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ERC

CAPRI — Résultat en bref

Project ID: 290966
Financé au titre de: FP7-IDEAS-ERC
Pays: Royaume-Uni
Domaine: Recherche fondamentale

Des vidéos moléculaires livrent les secrets des réactions chimiques en milieu liquide

Bénéficiant d'un financement de l'UE, le projet CAPRI a utilisé des impulsions laser extrêmement rapides pour mettre en lumière les mécanismes des réactions chimiques en milieu liquide. Grâce à un niveau de détail jamais atteint, cette avancée ouvre la voie à une chimie industrielle plus légère et respectueuse de l'environnement.
Des vidéos moléculaires livrent les secrets des réactions chimiques en milieu liquide
Même si les réactions chimiques les plus importantes (que ce soit dans le domaine du vivant ou dans l'industrie) se déroulent en milieu liquide, la recherche s'est en général intéressée aux réactions chimiques en phase gazeuse. L'observation précise des rencontres moléculaires réactives pendant la synthèse de produits chimiques dans les liquides est gênée par le mouvement constant des molécules du solvant, auquel s'ajoute la vitesse du processus. Dans des intervalles inférieurs à un trillionième de seconde, des liaisons peuvent être rompues et d'autres créées.

Financé par l'UE, le projet CAPRI a utilisé des impulsions laser, plus brèves que les intervalles de collision entre les molécules, pour prendre des instantanés de réactions chimiques en milieu liquide, et ce avec un niveau de détail sans précédent. En assemblant ces instantanés et en utilisant des simulations informatiques, l'équipe a pu produire des visualisations étape par étape. La prestigieuse revue scientifique «Scientific American» a qualifié l'approche de l'équipe «d'idée propre à changer le monde».

Expliquant les motivations de CAPRI, le professeur Andrew Orr-Ewing, coordinateur du projet, évoque ses souvenirs: «il s'agissait en partie d'un désir de savoir ce qui arrive aux molécules réactives dissoutes dans un solvant liquide, un problème largement inexploré. Et également de la reconnaissance du fait que l'essentiel de la chimie réalisée dans les laboratoires de recherche et dans l'industrie exigent l'utilisation de solvants liquides.»

Obtenir un instantané en une picoseconde

L'équipe du projet a étudié les molécules en utilisant la spectroscopie d'absorption. En utilisant des impulsions laser ultra rapides (dans les domaines de l'infrarouge ou de l'ultraviolet), ils ont mesuré la quantité de lumière absorbée à différentes longueurs d'ondes par des espèces à brève durée de vie, intermédiaires entre les réactifs et les produits finaux. Le professeur explique que «nous avons mesuré ces spectres transitoires selon des temporisations différentes afin d'observer la croissance et la désintégration des intermédiaires réactionnels. Le spectre révélait les voies réactives et les mouvements des molécules pendant la réaction.»

Les expériences ont été réalisées dans des solvants répandus tels que l'eau, l'oxyde de deutérium (D2O), l'acétonitrile, le chloroforme et le dichlorométhane. CAPRI s'est également intéressé aux perfluorocarbures, des liquides moins courants qui sont chimiquement inertes et n'interagissent que faiblement avec les molécules de solvant, mais qui permettent d'effectuer des mesures très fines du comportement des molécules dissoutes.

Comme le résume le professeur Orr-Ewig, «ces expériences étaient révolutionnaires dans la mesure où elles démontraient pour la première fois que les études des réactions en solution pouvaient approcher le niveau de détail obtenu pour les molécules isolées en phase gazeuse.» Il conclut en déclarant que «les expériences ont montré de façon surprenante que ces réactions en solution ne peuvent pas être simplement modélisées en utilisant les statistiques pour prévoir où aboutira le surplus d'énergie des réactions. Les connaissances expérimentales réelles ont vraiment été cruciales.»

Vers une chimie industrielle plus légère et plus verte

CAPRI permet de mieux comprendre les flux d'énergie produits par les réactions chimiques. De nouvelles voies chimiques ont été suivies, y compris celles au cours desquelles les molécules dissipent l'excès d'énergie dû à l'absorption des ultraviolets, de façon à ne pas être endommagées. Parallèlement aux objectifs de recherche fondamentale de CAPRI, les résultats du projet apportent des avantages directs à la chimie synthétique et industrielle.

Ces résultats amélioreront les simulations dans différents domaines, dont la conception de médicaments. CAPRI offre également la perspective d'un meilleur traitement industriel pour la chimie fine et les produits pharmaceutiques, par exemple grâce à la chimie en continu dans des réacteurs photochimiques qui utilisent des sources lumineuses bon marché et efficaces comme les diodes électroluminescentes (LED). Il y a également la contribution à la «chimie verte». Comme l'explique le professeur, «nous appliquons cette stratégie pour comprendre les réactions importantes pour les spécialistes en chimie organique synthétique et les chimistes utilisant des cycles catalytiques activés par l'absorption de la lumière, ce qui permet d'éviter l'utilisation de catalyseurs à base de métaux toxiques ou rares.»

L'équipe élargit maintenant ses travaux pour étudier des systèmes moléculaires plus complexes ainsi que des phénomènes spécifiques, comme la façon dont des molécules importantes en biologie interagissent avec les ultraviolets et résistent aux dommages photochimiques.

Mots-clés

CAPRI, réactions chimiques en milieu liquide, solvants, picoseconde, chimie verte, molécules de solvant, espèces intermédiaires éphémères, impulsions laser, spectroscopie d'absorption, produits pharmaceutiques, cycles catalytiques, chimie en continu, rayo