Il dompte les molécules explosives

Il y a certains groupes d'atomes qui sont extrêmement utiles. Le groupe nitro en fait partie. Le dioxyde d'azote, à lui seul, est un gaz toxique à l'odeur ?cre (NO₂), confère, en tant que groupe atomique supplémentaire, des propriétés pratiques, parfois même explosives, à des molécules auparavant discrètes. Les explosifs comme l'acide picrique et le TNT font partie des nitroaromatiques, une classe de substances qui joue un r?le important dans de nombreux autres produits, comme les colorants, les polymères plastiques, les produits phytosanitaires ou les médicaments. C'est pourquoi de tels composés nitroaromatiques sont fabriqués à grande échelle à l'échelle industrielle. Pour ce faire, les molécules de départ sont dotées d'un groupe nitro. Mais "les procédés courants présentent de gros inconvénients", explique Dmitry Katayev, chimiste et chef de groupe à l'ETH Zurich. Avec son équipe, il a désormais trouvé une méthode plus simple et plus respectueuse des ressources pour intégrer des groupes nitro dans des molécules organiques.

Les procédés industriels actuels nécessitent des acides forts tels que des mélanges d'acide nitrique et d'acide sulfurique ou des composés contenant des métaux - des substances qui mettent en danger la santé et l'environnement et qui doivent ensuite être traitées et éliminées à grands frais. De plus, ces procédés ont un effet peu ciblé. Ils déversent quasiment à l'arrosoir NO₂-Les groupes nitro sont éliminés au-dessus de la substance de départ. Ainsi, au lieu d'un seul groupe nitro à l'endroit souhaité, deux ou plusieurs sont parfois incorporés dans une molécule. Il en résulte un mélange qui contient de nombreux sous-produits indésirables. Ceux-ci doivent être éliminés à grands frais.

Un contr?le précis

L'approche de l'équipe de Katayev est plus élégante. Les chimistes ont mis au point un ensemble de réactifs et une méthodologie associée permettant de cibler différentes molécules de départ en une seule étape, selon les besoins, avec une seule NO₂-Il est possible d'attribuer une note à un groupe ou à plusieurs. "Pour cela, la réaction doit être très précise", explique Katayev. "Elle ne doit rien changer d'autre à la molécule de départ, quelle que soit son apparence et quels que soient les groupes d'atomes qu'elle contient déjà".

C'est relativement simple pour les molécules de départ composées exclusivement de carbone et d'hydrogène. En effet, en raison de leur répartition électronique, ces hydrocarbures sont inertes. Ils ne peuvent être animés d'une réaction chimique qu'en les poussant fortement. Il en va autrement des molécules de départ qui contiennent par exemple de l'oxygène ou un atome d'halogène comme le fluor ou le chlore. La répartition des électrons de tels groupes d'atomes - les chimistes parlent de groupes fonctionnels - les rend prêts à réagir avec un nouvel arrivant et à former un nouveau partenariat avec lui. C'est pourquoi il est nettement plus difficile de laisser de tels groupes d'atomes inchangés.

La nouvelle méthodologie de Katayev y parvient en contr?lant précisément la réaction. Le chimiste a ainsi trouvé une source douce et contr?lable de NO₂-Le groupe N-nitrosaccharine a été découvert : il s'agit d'une modification de la saccharine, le plus ancien édulcorant synthétique. La molécule peut être dirigée par un catalyseur, une sorte de molécule d'activation. Celle-ci doit d'abord être activée - par exemple en l'exposant à la lumière visible - avant que la réaction ne se produise et que le groupe nitro ne soit transféré sur la molécule cible. Ainsi, les conditions de la réaction, comme la température ou la quantité de molécule de départ, peuvent être réglées avec précision avant que la réaction ne commence.

De même, les chimistes peuvent contr?ler, par la quantité de nitrosaccharine ajoutée, combien de groupes nitro sont incorporés à quel endroit dans la molécule de départ. Comme la réaction se déroule en outre dans des conditions très douces - sans ajout d'acides et à une température maximale de 50 degrés Celsius - aucun autre groupe fonctionnel de la molécule de départ n'est attaqué ou détruit. Après la réaction, la saccharine peut être recyclée et réutilisée pour la fabrication de réactifs.

Travail en lockdown

Actuellement, deux demandes de brevet sont en suspens pour cette nouvelle méthodologie et la poudre miracle de Katayev, le N-nitrosaccharide, est déjà utilisée par plusieurs entreprises chimiques. Pour son développement, le jeune chef de groupe de 34 ans a re?u l'année dernière le prestigieux prix Ruzicka (voir encadré).

Comme tous les autres membres de l'ETH, lui et son équipe se sont installés dans leur bureau à domicile pendant le lockdown de Corona. Il s'est rapidement habitué à travailler à la maison, dit Katayev. Il est toujours en Contact avec les membres de son groupe et ses collègues. "Parfois, j'ai jusqu'à cinq réunions vidéo par jour", dit-il en souriant à la caméra de l'ordinateur. Les membres de son équipe profitent de leur bureau à domicile pour rédiger des publications ou leurs thèses de doctorat. Au moins deux fois par semaine, Katayev discute avec eux des nouveaux chapitres écrits et, comme auparavant, la réunion de groupe régulière a lieu une fois par semaine.

En revanche, ce qui manque actuellement à Katayev, ce sont ses hobbies : le ski, la pêche et surtout le ping-pong. En effet, Katayev est aussi habile à jouer avec les composés chimiques qu'à jongler avec les balles de ping-pong. En tant que l'un des meilleurs joueurs de l'université technique D.I. Mendeleev, il a participé avec succès à des compétitions pendant des années. Katayev portait même le titre de "ma?tre de ping-pong". Dans les universités russes, les classements de tennis de table étaient basés sur des titres académiques, raconte-t-il - Bachelor, Master, Docteur, Professeur. Certes, cela fait un moment que cet homme de 34 ans n'a pas participé à des compétitions, mais lorsqu'il en parle, il y a de la fierté dans sa voix.

Dompter les atomes radicaux

Ce Russe d'origine est venu en Suisse pour sa thèse de doctorat, à l'époque à l'Université de Genève. Il a rejoint l'ETH en 2015 et dirige depuis 2017 sa propre équipe au sein du groupe de recherche du professeur de chimie Antonio Togni. Depuis longtemps déjà, Katayev s'est spécialisé dans la recherche de nouveaux moyens d'intégrer des groupes d'atomes utiles dans les molécules de manière efficace, contr?lable et en préservant les ressources.

Dans ce contexte, l'un de ses chevaux de bataille est l'étude de ce que l'on appelle les radicaux. Les radicaux sont des atomes ou des groupes d'atomes qui ne possèdent qu'un seul électron, là où devrait se trouver une paire d'électrons. Cela les rend extrêmement réactifs, ce qui en fait d'excellents moteurs de réactions chimiques. Ils doivent toutefois être dirigés correctement, sinon ils créent le chaos. Par exemple, lors d'une réaction avec des radicaux, on obtient souvent un mélange de deux composés : la molécule souhaitée et son image miroir. Katayev cherche donc à savoir comment organiser les processus chimiques avec des radicaux de manière à ne produire qu'une seule des deux formes de miroir.

Récemment, il y est parvenu avec ce que l'on appelle la trifluorométhylation. Cette réaction est souvent utilisée pour produire un certain groupe fluoré (CF₃) dans les produits phytosanitaires et les médicaments afin d'en renforcer l'effet biologique. Le nouveau mécanisme mis au point par Katayev permet de le faire de manière nettement plus efficace : En un seul passage, on obtient à 99 pour cent uniquement la forme miroir souhaitée de la molécule.

Le chimiste ne restera toutefois pas longtemps à l'ETH. Gr?ce à ses recherches fructueuses, il s'est récemment assuré une "SNSF Eccellenza Professorial Fellowship" du Fonds national suisse. Celui-ci lui permettra d'occuper l'année prochaine un poste de professeur assistant à l'Université de Fribourg.