Des physiciens travaillant avec Roland Wester à l'Université d'Innsbruck ont ​​étudié si et comment les réactions chimiques peuvent être influencées par une excitation vibratoire ciblée des réactifs. Ils ont pu démontrer que l'excitation avec un faisceau laser n'affecte pas l'efficacité d'une réaction d'échange chimique et que le groupe moléculaire excité n'agit qu'en spectateur dans la réaction.

Une réaction fréquemment utilisée en chimie organique est la substitution nucléophile. Entre autres, il joue un rôle important dans la synthèse de nouveaux composés chimiques ou de biomolécules en solution et revêt donc une grande importance industrielle. Dans cette réaction, les particules chargées rencontrent des molécules et un groupe moléculaire est remplacé par un autre. Pendant longtemps, la science a essayé de reproduire ces processus à l'interface de la chimie et de la physique en laboratoire et de les comprendre au niveau atomique. L'équipe dirigée par le physicien expérimental Roland Wester à l'Institut de physique ionique et de physique appliquée de l'Université d'Innsbruck est l'un des principaux groupes de recherche au monde dans ce domaine.

Réaction d'échange de protons renforcée

Dans une expérience spécialement construite, les physiciens d'Innsbruck ont ​​heurté les particules chargées avec des molécules sous vide et ont examiné les produits de réaction. Pour déterminer si l'excitation vibratoire ciblée a eu un impact sur une réaction chimique, les scientifiques ont utilisé un faisceau laser qui a excité une vibration dans la molécule. Dans l'expérience, des ions fluor chargés négativement (F-) et des molécules d'iodure de méthyle (CH3I) ont été utilisés. Dans la collision, due à l'échange d'une liaison iodée par une liaison fluorée, une molécule de fluorure de méthyle et un ion iode chargé négativement se sont formés. Avant que les particules ne se rencontrent, le laser a excité des vibrations d'étirement carbone-hydrogène dans la molécule.

"Nos mesures montrent que l'excitation laser n'améliore pas la réaction d'échange, " explique la scientifique participante Jennifer Meyer. " Les atomes d'hydrogène semblent simplement observer la réaction. " Le résultat est corroboré par l'observation qu'une réaction concurrente augmente fortement. Dans cette autre réaction d'échange de protons, un atome d'hydrogène est arraché à la molécule d'iodure de méthyle et du fluorure d'hydrogène (HF) est formé. "Nous laissons les deux espèces entrer en collision 20 fois par seconde, le laser est appliqué à chaque seconde collision, et nous répétons le processus des millions de fois, " explique Meyer. " Chaque fois que le laser est irradié, cette réaction d'échange de protons est considérablement amplifiée. » Des chimistes théoriques de l'Université de Szeged en Hongrie et de l'Université du Nouveau-Mexique aux États-Unis ont en outre soutenu les résultats expérimentaux d'Innsbruck en utilisant des simulations informatiques.

Dans les enquêtes de haute précision sur les processus chimiques, seulement le modèle le plus simple, la réaction d'un atome avec une molécule diatomique, a été étudié. "Ici, toutes les particules sont inévitablement impliquées dans la réaction. Il n'y a pas d'observateurs", dit Roland Wester. "Le système que nous étudions maintenant est si grand que des observateurs apparaissent. Cependant il est encore assez petit pour pouvoir étudier ces observateurs très précisément." Pour les grosses molécules, il existe de nombreuses particules qui ne sont pas directement impliquées dans la réaction. L'investigation de leur rôle est l'un des objectifs à long terme des chercheurs. Ils souhaitent également affiner l'expérience actuelle afin de découvrir d'autres effets subtils possibles.

Chimie contrôlée par laser

La question de savoir si certaines réactions peuvent être intensifiées par l'excitation ciblée de groupes moléculaires individuels est également une considération importante. "Si vous comprenez quelque chose, vous pouvez également exercer un contrôle, " résume Roland Wester. " Au lieu de stimuler une réaction par la chaleur, il peut être judicieux de stimuler uniquement des groupes individuels de molécules pour obtenir une réaction spécifique, " ajoute Jennifer Meyer. Cela peut éviter des processus de réaction concurrents qui sont un problème courant en chimie industrielle ou en recherche biomédicale. Plus le contrôle de la réaction chimique est précis, moins il y a de déchets et plus les coûts sont bas.

Le présent article a été publié dans la revue Avancées scientifiques . La recherche a été financée par, entre autres, le Fonds autrichien pour la science FWF et l'Académie autrichienne des sciences.