Les réactions chimiques sont un déplacement d'électrons … peut-on les activer par un champ électrique ?

Publié le 28 novembre 2023 par Francois.Lombard@unige.ch

Influencer les déplacements d’électrons dans ou entre les molécules pour contrôler les réactions chimiques …

La possibilité de contrôler les charges migrant lors de réactions avec des champs électriques externes fascine depuis longtemps les chimistes : elle promet de contrôler la catalyse de n’importe quelle réaction, de découvrir des propriétés émergentes et des dispositifs programmables. Deux équipes, à l’UNIGE avec le Prof Matile, et à l’université de Cardiff réalisent cette idée pour la première fois. Dans les conditions établies par leur petit réacteur, la vitesse de réaction dépend linéairement de la tension appliquée (aux tensions positives) et est négligeable aux tensions négatives.Cette publication JTS vous propose 3 sources : du plus vulgarisé à l’original … et  vous suggère d’aller voir l’original bien sûr, parce que vous savez mieux que quiconque comment simplifier pour vos élèves et l’intégrer à vos pédagogies. Parce que les lecteurs JTS ont un master en sciences et  apprécient qu’on les aide seulement à Jump-To-Science Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser

  • A) L’émission CQFD à la RTS ici B) Le communiqué de presse de l’UniGE présentant cette recherche. ici
  • C) L’abstract de l’article original dans Science Advances Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine : Gutiérrez López,…& Matile, 2023) ici

    • A) l’émission CQFD à la RTS

Dans CQFD à la RTS prof. Stefan Matile de la section de chimie organique à l’UniGE (Gutiérrez López,<>…& Matile, 2023)ici s’enthousiasme : cet eldorado était théorique mais pour le moment pas réalisé et là c’est un rêve qui se réalise. Puisque toute réaction chimique est le fait d’électrons qui se déplacent à l’intérieur ou entre molécules la théorie nous dit qu’il devrait être possible en appliquant un champ électrique de de déplacer, d’accélérer d’orienter les mouvements de ces électrons et donc de contrôler quelle réaction chimique se fait.Leur recherche (Gutiérrez López,…& Matile, 2023)ici est la première fois qu’on y parvient.

B) Dossier de presse UNIGE « Un interrupteur électrique pour contrôler les réactions chimiques

    Une équipe de l’UNIGE a conçu un dispositif électrique permettant d’activer facilement et de manière plus «verte» des réactions chimiques.

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    Fig. 1 : Le dispositif se présente sous la forme d’un petit boîtier (au centre) au sein duquel le milieu réactionnel circule entre deux électrodes produisant le champ électrique. [img] © Stefan Matile

    « Nouveaux médicaments, carburants plus durables, matériaux plastiques biodégradables: pour répondre aux besoins de notre société en constante évolution, les chimistes doivent mettre au point de nouvelles méthodes de synthèse, afin d’obtenir des produits et substances qui n’existent pas naturellement. Une équipe de l’Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l’Université de Cardiff, a découvert comment utiliser un champ électrique externe, à la manière d’un «interrupteur», afin de contrôler et accélérer une réaction chimique. Ces travaux, à découvrir dans Science Advances, pourraient avoir un impact considérable sur la fabrication de nouvelles molécules en permettant des synthèses plus respectueuses de l’environnement, mais également un contrôle externe très simple d’une réaction chimique.

    En chimie, on appelle «synthèse organique» le processus de création de composés chimiques organiques complexes à partir de réactifs plus simples. Par réactions successives, les chimistes assemblent des petites molécules afin d’aboutir à la formation des produits désirés. La synthèse organique est ainsi essentielle pour la fabrication de médicaments, de polymères, de produits agrochimiques, de pigments ou de parfums. Ces étapes successives sont extrêmement fines et délicates à contrôler. De plus, le rendement de chaque étape de la réaction doit être optimal afin de limiter les ressources nécessaires. Parvenir à mieux contrôler ces réactions, mais aussi les simplifier, est un enjeu de recherche important.

    «N’importe quelle transformation moléculaire est le résultat du déplacement d’électrons, particules élémentaires chargées négativement, d’une molécule vers une autre», explique Stefan Matile, professeur ordinaire au Département de chimie organique de la Faculté des sciences de l’UNIGE et au sein du Pôle de recherche national Molecular Systems Engineering, qui a dirigé cette étude. Les électrons peuvent être influencés par un champ électrique extérieur. Ainsi, il est en théorie possible de contrôler électriquement des réactions chimiques. Bien que simple sur le principe et prometteuse sur l’impact, cette approche s’est heurtée à de nombreuses limites et ses rares concrétisations sont restées peu performantes dans la pratique.

    Une avancée très attendue

    Avec leurs équipes, Stefan Matile et son homologue de l’Université de Cardiff, le professeur Thomas Wirth, ont réussi à activer une réaction chimique organique avec un simple champ électrique. Pour ce faire, ils ont conçu un réacteur microfluidique électrochimique. Leurs résultats montrent clairement la dépendance entre l’état d’avancement de la réaction chimique et l’intensité du champ électrique appliqué. Ce dispositif permet ainsi d’activer une réaction chimique simplement en appuyant sur un interrupteur.

    «Ce type de réacteur se présente comme une petite boîte dans laquelle peut circuler le milieu réactionnel entre deux électrodes produisant le champ électrique. Les électrodes sont des plaques carrées de 5 cm sur 5 cm placées le plus près possible l’une de l’autre. Elles sont séparées par une feuille d’un quart de millimètre d’épaisseur. Cette feuille contient le canal d’écoulement pour faire circuler les molécules entre les électrodes», explique Ángeles Gutiérrez López, doctorante dans le groupe de Stefan Matile et première auteure de l’article.

    Les électrodes sont recouvertes de nanotubes de carbone. En circulant à travers le réacteur, les réactifs interagissent de manière faible avec les nanotubes de carbone, ce qui les expose au champ électrique. Ce dernier induit une polarisation électronique dans la molécule activant ainsi la transformation chimique.

    Vers une activation plus écologique des réactions chimiques?

    Afin de créer les liaisons chimiques voulues, avec un bon rendement, les chimistes doivent mettre en place des stratégies complexes, en plusieurs étapes, faisant appel à de nombreux intermédiaires. Ces stratégies utilisent en général beaucoup de ressources et d’énergie. Le nouveau dispositif électrique proposé par les professeurs Matile et Wirth pourrait simplifier ces stratégies et ainsi réduire l’impact carbone des synthèses chimiques.

    Ce dispositif présente également l’avantage d’être facilement contrôlable. «Notre  »réacteur » est en quelque sorte à l’image de l’accélérateur de particules du CERN à Genève, mais au lieu d’accélérer des particules subatomiques, il accélère des électrons et des réactions chimiques», explique Stefan Matile. Des avancées fondamentales sont encore nécessaires pour libérer tout le potentiel du dispositif. Cette méthode pourrait toutefois être généralisée en chimie organique, à plus ou moins court terme, et ainsi rendre plus verte et davantage contrôlable la production de médicaments, de nouveaux carburants ou de nouvelles matières plastiques. » Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici

C) L’article d’origine

ABSTRACT (traduit)

    « La vision consistant à contrôler les charges migrant lors de réactions avec des champs électriques externes est fascinante : elle apporte la promesse d’une catalyse générale, de propriétés émergentes et de dispositifs programmables. Ici, nous explorons cette idée avec la catalyse anion-pi, c’est-à-dire la stabilisation des états de transition anioniques sur les surfaces aromatiques. L’activation du catalyseur par polarisation du système aromatique est la plus efficace. Cette polarisation est induite par des champs électriques. L’utilisation de réacteurs microfluidiques électrochimiques pour polariser les nanotubes de carbone à parois multiples en tant que catalyseurs anion-pi apparaît essentielle. Ces réacteurs donnent accès à des champs élevés à une tension suffisamment basse pour empêcher le transfert d’électrons, offrir des rapports catalyseur/substrat efficaces et significatifs et éviter les interférences d’électrolytes supplémentaires. Dans ces conditions, le taux de cyclisations d’éther d’ouverture d’époxyde interfacé par le pyrène dépend linéairement de la tension aux tensions positives et négligeable aux tensions négatives. Bien que l’électromicrofluidique ait été conçue pour la chimie redox, nos résultats indiquent que leur utilisation pour l’organocatalyse supramoléculaire a le potentiel d’électrifier de manière non covalente la synthèse organique au sens le plus large. » (Gutiérrez López,…& Matile, 2023)Traduction automatique retouchée <Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici Electric field–assisted anion-π catalysis on carbon nanotubes in electrochemical microfluidic devices,Fig. 2

    Figure 2 Electric field–assisted anion-pi catalysis on carbon nanotubes in electrochemical microfluidic devices  [img]

Et en classe ?

    Si il est probablement impossible de réaliser (pour le moment) ces expériences en classe, en fonction des élèves et de ses pédagogies, certains trouveront peut-être intéressant de discuter avec les élèves de la perspective qu’elles ouvrent, dans un futur que les élèves connaîtront, ou p. ex. la nature électrique des changements moléculaire ?

Sources

  • Gutiérrez López, M. Á., Ali, R., Tan, M.-L., Sakai, N., Wirth, T., & Matile, S. (2023). Electric field–assisted anion-pi catalysis on carbon nanotubes in electrochemical microfluidic devices. Science Advances, 9(41), eadj5502. https://doi.org/10.1126/sciadv.adj5502
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