L'atome le plus simple n'est pas facile à dompter
Des chercheurs ont mis au point une méthode utilisant la lumière pour exploiter l'hydrogène atomique dans le cadre de réactions chimiques
Annonces
L'hydrogène est l'élément le plus simple du tableau périodique, composé d'un seul proton et d'un seul électron. En chimie, cependant, le plus petit des atomes est tout sauf simple. Produits pour la première fois par le lauréat du prix Nobel Irving Langmuir il y a plus d'un siècle, les atomes d'hydrogène isolés (H•) sont si réactifs qu'il est pratiquement impossible de les préparer et de les utiliser.
Dans le cadre d’une collaboration internationale, des chercheurs de l’Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces, de l’University College London et de l’Imperial College London ont désormais trouvé une solution à ce problème. À l’aide de la lumière, ils génèrent des atomes d’hydrogène dans des conditions douces et les utilisent pour réduire des molécules organiques sans recourir à des métaux. Leurs résultats viennent d’être publiés dans le Journal of the American Chemical Society.
Un atome d’hydrogène ne peut pas attendre
En laboratoire, les chimistes rencontrent fréquemment l’hydrogène sous forme de H₂ : deux atomes d’hydrogène solidement liés l’un à l’autre. Cette molécule est stable et son utilisation en chimie de synthèse est très répandue. Un atome d’hydrogène isolé, en revanche, c’est une tout autre histoire.
« D’un point de vue chimique, un atome d’hydrogène est incroyablement simple, mais il est aussi extrêmement réactif », explique Nils J. Flodén, premier auteur de l’étude à l’Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces. « Nous devions donc trouver un moyen de générer des atomes d’hydrogène dans des conditions nous permettant de canaliser leur réactivité pour qu’ils agissent comme nous le souhaitons. »
La lumière libère les atomes d’hydrogène
Pour leur nouvelle approche, les chercheurs utilisent la lumière. Ils combinent de l’hydrazine avec un dérivé du thiophénol, puis exposent le mélange à la lumière. La lumière fournit l’énergie nécessaire pour déclencher un transfert d’électrons entre les deux molécules.
Les recherches suggèrent que ce transfert d’électrons entraîne la formation d’un intermédiaire éphémère appartenant à la classe plus large des radicaux dits de Rydberg. Leur durée de vie n’est que d’environ 13 picosecondes, ce qui correspond à 13 trillionièmes de seconde. Alors que les atomes de Rydberg jouent un rôle crucial dans l’informatique quantique, dans ces travaux, la désintégration d’une molécule de Rydberg est utilisée pour libérer un radical d’hydrogène.
L’idée remonte à plus d’un siècle
Ce n’est un secret pour personne que les atomes d’hydrogène sont difficiles à générer et à contrôler. En 1912, le chimiste américain Irving Langmuir a découvert que les molécules d’hydrogène pouvaient se décomposer en atomes d’hydrogène individuels au niveau du fil de tungstène chauffé d’une ampoule électrique. Cela nécessitait des températures supérieures à 2 000 kelvins. Par la suite, des méthodes faisant appel à des décharges électriques ou au rayonnement UV du mercure ont été mises au point, permettant d’étudier plus en détail les propriétés et la réactivité de l’hydrogène atomique. Cependant, ces méthodes n’étaient pas particulièrement adaptées à la synthèse organique, car les conditions requises étaient trop extrêmes.
Ce que permet le radical hydrogène
Grâce au radical hydrogène ainsi produit, les chercheurs sont en mesure de réduire diverses molécules organiques dans des conditions douces et sans métaux. Parmi celles-ci figuraient des alcènes hautement fonctionnalisés et des composés halogénés.
« Pour la chimie organique, la découverte de nouveaux intermédiaires chimiques ouvre de nouvelles perspectives », explique Peter H. Seeberger, directeur du département des systèmes biomoléculaires à l’Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces. « Grâce à ces travaux, l’hydrogène atomique devient un outil pratique pour les chimistes de synthèse. »
Les chercheurs y voient avant tout un nouveau point de départ. En effet, la réactivité inhabituelle de H• pourrait présenter un intérêt qui dépasse le cadre des réactions de réduction étudiées. Des applications sont envisageables dans d’autres domaines de la chimie organique et, à long terme, également dans les sciences biologiques.
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.
Publication originale
Autres actualités du département science
