Nghiên cứu DFT về sự proton hóa của Cyanogen (NCCN) trong môi trường giữa các vì sao

Nghiên cứu DFT về sự proton hóa của Cyanogen (NCCN) trong môi trường giữa các vì sao

Xyanogen được proton hóa (NCCNH⁺) đã được phát hiện trong môi trường liên sao hướng tới các đám mây đen lạnh lẽo TMC-1 và L483 và trong lõi tiền sao L1544. Trong nghiên cứu hiện tại, sự hình thành NCCNH⁺ được thảo luận với sự trợ giúp của các phân tử được phát hiện chủ yếu trong môi trường giữa các vì sao. Chúng tôi đề xuất bốn cơ chế phản ứng hợp lý, được nghiên cứu thông qua Lý thuyết hàm mật độ (DFT) bằng cách sử dụng các hàm B3P86, B3PW91 và WB97XD với bộ cơ sở 6-311G++(2d,2p). Các tương tác phân tử gốc-căn và ion-được nghiên cứu để khám phá khả năng hình thành cyanogen được proton hóa. Phản ứng của hai gốc CN được đề xuất để hình thành NCCN, NCCN này tiếp tục phản ứng với H⁺, H₃⁺, N₂H⁺ và H₂O⁺ để tạo thành dạng cyanogen (NCCNH⁺) được proton hóa trong pha khí. Tính ái lực của proton và tính bazơ của pha khí của các phân tử tham gia phản ứng được tính toán. Phân tích HOMO–LUMO được thực hiện cho các cơ chế.

Cho đến nay, hơn 270 phân tử đã được phát hiện trong môi trường giữa các vì sao. Hầu hết các phân tử được phát hiện đều có bản chất hữu cơ; một số trong số chúng đóng vai trò là tiền chất của đường, axit amin, nucleobase [1, 2] và các phân tử tiền sinh học khác. Các quan sát thiên văn cho thấy nitriles rất phong phú trong môi trường giữa các vì sao [3, 4]. Một tỷ lệ rất lớn các phân tử được phát hiện cho đến nay có chứa nhóm nitrile [5], cho dù chúng được phát hiện trong các đám mây lạnh giữa các vì sao [6], trong các lớp bao hoàn cảnh xung quanh các ngôi sao tiến hóa giàu carbon [7], hoặc trong bầu khí quyển hành tinh [8]. Người ta đề xuất rằng dicyanopolyyne, bao gồm một khung tuyến tính không bão hòa cao gồm các nguyên tử carbon được kết thúc bởi một nhóm cyano ở mỗi cạnh (N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N), sẽ tồn tại trong không gian [9, 10]. Do thiếu mômen lưỡng cực điện cố định nên dicyanopolyyne không thể quan sát được trong thiên văn vô tuyến. Cyanogen (NCCN), phân tử đối xứng đơn giản nhất với hai nhóm cyano, được cho là có rất nhiều trong không gian giữa các vì sao [9]. Việc phát hiện CNCN (isocyanogen), một đồng phân siêu bền của cyanogen và dạng cyanogen được proton hóa trong đám mây L483 – và tạm thời là trong TMC-1 [4] – hỗ trợ việc phát hiện và sự phong phú của NCCN trong không gian giữa các vì sao.

NCCNH⁺, dạng cyanogen được proton hóa, lần đầu tiên được xác định trong các đám mây đen lạnh TMC-1 và L483 [11], với tỷ lệ phong phú NCCNH⁺/NCCN ~ 10⁻⁴. Sau đó, người ta báo cáo rằng người ta đã quan sát thấy cyanogen được proton hóa trong lõi tiền sao L1544 [12]. Việc phát hiện NCCNH⁺ là một dấu hiệu tốt cho thấy sự hiện diện của NCCN trong các đám mây đen. Mặc dù NCCN không có mômen lưỡng cực vĩnh viễn, nhưng dạng proton của nó là một cation phân tử tuyến tính có cực cao với mômen lưỡng cực điện là 6,448 debye [13].

Proton hóa là một quá trình rất quan trọng trong không gian giữa các vì sao [14, 15] và hầu hết các cation bị proton hóa được cho là được hình thành thông qua các phản ứng chuyển proton, bao gồm cả NCCNH⁺ [11]. Xyanogen được proton hóa có thể được hình thành bằng cách chuyển proton sang xyanogen. Sự hình thành NCCNH⁺ đã được nghiên cứu thực nghiệm từ phản ứng của NCCN với H₃⁺, N₂H⁺, H₂O⁺, C₂H₃⁺ và SO₂H⁺ bằng kỹ thuật ống dòng ion chọn lọc (SIFT); tốc độ phản ứng và ái lực proton của C₂N₂ cũng đã được xác định [16].