Two gas-phase ion-molecule reaction systems are presented here based on measurements done in a temperature variable 22-pole trapping machine. In the first case, the proton affinity of methane is determined based on a new technique for measuring the equilibrium constant of the HCO2+ + CH4 <=> CH5+ + CO2 reaction. The second case reports to the (Ar + N2 )+ reaction system, with reaction rate temperature dependencies measurements made both in the forward and reverse direction with different and complementary methods. The temperature variable 22-pole trapping machine allows one to determine equilibrium constants and reaction rate coefficients over a wide range of temperatures. The coupling of an effusive beam to the setup overcomes the problem of neutral gas wall condensation and extends the temperature range measurements beyond condensation point. The introduction (Chapter 1) gives a short overview about the rf technology and parallel experimental techniques developed in order to better characterize and understand the several mechanisms related to ion-molecule reactions. It also focuses some aspects of reaction rate temperature dependencies determination as well as thermodynamical equilibrium in laboratory environment. A short description of the setup and experimental methods are presented in Chapter 2. Based on equilibrium constant measurements, Chapter 3 is dedicated to the proton affinity of methane. This concept has applications on several fields such as atmospheric and combustion modelling, or testing empirical and ab initio theories for electronic structures. The (Ar − N2 )+ system presented in Chapter 4, is known for being a good case study for inferring the role of vibrational excitation in reaction dynamics and to the existence of non-adiabatic coupling. The experimental results here presented for the N2+ + Ar reaction demonstrate that it is possible to avoid parallel reactions with first vibrational excited state of nitrogen (N2 (ν = 1)). On the other hand, the reverse reaction experiments confirm the existence of a minimum of the reaction rate in the 30 to 300 K range, due to the existence of two reaction channels. The question of the high rate coefficient towards lower temperatures being related to the N2 rotational ground state population is raised. A summary and outlook are presented in Chapter 5, where some new possible paths of investigation are pointed out.

In dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, Bortrihalogenide mit Wasserstoff unter milden Bedingungen (T < 100 °C, p(H2) < 50 bar) zu hydrieren. Um eine Triebkraft für die thermodynamisch ungünstige Reaktion zu erhalten, wurden Amine als Hilfsbasen zugesetzt, welche den bei der Reaktion entstehenden Halogenwasserstoff als Ammoniumsalz binden und damit das Reaktionsgleichgewicht in Richtung der Produkte verschieben. Es wurden dafür verschiedene Amin-Boran bzw. Amin-HCl Addukte synthetisiert und mittels IR, NMR und DSC charakterisiert. Bei den anschließenden Hydrierungsversuchen wurden verschiedene Katalysatoren auf ihre Eignung getestet und weiterentwickelt. Unterstützt wurden die experimentellen Arbeiten durch Berechnungen mit Gaussian 03. IR- und NMR-Spektren vieler Addukte wurden berechnet und freie Reaktionsenthalpien der Hydrierung in Abhängigkeit des verwendeten Amins und Borhalogenids bestimmt. Mögliche Übergangszustände wurden diskutiert und ihre Aktivierungsenergien ermittelt.

Two gas-phase ion-molecule reaction systems are presented here based on measurements done in a temperature variable 22-pole trapping machine. In the first case, the proton affinity of methane is determined based on a new technique for measuring the equilibrium constant of the HCO2+ + CH4 <=> CH5+ + CO2 reaction. The second case reports to the (Ar + N2 )+ reaction system, with reaction rate temperature dependencies measurements made both in the forward and reverse direction with different and complementary methods. The temperature variable 22-pole trapping machine allows one to determine equilibrium constants and reaction rate coefficients over a wide range of temperatures. The coupling of an effusive beam to the setup overcomes the problem of neutral gas wall condensation and extends the temperature range measurements beyond condensation point. The introduction (Chapter 1) gives a short overview about the rf technology and parallel experimental techniques developed in order to better characterize and understand the several mechanisms related to ion-molecule reactions. It also focuses some aspects of reaction rate temperature dependencies determination as well as thermodynamical equilibrium in laboratory environment. A short description of the setup and experimental methods are presented in Chapter 2. Based on equilibrium constant measurements, Chapter 3 is dedicated to the proton affinity of methane. This concept has applications on several fields such as atmospheric and combustion modelling, or testing empirical and ab initio theories for electronic structures. The (Ar − N2 )+ system presented in Chapter 4, is known for being a good case study for inferring the role of vibrational excitation in reaction dynamics and to the existence of non-adiabatic coupling. The experimental results here presented for the N2+ + Ar reaction demonstrate that it is possible to avoid parallel reactions with first vibrational excited state of nitrogen (N2 (ν = 1)). On the other hand, the reverse reaction experiments confirm the existence of a minimum of the reaction rate in the 30 to 300 K range, due to the existence of two reaction channels. The question of the high rate coefficient towards lower temperatures being related to the N2 rotational ground state population is raised. A summary and outlook are presented in Chapter 5, where some new possible paths of investigation are pointed out.

In dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, Bortrihalogenide mit Wasserstoff unter milden Bedingungen (T < 100 °C, p(H2) < 50 bar) zu hydrieren. Um eine Triebkraft für die thermodynamisch ungünstige Reaktion zu erhalten, wurden Amine als Hilfsbasen zugesetzt, welche den bei der Reaktion entstehenden Halogenwasserstoff als Ammoniumsalz binden und damit das Reaktionsgleichgewicht in Richtung der Produkte verschieben. Es wurden dafür verschiedene Amin-Boran bzw. Amin-HCl Addukte synthetisiert und mittels IR, NMR und DSC charakterisiert. Bei den anschließenden Hydrierungsversuchen wurden verschiedene Katalysatoren auf ihre Eignung getestet und weiterentwickelt. Unterstützt wurden die experimentellen Arbeiten durch Berechnungen mit Gaussian 03. IR- und NMR-Spektren vieler Addukte wurden berechnet und freie Reaktionsenthalpien der Hydrierung in Abhängigkeit des verwendeten Amins und Borhalogenids bestimmt. Mögliche Übergangszustände wurden diskutiert und ihre Aktivierungsenergien ermittelt.:1. Einleitung und Problemstellung 2. Stand der Wissenschaft 2.1. Allgemeines 2.2. Die Amin-Boran-Addukte 2.3. Hydrierung mit Wasserstoff 2.3.1. Allgemeine Konzepte 2.3.2. Katalytische Hydrierung 2.3.3. Thermodynamische und kinetische Betrachtungen 2.4. Hydrierung mit Hydrosilanen 2.5. Quantenchemische Berechnungen 2.5.1. Grundlagen 2.5.2. Die Dichtefunktionaltheorie 2.5.3. Basissätze 2.5.4. Die Optimierungsverfahren 2.5.5. Übergangszustandsrechnungen 2.5.6. Weitere verwendete Methoden 2.6. 11B-NMR 3. Geräteteil 4. Durchgeführte Synthesen 4.1. Synthese von N-Ethyldiphenylamin 4.2. Synthese von N-Ethylbis(p-tolyl)amin 4.3. Synthese der BN-Addukte 4.4. Synthese der HCl-Addukte 4.5. Synthese von P-1 Nickel 5. Ergebnisse 5.1. Berechnungen mit Gaussian 5.1.1. Das Reaktionssystem auf Grundlage des Bortrichlorids 5.1.2. Die Hydrierung von Bortribromid und Bortriiodid mit Wasserstoff 5.1.3. Hydrierung mit Triethylsilan 5.1.4. Zusammenfassende Betrachtung der berechneten Ergebnisse 5.2. Die Addukte 5.2.1. Die "Amingrundtypen" 5.2.2. Die Addukte modifizierter Amine 5.2.3. Zusammenfassung 5.3. Hydrierung mit Triethylsilan 5.3.1. Allgemeines 5.3.2. Vergleich der Hydrierung der Bortrichlorid-Addukte von Triethylamin und N,N-Diethylanilin 5.3.3. Hydrierung bei verschiedenen Temperaturen 5.3.4. Zusammenfassung 5.4. Hydrierung mit Wasserstoff 5.4.1. Allgemeines 5.4.2. Hydrierversuche im Einkammerreaktor 5.4.3. Hydrierversuche im Zweikammerreaktor 5.4.4. Zusammenfassung 5.5. Weitere durchgeführte Experimente 5.5.1. Hydrierung von Disilanen 5.5.2. Zusatz von Chloridakzeptoren 6. Zusammenfassung und Ausblick 7. Anhang 7.1. Analytische Daten und Produktidentifizierung 7.1.1. NMR-Daten 7.1.2. IR-Daten 7.1.3. Einkristalldaten 7.2. Gaussian 03 Daten 7.2.1. Energien der Grundzustände 7.2.2. Energien der Übergangszustände 7.2.3. Berechnete IR-Spektren 7.2.4. Berechnete Reaktionsgrößen 7.2.5. Isotrope Abschirmungen 7.3. DSC-Daten 7.3.1. Boran-Amin-Addukte 7.3.2. HCl-Amin-Addukte 7.4. Die Hydrierungsansätze 8. Literaturverzeichnis 9. Formelverzeichnis