Blanc SIMI 7 - Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique

Non-Conservation de la Parité dans les Systèmes Moléculaires – NCPCHEM

De l'autre côté du miroir moléculaire

Les molécules chirales ne peuvent pas être superposées avec leur image dans un miroir, mais on pense généralement qu'elles ont des propriétés physiques et chimiques identiques. Toutefois, un groupe de chercheurs est en quête d'une différence d'énergie infime, mais essentiel, entre les molécules gauche et droite, résultant de la force faible de la nature.

L'asymétrie de la Nature

La chiralité est une caractéristique de la vie: avec très peu d'exceptions la nature montre une nette préférence pour les acides aminés L et les sucres D par rapport à leurs images dans un miroir. Les processus chimiques dans notre corps se fait souvent selon un principe de complémentarité de type clé-serrure. Or, la réponse de la «serrure« dépend généralement de la chiralité de la «clef«. Par exemple, les deux formes chirales de la molécule limonène sentent respectivement le citron et l'orange. Plus tragiquement, cela a été démontré par l'administration de la thalidomide à des femmes enceintes dans les années 1960. La forme R possède les propriétés sédatives souhaitées, alors que la forme S a conduit à des malformations congénitales et une des plus grandes tragédies médicales des temps modernes. L'origine de la biochiralité reste un mystère. De nombreuses explications ont été proposées ; une possibilité est la chiralité inhérente à la force faible, impliquée dans les processus de désintégration des noyaux atomiques, ce qui entraîne une différence d'énergie entre une molécule chirale et son image miroir.

Le projet, impliquant à la fois des chimistes et des physiciens, des théoriciens et des expérimentateurs, vise à fournir la première observation expérimentale de la différence d'énergie entre une molécule chirale et son image miroir induit par la force faible. Selon des calculs théoriques, cette différence d'énergie se manifeste comme un petit décalage de fréquence, de l'ordre de moins d'un Hertz, dans le spectre de vibration des molécules chirales. La différence d'énergie totale mesurée dans un spectre de vibration est généralement d'au moins treize ordres de grandeur plus grande. Une expérience d'extrême sensibilité est donc requise pour détecter ces variations de fréquence minuscules. L'expérience de spectroscopie laser en cours d'élaboration est basée sur une technique d'interférométrie dit franges de Ramsey à deux photons. L'expérience dépend d'une caractérisation spectroscopique initiale par deux équipes spécialisées respectivement dans les spectroscopies infra rouge et micro-ondes. Récemment, cette expérience a été décrite par la revue «Nature« comme l'une des cinq expériences «aussi difficile que de trouver le boson de Higgs«.

Le développement d'une telle expérience difficile est un processus long et délicat, mais il est sur la bonne voie. Les premiers essais sur une molécule achirale sont prévus d'ici un an. Un défi majeur du projet est de trouver une molécule chirale appropriée pour l'expérience. L'effet chiral de la force faible augmente de façon significative avec la charge nucléaire des atomes. Une équipe de chimistes de synthèse a donc préparé des complexes organométalliques chiraux du rhénium, un atome lourd, pour lesquels des calculs quantiques relativistes indiquent un effet important. La préoccupation majeure actuelle est de trouver une molécule avec suffisament de stabilité pour être mise en jet moléculaire dans l'expérience laser.

Une expérience réussie aura un impact important sur notre compréhension de la stabilité et de la dynamique des molécules chirales, ainsi que sur l'origine de la biochiralité. Un tel projet est intrinsèquement multidisciplinaire et va conduire à des progrès importants dans les domaines de la spectroscopie,de la synthèse chimique et des méthodes de chimie quantique. En cas de succès, l'expérience offre une route de basse énergie vers l'exploration du modèle standard de notre univers, contrastant avec les accélérateurs de particules à haute énergie.

La collaboration a jusqu'á présent conduit á neuf publications dans des revues internationales avec comité de lecture.

Partenaires principaux : Trond Saue (UMR7177 Strasbourg), Jeanne Crassous (UMR6226 Rennes 1), Benoît Darquié (UMR7538 Paris 13), Pierre Asselin (UMR7075 Paris 6), Thérèse Huet (UMR7538 Lille 1).
La chiralité est un concept fondamental de la physique, la chimie et la biologie. En chimie, la chiralité représente un défi dans le développement et la synthèse de médicaments, dans l’agrochimie, dans les parfums et plus récemment dans les nanotechnologies. En physique, la force dite faible ne conserve pas la parité ce qui a pour conséquence d’induire une différence d’énergie entre les deux énantiomères d’une molécule chirale. En biologie cette différence d’énergie, bien que très faible, pourrait avoir un lien avec la prédominance des acides aminés de configuration L et des sucres de configuration D par rapport à leurs images dans un miroir. Le principal objectif de ce projet est la première observation expérimentale de la violation de la parité (PV) dans les systèmes moléculaires, en détectant une différence de fréquence dans le spectre vibrationnel de molécules droites et gauches. Ce projet fait suite au projet ANR blanc NCPMOL qui a conduit à la création d’un consortium unique en France constitué de physiciens et de chimistes, théoriciens et expérimentateurs. Nous avions proposé une expérience de spectroscopie laser à très haute résolution basée sur l’observation de franges de Ramsey à deux photons sans effet Doppler sur jet moléculaire supersonique, pour laquelle nous espérons une résolution de quelques centièmes de Hz sur une mesure de fréquence différentielle. En chimie théorique, un protocole basé sur des calculs DFT relativistes et à deux composantes a été développé pour le criblage des molécules candidates. Deux familles de complexes oxorhénium chiraux ont été synthétisées et caractérisées. Bien que certaines molécules présentent des différences de fréquences mesurables par notre expérience, elles ont dues être rejetées car trop volumineuses ou pas assez sublimables pour la mise en jet moléculaire. Ce nouveau projet NCPCHEM met l’accent sur la chimie. Nous développerons une nouvelle classe de complexes d’oxorhenium chiraux à partir du méthyltrioxorhenium (MTO), molécule achirale connue en catalyse.En outre nous associerons deux chimistes reconnus, les Profs. Rémi Chauvin et Antoine Baceiredo (Toulouse), dans le but d’apporter une nouvelle impulsion à la recherche et la synthèse de nouvelles molécules candidates. Le protocole informatique sera amélioré en y incluant des processus d’analyse conformationnelle et nous développerons un protocole alternatif plus coûteux basé sur la théorie « coupled-clusters ». Ce travail théorique sera mené en collaboration avec les Profs Peter Schwerdtfeger (Auckland) et Lucas Visscher (Amsterdam). La stéréochimie des molécules candidates sera caractérisée par dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD). En collaboration avec le Prof. Kenneth Ruud et le Dr. Radovan Bast (Tromsø) nous développerons un programme pour la simulation de spectres VCD au niveau relativiste qui permettra la détermination des configurations absolues des molécules chirales. Pour trouver des transitions favorables à la mesure de violation de parité, les molécules candidates seront étudiées par spectroscopie microonde et infrarouge. Les partenaires concernés amélioreront la sensibilité de leurs spectromètres. Enfin, pour l’expérience à très haute résolution, nous utiliserons le MTO comme molécule test pour le développement des diverses procédures de mise en jet moléculaire d’une phase solide de molécules à atomes lourds et pour l’amélioration de la de sensibilité de l’expérience. Une expérience couronnée de succès aurait un impact majeur en physique, chimie et biologie, puisqu’elle permettrait de tester l’interaction faible à basse énergie, éclairerait sur la stabilité et la dynamique d’une molécule chirale, fournirait la condition «sine qua non» pour établir un lien entre l’interaction faible et la biochiralité.

Coordinateur du projet

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE MIDI-PYRENEES (Divers public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UNIVERSITE PARIS VI [PIERRE ET MARIE CURIE]
UNIVERSITE DE LILLE I [SCIENCES ET TECHNOLOGIES]
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE MIDI-PYRENEES
UNIVERSITE DE RENNES I
UNIVERSITE DE PARIS XIII

Aide de l'ANR 679 999 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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