Étude DFT de la protonation du cyanogène (NCCN) dans le milieu interstellaire

Étude DFT de la protonation du cyanogène (NCCN) dans le milieu interstellaire

Le cyanogène protoné (NCCNH⁺) a été détecté dans le milieu interstellaire en direction des nuages sombres froids TMC-1 et L483 ainsi que dans le cœur prestellaire L1544. Dans le présent travail, la formation de NCCNH⁺ est discutée à l'aide de molécules principalement détectées dans le milieu interstellaire. Nous proposons quatre mécanismes réactionnels plausibles, étudiés par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) avec les fonctionnelles B3P86, B3PW91 et WB97XD et le jeu de bases 6-311G++(2d,2p). Les interactions radical-radical et ion-molécule sont étudiées afin d'explorer la possibilité de formation du cyanogène protoné. La réaction de deux radicaux CN est proposée pour la formation de NCCN, qui réagit ensuite avec H⁺, H₃⁺, N₂H⁺ et H₂O⁺ en phase gazeuse pour former la forme protonée du cyanogène (NCCNH⁺). Les affinités protoniques et les basicités en phase gazeuse des molécules impliquées dans les réactions sont calculées. Une analyse HOMO-LUMO est réalisée pour les mécanismes.

À ce jour, plus de 270 molécules ont été détectées dans le milieu interstellaire. La plupart des molécules détectées sont de nature organique ; plusieurs d'entre elles ont servi de précurseurs de sucres, d'acides aminés, de nucléobases [1, 2] et d'autres molécules prébiotiques. Les observations astronomiques indiquent que les nitriles sont très abondants dans le milieu interstellaire [3, 4]. Un très grand pourcentage des molécules détectées jusqu'à présent contiennent un groupe nitrile [5], qu'elles aient été détectées dans des nuages interstellaires froids [6], dans des enveloppes circumstellaires autour d'étoiles évoluées riches en carbone [7] ou dans des atmosphères planétaires [8]. Il a été suggéré que les dicyanopolyynes, constitués d'un squelette linéaire d'atomes de carbone hautement insaturé terminé à chaque extrémité par un groupe cyano (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N), existeraient dans l'espace [9, 10]. En raison de l'absence de moment dipolaire électrique permanent, les dicyanopolyynes ne sont pas observables en radioastronomie. Le cyanogène (NCCN), la molécule symétrique la plus simple portant deux groupes cyano, est considéré comme très abondant dans l'espace interstellaire [9]. La détection de CNCN (isocyanogène), un isomère métastable du cyanogène, et de la forme protonée du cyanogène dans le nuage L483 — et provisoirement dans TMC-1 [4] — appuie la détection et l'abondance de NCCN dans l'espace interstellaire.

NCCNH⁺, la forme protonée du cyanogène, a été identifié principalement dans les nuages sombres froids TMC-1 et L483 [11], avec un rapport d'abondance NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴. Par la suite, le cyanogène protoné a été signalé dans le cœur prestellaire L1544 [12]. La détection de NCCNH⁺ est une bonne indication de la présence de NCCN dans les nuages sombres. Bien que NCCN ne possède aucun moment dipolaire permanent, sa forme protonée est un cation moléculaire linéaire fortement polaire dont le moment dipolaire électrique vaut 6,448 debye [13].

La protonation est un processus très important dans l'espace interstellaire [14, 15], et la plupart des cations protonés seraient formés par des réactions de transfert de proton, y compris NCCNH⁺ [11]. Le cyanogène protoné peut se former par transfert d'un proton au cyanogène. La formation de NCCNH⁺ a été étudiée expérimentalement à partir de la réaction de NCCN avec H₃⁺, N₂H⁺, H₂O⁺, C₂H₃⁺ et SO₂H⁺ à l'aide de la technique du tube à flux d'ions sélectionnés (SIFT) ; la vitesse de réaction et l'affinité protonique de C₂N₂ ont également été déterminées [16].