DFT-studie van protonering van cyanogeen (NCCN) in interstellair medium

DFT-studie van protonering van cyanogeen (NCCN) in interstellair medium

Het geprotoneerde cyaan (NCCNH⁺) is gedetecteerd in het interstellaire medium in de richting van de koude donkere wolken TMC-1 en L483 en in de prestellaire kern L1544. In het huidige werk wordt de vorming van NCCNH⁺ besproken met behulp van moleculen die voornamelijk in het interstellaire medium worden gedetecteerd. We stellen vier plausibele reactiemechanismen voor, bestudeerd via Density Functional Theory (DFT) met behulp van de functionelen B3P86, B3PW91 en WB97XD met de 6-311G++(2d,2p) basisset. Radicaal-radicaal- en ion-molecuul-interacties worden bestudeerd om de mogelijkheid van de vorming van geprotoneerd cyanogeen te onderzoeken. De reactie van twee CN-radicalen wordt voorgesteld voor de vorming van NCCN, dat verder reageert met H⁺, H₃⁺, N₂H⁺ en H₂O⁺ om de geprotoneerde vorm van cyaan (NCCNH⁺) in de gasfase te vormen. De protonaffiniteiten en gasfase-basiciteiten van de moleculen die bij de reacties betrokken zijn, worden berekend. HOMO-LUMO-analyse wordt uitgevoerd voor de mechanismen.

Tot nu toe zijn er meer dan 270 moleculen gedetecteerd in het interstellaire medium. De meeste gedetecteerde moleculen zijn organisch van aard; een aantal ervan dienden als voorlopers van suikers, aminozuren, nucleobasen [1, 2] en andere prebiotische moleculen. Astronomische waarnemingen melden dat nitrillen zeer overvloedig aanwezig zijn in het interstellaire medium [3, 4]. Een zeer groot percentage van de tot nu toe gedetecteerde moleculen bevat een nitrilgroep [5], of ze nu worden gedetecteerd in koude interstellaire wolken [6], in circumstellaire omhulsels rond koolstofrijke geëvolueerde sterren [7], of in planetaire atmosferen [8]. Er is gesuggereerd dat dicyanopolyynen, die bestaan ​​uit een zeer onverzadigd lineair skelet van koolstofatomen, eindigend met een cyanogroep aan elke rand (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N), in de ruimte zouden voorkomen [9, 10]. Door het ontbreken van een permanent elektrisch dipoolmoment zijn de dicyanopolyynen niet waarneembaar in de radioastronomie. Er wordt aangenomen dat cyanogeen (NCCN), het eenvoudigste symmetrische molecuul met twee cyaangroepen, zeer overvloedig voorkomt in de interstellaire ruimte [9]. De detectie van CNCN (isocyaan), een metastabiel isomeer van cyaan, en van de geprotoneerde vorm van cyaan in de L483-wolk – en voorlopig in TMC-1 [4] – ondersteunt de detectie en overvloed van NCCN in de interstellaire ruimte.

NCCNH⁺, de geprotoneerde vorm van cyaan, werd voor het eerst geïdentificeerd in de koude donkere wolken TMC-1 en L483 [11], met een overvloedsverhouding NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴. Later werd gerapporteerd dat geprotoneerd cyanogeen werd waargenomen in de prestellaire kern van L1544 [12]. De detectie van NCCNH⁺ is een goede indicatie voor de aanwezigheid van NCCN in donkere wolken. Hoewel NCCN geen permanent dipoolmoment bezit, is de geprotoneerde vorm ervan een zeer polair lineair moleculair kation met een elektrisch dipoolmoment van 6,448 debye [13].

Protonering is een zeer belangrijk proces in de interstellaire ruimte [14, 15], en er wordt aangenomen dat de meeste geprotoneerde kationen worden gevormd via protonenoverdrachtsreacties, waaronder NCCNH⁺ [11]. Geprotoneerd cyaan kan worden gevormd door protonenoverdracht naar cyaan. De vorming van NCCNH⁺ is experimenteel bestudeerd uit de reactie van NCCN met H₃⁺, N₂H⁺, H₂O⁺, C₂H₃⁺ en SO₂H⁺ met behulp van de Selection Flow Tube (SIFT)-techniek; Ook zijn de reactiesnelheid en de protonaffiniteit van C₂N₂ bepaald [16].