성간 매질에서 시아노젠(NCCN)의 양성자화에 대한 DFT 연구

성간 매질에서 시아노젠(NCCN)의 양성자화에 대한 DFT 연구

양성자화 시아노젠(NCCNH⁺)은 차가운 암흑 구름 TMC-1과 L483 방향의 성간 매질 및 전항성 코어 L1544에서 검출되었다. 본 연구에서는 주로 성간 매질에서 검출되는 분자들을 이용하여 NCCNH⁺의 생성을 논의하였다. 우리는 네 가지 가능한 반응 메커니즘을 제안하고, 밀도 범함수 이론(DFT)을 사용하여 B3P86, B3PW91, WB97XD 범함수와 6-311G++(2d,2p) 기저함수로 연구하였다. 라디컬–라디컬 및 이온–분자 상호작용을 조사하여 양성자화 시아노젠 생성 가능성을 탐구하였다. 두 개의 CN 라디컬의 반응으로 NCCN이 생성되고, 이것이 기상에서 H⁺, H₃⁺, N₂H⁺, H₂O⁺와 추가로 반응하여 시아노젠의 양성자화 형태(NCCNH⁺)를 형성한다고 제안한다. 반응에 관여하는 분자들의 양성자 친화도와 기상 염기성을 계산하였다. 각 메커니즘에 대해 HOMO–LUMO 분석을 수행하였다.

현재까지 성간 매질에서 270종이 넘는 분자가 검출되었다. 검출된 분자 대부분은 유기 분자이며, 그중 여럿은 당, 아미노산, 핵염기 [1, 2] 및 기타 프리바이오틱 분자의 전구체 역할을 하였다. 천문 관측에 따르면 나이트릴류는 성간 매질에서 매우 풍부하다 [3, 4]. 지금까지 검출된 분자의 매우 큰 비율이 나이트릴 기를 포함하고 있으며 [5], 이들은 차가운 성간 구름 [6], 탄소가 풍부한 진화한 항성 주위의 성주 광피 [7], 또는 행성 대기 [8]에서 검출되었다. 각 끝이 시아노 기로 막힌 고도의 불포화 선형 탄소 골격(N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N)으로 이루어진 디시아노폴리인류가 우주에 존재할 것이라 제안되었다 [9, 10]. 영구 전기 쌍극자 모멘트가 없기 때문에 디시아노폴리인류는 전파 천문학으로 관측할 수 없다. 시아노젠(NCCN)은 두 개의 시아노 기를 가진 가장 단순한 대칭 분자로, 성간 공간에 매우 풍부하다고 여겨진다 [9]. L483 구름에서의 CNCN(이소시아노젠, 시아노젠의 준안정 이성질체) 및 시아노젠 양성자화 형태의 검출(TMC-1에서는 잠정적) [4]은 성간 공간에서 NCCN의 존재와 풍부함을 뒷받침한다.

시아노젠의 양성자화 형태인 NCCNH⁺는 주로 차가운 암흑 구름 TMC-1과 L483에서 최초로 확인되었으며 [11], 존재비는 NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴이었다. 이후 전항성 코어 L1544에서도 양성자화 시아노젠이 관측되었다고 보고되었다 [12]. NCCNH⁺의 검출은 암흑 구름 내 NCCN 존재의 좋은 지표이다. NCCN은 영구 쌍극자 모멘트를 갖지 않지만, 그 양성자화 형태는 전기 쌍극자 모멘트가 6.448 디바이인 강극성 선형 분자 양이온이다 [13].

양성자화는 성간 공간에서 매우 중요한 과정이며 [14, 15], NCCNH⁺를 포함한 대부분의 양성자화 양이온은 양성자 전달 반응을 통해 형성되는 것으로 제안된다 [11]. 양성자화 시아노젠은 시아노젠으로의 양성자 전달로 형성될 수 있다. NCCN과 H₃⁺, N₂H⁺, H₂O⁺, C₂H₃⁺, SO₂H⁺의 반응으로부터 NCCNH⁺가 형성되는 과정은 선택 이온 흐름관(SIFT) 기법을 이용해 실험적으로 연구되었으며, 반응 속도와 C₂N₂의 양성자 친화도도 결정되었다 [16].