Diels-Alder rechargé : plus efficace avec l'électricité
Chimie quantique pour des processus durables : comment le comportement des électrons détermine les réactions
La recherche chimique est souvent un processus d'essais et d'erreurs. Il arrive souvent que les choses ne se passent pas comme prévu en laboratoire : les réactions achoppent ou produisent trop peu de produit. La connaissance des propriétés chimiques des substances impliquées n'est alors plus suffisante. Les chimistes aimeraient plutôt "regarder plus profondément" dans la réaction, jusqu'au niveau subatomique. C'est possible grâce à l'analytique de haute technologie. La chimie quantique est également de plus en plus demandée, car elle peut révéler des moments critiques dans le processus catalytique uniquement par le calcul, par exemple, du comportement des électrons. Olga Bokareva dirige ces travaux au LIKAT de Rostock. Un exemple actuel est une nouvelle réaction de Diels-Alder.
L'augmentation de la puissance de calcul et l'amélioration constante des algorithmes ont rendu la modélisation des réactions chimiques indispensable à la recherche. "C'est particulièrement vrai lorsque la chimie ouvre de nouvelles voies, par exemple en remplaçant les matières premières fossiles par des sous-produits de la civilisation, ou en élargissant la gamme d'applications des produits chimiques. Ou encore lorsqu'il s'agit d'élargir le champ d'application de procédés classiques et éprouvés et de les utiliser pour des processus durables", explique Olga Bokareva, responsable d'un groupe de recherche junior à l'Institut Leibniz pour la catalyse.
Diels-Alder rechargé : plus efficace avec l'électricité
La chimiste cite la réaction de Diels-Alder comme exemple actuel. Depuis trois quarts de siècle, elle occupe une place de choix en chimie organique, notamment dans la synthèse de principes actifs pharmaceutiques et d'autres molécules complexes. Ses découvreurs ont reçu le prix Nobel en 1950.
Plusieurs laboratoires tentent actuellement de rendre la réaction de Diels-Alder utilisable pour des synthèses beaucoup plus complexes que ce qui a été possible jusqu'à présent. Au LIKAT, on y est parvenu par des moyens électrochimiques. Le Dr Bokareva explique : "Des électrodes dans la solution de réaction fournissent un courant qui alimente le processus et le rend beaucoup plus efficace que la réaction de Diels-Alder classique."
Robert Franke, directeur scientifique du LIKAT, a collaboré avec des collègues japonais sur ce projet, et ils ont soumis ensemble un article. Leurs expériences ont montré que la réaction électrochimique de Diels-Alder fonctionne à merveille avec certains matériaux de départ, mais pas du tout avec d'autres. Les auteurs ont émis quelques hypothèses sur les causes de ce phénomène. Toutefois, la revue a demandé une explication mécaniste détaillée faisant appel à des méthodes de chimie quantique.
C'est là que l'expertise du Dr Bokareva et de son équipe est entrée en jeu. Une doctorante, Yanan Han, s'est chargée de ce travail dans le cadre de sa thèse.
Comparable à Google Maps
Pour comprendre le mécanisme de réaction, l'équipe a utilisé la chimie quantique pour calculer l'énergie des molécules le long de la voie de réaction. Il leur suffisait de connaître le matériau de départ et le produit, ainsi que certaines informations sur les conditions de réaction, telles que la température. Mme Bokareva compare cette approche à celle de Google Maps : "Vous connaissez votre emplacement et votre destination et vous voulez éviter les embouteillages ; dans la réaction, il pourrait s'agir d'un produit intermédiaire indésirable. Le programme calcule le meilleur itinéraire".
Ces calculs de chimie quantique ne fournissent pas de valeurs exactes, mais plutôt des approximations, explique le Dr Bokareva. L'état actuel des molécules individuelles est déterminé par la différence entre leurs états d'énergie. La raison en est la nature quantique des électrons, qui sont décrits par des fonctions d'onde.
Les bases mathématiques de ces calculs ont été développées il y a une centaine d'années, comme les équations de Schrödinger, qu'Olga Bokareva et son équipe utilisent avec des méthodes numériques.
Les nuages d'électrons déterminent la réaction
Aujourd'hui, les résultats peuvent être représentés graphiquement, par exemple sous forme d'orbitales, nom donné à l'emplacement des électrons dans les atomes. Sur l'écran, elles apparaissent comme des structures colorées rappelant des ballons flottants. "Nous parlons souvent de nuages d'électrons pour désigner l'espace diffus où se trouvent les électrons", explique Olga Bokareva. De telles représentations permettent non seulement d'analyser les processus de réaction, mais aussi de les comprendre intuitivement. "La chimie quantique n'est pas seulement un défi, elle est aussi magnifique.
Qu'ont montré les calculs pour la nouvelle réaction de Diels-Alder ? "Nous avons pu identifier un produit intermédiaire qui se forme à un moment critique du processus", explique le Dr Bokareva. Pour que la réaction se poursuive, ce produit intermédiaire a besoin d'un électron supplémentaire. Le système doit permettre à ce transfert d'électrons de se produire énergétiquement, et les chercheurs ont pu identifier des conditions spécifiques à cet effet dans le comportement des nuages d'électrons. Ces conditions n'étaient pas remplies dans les substrats problématiques et la réaction s'est interrompue.
La raison de cette perturbation a donc été trouvée et les résultats ont été publiés conjointement avec des partenaires japonais et ont récemment été publiés en ligne. Selon le Dr Bokareva, ces travaux offrent des approches permettant de rendre utilisables pour la synthèse électrochimique de Diels-Alder des substrats qui n'ont pas réussi jusqu'à présent. Par exemple, en modifiant la structure électronique de ces composés ou les conditions de la réaction électrochimique.
Un domaine qui n'est plus réservé aux hommes
Il peut sembler surprenant que ces connaissances aient été acquises par le biais de travaux théoriques. Pour Olga Bokareva, c'est une évidence d'utiliser le calcul pur et "un véritable travail d'équipe pour faire la lumière sur des résultats expérimentaux déroutants et révéler des mécanismes cachés". Cela l'épanouit davantage que le travail qu'elle a effectué en laboratoire il y a de nombreuses années.
Olga Bokareva a obtenu son doctorat et son habilitation, à la fois en théorie et en chimie quantique, des domaines longtemps dominés par les hommes. C'est l'une des raisons pour lesquelles elle est fière que quatre de ses doctorants soient des femmes. Son groupe s'agrandit régulièrement et travaille sur des questions d'actualité à l'interface entre la théorie et l'application.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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