Biegeschwingungen kleiner Kohlenstoff-Ketten

Reine Kohlenstoffmoleküle spielen eine wichtige Rolle in der Chemie des interstellaren Mediums. Abgesehen von ihrer astrophysikalischen Relevanz sind diese Kohlenstoff-Cluster auch im Hinblick auf ihre Strukturvielfalt von großem Interesse.

Kleine Cluster aus einigen wenigen Atomen liegen als Kettenmoleküle vor. Fragestellungen, wie etwa die nach der Starrheit dieser Ketten bzgl. der Biegeschwingung, lassen sich mit Hilfe hochauflösender Spektroskopie genauestens  untersuchen. Die Klärung dieser und ähnlicher Fragen ist dabei grundlegend für das Verständnis der Bildungsprozesse komplexer Strukturen. Lineares C₇ galt bspw. lange als ein außergewöhnlich biegsames Molekül. Die Biegeschwingungen mit derartig großen Amplituden werden als entscheidend beim Übergang von linearen Ketten in Ringe angenommen.

Informationen über die Biegeschwingungen kleiner Kohlenstoffketten lassen sich aus Untersuchungen sog. heißer Banden gewinnen, die durch den Übergang aus einer Biegeschwingung in eine Kombination von Biege- und antisymmetrischer Streckschwingung entstehen. Diese heißen Banden liegen wie die beteiligten Streckschwingungen im mittleren IR-Bereich.

Im I. Physikalischen Institut der Universität Köln werden Kohlenstoffketten mittels eines gepulsten Excimerlasers erzeugt und mit einem hochauflösenden IR-Diodenlaserspektrometer untersucht.  Die Implementierung stickstoffgekühlter Bleisalzdiodenlaser ermöglichte die Untersuchung schwacher Absorptionssignale, wie sie u. a. von heißen Banden zu erwarten sind.

Für lineares C₇ konnten hoch aufgelöste IR-Spektren der n₄ antisymmetrischen Streckenschwingung sowie zugehöriger heißer Banden im Frequenzbereich zwischen 2135 und 2141 cm^-1 aufgenommen werden (vgl. Abb). Daraus konnten nicht nur die ersten experimentellen Werte für die reinen Biegeschwingungen n₁₁ = 54 cm^-1 und n₈ = 81 cm^-1 ermittelt werden. Es konnte aus der Analyse der Rotationskonstanten auch eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei C₇ in Übereinstimmung mit den neuesten ab initio Rechnungen um ein eher starres Kettenmolekül handelt. Damit zeigt C₇ das gleiche Verhalten wie die verwandten Kettenmoleküle C₄, C₅ und C₉.

Referenz: P. Neubauer-Guenther, T. F. Giesen, S. Schlemmer, K. M. T. Yamada, High resolution infrared spectra of the linear carbon cluster C7: The n₄ streching fundamental band and associated hot bands; J. Chem. Phys. 127, 014313 (2007).