Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/64161
Type: Tese
Title: Estudo teórico da formação de moléculas de importância prebiótica no meio interestelar
Authors: Mateus Augusto Martins de Paiva
First Advisor: Heitor Avelino de Abreu
First Co-advisor: Breno Rodrigues Lamaghere Galvão
First Referee: Ricardo Rodrigues de Oliveira Junior
Second Referee: Luiz Antônio Sodré Costa
Third Referee: Guilherme Ferreira de Lima
metadata.dc.contributor.referee4: João Paulo Ataide Martins
Abstract: Na astroquímica a molécula de glicolaldeído, ou 2-hidroxietanal, assume um papel crucial. Além de ser o açúcar mais simples já detectado no meio interestelar, sua importância se estende pela capacidade de sintetizar outras moléculas biologicamente relevantes, como a ribose, peça chave no material genético. No entanto, seu processo de formação permanece indefinido, já que as propostas atuais não conseguem explicar sua abundância detectada. Inicialmente foi definido a melhor rota de formação do glicolaldeído em fase gasosa, na qual três rotas distintas para a sua formação foram testadas. A molécula de formaldeído é a principal candidata como precursora, e a partir disso foram analisadas uma rota de formação radicalar e uma neutra. A melhor rota de formação encontrada foi a via radicalar, através de duas reações elementares. Inicialmente, o radical HCO reage com o formaldeído, gerando um intermediário que, por sua vez, reage sequencialmente com um radical de hidrogênio, resultando no glicolaldeído. Esta reação apresentou uma barreira energética de 27 kJ mol−1 , com um energia relativa aos reagentes final de -455 kJ mol−1 . Essa rota foi então estabelecida para os estudos subsequentes. Como é proposto que moléculas orgânicas no espaço interestelar são catalisadas ou tem sua formação facilitada na superfície de gelo astronômico ou superfície de grãos, foi então avaliado se superfícies de gelo amorfo reduz a barreira energética e favorece a formação do glicolaldeído como rota principal de obtenção no meio interestelar. Para isso, foram testadas duas metodologias distintas, ambas validadas com dados experimentais de energia de adsorção. Em cálculos periódicos com superfície de gelo amorfo, foi obtido uma redução média de 49% da barreira energética a nível DFT B3LYP em relação ao análogo em fase gasosa, na qual foi usado o mecanismo de aproximação Eley-Rideal. Já em clusters de gelo amorfo, a redução média ficou entre 105% a 129% ao nível DFT ωB97X-D3 e 48% a 54% ao nível Coupled Cluster com o mecanismo Langmuir-Hinshelwood. Também foi avaliado se o mesmo mecanismo poderia ser compartilhado para a formação da molécula de metanoato de metila ou metil formato, na qual se mostrou ineficiente tanto em gelo quanto em grãos de poeira estelar. Assim, este trabalho propõe uma nova rota eficaz e promissora de formação para o glicolaldeído com participação essencial do gelo astroquímico.
Abstract: In astrochemistry the molecule glycolaldehyde or 2-hydroxyethanal plays a crucial role. Besides being the simplest sugar ever detected in the interstellar medium, its significance lies in its ability to synthesize other biologically relevant molecules, such as ribose, a key component in genetic material. However, its formation process remains undefined as current proposals fail to explain its detected abundance. Thus, initially, the best formation route for glycolaldehyde in the gas phase was defined, where three distinct routes for its formation were tested. The formaldehyde molecule is the primary candidate as a precursor, and based on this, a radical formation route and a neutral one were analyzed. The best-found formation route was the radical pathway, through two elementary reactions. Initially, the HCO radical reacts with formaldehyde, generating an intermediate that subsequently reacts with a hydrogen radical, resulting in glycolaldehyde. This reaction exhibited an energy barrier of 27 kJ mol−1 , with relative energy to the final reagents of -455 kJ mol−1 . This route was then established for subsequent studies. As it is proposed that organic molecules in interstellar space are catalyzed or have their formation facilitated on the surface of astronomical ice or grain surfaces, it was then assessed whether amorphous ice surfaces reduce the energy barrier and favor the formation of glycolaldehyde as the main route of acquisition in the interstellar medium. For this purpose, two distinct methodologies were tested, both validated with experimental data on adsorption energy. In periodic calculations with amorphous ice surfaces, an average reduction of 49% in the energy barrier was obtained using DFT B3LYP, employing the Eley-Rideal mechanism. Meanwhile, in amorphous ice clusters, the average reduction ranged between 105% to 129% using DFT ωB97X-D3 and 48% to 54% using Coupled Cluster at the Langmuir-Hinshelwood mechanism. It was also evaluated whether the same mechanism could be shared for the formation of methyl formate, which proved to be inefficient both in ice and in stellar dust grains. Therefore, this study proposes a new, effective, and promising formation route for glycolaldehyde with the essential involvement of astrochemical ice.
Subject: Físico-química
Reatividade (Química)
Moléculas
Meio ambiente espacial
Adsorção
Funcionais de densidade
Modelagem computacional
Compostos orgânicos
Mecanismos de reação (Química)
Química de superfície
Formaldeído
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/64161
Issue Date: 1-Feb-2024
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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