星际空间中含有肽键-CONH-的分子生成机理研究

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茫茫星际空间并不是一无所有真正意义上的真空。在射电望远镜的帮助下,人们在星际空间中发现了大量分子云,云中含有各种复杂的有机分子。这其中,包括含有-CONH-键的甲酰胺分子与乙酰胺分子,由于其包含的酰胺键在生物中是连接氨基酸的重要化学键,与蛋白质的形成和功能有着紧密的联系,成为人们深入了解星云特性、生命源奥秘和恒星演化的重要研究对象,因而激发了人们对其在星际空间形成机理的研究兴趣。广泛存在于星际空间中的冰颗粒及其表面上的NH3、CO、H2O、HNC、HNCO、HCOOH、CH3COOH等小分子为很多星际分子的生成提供了场所和可能。本文以这些小分子作为反应物,研究了甲酰胺与乙酰胺的生成机理,并研究了冰颗粒表面水分子及其吸附的NH3、HF等小分子对各种反应通道的影响。本文采用量子化学计算中的密度泛函理论方法,在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上对星际空间中含有-CONH-肽键的甲酰胺分子和乙酰胺分子的生成机理进行系统研究。对反应物、中间体、产物和过渡态的结构进行几何优化,利用振动频率分析和IRC计算对过渡态进行确认,并研究了不同催化剂对上述分子生成的影响及差异,对其反应的机理给出合理解释,探究星际空间中这些分子可能的生成机理。对于甲酰胺的生成,分别以NH3与CO、H2与HNCO、H2O与HNC、HCOOH与NH3作为反应物来分析其反应通道。通过比较各通道的反应活化能垒的高低,发现HCOOH与NH3作为反应物生成甲酰胺的反应能垒最低。研究表明,反应过程中发生氢迁移反应的通道,在小分子催化作用下,反应活化能垒都有所降低。其中,NH3与CO在两分子HF催化作用下一步反应生成NH2CHO的反应活化能垒降低到了17.1 kJ/mol,与没有催化剂存在时282.9 kJ/mol的活化能垒相比,大大降低,在星际媒介冰颗粒表面较容易进行。HCOOH与NH3在两分子HF催化作用下一步反应生成NH2CHO的反应活化能垒降低到了14.0kJ/mol,在星际媒介冰颗粒表面更容易进行。综上所述,以HCOOH与NH3作为反应物生成甲酰胺,是甲酰胺合成的主要通道,在HF分子催化的作用下,反应能垒明显降低,在星际星际媒介条件下很容易生NH2CHO。对于乙酰胺的生成,分别以CH4与HNCO、CH3COOH与NH3作为反应物来分析其反应通道。通过比较各通道反应活化能垒的高低,发现CH3COOH与NH3作为反应物生成乙酰胺的反应能垒为180.1 kJ/mol,比CH4与HNCO作为反应物的反应能垒301.5 kJ/mol低很多。研究表明,在小分子催化作用下,两通道的反应活化能垒都有所降低。其中,CH4与HNCO反应一步生成乙酰胺在HF分子催化作用下,反应活化能垒为221.6 kJ/mol,与没有催化剂存在时的活化能垒301.5 kJ/mol相比,降低很多。CH3COOH与NH3反应一步生成乙酰胺在小分子HF催化作用下,活化能垒降低到20.6 kJ/mol,在星际媒介冰颗粒表面很容易进行。综上所述,CH3COOH与NH3作为反应物生成乙酰胺,是乙酰胺合成的主要通道。在HF分子的催化下,反应能垒有明显的下降,在星际空间的条件下容易生成乙酰胺。
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