Une nouvelle façon de contrôler les effets "3D" dans les réactions chimiques

Des chercheurs ont observé pour la première fois des effets stériques - les interactions des molécules en fonction de leur orientation spatiale (et pas seulement entre leurs électrons impliqués dans la liaison) - dans une réaction chimique impliquant des molécules non polaires. Cette percée ouvre la voie à une toute nouvelle façon de contrôler les produits des réactions chimiques.

Un article décrivant les résultats de l'équipe de recherche a été publié dans la revue Science le 12 janvier.

L'un des principaux objectifs de la chimie est de développer de nouvelles méthodes de contrôle des réactions chimiques. Pour l'essentiel, le contrôle des réactions chimiques passe par la compréhension des interactions entre les électrons de différents atomes. Ces effets "électroniques" régissent un grand nombre de propriétés et de comportements des produits chimiques et les changements qu'ils subissent au cours des réactions.

Mais la disposition spatiale relative des atomes au sein des molécules a également un impact sur leurs propriétés, leur comportement et les changements qu'ils peuvent subir. De nombreuses personnes connaissent l'histoire de la thalidomide, le médicament responsable d'un certain nombre de graves malformations congénitales dans les années 1950. L'erreur qui a provoqué cette tragédie était liée à la manière dont un produit chimique ayant une formule identique à un autre - mais une structure en miroir - peut avoir des effets biologiques différents.

L'étude de l'impact de ces dispositions spatiales sur les réactions chimiques - ce que l'on appelle les "effets stériques" - et la manière de manipuler ces effets constituent la sous-discipline connue sous le nom de stéréochimie, parfois appelée "chimie 3D" car elle se concentre sur les orientations des atomes et des molécules dans l'espace tridimensionnel.

Ces effets sont le résultat de forces répulsives entre des nuages d'électrons qui se chevauchent. Le complément de charges opposées et semblables produit une forme 3D particulière dans une molécule, y compris les angles entre les atomes et l'axe de la liaison chimique ("axe de liaison").

Dans leur laboratoire, les chercheurs sont spécialisés dans les tentatives de contrôle de la direction de l'axe de liaison des molécules impliquées dans des réactions chimiques - une façon de manipuler les réactions chimiques au-delà des méthodes traditionnelles telles que l'ajout de catalyseurs appropriés et la modification de la température ou de la pression d'un mélange réactionnel.

"Dans l'esprit de nombreuses personnes et même dans certains manuels de chimie, la structure et la forme d'une molécule sont subliminalement ignorées dans l'image physique d'une réaction chimique", a déclaré Yufeng Wang, auteur principal de l'étude et chimiste au State Key Laboratory of Molecular Reaction Dynamics de l'Académie chinoise des sciences. "Mais les molécules ne peuvent pas être simplement considérées comme un point de masse. La structure et la forme de la molécule réactive peuvent avoir de profondes influences sur la réaction chimique."

À son tour, l'orientation mutuelle des réactifs qui se heurtent les uns aux autres a également un effet majeur sur le résultat de la réaction chimique. Ainsi, en contrôlant cette orientation, il devrait être possible de favoriser ou de restreindre le rendement des produits des réactions dans des états finaux ou des angles de diffusion spécifiques.

Des expériences visant à contrôler l'orientation des molécules en collision ont été réalisées pendant un certain nombre d'années sur des molécules polaires. Les molécules polaires sont celles qui, comme l'eau, sont les plus connues. En raison du partage inégal des électrons entre les atomes qui les composent, la molécule a une extrémité négative et une extrémité positive.

Mais elles n'ont pas été réalisées sur des molécules non polaires. Les molécules non polaires, telles que l'oxygène moléculaire ou l'azote, sont composées d'atomes qui partagent les électrons de manière égale et n'ont donc pas de charge. Pourtant, les effets stériques devraient être très importants, car l'absence de charge produira des interactions "directrices" très faibles sur le chemin de la collision.

L'hydrogène moléculaire (_H2), une autre molécule non polaire, devrait être un bon candidat pour de telles expériences de diffusion avec contrôle de l'orientation, notamment en raison de sa simplicité, chaque atome ne possédant qu'un proton et un électron (et bénéficiant donc d'une grande facilité théorique).

Cependant, jusqu'à récemment, il était difficile de préparer des concentrations suffisantes de_H2 dans des états quantiques spécifiques pour les expériences de diffusion. Mais grâce au développement d'un oscillateur paramétrique/amplificateur optique à haute énergie pulsée et à mode longitudinal unique, de grandes concentrations de H2 dans des états quantiques spécifiques sont devenues disponibles en utilisant le schéma de pompage Raman stimulé. La quantité est maintenant suffisante pour étudier la dynamique des collisions et pour aligner les molécules d'_H2 dans une direction particulière pour les expériences de dynamique stérique.

Avec l'avènement de cette nouvelle technique, les chercheurs ont voulu voir si les effets stériques significatifs prédits pouvaient être observés dans les réactions chimiques les plus simples impliquant des molécules de_H2.

Pour leur expérience, les chercheurs ont choisi une réaction chimique très simple, la transformation de l'hydrogène (H) et du deutérium (HD - un atome d'hydrogène lié à un atome de deutérium, un isotope de l'hydrogène avec un neutron supplémentaire) en hydrogène moléculaire (H2) et en deutérium (D). Ils ont fait entrer en collision les réactifs chimiques à trois énergies de collision différentes, ainsi qu'à deux géométries de collision différentes - l'une où la liaison chimique était alignée parallèlement à la vitesse relative des partenaires de la collision et l'autre où la liaison était alignée de manière perpendiculaire.

L'équipe de recherche a réussi à observer les effets stériques substantiels supposés tout en utilisant des calculs de dynamique quantique pour analyser leurs observations de manière simple. Ils ont découvert que lorsque deux ondes produisent ensemble une onde plus grande dans la configuration perpendiculaire, celle-ci joue un rôle important dans les effets stériques observés. La réaction chimique a changé radicalement en fonction de la direction de l'axe de la liaison HD.

Les observations et la compréhension théorique sous-jacente ouvrent la porte à une nouvelle façon de contrôler les réactions chimiques.

La prochaine étape pour l'équipe sera de passer à la vitesse supérieure en étendant cette recherche à des réactions plus complexes, ce qui sera beaucoup plus difficile en termes de réalisation d'expériences et de théorie. L'objectif ultime est de mettre au point des moyens plus précis et plus efficaces de contrôler les réactions chimiques dans leur ensemble, et pas seulement avec les molécules les plus simples.