Criblage d'une variété de substrats possibles en présence d'un photocatalyseur. Crédit :Felix Strieth-Kalthoff
Qu'il s'agisse de matières synthétiques comme le PET et le Téflon, médicaments ou arômes, la vie sans composés synthétiques est à peine concevable. L'industrie chimique dépend de l'efficacité, méthodes à long terme de production de molécules synthétiques. Dans ce but, les chimistes utilisent souvent des catalyseurs, c'est à dire., additifs avec lesquels ils peuvent faciliter et contrôler les réactions chimiques. Mais comment de telles réactions sont-elles découvertes et développées ?
Un haut degré de connaissance et de compréhension est requis, mais le hasard joue également un rôle décisif. Une équipe de chimistes de l'Université de Münster (Allemagne) a développé une stratégie pour générer de tels « coups aléatoires » de manière systématique dans le but de découvrir de nouvelles, réactions inattendues. L'étude a été publiée dans le Chimie journal.
Le processus consistant à mener systématiquement un grand nombre d'expériences est appelé criblage, et est une pratique établie notamment dans la recherche pharmaceutique relative aux principes actifs. La méthode de criblage développée à Münster pour découvrir les réactions combine deux étapes couvrant une variété d'éléments individuels dans une réaction, lequel, en combinaison, sont conçus pour découvrir de nouveaux, réactions synthétiquement pertinentes. Dans la première étape, les chimistes examinent si un substrat potentiel interagit réellement avec le catalyseur. Dans ce but, dans le cas des photocatalyseurs, le phénomène d'extinction d'émission est utilisé. Si un substrat réduit l'émission du catalyseur, une interaction entre le catalyseur et le substrat est probable. En criblant systématiquement un grand nombre de composés choisis au hasard, de nouvelles molécules peuvent être identifiées dont l'interaction avec les catalyseurs était jusqu'alors inconnue.
L'interaction entre le substrat et le catalyseur ne crée pas à elle seule une réaction, toutefois. Pour cette raison, la deuxième étape du processus de criblage consiste à examiner si une réaction a réellement lieu lorsqu'un partenaire de réaction et le catalyseur sont présents. Cela signifie que pour la première fois, résultant de la combinaison de deux étapes de criblage, les deux partenaires dans une nouvelle réaction peuvent être identifiés qui réagissent pour former un nouveau produit. « Cette stratégie à deux dimensions nous permet non seulement de trouver de nouvelles interactions catalyseur-substrat, mais aussi découvrir de nouvelles réactions, dont certaines auxquelles nous ne nous attendions pas auparavant, " explique le professeur Frank Glorius de l'Institut de chimie organique de l'Université de Münster.
Enquête sur les processus moléculaires sous-jacents à l'aide de la spectroscopie ultrarapide. Crédit :Christian Henkel
Découvrir une réactivité inattendue
L'étude montre que les auteurs ont pu découvrir et développer trois réactions jusqu'alors inconnues. L'une de ces réactions est une cycloaddition photochimique, dans lequel simple, les molécules plates, les benzothiophènes, sont transférées vers des structures tridimensionnelles complexes. "Telle que formulée sur le papier, Je n'aurais pas considéré cette réaction comme possible, " dit Félix Strieth-Kalthoff, un doctorat étudiant et auteur principal de l'étude, "car, d'un point de vue énergétique, l'étape clé de cette réaction ne devrait pas être possible. »
Pour étudier cela plus en détail, les chimistes de Münster ont contacté le Prof. Dirk Guldi de l'Université d'Erlangen, qui est considéré comme le plus grand expert mondial des enquêtes sur les processus photochimiques. En collaboration avec des collègues du Leibniz Institute of Surface Engineering à Leipzig, l'équipe a pu faire la lumière sur le sujet en effectuant des mesures sous forme de spectroscopie ultrarapide. Les chimistes ont utilisé des impulsions laser ultracourtes afin d'observer et d'étudier systématiquement les différentes étapes de la réaction. "Nous sommes maintenant en mesure de fournir de bien meilleures explications des processus moléculaires sous-jacents dans le transfert d'énergie triplet-triplet - l'étape d'activation clé, " explique Dirk Guldi. " Cette meilleure compréhension permettra le développement de nouveaux procédés et catalyseurs, " il ajoute.
Cet exemple montre que les résultats d'une telle approche de criblage non seulement produisent de nouvelles réactions mais peuvent également, en outre, contribuer à une meilleure compréhension du sujet. « Nous sommes convaincus que cette stratégie peut être utilisée dans d'autres domaines de la catalyse et au-delà, " dit Frank Glorius.
À l'aide de, entre autres, les dernières technologies informatiques, l'équipe de chercheurs travaille déjà au développement de nouvelles méthodes de criblage pour découvrir et comprendre de nouvelles classes de réactions. Il y a une chose dont Frank Glorius est certain :« Je crois que la découverte de nouveaux types de réactions résultant de stratégies basées sur les données, telles que ces méthodes de dépistage sont, fera une différence décisive dans le développement de la chimie de synthèse."
