Wissenschaftler erforschen die Quelle wichtiger Kohlenwasserstoffe auf der Erde – und im Weltraum

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind eine Art organischer Moleküle, die kondensierte Ringe aus der Chemikalie Benzol tragen. Wissenschaftler glauben, dass PAKs für chemische Prozesse verantwortlich sind, die schließlich zu Ruß und anderen kohlenstoffhaltigen Nanopartikeln auf der Erde sowie um und zwischen den Sternen im tiefen Weltraum führen. Auf der Erde entstehen PAKs unter anderem durch die unvollständige Verbrennung von Kohle, Öl und anderen Stoffen und sind schädlich für die menschliche Gesundheit.

Im gesamten Universum machen PAKs bis zu 30 % des gesamten Kohlenstoffs aus, sei es in der Nähe von Sternen, interstellaren Wolken oder Planeten. Wissenschaftler verstehen jedoch nicht vollständig, welche Rolle die Reaktionen zweier freier Radikale bei der Bildung von PAKs in extremen Umgebungen spielen. Freie Radikale sind Moleküle mit einem ungepaarten Elektron, das über mindestens drei Atome verteilt ist. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Chemische WissenschaftForscher führten Experimente durch, um herauszufinden, wie der Prototyp PAK – Naphthalin – aus Reaktionen entstehen kann, die in der Gasphase der Materie stattfinden.

Die Ergebnisse liefern grundlegende Erkenntnisse über die Prozesse, die zur Bildung des einfachsten PAK-Vertreters Naphthalin – einem Schlüsselbestandteil von Mottenkugeln – führen können. Die Forscher fanden heraus, dass diese Reaktion in der Gasphase durch die Reaktion von Radikalen ablaufen kann, die in Verbrennungsflammen und im Raum um kohlenstoffreiche Sterne vorkommen. Dies liefert neue grundlegende Erkenntnisse über die Chemie und den Kohlenstoffhaushalt unserer Galaxie.

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und ihre Nachkommen Rußpartikel stellen unerwünschte Nebenprodukte bei Verbrennungsprozessen fossiler Brennstoffe dar, Wissenschaftler haben jedoch kein vollständiges Verständnis der grundlegenden Mechanismen ihrer Entstehung. Eine isomerselektive Produktdetektion zeigt, dass die Reaktion des resonant stabilisierten Benzylradikals (C7H7) und des Propargylradikals (C3H3) den einfachsten Vertreter der PAKs synthetisiert – das aromatische 10p-Hückel-Naphthalinmolekül (C10H8).

Die Gasphasenherstellung von Naphthalin bietet ein radikal neues Konzept der Reaktion verbrennungsrelevanter Propargylradikale mit aromatischen Radikalen, die das Radikalzentrum an der Methyleneinheit tragen (Aroma-CH2•), die bisher als Quelle für Aromaten in hoher Konzentration übersehen wurden Temperaturumgebungen.

Dieser einfache Propargyl-Additions-BenzAnnulation-Mechanismus (PABA) von Propargylradikalen mit anderen aromatischen CH2•-Radikalen außerhalb von Benzyl könnte zu PAKs höherer Ordnung wie Anthracen und Phenanthren führen. Dieser Befund ist ein grundlegender Wandel in der Wahrnehmung, dass PAKs vorwiegend über die Wege der Wasserstoffabstraktion – Acetylenaddition (HACA) und der Phenyladditions-Dehydrozyklisierung (PAC) in Hochtemperaturverbrennungsumgebungen gebildet werden.

Dieser PABA-Mechanismus bietet vielseitige und vielfältige Wege zu drei Schlüsselklassen aromatischer Kohlenwasserstoffe: Acene (PAKs, die aus linear verschmolzenen Benzolringen bestehen), Phenacene (PAKs, die Benzolringe mit Zick-Zack-Struktur tragen) und Helicene (orthokondensierte PAKs, in denen Benzolringe bestehen). sind eckig anelliert und ergeben helikal geformte chirale Moleküle), wodurch Wissenschaftler dem Verständnis des aromatischen Universums, in dem wir leben, näher kommen.