星間媒質中におけるシアノゲン（NCCN）のプロトン化に関する DFT 研究

星間媒質中におけるシアノゲン（NCCN）のプロトン化に関する DFT 研究

プロトン化シアノゲン（NCCNH⁺）は、低温暗黒雲 TMC-1 および L483 方向の星間媒質中、ならびに前恒星コア L1544 において検出されている。本研究では、主に星間媒質中で検出されている分子を用いて NCCNH⁺ の生成を考察した。4 つの有力な反応機構を提案し、密度汎関数理論（DFT）により B3P86、B3PW91、WB97XD の各汎関数と 6-311G++(2d,2p) 基底関数系を用いて検討した。ラジカル–ラジカルおよびイオン–分子相互作用を調べ、プロトン化シアノゲン生成の可能性を探った。2 つの CN ラジカルの反応により NCCN が生成され、それがさらに H⁺、H₃⁺、N₂H⁺、H₂O⁺ と気相で反応してプロトン化シアノゲン（NCCNH⁺）を生成することを提案する。反応に関与する分子のプロトン親和力と気相塩基性を計算し、各機構について HOMO–LUMO 解析を行った。

これまでに星間媒質中では 270 を超える分子が検出されている。検出された分子の多くは有機分子であり、いくつかは糖、アミノ酸、核酸塩基 [1, 2] などのプレバイオティック分子の前駆体となった。天文観測により、ニトリル類は星間媒質中に高い存在度で存在することが報告されている [3, 4]。これまでに検出された分子の非常に多くがニトリル基を含んでおり [5]、それらは低温星間雲 [6]、炭素に富んだ進化した恒星を取り巻く星周包層 [7]、惑星大気 [8] のいずれにおいても検出されている。両端をシアノ基で封じられた高度に不飽和な直線状炭素骨格（N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N）を持つジシアノポリイン類は宇宙に存在すると示唆されている [9, 10]。永久電気双極子モーメントを持たないため、ジシアノポリイン類は電波天文学では観測できない。シアノゲン（NCCN）は 2 つのシアノ基を持つ最も単純な対称分子であり、星間空間に高い存在度で存在すると考えられている [9]。L483 雲における CNCN（イソシアノゲン、シアノゲンの準安定異性体）とプロトン化シアノゲンの検出（TMC-1 では暫定的）[4] は、星間空間における NCCN の存在と存在度を裏付けている。

シアノゲンのプロトン化体である NCCNH⁺ は、主として低温暗黒雲 TMC-1 と L483 で同定され [11]、その存在度比は NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴ であった。その後、プロトン化シアノゲンは前恒星コア L1544 でも観測されたと報告された [12]。NCCNH⁺ の検出は、暗黒雲中に NCCN が存在することの良い指標である。NCCN は永久双極子モーメントを持たないが、そのプロトン化体は電気双極子モーメント 6.448 デバイの強極性直線状分子カチオンである [13]。

プロトン化は星間空間において非常に重要な過程であり [14, 15]、NCCNH⁺ を含むほとんどのプロトン化カチオンはプロトン移動反応を経て生成すると考えられている [11]。プロトン化シアノゲンはシアノゲンへのプロトン移動によって生成しうる。NCCN と H₃⁺、N₂H⁺、H₂O⁺、C₂H₃⁺、SO₂H⁺ との反応による NCCNH⁺ の生成は、選択イオン流動管（SIFT）法により実験的に研究されており、反応速度と C₂N₂ のプロトン親和力も決定されている [16]。