Les composés sandwich sont des composés chimiques spéciaux utilisés comme éléments de base dans la chimie organométallique. Jusqu’à présent, leur structure a toujours été linéaire.
Récemment, des chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et de l’Université de Marbourg ont été les premiers à fabriquer des complexes en sandwich empilés pour former 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 en sandwich. Deux anneaux organiques aromatiques plats (les « tranches de pain ») sont remplis d’un seul atome de métal 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 font partie des complexes les plus importants utilisés dans la chimie organométallique moderne », déclare 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 dans la synthèse, la catalyse, l’électrochimie et la chimie des polymères.
Premiers anneaux nanométriques
Depuis quelque temps déjà, des chercheurs du KIT et de l’Université de Marburg tentent d’arranger des complexes en sandwich en anneau. « Nous avons réussi à produire des chaînes, mais pas d’anneaux », explique Roesky, qui a coordonné le travail de trois équipes dans les deux universités. « Grâce au choix de la bonne « tranche de pain » ou du pont intermédiaire organique, nous avons réussi à former pour la première fois des anneaux de taille nanométrique », déclare 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 nanoanneau se compose de 18 blocs de construction et a un diamètre extérieur de 3,8 nanomètres. Selon le 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.
Le nanoanneau est maintenu par lui-même
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 plus former une chaîne de complexes en sandwich. Ces calculs ont révélé que la force motrice pour la formation de l’anneau est l’énergie acquise par la fermeture de l’anneau.
« Notre défi était initialement de former un anneau. Peut-on produire d’autres tailles d’anneaux ? Cette nanostructure possède-t-elle des propriétés physiques inhabituelles ? chimie organométallique. Et c’est formidable », déclare Roesky.
Plus d’information:
Luca Münzfeld et al, Synthèse et propriétés des composés sandwich cycliques, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06192-4