Les cations de benzylium et tropylium identifiés comme les deux isomères stables de C7H7+
Publié par Adrien le 14/12/2018 à 08:00
Source: CNRS-INSU

Cette figure qui fait l'objet d'une couverture du journal ChemPhysChem schématise la production de l'ion C7H7+ par ionisation dissociative du toluène et l'identification par spectroscopie infrarouge des deux isomères produits que sont les cations benzylium (droite) et tropylium (gauche).
L'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par...) C7H7+ est une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est...) bien connue en spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse monoisotopique. De plus, la spectrométrie de masse permet de caractériser...) qui est formée par ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors...) d'hydrocarbures comme le toluène. Les deux structures les plus stables proposées pour cet ion sont les ions benzylium et tropylium. Le premier (un benzène (Le benzène est un hydrocarbure aromatique monocyclique, de formule C6H6, également noté Ph-H, φ-H ou encore Ar-H. Ce composé organique incolore (il a d'ailleurs le même indice de réfraction que le...) avec un groupe méthylène) a pu être identifié par sa réactivité chimique mais ce n'est pas le cas du second donc la structure composée d'un cycle aromatique à 7 carbones est prédite par les calculs de chimie quantique (La chimie quantique est l'application de la mécanique quantique aux problèmes de la chimie.).

L'étude menée a tiré profit de l'installation de la ligne FELion sur le laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by...) à électrons libres FELIX aux Pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui...) Bas. FELion comprend un piège à ions cryogénique qui permet d'attacher un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...) rare sur les ions étudiés. Cette technique dite de tagging permet de mettre en oeuvre une spectroscopie d'action par dissociation du complexe ion/atome de gaz rare avec un seul photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) contrairement à la technique généralement utilisée d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est...) multiple de photons afin d'atteindre le seuil de dissociation de l'ion. Cette technique présente l'avantage de sonder les ions sans les chauffer et donc sans perturber leur structure par des processus d'isomérisation.

Deux structures ont pu être identifiées pour C7H7+ et les spectres vibrationnels obtenus sont en accord avec ceux des ions benzylium et tropylium calculés avec la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été étendu, et il...) de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...). De plus, des mesures en déplétion (Le terme déplétion peut faire référence à :) ont permis de montrer qu'aucun autre isomère n'était présent et ce pour différents précurseurs utilisés pour la production de C7H7+.

Ce travail d'identification des isomères de C7H7+ ouvre des perspectives pour l'étude des chemins de croissance des ions d'hydrocarbures dans des milieux complexes à la fois sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et...) (chimie des flammes, et des plasmas) ou dans l'espace (chimie interstellaire et des atmosphères planétaires comme Titan).

Ce travail interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) (INSU/INP/INC) a été initié dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) ERC Synergy ( Synergy est la traduction ango-saxonne du mot synergie Dans l'industrie de l'informatique, Synergy peut faire référence à la marque commerciale d'un logiciel: voir...) NANOCOSMOS en collaboration avec le CSIC (Madrid) et met en jeu une collaboration entre les Universités de Toulouse et de Cologne dans le cadre du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud...) de formation Européen (ETN) EUROPAH.
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