Les réactions chimiques produisent souvent des mélanges désordonnés de différents produits. Par conséquent, les chimistes passent beaucoup de temps à persuader leurs réactions d’être plus sélectives pour fabriquer des molécules cibles particulières. Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs a atteint ce type de sélectivité en délivrant des impulsions de tension à une seule molécule à travers une pointe incroyablement pointue.
« Le contrôle de la voie d’une réaction chimique, en fonction des impulsions de tension utilisées, est sans précédent et très séduisant pour les chimistes », déclare Shadi Fatayer de KAUST.
L’équipe a utilisé un instrument qui combine la microscopie à effet tunnel (STM) et la microscopie à force atomique (AFM). Les deux techniques peuvent cartographier les positions des atomes dans des molécules individuelles à l’aide d’une pointe qui peut n’avoir que quelques atomes de large. Mais la tension peut également être utilisée pour rompre des liaisons au sein d’une molécule, permettant potentiellement la formation de nouvelles liaisons.
« Des réactions contrôlées par la pointe ont déjà été effectuées, mais il n’y avait aucun contrôle sur le produit final », explique Fatayer. « La sélectivité est l’élément clé ici – en fonction de la polarité et de la valeur des impulsions de tension, nous pouvons former et rompre différentes liaisons internes à volonté. »
Les chercheurs ont utilisé cette approche pour étudier le tétrachlorotétracène, une molécule qui contient quatre atomes de chlore attachés à une rangée de quatre anneaux hexagonaux d’atomes de carbone. L’application d’une tension d’environ 3,5 V a supprimé deux atomes de chlore et a incité la molécule à se réorganiser. L’augmentation de la tension a éliminé les atomes de chlore restants, déclenchant d’autres réarrangements qui ont formé trois produits différents.
Le premier produit comporte quatre anneaux hexagonaux disposés en zigzag ; le second a un cycle à 10 chaînons flanqué de deux cycles à six chaînons ; et le troisième contient un cycle à quatre chaînons, un cycle à huit chaînons et deux cycles à six chaînons.
De petites impulsions de tension pourraient être utilisées pour interconvertir ces produits. En ajustant la tension, les chercheurs ont pu contrôler quelles liaisons étaient rompues et quel produit de réarrangement se formait.
En combinant leurs résultats avec des calculs théoriques, les chercheurs ont montré que la sélectivité de la méthode dépend du paysage d’états énergétiques que les molécules adoptent lorsqu’elles portent des charges électriques différentes, appelées leur état d’oxydation. Étant donné que l’état d’oxydation initial d’une molécule peut être contrôlé par un champ électrique, cette approche pourrait aider les chimistes à concevoir de nouvelles réactions et produits chimiques, explique Fatayer. Cette recherche a été présentée sur la couverture de La science.
Son groupe développe actuellement des moyens d’ajouter ou de supprimer des électrons uniques à des molécules individuelles et d’appliquer des impulsions de tension à des parties spécifiques d’une molécule pour contrôler la réaction chimique qui se produit.
Florian Albrecht et al, Sélectivité dans les réactions à une seule molécule par chimie redox induite par la pointe, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abo6471