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

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

Den protonerade cyanogenen (NCCNH⁺) har detekterats i det interstellära mediet mot de kalla mörka molnen TMC-1 och L483 och i den prestellära kärnan L1544. I föreliggande arbete diskuteras bildandet av NCCNH⁺ med hjälp av molekyler som i första hand detekteras i det interstellära mediet. Vi föreslår fyra rimliga reaktionsmekanismer, studerade via Density Functional Theory (DFT) med användning av funktionalerna B3P86, B3PW91 och WB97XD med 6-311G++(2d,2p) basuppsättningen. Radikal-radikal- och jon-molekylinteraktioner studeras för att undersöka möjligheten till bildning av protonerad cyanogen. Reaktionen av två CN-radikaler föreslås för bildning av NCCN, som vidare reagerar med H+, H3+, N2H+ och H2O+ för att bilda den protonerade formen av cyanogen (NCCNH+) i gasfasen. Protonaffiniteterna och gasfasbasiteterna för de molekyler som är involverade i reaktionerna beräknas. HOMO–LUMO-analys utförs för mekanismerna.

Mer än 270 molekyler har hittills upptäckts i det interstellära mediet. De flesta av de upptäckta molekylerna är organiska till sin natur; flera av dem fungerade som prekursorer för sockerarter, aminosyror, nukleobaser [1, 2] och andra prebiotiska molekyler. Astronomiska observationer rapporterar att nitriler är mycket rikliga i det interstellära mediet [3, 4]. En mycket stor andel av de hittills upptäckta molekylerna innehåller en nitrilgrupp [5], oavsett om de detekteras i kalla interstellära moln [6], i cirkumstellära höljen runt kolrika utvecklade stjärnor [7] eller i planetariska atmosfärer [8]. Det har föreslagits att dicyanopolyyner, som består av ett mycket omättat linjärt skelett av kolatomer som slutar med en cyanogrupp vid varje kant (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N), skulle existera i rymden [9, 10]. På grund av avsaknaden av ett permanent elektriskt dipolmoment är dicyanopolyynerna inte observerbara inom radioastronomi. Cyanogen (NCCN), den enklaste symmetriska molekylen med två cyanogrupper, tros vara mycket rikligt förekommande i det interstellära rymden [9]. Detekteringen av CNCN (isocyanogen), en metastabil isomer av cyanogen, och av den protonerade formen av cyanogen i L483-molnet – och preliminärt i TMC-1 [4] – stöder upptäckten och förekomsten av NCCN i det interstellära rymden.

NCCNH⁺, den protonerade formen av cyanogen, identifierades först i de kalla mörka molnen TMC-1 och L483 [11], med ett överflödsförhållande NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴. Senare rapporterades protonerad cyanogen observeras i L1544 prestellära kärna [12]. Detekteringen av NCCNH⁺ är en bra indikation på närvaron av NCCN i mörka moln. Även om NCCN inte har något permanent dipolmoment, är dess protonerade form en mycket polär linjär molekylär katjon med ett elektriskt dipolmoment på 6,448 debye [13].

Protonering är en mycket viktig process i det interstellära rymden [14, 15], och de flesta protonerade katjoner föreslås bildas via protonöverföringsreaktioner, inklusive NCCNH⁺ [11]. Protonerad cyanogen kan bildas genom protonöverföring till cyanogen. Bildningen av NCCNH+ har studerats experimentellt från reaktionen av NCCN med H3+, N2H+, H2O+, C2H3+ och SO2H+ med användning av tekniken för utvalt jonflödesrör (SIFT); reaktionshastigheten och protonaffiniteten för C2N2 har också bestämts [16].