Séminaire Fellows public - Quand la chimie devient chirale

La chiralité est une propriété géométrique d'asymétrie. En chimie, une molécule est dite chirale s'elle ne peut être superposée à son image miroir par toute combinaison de rotations ou de translations. Le mot chiralité est dérivé du mot grec ancien signifiant « main » ; tout comme les mains d'une personne, les molécules chirales sont identiques mais différentes ; elles peuvent exister sous deux formes (stéréoisomères) qui sont des images miroir l'une de l'autre, appelées énantiomères. Les deux énantiomères ont les mêmes propriétés chimiques et physiques, sauf lorsqu'ils réagissent avec d'autres composés chiraux ou avec la lumière. Ces différences peuvent être très importantes (imaginez tenter d'enfiler un gant de la main gauche sur votre main droite).

La compréhension croissante du rôle de la chiralité dans les molécules organiques et inorganiques ouvre des possibilités d'utiliser activement ces connaissances dans le génie chimique (synthèse, catalyse, nouveaux matériaux, technologie énergétique), et éventuellement de les exploiter pour la « chimie verte », qui vise à rendre les processus chimiques plus respectueux de l'environnement et à utiliser la chimie pour réduire la pollution.

Lors de ce séminaire conjoint en chimie, trois projets USIAS seront présentés dans lesquels la chiralité joue un rôle important. Les Fellows USIAS parleront de leurs résultats et réfléchiront aux implications et aux applications de leurs recherches.

Programme et résumés

Cages chirales autoassemblées

Pierre Mobian, Fellow 2020
Chimie de la matière complexe (CMC) - UMR 7140, université de Strasbourg & CNRS
Collaborateur(s) : Midhun Mohan (post-doc)

La chiralité est une propriété omniprésente dans la Nature et qui trouve son origine dans l'asymétrie des molécules. De nombreuses stratégies ont déjà été appliquées par les chimistes pour contrôler la chiralité des composés organiques. Cependant, la synthèse de matériaux inorganiques énantiopurs reste encore confidentielle. Cet exposé mettra en lumière la stratégie que nous avons développée afin d’accéder à des oxydes métalliques énantiopurs.

Cette stratégie implique l'utilisation de cages organiques chirales servant d'agent de construction. Ainsi, nous présenterons une méthode synthétique efficace s’appuyant sur la chimie de condensation réversible des imines qui permet de générer des cages autoassemblées énantiopures créées à partir de briques de construction facilement accessibles, tels que des dérivés énantiopurs du binapthol (BINOL). Nous accorderons une attention particulière à la description structurale de ces architectures, et nous discuterons de la stabilité de ces objets moléculaires. 

Les cages en question, telles que représentées schématiquement ci-dessous, contiennent trois fonctions hydroxyles pointant à l'intérieur de la cavité de la cage. Cette caractéristique associée à ces architectures fait de ces composés des candidats idéaux pour mener des études de reconnaissance moléculaire chirale. Elle offre également une possibilité unique pour générer un oxocluster intégré à la cage conduisant ainsi à une cage hybride. Ce type de composé hybride pourra être utilisé comme précurseur afin de générer des oxydes énantiopurs.
 

Solvants à eutectique profond naturels : milieux verts pour la synthèse de réseaux métallo-organiques poreux chiraux

Stéphane Baudron & Benoît Louis, Fellows 2019
Chimie de la matière complexe (CMC) - UMR 7140 et Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES) - UMR 7515, université de Strasbourg & CNRS
Collaborateur(s) : Renata A. Maia (post-doc) & Michaël Teixeira (stagiaire, étudiant Master 2)

En chimie, le développement de méthodes de synthèse basées sur des solvants plus verts et durables est un domaine d’étude important.

Les solvants à eutectique profond naturels (Natural deep Eutectic Solvents, NaDES) représentent une classe émergente de milieux réactionnels intéressants. Ils sont obtenus par la combinaison de deux, ou plus, composés solides d’origine naturelle, abordables, abondants et disponibles sous forme énantiopure, tels que le menthol, des acides aminés ou des dérivés du sucre par exemple. Les fluides obtenus présentent une toxicité limitée et sont biocompatibles ainsi que non-inflammables.

Dans ce projet, ces milieux ont été employés pour la préparation de réseaux métallo-organiques cristallins poreux (Metal-Organic Frameworks, MOFs), en se concentrant sur la chiralité induite afin d’obtenir des matériaux pour des applications en catalyse hétérogène énantiosélective. Dans ce contexte, l’impact des NaDES sur la synthèse et les propriétés de MOFs décrits mais aussi nouveaux a été étudiée. Les aspects liés à la sensibilité à l’eau, à la porosité et à la chiralité seront particulièrement décrits.  
 

Assemblages chiraux et technologies énergétiques nouvelle génération

Amparo Ruiz Carretero & Shu Seki, Fellows 2020
Institut Charles Sadron (ICS) - UPR 22, université de Strasbourg & CNRS et université de Kyoto, Japon
Collaborateur(s) : Ana M. García Fernández & Kyeong-Im Hong (post-docs)

L’un des principaux défis de notre génération consiste à assurer l’approvisionnement énergétique mondial tout en luttant contre le réchauffement climatique. En ce sens, l’énergie solaire représente une excellente solution puisque plusieurs matériaux sont capables de convertir la lumière du soleil en électricité. Toutefois, malgré la grande efficacité des panneaux en silicium, notre consommation énergétique irrépressible exige des matériaux alternatifs supplémentaires. En particulier, les matériaux organiques constituent le choix le plus polyvalent puisqu'il est possible de contrôler les propriétés des matériaux par conception moléculaire.

Par conséquent, notre objectif est de contribuer à ces efforts en important des stratégies de chimie supramoléculaire dans le domaine de l'électronique organique. Plus spécifiquement, nous explorons le rôle des assemblages supramoléculaires chiraux dans les processus de transport de charges suivant l'effet de sélectivité du spin induit par la chiralité (CISS) récemment rapporté. Ce dernier implique que les électrons d'un certain spin peuvent traverser des assemblages chiraux de manière préférentielle dans une direction, en fonction de leur orientation.

Cette stratégie présente un grand potentiel de réduction de la recombinaison des charges, puisque les porteurs de charge, qui sont des espèces contenant des spins, pourraient avoir une directionnalité grâce aux assemblages chiraux. À cet effet, nous couplons des substituants chiraux à des segments électroactifs contenant des motifs de liaison hydrogène afin de former des assemblages supramoléculaires chiraux p-conjugués, et nous suivons le transport de charge et de spin en utilisant des techniques sans électrode. Ainsi, nous espérons pouvoir sélectionner les meilleures structures supramoléculaires chirales et démontrer le potentiel des matériaux chiraux dans le domaine de la photovoltaïque organique.