DFT Study of Protonation of Cyanogen (NCCN) in Interstellar Medium

DFT Study of Protonation of Cyanogen (NCCN) in Interstellar Medium

Το πρωτονιωμένο κυανογόνο (NCCNH+) έχει ανιχνευθεί στο διαστρικό μέσο προς τα ψυχρά σκοτεινά σύννεφα TMC-1 και L483 και στον προαστρικό πυρήνα L1544. Στην παρούσα εργασία, ο σχηματισμός του NCCNH+ συζητείται με τη βοήθεια μορίων που ανιχνεύονται κυρίως στο διαστρικό μέσο. Προτείνουμε τέσσερις εύλογους μηχανισμούς αντίδρασης, που μελετήθηκαν μέσω της Λειτουργικής Θεωρίας Πυκνότητας (DFT) χρησιμοποιώντας τις συναρτήσεις B3P86, B3PW91 και WB97XD με το βασικό σύνολο 6-311G++(2d,2p). Οι αλληλεπιδράσεις ριζών-ριζών και ιόντων-μορίου μελετώνται για να διερευνηθεί η πιθανότητα σχηματισμού πρωτονιωμένου κυανογόνου. Η αντίδραση δύο ριζών CN προτείνεται για το σχηματισμό NCCN, το οποίο περαιτέρω αντιδρά με H+, H3+, N2H+ και H2O+ για να σχηματίσει την πρωτονιωμένη μορφή κυανογόνου (NCCNH+) στην αέρια φάση. Υπολογίζονται οι συγγένειες πρωτονίων και οι βασικότητες σε αέρια φάση των μορίων που συμμετέχουν στις αντιδράσεις. Για τους μηχανισμούς πραγματοποιείται ανάλυση HOMO–LUMO.

Περισσότερα από 270 μόρια έχουν ανιχνευθεί μέχρι σήμερα στο διαστρικό μέσο. Τα περισσότερα από τα ανιχνευμένα μόρια είναι οργανικής φύσης. Πολλά από αυτά χρησίμευαν ως πρόδρομοι σάκχαρα, αμινοξέα, νουκλεοβάσεις [1, 2] και άλλα πρεβιοτικά μόρια. Οι αστρονομικές παρατηρήσεις αναφέρουν ότι τα νιτρίλια είναι σε μεγάλη αφθονία στο διαστρικό μέσο [3, 4]. Ένα πολύ μεγάλο ποσοστό των μορίων που έχουν ανιχνευθεί μέχρι στιγμής περιέχουν μια ομάδα νιτριλίου [5], είτε ανιχνεύονται σε ψυχρά διαστρικά νέφη [6], σε περιαστρικά περιβλήματα γύρω από πλούσια σε άνθρακα εξελιγμένα αστέρια [7] είτε σε πλανητικές ατμόσφαιρες [8]. Έχει προταθεί ότι τα δικυανοπολύνια, τα οποία αποτελούνται από έναν εξαιρετικά ακόρεστο γραμμικό σκελετό ατόμων άνθρακα που τελειώνει από μια κυανό ομάδα σε κάθε άκρη (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N), θα υπήρχαν στο διάστημα [9, 10]. Λόγω της έλλειψης μόνιμης ηλεκτρικής διπολικής ροπής, οι δικυανοπολύνες δεν είναι παρατηρήσιμες στη ραδιοαστρονομία. Το κυανογόνο (NCCN), το απλούστερο συμμετρικό μόριο με δύο κυανοομάδες, πιστεύεται ότι είναι πολύ άφθονο στον διαστρικό χώρο [9]. Η ανίχνευση του CNCN (ισοκυανογόνο), ενός μετασταθερού ισομερούς κυανογόνου, και της πρωτονιωμένης μορφής κυανογόνου στο νέφος L483 — και δοκιμαστικά στο TMC-1 [4] — υποστηρίζει την ανίχνευση και την αφθονία του NCCN στον διαστρικό χώρο.

Το NCCNH+, η πρωτονιωμένη μορφή του κυανογόνου, αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά στα ψυχρά σκοτεινά σύννεφα TMC-1 και L483 [11], με αναλογία αφθονίας NCCNH+/NCCN ~ 10-4. Αργότερα, πρωτονιωμένο κυανογόνο αναφέρθηκε ότι παρατηρήθηκε στον προαστρικό πυρήνα L1544 [12]. Η ανίχνευση του NCCNH+ είναι μια καλή ένδειξη της παρουσίας του NCCN στα σκοτεινά σύννεφα. Αν και το NCCN δεν διαθέτει μόνιμη διπολική ροπή, η πρωτονιωμένη μορφή του είναι ένα εξαιρετικά πολικό γραμμικό μοριακό κατιόν με ηλεκτρική διπολική ροπή 6,448 debye [13].

Η πρωτονιίωση είναι μια πολύ σημαντική διαδικασία στον διαστρικό χώρο [14, 15] και τα περισσότερα πρωτονιωμένα κατιόντα προτείνεται να σχηματίζονται μέσω αντιδράσεων μεταφοράς πρωτονίων, συμπεριλαμβανομένου του NCCNH+ [11]. Το πρωτονιωμένο κυανογόνο μπορεί να σχηματιστεί με μεταφορά πρωτονίων σε κυανογόνο. Ο σχηματισμός του NCCNH+ έχει μελετηθεί πειραματικά από την αντίδραση του NCCN με H3+, N2H+, H2O+, C2H3+ και SO2H+ χρησιμοποιώντας την τεχνική σωλήνα ροής επιλεγμένου ιόντος (SIFT). Ο ρυθμός αντίδρασης και η συγγένεια πρωτονίων του C2N2 έχουν επίσης προσδιοριστεί [16].