Цианополиины - это группа химических веществ с химической формулой HC
пN ( п = 3,5,7, ...). Структурно, они polyynes с циано группы , ковалентно связанной с одним из терминальных ацетиленовых единиц. Редко наблюдаемая группа молекул как из-за сложности производства, так и из-за нестабильного характера парных групп, цианополиины наблюдались как основной органический компонент в межзвездных облаках . [1] Считается, что это связано с дефицитом водорода в некоторых из этих облаков. Помехи с водородом - одна из причин нестабильности молекулы из-за энергетически выгодной диссоциации обратно на цианистый водород и ацетилен. [2]
Цианополиины были впервые обнаружены в межзвездных молекулярных облаках в 1971 году с помощью телескопов миллиметрового диапазона и микроволнового диапазона . [1] С тех пор много цианополиинов с более высоким весом, таких как HC
7N и HC
11N были обнаружены, хотя некоторые из этих идентификаций были оспорены. Другие производные, такие как метилцианоацетилен CH
3C
3N и этилцианоацетилен CH
3CH
2C
3N также наблюдались. [3] Простейшим примером является цианоацетилен , H − C≡C − C≡N. Цианоацетилен более распространен на Земле, и считается, что он является исходным реагентом для большинства фотокатализируемых образований межзвездных цианополиинов. Цианоацетилен - одна из молекул, полученных в эксперименте Миллера-Юри, и ожидается, что он будет обнаружен в богатой углеродом среде. [4]
Идентификация производится путем сравнения экспериментального спектра со спектром, полученным с телескопа. Обычно это делается с помощью измерения постоянной вращения , энергии вращательных переходов или измерения энергии диссоциации. Эти спектры могут быть получены либо ab initio из программы вычислительной химии, либо, например, с более стабильным цианоацетиленом , путем прямого измерения спектров в эксперименте. Как только спектры сгенерированы, телескоп может сканировать на определенных частотах нужные молекулы. Количественное определение также может быть выполнено для определения плотности соединений в облаке.
Предполагаемое образование
Формирование цианополиненов в межзвездных облаках зависит от времени. Было изучено образование цианополиина и рассчитаны его содержания в темном облаке TMC-1 . В первые дни существования TMC-1 определяющими реакциями были ионно-молекулярные реакции. За это время цианоацетилен, HC 3 N, образовался в результате серии ионно-нейтральных реакций, при этом конечная химическая реакция была:
- С 3 Н 2 + N → НС 3 N + H
Однако спустя 10 000 лет преобладающими реакциями были нейтрально-нейтральные реакции, и стали возможны два механизма реакции образования цианополиинов.
- HCN + C 2 H 2 → HC 3 N
- C n H 2 + CN → HC n +1 N + H для n = 4, 6, 8
Механизм реакции, который происходит в наши дни, зависит от среды облака. Для того, чтобы произошел первый механизм реакции, облако должно содержать большое количество C 2 H. Второй механизм реакции происходит, если присутствует большое количество C 2 H 2 . C 2 H и C 2 H 2 существуют в разных условиях, поэтому образование цианополиинов зависит от высокой доступности любой молекулы. Расчеты Уинстенли показывают, что реакции фотоионизации и диссоциации играют важную роль в распространении цианополиинов примерно через 1 миллион лет. Однако на фракционные содержания цианополинола в меньшей степени влияют изменения интенсивности поля излучения за прошлый 1 миллион лет, поскольку преобладающие нейтрально-нейтральные реакции превосходят эффекты фотореакций. [5]
Обнаружение в межзвездной среде
Цианополиины относительно распространены в межзвездных облаках , где они были впервые обнаружены в 1971 году. Как и многие другие молекулы, цианополиины обнаруживаются с помощью спектрометра, который регистрирует квантовые уровни энергии электронов в атомах. [6] Это измерение выполняется с помощью источника света, который проходит через желаемую молекулу. Свет взаимодействует с молекулой и может либо поглощать свет, либо отражать его, поскольку не весь свет ведет себя одинаково. Это разделяет свет на спектр с изменениями из-за рассматриваемой молекулы. Этот спектр записывается компьютером, который может определить, какие длины волн спектра были изменены каким-либо образом. При воздействии широкого диапазона света длины волн можно определить, ища пики в спектре. Процесс обнаружения обычно происходит во внешних диапазонах электромагнитного спектра , обычно в инфракрасном или радиоволнах . [7]
Спектр может показать энергию вращательного состояния из-за длин волн, которые поглощаются молекулой; используя эти вращательные переходы, можно показать уровень энергии каждого электрона, чтобы определить идентичность молекулы. Вращательные переходы можно определить с помощью этого уравнения: [8]
- V ( Дж ) = 2 В 0 Дж - 4 D 0 Дж 3
где
- B 0 - постоянная вращательной дисторсии для основного колебательного состояния.
- D 0 - константа центробежных искажений для основного колебательного состояния.
- J - квантовое число полного углового момента
Это показывает, что вращательное искажение атома связано с частотой колебаний рассматриваемой молекулы. Благодаря этой способности обнаруживать цианополиины, эти молекулы были зарегистрированы в нескольких местах по всей галактике. К таким местам относятся атмосфера на Титане, газовые облака внутри туманностей и границы умирающих звезд. [9]
Виды размером с HC
9N были обнаружены в Молекулярном облаке Тельца 1 , где, как полагают, они образовались в результате реакции атомарного азота с углеводородами . [10] Некоторое время HC
11N был рекордсменом как самая большая молекула, обнаруженная в межзвездном пространстве, но его идентификация была затруднена. [11] [12]
Смотрите также
- Диацетилен , H − C≡C − C≡C − H
Рекомендации
- ^ a b Тернер, BE (1971). «Обнаружение межзвездного цианоацетилена». Астрофизический журнал . 163 (1): L35. DOI : 10.1086 / 180662 .
- ^ Balucani, N .; Asvany, O .; Хуанг, LCL; Ли, Ю.Т .; Кайзер, Род-Айленд; Osamura, Y .; Беттингер, Х.Ф. (2000). «Образование нитрилов в межзвездной среде через реакции цианорадикалов CN ( X 2 Σ + ) с непредельными углеводородами». Астрофизический журнал . 545 (2): 892–906. DOI : 10.1086 / 317848 .
- ^ Бротен, Северо-Запад; Macleod, JM; Эйвери, LW; Ирвин, ВМ; Hoglund, B .; Friberg, P .; Хьялмарсон, А. (1984). «Обнаружение межзвездного метилцианоацетилена». Астрофизический журнал . 276 (1): L25 – L29. DOI : 10.1086 / 184181 . PMID 11541958 .
- ^ Макколлом, TM (2013). «Миллер – Юри и другие: что мы узнали о реакциях пребиотического органического синтеза за последние 60 лет?». В Жанло, Р. (ред.). Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 41 . Пало-Альто: Ежегодные обзоры. С. 207–229.
- ^ Winstanley, N .; Неджад, ЛАМ (1996). «Химия цианополинола в ТМЦ-1». Астрофизика и космическая наука . 240 (1): 13–37. DOI : 10.1007 / bf00640193 .
- ^ Ван Дишек, EF (2004). «ISO-спектроскопия газа и пыли: от молекулярных облаков до протопланетных дисков». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 42 : 119–167. DOI : 10.1146 / annurev.astro.42.053102.134010 .
- ^ Arnau, A .; Tunon, I .; Andres, J .; Силла, Э. (1990). «Теоретические константы вращения метилцианополин (MeC n N) разновидностей». Письма по химической физике . 166 (1): 54–56. DOI : 10.1016 / 0009-2614 (90) 87049-W .
- ^ Аткинс, П. В.; де Паула, Дж. (2006). «Молекулярная спектроскопия: спектры чистого вращения». Физическая химия (8-е изд.). Издательство Оксфордского университета. С. 431–469. ISBN 0198700725.
- ^ Chen, W .; Grabow, JU; Трэверс, MJ; Манроу, MR; Новик, ЮВ; Маккарти, MC; Фаддеус, П. (1998). «Микроволновые спектры метилцианополиинов CH 3 (C≡C) n CN, n = 2, 3, 4, 5». Журнал молекулярной спектроскопии . 192 (1): 1–11. DOI : 10,1006 / jmsp.1998.7665 . PMID 9770381 .
- ^ Freeman, A .; Миллар, Т.Дж. (1983). «Образование сложных молекул в ТМС-1». Природа . 301 (5899): 402–404. DOI : 10.1038 / 301402a0 .
- ^ Трэверс, MJ; Маккарти, MC; Kalmus, P .; Готтлиб, Калифорния; Фаддей, П. (1996). «Лабораторное обнаружение линейного цианополина HC 11 N» . Астрофизический журнал . 469 : L65 – L68. DOI : 10.1086 / 310254 .
- ^ Трэверс, MJ; Маккарти, MC; Kalmus, P .; Готтлиб, Калифорния; Фаддей, П. (1996). «Лабораторное обнаружение цианополина HC 13 N» . Письма в астрофизический журнал . 472 : L61. DOI : 10.1086 / 310359 .