DFT-исследование протонирования цианогена (NCCN) в межзвездной среде

DFT-исследование протонирования цианогена (NCCN) в межзвездной среде

Протонированный циан (NCCNH⁺) был обнаружен в межзвездной среде в направлении холодных темных облаков TMC-1 и L483, а также в дозвездном ядре L1544. В настоящей работе обсуждается образование NCCNH⁺ с помощью молекул, которые преимущественно обнаруживаются в межзвездной среде. Мы предлагаем четыре вероятных механизма реакции, изученных с помощью теории функционала плотности (DFT) с использованием функционалов B3P86, B3PW91 и WB97XD с базисным набором 6-311G++(2d,2p). Радикально-радикальные и ион-молекулярные взаимодействия изучаются с целью изучения возможности образования протонированного цианогена. Предполагается, что реакция двух радикалов CN приводит к образованию NCCN, который далее реагирует с H⁺, H₃⁺, N₂H⁺ и H₂O⁺ с образованием протонированной формы цианогена (NCCNH⁺) в газовой фазе. Рассчитаны сродство к протону и основность газовой фазы молекул, участвующих в реакциях. Для механизмов проводится анализ HOMO–LUMO.

На сегодняшний день в межзвездной среде обнаружено более 270 молекул. Большинство обнаруженных молекул имеют органическую природу; некоторые из них служили предшественниками сахаров, аминокислот, азотистых оснований [1, 2] и других пребиотических молекул. Астрономические наблюдения показывают, что нитрилы широко распространены в межзвездной среде [3, 4]. Очень большой процент молекул, обнаруженных до сих пор, содержит нитрильную группу [5], независимо от того, обнаружены ли они в холодных межзвездных облаках [6], в околозвездных оболочках вокруг богатых углеродом развитых звезд [7] или в планетарных атмосферах [8]. Было высказано предположение, что в космосе могут существовать дицианополиины, состоящие из сильно ненасыщенного линейного скелета из атомов углерода, заканчивающегося цианогруппой на каждом ребре (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N) [9, 10]. Из-за отсутствия постоянного электрического дипольного момента дицианополиины не наблюдаются в радиоастрономии. Считается, что цианоген (NCCN), простейшая симметричная молекула с двумя цианогруппами, широко распространен в межзвездном пространстве [9]. Обнаружение CNCN (изоцианогена), метастабильного изомера цианогена, и протонированной формы цианогена в облаке L483 — и предположительно в TMC-1 [4] — подтверждает обнаружение и распространенность NCCN в межзвездном пространстве.

NCCNH⁺, протонированная форма цианогена, была впервые идентифицирована в холодных темных облаках TMC-1 и L483 [11] с соотношением численности NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴. Позднее сообщалось о наблюдении протонированного циана в дозвездном ядре L1544 [12]. Обнаружение NCCNH⁺ является хорошим показателем присутствия NCCN в темных облаках. Хотя NCCN не обладает постоянным дипольным моментом, его протонированная форма представляет собой высокополярный линейный молекулярный катион с электрическим дипольным моментом 6,448 дебаев [13].

Протонирование является очень важным процессом в межзвездном пространстве [14, 15], и предполагается, что большинство протонированных катионов образуются в результате реакций переноса протона, включая NCCNH⁺ [11]. Протонированный цианоген может образовываться путем переноса протона на цианоген. Образование NCCNH⁺ было изучено экспериментально по реакции NCCN с H₃⁺, N₂H⁺, H₂O⁺, C₂H₃⁺ и SO₂H⁺ с использованием метода проточной трубки выбранных ионов (SIFT); также определены скорость реакции и сродство к протону C2N2 [16].