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12.01.14 Terpene reagieren mit Schwefeldioxid in Atmosphäre

Nadelholz-Duft beeinflusst Klima

Nachweis per IR: Bei der Ozonolyse von Terpenen entstehen Criegee-Intermediate, die SO2 oxidieren

Nadelbäume geben flüchtige Kohlenwasserstoffe ab, vor allem Terpene, die wir als charakteristischen Duft des Waldes wahrnehmen. In einer komplizierten Reaktionsfolge, an der Ozon und Schwefeldioxid beteiligt sind, sollen sie an der Entstehung von Aerosolen beteiligt sein, die dem Treibhauseffekt entgegen wirken. Deutsche Wissenschaftler haben im Labor jetzt mit Infrarot-Spektroskopie die Reaktion eines Terpens mit Ozon verfolgt. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, konnten sie dabei entscheidende Zwischenverbindungen identifizieren und nachweisen, dass diese sehr effektiv mit Schwefeldioxid reagieren.

Abb. 1: Wissenschaftler haben entscheidende Verbindungen identifiziert und nachgewiesen, die mit Schwefeldioxid reagieren. So entstehen Aerosole, die dem Treibhauseffekt entgegen wirken.
Quelle: Angewandte Chemie

Terpene haben einen starken Einfluss auf die in unserer Atmosphäre ablaufenden chemischen Prozesse, obwohl sie nur in Spuren vorhanden sind. Insbesondere im Sommer sind sie an der Ozonchemie der Troposphäre beteiligt. Wie sich inzwischen herausgestellt hat, spielt ihre Oxidation eine große Rolle bei der Entstehung von sekundären organischen Aerosolen (SOA), die unser Klima beeinflussen. Diese Prozesse sind bisher nicht umfassend geklärt und stellen einen großen Unsicherheitsfaktor in Klima-Vorhersagemodellen dar. Forscher um Thomas Zeuch von der Universität Göttingen und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben jetzt neue Erkenntnisse über die Reaktionen von Terpenen mit Ozon gewonnen.

SOA sind flüssige oder feste Partikel, die Schwefelsäure (H2SO4) enthalten und durch chemische Reaktionen aus gasförmigen Vorläufern, wie Schwefeldioxid (SO2) und Terpenen, entstehen. Atmosphärische Schwefelsäure und die aus ihr gebildeten Schwefelsäure- und Sulfat-Aerosolteilchen tragen auch zum sauren Regen bei. „Gleichzeitig wirken sie interessanterweise dem Treibhauseffekt entgegen“, erläutert Zeuch, „da sie zum Einen die Wolkenbildung fördern, zum Anderen die Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückstreuen.“

Wie kommt Schwefelsäure in die Troposphäre? „Neben einer Reaktionsfolge, die mit der Oxidation von Schwefeldioxid durch Hydroxylradikale startet, wurde als alternativer Weg die Oxidation durch so genannte Criegee-Intermediate (CIs) vorgeschlagen“, so Zeuch. Es handelt sich dabei um Carbonyloxide mit zwei freien radikalischen Zentren, die ihre besondere Chemie ausmachen. Sie entstehen bei der Reaktion von Ozon mit den Doppelbindungen organischer Verbindungen, etwa Terpenen. Bislang wurden jedoch nur kleine, durch Photolyse erzeugte CIs direkt nachgewiesen. In einer Studie untersuchten Zeuch und seine Kollegen jetzt die Reaktionen des häufig in Pflanzen vorkommenden Terpens β-Pinen mit Ozon. „Mit der IR-Spektroskopie waren wir in der Lage, zum erstem Mal große, stabilisierte CIs nachzuweisen, die während der Ozonolyse von β-Pinen auftreten“, berichtet Zeuch. „Diese großen CIs reagierten mit Schwefeldioxid in einer Ausbeute von mehr als 80% zu Schwefeltrioxid. Zeitaufgelöste Untersuchungen ergaben, dass diese Reaktion sehr rasch verläuft.“ Damit sei die effektive Oxidation von SO2 durch Reaktion mit stabilisierten Criegee-Intermediaten aus Terpenen zu troposphärischer Schwefelsäure nun eindeutig belegt.

Quelle:

IR-Nachweis der bei der β-Pinen-Ozonolyse gebildeten Criegee- Intermediate und ihre Reaktivität gegenüber Schwefeldioxid
J. Arens, et. al., Angew. Chem. 2013. DOI: 10.1002/ange.201307327

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Terpene reagieren mit Schwefeldioxid in Atmosphäre
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2014/jan/terpene.shtm)

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