DFT-studie av protonering av cyanogen (NCCN) i interstellart medium

DFT-studie av protonering av cyanogen (NCCN) i interstellart medium

Det protonerte cyanogenet (NCCNH⁺) er påvist i det interstellare mediet mot de kalde mørke skyene TMC-1 og L483 og i den prestellare kjernen L1544. I dette arbeidet diskuteres dannelsen av NCCNH⁺ ved hjelp av molekyler som primært oppdages i det interstellare mediet. Vi foreslår fire plausible reaksjonsmekanismer, studert via Density Functional Theory (DFT) ved å bruke funksjonene B3P86, B3PW91 og WB97XD med 6-311G++(2d,2p) basissett. Radikal-radikal og ione-molekylinteraksjoner studeres for å utforske muligheten for dannelse av protonert cyanogen. Reaksjonen av to CN-radikaler er foreslått for dannelsen av NCCN, som videre reagerer med H+, H3+, N2H+ og H2O+ for å danne den protonerte formen av cyanogen (NCCNH+) i gassfasen. Protonaffinitetene og gassfasebasisitetene til molekylene som er involvert i reaksjonene, beregnes. HOMO–LUMO-analyse utføres for mekanismene.

Mer enn 270 molekyler er til dags dato påvist i det interstellare mediet. De fleste av de påviste molekylene er organiske; flere av dem fungerte som forløpere for sukker, aminosyrer, nukleobaser [1, 2] og andre prebiotiske molekyler. Astronomiske observasjoner rapporterer at nitriler er svært rikelig i det interstellare mediet [3, 4]. En svært stor prosentandel av molekylene som er påvist så langt inneholder en nitrilgruppe [5], enten de er påvist i kalde interstellare skyer [6], i cirkumstellare konvolutter rundt karbonrike utviklede stjerner [7], eller i planetariske atmosfærer [8]. Det har blitt foreslått at dicyanopolyyner, som består av et svært umettet lineært skjelett av karbonatomer som avsluttes av en cyanogruppe ved hver kant (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N), ville eksistere i verdensrommet [9, 10]. På grunn av mangelen på et permanent elektrisk dipolmoment, er dicyanopolyynene ikke observerbare i radioastronomi. Cyanogen (NCCN), det enkleste symmetriske molekylet med to cyanogrupper, antas å være svært rikelig i det interstellare rom [9]. Påvisningen av CNCN (isocyanogen), en metastabil isomer av cyanogen, og av den protonerte formen av cyanogen i L483-skyen – og foreløpig i TMC-1 [4] – støtter deteksjon og overflod av NCCN i det interstellare rommet.

NCCNH⁺, den protonerte formen av cyanogen, ble først identifisert i de kalde mørke skyene TMC-1 og L483 [11], med et overflodsforhold NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴. Senere ble det rapportert at protonert cyanogen ble observert i L1544 prestellarkjernen [12]. Påvisningen av NCCNH⁺ er en god indikasjon på tilstedeværelsen av NCCN i mørke skyer. Selv om NCCN ikke har noe permanent dipolmoment, er dens protonerte form en svært polar lineær molekylær kation med et elektrisk dipolmoment på 6,448 debye [13].

Protonering er en svært viktig prosess i det interstellare rommet [14, 15], og de fleste protonerte kationer antas å bli dannet via protonoverføringsreaksjoner, inkludert NCCNH⁺ [11]. Protonert cyanogen kan dannes ved protonoverføring til cyanogen. Dannelsen av NCCNH+ har blitt studert eksperimentelt fra reaksjonen av NCCN med H3+, N2H+, H2O+, C2H3+ og SO2H+ ved bruk av selekterte ionstrømningsrør (SIFT)-teknikken; reaksjonshastigheten og protonaffiniteten til C2N2 er også bestemt [16].