Es gibt ein fortwährendes Interesse an der Erforschung der Reaktionsmechanismen für die Synthese und Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in sauren Zeolith-Katalysatoren. Ursprünglich wurde angenommen, dass diese Reaktionen den bekannten Mechanismen der Chemie in supersauren Medien folgen würden und somit Carbokationen als Intermediate gebildet werden.[1] Die Existenz von Carbeniumionen konnte bisher durch NMR-, [2] UV/Vis- [3] und IR-Spektroskopie [4,5] sowie rechnergestützte Techniken [6] nur für cyclische Alkenyl-oder aromatische Carbeniumionen nachgewiesen werden, nicht aber für Carbeniumionen, die von kleinen Alkenen abgeleitet sind. Diese bilden vielmehr mit an der Oberfläche vorhandenen Sauerstoffatomen Alkoholate. [7][8][9] Nicholas und Haw folgerten, dass stabile Carbeniumionen in Zeolithen durch NMR-Spektroskopie beobachtet werden können, wenn die Ausgangssubstanz (aus der das Carbeniumion durch Protonierung erhalten wird) eine Protonenaffinität von mindestens 875 kJ mol À1 hat.[10] Quantenchemische Studien zeigten, dass diese Aussage weiter verallgemeinert werden kann: Der Protonentransfer von einem HZeolith auf ein Molekül [6] oder einen molekularen Cluster [11] findet statt, wenn dessen Protonenaffinität größer oder gleich der von Ammoniak (854 kJ mol
À1) ist.[12]Ein offensichtlicher Kandidat für ein stabiles, nicht-cyclisches Carbeniumion ist das tert-Butylkation, das in supersauren Medien beobachtet wird. Allerdings ist es wegen der Protonenaffinität von Isobuten (802 kJ mol À1 ) [13] nicht sehr wahrscheinlich, dass es in Zeolithen existieren könnte.[12] Die Bildung kann durch Protonierung von Isobuten oder als Zwischenprodukt erfolgen. [14,15] Bisher verliefen jedoch alle Versuche eines experimentellen Nachweises für das tert-Butylkation einerseits oder das Alkoholat andererseits erfolglos. [16,17] In mehreren quantenchemischen Studien wurde unter Verwendung von Standard-Dichtefunktionaltheorie (DFT) das tert-Butylkation in Zeolithen als stationärer Punkt lokalisiert. [18][19][20][21] Allerdings wurde nur für H-Mordenit [20] und H-Ferrierit [22] bewiesen (per Schwingungsanalyse), dass das Kation tatsächlich ein lokales Minimum auf der Energiehyperfläche ist. Nach diesen Berechnungen ist das tert-Butylkation 1, wie in Abbildung 1 dargestellt, eine metastabile Zwischenstufe mit einer Stabilität zwischen der des tert-Butoxids 2 und des Isobutoxids 3.Es konnte anschließend gezeigt werden, [22][23][24] dass zuverlässige Werte für die Reaktionsenergien von Kohlenwasserstoffen in Zeolithen nur berechnet werden können, wenn zwei Probleme der derzeit verwendeten Dichtefunktionale besonders betrachtet werden: Beiträge zur Dispersionsenergie für Adsorptionsenergien und die Self-Interaction-Correction (SIC) von gradientenkorrigierten Dichtefunktionalen, die zu einer Überstabilisierung von polaren Strukturen wie den Carbeniumionen in Zeolithen führt. Basierend auf der Hybrid-MP2:DFT-Methode, [25] die die Møller-PlessetStörungstheorie zweiter Ordnung (MP2) für das Reaktionszentrum mit DFT-Rechnungen für die volls...