An Ab Initio/RRKM study of the reaction mechanism and product branching ratios of neutral-radical ethynyl (C2H) and cyano (CN) radical species with unsaturated hydrocarbons is performed. The reactions studied apply to cold conditions such as planetary atmospheres including Titan, the Interstellar Medium (ISM), icy bodies and molecular clouds. The reactions of C2H and CN additions to gaseous unsaturated hydrocarbons are an active area of study. NASA’s Cassini/Huygens mission found a high concentration of C2H and CN from photolysis of ethyne (C2H2) and hydrogen cyanide (HCN), respectively, in the organic haze layers of the atmosphere of Titan. The reactions involved in the atmospheric chemistry of Titan lead to a vast array of larger, more complex intermediates and products and may also serve as a chemical model of Earth’s primordial atmospheric conditions. The C2H and CN additions are rapid and exothermic, and often occur barrierlessly to various carbon sites of unsaturated hydrocarbons. The reaction mechanism is proposed on the basis of the resulting potential energy surface (PES) that includes all the possible intermediates and transition states that can occur, and all the products that lie on the surface. The B3LYP/6-311g(d,p) level of theory is employed to determine optimized electronic structures, moments of inertia, vibrational frequencies, and zero-point energy. They are followed by single point higher-level CCSD(T)/cc-vtz calculations, including extrapolations to complete basis sets (CBS) of the reactants and products. A microcanonical RRKM study predicts single-collision (zero-pressure limit) rate constants of all reaction paths on the potential energy surface, which is then used to compute the branching ratios of the products that result. These theoretical calculations are conducted either jointly or in parallel to experimental work to elucidate the chemical composition of Titan’s atmosphere, the ISM, and cold celestial bodies.

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Die Untersuchung der Reaktionen des Hydroxylradikals mit ungesättigten Kohlenwasserstoffen (Ethin, Ethen, Propen und Isopren) bei tiefen Temperaturen spielt für das Verständnis der Chemie der Troposphäre eine bedeutende Rolle. Aus der Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten können zunächst Informationen über die mechanistischen Details der Reaktionen abgeleitet werden. Dabei sind bimolekulare Geschwindigkeitskonstanten empfindlich auf Details der Potentialfläche in chemisch relevanten Energiebereichen.In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Untersuchungen der Reaktionen des Hydroxylradikals (OH) mit verschiedenen ungesättigten Kohlenwasserstoffen bei tiefen Temperaturen präsentiert. Die Abkühlung der Reaktanden auf bis zu 58K erfolgte durch die Expansion in einer Lavaldüse. Die Lavaldüse erzeugt einen in Temperatur, Dichte und Machzahl konstanten Strahl aus einem Trägergas (Stickstoff). OH- Radikale werden durch Laserphotolyse von Wasserstoffperoxid bei 193 nm und 248 nm erzeugt. Die zeitliche Entwicklung der Hydroxylradikalkonzentration in einem Überschuss des Reaktionspartners wurde mit Hilfe der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) gemessen.Begleitend zu den experimentellen Studien wird eine Abschätzung der bestimmten Geschwindigkeitskonstanten nach dem Modell der statistischen adiabatischen Reaktionskanäle (SACM) durchgeführt. Die Eigenschaften der Edukte und Produkte wurden mit Hilfe von DFT-Methoden berechnet. Die bestimmten Geschwindigkeitskonstanten zwischen 60 und 300K erstrecken sich über zwei Größenordnungen zwischen 10-12 und 10-10 cm3s-1. Dabei ist eine systematische Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeiten von Ethin nach Ethen, Propen und Isopren zu erkennen. Weiterhin wird für alle OH-Alken-Reaktionen (zumindest bis 100K) eine negative Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten beobachtet. Diese Tatsachen können durch die Annahme von langreichweitigen Multipol-Wechselwirkungen und den damit verbundenen weit außen liegenden Übergangszuständen der Reaktionen erklärt werden.Für die Reaktionen des OH-Radikals mit Ethin und Ethen wurden Hochdruckgrenzwerte der Reaktionen über die Schwingungsrelaxation des Hydroxylradikals ermittelt. Für die OH-Rekombinationsreaktion des Propens und besonders für Isopren wurde ein Absinken der Geschwindigkeitskonstanten bei Temperaturen unterhalb von 100K gefunden. Ein Effekt, der möglicherweise mit dem Vorhandensein von intermediären Isomeren erklärt werden kann. Die Analyse zeigt, dass die Reaktion OH + Ethin eine deutliche Barriere besitzt, die die geringe Temperaturabhängigkeit im Bereich zwischen 300 und 60K dominiert. Die Reaktion von OH und Ethen zeigt über den gesamten gemessenen Temperaturbereich eine negative Temperaturabhängigkeit.

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.