Interrupteur catalytique activé par la lumière
Et si une molécule pouvait servir à la fois d'inhibiteur et de catalyseur de manière contrôlée ?
Les catalyseurs stimulent les réactions chimiques, de notre corps à la production industrielle de composés et à la combustion contrôlée du carburant dans la voiture. Qu'ils soient solides ou gazeux, quelle que soit leur formule, leur rôle est d'augmenter la vitesse des réactions chimiques, ce qui facilite de nombreux processus. Et si une molécule pouvait jouer à la fois le rôle d'inhibiteur et de catalyseur de manière contrôlée ? Il est certain que de nombreux processus seraient beaucoup plus faciles à gérer. Face à ce problème, des chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences, dirigés par le prof. Sashuk ont proposé une fascinante molécule mécaniquement imbriquée qui peut être contrôlée par la lumière.
Quel fantastique moteur moléculaire ! La lumière peut stimuler une réaction chimique, tout comme la dynamo qui alimente l'ampoule de la bicyclette (image symbolique).
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La chimie supramoléculaire est fascinante. Elle livre de nombreuses molécules complexes assemblées par des liaisons non covalentes et intermoléculaires, ainsi qu'une nanofabrication ascendante. Cette branche de la chimie traite des processus inspirés par la nature et se développe rapidement, apportant des structures complexes uniques aux propriétés complètement différentes de celles des composants individuels. Comment cela fonctionne-t-il ? Tout commence par le type de molécules. Certaines réactions peuvent être inhibées ou catalysées en fonction des propriétés chimiques des molécules assemblées.
Récemment, des chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences, dirigés par le prof. Sashuk, ont présenté une architecture moléculaire mécaniquement imbriquée qui peut être contrôlée par la lumière et qui fonctionne comme un ensemble de molécules photosensibles qui régulent sélectivement la vitesse d'une réaction chimique particulière. Plus précisément, ils se sont concentrés sur la conception, la synthèse et l'application d'une molécule qui peut contrôler la position d'une autre molécule sur son axe. De cette façon, la molécule positionnée pourrait être plus proche ou plus éloignée du centre de réaction installé sur le même axe.
Pour réaliser cet ensemble, ils ont proposé un semirotaxane, un complexe de molécules dans lequel une molécule en forme de tige est enfilée et partiellement piégée dans une molécule en forme de cerceau appelée macrocycle. La molécule en forme de bâtonnet contient deux stations, dont l'une, le benzaldéhyde, fonctionne comme le site où se produisent les réactions, et la seconde - un heptyl terminé par un photoswitch - est le régulateur de la réaction. Les deux stations sont séparées par un groupe diméthylammonium qui maintient le macrocycle, à savoir le cucurbit[7]uril, sur l'axe par la stabilisation coulombienne.
Le professeur Sashuk remarque : "Nous avons développé un nouveau type de régulation de la catalyse supramoléculaire. Un inhibiteur photosensible lié au substrat en une seule molécule empêche l'augmentation de la vitesse de réaction lors de l'augmentation de la quantité de catalyseur. Après désactivation de l'inhibiteur par la lumière, le système commence à présenter l'augmentation typique de la catalyse jusqu'à la saturation du site de réaction. Il est important de noter que le semirotaxane préparé peut réguler non seulement l'autoréaction mais aussi le résultat des réactions externes."
Sous l'application de lumière dans la région bleue, les chercheurs ont observé l'accélération de la réaction de couplage C-N appelée hydrazonation. Jusqu'à présent, le macrocycle servant de catalyseur qui préférait habituellement rester à la station heptyle, en raison de l'affaiblissement des interactions électrostatiques, change de position en se rapprochant de la deuxième station benzaldéhyde favorisant la réaction avec l'hydrazide entrant. Les chercheurs ont constaté que la vitesse de la réaction d'hydrazonation était environ 5,4 fois supérieure à celle observée dans l'obscurité.
"Fait important, l'accélération de la réaction peut se faire à tout moment. De plus, une fois la réaction terminée, le système catalytique peut être facilement rétabli en abaissant le pH de la solution", affirme le Dr Nazar Rad.
Il est intéressant de noter que lorsque deux types d'hydrazides sont présents dans le mélange réactionnel, la molécule en forme de tige peut réagir sélectivement avec l'un d'entre eux et modifier le rapport final du produit. Les chercheurs expliquent ce phénomène par l'affinité différente du macrocycle avec les produits formés.
Ces travaux constituent un pas en avant dans le développement de nouveaux types de régulation des systèmes catalytiques avec contrôle à distance. Actuellement, l'équipe travaille à l'adaptation du système présenté à diverses fins, notamment à des processus chimiques complexes où la réaction nécessite une certaine sélectivité.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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