Результаты этой междисциплинарной работы предоставляют важную информацию о процессах окисления как в двигателях внутреннего сгорания, так и в атмосфере, что напрямую влияет на эффективность двигателя и образование аэрозолей, особенно в городах, пишет исследовательская группа в журнале Химия коммуникаций, журнал с открытым доступом, издаваемый издательской группой Springer-Nature.

Процессы окисления играют важную роль как в атмосфере, так и при горении. Цепная реакция, называемая автоокислением, запускается при высоких температурах двигателя. Но он также действует как важный источник высокоокисленных соединений в атмосфере, которые образуют органический аэрозоль, как продемонстрировали исследователи из Финляндии, Германии и США в 2014 году. Автоокисление является одной из причин процессов старения органических соединений кислородом из воздуха. Это способствует порче продуктов питания и вина.

Эта цепная реакция инициируется образованием пероксирадикалов (RO2). Склонность органических соединений подвергаться такому многоступенчатому автоокислению определяет время воспламенения топлива в двигателях и, с другой стороны, возможность образования конденсирующихся паров с низкой летучестью и, следовательно, органического аэрозоля в атмосфере. Степень, в которой происходит многоступенчатое автоокисление, зависит от молекулярной структуры органических соединений и условий реакции. Определение различных путей реакции пероксирадикалов, которые являются важными промежуточными звеньями во всех реакциях окисления, имеет решающее значение для образования различных продуктов реакции и их ключевых свойств, которые в конечном итоге могут повлиять как на здоровье человека, так и на климат.

Поскольку пероксирадикалы очень реакционноспособны, их химические реакции протекают очень быстро, и поэтому отдельные стадии реакции долгое время не учитывались. Открытие органических молекул с высоким содержанием кислорода (HOMs) семь лет назад стало возможным только благодаря достижениям в методах измерения. Специальный масс-спектрометр (химическая ионизация - интерфейс атмосферного давления - масс-спектрометр времени полета (CI-APi-TOF)), который может контролировать очень короткоживущие соединения, теперь использовался для измерения радикалов и продуктов окисления алканов. "До сих пор не проводилось исследований по образованию HOM из алканов, поскольку предполагалось, что их структура будет неблагоприятной для автоокисления", - сообщает доктор Торстен Берндт из TROPOS. Метан, важный парниковый газ, относится к группе алканов. Но наиболее важные ископаемые виды топлива мировой экономики из сырой нефти и природного газа также состоят из алканов: к ним относятся пропан, бутан, пентан, гексан, гептан и октан. Таким образом, новые данные об окислительных свойствах этой группы веществ имеют большое значение во многих областях.

Чтобы получить более глубокое представление об автоокислении алканов, в дополнение к экспериментам в Хельсинки были проведены эксперименты в реакторе со свободным потоком в TROPOS в Лейпциге. Экспериментальная установка оптимизирована таким образом, чтобы газы не соприкасались со стенками во время реакции, чтобы исключить влияние на результаты процессов в стенках. В ходе экспериментов можно было непосредственно контролировать почти все реакционноспособные промежуточные продукты, радикалы RO2 и продукты их реакции. Междисциплинарное сотрудничество исследователей из области химии горения и химии атмосферы оказалось очень полезным, поскольку в процессах горения происходят аналогичные процессы, как и в атмосфере, только при более высокой температуре. "В результате стало очевидно, что реакции изомеризации не только радикалов RO2, но и радикалов RO ответственны за образование продуктов более высокого окисления. Исследование позволило идентифицировать с алканами последнюю и, возможно, самую удивительную группу органических соединений, для которых важно автоокисление", - заключает Торстен Берндт.

Даже при высоких концентрациях оксидов азота, которые в противном случае быстро прекращают реакции автоокисления, алканы, по-видимому, выделяют в воздух значительные количества высокоокисленных соединений. Новые результаты позволяют глубже понять процессы автоокисления и дают толчок к дальнейшим исследованиям реакций изомеризации радикалов RO.