<p>Crude oil is a mixture of hydrocarbons so complex that it is predicted to comprise as many compounds as there are genes in the human genome. Developing methods to not only recover crude oil from the ground but also to convert crude oil into desirable products is challenging due to its complex nature. Thus, the petroleum industry relies heavily on analytical techniques to characterize the oil in reservoirs prior to enhanced oil recovery efforts and to evaluate the chemical compositions of their crude oil based products. Mass spectrometry (MS) is the only analytical technique that has the potential to provide elemental composition as well as structural information for the individual compounds that comprise petroleum samples. The continuous development of ionization techniques and mass analyzers, and other instrumentation advances, have primed mass spectrometry as the go-to analytical technique for providing solutions to problems faced by the petroleum industry. The research discussed in this dissertation can be divided into three parts: developing novel mass spectrometry-based methods to characterize mixtures of saturated hydrocarbons in petroleum products (Chapters 3 and 5), exploring the cause of fragmentation of saturated hydrocarbons upon atmospheric pressure chemical ionization to improve the analysis of samples containing these compounds (Chapter 4), and developing a better understanding of the chemical composition of crude oil that tightly binds to reservoir surfaces to improve chemically enhanced oil recovery (Chapter 6). </p>

Hydrocarbons, in particular polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), have been long discussed to be carriers of interstellar infrared (IR) emission and ultraviolet (UV) absorption features. Yet, their origin in dense phases of the interstellar medium (ISM), such as molecular clouds, remains unclear. In this work, growth mechanisms based on ion-molecule reactions between cationic PAHs/hydrocarbons and methyne (CH) were investigated. The reaction type and the precursor were derived and selected from known chemical and physical properties of the ISM. These chemical reactions were characterised by calculating branching ratios (based on cross sections) and capture rate coefficients, minimum reaction paths, reaction enthalpies, thermal equilibrium constants, and microcanonic isomerisation and radiative deactivation rate coefficients. In order to cope with the variety of reaction parameters, a hierarchic workflow scheme was set up. First, the reaction potential energy surface was sampled by molecular dynamics simulations. Then, minimum energy paths of the most probable reaction channels were investigated. Finally, molecular and kinetic properties of stationary points were calculated. The quantum chemical level of theory was increased at each step from DFTB (tight-binding density-functional), to DFT, and finally to post-Hartree-Fock methods. Results on CH based hydrocarbon growth showed the transition from non-cyclic hydrocarbons to cyclic and aromatic structures and from cyclic to polycyclic aromatic hydrocarbons. Additionally, the reactive collisions between hydrocarbons and CH were found to produce sufficient energy for isomerisation and fragmentation processes even at ultra low temperatures. In all, the results indicate that methyne might be a proper precursor for the formation of large interstellar PAHs. / Kohlenwasserstoffe, insbesondere polyzyklische Kohlenwasserstoffe (engl. PAHs), werden seit einigen Jahren als Mitverursacher interstellar IR-Emissions- und UV-Absorptionsbanden angesehen und diskutiert. Dabei ist die Herkunft dieser Moleküle in den dichten Phasen des interstellaren Mediums (ISM) aber noch nicht aufgeklärt. In dieser Arbeit wurden daher die Bildungsmechanismen, welche auf Ion-Molekül-Reaktionen zwischen kationischen PAHs und Kohlenwasserstoffen und dem Molekül CH beruhen, untersucht. Sowohl der Reaktionstyp als auch der Präkursor wurden anhand von bekannten physikalischen und chemischen Eigenschaften des ISM abgeleitet und ausgewählt. Die Analyse der chemischen Reaktionen basierte auf Berechnungen zur Produktzusammensetzung und Einfangsratenkoeffizienten (welche wiederum aus berechneten Reaktionsquerschnitten hervorgingen) Minimumenergiepfade (MEP), Reaktionsenthalpien, thermische Gleichgewichtskonstanten und mikrokanonische Isomerisierungs- und Strahlungsdeaktivierungs-Ratenkoeffizienten. Um der Vielzahl an Reaktionsparameter gerecht zu werden, wurden die Berechnungsmethoden entsprechend eines hierarischen Fließschemas kombiniert. Hierzu wurden zuerst durch Molekulardynamik-Simulationen die Reaktionspotentialenergieflächen abgerastert. Auf der nächsten Stufe wurden statistisch bedeutsame Reaktionskanäle bezüglich ihrer Minimumenergiepfade untersucht. Den Abschluss bildete die Berechnung molekularer und kinetischer Charakteristika stationärer Punkte auf einem MEP. Entsprechend dieses Schemas wurde die quantenchemische Genauigkeit auf jeder Stufe von approximativer DFT über DFT zu post-Hartree-Fock verändert. Die Ergebnisse des CH-basierten Kohlenwasserstoffwachstums zeigten einen Übergang von nichtzyklischen zu zyklischen and aromatischen Strukturen, sowie von zyklischen zu polyzyklischen Kohlenwasserstoffen. Außerdem zeigte sich, dass reaktive Kollisionen zwischen Kohlenwasserstoffen und CH auch bei Tiefsttemperaturen immer ausreichend Energie für Isomerisierungs- und Fragmentationsprozesse liefert. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen den Schluss zu, dass CH ein geeigneter Präkursor für die Bildung großer interstellarer PAH ist.

Hydrocarbons, in particular polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), have been long discussed to be carriers of interstellar infrared (IR) emission and ultraviolet (UV) absorption features. Yet, their origin in dense phases of the interstellar medium (ISM), such as molecular clouds, remains unclear. In this work, growth mechanisms based on ion-molecule reactions between cationic PAHs/hydrocarbons and methyne (CH) were investigated. The reaction type and the precursor were derived and selected from known chemical and physical properties of the ISM. These chemical reactions were characterised by calculating branching ratios (based on cross sections) and capture rate coefficients, minimum reaction paths, reaction enthalpies, thermal equilibrium constants, and microcanonic isomerisation and radiative deactivation rate coefficients. In order to cope with the variety of reaction parameters, a hierarchic workflow scheme was set up. First, the reaction potential energy surface was sampled by molecular dynamics simulations. Then, minimum energy paths of the most probable reaction channels were investigated. Finally, molecular and kinetic properties of stationary points were calculated. The quantum chemical level of theory was increased at each step from DFTB (tight-binding density-functional), to DFT, and finally to post-Hartree-Fock methods. Results on CH based hydrocarbon growth showed the transition from non-cyclic hydrocarbons to cyclic and aromatic structures and from cyclic to polycyclic aromatic hydrocarbons. Additionally, the reactive collisions between hydrocarbons and CH were found to produce sufficient energy for isomerisation and fragmentation processes even at ultra low temperatures. In all, the results indicate that methyne might be a proper precursor for the formation of large interstellar PAHs. / Kohlenwasserstoffe, insbesondere polyzyklische Kohlenwasserstoffe (engl. PAHs), werden seit einigen Jahren als Mitverursacher interstellar IR-Emissions- und UV-Absorptionsbanden angesehen und diskutiert. Dabei ist die Herkunft dieser Moleküle in den dichten Phasen des interstellaren Mediums (ISM) aber noch nicht aufgeklärt. In dieser Arbeit wurden daher die Bildungsmechanismen, welche auf Ion-Molekül-Reaktionen zwischen kationischen PAHs und Kohlenwasserstoffen und dem Molekül CH beruhen, untersucht. Sowohl der Reaktionstyp als auch der Präkursor wurden anhand von bekannten physikalischen und chemischen Eigenschaften des ISM abgeleitet und ausgewählt. Die Analyse der chemischen Reaktionen basierte auf Berechnungen zur Produktzusammensetzung und Einfangsratenkoeffizienten (welche wiederum aus berechneten Reaktionsquerschnitten hervorgingen) Minimumenergiepfade (MEP), Reaktionsenthalpien, thermische Gleichgewichtskonstanten und mikrokanonische Isomerisierungs- und Strahlungsdeaktivierungs-Ratenkoeffizienten. Um der Vielzahl an Reaktionsparameter gerecht zu werden, wurden die Berechnungsmethoden entsprechend eines hierarischen Fließschemas kombiniert. Hierzu wurden zuerst durch Molekulardynamik-Simulationen die Reaktionspotentialenergieflächen abgerastert. Auf der nächsten Stufe wurden statistisch bedeutsame Reaktionskanäle bezüglich ihrer Minimumenergiepfade untersucht. Den Abschluss bildete die Berechnung molekularer und kinetischer Charakteristika stationärer Punkte auf einem MEP. Entsprechend dieses Schemas wurde die quantenchemische Genauigkeit auf jeder Stufe von approximativer DFT über DFT zu post-Hartree-Fock verändert. Die Ergebnisse des CH-basierten Kohlenwasserstoffwachstums zeigten einen Übergang von nichtzyklischen zu zyklischen and aromatischen Strukturen, sowie von zyklischen zu polyzyklischen Kohlenwasserstoffen. Außerdem zeigte sich, dass reaktive Kollisionen zwischen Kohlenwasserstoffen und CH auch bei Tiefsttemperaturen immer ausreichend Energie für Isomerisierungs- und Fragmentationsprozesse liefert. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen den Schluss zu, dass CH ein geeigneter Präkursor für die Bildung großer interstellarer PAH ist.