Ursachen der unterschiedlichen Reaktivität von [AlCeO_x]⁺ (x=2–4) gegenüber Methan in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt

Abstract

Die thermischen Gasphasenreaktionen der geschlossenschaligen heteronuklearen Metalloxidcluster [AlCeO x ] + (x = 2-4) mit Methan wurden mittels FT-ICR-Massenspektrometrie und quantenchemischer Rechnungen untersucht. Während [AlCeO 2 ] + und [AlCeO 4 ] + unter thermischen Bedingungen gegenüber Methan inert sind, reagiert [AlCeO 3 ] + spontan unter Wasserstoffatomabstraktion. Unter Berücksichtigung mechanistischer Aspekte konnten die Ursachen dieser deutlich unterschiedlichen Eigenschaften der [AlCeO x ] + /CH 4 -Paare aufgedeckt werden;d ie elektronische Grundlage der beispiellosen, einfachen Wasserstoffatomabstraktion von Methan durchd en geschlossenschaligen Cluster [AlCeO 3 ] + wird diskutiert.Aluminiumund cerhaltige Metalloxide stehen wegen ihrer katalytischen Funktion in vielen großtechnischen Umwandlungsprozessen von Kohlenwasserstoffen nach wie vor im Fokus der chemischen Forschung. [1] Um Einblicke in diese Prozesse zu gewinnen, wurden zahlreiche Gasphasenuntersuchungen durchgeführt, mit denen die Reaktionsmechanismen auf strikt molekularer Ebene aufgeklärt werden konnten. [2] So kann in Modellstudien zur Methanaktivierung das aktive Zentrum eines Katalysators nachgebildet und damit die katalytische Umsetzung von Methan in der kondensierten Phase verbessert werden. Während eine Reihe von alumini-) n ]C + (n = 3-5) [10] und [Al 2 TaO 5 ] + , [11] zur thermischen Aktivierung von Methan in der Lage ist, sind nur zwei Arten von cerhaltigen Clustern, nämlich [(CeO 2 ) n ]C + (n = 2-4) [12] und [(CeO 2 ) m (V 2 O 5 ) n ] + (m = 1, 2, n = 1-5; m = 3, n = 1-4), [13] bekannt, die unter thermischen Bedingungen spontan mit Methan reagieren. Darüber hinaus gibt es unseres Wissens keine Studien zur thermischen Methanaktivierung durch heteronukleare Al/Ce-Cluster in der Gasphase;ind er konden-sierten Phase dagegen werden Al/Ce-haltige Katalysatoren fürdie Methanaktivierung bereits genutzt. [14] Hier berichten wir, dass das geschlossenschalige Oxid [AlCeO 3 ] + unter thermischen Bedingungen ein Wasserstoffatom von Methan abstrahieren kann;i mU nterschied dazu sind die beiden Kationen [AlCeO 2 ] + und [AlCeO 4 ] + gegenüber diesem Substrat inert. Darüber hinaus ist das Verhalten von [AlCeO 3 ] + auch deutlich verschieden von dem anderer geschlossenschaliger Spezies wie [OTiH] + , [15] [AuCH 2 ] + , [16] [AuC] + , [17] [OSiOH] + , [18] [XHfO] + (X = F, Cl, Br), [19] [TaO 2 ] + , [20] [TaO 3 ] + , [21] [Al 2 TaO 5 ] + , [11] [AuTi 3 O x ] À (x = 7, 8) [22] und [AuV 2 O 6 ] + . [23] Zwar kçnnen auch diese Ionen Methan unter thermischen Bedingungen aktivieren, zur einfachen Wasserstoffatomabstraktion unter Verlust eines Methylradikals sind sie jedoch nicht in der Lage.D ie Ursachen der unterschiedlichen Reaktivitäten von [AlCeO x ] + (x = 2-4) gegenüber Methan sowie die besonderen Eigenschaften von [AlCeO 3 ] + werden hier diskutiert. Setzt man massenselektierte und thermalisierte [AlCeO x ] + -Ionen (x = 2-4) der Gegenwart von CH 4 aus, reagiert nur [AlCeO 3 ] + unter Bildung von [AlCeO 3 H]C + [Abbildung 1a und Gl. (1) (t...