اكتشاف الهيدروكربون العطري متعدد الحلقات ذو السبعة حلقات سيانكورونين (C 24 H 11 CN) في ملاحظات GOTHAM لـ TMC-1 Discovery of the Seven-ring Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Cyanocoronene (C24H11CN) in GOTHAM Observations of TMC-1

المجلة: The Astrophysical Journal Letters، المجلد: 984، العدد: 1
DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/adc911
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41103619
تاريخ النشر: 2025-04-30

اكتشاف الهيدروكربون العطري متعدد الحلقات ذو السبعة حلقات سيانكورونين (C 24 H 11 CN) في ملاحظات GOTHAM لـ TMC-1

غابي وينزل (د) سييوان غونغ (دي) تشي شيو (دي) بي. براين تشانغالا (د) مارتن س. هولدرن (د) توماس إتش. سبيك (د) دي. آرتشي ستيوارت (دي) زاكاري تي. بي. فريد (د) ريس إتش. جي. ويليس (د) إدوين أ. بيرجين (د) أندرو م. بوركهاردت (د) أليكس ن. بيرن (د) ستيفن ب. تشارني (د، أندرو ليبنيكي (د) ريان أ. لوماس (د) كريستوفر ن. شينجلديكر (د) إلسا ر. كوك أنتوني ج. ريميجيان (د) مايكل سي. مكارثي (د) أليسون إي. ويندلاندت (د) وبريت أ. مكغواير (د) قسم الكيمياء، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كامبريدج، MA 02139، الولايات المتحدة الأمريكية مركز علم الفلك | هارفارد وسميثسونيان، كامبريدج، MA 02138، الولايات المتحدة الأمريكية جيلا، جامعة كولورادو بولدر والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، بولدر، كولورادو 80309، الولايات المتحدة الأمريكية قسم الفيزياء، جامعة كولورادو بولدر، بولدر، كولورادو 80309، الولايات المتحدة الأمريكية قسم الكيمياء، جامعة كولومبيا البريطانية، فانكوفر، كولومبيا البريطانية، كندا قسم الفلك، جامعة ميتشيغان، آن آربر، ميشيغان 48109، الولايات المتحدة الأمريكية قسم الأرض والبيئة والفيزياء، جامعة وورسيتر الحكومية، وورسيتر، ماساتشوستس 01602، الولايات المتحدة الأمريكية مختبر الكيمياء الفلكية ومركز غودارد لعلم الأحياء الفلكي، قسم استكشاف النظام الشمسي، مركز غودارد لرحلات الفضاء، غرينبيلت، ماريلاند 20771، الولايات المتحدة الأمريكية مرصد الراديو الفلكي الوطني، شارلوتسفيل، فيرجينيا 22903، الولايات المتحدة الأمريكية قسم الكيمياء، معهد فرجينيا العسكري، ليكستون، فيرجينيا 24450، الولايات المتحدة الأمريكية

الملخص

نقدم تخليق وطيف الدوران المختبري للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات ذات السبع حلقات سيانكورونين باستخدام مطياف الميكروويف المحسن بواسطة تجويف مدعوم بالليزر. تم قياس وتعيين ما مجموعه 71 انتقالًا بين . باستخدام هذه المهام، بحثنا عن انبعاث من السيانكورونين في ملاحظات تلسكوب غرين بانك (GBT) لمشروع TMC-1: البحث عن الجزيئات العطرية (GOTHAM) من السحابة الجزيئية الباردة المظلمة TMC-1 باستخدام تلسكوب غرين بانك الذي يبلغ طوله 100 متر. نحن نكتشف عددًا من الانتقالات المفصولة بشكل فردي في ملاحظات X-band فائقة الحساسية ونقوم بإجراء تحليل سلسلة ماركوف مونت كارلو لاستنتاج أفضل المعلمات، بما في ذلك كثافة العمود الكلي لـ عند درجة حرارة تحليل التكديس الطيفي والترشيح المتطابق يوفر طريقة قوية الأهمية للكشف العام. الكثافة العمودية المستمدة قابلة للمقارنة مع تلك الخاصة بالنفتالين المستبدل بالسيانو، والأسينافثيلين، والبايرين، متجاوزة الاتجاه المتمثل في انخفاض الوفرة مع زيادة حجم الجزيئات وتعقيدها الموجود في سلاسل الكربون. نناقش تداعيات الكشف لفهمنا لكيمياء PAH بين النجوم ونبرز الأسئلة الرئيسية المفتوحة والخطوات التالية.

الكلمات المفتاحية: الكيمياء الفلكية، التلسكوبات (GBT)، المسوحات، الخطوط الراديوية: المادة بين النجوم، التقنيات: الطيفية، المادة بين النجوم: الجزيئات، المادة بين النجوم: الوفرة، المادة بين النجوم: الفردية (TMC-1)، المادة بين النجوم: الخطوط والأشرطة، الطرق: الرصدية

1. المقدمة

الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) هي فئة من الجزيئات يُعتقد أنها تحتجز جزءًا كبيرًا (10-25%) من ميزانية الكربون بين النجوم (Tielens)
2008؛ شابو وآخرون 2020؛ دويك وآخرون 1997؛ هابارت وآخرون 2004)، تساهم في بين النجوم تشكيل كل من الأسطح الحفازة (Mennella et al. 2012; Thrower et al. 2012; Rauls & Hornekær 2008; Le Page et al. 2009) ومن خلال تجريد الهيدروجين (Bauschlicher 1998; Boschman et al. 2015)، تعمل كحاملات لتوازن الشحنات (Carelli & Gianturco 2012; Bakes & Tielens 1998)، وتساهم في تسخين الغاز المحايد في المصادر بين النجوم (Berné et al. 2022)، من بين العديد من الأدوار الأخرى. منذ منتصف-
في الثمانينيات، تم ربط الأشرطة غير المعروفة في الأشعة تحت الحمراء (UIRs)، وهي ميزات انبعاث واسعة في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة التي لوحظت تجاه العديد من الأجسام الفلكية المصنفة كمناطق مهيمنة على الفوتونات (PDRs) من الوسط بين النجمي (ISM)، على نطاق واسع بأنماط اهتزازية من PAHs المثارة إلكترونيًا (Léger & Puget 1984؛ Allamandola et al. 1985) – ولهذا السبب، تُعرف هذه الأشرطة أيضًا عادةً بالأشرطة العطرية تحت الحمراء (AIBs) – على الرغم من أنه لم يتم تحديد أي حامل PAH فردي من خلال انبعاثه تحت الأحمر (Tielens 2008). ومع ذلك، تم الحصول على دليل قاطع على وجود PAHs خارج النظام الشمسي في عام 2021 مع اكتشاف 1 و 2-سيانوناфтالين. ) عبر علم الفلك الراديوي (ماكغواير وآخرون 2021). تم إجراء الاكتشافات في السحابة الجزيئية الباردة الخالية من النجوم TMC-1 باستخدام تلسكوب روبرت سي. بيرد غرين بانك (GBT) الذي يبلغ طوله 100 متر كجزء من برنامج الملاحظات الكبير GBT لـ TMC-1: البحث عن الجزيئات العطرية (GOTHAM). بعد ذلك بوقت قصير، تم اكتشاف PAH ثالث، وهو الإندين. ؛ تم اكتشافه من قبل GOTHAM ومشروع ييبس 40 متر تلسكوب Q-band Ultrasensitive Inspection Journey to the Obscure TMC1 Environment (QUIJOTE) في عام 2021، تلاه في العام التالي اكتشاف 2-سيانو إندين. ; سيتا وآخرون 2022) بواسطة غوثام. تم الكشف عن 1 – و 5 سيانوأسينافثيلين ( ) تم الإبلاغ عنها بعد ذلك بواسطة سيرنيتشارو وآخرون (2024).
مؤخراً، 1-، 2-، و4-سيانوبيرين ) تم اكتشافها في ملاحظات GOTHAM (Wenzel et al. 2024, 2025). كانت هذه المركبات متعددة الحلقات، والمكثفة بشكل شبه كامل، أكبر الأنواع التي تم اكتشافها باستخدام علم الفلك الراديوي حتى الآن. من هذه الملاحظات، تم تقدير أن البيرين غير المستبدل (العاري) ( قد تمثل في حد ذاتها ما يصل إلى من ميزانية الكربون (وينزل وآخرون 2024). من الجدير بالذكر أن كثافات الأعمدة المستمدة من PAHs المعروفة في TMC-1 جميعها متشابهة: حيث تقع السيانونافتالينات، والسيانوأسينافثيلينات، والسيانوبيرينات جميعها ضمن عامل من بعضهم البعض بين . (2-سيانو إندين أقل قليلاً عند .) هذا يتناقض بشكل حاد مع الاتجاهات العامة لكثافة العمود الملاحظة مع أعداد ذرات الكربون ضمن عائلة جزيئية (لوميس وآخرون 2021؛ سيبرت وآخرون 2022). بناءً على هذه النتائج، اعتبرنا ما إذا كانت PAHs الأكبر قد تكون قابلة للاكتشاف بكثافة عمود مماثلة في TMC-1.
كورونين غالبًا ما يُوصف في الأدبيات بأنه “النموذج الأولي” للـ PAH المتقارب (المضغوط)، المعروف بخصائصه الهيكلية والكيميائية والطيفية، مما يجعله نموذجًا لفهم PAHs الأكبر في البيئات الأرضية والخارجية. التناظر والترافق العالي -نظام الإلكترون في-
الشكل 1. الهندسة المحسّنة للسيانكورونين ، في نظام المحاور الرئيسي الذي يمتد بواسطة المتجهات و تم حساب لحظة ثنائي القطب الكهربائي الدائم لها لتكون و .
وبالتالي تعزيز طابعه العطري واستقراره، مما يجعله مفضلاً من الناحية الطاقية ويميزه عن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الأبسط مثل النفثالين والأنثراسين (كلار 1964، 1983). في الواقع، هناك توافق مثير للإعجاب مع التحولات الصغيرة. تم استخدام العلاقة بين الميزات الاهتزازية المحسوبة لكرونين والـ AIBs الملحوظة من قبل ليجر وبوجيه (1984) في اقتراحهم الأصلي بأن PAHs كانت الحوامل الأساسية. نظرًا لدورها كنموذج PAH، ركزت العديد من الدراسات الكيمائية الفلكية على كرونين ومشتقاته، والعناقيد، والقطع، وحالات الشحن. يتم إنتاج كرونين بكفاءة عند درجات حرارة عالية بسبب استقراره الديناميكي الحراري (شتاين 1978؛ هودجينز وألاماندولا 1995)، وهو أكبر PAH تم العثور عليه في نيزك مورتشيسون (سيبتون وآخرون 2004؛ صبّاح وآخرون 2017)، ومن بين PAHs التي تم تحديدها في عينات العودة من الكويكب ريوغو (صبّاح وآخرون 2024). يُعرف طيفه تحت الأحمر بشكله المحايد عند درجات حرارة مختلفة (جوبلين وآخرون 1995) ولشكله الكاتيوني في تجارب فخ الأيونات (أومينز وآخرون 2001). طيف تحت الأحمر لكرونين البروتوني. يكشف أنه نوع رئيسي بين الحوامل المحتملة لشرائط UIR (أو AIBs) (Dopfer 2011؛ Bahou et al. 2014؛ Cazaux et al. 2016). قد يؤدي تدمير الكورونين إلى إنتاج وسائط تفاعلية رئيسية تشارك في تشكيل جزيئات عضوية معقدة أصغر (COMs) وكاملين (Gatchell et al. 2021؛ Chen et al. 2020؛ Panchagnula et al. 2024). ومع ذلك، لم يتم ملاحظة فقدان الأسيتيلين، وهو أحد القنوات الرئيسية لتفكك PAHs الأصغر، بالنسبة لأيونات الكورونين في تجارب تشبه PDRs مع فوتونات فوق بنفسجية فراغية (VUV) تصل إلى 20 eV (Zhen et al. 2016؛ Joblin et al. 2020)، مما يبرز استقراره الشديد. دور الكورونين في سياق
تمت مناقشة الأشرطة بين النجوم المنتشرة (DIBs). تم اقتراح الكورونين المنزوع الهيدروجين، والمُؤيّن، والمُؤيّن كحاملين محتملين للأشرطة (Pathak & Sarre 2008؛ Malloci et al. 2008)، لكن هذه الفرضيات تم دحضها (Garkusha et al. 2011؛ Useli-Bacchitta et al. 2010؛ Hardy et al. 2017). ومع ذلك، لا تزال بعض توزيعات PAHs مرشحة واعدة كحاملين للأشرطة بسبب علاقتها الوثيقة بعائلة الفوليرين (Campbell et al. 2015).
كما هو الحال مع العديد من المركبات العطرية متعددة الحلقات، فإن الكورونين لا يمتلك لحظة ثنائية قطبية كهربائية دائمة وبالتالي لا يمتلك طيف دوران نقي. لذلك، فإن البحث عن نظيره المستبدل بـ CN هو أمر معقول، وفي الواقع، أظهرت الأدلة التجريبية سابقًا أن إضافة CN إلى الكورونين قد تتم بسهولة تحت ظروف بين النجوم (برنشتاين وآخرون 2002)، على الرغم من أننا نلاحظ أن الدراسة المعنية كانت محددة في المرحلة المكثفة. هنا، نقدم دراسة مشتركة حسابية وتجريبية لطيف دوران السيانوكورونين. ) واكتشافه اللاحق في TMC-1.

2. التركيب

سيانوكورونين، وهو مشتق CN من PAH المتناظر بشكل كبير كورونين (انظر الشكل 1)، غير متوفر تجارياً. لقياس طيف الدوران المختبري لسيانوكورونين، قمنا بتخليقه عبر المسار الموصوف بالتفصيل في الملحق A، والذي كان جزئياً مستنداً إلى أعمال سابقة (دايل وريبيك 2006؛ هيودو وآخرون 2017). باختصار، كورونين ( ) تم شراؤه من شركة Ambeed Inc. (نقاء ) واستخدمت كمادة أولية لتحضير الفورميلكورونين ( ). تفاعل الفورميلكورونين بشكل إضافي عبر الفورميلكورونين أوكسيم ( ) إلى سيانكورونين ( ) مادة صلبة صفراء، مع عائد تقريبي من .

3. الطيفية المخبرية

تم تحسين هندسة السيانكورونين (انظر الشكل 1) لأول مرة عند مستوى B97X-D4/def2-TZVPP (تشاي ورأس-غوردون 2008؛ كالدويهر وآخرون 2017؛ ويغند 2006) في ORCA 5.0.4 (نيس 2022) وتم إعادة تحسينه عند مستوى B3LYP/aug-cc-pVTZ (بيك 1993؛ دانيغ 1989؛ كيندال وآخرون 1992؛ ديفيدسون 1996) في Gaussian 16 (فريش وآخرون 2016)، والذي أظهر مؤخرًا أداءً جيدًا عند الحصول على الثوابت الدورانية للـ PAHs (نيمان وآخرون 2025). كما قمنا بمقارنة أدائه باستخدام ثلاثة من نظائر السيانوبيرين التي تم دراستها سابقًا (انظر الملحق ب والجدول ب1). جنبًا إلى جنب مع ثوابت التشويه المركزي الرباعية المستمدة من مجال القوة التوافقي (انظر الجدول 1)، شكلت هذه الثوابت الطيفية المحسوبة نظريًا أساس بحثنا في المختبر.
الجدول 1. الثوابت الدورانية لسيانكورونين في Areduced III تمثيل. و تشير إلى عدد الانتقالات المميزة في الملاءمة وعدد ترددات الانتقال الفريدة في الملاءمة، على التوالي. انظر الجدول C2 لقائمة الخطوط.
معامل B3LYP aug-cc-pVTZ تجريبي
335.393 ٣٣٣.٨٥٢٩٨٩(٢٤٩)
٢٢٢٫٠٣٥ 221.2700880(838)
١٣٣٫٥٩٤ ١٣٣.١٠٨١٠١٥(١٢٢)
0.669 [0.669]
-0.617 [-0.617]
0.011 [0.011]
-0.120 [-0.120]
-0.494 [-0.494]
71
٣٨
٢.٥٩٥
القيم بين القوسين هي عدم اليقين في وحدات الرقم الأخير. القيم بين الأقواس لم تكن قابلة للتحديد وتم تثبيتها على الثوابت المحسوبة نظريًا.
تفاصيل إعداد العينة والقياسات الطيفية موضحة في Wenzel et al. (2024). باختصار، تم استخدام مكبس هيدروليكي لضغط حوالي 600 ملغ من العينة الصلبة في قضيب عينة أسطواني، والذي تم تركيبه بعد ذلك في مرحلة دوارة تقع downstream من صمام نبضي مدعوم بغاز النيون. ثم تم إزالة القضيب باستخدام التوافقي الثاني عند 532 نانومتر من ليزر Nd:YAG لإدخال العينة في الطور الغازي، حيث تم حملها في النيون وتوسيعها فوق الصوتي في تجويف مطياف الميكروويف من نوع Balle-Flygare (Balle & Flygare 1981؛ Crabtree et al. 2016). عند تتولد درجات الحرارة الدورانية من التمدد فوق الصوتي، حيث تقع أقوى انتقالات السيانكورونين في أدنى نطاق من نطاق تشغيل الجهاز، بين .
بشكل إجمالي، تمكنا من قياس وتعيين 71 انتقالًا (38 خطًا فريدًا) من السيانكورونين (انظر الجدول C2). استخدمنا SPCAT/SPFIT (بيكيت 1991) لتحديد الثوابت الطيفية للسيانكورونين من خلال ملاءمة المربعات الصغرى في تقليل واتسون A (III). معامل عدم التماثل، ، يضع السيانكورونين بعيدًا عن حدود القمة الممدودة أو المفلطحة. تم تثبيت ثوابت تشوه الطرد المركزي على القيم المحسوبة نظريًا. الـ تم تجاهل اقتران الرباعي الكهربائي النووي تمامًا لأنه لم يكن بالإمكان حل أي انقسامات للارتفاع- الانتقالات المقاسة (انظر الجدول C2). أفضل ملاءمة
ثوابت دورانية، ، و ، مدرجة في الجدول 1 وبنسبة خطأ مطلقة متوسطة (MAPE) قدرها في توافق ممتاز مع القيم المحسوبة.

4. الملاحظات

تم الحصول على ملاحظات TMC-1 باستخدام تلسكوب روبرت سي. بيرد غرين بانك (GBT) بقطر 100 متر كجزء من مشروع GOTHAM (ماكغواير وآخرون 2020). تم تقديم تفاصيل استراتيجية المراقبة وإجراءات تقليل البيانات في أماكن أخرى (ماكغواير وآخرون 2020، 2021؛ سيتا وآخرون 2022). في هذا التحليل، استخدمنا ملاحظات من خامس تقليل للبيانات والذي يتضمن تحسينات في إزالة العيوب والتداخلات الترددية الراديوية، وتصحيحات الشفافية الجوية، وإزالة الخط الأساسي (شيو 2024). باختصار، نستهدف “ذروة السيانوبوليين” في TMC-1 التي تتركز عند تغطي ملاحظات GOTHAM نطاق ترددي يبلغ 29 جيجاهرتز بين 436 جيجاهرتز، محدودًا بفجوات في تغطية المستقبل، بدقة 1.4 كيلوهرتز مع مستوى ضوضاء جذر متوسط المربعات (RMS) بين عبر معظم نطاق الترددات الملاحظة. تم تحقيق معايرة التدفق من خلال قياسات ثنائي الضوضاء المتبدل، مما أدى إلى تقدير دقة درجة حرارة الهوائي بـ . في حالة السيانكورونين، تقع أقوى الانتقالات التي تساهم في الكشف العام في ، وأطياف Ku. كما تم مناقشته أدناه، تم تمكين ملاحظة الانتقالات الفردية للسيانكورونين من خلال ملاحظاتنا فائقة الحساسية في نطاق X بين (مشروع GBT 24A-124). من خلال دمج هذا النطاق العميق من X-band والملاحظات السابقة من GOTHAM، نصل إلى انحراف معياري قدره 1.5 مللي كلفن في هذا النطاق الترددي. بينما نقوم بإجراء التحليل الموصوف في §5 على الأطياف بدقة كاملة، قمنا أيضًا بتنعيم البيانات باستخدام نافذة هانينغ ذات 10 قنوات إلى دقة 14 كيلو هرتز لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في الانتقالات الفردية وتحسين تصور الكشف (انظر الشكل 2).

5. التحليل الفلكي

نظرًا لانخفاض ضوضاء RMS في بياناتنا في نطاق X، فإن brightest SNR لخطوط السيانكورونين في ظروف TMC-1 ( تسقط في نطاق الترددات أدى البحث عن السيانكورونين في بيانات GOTHAM إلى الحصول على عدة انتقالات دورانية مفصولة بشكل فردي قريبة من ضوضاء الجذر التربيعي للمتوسط، خاصة بالقرب من 10.515 غيغاهرتز (انظر الشكل 2). قمنا بإجراء تحليل سلسلة ماركوف مونت كارلو (MCMC) مستند إلى أعمال سابقة (McGuire et al. 2021; Loomis et al. 2021) لاشتقاق المعلمات الفيزيائية التي تصف بشكل أفضل انبعاث السيانكورونين. توفر هذه الطريقة استنتاجًا من خلال تكييف البيانات على الأولويات (انظر Ta-
الشكل 2. طيف GOTHAM الملساء باستخدام نافذة هانينغ ذات 10 قنوات بدقة 14 كيلو هرتز (أسود) مغطاة بطيف السيانكورونين (برتقالي) المحاكى باستخدام المعلمات المستمدة من MCMC الموضحة في الجدول E5. الخطوط مع مُعَلَّمَة بنجوم.
الضوضاء المحلية RMS و عدم اليقين المنهجي. المعلمات المستمدة من تحليل MCMC مدرجة في الجدول E5، حيث السرعات في المعيار المحلي للراحة، ودرجة حرارة الإثارة، تتوافق مع الاكتشافات السابقة في TMC-1 (ماكارثي وآخرون 2021؛ سيتا وآخرون 2022). تعكس الشكوك المستمدة في كل معلمة توزيع الاحتمالات اللاحقة.
من تحليل MCMC الخاص بنا، تم اشتقاق الكثافة العمودية الكلية كمجموع لكثافات الأعمدة لجميع مكونات دوبلر الأربعة، مما أسفر عن قيمة قدرها و . هذه القيمة من يتماشى ذلك مع PAHs الأخرى التي تم اكتشافها في TMC-1 (McGuire et al. 2021؛ Cernicharo et al. 2024؛ Wenzel et al. 2024، 2025). لتحديد أهمية اكتشافنا للسيانكورونين، قمنا بإجراء تحليل تكديس السرعة وتحليل التصفية المتطابقة (كما هو موضح في Loomis et al. 2021؛ McGuire et al.
الشكل 3. (أ) طيف السرعة المكدس و (ب) نتائج تحليل مرشح المطابقة لطيف السيانكورونين في بيانات GOTHAM التي تم إنشاؤها باستخدام المنهجيات الموضحة في لووميس وآخرون (2021).
2021؛ وينزل وآخرون 2024) من 100 سطر ساطع من سناج السيانكورونين، مما أدى إلى اكتشاف إيجابي بمستوى ثقة عالٍ من في استجابة مرشح المطابقة (انظر الشكل 3).

6. المناقشة

استنادًا إلى الافتراض بأن إضافة CN إلى الروابط المزدوجة العطرية لا تتطلب طاقة تنشيط (Balucani et al. 2000؛ Woon & Herbst 2009؛ Cooke et al. 2020)، نستخدم المشتقات التي تم الكشف عنها من CN كبدائل لاستنتاج وجود PAHs الأصلية غير المستبدلة في TMC-1. وبالمثل لتقديرنا لكثافة العمود من البيرين في TMC-1 (Wenzel et al. 2025)، نستخدم نسبة CN/H لاستنتاج كثافة عمود تقريبية من الكورونين. (انظر الملحق G للحصول على التفاصيل). السيانكورونين، الذي يحتوي على 24 ذرة كربون (باستثناء مجموعة CN)، هو حتى الآن أكبر هيدروكربون عطري متعدد الحلقات (PAH) تم اكتشافه حتى الآن بواسطة التلسكوبات الراديوية في الوسط بين النجمي. مع الاكتشافات السابقة للهيدروكربونات العطرية الحلقية (PAH) في TMC-1، التي لها توزيع تقريبي مسطح في كثافة العمود مع زيادة الحجم (انظر الشكل 4)، يتحدى هذا النتيجة فهمنا للكيمياء التي تلعب دورًا في الوسط بين النجمي الكثيف. على الرغم من عدم معرفة أي طرق لتكوين الغاز في المرحلة الغازية عند درجات حرارة منخفضة للهيدروكربونات العطرية المتوسطة الحجم مثل البيرين، فإنه من الملحوظ أن مشتقات CN المكتشفة من الهيدروكربونات العطرية الأحادية والمتعددة الحلقات مثل البنزين، النفثالين، البيرين، والآن الكورونين، هي جميعها أعضاء في أكثر الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات استقرارًا حراريًا التي تشكلت من خلال طريق البلمرة عند درجات حرارة عالية (انظر الشكل 5؛ شتاين 1978؛ هودجينز وألاماندولا 1995). تبني هذه الطريقة للبلمرة هيدروكربونات عطرية متعددة الحلقات كبيرة، شديدة التكثف مع نسب منخفضة من H/C عن طريق إضافة حلقة واحدة في كل مرة، على سبيل المثال، عبر أسيتيلين سحب الهيدروجين ( آلية الإضافة (HACA) (رايزر وآخرون 2022).
بالنظر إلى بيئات الأصداف المحيطة بالنجوم، اقترح زهاو وآخرون (2018) غازًا عالي الحرارة-
مسار تشكيل الطور لبايرين، بدءًا من الجذري 4-فينانثرينيل. في الواقع، الفينانثرين هو أيضًا عضو في أكثر مسارات بوليمرة PAH استقرارًا من الناحية الديناميكية الحرارية (انظر الشكل 5). ومع ذلك، لم تكن عمليات البحث السريعة عن مشتقه CN- 9-سيانوفيتانثرين، الذي يُعرف طيفه الدوراني (ماكنوتون وآخرون 2018)، ناجحة حتى الآن في ملاحظاتنا باستخدام GOTHAM. قد يكون ذلك بسبب أن الطيفية لواحد فقط من خمسة سيانوفيتانثرين المحتملة…
الشكل 4. مقارنة كثافات الأعمدة المستمدة من مجموعة الهيدروكربونات الحلقية (Hs) في TMC-1 مقابل عدد ذرات الكربون، نميز بين الدورات الفردية والمتعددة، والهيدروكربونات العطرية (PA)Hs التي تحتوي على خماسيات، والهيدروكربونات العطرية (P)AHs التي تحتوي فقط على سداسيات، ومشتقاتها CN. تشير السداسيات الأرجوانية إلى PAHs البنزينية النقية وتم تقدير كثافاتها العمودية من مشتقاتها CN (انظر النص والملحق G لمزيد من التفاصيل). السداسيات السوداء هي دورات بنزينية نقية فردية (الهيدروكربونات العطرية، AHs). السداسيات الزرقاء الفاتحة تت correspond إلى (P)AHs البنزينية المستبدلة بـ CN؛ بينما الخماسيات السوداء والزرقاء الداكنة هي (PA)Hs خماسية نقية ومستبدلة بـ CN، على التوالي. تم الإبلاغ عن قيم الكثافة العمودية والمراجع التي تم أخذها منها في الجدول F6.
الشكل 5. الأعضاء السبعة الأوائل من أكثر طرق البلمرة (P)AH حرارية الديناميكية ملاءمة عند درجات الحرارة العالية، مقتبس من شتاين (1978) وهودجينز وآلاماندولا (1995). لاحظ أن هذه ليست مخطط تفاعل. الأعضاء التي تم الكشف عن مشتقاتها CN في TMC-1 موضحة باللون الأسود مع تحديد مواقع الاستبدال بعلامات النجمة. أما الأعضاء باللون الرمادي فلم يتم الكشف عنها (حتى الآن) أو البحث عنها في TMC-1. انظر النص للحصول على التفاصيل.
يُعرف أن هناك متماكبات ثرين، بينما قد تكون أخرى أكثر وفرة. ومع ذلك، فإن ذلك يتماشى مع النتائج التي توصل إليها زايشنر وآخرون (2023) بأن الأنواع من PAH ذات الثلاث حلقات (خطية أو غير مضغوطة) التي تم تحديدها في عينات العودة من الكويكب ريوغو تشكلت عند درجات حرارة مرتفعة، بينما تشكلت الأنواع من PAH ذات الحلقتين والأربع حلقات عبر مسار خاضع للتحكم الحركي عند درجات حرارة منخفضة. )، تماشيًا مع نتائجنا في TMC-1. حسب علمنا، لم يتم بعد توصيف الأعضاء الآخرين في السلسلة، بنزو[e]بايرين وبنزو[ghi]بيريلين، ولا مشتقاتها المستبدلة بـ CN (ستة مواقع إضافية محتملة لكل نوع) بواسطة مطيافية الدوران المخبرية. سيكون قياس طيفها في المختبر أمرًا حاسمًا للبحث عن هذه الأنواع في TMC-1 ومصادر ذات صلة، خاصةً لأن طرق التكوين في الطور الغازي عند درجات حرارة عالية من البنزو بايرين وبنزين تم الكشف مؤخرًا عن التحول من بيريلين إلى كورونين في الأصداف المحيطة بالنجوم (غوتل وآخرون 2023). ستكون اكتشافات، أو قيود على الحدود العليا، لمثل هذه الوسائط في طريق تكوين PAH الأكبر في TMC-1 حاسمة لتوضيح هذه الكيمياء المعقدة الباردة الجديدة وغير المستكشفة.
بالإضافة إلى النظر في طرق التكوين، من الواضح بشكل متزايد أن القدرة على التحمل تجاه طرق التدمير الرئيسية للجزيئات بين النجوم تمثل على الأرجح عاملاً آخر قد يساعد في تفسير الوفرة المسطحة بشكل مدهش للـ PAHs حتى بحجم السيانكورونين. بالنسبة للأنواع الغازية في السحب الجزيئية، بشكل عام، فإن اثنين من طرق التدمير الرئيسية هي التفاعلات مع الأيونات والنضوب على الحبوب – وكلاهما كان موضوع دراسات حديثة جداً تتعلق بالـ PAHs. بالنسبة لتفاعلات الأيون-المحايد، فإن تجارب تخزين حزمة الأيونات الحديثة التي أجراها ستوكيت وآخرون (2025)
ويدل بول وآخرون (2025) على أن الهيكل الأساسي لمركبات PAH يمكن الحفاظ عليه من خلال التبريد الإشعاعي الفعال، مما يفتح إمكانية نوع من “إعادة التدوير” الكيميائي لمركبات PAH التي ستساهم بالتأكيد في الوفرة العالية الملحوظة، على سبيل المثال، السيانكورونين. عند الانتقال إلى النقص في الحبوب، أجرى دارتوا وآخرون (2022) تجارب على إنتاجية التبخير لمركب بيرلين الصلب والكورونين الذي تعرض لقصف من أيونات نشطة، وهو ما يشبه تعرض الأنواع لأشعة كونية في غلاف الثلج لحبوب الغبار. وقد وجدوا أن هذا التبخير الناتج عن الأشعة الكونية فعال تحت ظروف الوسط بين النجوم، ويتوقعون حتى وفرة جزئية في الطور الغازي للكورونين. ، بما يتماشى مع النتائج المقدمة هنا. وبالتالي، فإن دمج مثل هذه النتائج في النماذج الكيمائية الفلكية يمثل وسيلة واعدة للغاية لتحسين توافقها بشكل كبير مع الملاحظات الفلكية.

7. الاستنتاجات

نبلغ عن التعرف بين النجوم على السيانكورونين، وهو مشتق نيتريلي من PAH ذو 7 حلقات، في ملاحظات GOTHAM للسحابة الجزيئية الباردة TMC-1. نستنتج كثافات عمودية عالية من السيانكورونين ووالده غير المستبدل، الكورونين، من و ، على التوالي. السيانكورونين هو أكبر PAH فردي تم اكتشافه في الفضاء ويتواجد بكثافة عمودية مشابهة لـ PAH رباعي الحلقات السيانوبيرين، مما يشير إلى وجود خزان غير مستكشف من PAHs أكبر في الوسط بين النجوم. يقدم هذا الاكتشاف دعماً إضافياً لفرضية PAH ودليلاً إضافياً على الوجود الشامل لـ PAHs في الفضاء. تشير المقارنات مع المواد العضوية في نيزك مورتشيسون والكويكب ريوغو إلى وراثة كبيرة لـ PAHs، ربما تم إنتاجها في البرد ( ) الشروط التي تحدث قبل ولادة النجوم. تمثل مصدرًا واعدًا للكربون لتشكيل العوالم الأرضية في الأنظمة النجمية، حيث يتم تزويد الكربون في شكل مواد عضوية صلبة (Li et al. 2021) من سحبها الأصلية.

8. الوصول إلى البيانات والرمز

البيانات الخام لملاحظات GOTHAM متاحة للجمهور في أرشيف بيانات GBT Legacy. . الكود المستخدم لإجراء التحليل هو جزء من حزمة مولسيم مفتوحة المصدر؛ يمكن الوصول إلى نسخة أرشيفية من الكود في ماكغواير وآخرون (2024). تم معايرة البيانات الملاحظة وتقليلها حول الانتقالات المبلغ عنها، الكتالوج الكامل للسيانكورونين (بما في ذلك
أرقام الكم لكل انتقال)، ودوال التقسيم المستخدمة في تحليل MCMC متاحة عبر زينودو علىhttps://doi.org/10.5281/zenodo.15150735.
المرافق: GBT

الشكر والتقدير

تود G.W. أن تكرس هذه الورقة لمشرفتها في الدكتوراه، كريستين جوبلين، التي أثرت شغفها بالكورونين والـ PAHs الفلكية بشكل عام على اتجاه بحثها، والتي لا تزال إرشاداتها تلهمها. يشكر المؤلفون H. غوبتا على المساعدة في إجراء الملاحظات. نحن نقدر الدعم من منح NSF AST-1908576 وAST-2205126 وAST-2307137. تعترف G.W. وB.A.M. بدعم مؤسسة أرنولد ومايبل بيكمان.
جائزة بيكمان للشباب الباحثين. يود ز.ت.ب.ف. و ب.أ.م. أن يعربا عن امتنانهما لدعم عائلة شميت. يقر إ.ر.س. بالدعم المقدم من جامعة كولومبيا البريطانية ومجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا (NSERC). يقر إ.ر.س. و ت.هـ.س. بالدعم المقدم من وكالة الفضاء الكندية (CSA) من خلال منحة 24AO3UBC14. يتلقى ب.ج.س. الدعم من NIST. المرصد الوطني للراديو الفلكي هو منشأة تابعة لمؤسسة العلوم الوطنية وتديرها اتفاقية تعاونية مع الجامعات المرتبطة، إنك. المرصد في غرين بانك هو منشأة تابعة لمؤسسة العلوم الوطنية وتديرها اتفاقية تعاونية مع الجامعات المرتبطة، إنك.

REFERENCES

Allamandola, L. J., Tielens, A. G. G. M., & Barker, J. R. 1985, The Astrophysical Journal, 290, L25, doi: 10.1086/184435
Baer, T., & Hase, W. L. 1996, Unimolecular Reaction Dynamics: Theory and Experiments (Oxford University Press). https://academic.oup.com/book/40815
Bahou, M., Wu, Y.-J., & Lee, Y.-P. 2014, Angewandte Chemie, 126, 1039, doi: 10.1002/ange. 201308971
Bakes, E. L. O., & Tielens, A. G. G. M. 1998, The Astrophysical Journal, 499, 258, doi: 10.1086/305625
Balle, T. J., & Flygare, W. H. 1981, Review of Scientific Instruments, 52, 33, doi: 10.1063/1.1136443
Balucani, N., Asvany, O., Huang, L. C. L., et al. 2000, The Astrophysical Journal, 545, 892, doi: 10.1086/317848
Bauschlicher, C. W. 1998, The Astrophysical Journal, 509, L125, doi: 10.1086/311782
Becke, A. D. 1988, Physical Review A, 38, 3098, doi: 10.1103/PhysRevA.38.3098
-. 1993, The Journal of Chemical Physics, 98, 5648, doi: 10.1063/1.464913
Becke, A. D., & Johnson, E. R. 2006, The Journal of Chemical Physics, 124, 221101, doi: 10.1063/1.2213970
Bernstein, M. P., Elsila, J. E., Dworkin, J. P., et al. 2002, The Astrophysical Journal, 576, 1115, doi: 10.1086/341863
Berné, O., Foschino, S., Jalabert, F., & Joblin, C. 2022, Astronomy & Astrophysics, 667, A159, doi: 10.1051/0004-6361/202243171
Boschman, L., Cazaux, S., Spaans, M., Hoekstra, R., & Schlathölter, T. 2015, Astronomy & Astrophysics, 579, A72, doi: 10.1051/0004-6361/201323165
Bull, J. N., Subramani, A., Liu, C., et al. 2025, Radiative stabilization of the indenyl cation: Recurrent fluorescence in a closed-shell polycyclic aromatic hydrocarbon. https://arxiv.org/abs/2503.22033
Burkhardt, A. M., Long Kelvin Lee, K., Bryan Changala, P., et al. 2021, The Astrophysical Journal Letters, 913, L18, doi: 10.3847/2041-8213/abfd3a
Caldeweyher, E., Bannwarth, C., & Grimme, S. 2017, The Journal of Chemical Physics, 147, 034112, doi: 10.1063/1.4993215
Campbell, E. K., Holz, M., Gerlich, D., & Maier, J. P. 2015, Nature, 523, 322, doi: 10.1038/nature14566
Carelli, F., & Gianturco, F. A. 2012, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 422, 3643, doi: 10.1111/j.1365-2966.2012.20876.x
Cazaux, S., Boschman, L., Rougeau, N., et al. 2016, Scientific Reports, 6, 19835, doi: 10.1038/srep19835
Cernicharo, J., Agúndez, M., Cabezas, C., et al. 2021a, Astronomy and Astrophysics, 649, L15, doi: 10.1051/0004-6361/202141156
Cernicharo, J., Agúndez, M., Kaiser, R. I., et al. 2021b, Astronomy & Astrophysics, 652, L9, doi: 10.1051/0004-6361/202141660
—. 2021c, Astronomy & Astrophysics, 655, L1, doi: 10.1051/0004-6361/202142226
Cernicharo, J., Fuentetaja, R., Agúndez, M., et al. 2022, Astronomy & Astrophysics, 663, L9, doi: 10.1051/0004-6361/202244399
Cernicharo, J., Cabezas, C., Fuentetaja, R., et al. 2024, Astronomy & Astrophysics, 690, L13, doi: 10.1051/0004-6361/202452196
Chabot, M., Béroff, K., Dartois, E., Pino, T., & Godard, M. 2020, The Astrophysical Journal, 888, 17, doi: 10.3847/1538-4357/ab584f
Chai, J.-D., & Head-Gordon, M. 2008, The Journal of Chemical Physics, 128, 084106, doi: 10.1063/1.2834918
Chen, T., Luo, Y., & Li, A. 2020, Astronomy & Astrophysics, 633, A103, doi: 10.1051/0004-6361/201936873
Clar, E. 1964, Polycyclic Hydrocarbons (Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg), doi: 10.1007/978-3-662-01668-8
-. 1983, in Mobile Source Emissions Including Policyclic Organic Species, ed. D. Rondia, M. Cooke, & R. K. Haroz (Dordrecht: Springer Netherlands), 49-58, doi: 10.1007/978-94-009-7197-4_4
Cooke, I. R., Gupta, D., Messinger, J. P., & Sims, I. R. 2020, The Astrophysical Journal Letters, 891, L41, doi: 10.3847/2041-8213/ab7a9c
Crabtree, K. N., Martin-Drumel, M.-A., Brown, G. G., et al. 2016, The Journal of Chemical Physics, 144, 124201, doi: 10.1063/1.4944072
Dale, T. J., & Rebek, J. 2006, Journal of the American Chemical Society, 128, 4500, doi: 10.1021/ja057449i
Dartois, E., Chabot, M., Koch, F., et al. 2022, A&A, 663, A25, doi: 10.1051/0004-6361/202243274
Davidson, E. R. 1996, Chemical Physics Letters, 260, 514, doi: 10.1016/0009-2614(96)00917-7
Davies, J. W., Green, N. J. B., & Pilling, M. J. 1986, Chemical Physics Letters, 126, 373, doi: 10.1016/S0009-2614(86)80101-4
Dopfer, O. 2011, EAS Publications Series, 46, 103, doi: 10.1051/eas/1146010
Dunning, Jr., T. H. 1989, The Journal of Chemical Physics, 90, 1007, doi: 10.1063/1.456153
Dwek, E., Arendt, R. G., Fixsen, D. J., et al. 1997, The Astrophysical Journal, 475, 565, doi: 10.1086/303568
Frisch, M. J., Trucks, G. W., Schlegel, H. B., et al. 2016, Gaussian~16 revision C. 01
Garkusha, I., Fulara, J., Sarre, P. J., & Maier, J. P. 2011, The Journal of Physical Chemistry A, 115, 10972, doi: 10.1021/jp206188a
Gatchell, M., Ameixa, J., Ji, M., et al. 2021, Nature Communications, 12, 6646, doi: 10.1038/s41467-021-26899-0
Georgievskii, Y., & Klippenstein, S. J. 2005, The Journal of Chemical Physics, 122, 194103, doi: 10.1063/1.1899603
Glowacki, D. R., Liang, C.-H., Morley, C., Pilling, M. J., & Robertson, S. H. 2012, The Journal of Physical Chemistry A, 116, 9545, doi: 10.1021/jp3051033
Goettl, S. J., Tuli, L. B., Turner, A. M., et al. 2023, Journal of the American Chemical Society, 145, 15443, doi: 10.1021/jacs.3c03816
Grimme, S., Ehrlich, S., & Goerigk, L. 2011, Journal of Computational Chemistry, 32, 1456, doi: 10.1002/jcc. 21759
Habart, E., Natta, A., & Krügel, E. 2004, Astronomy and Astrophysics, 427, 179, doi: 10.1051/0004-6361:20035916
Hardy, F.-X., Rice, C. A., & Maier, J. P. 2017, The Astrophysical Journal, 836, 37, doi: 10.3847/1538-4357/836/1/37
Hill, G. 2016, ccRepo. http: //www.grant-hill.group.shef.ac.uk/ccrepo/index.html
Holbrook, K. A., Pilling, M. J., Robertson, S. H., & Robinson, P. J. 1996, Unimolecular reactions, Wiley
Hudgins, D. M., & Allamandola, L. J. 1995, The Journal of Physical Chemistry, 99, 3033, doi: 10.1021/j100010a011
Hyodo, K., Togashi, K., Oishi, N., Hasegawa, G., & Uchida, K. 2017, Organic Letters, 19, 3005, doi: 10.1021/acs.orglett.7b01263
Ishida, K., Morokuma, K., & Komornicki, A. 1977, The Journal of Chemical Physics, 66, 2153, doi: 10.1063/1.434152
Joblin, C., Boissel, P., Léger, A., D’Hendecourt, L., & Defourneau, D. 1995, Astronomy & Astrophysics, 299, 835. http://adsabs.harvard.edu/abs/1995A%26A…299..835J
Joblin, C., Wenzel, G., Castillo, S. R., et al. 2020, Journal of Physics: Conference Series, 1412, 062002, doi: 10.1088/1742-6596/1412/6/062002
Johnson, R. I. 2022, NIST computational chemistry comparison and benchmark database. http://cccbdb.nist.gov/
Jurečka, P., Šponer, J., Černý, J., & Hobza, P. 2006, Physical Chemistry Chemical Physics, 8, 1985, doi: 10.1039/B600027D
Kendall, R. A., Dunning, Jr., T. H., & Harrison, R. J. 1992, The Journal of Chemical Physics, 96, 6796, doi: 10.1063/1.462569
Kesharwani, M. K., Brauer, B., & Martin, J. M. L. 2015, The Journal of Physical Chemistry A, 119, 1701, doi: 10.1021/jp508422u
Le Page, V., Snow, T. P., & Bierbaum, V. M. 2009, The Astrophysical Journal, 704, 274, doi: 10.1088/0004-637X/704/1/274
Lee, C., Yang, W., & Parr, R. G. 1988, Physical Review B, 37, 785, doi: 10.1103/PhysRevB.37.785
Lee, K. L. K., Changala, P. B., Loomis, R. A., et al. 2021, The Astrophysical Journal Letters, 910, L2, doi: 10.3847/2041-8213/abe764
Li, J., Bergin, E. A., Blake, G. A., Ciesla, F. J., & Hirschmann, M. M. 2021, Science Advances, 7, eabd3632, doi: 10.1126/sciadv.abd3632
Liakos, D. G., & Neese, F. 2012, The Journal of Physical Chemistry A, 116, 4801, doi: 10.1021/jp302096v
Linstrom, P., & Mallard, W. 2024, NIST chemistry WebBook, NIST standard reference database number 69. https://doi.org/10.18434/T4D303
Loomis, R. A., Burkhardt, A. M., Shingledecker, C. N., et al. 2021, Nature Astronomy, 5, 188, doi: 10.1038/s41550-020-01261-4
Loru, D., Cabezas, C., Cernicharo, J., Schnell, M., & Steber, A. L. 2023, Astronomy & Astrophysics, 677, A166, doi: 10.1051/0004-6361/202347023
Lourderaj, U., & Hase, W. L. 2009, The Journal of Physical Chemistry A, 113, 2236, doi: 10.1021/jp806659f
Léger, A., & Puget, J. L. 1984, Astronomy & Astrophysics, 500, 279. https: //ui.adsabs.harvard.edu/1984A&A…137L…5L/abstract
Malloci, G., Mulas, G., Cecchi-Pestellini, C., & Joblin, C. 2008, Astronomy & Astrophysics, 489, 1183, doi: 10.1051/0004-6361:200810177
McCarthy, M. C., Lee, K. L. K., Loomis, R. A., et al. 2021, Nature Astronomy, 5, 176, doi: 10.1038/s41550-020-01213-y
McGuire, B. A., Xue, C., Lee, K. L. K., El-Abd, S., & Loomis, R. A. 2024, molsim, v0.5.0, Zenodo, doi: 10.5281/zenodo. 12697227
McGuire, B. A., Burkhardt, A. M., Loomis, R. A., et al. 2020, The Astrophysical Journal, 900, L10, doi: 10.3847/2041-8213/aba632
McGuire, B. A., Loomis, R. A., Burkhardt, A. M., et al. 2021, Science, 371, 1265, doi: 10.1126/science.abb7535
McNaughton, D., Jahn, M. K., Travers, M. J., et al. 2018, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 476, 5268, doi: 10.1093/mnras/sty557
Mennella, V., Hornekær, L., Thrower, J., & Accolla, M. 2012, The Astrophysical Journal Letters, 745, L2, doi: 10.1088/2041-8205/745/1/L2
Miller, W. H. 1979, Journal of the American Chemical Society, 101, 6810, doi: 10.1021/ja00517a004
Neeman, E. M., Lesarri, A., & Bermúdez, C. 2025, ChemPhysChem, in press, e202401012, doi: 10.1002/cphc. 202401012
Neese, F. 2022, WIREs Computational Molecular Science, 12, e1606, doi: 10.1002/wcms. 1606
Oomens, J., Sartakov, B. G., Tielens, A. G. G. M., Meijer, G., & Helden, G. v. 2001, The Astrophysical Journal, 560, L99, doi: 10.1086/324170
Panchagnula, S., Kamer, J., Candian, A., et al. 2024, Physical Chemistry Chemical Physics, 26, 18557, doi: 10.1039/D4CP01301H
Pathak, A., & Sarre, P. J. 2008, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 391, L10, doi: 10.1111/j.1745-3933.2008.00544.x
Perdew, J. P. 1986, Physical Review B, 33, 8822, doi: 10.1103/PhysRevB. 33.8822
Pickett, H. M. 1991, Journal of Molecular Spectroscopy, 148, 371, doi: 10.1016/0022-2852(91)90393-O
Pinski, P., Riplinger, C., Valeev, E. F., & Neese, F. 2015, The Journal of Chemical Physics, 143, 034108, doi: 10.1063/1.4926879
Rauls, E., & Hornekær, L. 2008, The Astrophysical Journal, 679, 531, doi: 10.1086/587614
Reizer, E., Viskolcz, B., & Fiser, B. 2022, Chemosphere, 291, 132793, doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.132793
Riplinger, C., Pinski, P., Becker, U., Valeev, E. F., & Neese, F. 2016, The Journal of Chemical Physics, 144, 024109, doi: 10.1063/1.4939030
Sabbah, H., Bonnamy, A., Papanastasiou, D., et al. 2017, The Astrophysical Journal, 843, 34, doi: 10.3847/1538-4357/aa73dd
Sabbah, H., Quitté, G., Demyk, K., & Joblin, C. 2024, Natural Sciences, 4, e20240010, doi: 10.1002/ntls. 20240010
Sephton, M. A., Love, G. D., Watson, J. S., et al. 2004, Geochimica et Cosmochimica Acta, 68, 1385, doi: 10.1016/j.gca.2003.08.019
Siebert, M. A., Lee, K. L. K., Remijan, A. J., et al. 2022, The Astrophysical Journal, 924, 21, doi: 10.3847/1538-4357/ac3238
Sita, M. L., Changala, P. B., Xue, C., et al. 2022, The Astrophysical Journal, 938, L12, doi: 10.3847/2041-8213/ac92f4
Stein, S. 1978, The Journal of Physical Chemistry, 82, 566, doi: 10.1021/j100494a600
Stockett, M. H., Subramani, A., Liu, C., et al. 2025, Dissociation and radiative stabilization of the indene cation: The nature of the C-H bond and astrochemical implications. https://arxiv.org/abs/2503.20686
Thrower, J. D., Jørgensen, B., Friis, E. E., et al. 2012, The Astrophysical Journal, 752, 3, doi: 10.1088/0004-637X/752/1/3
Tielens, A. G. G. M. 2008, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46, 289, doi: 10.1146/annurev.astro.46.060407.145211
Useli-Bacchitta, F., Bonnamy, A., Mulas, G., et al. 2010, Chemical Physics, 371, 16, doi: 10.1016/j.chemphys.2010.03.012
Weigend, F. 2006, Physical Chemistry Chemical Physics, 8, 1057, doi: 10.1039/b515623h
Weigend, F., & Ahlrichs, R. 2005, Physical Chemistry Chemical Physics, 7, 3297, doi: 10.1039/B508541A
Wenzel, G., Cooke, I. R., Changala, P. B., et al. 2024, Science, 386, 810, doi: 10.1126/science.adq6391
Wenzel, G., Speak, T. H., Changala, P. B., et al. 2025, Nature Astronomy, 9, 262, doi: 10.1038/s41550-024-02410-9
West, N. A., Millar, T. J., Van de Sande, M., et al. 2019, The Astrophysical Journal, 885, 134, doi: 10.3847/1538-4357/ab480e
Woon, D. E., & Herbst, E. 2009, The Astrophysical Journal Supplement Series, 185, 273, doi: 10.1088/0067-0049/185/2/273
Xue, C. 2024, GBT Spectral Line Reduction Pipeline. https://github.com/cixue/gotham-spectral-pipeline
Zeichner, S. S., Aponte, J. C., Bhattacharjee, S., et al. 2023, Science, 382, 1411, doi: 10.1126/science.adg6304
Zhao, L., Kaiser, R. I., Xu, B., et al. 2018, Nature Astronomy, 2, 413, doi: 10.1038/s41550-018-0399-y
Zhen, J., Rodriguez Castillo, S., Joblin, C., et al. 2016, The Astrophysical Journal, 822, 113, doi: 10.3847/0004-637X/822/2/113

الملحق

أ. مسار التخليق الكامل إلى سيانكورونين

تم توضيح المسار الكامل للتخليق من الكورونين إلى السيانكورونين في الشكل A1 ويتم شرحه فيما يلي.
الشكل A1. مسار التخليق الكامل من الكورونين ) إلى سيانكورونين ( ).

أ.1. تخليق الفورميلكورونين

تم تحضير الفورميلكورونين وفقًا للأدبيات (دايل وريبيك 2006). أضيفت الكورونين (Ambeed Inc.) إلى دورق شلنغ سعة 500 مل تم تجفيفه في الفرن. ). بعد التطهير بـ تم إضافة 1,2-ثنائي كلورو إيثان (DCE) اللامائي و160 مل من ثنائي كلورو ميثان (DCM) اللامائي. ثم تم تبريد الكأس إلى في حمام ثلجي، وبدون ماء تم حقنه في الخليط. على مدار ساعة، تم استخدام ثنائي كلوروميثيل ميثيل إيثر ( تم إضافة (بشكل قطرة تلو الأخرى) إلى الخليط بينما تم الحفاظ على درجة الحرارة عند تم تحريك التفاعل لمدة ساعتين إضافيتين عند قبل أن يسخن إلى وتم الاحتفاظ بها عند تلك الدرجة الحرارة لمدة 30 دقيقة. ثم تم تبريدها تدريجياً إلى درجة حرارة الغرفة وتحريكها لمدة 19 ساعة. وتم تبريد خليط التفاعل مرة أخرى إلى ، وتم إضافة 100 مل من الماء المثلج. بعد التحريك لمدة 3 ساعات في درجة حرارة الغرفة، تم استخراج التفاعل 5 مرات باستخدام 100 مل من DCM في كل مرة. أنhydrous تم إضافة إلى الطور العضوي، وتم تعريض المزيج الخام بالكامل لعمليات الكروماتوغرافيا العمودية باستخدام DCM النقي للحصول على الفورميلكورونين ( yield) كبلورات صفراء تشبه الإبر. الرنين المغناطيسي النووي (NMR) . ، (قد تتداخل القمم).
استكشاف الأخطاء وإصلاحها:
  1. سوف تطلق التفاعل غاز HCl أثناء التسخين. يُنصح بالحذر.
  2. لم تُظهر التفاعل أي تحسين في العائد بعد مضاعفة المعادلة. و . ومع ذلك، فإن معظم المواد الأولية قابلة للاسترداد.
  3. المنتج والمواد الأولية غير المتفاعلة كلاهما ذو قابلية ذوبان ضعيفة في مجموعة واسعة من المذيبات العضوية. وبالتالي، فإن كميات كبيرة (قد تتجاوز 6 لترات) من DCM مطلوبة لإجراء الكروماتوغرافيا على هذا النطاق.
الشكل A2. الرنين المغناطيسي النووي (الأعلى) و طيف NMR (أسفل) للفورميلكورونين.
الشكل A3. طيف الرنين المغناطيسي النووي للفورميلكورونين-أوكسيما.
كما هو موضح أعلاه. يُوصى أيضًا بإجراء عملية الكروماتوغرافيا بأسرع ما يمكن حيث إن المنتجات المتبلورة يمكن أن تسد العمود بشكل كبير.

أ.2. تخليق الفورميلكورونين-أوكسيما

تم إضافة الفورميلكورونين إلى وعاء ضغط سعة 350 مل كلوريد هيدروكسيل الأمونيوم 16.0 مليمول، 4 مكافئ)، مسحوق من غربال 3 أنغستروم ميسيتيلين وثلاثي إيثيل أمين “، 4 معادلة) بالترتيب أعلاه. تم إغلاق الوعاء على الفور وتسخينه في بين عشية وضحاها. ثم تم تخفيف المزيج بـ 500 مل من التتراهيدروفوران (THF) وتم تصفيته. تم إزالة الـ THF بواسطة جهاز التبخر الدوار، ثم أضيف 100 مل من الهكسان لترسيب الفورميلكورونين-أوكسيما المتبقي. ثم تم تصفية الراسب الصلب وغسله بالهكسان والميثانول. تم تجفيف الصلب الناتج تحت الفراغ للحصول على الفورميلكورونين-أوكسيما (1.24 جرام، yield) كمسحوق بني حبيبي. ، .
استكشاف الأخطاء وإصلاحها:
  1. خليط التفاعل غير متجانس ويمكن أن يلتصق بجدران الوعاء إذا تم تحريكه بعنف شديد، مما يؤدي إلى تفاعل غير مكتمل. يُفضل التحريك البطيء.

أ.3. تخليق السيانكورونين

تم تحضير السيانكورونين وفقًا لإجراء معدّل من الأدبيات (هايو دو وآخرون 2017): إلى دورق دائري القاع مجفف في الفرن تحت تم إضافة الفورميلكورونين-أوكسيما 4-دايميثيل أمينوبيريدين (DMAP) ثلاثي إيثيل أمين و تم تحريك التفاعل طوال الليل. بمجرد استهلاك الأوكسيما بالكامل عبر تحليل الرنين المغناطيسي النووي تم إذابته في DCM (4 مل) وتم حقنه في خليط التفاعل. بعد التحريك طوال الليل، تم إيقاف التفاعل بـ وتمت تصفيته من خلال وسادة سيليكا باستخدام DCM كعامل إزاحة للحصول على المنتج المختلط مع حوالي تمت إزالة المذيبات تحت ضغط منخفض للحصول على مادة صلبة صفراء. من نسبة الفورميلكورونين إلى سيانكورونين، تم حساب عائد سيانكورونين ليكون
الشكل A4. طيف الرنين المغناطيسي النووي للسيانكورونين.
الرنين المغناطيسي النووي للمزيج فورميلكورونين فورميلكورونين فورميلكورونين سيانكورونين ، 12 ساعة، تداخل) ، سيانكورونين).
استكشاف الأخطاء وإصلاحها:
  1. التحويل المباشر للفورميلكورونين إلى سيانكورونين وفقًا لبروتوكول الأدبيات (هايو دو وآخرون 2017) صعب بسبب التفاعل المحدود للفورميلكورونين في درجة حرارة الغرفة. يتم تحقيق تحويل ملحوظ فقط بشكل موثوق في التولوين المغلي أو الكلوروبنزين أو الميسيتيلين. ومع ذلك، فإن ظروف التفاعل الحمضية المدمجة مع درجات الحرارة العالية غالبًا ما تؤدي إلى تدهور كبير في المادة الأولية وتقلل بشكل كبير من العوائد.
  2. المتوسط O-sulfonyl oxime حساس للتحلل المائي. لا يُوصى بعزله.
  3. خليط التفاعل غير متجانس ويمكن أن يلتصق بجدران الوعاء إذا تم تحريكه بعنف شديد، مما يؤدي إلى تفاعل غير مكتمل. يُفضل التحريك البطيء.
  4. كميات وفيرة كان من الضروري إكمال عملية الكروماتوغرافيا بسبب انخفاض قابلية ذوبان المنتج. يمكن التخفيف من انسداد الترسيب عن طريق إزعاج الجزء العلوي من العمود برفق.

ب. معيار مستوى النظرية

لتقييم مستوى النظرية المستخدمة في هذا العمل، B3LYP/aug-cc-pVTZ، نقدم في الجدول B1 الثوابت الدورانية المحسوبة نظريًا وثوابت التشويه المركزي الرباعية المستمدة من حقل القوة التوافقي لثلاثة من نظائر السيانوبيرين التي درسناها سابقًا باستخدام الطيفية الدورانية المخبرية (وينزل وآخرون 2024، 2025). كانت نسبة الخطأ المئوية المطلقة المتوسطة (MAPE) عند مقارنة القيم النظرية بالقيم التجريبية لجميع نظائر السيانوبيرين الثلاثة هي لذلك استنتجنا أن مجموعة B3LYP/aug-cc-pVTZ تمثل بشكل جيد الثوابت الطيفية المحسوبة للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) بهذا الحجم.
الجدول B1. الثوابت الدورانية لثلاثة من نظائر السيانوبيرين في الحالة A المخفضة التمثيل. تم أخذ القيم التجريبية من وينزل وآخرون (2024، 2025)، وتم حساب القيم النظرية باستخدام مستوى نظرية B3LYP/aug-cc-pVTZ، وتُبلغ نتائج التوافق النظري والتجريبي المشترك.
معامل 1-سيانوبييرين
نظري تجريبي نظري + تجريبي
٨٥٠.١٤١ 843.140191(128) 843.141827(128)
٣٧٢.٩٣١ ٣٧٢.٥٠٠١٧٥(٥٦) ٣٧٢.٥٠٠١٨٣(٥٦)
٢٥٩٫٢١٩ 258.4249175(164) 258.4248913(164)
1.977 ٢.٢٤٠(٨٠) 2.153(80))
-5.556 -5.52(101) -5.88(101)
٢٠.٣١٠ [0] [20.310]
0.724 0.826(40) 0.795(40)
٣.٠٥٩ 5.26(74) ٤.٢٠(٧٤)
معامل 2-سيانوبييرين
نظري تجريبي نظري + تجريبي
١٠١٥٫٢٣٩ 1009.19382(60) 1009.19356(39)
314.479 313.1345299(202) 313.1345270(195)
٢٤٠.١٠٥ 239.0427225(184) 239.0427270(167)
0.706 0.7008(109) 0.7023(106)
٥.٣٧٥ 5.814(94) 5.818(94)
8.785 15.3(114) [8.785]
0.184 0.1759(60) 0.1766(59)
٤.٥١٠ 4.22(39) ٤.١٢(٣٥)
معامل 4-سيانوبييرين
نظري تجريبي نظري + تجريبي
652.155 651.383034(69) 651.382955(64)
٤٥٦٫٦٧٠ 453.731352(45) 453.731444(41)
٢٦٨٫٥٩٠ 267.5078168(224) 267.5078004(221)
1.893 1.780(98) 2.026(69)
-1.553 0.43(58) [-1.553]
14.821 10.89(73) 12.61(53)
0.756 0.677(49) 0.803(35)
1.971 2.56(33) 2.40(33)
القيم بين القوسين هي عدم اليقين في وحدات الرقم الأخير.
القيم من وينزل وآخرون القيمة بين القوسين لم تكن قابلة للتحديد وتم تثبيتها على الصفر.
القيم بين الأقواس كانت تحمل عدم يقين كبير وتم تثبيتها على ثوابت نظرية خاصة بها.

ج. خطوط قياس السيانكورونين

تم تقديم الخطوط المقاسة تجريبيًا لسيانكورونين في الجدول C2. تم تصوير أمثلة على الانتقالات المسجلة تجريبيًا باستخدام مطياف FTMW المعزز بالتجويف في الشكل C5.
الجدول C2. الانتقالات المقاسة تجريبياً لسيانكورونين بين 6788 و 10520 ميغاهرتز.
الانتقال ) التردد (ميغاهرتز)
6788.4098
6788.4098
6788.4443
6788.4443
6788.7145
6788.7145
6789.9187
6789.9187
6815.8858
7005.2518
٧٠٥٤.٦١٠٦
7054.6106
7054.6617
7054.6617
٧٠٥٤.٨٧٥٩
٧٠٥٤.٨٧٥٩
7055.9209
7055.9209
٧٠٥٨.٧٨٥٧
7058.7857
7073.0418
٧٠٨٠.٦٣٥٣
٧٠٨٨.٦٠٠٤
٧٢٩١.٤٧١٠
٧٣٢٠.٨١٧٩
٧٣٢٠.٨١٧٩
٧٣٢٠.٨٧٨٠
٧٣٢٠.٨٧٨٠
7321.0420
7321.0420
7321.9574
7321.9574
٧٣٢٤.٤٣٩٣
٧٣٢٤.٤٣٩٣
الجدول C2 مستمر
الجدول C2 (مستمر)
الانتقال ) التردد (ميغاهرتز)
7587.0283
7587.0283
7587.0875
7587.0875
8377.6038
٨٣٨٥.٦٥٠٥
٨٣٨٥.٦٥٠٥
٨٣٨٥.٧٣٤٧
٨٣٨٥.٧٣٤٧
٨٣٨٥.٧٦٣٦
٨٣٨٥.٧٦٣٦
8391.1806
8391.1806
8651.8594
٨٦٥١.٨٥٩٤
8651.9466
8651.9466
8651.9537
8651.9537
8652.4539
8652.4539
8653.7843
8653.7843
8656.7527
8656.7527
١٠٥١٥.٣٤٣٧
١٠٥١٥.٣٤٣٧
١٠٥١٥.٣٤٣٧
١٠٥١٥.٣٤٣٧
١٠٥١٥.٤٥٢٩
١٠٥١٥.٤٥٢٩
١٠٥١٦.٢٣٥٦
١٠٥١٦.٢٣٥٦
١٠٥١٧.٦٧٠٣
١٠٥١٧.٦٧٠٣
١٠٥٢٠.٤٣١٣
١٠٥٢٠.٤٣١٣
الشكل C5. انتقالات مثال على السيانكورونين المسجلة باستخدام مطياف FTMW المعزز بالكافتي. ثلاثة طيفيات مثال تم تسجيلها عن طريق متوسط حوالي 4500 إلى 10000 نبضة غازية تم الحصول عليها بمعدل تكرار 5 هرتز و نبضة الإثارة. الخطوط مقسومة بسبب تضاعف دوبلر الناتج عن هندسة التجويف المحوري – التوسع فوق الصوتي للجهاز. كما نبلغ عن نسبة الإشارة إلى الضوضاء للخطوط المسجلة. تشير الخطوط البرتقالية إلى ترددات الراحة الملائمة. الأرقام الكمية المقابلة للانتقالات، موسومة. تتداخل بشكل وثيق -المكونات مُعلمة بـ .

د. دالة التقسيم لسيانكورونين

دالة التقسيم المحسوبة بواسطة SPCAT لسيانكورونين، باستثناء تم الإبلاغ عن انقسام الهيبرفاين رباعي القطب في الجدول D3.
الجدول D3. دالة التقسيم لسيانكورونين التي تم حسابها بواسطة SPCAT لـ و واستخدمت في تحليل MCMC.
درجة الحرارة [ك] دالة التقسيم
1.0 1703.7230
2.0 ٤٨١٣.٧٢٤٥
3.0 8840.2413
٤.٠ ١٣٦٠٨.٠٣٣٣
5.0 ١٩٠١٥.٧٨٩٧
6.0 ٢٤٩٩٥.١٤٣٧
7.0 31495.9011
8.0 38479.1687
9.375 ٤٨٨١٢.٤٩٢٩
18.75 138047.6140
37.5 390439.4924
75.0 ١١٠٤٣١٧.٣٢٩٢
150.0 ٣١٢٠٠٧٨.٨٦٥٧
٢٢٥.٠ ٥٦٨٦٧٥٩٫١٢٤١
٣٠٠.٠ ٨٥٨٩٥٢٦.٦٧٢٥
٤٠٠.٠ ١٢٦٧٨٧٤٢.٢٠٦٠
٥٠٠.٠ 16744897.1786

تحليل MCMC للسيانكورونين في TMC-1

تم الإبلاغ عن القيم السابقة المستخدمة في تحليل MCMC في الجدول E4، والتوزيعات اللاحقة المارجة الناتجة مدرجة ومصورة في الجدول E5 والشكل E6، على التوالي. لاحظ أننا قمنا بتشغيل تحليل MCMC لدينا على 7768 انتقالًا لها عدم يقين أقل من 5 كيلوهرتز في كتالوج السيانكورونين. القيم السابقة للسرعة، حجم المصدر، وعرض الخط، ، كانت مقيدة بشدة بتوزيعات غاوسية، ، مع متوسط، والتباين، ، مستندًا إلى الملاحظات السابقة للـ PAHs (ماكغواير وآخرون 2021؛ وينزل وآخرون 2024، 2025)، بينما كثافة العمود، ودرجة حرارة الإثارة، سمح لها بالتغير بحرية باستخدام توزيع موحد (غير موزون)، بين و .
الجدول E4. التوزيعات السابقة المستخدمة في تحليل MCMC. توزيع غاوسي، ، مع متوسط والتباين ، تم استخدامه لحجم المصدر، السرعة، ، وعرض الخط، وتوزيع موحد (غير مرجح) بين و تم استخدامه لكثافة العمود، ودرجة حرارة الإثارة، .
رقم المكون ( ) الحجم (“) ( ) (ك) ( )
1
٢
٣
٤
من 0.0 1 10.0 3.0 0.1
ماكس 10.0 100 ١٣.٠ 15.0 0.3
الجدول E5. إحصائيات ملخص توزيع الاحتمالات الخلفية المهمشة من تحليل MCMC لسيانكورونين. تم الإبلاغ عن الافتراضات المستخدمة في الجدول E4. تمثل الشكوك بـ و النسبة المئوية، المعروفة أيضًا باسم فترة الثقة، التي تت correspond إلى لتوزيع غاوسي. يتم اشتقاق الكثافة العمودية الإجمالية وعدم اليقين الخاص بها من خلال التهميش على التوزيعات الخلفية لكثافات الأعمدة لكل مكون فردي والإبلاغ عن ، و النسب المئوية. كانت أحجام المصادر مقيدة بشكل مصطنع (انظر وينزل وآخرون 2024)، وبالتالي، لا نبلغ عن عدم اليقين لديهم.
رقم المكون ( ) الحجم (“) ( ) (ك) ( )
1 50
2 50
٣ 50
٤ ٤٩
مجموع
الشكل E6. تغايرات المعلمات والتوزيعات الخلفية المهمشة لملاءمة MCMC لسيانكورونين. ، و فترات الثقة (المقابلة لـ للتوزيع البعدي الغاوسي) يتم تصويرها كخطوط عمودية على الرسوم البيانية القطرية.

F. كثافات الأعمدة للهيدروكربونات الحلقية في TMC-1

البيانات المجمعة في الشكل 4 مدرجة في الجدول F6.
الجدول F6. كثافات الأعمدة للدورات الحاوية على الكربون التي تم رصدها في TMC-1 كما هو موضح في الشكل 4.
جزيء كثافة العمود ( ) مرجع
٥ سيرنيتشارو وآخرون (2021أ)
٦ سيرنيتشارو وآخرون (2021ب)
٦ لي وآخرون (2021)
٦ لي وآخرون (2021)
٧ سيرنيتشارو وآخرون (2021ج)
٧ سيرنيتشارو وآخرون (2021ج)
٧ سيرنيتشارو وآخرون (2022)
٧ مكغواير وآخرون (2021)
٨ لور و آخرون (2023)
9 سيتا وآخرون (2022)
10 سيتا وآخرون (2022)
11 ماكغواير وآخرون (2021)
11 ماكغواير وآخرون (2021)
١٣ سيرنيتشارو وآخرون (2024)
١٣ سيرنيتشارو وآخرون (2024)
17 وينزل وآخرون (2024)
17 وينزل وآخرون (2025)
17 وينزل وآخرون (2025)
16 وينزل وآخرون (2025)
25 هذا العمل
٢٤ هذا العمل

حسابات الكيمياء الكمومية من البداية

تم إجراء حسابات المعادلة الرئيسية في برنامج MESMER 7.1 (Glowacki et al. 2012) على سطح تم حسابه باستخدام مستوى DLPNO-CCSD/def2-TZVPP//ωB97X-D4/def2-TZVPP (Chai & Head-Gordon 2008؛ Weigend 2006؛ Caldeweyher et al. 2017) في برنامج ORCA 5.0.4 (Neese 2022)؛ أظهرت حسابات المعادلة الرئيسية أنه تحت 100 كلفن مع كثافة غاز تؤدي تفاعل CN مع الكورونين إلى تكوين سيانكورونين وذرة هيدروجين بمعدل تصادم. من المتوقع أن يكون معدل التصادم باستخدام نظرية الالتقاط الكلاسيكية بالطريقة الموضحة في ويست وآخرون (2019)؛ وينزل وآخرون (2025)؛ دون توقع لتكوين الإيزوسيانوكورونين. باستخدام معدل الاصطدام هذا وعلاقته بـ نسبة معدل التكوين من وينزل وآخرون (2025)، ، يؤدي إلى نسبة الكورونين إلى السيانكورونين تبلغ 6.67 وكثافة عمود الكورونين من .

ج.1. المنهجية الحاسوبية

تم إجراء حسابات لسطح الطاقة المحتملة لتكوين السيانكورونين باستخدام برنامج ORCA 5.0.4 (نيس 2022). تم تحسين الهياكل الأولية للمنتجات والمواد المتفاعلة المنفصلة باستخدام دالة DFT RI-BP86 (بيردو 1986؛ بيك 1988؛ لي وآخرون 1988) باستخدام مجموعة الأساس def2-SVP (ويغند وآهلريش 2005) مع تضمين تصحيحات التشتت التجريبية D3(BJ) (غريم وآخرون 2011؛ بيك وجونسون 2006) (سيشار إلى هذه الطريقة لاحقًا باسم DFT-Cheap). تم تقييم وجود حواجز لإضافة CN إلى الكورونين والإزالة اللاحقة لذرة H من خلال إجراء مسح متكرر معدل لتكوين أو كسر.
في هذه المسوحات، تم السماح لجميع الإحداثيات باستثناء الرابطة التي يتم مسحها بالاسترخاء بينما تم تغيير الإحداثية الممسوحة. تم استخدام القيم القصوى الناتجة كإدخالات للهندسة في تحسينات حالة الانتقال، وتم تحسين القيم الدنيا بعيدة المدى قبل إضافة CN إلى مركب مرتبط فضفاض في قناة الدخول.
تم إجراء تحليل الاهتزازات التوافقية للتحقق من أن هذه الهياكل كانت بالفعل نقاط ثابتة وتم تعديل الترددات الناتجة بنسبة 0.9956 وتم تعديل طاقات النقطة الصفرية التوافقية بنسبة 1.0207 بالطريقة التي اقترحها كيشارواني وآخرون (2015). تم إجراء مسح لمتغير التفاعل الجوهري (IRC) للتحقق من أن حالات الانتقال تربط بين المتفاعلات والمنتجات (إيشيدا وآخرون 1977؛ نيس 2022). تم إعادة تحسين الهياكل التي تم العثور عليها بهذه الطريقة باستخدام الهجين تم استخدام B97X الوظيفي (Chai & Head-Gordon 2008) مع تصحيح التشتت التجريبي D4 (Caldeweyher et al. 2017) ومجموعة الأساس ثلاثية الزاوية def2-TZVPP (Weigend 2006) (سيتم الإشارة إلى هذه الطريقة لاحقًا باسم DFT-2). تم حساب الترددات الاهتزازية التوافقية على هياكل DFT-2 وتم تعديل النتائج بنسبة 0.9533 وتم تعديل طاقات النقطة الصفرية التوافقية بنسبة 0.9779 بالطريقة التي اقترحها Kesharwani et al. (2015).
تم إجراء تصحيحات طاقة نقطة واحدة باستخدام طريقة الكلاستر المرتبطة بالأوربيتال الطبيعي المحلي ثنائي المجال، بما في ذلك الإثارات الفردية والمزدوجة DLPNO-CCSD، مع عتبات صارمة للأوربيتالات الطبيعية (Pinski et al. 2015؛ Riplinger et al. 2016). تم استخدام هذه الطريقة مع مجموعتين من الأسس، أولاً، باستخدام مجموعة الأساس الثلاثية Ahlrichs def2-TZVPP، وثانيًا مع مجموعة الأساس المزدوجة المعززة المتوافقة مع الارتباط لدونينغ aug-cc-pVDZ (Dunning 1989؛ Kendall et al. 1992؛ Davidson 1996). تم حساب هذه التصحيحات لطاقة النقطة الواحدة لكل من الهياكل المحسوبة باستخدام DFT-Cheap وDFT-2. بالنسبة للمواد المتفاعلة والمنتجات، تم إجراء حسابات إضافية لطاقة النقطة الواحدة على مستوى CCSD(T)/cc-pVDZ. تم دمج هذه النتائج مع ثلاث حسابات MP2 باستخدام ثلاث من سلسلة مجموعات الأساس المتوافقة مع الارتباط لدونينغ cc-pVDZ وcc-pVTZ وcc-pVQZ (Dunning 1989؛ Davidson 1996)؛ مأخوذة من مستودع مجموعات الأساس المتوافقة مع الارتباط، ccREPO (Hill 2016). تم استخدام هذه النتائج مع المعادلة G1 لحساب تقريب EP3 لحد مجموعة الأساس الكاملة CCSD(T) (Jurečka et al. 2006؛ Liakos & Neese 2012).
تم العثور على مركب فان der Waals (VdW) غير المرتبط باستخدام DFT-Cheap، والذي فشل في إعادة التحسين باستخدام DFT-2. تم إجراء مسوحات إضافية لقناة الدخول باستخدام DFT-2 وعلى الرغم من ظهور حد أدنى ضحل وحاجز مغمور، إلا أن الحد الأدنى الضحل لم يتحسن مرة أخرى إلى مركبات غير مرتبطة. لذلك، هناك عدم يقين بشأن وجود مركب قناة دخول غير مرتبط، وبالتالي تم التعامل مع سطوح منفصلة في حسابات المعادلة الرئيسية اللاحقة، واحدة حيث تم ربط كلا المضافات بمركب قناة دخول مع طاقات محددة عند مستوى DLPNO-CCSD//DFT-Cheap، والثانية حيث لم تكن هناك حواجز لقناة الدخول لتكوين مضافات السيانكورونين مع جميع الطاقات عند مستوى DLPNO-CCSD//DFT-2. تم تقديم هذه السطوح في الشكل G7 وتم تلخيصها في الجدول G7.
الطاقة النسبية المعطاة في الجدول G7 لكل من أسطح DFT-Cheap وDFT-2 تتفق بشكل جيد جداً بالنسبة للطاقة الكلية للتفاعل بعد تطبيق تصحيحات DLPNO-CCSD باستخدام مجموعات الأساس aug-cc-pVDZ وdef2-TZVPP. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقات النسبية للمنتجات الناتجة عن إضافة CN إلى الكورونين والحواجز اللاحقة لإزالة ذرة H تتفق بشكل ممتاز (تختلف بأقل من 1 kcal). عند المقارنة مع نتائج التجميع الكنسي التي تشمل الإثارات الفردية والمزدوجة والثلاثية المضطربة باستخدام مجموعة الأساس cc-pVDZ، فإن الاتفاق بالنسبة للطاقة الكلية للتفاعل يتم إعادة إنتاجه بشكل جيد بواسطة نتائج DLPNO-CCSD. إن دمج استقراء مجموعة الأساس من خلال مخطط EP3 يؤدي إلى انحراف كبير يبلغ حوالي بالنظر إلى مجموعة النتائج الكاملة المقدمة في الجدول G7، من المعقول أن نستنتج أن تكوين الإيزوسيانوكورونين هو طفيف الامتصاص الحراري عند 0 كلفن. تم أخذ تأثير تلوث الدوران في الاعتبار من خلال إجراء مزيد من حسابات DLPNO-CCSD/def2-TZVPP باستخدام طريقة هارتري فوك ذات القشرة المفتوحة المقيدة للدوران (ROH-DLPNO-CCSD)، بالإضافة إلى حسابات غير المقيدة للدوران (DLPNO-CCSD) باستخدام مجموعة الأساس def2-TZVPP. عادةً ما انحرفت هذه النتائج بأقل من .
تم العثور على حواجز لكل من سطح UHF-DLPNO-CCSD//DFT-Cheap و UHF-DLPNO-CCSD//DFT-2 لتكوين مركب الإيزوسيانوكورونين. ) وإزالة ذرة الهيدروجين اللاحقة التي تؤدي إلى تكوين الإيزوسيانوكورونين بينما يحدث تشكيل السيانكورونين فوق حاجز مغمور في قناة المدخل ) وإزالة ذرة هيدروجين تؤدي إلى تشكيل السيانكورونين تحدث عبر حاجز مغمور جداً في قناة الخروج (-56.9 ).
الشكل G7. أسطح الطاقة المحتملة لإضافة CN إلى الكورونين على مستوى DLPNO-CCSD/def2-TZVPP//ωB97X-D4/def2TZVPP مع تقديم نتائج مستوى DLPNO-CCSD/def2-TZVPP//BP-86-D3(BJ)/def2-SVP بين قوسين. يوفر الإطار العلوي السطح حيث يرتبط مركب مدخل فضفاض بتكوين المضافات. في اللوحة السفلية، يتم تجاهل هذا المركب مع اقتراب بلا حواجز لتشكيل المضاف السيانوي.

ج.2. توقعات الديناميكا للمعادلة الرئيسية

تم دمج سطح UHF-DLPNO-CCSD//DFT-2 بما في ذلك واستبعاد مجمع قناة الدخول الرخيصة UHF-DLPNO-CCSD//DFT في آلة حساب المعادلة الرئيسية ذات الطاقة MESMER 7.1 (Glowacki et al. 2012)، مما سمح بمحاكاة التفاعل على مدى مجموعة من الكثافات. إلى ) ودرجات الحرارة . حيث تم تضمين مجمع قناة المدخل في MESMER، كانت المحاكاة تُجرى بشكل أساسي
الجدول G7. الطاقات النسبية لنقاط ثابتة مختارة على سطح الطاقة الكامنة لـ CN + الكورونين بما في ذلك طاقات النقطة الصفرية الهارمونية المقاسة. في رؤوس الأعمدة 1- يمثل استخدام هياكل BP-86-D3(BJ)/def2-SVP و 2- باستخدام هياكل B97X-D4/def2-TZVPP. مع تصحيحات طاقة النقطة الواحدة المطبقة والتي تم إعطاؤها كالتالي: -1 لـ DLPNO-CCSD/def2-TZVPP، -3 لـ ROHF-DLPNO-CCSD/def2-TZVPP، -4 لـ DLPNO-CCSD/aug-cc-pVDZ، -5 لـ CCSD(T)/cc-pVDZ و -5 لـ EP3-MP2 (DZQZ). جميع القيم مُبلغ عنها في .
1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5
CN + كورونين 0.0 0.00 0.0 0.0 0.0 0.0 0.00 0.0 0.0 0.0
فدW -20.57 -20.26 -25.82 * * *
TS 1 (إضافة CN) 9.87 14.42 3.83 21.48 25.03 13.18
N-أدكت 1 -98.48 -90.90 -98.57 -99.08 -91.60 -101.41
إزالة TS 3 H ٣٦.٣٥ 42.57 ٣٣.٣٨ ٣٨.٥٥ ٤٥.٣٧ ٣٤.٢٣
H + إيزوسيانوكورونين 1.06 0.14 1.72 1.12 -١٦.٢٠ 0.33 -0.68 0.20 0.94 -14.17
TS 2 (إضافة NC) -18.57 -18.27 -23.82 -20.09 -18.52 -25.05
العضلة المضافة 1 -186.80 -179.23 -184.50 -186.68 -179.22 -186.00
إزالة TS 4 H -56.87 -50.57 -57.91 -53.20 -٤٦.٢٧ -54.98
H + سيانكورونين -89.15 -89.97 -86.33 -89.88 -106.47 -89.39 -90.31 -86.53 -88.90 -١٠٣.٦٧
خارج مع حواجز DFT-Cheap المصححة UHF-DLPNO-CCSD للإضافة. ومع ذلك، تم إجراء تكرارات باستخدام حاجز UHF-DLPNO-CCSD//DFT-2 لتكوين الإيزوسيانو-أدكت (كان حاجز UHF-DLPNO-CCSD//DFT-2 لتكوين السيانو-أدكت غارقًا بالنسبة لمجمع قناة الدخول UHF-DLPNO-CCSD//DFT-Cheap). بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء محاكاة حيث تم رفع جميع الحواجز بواسطة وأين تم تقليل جميع الحواجز بواسطة .
تم تقدير معامل معدل الاصطدام المعتمد على درجة الحرارة لتكوين المركب السيانو أو المعقد الفضفاض بدون حاجز باستخدام نظرية الالتقاط الكلاسيكية (CCT) (جورجييفسكي وكليبينشتاين 2005).
في المعادلة G2، هو ثابت بولتزمان، هي دالة غاما بحيث هو الكتلة المخفضة للاصطدام، و هو مجموع المعاملات التي تصف حجم القوى الجاذبة بين شركاء الاصطدام كما هو موضح في المعادلة G3.
في المعادلة G3، يمثل السماحية للفراغ، و هي لحظات ثنائي القطب للمواد المتفاعلة، و و هي قطبيتها وطاقة التأين الخاصة بها، على التوالي. تم أخذ هذه المعلمات من قواعد البيانات عبر الإنترنت NIST Chemistry WebBook و CCCBDB (لينستروم وميلارد 2024؛ جونسون 2022). لقد أظهرت هذه الطريقة دقة ضمن عامل 2 في التنبؤ بمعاملات المعدل لتفاعلات الجذور المحايدة بدون حواجز (ويست وآخرون 2019). ثم تم معالجة إعادة تفكك المضافات باستخدام منهجية تحويل لابلاس العكسي (ILT) (ديفيز وآخرون 1986) في MESMER. تم معالجة التفاعلات اللاحقة من خلال حالات الانتقال المحددة باستخدام نظرية رايس-رامسبرجر-كاسل-ماركوس (RRKM) (هولبروك وآخرون 1996؛ باير وهاسي 1996؛ لورديراج وهاسي 2009) بما في ذلك تأثيرات النفق الكمومي من خلال حاجز إيكارت غير المتماثل بعدد أبعاد 1 (ميلر 1979).
أقل من 200 كلفن أصبحت النتائج حساسة لحجم الحبة المختار مع حجم حبة قدره تم استخدامه للحسابات تحت 200 كلفن حتى مع حجم حبة قدره فشلت الحسابات تحت 20 كلفن. من 125 كلفن إلى 20 كلفن مع كثافة غاز قدرها في الحالة المعقدة المضمنة ومن 200 كلفن في الحالة المعقدة المستبعدة، كانت معاملات المعدل الثنائية الجزيئات المحسوبة التي تؤدي إلى تكوين السيانكورونين وذرة هيدروجين من تفاعل CN مع الكورونين تتطابق مع معدل الاصطدام المقدر كما هو موضح في الشكل G8. لذلك، من المعقول التنبؤ بأنه عند كثافة غاز قدرها وعند 10 كلفن سيحدث هذا التفاعل بمعدل الاصطدام ( ) وسيؤدي فقط
الشكل G8. معاملات المعدل الثنائية الجزيئات المحاكية بواسطة MESMER التي تؤدي إلى تكوين H والسيانكورونين من تفاعل CN مع الكورونين مع معامل معدل الاصطدام CCT المعطى كمنحنى أزرق صلب؛ تم تقديم عدم اليقين المقدر في هذا كمنطقة مظللة. تم تقديم توقعات MESMER بما في ذلك المركب الفضفاض على قناة الدخول كدوائر صفراء وتلك التي تتجاهل ذلك كمربعات حمراء.
إلى تكوين السيانكورونين (لا يُتوقع تكوين الإيزوسيانوكورونين تحت هذه الظروف). في هذه المحاكيات، تم تعيين معامل نقل الطاقة المعتمد على درجة الحرارة كـ باستخدام القيمة المفترضة في جورجييفسكي وكليبينشتاين (2005)؛ بالإضافة إلى ذلك، يجب ملاحظة أن النتيجة التي تم الوصول إليها كانت أن حد الاصطدام قد تم الوصول إليه تحت 100 كلفن لم تكن حساسة لهذه المعلمة عندما تم تغييرها بين 50 و .
نظرًا لأن الطريق إلى تكوين الإيزوسيانوكورونين هو ماص للحرارة ويتضمن حواجز ناشئة، سواء في قناة الدخول أو لإزالة ذرة هيدروجين تؤدي إلى تكوين المنتج، يُتوقع أن تكون هذه القناة غير ملحوظة. لم تؤدِ زيادة ارتفاع هذه الحواجز بمقدار إلى أي تكوين ملحوظ للإيزوسيانوكورونين. تم إجراء تكرارات إضافية حيث تم نقل هذه الحواجز لمطابقة الانحراف بين طاقة DLPNO-CCSD/def2TZVPP المصححة وطاقة EP3-MP2(DZ-QZ) المصححة ( ) تصبح حاجز قناة الدخول مغمورًا ولكن حاجز الخروج يبقى ناشئًا والتوقع الناتج لم يظهر أي تكوين للإيزوسيانوكورونين. الطريق إلى تكوين السيانكورونين يتضمن حواجز مغمورة سواء في قناة الدخول أو لإزالة ذرة الهيدروجين اللاحقة. العمق الذي يتم فيه غمر الحواجز في الطريق إلى تكوين السيانكورونين يعني أن هذا الطريق ظل سريعًا تحت الظروف ذات الصلة بـ TMC-1 حتى عندما تم رفع الحواجز بمقدار .

  1. المؤلف المراسل: غابي وينزل، بريت أ. مكغواير
    gwenzel@mit.edu, brettmc@mit.edu
  2. https://greenbankobservatory.org/portal/gbt/gbt-legacy-archive/gotham-data/
  3. عدم اليقين التجريبي هو 2 كيلوهرتز.
  4. *تم التقدير باستخدام كثافات عمود السيانوبيرين والسيانكورونين، ومعاملات المعدل المحسوبة لإضافة CN، ونسبة CN/H قدرها 0.15 (انظر الملحق G و وينزل وآخرون 2025).

Journal: The Astrophysical Journal Letters, Volume: 984, Issue: 1
DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/adc911
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41103619
Publication Date: 2025-04-30

Discovery of the -ring PAH Cyanocoronene ( ) in GOTHAM Observations of TMC-1

Gabi Wenzel (D), Siyuan Gong (D), Ci Xue (D), P. Bryan Changala (D), Martin S. Holdren (D), Thomas H. Speak (D), D. Archie Stewart (D), Zachary T. P. Fried (D), Reace H. J. Willis (D), Edwin A. Bergin (D), Andrew M. Burkhardt (D), Alex N. Byrne (D), Steven B. Charnley (D, Andrew Lipnicky (D), Ryan A. Loomis (D), Christopher N. Shingledecker (D), Ilsa R. Cooke (D), Anthony J. Remijan (D), Michael C. McCarthy (D), Alison E. Wendlandt (D), and Brett A. McGuire (D) Department of Chemistry, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Cambridge, MA 02138, USA JILA, University of Colorado Boulder and National Institute of Standards and Technology, Boulder, CO 80309, USA Department of Physics, University of Colorado Boulder, Boulder CO 80309, USA Department of Chemistry, University of British Columbia, Vancouver, BC, Canada Department of Astronomy, University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109, USA Department of Earth, Environment, and Physics, Worcester State University, Worcester, MA 01602, USA Astrochemistry Laboratory and the Goddard Center of Astrobiology, Solar System Exploration Division, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USA National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, VA 22903, USA Department of Chemistry, Virginia Military Institute, Lexington, VA 24450, USA

Abstract

We present the synthesis and laboratory rotational spectroscopy of the 7 -ring polycyclic aromatic hydrocarbon cyanocoronene using a laser-ablation assisted cavity-enhanced Fourier transform microwave spectrometer. A total of 71 transitions were measured and assigned between . Using these assignments, we searched for emission from cyanocoronene in the GBT Observations of TMC-1: Hunting Aromatic Molecules (GOTHAM) project observations of the cold dark molecular cloud TMC-1 using the 100 m Green Bank Telescope (GBT). We detect a number of individually resolved transitions in ultrasensitive X-band observations and perform a Markov Chain Monte Carlo analysis to derive best-fit parameters, including a total column density of at a temperature of . A spectral stacking and matched filtering analysis provides a robust significance to the overall detection. The derived column density is comparable to that of cyano-substituted naphthalene, acenaphthylene, and pyrene, defying the trend of decreasing abundance with increasing molecular size and complexity found for carbon chains. We discuss the implications of the detection for our understanding of interstellar PAH chemistry and highlight major open questions and next steps.

Keywords: Astrochemistry, telescopes (GBT), surveys, radio lines: ISM, techniques: spectroscopic, ISM: molecules, ISM: abundances, ISM: individual (TMC-1), ISM: lines and bands, methods: observational

1. INTRODUCTION

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a class of molecules thought to sequester a substantial portion (10-25%) of the interstellar carbon budget (Tielens
2008; Chabot et al. 2020; Dwek et al. 1997; Habart et al. 2004), contribute to interstellar formation both as catalytic surfaces (Mennella et al. 2012; Thrower et al. 2012; Rauls & Hornekær 2008; Le Page et al. 2009) and through H abstraction (Bauschlicher 1998; Boschman et al. 2015), serve as charge balance carriers (Carelli & Gianturco 2012; Bakes & Tielens 1998), and contribute to neutral gas heating in interstellar sources (Berné et al. 2022), among numerous other roles. Since the mid-
1980s, the unidentified infrared bands (UIRs), broad emission features in the mid-infrared range observed toward many astronomical objects which are classified as photon-dominated regions (PDRs) of the interstellar medium (ISM), have been widely attributed to vibrational modes of electronically excited PAHs (Léger & Puget 1984; Allamandola et al. 1985) – for this reason, these bands are also commonly referred to as the aromatic infrared bands (AIBs) – although no individual PAH carrier has been identified via its infrared emission (Tielens 2008). Definitive evidence for the presence of PAHs outside the solar system, however, was obtained in 2021 with the discoveries of 1and 2-cyanonaphthalene ( ) via radio astronomy (McGuire et al. 2021). The detections were made in the cold, starless molecular cloud TMC-1 with the 100 m Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) as part of the GBT Observations of TMC-1: Hunting Aromatic Molecules (GOTHAM) large program. Shortly thereafter, a third PAH, indene ; Burkhardt et al. 2021; Cernicharo et al. 2021a) was discovered both by GOTHAM and the Yebes 40 m telescope Q-band Ultrasensitive Inspection Journey to the Obscure TMC1 Environment (QUIJOTE) project, followed the next year with the detection of 2-cyanoindene ( ; Sita et al. 2022) by GOTHAM. The detections of 1 – and 5 cyanoacenaphthylene ( ) were then reported by Cernicharo et al. (2024).
Most recently, 1-, 2-, and 4-cyanopyrene ( ) were discovered in the GOTHAM observations (Wenzel et al. 2024, 2025). These four-ring, peri-condensed PAHs were the largest species detected with radio astronomy to date. From these observations, it was estimated that the unsubstituted (bare) pyrene ( ) itself may account for as much as of the carbon budget (Wenzel et al. 2024). Notably, the derived column densities of the known PAHs in TMC-1 are all similar: the cyanonaphthalenes, cyanoacenaphthylenes, and cyanopyrenes all lie within a factor of of each other between . (2-cyanoindene is somewhat lower at .) This is in stark contrast to the generally observed column density trends with carbon atom numbers within a molecular family (Loomis et al. 2021; Siebert et al. 2022). Given these results, we considered whether yet larger PAHs may be detectable with similar column density in TMC-1.
Coronene is often described in the literature as the “prototypical” peri-condensed (compact) PAH, renowned for its structural, chemical, and spectral properties, making it a model for understanding larger PAHs in terrestrial and extraterrestrial environments. Its symmetry and highly conjugated -electron system en-
Figure 1. Optimized geometry of cyanocoronene, , in its principal axis system spanned by the vectors and . The highly symmetric coronene has 12 identical carbon sites for CN-substitution that all result in the same cyanocoronene. Its permanent electric dipole moment was calculated to be and .
hance its aromatic character and stability, making it energetically favorable and distinguishing it from simpler PAHs like naphthalene and anthracene (Clar 1964, 1983). Indeed, the compellingly close agreement with small shifts between the computed vibrational features of coronene and the observed AIBs was used by Léger & Puget (1984) in their original suggestion that PAHs were the primary carriers. Due to its role as a “model PAH,” many astrochemical studies have focused on coronene and its derivatives, clusters, fragments, and charge states. Coronene is efficiently produced at high temperatures due to its thermodynamic stability (Stein 1978; Hudgins & Allamandola 1995), is the largest PAH found in the Murchison meteorite (Sephton et al. 2004; Sabbah et al. 2017), and among the PAHs identified in return samples from asteroid Ryugu (Sabbah et al. 2024). Its infrared spectrum is known for its neutral form at varying temperatures (Joblin et al. 1995) and for its cationic form in ion trap experiments (Oomens et al. 2001). The infrared spectrum of protonated coronene reveals it to be a key species among the potential carriers of UIR bands (or AIBs) (Dopfer 2011; Bahou et al. 2014; Cazaux et al. 2016). The destruction of coronene may produce key reactive intermediates involved in the formation of smaller complex organic molecules (COMs) and fullerenes (Gatchell et al. 2021; Chen et al. 2020; Panchagnula et al. 2024). However, no acetylene loss, one of the major fragmentation channels of smaller PAHs, has been observed for coronene cations in experiments resembling PDRs with vacuum ultraviolet (VUV) photons up to 20 eV (Zhen et al. 2016; Joblin et al. 2020), further emphasizing its extreme stability. Coronene’s role in the context of the
diffuse interstellar bands (DIBs) has been debated. Dehydrogenated, protonated, and cationic coronene were proposed as potential carriers of DIBs (Pathak & Sarre 2008; Malloci et al. 2008), but these hypotheses were disproven (Garkusha et al. 2011; Useli-Bacchitta et al. 2010; Hardy et al. 2017). Nevertheless, some distribution of PAHs remain promising DIB carrier candidates due to their close relation to the fullerene family (Campbell et al. 2015).
As with many PAHs, coronene possesses no permanent electric dipole moment and thus no pure-rotational spectrum. A search for its CN-substituted variant is therefore reasonable, and indeed, experimental evidence has previously shown that the addition of CN to coronene may proceed readily under interstellar conditions (Bernstein et al. 2002), although we note that the study in question was specifically in the condensed phase. Here, we present a combined computational and laboratory study of the rotational spectrum of cyanocoronene ( ) and its subsequent discovery in TMC-1.

2. SYNTHESIS

Cyanocoronene, the CN-derivative of the highly symmetric PAH coronene (see Fig. 1), is not commercially available. To measure the laboratory rotational spectrum of cyanocoronene, we synthesized it via the route described in detail in Appendix A, which was partially based on previous work (Dale & Rebek 2006; Hyodo et al. 2017). Briefly, coronene ( ) was purchased from Ambeed Inc. (purity ) and used as the starting material to prepare formylcoronene ( ). Formylcoronene further reacted via formylcoroneneoxime ( ) to cyanocoronene ( ), a yellow solid, with an approximate yield of .

3. LABORATORY SPECTROSCOPY

The geometry of cyanocoronene (see Fig. 1) was first optimized at the B97X-D4/def2-TZVPP level (Chai & Head-Gordon 2008; Caldeweyher et al. 2017; Weigend 2006) in ORCA 5.0.4 (Neese 2022) and re-optimized at the B3LYP/aug-cc-pVTZ level (Becke 1993; Dunning 1989; Kendall et al. 1992; Davidson 1996) in Gaussian 16 (Frisch et al. 2016), which has recently been shown to perform well when obtaining rotational constants of PAHs (Neeman et al. 2025). We further benchmarked its performance using the three cyanopyrene isomers previously studied (see Appendix B and Table B1). Together with quartic centrifugal distortion constants derived from the harmonic force field (see Table 1), these theoretically calculated spectroscopic constants formed the basis of our laboratory search.
Table 1. Rotational constants of cyanocoronene in the Areduced III representation. and refer to number of distinct transitions in the fit and number of unique transition frequencies in the fit, respectively. See Table C2 for the line list.
Parameter B3LYP aug-cc-pVTZ Experimental
335.393 333.852989(249)
222.035 221.2700880(838)
133.594 133.1081015(122)
0.669 [0.669]
-0.617 [-0.617]
0.011 [0.011]
-0.120 [-0.120]
-0.494 [-0.494]
71
38
2.595
Values in parentheses are uncertainties in units of the last digit. Values in brackets were not determinable and fixed to the theoretically calculated constants.
Details of the sample preparation and spectroscopic measurements are given in Wenzel et al. (2024). Briefly, a hydraulic press was used to compress approximately 600 mg of solid sample into a cylindrical sample rod, which was then mounted in a rotating stage located downstream of a pulsed valve backed with neon carrier gas. The rod was then ablated using the second harmonic at 532 nm of a Nd:YAG laser to inject the sample into the gas phase, where it was entrained in the neon and supersonically expanded into the cavity of a Balle-Flygare type Fourier transform microwave (FTMW) spectrometer (Balle & Flygare 1981; Crabtree et al. 2016). At the rotational temperatures generated by the supersonic expansion, the strongest transitions of cyanocoronene fall in the very lowest end of the operational range of the instrument, between .
In total, we were able to measure and assign 71 transitions ( 38 unique lines) of cyanocoronene (see Table C2). We used SPCAT/SPFIT (Pickett 1991) to determine the spectroscopic constants of cyanocoronene by leastsquares fitting in a Watson A reduction (III representation). The asymmetry parameter, , places cyanocoronene far from either the prolate or oblate symmetric-top limits. Centrifugal distortion constants were fixed to the theoretically calculated values. The nuclear electric quadrupole coupling was neglected entirely because no splittings could be resolved for the high- transitions measured (see Table C2). The best-fit
rotational constants, , and , are listed in Table 1 and with a mean absolute percentage error (MAPE) of in excellent agreement with the calculated values.

4. OBSERVATIONS

The observations of TMC-1 were acquired on the 100 m Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) as part of the GOTHAM project (McGuire et al. 2020). Details of the observing strategy and data reduction procedures are provided elsewhere (McGuire et al. 2020, 2021; Sita et al. 2022). For this analysis, we used observations from the fifth data reduction which includes advances in artifact and radio-frequency interference removal, atmospheric opacity corrections, and baseline removal (Xue 2024). Briefly, we target the “cyanopolyyne peak” of TMC-1 centered at . The GOTHAM observations cover 29 GHz of bandwidth between 436 GHz , limited by gaps in receiver coverage, at a resolution of 1.4 kHz with a root-mean-squared (RMS) noise level between across most of the observed frequency range. Flux calibration was achieved with switched noise-diode measurements, resulting in an estimated antenna temperature accuracy of . In the case of cyanocoronene, the strongest transitions contributing to the overall detection fall in the , and Ku-bands. As discussed below, the observation of individual transitions of cyanocoronene was enabled by our ultra-sensitive observations in X-band between (GBT Project 24A-124). Combining this deep X-band and previous GOTHAM observations, we reach an RMS of 1.5 mK in this frequency range. While we conduct the analysis described in §5 on the full-resolution spectra, we also smoothed the data with a 10-channel Hanning window to a resolution of 14 kHz to increase the signal-to-noise ratio (SNR) on individual transitions and better visualize the detection (see Fig. 2).

5. ASTRONOMICAL ANALYSIS

Due to the low RMS noise in our X-band data, the brightest SNR lines of cyanocoronene at TMC-1 conditions ( ) fall in the frequency range of . A search for cyanocoronene in the GOTHAM data yielded several individually resolved rotational transitions close to the RMS noise, particularly near 10.515 GHz (see Fig. 2). We performed a Markov Chain Monte Carlo (MCMC) analysis adopted from previous work (McGuire et al. 2021; Loomis et al. 2021) to derive physical parameters that best describe the emission of cyanocoronene. This approach provides an inference by conditioning the data on priors (see Ta-
Figure 2. GOTHAM spectra smoothed with a 10-channel Hanning window to a resolution of 14 kHz (black) overlaid with the spectra of cyanocoronene (orange) simulated using the MCMC-derived parameters given in Table E5. Lines with are marked with asterisks.
ble E4) and sampling posterior distributions. The uncertainty of observations is computed as the quadrature sum of the local RMS noise and an additional systematic uncertainty. The parameters derived from the MCMC analysis are listed in Table E5, where the velocities in the local standard of rest, , and excitation temperature, , are consistent with prior detections in TMC-1 (McCarthy et al. 2021; Sita et al. 2022). The derived uncertainties in each parameter reflect the posterior probability distribution.
From our MCMC analysis, the total column density was derived as the sum of the column densities of all four Doppler components, yielding a value of and an . This value of is consistent with other PAHs detected in TMC-1 (McGuire et al. 2021; Cernicharo et al. 2024; Wenzel et al. 2024, 2025). To quantify the significance of our cyanocoronene detection, we performed a velocity-stack and matched filtering analysis (as described in Loomis et al. 2021; McGuire et al.
Figure 3. (a) Velocity-stacked spectra and (b) matched filter analysis results of cyanocoronene spectra in the GOTHAM data generated using the methodologies outlined in Loomis et al. (2021).
2021; Wenzel et al. 2024) of the 100 brightest SNR lines of cyanocoronene, resulting in a positive detection with a high confidence level of in the matched filter response (see Fig. 3).

6. DISCUSSION

Based on the assumption that CN addition to aromatic double bonds is barrierless (Balucani et al. 2000; Woon & Herbst 2009; Cooke et al. 2020), we use the detected CN-derivatives as proxies to infer the presence of their unsubstituted parent PAHs in TMC-1. Analogous to our estimate of the column density of pyrene in TMC-1 (Wenzel et al. 2025), we use the CN/H ratio to derive an approximate column density of coronene of (see Appendix G for details). Cyanocoronene, with its 24 carbon atoms (excluding the CN group), is by far the largest PAH found to date by radio telescopes in the ISM. Together with the previous detections of cyclic (PA)Hs in TMC-1, which have an approximately flat distribution in column density with increasing size (see Fig. 4), this result challenges our understanding of the chemistry at play in the dense ISM. Although no low-temperature bottom-up gas-phase formation routes are known for compact medium-sized PAHs such as pyrene, it is remarkable that the detected CN-derivatives of the monoand polycyclic aromatic hydrocarbons benzene, naphthalene, pyrene, and now coronene, are all members of the most thermodyanmically stable PAHs formed by the high-temperature polymerization route (see Fig. 5; Stein 1978; Hudgins & Allamandola 1995). This polymerization route builds up large, highly peri-condensed PAHs with low H/C ratios by adding one ring at a time, e.g., via the H -abstraction acetylene ( ) addition (HACA) mechanism (Reizer et al. 2022).
Considering environments of circumstellar envelopes, Zhao et al. (2018) proposed a high-temperature gas-
phase formation route for pyrene, starting from 4phenanthrenyl radical. Indeed, phenanthrene is also a member of the most thermodynamically stable PAH polymerization route (see Fig 5). However, cursory searches for its CN-derivative 9-cyanophenanthrene, whose rotational spectrum is known (McNaughton et al. 2018), in our GOTHAM observations have not yet been successful. This could be due to the fact that the spectroscopy of only one of the five possible cyanophenan-
Figure 4. Comparison of the derived column densities of the cyclic hydrocarbon (Hs) population in TMC-1 vs. number of carbon atoms, . We distinguish between single and multiple cycles, pentagon-containing (PA)Hs, solely hexagon-containing (P)AHs, and their CN-derivatives. Purple hexagons refer to pure benzenoid PAHs and their column densities were estimated from their CN-derivatives (see text and Appendix G for details). Black hexagons are pure single benzenoid cycles (aromatic hydrocarbons, AHs). Light blue hexagons correspond to CN-substituted benzenoid (P)AHs; black and dark blue pentagons are pure and CN-substituted pentagonal (PA)Hs, respectively. Column density values and the references they were taken from are reported in Table F6.
Figure 5. First seven members of the most thermodynamically favorable, high-temperature (P)AH polymerization route, adapted from Stein (1978) and Hudgins & Allamandola (1995). Note that this is not a reaction scheme. Those whose CN-derivatives have been detected in TMC-1 are depicted in black with their substitution sites marked by asterisks. Those in grey have not (yet) been detected or searched for in TMC-1. See text for details.
threne isomers is known, while others might be more abundant. However, it is consistent with the findings by Zeichner et al. (2023) that the 3 -ring (linear or non-compact) PAH species identified in return samples from asteroid Ryugu were formed at high temperatures, while 2- and 4-ring PAH species were formed via a kinetically controlled route at low temperatures ( ), in line with our findings in TMC-1. To our knowledge, neither the other two members of the series, benzo[e]pyrene and benzo[ghi]perylene, nor their CN-substituted derivatives (six possible individual addition sites per species) have yet been characterized by laboratory rotational spectroscopy. Measuring their laboratory spectra will be crucial for searching for these species in TMC-1 and related sources, especially because high-temperature gas-phase formation routes from benzo pyrene and benzo perylene to coronene in circumstellar envelopes have recently been revealed (Goettl et al. 2023). Detections of, or upper limit constraints on, such intermediates on the path to larger PAH formation in TMC-1 will be critical for elucidating this new and unexplored cold complex chemistry.
In addition to considering formation routes, however, it is becoming increasingly clear that resilience to the major destruction routes of interstellar molecules likely represents another factor which may help to explain the surprisingly flat abundance of PAHs even out to the size of cyanocoronene. For gas-phase species in molecular clouds, generally, two of the main destruction routes are reactions with ions and depletion onto grains – both of which have been the subject of very recent studies involving PAHs. For ion-neutral reactions, recent ionbeam storage ring experiments by Stockett et al. (2025)
and Bull et al. (2025) indicate that the underlying PAH backbone can be maintained via efficient radiative cooling, thereby opening up the possibility of a kind of chemical “recycling” of PAHs that would certainly contribute to the high observed abundance of, e.g., cyanocoronene. Turning to depletion onto grains, Dartois et al. (2022) conducted experiments on the sputtering yield of solidphase perylene and coronene bombarded by energetic ions, analogous to the cosmic ray exposure of species in dust-grain ice mantles. They found that such cosmic ray-induced sputtering is efficient under ISM conditions, and even predict a gas-phase fractional abundance of coronene over , in agreement with the findings presented here. The incorporation of such findings into astrochemical models therefore represents a very promising means of substantially improving their agreement with astronomical observations.

7. CONCLUSIONS

We report the interstellar identification of cyanocoronene, a nitrile derivative of the 7 -ring PAH coronene, in GOTHAM observations of the cold molecular cloud TMC-1. We derive high column densities of cyanocoronene and its unsubstituted parent, coronene, of and , respectively. Cyanocoronene is the largest individual PAH discovered in space and is present in similar column density to the 4-ring PAH cyanopyrene, suggesting an unexplored reservoir of larger PAHs in the ISM. This discovery delivers additional support for the PAH hypothesis and further evidence of the ubiquitous presence of PAHs in space. Comparisons to organics in the Murchison meteorite and asteroid Ryugu suggest a substantial inheritance of PAHs, possibly produced in the cold ( ) conditions that occur before star birth. They represent a promising source of carbon for forming terrestrial worlds in stellar systems, to which carbon is supplied in the form of solid-state organics (Li et al. 2021) from their own natal clouds.

8. DATA ACCESS & CODE

The raw data of the GOTHAM observations are publicly available in the GBT Legacy Data Archive . The code used to perform the analysis is part of the molsim open-source package; an archival version of the code can be accessed at McGuire et al. (2024). Calibrated and reduced observational data windowed around the reported transitions, the full catalog of cyanocoronene (including
quantum numbers of each transition), and the partition functions used in the MCMC analysis are available via Zenodo at https://doi.org/10.5281/zenodo.15150735.
Facilities: GBT

ACKNOWLEDGMENTS

G.W. would like to dedicate this paper to her PhD supervisor, Christine Joblin, whose passion for coronene and astro-PAHs in general has greatly influenced the direction of her research and whose guidance continues to inspire her. The authors thank H. Gupta for assistance in conducting observations. We gratefully acknowledge support from NSF grants AST-1908576, AST-2205126, and AST-2307137. G.W. and B.A.M. acknowledge the support of the Arnold and Mabel Beckman Founda-
tion Beckman Young Investigator Award. Z.T.P.F. and B.A.M. gratefully acknowledge the support of Schmidt Family Futures. I.R.C. acknowledges support from the University of British Columbia and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC). I.R.C. and T.H.S. acknowledge the support of the Canadian Space Agency (CSA) through grant 24AO3UBC14. P.B.C. is supported by NIST. The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc. The Green Bank Observatory is a facility of the National Science Foundation operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

REFERENCES

Allamandola, L. J., Tielens, A. G. G. M., & Barker, J. R. 1985, The Astrophysical Journal, 290, L25, doi: 10.1086/184435
Baer, T., & Hase, W. L. 1996, Unimolecular Reaction Dynamics: Theory and Experiments (Oxford University Press). https://academic.oup.com/book/40815
Bahou, M., Wu, Y.-J., & Lee, Y.-P. 2014, Angewandte Chemie, 126, 1039, doi: 10.1002/ange. 201308971
Bakes, E. L. O., & Tielens, A. G. G. M. 1998, The Astrophysical Journal, 499, 258, doi: 10.1086/305625
Balle, T. J., & Flygare, W. H. 1981, Review of Scientific Instruments, 52, 33, doi: 10.1063/1.1136443
Balucani, N., Asvany, O., Huang, L. C. L., et al. 2000, The Astrophysical Journal, 545, 892, doi: 10.1086/317848
Bauschlicher, C. W. 1998, The Astrophysical Journal, 509, L125, doi: 10.1086/311782
Becke, A. D. 1988, Physical Review A, 38, 3098, doi: 10.1103/PhysRevA.38.3098
-. 1993, The Journal of Chemical Physics, 98, 5648, doi: 10.1063/1.464913
Becke, A. D., & Johnson, E. R. 2006, The Journal of Chemical Physics, 124, 221101, doi: 10.1063/1.2213970
Bernstein, M. P., Elsila, J. E., Dworkin, J. P., et al. 2002, The Astrophysical Journal, 576, 1115, doi: 10.1086/341863
Berné, O., Foschino, S., Jalabert, F., & Joblin, C. 2022, Astronomy & Astrophysics, 667, A159, doi: 10.1051/0004-6361/202243171
Boschman, L., Cazaux, S., Spaans, M., Hoekstra, R., & Schlathölter, T. 2015, Astronomy & Astrophysics, 579, A72, doi: 10.1051/0004-6361/201323165
Bull, J. N., Subramani, A., Liu, C., et al. 2025, Radiative stabilization of the indenyl cation: Recurrent fluorescence in a closed-shell polycyclic aromatic hydrocarbon. https://arxiv.org/abs/2503.22033
Burkhardt, A. M., Long Kelvin Lee, K., Bryan Changala, P., et al. 2021, The Astrophysical Journal Letters, 913, L18, doi: 10.3847/2041-8213/abfd3a
Caldeweyher, E., Bannwarth, C., & Grimme, S. 2017, The Journal of Chemical Physics, 147, 034112, doi: 10.1063/1.4993215
Campbell, E. K., Holz, M., Gerlich, D., & Maier, J. P. 2015, Nature, 523, 322, doi: 10.1038/nature14566
Carelli, F., & Gianturco, F. A. 2012, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 422, 3643, doi: 10.1111/j.1365-2966.2012.20876.x
Cazaux, S., Boschman, L., Rougeau, N., et al. 2016, Scientific Reports, 6, 19835, doi: 10.1038/srep19835
Cernicharo, J., Agúndez, M., Cabezas, C., et al. 2021a, Astronomy and Astrophysics, 649, L15, doi: 10.1051/0004-6361/202141156
Cernicharo, J., Agúndez, M., Kaiser, R. I., et al. 2021b, Astronomy & Astrophysics, 652, L9, doi: 10.1051/0004-6361/202141660
—. 2021c, Astronomy & Astrophysics, 655, L1, doi: 10.1051/0004-6361/202142226
Cernicharo, J., Fuentetaja, R., Agúndez, M., et al. 2022, Astronomy & Astrophysics, 663, L9, doi: 10.1051/0004-6361/202244399
Cernicharo, J., Cabezas, C., Fuentetaja, R., et al. 2024, Astronomy & Astrophysics, 690, L13, doi: 10.1051/0004-6361/202452196
Chabot, M., Béroff, K., Dartois, E., Pino, T., & Godard, M. 2020, The Astrophysical Journal, 888, 17, doi: 10.3847/1538-4357/ab584f
Chai, J.-D., & Head-Gordon, M. 2008, The Journal of Chemical Physics, 128, 084106, doi: 10.1063/1.2834918
Chen, T., Luo, Y., & Li, A. 2020, Astronomy & Astrophysics, 633, A103, doi: 10.1051/0004-6361/201936873
Clar, E. 1964, Polycyclic Hydrocarbons (Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg), doi: 10.1007/978-3-662-01668-8
-. 1983, in Mobile Source Emissions Including Policyclic Organic Species, ed. D. Rondia, M. Cooke, & R. K. Haroz (Dordrecht: Springer Netherlands), 49-58, doi: 10.1007/978-94-009-7197-4_4
Cooke, I. R., Gupta, D., Messinger, J. P., & Sims, I. R. 2020, The Astrophysical Journal Letters, 891, L41, doi: 10.3847/2041-8213/ab7a9c
Crabtree, K. N., Martin-Drumel, M.-A., Brown, G. G., et al. 2016, The Journal of Chemical Physics, 144, 124201, doi: 10.1063/1.4944072
Dale, T. J., & Rebek, J. 2006, Journal of the American Chemical Society, 128, 4500, doi: 10.1021/ja057449i
Dartois, E., Chabot, M., Koch, F., et al. 2022, A&A, 663, A25, doi: 10.1051/0004-6361/202243274
Davidson, E. R. 1996, Chemical Physics Letters, 260, 514, doi: 10.1016/0009-2614(96)00917-7
Davies, J. W., Green, N. J. B., & Pilling, M. J. 1986, Chemical Physics Letters, 126, 373, doi: 10.1016/S0009-2614(86)80101-4
Dopfer, O. 2011, EAS Publications Series, 46, 103, doi: 10.1051/eas/1146010
Dunning, Jr., T. H. 1989, The Journal of Chemical Physics, 90, 1007, doi: 10.1063/1.456153
Dwek, E., Arendt, R. G., Fixsen, D. J., et al. 1997, The Astrophysical Journal, 475, 565, doi: 10.1086/303568
Frisch, M. J., Trucks, G. W., Schlegel, H. B., et al. 2016, Gaussian~16 revision C. 01
Garkusha, I., Fulara, J., Sarre, P. J., & Maier, J. P. 2011, The Journal of Physical Chemistry A, 115, 10972, doi: 10.1021/jp206188a
Gatchell, M., Ameixa, J., Ji, M., et al. 2021, Nature Communications, 12, 6646, doi: 10.1038/s41467-021-26899-0
Georgievskii, Y., & Klippenstein, S. J. 2005, The Journal of Chemical Physics, 122, 194103, doi: 10.1063/1.1899603
Glowacki, D. R., Liang, C.-H., Morley, C., Pilling, M. J., & Robertson, S. H. 2012, The Journal of Physical Chemistry A, 116, 9545, doi: 10.1021/jp3051033
Goettl, S. J., Tuli, L. B., Turner, A. M., et al. 2023, Journal of the American Chemical Society, 145, 15443, doi: 10.1021/jacs.3c03816
Grimme, S., Ehrlich, S., & Goerigk, L. 2011, Journal of Computational Chemistry, 32, 1456, doi: 10.1002/jcc. 21759
Habart, E., Natta, A., & Krügel, E. 2004, Astronomy and Astrophysics, 427, 179, doi: 10.1051/0004-6361:20035916
Hardy, F.-X., Rice, C. A., & Maier, J. P. 2017, The Astrophysical Journal, 836, 37, doi: 10.3847/1538-4357/836/1/37
Hill, G. 2016, ccRepo. http: //www.grant-hill.group.shef.ac.uk/ccrepo/index.html
Holbrook, K. A., Pilling, M. J., Robertson, S. H., & Robinson, P. J. 1996, Unimolecular reactions, Wiley
Hudgins, D. M., & Allamandola, L. J. 1995, The Journal of Physical Chemistry, 99, 3033, doi: 10.1021/j100010a011
Hyodo, K., Togashi, K., Oishi, N., Hasegawa, G., & Uchida, K. 2017, Organic Letters, 19, 3005, doi: 10.1021/acs.orglett.7b01263
Ishida, K., Morokuma, K., & Komornicki, A. 1977, The Journal of Chemical Physics, 66, 2153, doi: 10.1063/1.434152
Joblin, C., Boissel, P., Léger, A., D’Hendecourt, L., & Defourneau, D. 1995, Astronomy & Astrophysics, 299, 835. http://adsabs.harvard.edu/abs/1995A%26A…299..835J
Joblin, C., Wenzel, G., Castillo, S. R., et al. 2020, Journal of Physics: Conference Series, 1412, 062002, doi: 10.1088/1742-6596/1412/6/062002
Johnson, R. I. 2022, NIST computational chemistry comparison and benchmark database. http://cccbdb.nist.gov/
Jurečka, P., Šponer, J., Černý, J., & Hobza, P. 2006, Physical Chemistry Chemical Physics, 8, 1985, doi: 10.1039/B600027D
Kendall, R. A., Dunning, Jr., T. H., & Harrison, R. J. 1992, The Journal of Chemical Physics, 96, 6796, doi: 10.1063/1.462569
Kesharwani, M. K., Brauer, B., & Martin, J. M. L. 2015, The Journal of Physical Chemistry A, 119, 1701, doi: 10.1021/jp508422u
Le Page, V., Snow, T. P., & Bierbaum, V. M. 2009, The Astrophysical Journal, 704, 274, doi: 10.1088/0004-637X/704/1/274
Lee, C., Yang, W., & Parr, R. G. 1988, Physical Review B, 37, 785, doi: 10.1103/PhysRevB.37.785
Lee, K. L. K., Changala, P. B., Loomis, R. A., et al. 2021, The Astrophysical Journal Letters, 910, L2, doi: 10.3847/2041-8213/abe764
Li, J., Bergin, E. A., Blake, G. A., Ciesla, F. J., & Hirschmann, M. M. 2021, Science Advances, 7, eabd3632, doi: 10.1126/sciadv.abd3632
Liakos, D. G., & Neese, F. 2012, The Journal of Physical Chemistry A, 116, 4801, doi: 10.1021/jp302096v
Linstrom, P., & Mallard, W. 2024, NIST chemistry WebBook, NIST standard reference database number 69. https://doi.org/10.18434/T4D303
Loomis, R. A., Burkhardt, A. M., Shingledecker, C. N., et al. 2021, Nature Astronomy, 5, 188, doi: 10.1038/s41550-020-01261-4
Loru, D., Cabezas, C., Cernicharo, J., Schnell, M., & Steber, A. L. 2023, Astronomy & Astrophysics, 677, A166, doi: 10.1051/0004-6361/202347023
Lourderaj, U., & Hase, W. L. 2009, The Journal of Physical Chemistry A, 113, 2236, doi: 10.1021/jp806659f
Léger, A., & Puget, J. L. 1984, Astronomy & Astrophysics, 500, 279. https: //ui.adsabs.harvard.edu/1984A&A…137L…5L/abstract
Malloci, G., Mulas, G., Cecchi-Pestellini, C., & Joblin, C. 2008, Astronomy & Astrophysics, 489, 1183, doi: 10.1051/0004-6361:200810177
McCarthy, M. C., Lee, K. L. K., Loomis, R. A., et al. 2021, Nature Astronomy, 5, 176, doi: 10.1038/s41550-020-01213-y
McGuire, B. A., Xue, C., Lee, K. L. K., El-Abd, S., & Loomis, R. A. 2024, molsim, v0.5.0, Zenodo, doi: 10.5281/zenodo. 12697227
McGuire, B. A., Burkhardt, A. M., Loomis, R. A., et al. 2020, The Astrophysical Journal, 900, L10, doi: 10.3847/2041-8213/aba632
McGuire, B. A., Loomis, R. A., Burkhardt, A. M., et al. 2021, Science, 371, 1265, doi: 10.1126/science.abb7535
McNaughton, D., Jahn, M. K., Travers, M. J., et al. 2018, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 476, 5268, doi: 10.1093/mnras/sty557
Mennella, V., Hornekær, L., Thrower, J., & Accolla, M. 2012, The Astrophysical Journal Letters, 745, L2, doi: 10.1088/2041-8205/745/1/L2
Miller, W. H. 1979, Journal of the American Chemical Society, 101, 6810, doi: 10.1021/ja00517a004
Neeman, E. M., Lesarri, A., & Bermúdez, C. 2025, ChemPhysChem, in press, e202401012, doi: 10.1002/cphc. 202401012
Neese, F. 2022, WIREs Computational Molecular Science, 12, e1606, doi: 10.1002/wcms. 1606
Oomens, J., Sartakov, B. G., Tielens, A. G. G. M., Meijer, G., & Helden, G. v. 2001, The Astrophysical Journal, 560, L99, doi: 10.1086/324170
Panchagnula, S., Kamer, J., Candian, A., et al. 2024, Physical Chemistry Chemical Physics, 26, 18557, doi: 10.1039/D4CP01301H
Pathak, A., & Sarre, P. J. 2008, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 391, L10, doi: 10.1111/j.1745-3933.2008.00544.x
Perdew, J. P. 1986, Physical Review B, 33, 8822, doi: 10.1103/PhysRevB. 33.8822
Pickett, H. M. 1991, Journal of Molecular Spectroscopy, 148, 371, doi: 10.1016/0022-2852(91)90393-O
Pinski, P., Riplinger, C., Valeev, E. F., & Neese, F. 2015, The Journal of Chemical Physics, 143, 034108, doi: 10.1063/1.4926879
Rauls, E., & Hornekær, L. 2008, The Astrophysical Journal, 679, 531, doi: 10.1086/587614
Reizer, E., Viskolcz, B., & Fiser, B. 2022, Chemosphere, 291, 132793, doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.132793
Riplinger, C., Pinski, P., Becker, U., Valeev, E. F., & Neese, F. 2016, The Journal of Chemical Physics, 144, 024109, doi: 10.1063/1.4939030
Sabbah, H., Bonnamy, A., Papanastasiou, D., et al. 2017, The Astrophysical Journal, 843, 34, doi: 10.3847/1538-4357/aa73dd
Sabbah, H., Quitté, G., Demyk, K., & Joblin, C. 2024, Natural Sciences, 4, e20240010, doi: 10.1002/ntls. 20240010
Sephton, M. A., Love, G. D., Watson, J. S., et al. 2004, Geochimica et Cosmochimica Acta, 68, 1385, doi: 10.1016/j.gca.2003.08.019
Siebert, M. A., Lee, K. L. K., Remijan, A. J., et al. 2022, The Astrophysical Journal, 924, 21, doi: 10.3847/1538-4357/ac3238
Sita, M. L., Changala, P. B., Xue, C., et al. 2022, The Astrophysical Journal, 938, L12, doi: 10.3847/2041-8213/ac92f4
Stein, S. 1978, The Journal of Physical Chemistry, 82, 566, doi: 10.1021/j100494a600
Stockett, M. H., Subramani, A., Liu, C., et al. 2025, Dissociation and radiative stabilization of the indene cation: The nature of the C-H bond and astrochemical implications. https://arxiv.org/abs/2503.20686
Thrower, J. D., Jørgensen, B., Friis, E. E., et al. 2012, The Astrophysical Journal, 752, 3, doi: 10.1088/0004-637X/752/1/3
Tielens, A. G. G. M. 2008, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46, 289, doi: 10.1146/annurev.astro.46.060407.145211
Useli-Bacchitta, F., Bonnamy, A., Mulas, G., et al. 2010, Chemical Physics, 371, 16, doi: 10.1016/j.chemphys.2010.03.012
Weigend, F. 2006, Physical Chemistry Chemical Physics, 8, 1057, doi: 10.1039/b515623h
Weigend, F., & Ahlrichs, R. 2005, Physical Chemistry Chemical Physics, 7, 3297, doi: 10.1039/B508541A
Wenzel, G., Cooke, I. R., Changala, P. B., et al. 2024, Science, 386, 810, doi: 10.1126/science.adq6391
Wenzel, G., Speak, T. H., Changala, P. B., et al. 2025, Nature Astronomy, 9, 262, doi: 10.1038/s41550-024-02410-9
West, N. A., Millar, T. J., Van de Sande, M., et al. 2019, The Astrophysical Journal, 885, 134, doi: 10.3847/1538-4357/ab480e
Woon, D. E., & Herbst, E. 2009, The Astrophysical Journal Supplement Series, 185, 273, doi: 10.1088/0067-0049/185/2/273
Xue, C. 2024, GBT Spectral Line Reduction Pipeline. https://github.com/cixue/gotham-spectral-pipeline
Zeichner, S. S., Aponte, J. C., Bhattacharjee, S., et al. 2023, Science, 382, 1411, doi: 10.1126/science.adg6304
Zhao, L., Kaiser, R. I., Xu, B., et al. 2018, Nature Astronomy, 2, 413, doi: 10.1038/s41550-018-0399-y
Zhen, J., Rodriguez Castillo, S., Joblin, C., et al. 2016, The Astrophysical Journal, 822, 113, doi: 10.3847/0004-637X/822/2/113

APPENDIX

A. FULL SYNTHESIS ROUTE TO CYANOCORONENE

The full synthesis route from coronene to cyanocoronene is depicted in Fig. A1 and described in the following.
Figure A1. Full synthesis route from coronene ( ) to cyanocoronene ( ).

A.1. Synthesis of Formylcoronene

Formylcoronene was prepared in accordance with the literature (Dale & Rebek 2006). To an oven-dried 500 mL Schlenk flask was added coronene (Ambeed Inc., ). After purging with anhydrous 1,2-dichloroethane (DCE) and 160 mL anhydrous dichloromethane (DCM) were added. The flask was then chilled to in an ice bath, and anhydrous was injected into the mixture. Over the course of an hour, dichloromethyl methyl ether ( ) was dropwise added into the mixture while the temperature was maintained at . The reaction was stirred for an additional 2 hours at before warming to and held at that temperature for 30 minutes. It was subsequently gradually cooled to room temperature and stirred for 19 hours. The reaction mixture was again cooled to , and 100 mL ice-cold water was added. After stirring for 3 hours at room temperature, the reaction was extracted 5 times with 100 mL DCM each. Anhydrous was added to the organic phase, and the whole crude mixture was subjected to column chromatography using pure DCM to obtain formylcoronene ( yield) as yellow needle-like crystals. nuclear magnetic resonance (NMR) . , (Peaks may overlap).
Troubleshooting:
  1. The reaction will release HCl gas during heating. Caution is advised.
  2. The reaction did not show improvement in yield after doubling the equivalence of and . However, most of the starting material is recoverable.
  3. The product and unreacted starting material are both poorly soluble in a wide range of organic solvents. As such, copious amounts (potentially exceeding 6 L ) of DCM are required to perform chromatography at the scale
Figure A2. NMR (top) and NMR (bottom) spectrum of formylcoronene.
Figure A3. NMR spectrum of formylcoronene-oxime.
indicated above. It is also recommended that the chromatography is completed as quickly as possible since crystallized products can severely clog the column.

A.2. Synthesis of Formylcoronene-Oxime

To a 350 mL pressure vessel was added formylcoronene , hydroxylammonium chloride , 16.0 mmol , 4 eq ), powdered 3 Angstrom mol sieves , mesitylene and triethylamine , 4 eq) in the above order. The vessel was immediately sealed and heated at overnight. The mixture was then diluted with 500 mL tetrahydrofuran (THF) and filtered. The THF was removed via rotary evaporator, and 100 mL hexanes were added to precipitate the remaining formylcoronene-oxime. The solid precipitate was then filtered and washed with hexanes and methanol. The resulting solid was dried under vacuum to give formylcoronene-oxime ( 1.24 g , yield) as a brown granular powder. , .
Troubleshooting:
  1. The reaction mixture is heterogeneous and can stick on the walls of the vessel if stirred too violently, thus leading to incomplete reaction. Slow stirring is preferred.

A.3. Synthesis of Cyanocoronene

Cyanocoronene was prepared according to a modified literature procedure (Hyodo et al. 2017): To an oven-dried round bottom flask under was added formylcoronene-oxime ( ), 4-dimethylaminopyridine (DMAP) , triethylamine and . The reaction was stirred overnight. Once the oxime was fully consumed via NMR analysis, was dissolved in DCM ( 4 mL ) and injected into the reaction mixture. After stirring overnight, the reaction was quenched with and filtered through a silica pad with DCM as the eluent to obtain the product mixed with around co-eluting formylcoronene. The solvents were removed under reduced pressure to obtain a yellow solid . From the ratio of formylcoronene and cyanocoronene, the yield of cyanocoronene was calculated to be
Figure A4. NMR spectrum of cyanocoronene.
NMR of the mixture , formylcoronene , formylcoronene), , formylcoronene), , cyanocoronene), , 12 H , overlap), , cyanocoronene).
Troubleshooting:
  1. Direct conversion of formylcoronene to cyanocoronene according to literature protocol (Hyodo et al. 2017) is difficult due to the limited reactivity of formylcoronene at room temperature. Noticeable conversion is only reliably achieved in refluxing toluene, chlorobenzene, or mesitylene. However, the acidic reaction conditions combined with high temperatures frequently resulted in significant degradation of the starting material and severely decreased yields.
  2. The O-sulfonyl oxime intermediate is sensitive to hydrolysis. Its isolation is not recommended.
  3. The reaction mixture is heterogeneous and can stick on the walls of the vessel if stirred too violently, thus leading to incomplete reaction. Slow stirring is preferred.
  4. Copious amounts ( of DCM) were required to complete the chromatography due to the low solubility of the product. Precipitation-induced clogging can be mitigated by gently disturbing the top of the column.

B. BENCHMARK OF LEVEL OF THEORY

To benchmark the level of theory employed in this work, B3LYP/aug-cc-pVTZ, we provide in Table B1 theoretically computed rotational constants and quartic centrifugal distortion constants derived from the harmonic force field for the three cyanopyrene isomers which we previously studied using laboratory rotational spectroscopy (Wenzel et al. 2024, 2025). The mean absolute percentage error (MAPE) comparing theoretical to experimental values for all three cyanopyrene isomers was and we therefore concluded that the B3LYP/aug-cc-pVTZ combination represents well the spectroscopic constants calculated for PAHs of this size.
Table B1. Rotational constants of three cyanopyrene isomers in the A -reduced representation. Experimental values were taken from Wenzel et al. (2024, 2025), theoretical values were calculated using the B3LYP/aug-cc-pVTZ level of theory, and the results of the combined theoretical and experimental fit are reported.
Parameter 1-cyanopyrene
Theoretical Experimental Theoretical+Experimental
850.141 843.140191(128) 843.141827(128)
372.931 372.500175(56) 372.500183(56)
259.219 258.4249175(164) 258.4248913(164)
1.977 2.240(80) 2.153(80))
-5.556 -5.52(101) -5.88(101)
20.310 [0] [20.310]
0.724 0.826(40) 0.795(40)
3.059 5.26(74) 4.20(74)
Parameter 2-cyanopyrene
Theoretical Experimental Theoretical+Experimental
1015.239 1009.19382(60) 1009.19356(39)
314.479 313.1345299(202) 313.1345270(195)
240.105 239.0427225(184) 239.0427270(167)
0.706 0.7008(109) 0.7023(106)
5.375 5.814(94) 5.818(94)
8.785 15.3(114) [8.785]
0.184 0.1759(60) 0.1766(59)
4.510 4.22(39) 4.12(35)
Parameter 4-cyanopyrene
Theoretical Experimental Theoretical+Experimental
652.155 651.383034(69) 651.382955(64)
456.670 453.731352(45) 453.731444(41)
268.590 267.5078168(224) 267.5078004(221)
1.893 1.780(98) 2.026(69)
-1.553 0.43(58) [-1.553]
14.821 10.89(73) 12.61(53)
0.756 0.677(49) 0.803(35)
1.971 2.56(33) 2.40(33)
Values in parentheses are uncertainties in units of the last digit.
Values from Wenzel et al. . The value in brackets was not determinable and fixed to zero.
Values in brackets possessed large uncertainties and were fixed to their respective theoretical constants.

C. MEASURED LINES OF CYANOCORONENE

The experimentally measured lines of cyanocoronene are presented in Table C2. Examples of experimentally recorded transitions using the cavity-enhanced FTMW spectrometer are depicted in Fig. C5.
Table C2. Experimentally measured transitions of cyanocoronene between 6788 and 10520 MHz .
Transition ( ) Frequency (MHz)
6788.4098
6788.4098
6788.4443
6788.4443
6788.7145
6788.7145
6789.9187
6789.9187
6815.8858
7005.2518
7054.6106
7054.6106
7054.6617
7054.6617
7054.8759
7054.8759
7055.9209
7055.9209
7058.7857
7058.7857
7073.0418
7080.6353
7088.6004
7291.4710
7320.8179
7320.8179
7320.8780
7320.8780
7321.0420
7321.0420
7321.9574
7321.9574
7324.4393
7324.4393
Table C2 continued
Table C2 (continued)
Transition ( ) Frequency (MHz)
7587.0283
7587.0283
7587.0875
7587.0875
8377.6038
8385.6505
8385.6505
8385.7347
8385.7347
8385.7636
8385.7636
8391.1806
8391.1806
8651.8594
8651.8594
8651.9466
8651.9466
8651.9537
8651.9537
8652.4539
8652.4539
8653.7843
8653.7843
8656.7527
8656.7527
10515.3437
10515.3437
10515.3437
10515.3437
10515.4529
10515.4529
10516.2356
10516.2356
10517.6703
10517.6703
10520.4313
10520.4313
Figure C5. Example transitions of cyanocoronene recorded with the cavity-enhanced FTMW spectrometer. ( ) Three example spectra that were recorded by averaging approximately 4500 to 10000 gas pulses acquired at a 5 Hz repetition rate and a excitation pulse. The lines are split due to Doppler doubling induced by the co-axial cavity-supersonic expansion geometry of the instrument. We also report the SNR of the recorded lines. ( ) Orange lines indicate the fitted rest frequencies. Corresponding quantum numbers of the transitions, , are labelled. Closely overlapping -components are labelled with .

D. PARTITION FUNCTION FOR CYANOCORONENE

The partition function calculated by SPCAT for cyanocoronene, excluding -quadrupole hyperfine splitting, is reported in Table D3.
Table D3. Partition function for cyanocoronene which was calculated by SPCAT for and and used in the MCMC analysis.
Temperature [K] Partition function
1.0 1703.7230
2.0 4813.7245
3.0 8840.2413
4.0 13608.0333
5.0 19015.7897
6.0 24995.1437
7.0 31495.9011
8.0 38479.1687
9.375 48812.4929
18.75 138047.6140
37.5 390439.4924
75.0 1104317.3292
150.0 3120078.8657
225.0 5686759.1241
300.0 8589526.6725
400.0 12678742.2060
500.0 16744897.1786

E. MCMC ANALYSIS OF CYANOCORONENE IN TMC-1

The priors used for the MCMC analysis are reported in Table E4 and the resulting marginalized posterior distributions are listed and depicted in Table E5 and Fig. E6, respectively. Note that we ran our MCMC analysis on 7768 transitions that have an uncertainty of lower than 5 kHz in the cyanocoronene catalog. The priors for velocity, , source size, and linewidth, , were heavily constrained with Gaussian distributions, , with mean, and variance, , informed from prior observations of PAHs (McGuire et al. 2021; Wenzel et al. 2024, 2025), while the column density, , and excitation temperature, , were allowed to vary freely using a uniform (unweighted) distribution, , between and .
Table E4. Priors used for the MCMC analysis. A Gaussian distribution, , with mean and variance , was used for the source size, velocity, , and linewidth, , and uniform (unweighted) distribution, , between and was used for the column density, , and excitation temperature, .
Component No. ( ) Size (“) ( ) (K) ( )
1
2
3
4
Min 0.0 1 10.0 3.0 0.1
Max 10.0 100 13.0 15.0 0.3
Table E5. Summary statistics of the marginalized posterior probability distributions from the MCMC analysis for cyanocoronene. Priors used are reported in Table E4. The uncertainties are represented by the and percentile, also known as the confidence interval, which corresponds to for a Gaussian distribution. The total column density and its uncertainty are derived by marginalizing over the posterior distributions for the column densities of each individual component and reporting the , and percentiles. Source sizes were artificially over-constrained (see Wenzel et al. 2024), and hence, we do not report their uncertainties.
Component No. ( ) Size (“) ( ) (K) ( )
1 50
2 50
3 50
4 49
summed
Figure E6. Parameter covariances and marginalized posterior distributions for the MCMC fit of cyanocoronene. , and confidence intervals (corresponding to for a Gaussian posterior distribution) are depicted as vertical lines on the diagonal plots.

F. COLUMN DENSITIES OF CYCLIC HYDROCARBONS IN TMC-1

The data compiled in Fig. 4 is listed in Table F6.
Table F6. Column densities of carbon-bearing cycles observed in TMC-1 as presented in Fig. 4.
Molecule Column Density ( ) Reference
5 Cernicharo et al. (2021a)
6 Cernicharo et al. (2021b)
6 Lee et al. (2021)
6 Lee et al. (2021)
7 Cernicharo et al. (2021c)
7 Cernicharo et al. (2021c)
7 Cernicharo et al. (2022)
7 McGuire et al. (2021)
8 Loru et al. (2023)
9 Sita et al. (2022)
10 Sita et al. (2022)
11 McGuire et al. (2021)
11 McGuire et al. (2021)
13 Cernicharo et al. (2024)
13 Cernicharo et al. (2024)
17 Wenzel et al. (2024)
17 Wenzel et al. (2025)
17 Wenzel et al. (2025)
16 Wenzel et al. (2025)
25 This work
24 This work

G. AB-INITIO QUANTUM CHEMICAL CALCULATIONS

Master equation calculations were performed in MESMER 7.1 (Glowacki et al. 2012) on an ab-intio surface calculated at the DLPNO-CCSD/def2-TZVPP//ωB97X-D4/def2-TZVPP level (Chai & Head-Gordon 2008; Weigend 2006; Caldeweyher et al. 2017) in ORCA 5.0.4 (Neese 2022); the master equation calculations showed that below 100 K with a gas density of the reaction of CN with coronene leads to the formation of cyanocoronene and an H atom at the collision rate. The collision rate is predicted to be using classical capture theory in the manner described in West et al. (2019); Wenzel et al. (2025); with no prediction of the formation of isocyanocoronene. Using this collision rate and its relationship to the ratio on formation rate from Wenzel et al. (2025), , leads to a ratio of coronene to cyanocoronene of 6.67 and a column density of coronene of .

G.1. Computational Methodology

Calculations of a potential energy surface for the formation of cyanocoronene were carried out in ORCA 5.0.4 (Neese 2022). Initial structures for the adducts and separated reagents were optimized with the RI-BP86 DFT functional (Perdew 1986; Becke 1988; Lee et al. 1988) using the def2-SVP basis set (Weigend & Ahlrichs 2005) and including D3(BJ) empirical dispersion corrections (Grimme et al. 2011; Becke & Johnson 2006) (this method will be subsequently referred to as DFT-Cheap). The presence of barriers to the addition of CN to coronene and the subsequent elimination of an H atom was evaluated by carrying out modified redundant scans of the forming or breaking
bonds. In these scans, all coordinates except the bond being scanned were allowed to relax while the scanned coordinate was varied. The resultant maxima were used as input geometries for transition state optimizations and the long-range minima prior to CN addition were optimized to a loose bound complex on the entrance channel.
Harmonic vibrational analysis was carried out to verify that these structures were indeed stationary points and the resulting frequencies were scaled by 0.9956 and harmonic zero point energies were scaled 1.0207 in the manner suggested by Kesharwani et al. (2015). Intrinsic reaction coordinate (IRC) scans were performed to verify that transition states linked reactants and products (Ishida et al. 1977; Neese 2022). The structures found by this approach were re-optimized with the hybrid B97X functional (Chai & Head-Gordon 2008) with the D4 empirical dispersion correction (Caldeweyher et al. 2017) and the def2-TZVPP triple zeta basis set (Weigend 2006) (this method will subsequently be referred to as DFT-2). Harmonic vibrational frequencies were calculated on the DFT-2 structures and the results were scaled by 0.9533 and harmonic zero point energies were scaled 0.9779 in the manner suggested by Kesharwani et al. (2015).
Single point energy corrections were carried out using the domain pair local natural orbital coupled cluster method including single and double excitations DLPNO-CCSD, with tight thresholds for the PNOs (Pinski et al. 2015; Riplinger et al. 2016). This method was used with two basis sets, firstly, using Ahlrichs triple zeta def2-TZVPP basis set and secondly with Dunning’s augmented double zeta correlation consistent basis set aug-cc-pVDZ (Dunning 1989; Kendall et al. 1992; Davidson 1996). These single-point energy corrections were calculated for both of the structures calculated with DFT-Cheap and DFT-2. For the reactants and products, additional single point energy calculations were carried out at the CCSD(T)/cc-pVDZ level. These results were combined with three MP2 calculations with three of Dunning’s correlation consistent basis set series cc-pVDZ, cc-pVTZ, cc-pVQZ (Dunning 1989; Davidson 1996); taken from the correlation consistent basis set repository, ccREPO (Hill 2016). These results were used with equation G1 to calculate an EP3 approximation of the CCSD(T) complete basis set limit (Jurečka et al. 2006; Liakos & Neese 2012).
A loose Van der Waals (VdW) complex was found using DFT-Cheap, which failed to re-optimize with DFT-2. Additional scans were carried out of the entrance channel with DFT-2 and although a shallow minima and submerged barrier were apparent on these, the shallow minima again did not optimize to loose complexes. Therefore, there is uncertainty in the presence of a loose entrance channel complex and as such two separate surfaces were treated in subsequent master equation calculations one where both adducts were linked to an entrance channel complex with energetics defined at the DLPNO-CCSD//DFT-Cheap level and the second where no entrance channel barriers were present for the formation of the cyanocoronene adducts with all energetics at the DLPNO-CCSD//DFT-2 level. These surfaces are presented in Fig. G7 and summarized in Table G7.
The relative energies given in Table G7 for both the DFT-Cheap and DFT-2 surfaces are in very good agreement for the overall reaction energetics once DLPNO-CCSD corrections have been applied both with the aug-cc-pVDZ and def2-TZVPP basis sets. In addition, the relative energies of the cyano and isocyano adducts formed by addition of CN to coronene and their subsequent barriers to elimination of an H atom are in excellent agreement (deviate by less than 1 kcal ). Comparing to canonical couple cluster results including single and double excitations and perturbative triples with the cc-pVDZ basis set the agreement for the overall energetics of the reaction are well reproduced by the DLPNOCCSD results. Incorporation of basis set extrapolation through the EP3 scheme leads to a large deviation of around . Considering the whole set of results provided in Table G7 it is reasonable to infer that the formation of isocyanocoronene is slightly endothermic at 0 K . The effect of spin contamination was considered by carrying out further DLPNO-CCSD/def2-TZVPP calculations with spin restricted open shell Hartree Fock (ROH-DLPNO-CCSD), as well as the spin unrestricted (DLPNO-CCSD) calculations with the def2-TZVPP basis set. These results typically deviated by less than .
For both the UHF-DLPNO-CCSD//DFT-Cheap and UHF-DLPNO-CCSD//DFT-2 surfaces emerged barriers were found for both the formation of the isocyanocoronene adduct ( ) and the subsequent H atom elimination leading to the formation of isocyanocoronene . Whereas, the formation of the cyanocoronene occurs over a submerged barrier in the entrance channel ( ) and the elimination of a H atom leading to the formation of cyanocoronene occurs over a very submerged barrier on the exit channel (-56.9 ).
Figure G7. Potential energy surfaces for the addition of CN to coronene at the DLPNO-CCSD/def2-TZVPP//ωB97X-D4/def2TZVPP level with DLPNO-CCSD/def2-TZVPP//BP-86-D3(BJ)/def2-SVP level results presented in parenthesis. The upper frame provides the surface where a loose entrance channel complex is linked to the formation of the adducts. In the lower panel, this complex is neglected with barrierless approach forming the cyano adduct.

G.2. Master equation kinetic predictions

The UHF-DLPNO-CCSD//DFT-2 surface including and excluding the UHF-DLPNO-CCSD//DFT-Cheap loose entrance channel complex were incorporated into the energy-grained master equation calculator MESMER 7.1 (Glowacki et al. 2012), which allowed the reaction to be simulated over a range of densities ( to ) and temperatures . Where the entrance channel complex was included in MESMER, simulations were primarily carried
Table G7. Relative energies for selected stationary points on the CN + coronene potential energy surface including scaled harmonic zero point energies. In the column headers 1- represents using BP-86-D3(BJ)/def2-SVP structures and 2- using B97X-D4/def2-TZVPP structures. With the single point energy corrections applied being given as -1 for DLPNO-CCSD/def2-TZVPP, ROHF-DLPNO-CCSD/def2-TZVPP -3 for DLPNO-CCSD/aug-cc-pVDZ, -4 for CCSD(T)/cc-pVDZ and -5 for EP3-MP2 (DZQZ). All values are reported in .
1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5
CN + Coronene 0.0 0.00 0.0 0.0 0.0 0.0 0.00 0.0 0.0 0.0
VdW -20.57 -20.26 -25.82 * * *
TS 1 (CN addition) 9.87 14.42 3.83 21.48 25.03 13.18
N-Adduct 1 -98.48 -90.90 -98.57 -99.08 -91.60 -101.41
TS 3 H elimination 36.35 42.57 33.38 38.55 45.37 34.23
H + Isocyanocoronene 1.06 0.14 1.72 1.12 -16.20 0.33 -0.68 0.20 0.94 -14.17
TS 2 (NC addition) -18.57 -18.27 -23.82 -20.09 -18.52 -25.05
Adduct 1 -186.80 -179.23 -184.50 -186.68 -179.22 -186.00
TS 4 H elimination -56.87 -50.57 -57.91 -53.20 -46.27 -54.98
H + Cyanocoronene -89.15 -89.97 -86.33 -89.88 -106.47 -89.39 -90.31 -86.53 -88.90 -103.67
out with the UHF-DLPNO-CCSD corrected DFT-Cheap barriers to addition. However, repeats were carried out with the UHF-DLPNO-CCSD//DFT-2 barrier to the formation of the isocyano-adduct (the UHF-DLPNO-CCSD//DFT-2 barrier to the formation of the cyano-adduct was submerged with respect to the UHF-DLPNO-CCSD//DFT-Cheap entrance channel complex). In addition, simulations were carried out where all the barriers were raised by and where all the barriers were reduced by .
The temperature-dependent collision rate coefficient for the barrierless formation of the cyano-adduct or the loose complex was estimated using classical capture theory (CCT) (Georgievskii & Klippenstein 2005).
In equation G2, is the Boltzmann constant, is the gamma function such that is the reduced mass of the collision, and is the sum of coefficients describing the magnitude of the attractive forces between collision partners given as equation G3.
In equation G3, represents the permittivity of free space, and are the dipole moments of the reactants, and and are their polarizabilities and ionization energies, respectively. These parameters were taken from the online databases NIST Chemistry WebBook and CCCBDB (Linstrom & Mallard 2024; Johnson 2022). This approach has been shown to be accurate within a factor of 2 for the prediction of rate coefficients for barrierless radical neutral reactions (West et al. 2019). The re-dissociation of the adducts was then treated with the inverse Laplace transformation (ILT) methodology (Davies et al. 1986) in MESMER. The subsequent reactions through defined transition states were treated with Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) theory (Holbrook et al. 1996; Baer & Hase 1996; Lourderaj & Hase 2009) including quantum mechanical tunneling effects through a 1 dimensional asymmetric Eckart barrier (Miller 1979).
Below 200 K the results became sensitive to the grain size chosen with a grain size of by used for calculations under 200 K even with a grain size of calculations failed below 20 K . From 125 K to 20 K with a gas density of in the complex included and from 200 K in the complex excluded case the calculated bimolecular rate coefficients leading to the formation of cyanocoronene and an H atom from the reaction of CN and coronene matched the estimated collision rate as can be seen in Fig. G8. Therefore, it is reasonable to predict that at a gas density of and at 10 K this reaction will occur at the collision rate ( ) and lead solely
Figure G8. MESMER simulated bimolecular rate coefficients leading to the formation of H and cyanocoronene from the reaction of CN with coronene with the CCT collision rate coefficient given as a solid blue curve; the estimated uncertainty in this is presented as the shaded region. The MESMER predictions including the loose complex on the entrance channel are given as yellow circles and those neglecting this are given as red squares.
to the formation of cyanocoronene (isocyanocoronene is not predicted to be formed under these conditions). In these simulations, the temperature-dependent energy transfer parameter was set as using the value assumed in Georgievskii & Klippenstein (2005); additionally, it should be noted the result that the collision limit had been reached below 100 K was not sensitive to this parameter when it was varied between 50 and .
As the route to the formation of isocyanocoronene is endothermic and involves emerged barriers, both in the entrance channel and to the elimination of an H atom leading to product formation, this channel is predicted to be negligible. Varying the height of these barriers by did not result in any observed isocyanocorone formation. Repeats were additionally performed where these barriers were shifted to match the deviation between the DLPNO-CCSD/def2TZVPP corrected and EP3-MP2(DZ-QZ) corrected energetics ( ) the entrance channel barrier becomes submerged but the exit barrier remains emerged and the resulting prediction showed no formation of isocyanocoronene. The route to the formation of cyanocoronene involves barriers that are submerged both in the entrance channel and to the subsequent H atom elimination. The depth to which the barriers are submerged on the route to the formation of cyanocoronene means that this route remained rapid under the conditions relevant to TMC-1 even when the barriers were raised by .

  1. Corresponding author: Gabi Wenzel, Brett A. McGuire
    gwenzel@mit.edu, brettmc@mit.edu
  2. https://greenbankobservatory.org/portal/gbt/ gbt-legacy-archive/gotham-data/
  3. Experimental uncertainties are 2 kHz .
  4. *Estimated using the cyanopyrene and cyanocoronene column densities, calculated rate coefficients for CN addition, and an CN/H ratio of 0.15 (see Appendix G and Wenzel et al. 2025).