Les composés sandwich sont des composés chimiques spéciaux utilisés comme éléments de base en chimie organométallique. Jusqu'à présent, leur structure a toujours été linéaire.
Récemment, des chercheurs de l'Institut technologique de Karlsruhe (KIT) et de l'Université de Marbourg ont été les premiers à faire en sorte que des complexes sandwich empilés forment un anneau de taille nanométrique. Les propriétés physiques et autres de ces structures cyclocènes vont maintenant être étudiées plus en détail. Les chercheurs rapportent leurs découvertes dans Nature .
Les complexes sandwich ont été développés il y a environ 70 ans et ont une structure de type sandwich. Deux anneaux organiques aromatiques plats (les « tranches de pain ») sont remplis d’un seul atome métallique central entre les deux. Comme les tranches de pain, les deux anneaux sont disposés en parallèle. L'ajout de couches supplémentaires de « pain » et de « garniture » produit des sandwichs triples ou multiples.
"Ces composés comptent parmi les complexes les plus importants utilisés dans la chimie organométallique moderne", explique le professeur Peter Roesky de l'Institut de chimie inorganique du KIT. L'un d'eux est le ferrocène hautement stable, pour lequel ses « pères » Ernst Otto Fischer et Geoffrey Wilkinson ont reçu le prix Nobel de chimie en 1973. Le ferrocène est constitué d'un ion fer et de deux cycles organiques aromatiques à cinq chaînons. Il est utilisé en synthèse, catalyse, électrochimie et chimie des polymères.
Depuis quelque temps déjà, des chercheurs du KIT et de l'Université de Marbourg tentent de disposer des complexes sandwich en anneau. "Nous avons réussi à produire des chaînes, mais pas d'anneaux", explique Roesky, qui a coordonné le travail de trois équipes des deux universités. "Grâce au choix de la bonne "tranche de pain" ou pont intermédiaire organique, nous avons réussi pour la première fois à former des anneaux de taille nanométrique", explique le professeur Manfred Kappes, qui dirige la division de chimie physique des systèmes microscopiques à KIT, et le professeur Florian Weigend, chef de l'unité de chimie quantique appliquée de l'université de Marburg.
Le nouveau nanoring se compose de 18 éléments constitutifs et a un diamètre extérieur de 3,8 nanomètres. En fonction du métal utilisé comme « remplissage » du sandwich, il en résulte une photoluminescence de couleur orange. Le nouveau composé chimique a été appelé « cyclocène » par les chercheurs.
Les trois groupes de travail ont effectué des calculs de chimie quantique élaborés pour découvrir pourquoi les molécules pouvaient être disposées en anneau et ne formaient plus une chaîne de complexes sandwich. Ces calculs ont révélé que la force motrice de la formation de l'anneau est l'énergie gagnée par la fermeture de l'anneau.
"Au départ, notre défi était de former un anneau. D'autres tailles d'anneaux peuvent-elles être produites ? Cette nanostructure possède-t-elle des propriétés physiques inhabituelles ? Cela fera l'objet de recherches plus approfondies. Mais il est clair maintenant que nous avons ajouté un nouvel élément de base à notre boîte à outils de chimie organométallique et c'est génial", dit Roesky.
Plus d'informations : Luca Münzfeld et al, Synthèse et propriétés des composés sandwich cycliques, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06192-4
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'Institut de technologie de Karlsruhe
