis, the vibrational spectra of hydrocarbon radicals, biradicals and their reaction product have been studied in a gas-phase environment. The specific molecules investigated here, are of particular importance in the field of combustion and astrochemistry. They were produced from suitable precursors in a pyrolytically heated micro-reactor and subsequently seeded in an appropriate carrier gas. As methodology, IR/UV ion dip spectroscopy has been utilized, which delivers massselected gas-phase IR spectra of all ionizable species detectable in the molecular beam. These, with the help of DFT calculations, allow for determination of the fingerprint IR spectra, identification of mass carriers and formulation of potential reaction mechanisms. All studies have been conducted in collaboration with the group of Prof. Dr. Anouk M. Rjis and the necessary potent IR radiation has been provided by the free-electron laser FELIX. Thus, the IR/UV measurements have been executed at the FELIX Laboratory of the Radboud University in Nijmegen. The first study presented in this thesis is the investigation of ortho-benzyne in Chapter 3.1. This molecule is of particular interest due to its uncommon electronic structure and its role in high-temperature reactions. Although, the infrared spectrum of o-C6H4 was not accessible, a number of reaction products were identified via their fingerprint spectra. Masses in the range from 78 - 228 were assigned to their respective carrier. The identified species include typical PAHs like naphthalene, phenanthrene, up to triphenylene. The identified masses further suggest a PAH growth heavily influenced by diradical 1,4-cycloaddition followed by fragmentation, as well as by classical HACA- and PAC-like mechanisms. These results were augmented by threshold photoionization measurements from Engelbert Reusch, who identified lighter reaction products, which have insufficient IR absorption or unsuitable ionization characteristics to be identified in the IR/UV experiment. An interesting observation is the identification of m/z = 152. This carrier has been assigned differently by the IR and TPES experiments. Whereas the IR spectrum clearly identifies the species as 2-ethynylnaphthalene, the TPES evidently is in great agreement with biphenylene. This is a good example how different experimental methodologies can benefit from each other to gain a deeper insight into the actual science of a particular system. Probably, the prime example for an aromatically resonance stabilized radical is benzyl. This radical is of high importance for many combustion studies, as it represents the primary high-temperature decomposition product of toluene. The goal of the study was the identification of the benzyl self reaction products and the results are discussed in Section 3.2. The radical was pyrolytically produced by its respective nitrite precursor. The mass spectrum showed that the benzyl self reaction formed two products with C11 and three with C14 constitution. All mass peaks were evenly spaced by two mass units, respectively, which suggests a close relation in formation. Indeed, the C11 products were identified as diphenylmethane and fluorene, which are simply connected via cyclization. The heaviest product was identified as phenanthrene, which is formed via the cyclization of bibenzyl to 9,10-dihydrophenanthrene and subsequent elimination of hydrogen. This result was quiet interesting as the intermediate of this reaction was often assumed to be stilbene, which was not observed in the study. Hence, the reaction seems to undergo cyclization first before phenanthrene is finally formed via hydrogen elimination. Expanding the molecular frame of benzyl by an additional methyl group leads to the xylyl radicals and its decomposition product the xylylenes. Also important in combustion research, xylyl radicals represent the preferred decomposition products of xylene, a frequently used anti-knock agent in modern gasoline blends. After further hydrogen elimination the xylyl radicals can then form their respective xylylenes. The results of the xylyl experiments are discussed in Section 3.3. Here the gas-phase vibrational spectrum in the fingerprint region for all three isomers has been recorded for the first time in isolation. Although, all isomers have a very similar structure and symmetry, and consequently similar vibrational bands, the resolution of the experimental data was exceedingly sufficient for a clear assignment. Additionally, the dimerization products of meta- and para-xylyl could also be identified. A similar approach was taken to determine the fingerprint spectra for the xylylenes. Here, only para-xylylene could be unambiguously identified as the carrier of mass 104. For both ortho- and meta-xylylene precursors, only isomerization products were observed as the carriers of mass 104; benzocyclobutene and styrene, respectively. A possible explanation is elaborated upon in the troubleshooting Sec- tion 3.4.3.5. In the final experimental section a study on the decomposition of phthalide is presented. The objective of this experiment was mainly focused around the formation of C7 species, particularly the fulvenallenyl radical C7H5. In fact, the first experimental fingerprint spectrum of isolated C7H5 in the gas-phase was measured and is displayed in Fig. 3.45. Furthermore, the experiment demonstrates that the pyrolysis products of phthalide are excellent soot precursors, as many heavier reaction products have been identified. These include typical PAH species like naphthalene and phenanthrene as well as their methylated isomers. A large number of molecules with terminal ethynyl moieties indicate a strong influence of HACA growth in the experimental environment. However, many formation pathways of products have been discussed, which are formed involving experiment specific species, like C5H5 and C7H5, and often include expansion steps from 5- to 6-membered rings.…
• Reaktive Kohlenwasserstoffe spielen eine wichtige Rolle in vielen wissenschaftlichen Bereichen. In der vorliegenden Dissertation wurden die schwingungsspektroskopischen Eigenschaften von Kohlenwasserstoffradikalen, Biradikalen und ihren Reaktionsprodukten in der Gasphase untersucht. Die Spezies, die in den Studien dieser Arbeit untersucht wurden, spielen eine besondere Rolle im Bereich der Verbrennungs- und Astrochemie. Sie wurden aus geeigneten Vorläufern pyrolytisch in einem beheizten Mikroreaktor hergestellt und anschließend mit einemReaktive Kohlenwasserstoffe spielen eine wichtige Rolle in vielen wissenschaftlichen Bereichen. In der vorliegenden Dissertation wurden die schwingungsspektroskopischen Eigenschaften von Kohlenwasserstoffradikalen, Biradikalen und ihren Reaktionsprodukten in der Gasphase untersucht. Die Spezies, die in den Studien dieser Arbeit untersucht wurden, spielen eine besondere Rolle im Bereich der Verbrennungs- und Astrochemie. Sie wurden aus geeigneten Vorläufern pyrolytisch in einem beheizten Mikroreaktor hergestellt und anschließend mit einem passenden Trägergas in die Gasphase überführt. Als spektroskopische Methode wurde IR/UV Ionen-Dip Spektroskopie verwendet. Diese liefert massenselektive Schwingungsspektren von allen in einem Molekularstrahl ionisierbaren und detektierbaren Spezies. Dies erlaubt es, mit Hilfe von DFT Rechnungen die Schwingungsspektren der isolierten Moleküle zu messen, diese zu identifizieren und auch Rückschlüsse auf die Reaktionsmechanismen zu ziehen. Alle Experimente dieser Thesis wurden in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. Anouk M. Rijs durchgeführt. Hierbei wurde als hochbrillante IR-Quelle der Freie-Elektronenlaser FELIX der Radboud University in Nijmegen verwendet. Die erste Studie in Kapitel 3.1 beschäftigte sich mit Untersuchungen des ortho- Benzins. Dieses Molekül ist von besonderer Bedeutung aufgrund seiner ungewöhnlichen elektronischen Struktur und seiner Rolle bei Hochtemperaturreaktionen. Obwohl das IR Spektrum des o-C6H4 nicht ermittelt werden konnte, war es möglich einige Reaktionsprodukte anhand ihrer Schwingungsspektren zu identifizieren. Massensignale im Bereich von 78 - 228 amu wurden hierbei ihren jeweiligen Molekülen zugeordnet. Hierzu zählen typische PAHs wie Naphthalen, Phenanthren, bis zu Triphenylen. Die identifizierten Spezies legten des Weiteren nahe, dass das PAH Wachstum zum größten Teil durch diradikalische 1,4-Cycloaddition mit anschließender Fragmentierung, sowie HACA und PAC Mechanismen dominiert sein dürfte. Diese Ergebnisse wurden mit Photoionisationsstudien von Engelbert Reusch vervollständigt, welcher weitere leichtere Reaktionsprodukte identifizieren konnte, die eine unzureichende IR Absorption oder ungeeignete Ionisationseigenschaften aufweisen. Eine besonders interessante Erkenntnis stellt die Identifizierung von Masse 152 dar. Der Träger dieser Masse wurde durch die IR und TPES Experimente unterschiedlich zugeordnet. Hierbei wurde die Masse durch die Schwingungsspektren der IR/UV Experimente als 2-Ethinylnaphthalen identifiziert. Die TPES Spektren jedoch zeigten eine große Übereinstimmung der experimentellen Daten mit Biphenylen. Somit war diese Studie ein hervorragendes Beispiel dafür, wie unterschiedliche Methoden sich gegenseitig ergänzen können, um einen besseren Einblick in ein bestimmtes System zu erhalten. Benzyl ist womöglich das beste Musterbeispiel für ein aromatisch resonanzstabilisiertes Radikal. Dieses ist von großer Bedeutung in vielen Verbrennungsstudien, da es das primäre hochtemperatur Zerfallsprodukt von Toluol darstellt. Das Ziel dieser Studie war die Identifizierung der Benzyl Selbstreaktionsprodukte und ihre Ergebnisse wurden in Kapitel 3.2 präsentiert. Das Radikal wurde pyrolytisch aus dem jeweiligen Nitritvorläufer hergestellt. Das Massenspektrum zeigte, dass zwei Produkte mit C11 und drei Produkte mit C14 Zusammensetzung entstanden. Alle Massensignale waren gleichmäßig mit einem Abstand von zwei Masseneinheiten verteilt, was eine enge Beziehung der Spezies im Hinblick auf ihre Bildung nahe legt. So wurden die zwei C11 Spezies als Diphenylmethan und Fluoren identifiziert, welche über Zyklisierung miteinander in Verbindung stehen. Das schwerste Produkt im Experiment konnte als Phenanthren identifiziert werden, welches durch die Zyklisierung von Bibenzyl zu 9,10-Dihydrophenantren und anschließender Wasserstoffeliminierung entsteht. Diese Erkenntnis war von besonderer Relevanz, da bisher oft davon ausgegangen wurde, dass das Zwischenprodukt dieser Reaktion Stilben sein müsste; was allerdings in dieser Studie nicht beobachtet wurde. Folglich scheint der erste Schritt dieser Reaktion eine Zyklisierung zu sein und die Wasserstoffeliminierung findet erst im zweiten Schritt statt, wobei Phenanthren gebildet wird. Wenn Benzyl um eine zusätzliche Methyl-Einheit erweitert wird, erhält man die Gruppe der Xylylradikale und ihrer Zerfallsprodukte, den Xylylenen. Diese Moleküle sind ebenfalls von besonderem Interesse in der Verbrennungsforschung, da Xylylradikale das primäre Hochtemperaturprodukt der Wasserstoffeliminierung von Xylolen sind. Xylyole werden häufig in Kraftstoffen als Anti-Klopfmittel eingesetzt und stellen häufig einen großen Anteil dieser dar. Eine weitere Eliminierung von Wasserstoff liefert anschließend die jeweiligen Xylylene. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden in Kapitel 3.3 diskutiert. Hierbei wurde das Gasphasen-IR-Fingerprintspektrum aller Xylyl-Isomere in Isolation zum ersten mal ermittelt. Obwohl alle Isomere eine sehr ähnliche Struktur und Symmetrie aufweisen und die resultieren Schwingungsmoden ebenfalls sehr ähnlich sind, war die Auflösung der experimentellen Daten ausreichend für eine eindeutige Zuordnung. Zusätzlich wurden ebenfalls die Dimerisierungsprodukte von meta- und para-Xylyl beobachtet und identifiziert. Eine ähnliche Herangehensweise wurde angewandt, um die Schwingungsspektren der Xylylene zu bestimmen. Hierbei konnte jedoch nur das IR-Spektrum von para-Xylylen als Träger der Masse 104 bei der Pyrolyse des jeweiligen Vorläufers eindeutig identifiziert werden. Für beide Vorläufer der ortho- und meta-Xylylen Experimente konnten lediglich Isomerisierungsprodukte als Träger von m/z = 104 festgestellt werden: Benzocyclobuten und Stilben. Mögliche Gründe für diese Ergebnisse wurden in Kapitel 3.4.3.5 erläutert. Im letzten Teil wurden die Arbeiten zur Zersetzung von Phthalid präsentiert. Das Ziel dieser Studie war die Erzeugung und Charakterisierung von C7 Spezies, insbesondere das Fulvenallenyl Radikal C7H5. Hierbei konnte das erste Gasphasen- Fingerprint-IR-Spektrum von isoliertem C7H5 ermittelt werden, welches in Fig. 3.45 zu sehen ist. Des Weiteren zeigte die Studie, dass Phthalid ein hervorragender Rußvorläufer ist, da eine große Anzahl weiterer Reaktionsprodukte identifiziert werden konnte. Diese beinhalten typische PAHs wie Naphthalen und Phenanthren, sowie ihre methylierten Isomere. Eine große Vielzahl von Molekülen mit terminalen Ethinylseitenketten deuten auf einen großen Einfluss von HACA ähnlichem PAH Wachstum hin. Hierbei wurden insbesondere Reaktionsmechanismen diskutiert, welche experimentspezifische Reaktionsprodukte, wie C5H5 und C7H5, beinhalten und oft Ringexpansionen von 5- zu 6-gliedrigen Ringen aufweisen.…