DFT дослідження протонування ціаногену (NCCN) у міжзоряному середовищі

DFT дослідження протонування ціаногену (NCCN) у міжзоряному середовищі

Протонований ціан (NCCNH⁺) було виявлено в міжзоряному середовищі в напрямку холодних темних хмар TMC-1 і L483 і в дозоряному ядрі L1544. У цій роботі утворення NCCNH⁺ обговорюється за допомогою молекул, які в основному виявляються в міжзоряному середовищі. Ми пропонуємо чотири правдоподібні механізми реакції, вивчені за допомогою теорії функціоналу густини (DFT) з використанням функціоналів B3P86, B3PW91 і WB97XD з базисним набором 6-311G++(2d,2p). Радикал-радикальні та іон-молекулярні взаємодії вивчаються для вивчення можливості утворення протонованого ціаногену. Пропонується реакція двох радикалів CN для утворення NCCN, який далі реагує з H⁺, H3⁺, N₂H⁺ і H₂O⁺ з утворенням протонованої форми ціаногену (NCCNH⁺) у газовій фазі. Розраховано спорідненість до протонів і газофазну основность молекул, що беруть участь у реакціях. Для механізмів виконується аналіз HOMO–LUMO.

На сьогоднішній день у міжзоряному середовищі виявлено понад 270 молекул. Більшість виявлених молекул мають органічну природу; деякі з них служили попередниками цукрів, амінокислот, нуклеооснов [1, 2] та інших пребіотичних молекул. За даними астрономічних спостережень, нітрили є дуже поширеними в міжзоряному середовищі [3, 4]. Дуже великий відсоток молекул, виявлених на даний момент, містить нітрильну групу [5], незалежно від того, чи вони виявлені в холодних міжзоряних хмарах [6], у навколозоряних оболонках навколо багатих вуглецем розвинених зірок [7] або в планетарних атмосферах [8]. Було припущено, що диціанополіини, які складаються з сильно ненасиченого лінійного скелета атомів вуглецю, що закінчується ціаногрупою на кожному краю (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N), існували б у космосі [9, 10]. Через відсутність постійного електричного дипольного моменту диціанополіни не спостерігаються в радіоастрономії. Вважається, що ціан (NCCN), найпростіша симетрична молекула з двома ціаногрупами, дуже поширена в міжзоряному просторі [9]. Виявлення CNCN (ізоціаногену), метастабільного ізомеру ціаногену та протонованої форми ціаногену в хмарі L483 — і орієнтовно в TMC-1 [4] — підтверджує виявлення та поширеність NCCN у міжзоряному просторі.

NCCNH⁺, протонована форма ціаногену, вперше була ідентифікована в холодних темних хмарах TMC-1 і L483 [11] із співвідношенням кількості NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻4. Пізніше повідомлялося, що протонований ціаноген спостерігався в дозірковому ядрі L1544 [12]. Виявлення NCCNH⁺ є хорошим показником присутності NCCN у темних хмарах. Хоча NCCN не має постійного дипольного моменту, його протонована форма є високополярним лінійним молекулярним катіоном з електричним дипольним моментом 6,448 деба [13].

Протонування є дуже важливим процесом у міжзоряному просторі [14, 15], і припускають, що більшість протонованих катіонів утворюються за допомогою реакцій переносу протонів, включаючи NCCNH⁺ [11]. Протонований ціаноген може утворюватися шляхом перенесення протона на ціаноген. Утворення NCCNH⁺ було досліджено експериментально в результаті реакції NCCN з H3₃⁺, N₂H⁺, H2O⁺, C₂H3⁺ і SO₂H⁺ за допомогою методу потокової трубки з вибраними іонами (SIFT); також визначено швидкість реакції та спорідненість до протону C₂N₂ [16].