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宇宙では、水素は主として水素原子として存在するが、その一部は水素分子として存在する。しかし、高真空・極低温の宇宙で、水素原子から水素分子がどのようにしてできるのかは、長年の謎である。昨年度は、密度汎関数法を用いて、ベンゼンとナフタレンの陽イオンラジカルが触媒となって、遷移状態(活性化エネルギー)なしに、2個の水素原子から水素分子が生成する可能性があることを見出した。
今年度の研究では、PAHのモデル化合物としてアントラセンからオバレンまでの大きな多環式芳香族炭化水素(PAH)の陽イオンに着目し、密度汎関数法B3LYP/3-21GとB3LYP/6-31G^<**>のレベルの計算を行って、これらの陽イオンが水素分子生成反応の触媒となるかどうかを検討した。これらのPAH分子についても、ナフタレンの場合と同様に、まず1個の水素原子が、PAH分子のCH結合を形成しているどれかの炭素原子に付加し、2個目の水素原子がそれを水素分子として引き抜く反応が、遷移状態(活性化エネルギー)なしに進行する可能性が大きいことが分かった。また、ナフタレンを用いて、この種の反応に付随して起こると予想される代表的な副反応を検討し、ナフタレン陽イオンに2個の水素原子が付加したとしても、3つ目の水素原子が活性化エネルギーなしに、付加した水素原子の1つを引き抜き、水素分子を生成することがわかった。これらの反応が現実に進行したとすると、重水素が関わる分子内振動の零点エネルギーが小さいことにより、PAH分子に重水素が濃縮されることになる。
これと並行して、グラフ理論を用いて、星間空間に存在が予想される多原子分子であるPAH分子やフラーレンの化学的性質を調べた。
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