Observer les changements de chiralité des molécules en temps réel

Certaines molécules peuvent exister sous deux formes inversées, un peu comme nos mains. Bien que de tels soi-disant énantiomères aient des propriétés physiques presque identiques, ils ne sont pourtant pas identiques. Le fait qu'elles se comportent l'une par rapport à l'autre comme une image et un reflet est appelé chiralité (du grec cheiro pour main). Cependant, dans la nature, on ne trouve souvent qu'un seul énantiomère, par exemple pour les acides aminés, l'ADN ou les sucres. La raison en est que les enzymes qui produisent ces molécules sont elles-mêmes chirales et ne forment qu'un seul type d'énantiomère.

Cette préférence de la nature a des conséquences importantes. Ainsi, les énantiomères de médicaments peuvent avoir des effets totalement différents, par exemple être toxiques ou complètement inefficaces. L'industrie alimentaire et cosmétique s'intéresse également à la chiralité, car les parfums et les saveurs sont per?us différemment selon l'énantiomère. En chimie, on essaie donc souvent de produire de manière ciblée un seul énantiomère ou, si cela n'est pas possible, de séparer proprement des mélanges d'énantiomères.

Pour pouvoir distinguer les énantiomères les uns des autres, les chimistes utilisent la lumière polarisée, car les énantiomères font tourner le plan d'oscillation de la lumière polarisée dans des directions opposées. La rupture ou la formation de liaisons chimiques se déroule toutefois sur une échelle de temps très courte, à savoir en quelques femtosecondes (milliardièmes de seconde). Avec les mesures effectuées jusqu'à présent, il n'était pas possible de surveiller la chiralité sur des périodes aussi courtes et donc de suivre un processus chimique.

Mieux comprendre les réactions des molécules chirales

Des chercheurs dirigés par Hans Jakob W?rner, professeur au Département de chimie et des sciences biologiques appliquées, viennent de mettre au point une nouvelle méthode permettant d'observer les changements de chiralité en temps réel, directement pendant une réaction chimique. Pour ce faire, les chercheurs ont généré des impulsions laser femtosecondes avec une polarisation variable dans le temps et taillée sur mesure. Ces impulsions laser ultracourtes sont elles-mêmes chirales. Gr?ce à cette nouvelle approche, les scientifiques ont atteint pour la première fois simultanément la sensibilité à la chiralité et la résolution temporelle nécessaires pour de telles mesures.

Dans leur expérience, dont les scientifiques rendent compte dans la revue PNAS, ils ont excité la molécule chirale gazeuse (R)-2-iodobutane avec deux impulsions laser ultraviolettes ultracourtes. L'excitation a entra?né la rupture de la liaison entre le carbone et l'iode. Dans ce processus, un radical 2-butyle se forme d'abord dans une conformation chirale, qui perd toutefois très rapidement sa chiralité. Gr?ce aux nouvelles impulsions laser polarisées, les chercheurs ont pu suivre ce processus en direct.

Cette nouvelle méthode peut également être appliquée aux liquides ou aux solides afin d'observer les changements extrêmement rapides de la chiralité moléculaire, selon les scientifiques. Selon eux, la possibilité de rendre les processus photochimiques chiraux directement accessibles sur des échelles de temps aussi courtes permet désormais de mieux comprendre les réactions des molécules chirales. Cela pourrait contribuer au développement de nouveaux procédés ou de procédés améliorés pour la production de composés énantiomériquement purs.