// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
So könnten Kohlenstoffringe in kalten Molekülwolken entstehen
Ringbildung ohne Hitze: In kalten Molekülwolken könnten komplexe Kohlenwasserstoffe über Reaktionen wachsen, die keine anfängliche Energiebarriere überwinden müssen. Modellrechnungen zeigen nun einen solchen Weg zum Molekül Phenalen und könnten damit erklären, wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe schon in den eisigen Vorstufen künftiger Sternsysteme entstehen.
Miami (U.S.A.). In der Taurus-Molekülwolke TMC-1 herrschen Temperaturen von nur rund zehn Kelvin. Trotzdem haben Astronomen dort eine überraschend reiche Chemie entdeckt, darunter polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), deren Kohlenstoffgerüste aus mehreren miteinander verbundenen Ringen bestehen. Zu diesen Molekülen gehört Phenalen, das erst vor kurzem in TMC-1 nachgewiesen wurde.
Das stellt Astrochemiker vor ein Problem, denn mehrere bekannte Bildungswege für Phenalen benötigen zunächst Energie, um Eintrittsbarrieren zu überwinden. Unter den extrem kalten Bedingungen einer Dunkelwolke sind solche Reaktionen ineffizient, weshalb ein Weg gesucht wird, der schon bei der ersten Begegnung zweier Moleküle ohne diese Hürde auskommt.
Forscher der Florida International University (FIU) um Alexander M. Mebel haben nun einen solchen Weg rechnerisch untersucht. Dazu kombinierten sie elektronische Strukturberechnungen mit statistischen Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus-Modellen (RRKM), mit denen sich mögliche Reaktionspfade und ihre Produktverteilung abschätzen lassen. Im Zentrum steht die Reaktion von 1-Vinylnaphthalin mit dem hochreaktiven Methylidin-Radikal CH.
Den Berechnungen zufolge kann CH ohne Eintrittsbarriere an die Vinyl-Seitenkette von 1-Vinylnaphthalin addieren. Nach mehreren Umlagerungen kann sich dabei ein zusätzlicher sechsgliedriger Ring schließen, anschließend wird ein Wasserstoffatom abgespalten und Phenalen entsteht. Dieser Mechanismus aus Methylidin-Addition, Zyklisierung und Aromatisierung erweitert einen bereits bekannten Reaktionstyp, der unter kalten Bedingungen kleinere aromatische Ringsysteme bilden kann.
Innerhalb des untersuchten Seitenketten-Reaktionskanals sagen die RRKM-Rechnungen bei praktisch fehlender Kollisionsenergie und sehr niedrigem Druck eine Produktverteilung von 82 Prozent Phenalen und 18 Prozent Benzoinden voraus. Das bedeutet jedoch nicht, dass 82 Prozent aller Zusammenstöße Phenalen liefern, denn Methylidin kann auch an die aromatischen Ringe des Ausgangsmoleküls addieren und dadurch andere Produkte erzeugen. Die Autoren schätzen sogar, dass solche Ringangriffe beim ersten Reaktionsschritt häufiger sein könnten als der für Phenalen wichtige Angriff auf die Seitenkette.
Wie entscheidend die genaue Reaktionsroute ist, zeigt ein zweiter untersuchter Kandidat. Auch die Reaktion von Naphthalin mit dem 1-Propinyl-Radikal beginnt den Rechnungen zufolge ohne Eintrittsbarriere, nimmt danach aber bevorzugt einen anderen Weg und verliert ein Wasserstoffatom. Fast ausschließlich entsteht so 1-Propinyl-1-naphthalin statt Phenalen.
Damit liefern die Berechnungen nicht einfach irgendeinen energiearmen Bildungsweg, sondern grenzen einen speziellen Mechanismus ein. Für astrochemische Modelle ist das wichtig, weil sie nicht nur berücksichtigen müssen, ob zwei Teilchen reagieren können, sondern auch, welche Produkte nach den folgenden Umlagerungen tatsächlich bevorzugt werden.
Die Studie ist dennoch kein Nachweis dafür, dass der neue Reaktionsweg in TMC-1 tatsächlich abläuft, denn die Arbeit beruht auf quantenchemischen und statistischen Berechnungen und nicht auf einem direkten Laborexperiment dieser Reaktion. Zudem bleibt offen, wie das benötigte 1-Vinylnaphthalin unter den Bedingungen der Molekülwolke entsteht.
Die Autoren skizzieren dafür mehrere mögliche, ebenfalls barrierefreie Reaktionsfolgen, doch einige der dafür nötigen Einzelschritte wurden weder experimentell noch rechnerisch direkt untersucht. Der neue Mechanismus schließt deshalb eine wichtige Lücke, lässt aber zugleich eine neue offen. Künftige Experimente und d