Applications of the Schwinger multichannel method to the scattering of slow electrons by the Z, E, N isomers of C-cyanomethanimine

Abstract

Resumo: A detecção de moléculas prebióticas em ambientes astrofísicos, especialmente em regiões de formação estelar, é fundamental para a compreensão das origens da vida e da química do meio interestelar (Interestelar Medium-ISM). Entre tais espécies, a C-cianometanimina (HNCHCN) destaca-se por atuar como intermediária na síntese da adenina e como possível precursora de moléculas biologicamente relevantes. Seus três isômeros estruturais (Z, E e N), todos já detectados no ISM, apresentam propriedades de espalhamento eletrônico essenciais para a modelagem de processos induzidos por radiação em ambientes astrofísicos.Esta dissertação apresenta um estudo teórico do espalhamento de elétrons de baixa energia pelos três isômeros da C-cianometanimina. As geometrias de equilíbrio e as energias relativas foram determinadas nos níveis Hartree–Fock [HF/6-31G(d)] e Teoria do Funcional da Densidade (DFT), complemen tados por métodos de função de onda correlacionada. Os cálculos de espalhamento foram realizados por meio do Método Multicanal de Schwinger (SMC) com pseudopo tenciais, nas aproximações estático-troca (SE) e estático-troca mais polarização (SEP). Análises adicionais incluíram a diagonalização do Hamiltoniano de colisão para a ca racterização de autovalores próximos às ressonâncias e de seus orbitais associados, bem como o procedimento de complemento de Born para a descrição das interações de longo alcance. Os resultados mostram o isômero Z como mínimo global, enquanto os isômeros E e N apresentam energias mais elevadas, separadas por barreiras de isomerização significativas. Na aproximação SE, cada isômero exibe duas ressonâncias de forma associadas a orbitais p*: uma de simetria A' (em aproximadamente 1,66, 1,80 e 2,63 eV para Z, E e N, respectivamente) e outra de simetria A'' (3,73, 3,59 e 3,82 eV). Adicionalmente, identifica-se uma ressonância de forma de baixa energia de simetria A'' (1,15, 1,22 e 0,88 eV), que se torna um estado ligado no tratamento SEP, acompanhado pela redução das energias das demais ressonâncias, comportamento confirmado pela diagonalização do Hamiltoniano de colisão e por cálculos de energia total. Este estudo fornece uma caracterização teórica abrangente do espalhamento eletrônico na C-cianometanimina, contribuindo com dados fundamentais para modelos de astroquímica e de física de plasmas

Abstract: The detection of prebiotic molecules in astrophysical environments, particularly in star forming regions, is essential for understanding the origins of life and the chemistry of the interstellar medium (ISM). Among such species, C-cyanomethanimine (HNCHCN) stands out as an intermediate in adenine formation and as a potential precursor of biologically relevant molecules. Its three structural isomers (Z, E, and N), all of which have already been detected in the ISM, exhibit electron-scattering properties that are crucial for modeling radiation-induced processes in astrophysical environments. This dissertation presents a theoretical investigation of low-energy electron scatter ing by the three isomers of C-cyanomethanimine. Equilibrium geometries and relative energies were computed at the Hartree–Fock [HF/6-31G(d)] and Density Functional Theory (DFT) levels, complemented by correlated wave function methods. Scattering calculations were performed using the Schwinger Multichannel Method (SMC) with pseudopotentials, within the static-exchange (SE) and static-exchange plus polarization (SEP) approximations. Additional analyses included collision-Hamiltonian diagonaliza tion to characterize eigenvalues near resonant states and their associated orbitals, as well as Born-completion procedures to describe long-range interactions. The results indicate that the Z isomer is the global minimum, while the E and N isomers lie at higher energies, separated by significant isomerization barriers. Within the SE approxi mation, each isomer exhibits two shape resonances associated with p* orbitals: one of A' symmetry (at approximately 1.66, 1.80, and 2.63 eV for Z, E, and N, respec tively) and one of A'' symmetry (3.73, 3.59, and 3.82 eV). An additional low-energy A'' shape resonance (1.15, 1.22, and 0.88 eV) becomes a bound state in the SEP treatment, accompanied by a lowering of the remaining resonance energies, a behavior confirmed through collision-Hamiltonian diagonalization and total-energy calculations. This work provides a comprehensive theoretical characterization of electron scattering in C-cyanomethanimine, offering essential data for astrochemical and plasma-physics modeling