Badanie DFT protonowania cyjanu (NCCN) w ośrodku międzygwiazdowym

Badanie DFT protonowania cyjanu (NCCN) w ośrodku międzygwiazdowym

Protonowany cyjan (NCCNH⁺) wykryto w ośrodku międzygwiazdowym w kierunku zimnych ciemnych obłoków TMC-1 i L483 oraz w rdzeniu przedgwiazdowym L1544. W niniejszej pracy omówiono powstawanie NCCNH⁺ za pomocą cząsteczek wykrywanych głównie w ośrodku międzygwiazdowym. Proponujemy cztery prawdopodobne mechanizmy reakcji badane za pomocą teorii funkcjonału gęstości (DFT) przy użyciu funkcjonałów B3P86, B3PW91 i WB97XD z zestawem bazowym 6-311G++(2d,2p). Badane są interakcje rodnik-rodnik i jon-cząsteczka w celu zbadania możliwości powstawania protonowanego cyjanu. Proponuje się reakcję dwóch rodników CN w celu utworzenia NCCN, który następnie reaguje z H⁺, H₃⁺, N₂H⁺ i H₂O⁺, tworząc protonowaną formę cyjanu (NCCNH⁺) w fazie gazowej. Obliczane jest powinowactwo protonów i zasadowość fazy gazowej cząsteczek biorących udział w reakcjach. Dla mechanizmów przeprowadzana jest analiza HOMO – LUMO.

Do tej pory w ośrodku międzygwiazdowym wykryto ponad 270 cząsteczek. Większość wykrytych cząsteczek ma charakter organiczny; kilka z nich służyło jako prekursory cukrów, aminokwasów, zasad nukleinowych [1, 2] i innych cząsteczek prebiotycznych. Obserwacje astronomiczne wskazują, że nitryle występują w ośrodku międzygwiazdowym w dużych ilościach [3, 4]. Bardzo duży procent wykrytych do tej pory cząsteczek zawiera grupę nitrylową [5], niezależnie od tego, czy odkryto je w zimnych obłokach międzygwiazdowych [6], w otoczkach okołogwiazdowych wokół wyewoluowanych gwiazd bogatych w węgiel [7], czy w atmosferach planet [8]. Sugerowano, że dicyjanopoliny, które składają się z wysoce nienasyconego liniowego szkieletu atomów węgla zakończonego grupami cyjanowymi na każdej krawędzi (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N), mogłyby istnieć w przestrzeni [9, 10]. Ze względu na brak stałego elektrycznego momentu dipolowego dicyjanopoliyny nie są obserwowalne w radioastronomii. Uważa się, że cyjan (NCCN), najprostsza symetryczna cząsteczka z dwiema grupami cyjanowymi, występuje powszechnie w przestrzeni międzygwiazdowej [9]. Wykrycie CNCN (izocyjanogenu), metastabilnego izomeru cyjanu, oraz protonowanej formy cyjanu w obłoku L483 — i wstępnie w TMC-1 [4] — wspiera wykrywanie i liczebność NCCN w przestrzeni międzygwiazdowej.

NCCNH⁺, protonowaną formę cyjanu, po raz pierwszy zidentyfikowano w zimnych ciemnych chmurach TMC-1 i L483 [11], ze stosunkiem liczebności NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴. Później doniesiono, że w rdzeniu przedgwiazdowym L1544 zaobserwowano protonowany cyjan [12]. Wykrycie NCCNH⁺ jest dobrym wskaźnikiem obecności NCCN w ciemnych chmurach. Chociaż NCCN nie posiada trwałego momentu dipolowego, jego protonowana postać jest wysoce polarnym liniowym kationem molekularnym z elektrycznym momentem dipolowym wynoszącym 6,448 debye [13].

Protonowanie jest bardzo ważnym procesem w przestrzeni międzygwiazdowej [14, 15] i sugeruje się, że większość protonowanych kationów powstaje w wyniku reakcji przeniesienia protonu, w tym NCCNH⁺ [11]. Protonowany cyjan może powstać w wyniku przeniesienia protonu na cyjan. Tworzenie się NCCNH⁺ badano eksperymentalnie w reakcji NCCN z H₃⁺, N₂H⁺, H₂O⁺, C₂H₃⁺ i SO₂H⁺, stosując technikę rury przepływowej z wybranymi jonami (SIFT); oznaczono także szybkość reakcji i powinowactwo protonowe C₂N₂ [16].