星际介质中氰（NCCN）质子化的 DFT 研究

星际介质中氰（NCCN）质子化的 DFT 研究

质子化氰（NCCNH⁺）已在星际介质中、朝向冷暗云 TMC-1 与 L483 方向以及前恒星核 L1544 中被探测到。本工作借助主要在星际介质中探测到的分子，讨论了 NCCNH⁺ 的形成。我们提出了四种可能的反应机理，并采用密度泛函理论（DFT），以 B3P86、B3PW91 与 WB97XD 泛函结合 6-311G++(2d,2p) 基组进行了研究。通过考察自由基–自由基与离子–分子相互作用，探讨了形成质子化氰的可能性。我们提出由两个 CN 自由基反应生成 NCCN，随后 NCCN 再与 H⁺、H₃⁺、N₂H⁺ 和 H₂O⁺ 在气相中反应生成质子化氰（NCCNH⁺）。计算了反应所涉分子的质子亲和能与气相碱性，并对各机理进行了 HOMO–LUMO 分析。

迄今为止，星际介质中已探测到 270 余种分子。已探测到的分子大多为有机分子，其中若干可作为糖、氨基酸、核碱基 [1, 2] 及其他益生元分子的前体。天文观测表明，腈类在星际介质中丰度很高 [3, 4]。迄今探测到的分子中很大比例含有腈基 [5]，无论它们是在冷星际云 [6] 中、在富碳演化恒星周围的星周包层 [7] 中，还是在行星大气 [8] 中探测到的。已有研究认为，双氰基多炔——由高度不饱和的碳原子线性骨架构成、两端各以一个氰基封端（N≡C–(C≡C)ₙ–C≡N）——应当存在于太空中 [9, 10]。由于缺乏永久电偶极矩，双氰基多炔无法通过射电天文观测到。氰（NCCN）是含两个氰基的最简单对称分子，被认为在星际空间中高度富集 [9]。在 L483 云中探测到 CNCN（异氰，氰的一种亚稳异构体）以及氰的质子化形式（在 TMC-1 中仅为初步探测）[4]，为星际空间中 NCCN 的存在与丰度提供了支持。

NCCNH⁺ 作为氰的质子化形式，最初在冷暗云 TMC-1 与 L483 中被辨认出来 [11]，其丰度比 NCCNH⁺/NCCN 约为 10⁻⁴。此后，又有研究报道在前恒星核 L1544 中观测到质子化氰 [12]。NCCNH⁺ 的探测很好地指示了暗云中 NCCN 的存在。尽管 NCCN 不具有永久偶极矩，其质子化形式却是强极性的线性分子阳离子，电偶极矩达 6.448 德拜 [13]。

质子化是星际空间中非常重要的过程 [14, 15]，大多数质子化阳离子被认为经由质子转移反应形成，NCCNH⁺ 也不例外 [11]。质子化氰可由质子向氰转移而形成。实验上已利用选择离子流动管（SIFT）技术研究了 NCCN 与 H₃⁺、N₂H⁺、H₂O⁺、C₂H₃⁺ 和 SO₂H⁺ 反应生成 NCCNH⁺ 的过程，并测定了反应速率与 C₂N₂ 的质子亲和能 [16]。