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Posté par Isabelle le Samedi 24/03/2018 à 12:00
Un élément chimique oublié révélé par le vide
Des chimistes de l’UNIGE ont découvert une nouvelle liaison pour la catalyse chimique, fondée sur l’antimoine, un élément délaissé par les scientifiques, révélant ainsi au grand jour ses qualités exceptionnelles dans la construction de nouvelles molécules.


L’origine de la catalyse pnictogène: le grand vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), le « trou bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...) », sur l’antimoine, à l’intérieur de la molécule. Exemple: modèle moléculaire du Sb(C6F5)3, espace vide dans la molécule en bleu, Sb = antimoine. © UNIGE

Environ un tiers des exportations suisses est le résultat de découvertes fondamentales en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) de synthèse. Médicaments, parfums, nourriture, agriculture ou encore la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) de Ferrari ( Automobiles et motos Ferrari, constructeur automobile italien dont le nom provient de son fondateur Enzo Ferrari. Scuderia Ferrari, l'écurie...) sont autant d’éléments découlant de nouveaux assemblages moléculaires inventés par les scientifiques helvétiques. Aujourd’hui, des chimistes de l’Université de Genève (UNIGE) viennent de découvrir que des liaisons chimiques fondées sur l’antimoine, un élément oublié tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en bas du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique, forment de nouveaux catalyseurs performants: elles permettent d’activer avec précision – et de l’intérieur – la transformation d’une molécule. Ces liaisons viennent ainsi compléter les catalyseurs existants, tels que les liaisons hydrogènes classiques ou les liaisons chalcogènes plus récentes du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.). Cette découverte, publiée dans la revue Angewandte Chemie, permettra de créer des matériaux innovants qui prendront place dans notre quotidien. Une petite révolution dans le monde (Le mot monde peut désigner :) de la chimie de synthèse, qui croyait le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de catalyseurs possibles limité.

La recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en...) en chimie demande de la créativité. Mais le chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la matière à l'échelle moléculaire ou atomique ("supra-atomique"). Le mot chimiste est dérivé d'alchimiste mais prend un...), véritable sculpteur de structures moléculaires, a besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les...) d’outils spécifiques. Pour effectuer une transformation moléculaire, il faut mettre en contact la molécule que le scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la...) souhaite changer, dite substrat, avec un élément du tableau périodique nommé catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits,...). Usuellement, c’est le contact, c’est-a-dire «la liaison» avec l’hydrogène qui est utilisé. Mais limité à ce seul élément, les possibilités de création se voient réduites. Trouver de nouvelles manières d’entrer en contact avec des molécules permettrait de les transformer différemment, et donc aux chimistes de créer de nouveaux matériaux. «C’est pourquoi mon équipe est sans cesse à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) de nouvelles liaisons pour la catalyse», s’enthousiasme Stefan Matile, professeur au Département de chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés...) de la Faculté des sciences de l’UNIGE. «Après avoir découvert la liaison fondée sur le soufre pour la catalyse, nommée calchogène, il y a deux ans, nous avons décidé de nous tourner vers une autre catégorie du tableau périodique, les éléments pnictogènes, caractérisés par leurs composants métalliques». Appartiennent à cette catégorie l’azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de l'atmosphère...), le phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et de numéro atomique 15.), l’arsenic (L’arsenic est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole As et de numéro atomique 33, présentant des propriétés intermédiaires entre...), l’antimoine et le bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.).

Révéler les éléments par le vide

Pour trouver de nouvelles liaisons pour la catalyse, il faut faire preuve d’innovation. «Contrairement aux recherches habituelles, qui s’attachent à étudier les électrons des éléments, nous prenons le contre-pied en étudiant exclusivement les espaces vides laissés par les électrons, vitaux pour la construction moléculaire, afin de trouver de nouvelles interactions possibles», continue Stefan Matile. Et justement, les éléments pnictogènes sont plus flexibles et déformables que par exemple l’hydrogène, très compact. Les espaces vides deviennent ainsi plus accessibles et lisibles aux chimistes.

Sept éléments ont été choisis par les chimistes de l’UNIGE. «Les calculs théoriques permettent une meilleure visualisation des vides, explique Amalia I. Poblador-Bahamonde, chercheuse au Département de chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de...) de la Faculté des sciences de l’UNIGE. C’est pourquoi, dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), nous avons effectué des modélisations informatiques des sept molécules seules permettant de visualiser où sont les électrons et où sont les espaces vides, puis nous l’avons fait à nouveau avec l’élément à tester afin de mesurer la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) de la nouvelle liaison.» Plus les espaces vides de la molécule deviennent visibles, plus la liaison fonctionne, et plus l’élément est un bon catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des...). Lors de cette étape théorique, c’est l’antimoine qui s’est révélé être le meilleur des sept éléments testés. Ces résultats ont ainsi encouragé les chimistes à expérimenter ces éléments du bas du tableau périodique, terrain plutôt inconnu pour la chimie organique.

Un élément oublié depuis l’Egypte ancienne

En se basant sur les modélisations théoriques, les chimistes ont ensuite effectué les liaisons en utilisant la résonnance magnétique nucléaire, qui permet de visualiser les molécules et les transformations de leur structure. «Nos résultats sont venus parfaitement corroborer les prédictions théoriques, confirme Sebastian Benz, doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée...) au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure...) de l’équipe du professeur Matile. A nouveau, l’antimoine s’est révélé ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se...) performant, allant jusqu’à 4000 fois plus vite que les autres éléments testés dans la création d’une nouvelle structure!»

L’antimoine constitue ainsi une surprise pour les chercheurs de l’UNIGE. Servant au maquillage des yeux dans l’Egypte ancienne, il est ensuite tombé dans l’oubli. Cette recherche le remet en pleine lumière grâce aux qualités exceptionnelles dont il fait preuve pour la transformation moléculaire. «L’antimoine est non seulement ultra rapide, mais de plus, contrairement aux autres catalyseurs qui agissent sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) de la molécule, il travaille depuis l’intérieur, ce qui permet d’impacter l’environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) entier de la matière et au chimiste de gagner en précision pour effectuer les transformations», s’exclame Stefan Matile.

La liaison pnictogène de l’antimoine est ainsi la troisième liaison pour la catalyse découverte par les chimistes de l’UNIGE, après les liaisons anion-π et les liaisons chalcogènes du soufre. Toutes trois apportent de nouvelles manières d’envisager les transformations moléculaires et ouvrent de nouvelles perspectives de création. «Nous ne comptons évidemment pas nous arrêter là, ni dans la recherche de nouveaux catalyseurs, ni dans l’utilisation que nous pouvons en faire !», conclut Stefan Matile. A titre d’exemples, les liaisons découvertes précédemment servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) aujourd’hui à l’utilisation d’enzymes qui travaillent avec les interactions anion-π réalisées dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le...) du NCCR (National Centre of Competence in Research) «Molecular Systems Engineering», ou à des sondes fluorescentes qui permettent de visualiser les forces mécaniques dans les cellules vivantes grâce aux interactions chalcogènes du soufre réalisées dans les contexte du NCCR «Chemical Biology» a l’UNIGE.

Référence publication:
Angewandte Chemie
DOI: 10.1002/anie.201801452

Contacts chercheurs:
- Stefan Matile
Professeur au Département de chimie organique
Faculté des sciences

- Amalia I. Poblador Bahamonde
Maître assistante au Département de chimie organique
Faculté des sciences

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