Estudio DFT de la protonación del cianógeno (NCCN) en el medio interestelar

Estudio DFT de la protonación del cianógeno (NCCN) en el medio interestelar

El cianógeno protonado (NCCNH⁺) ha sido detectado en el medio interestelar hacia las nubes oscuras frías TMC-1 y L483 y en el núcleo preestelar L1544. En el presente trabajo se discute la formación de NCCNH⁺ con ayuda de moléculas detectadas principalmente en el medio interestelar. Proponemos cuatro mecanismos de reacción plausibles, estudiados mediante la teoría del funcional de la densidad (DFT) con los funcionales B3P86, B3PW91 y WB97XD y el conjunto de bases 6-311G++(2d,2p). Se estudian las interacciones radical-radical e ion-molécula para explorar la posibilidad de formación de cianógeno protonado. Se propone la reacción de dos radicales CN para la formación de NCCN, que a continuación reacciona con H⁺, H₃⁺, N₂H⁺ y H₂O⁺ en fase gaseosa para dar la forma protonada del cianógeno (NCCNH⁺). Se calculan las afinidades protónicas y las basicidades en fase gaseosa de las moléculas implicadas en las reacciones. Se realiza el análisis HOMO-LUMO de los mecanismos.

Hasta la fecha se han detectado más de 270 moléculas en el medio interestelar. La mayoría de las moléculas detectadas son de naturaleza orgánica; varias de ellas han servido como precursoras de azúcares, aminoácidos, nucleobases [1, 2] y otras moléculas prebióticas. Las observaciones astronómicas informan de que los nitrilos son muy abundantes en el medio interestelar [3, 4]. Un porcentaje muy elevado de las moléculas detectadas hasta ahora contiene un grupo nitrilo [5], ya se hayan detectado en nubes interestelares frías [6], en envolturas circumestelares alrededor de estrellas evolucionadas ricas en carbono [7] o en atmósferas planetarias [8]. Se ha sugerido que los dicianopoliinos, formados por un esqueleto lineal de átomos de carbono altamente insaturado terminado en cada extremo por un grupo ciano (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N), existirían en el espacio [9, 10]. Debido a la ausencia de un momento dipolar eléctrico permanente, los dicianopoliinos no son observables en radioastronomía. El cianógeno (NCCN), la molécula simétrica más simple con dos grupos ciano, se considera muy abundante en el espacio interestelar [9]. La detección de CNCN (isocianógeno), un isómero metaestable del cianógeno, y de la forma protonada del cianógeno en la nube L483 —y tentativamente en TMC-1 [4]— respalda la detección y abundancia de NCCN en el espacio interestelar.

NCCNH⁺, la forma protonada del cianógeno, fue identificado principalmente en las nubes oscuras frías TMC-1 y L483 [11], con una relación de abundancia NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴. Posteriormente se informó de la observación de cianógeno protonado en el núcleo preestelar L1544 [12]. La detección de NCCNH⁺ es una buena indicación de la presencia de NCCN en las nubes oscuras. Aunque el NCCN no posee momento dipolar permanente, su forma protonada es un catión molecular lineal altamente polar con un momento dipolar eléctrico de 6,448 debye [13].

La protonación es un proceso muy importante en el espacio interestelar [14, 15], y se sugiere que la mayoría de los cationes protonados se forman mediante reacciones de transferencia de protón, incluido NCCNH⁺ [11]. El cianógeno protonado puede formarse por transferencia de un protón al cianógeno. La formación de NCCNH⁺ se ha estudiado experimentalmente a partir de la reacción de NCCN con H₃⁺, N₂H⁺, H₂O⁺, C₂H₃⁺ y SO₂H⁺ mediante la técnica del tubo de flujo de iones seleccionados (SIFT); también se determinaron la velocidad de reacción y la afinidad protónica de C₂N₂ [16].