C3H6O3与C2H5O2星际化学反应网络的计算解析：生命前分子形成的动力学机制与天文观测意义

本研究针对星际复杂有机分子(COMs)的形成机制，通过AutoMeKin自动化反应探索工具系统研究了GCA(C3H6O3)、其氢化类似物(C3H7O3)及C2H5O2的气相反应网络。研究发现乙二醛与HOCHCH2OH自由基反应可高效生成GCA（速率系数达5.4–7.9×10?10 cm3 molecule?1 s?1），但多数途径因振动激发导致分子分解，揭示GCA在星际介质中的瞬态特性，为生命前化学演化提供关键动力学依据。

　　

在浩瀚的星际空间中，复杂有机分子(COMs)的形成一直是天体化学与生命起源研究的核心谜题。其中甘油醛(glyceraldehyde, HOCH₂CH(OH)C(O)H, GCA)作为生命生化途径的潜在前体物质备受关注。虽然尚未在星际介质(ISM)中直接检测到GCA，但与其结构相似的化合物广泛存在于宇宙环境中，暗示其可能通过星际化学反应生成。

研究人员采用自动化反应探索工具AutoMeKin，对GCA(C₃H₆O₃)、其氢化类似物(C₃H₇O₃)以及C₂H₅O₂的气相化学反应网络进行了系统性探索。通过ωB97XD/Def2-TZVPP理论水平的计算表征，并结合竞争性标准统一统计(CCUS)模型对关键过程的速率系数进行计算，该模型特别考虑了多重动态能垒的效应。

研究揭示了多条无能垒反应路径可直接生成GCA或GCA与离去基团的组合。特别值得注意的是，乙二醛(glyoxal, HCOHCO)与HOCHCH₂OH自由基的反应——尽管两者均未在星际介质中被检测到——能够高效产生GCA和甲酰自由基，在10-100K的温度范围内速率系数高达5.4–7.9×10^?10 cm³ molecule^?1 s^?1。然而除该特例外，大多数GCA形成通道会产生处于高振动激发态的中间体，这些中间体在典型星际条件下更倾向于通过单分子分解快速消散，而非通过辐射发射实现稳定化。

这些计算结果表明：尽管GCA的气相形成在化学上是可行的，但其存在状态很可能是瞬态的，难以被直接探测。相反，诸如甲醛(formaldehyde)、乙醇醛(glycolaldehyde)和(Z)-乙烯-1,2-二醇((Z)-ethene-1,2-diol)等其他产物在多数反应路径中占据主导地位，这与当前天文观测结果更为吻合。

这项研究不仅为星云化学模型提供了详尽的机理与动力学见解，推进了对恒星形成环境中分子复杂性演化规律的理解，更彰显了自动化反应网络探索技术在揭示太空前生命分子可行合成路径方面的强大潜力。