A theoretical approach to the formation of glycine in the interstellar gas phase
Krumrey, Christine
Glycin ist die einfachste der essentiellen Aminosäuren und repräsentiert damit eines der grundlegenden Bausteinmoleküle des Lebens. Wegen seiner zentralen biologischen Bedeutung wurde nach der ersten Labormessung des Millimeterwellenspektrums in der Gasphase 1978 eine ausgedehnte Durchmusterung des interstellaren Raumes gestartet. In den Sternenstehungsgebieten des Orion und des Sagittarius B2 wurden einige spektrale Rotationsübergänge beobachtet, die von zwei verschiedenen Konformationen des Glycins herrühren könnten. Aufgrund seiner biologischen Signifikanz ist die zweifelsfreie Beobachtung sowie die Aufklärung seiner Bildung im interstellaren Raum von immenser Bedeutung; nicht nur für die interstellare Chemie im allgemeinen, sondern vor allem im Hinblick auf die Frage nach dem Ursprung des Lebens auf der Erde. Diese Arbeit repräsentiert, verglichen mit den zahlreichen experimentellen und theoretischen Untersuchungen seit über 25 Jahren, einen alternativen Ansatz zum Problem der Molekülbildung in der interstellaren Gasphase. Dieser wird mit quantenchemischen Methoden am Beispiel der Bildung von Glycin durchgeführt. Dabei wurden zwei mögliche Zerfallsprozesse retrospektiv als Bildungspfade zugrunde gelegt und die involvierten molekularen Spezies, Reaktanden, vier verschiedene Konformationen des Produktmoleküls, sowie zwei Kandidaten möglicher Übergangszustände im Hinblick auf die Kalkulation der Intrinsischen Reaktionskoordinate optimiert. Diese diente zur Charakterisierung des resultierenden Bildungspfades. Die Optimierung der in den gewählten Reaktionspfaden zugehörigen Spezies umfaßt ihre Geometrie und Totalenergie, die ein-Elektronenenergien und Symmetrien der involvierten Molekülorbitale auf der zugehörigen Hyperfläche der Potentialenergie, sowie ihre fundamentalen Schwingungsfrequenzen. Die in Frage kommenden Verbindungen sind die mesomeren Konfigurationen der interstellar beobachteten Spezies CH4N+ und die ionischen und radikalen Strukturen der COOH-Gruppe des Bildungsweges 1, sowie die Reihe folgender Moleküle +CH2COOH, -CH2COOH im Singlett- und Triplettzustand, CH2COOH, und Essigsäure CH3COOH, sowie Ammoniak NH3, und Formen der Amino Gruppe +NH2, -NH2 und NH2, welche zum zweiten Bildungspfad gehören. Glycin selbst bietet mehrere verschiedene Rotationskonformere zur Untersuchung, davon wurden vier der stabilsten Konformationen hier berechnet. Mit dieser Information wurden einige ausgewählte Molekülorbitalkorrelationsdiagramme aufgestellt, die als erstes Kriterium im Hinblick auf die Klassifizierung einer Reaktion als erlaubt oder verboten anzusehen sind, wobei die Symmetrieeigenschaften der involvierten Molekülorbitale besondere Berücksichtigung finden. Alle Optimierungen wurden auf der Grundlage der Hartee-Fock Näherung mit den Basissätzen 3-21G, 4-31G und 6-31G durchgeführt, gefolgt von störungstheoretischen Møller-Plesset Rechnungen zweiter Ordnung. Dabei fand das Gaussian92 Programm Anwendung.
Glycine as the simplest of the amino acids represents one of the essential building blocks of life. Because of its central biological significance there have been started an extensive search in interstellar space since the first laboratory determination of the millimeter wave spectrum of the gaseous molecule in 1978. In the star forming regions of Orion and Sagittarius B2 a few spectral rotational transitions were observed, which may correspond to two different conformeres of NH2CH2COOH. Hence, the doubtless detection and furthermore, the knowledge of its formation in space would be of importance not only for interstellar chemistry, but also for the question of the origin of life on Earth. Compared with the investigations of various scientists over the last 25 years, this work represents a alternative approach to molecular formation in the interstellar gas phase, here with special consideration of glycine, using quantum mechanical tools. Starting with two different possible paths of formation, the involved reactants, four different conformations of the product molecule as well as possible intermediates were optimized. Two decomposition processes available e.g., via mass spectrometrical fragmentation were chosen retrospectively as paths of formation. The optimization of the molecules relevant to the selected reaction path I and II comprises the geometry, the total energy, the one-electron energy and the symmetry of the molecular orbitals involved in the chemical reaction on the corresponding potential energy surface, as well as their fundamental vibrational frequencies. The species in question are both mesomeric configurations of the interstellar observed species CH4N+ and ionic/radical species COOH derived from formic acid HCOOH according to path of formation number I, as well as the series of compounds +CH2COOH, -CH2COOH in singlet and triplet state, CH2COOH, and acetic acid CH3COOH, ammonia NH3, and versions of the amino group +NH2, -NH2, and NH2 corresponding to the second path of glycine synthesis. Glycine itself offers several different rotational conformations to investigate, four of the most stable conformeres have been calculated and are presented here. The results relevant to glycine include also two definite transition structures with consideration of computing the intrinsic reaction coordinate, which characterizes the desired route of formation. With this information some selected molecular orbital correlation diagrams could be composed, which represent a first criterion, whether the considered chemical reaction is classified as allowed or forbidden, taking specific note of the symmetry properties of the molecular orbitals involved. All optimizations were performed via ab initio Hartree-Fock approximation with the basis sets 3-21G, 4-31G and 6-31G, followed by Møller-Plesset second order perturbation calculations using the gaussian92 program.
