A l’écoute des réactions chimiques pour mieux les comprendre

Résultats scientifiques

Les réactions chimiques s’accompagnent très souvent d’effets visuels comme des dégagements de fumée ou des changements de couleur, très utiles pour le chimiste dans le suivi du déroulement de la réaction. Relier les sons produits au cours d’une transformation chimique aux variations de paramètres réactionnels (composition du milieu, état physique, température…) est une approche beaucoup moins courante. Les scientifiques de l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier (CNRS/Université de Montpellier/ENSCM) et de l’Institut des Biomolécules Max Mousseron (CNRS/Université de Montpellier/ENSCM) proposent une technique originale reliant le son émis lors du broyage à billes, technique de plus en plus utilisée pour réaliser des réactions sans solvants, à des variations de température du milieu réactionnel, des changements d’état physique, ou à la présence d’intermédiaires réactionnels spécifiques qu’ils ont ainsi pu identifier. Ces résultats sont détaillés dans la revue Chemical Science.

Le broyage à billes connaît un développement considérable dans les laboratoires mais également dans des processus industriels car il permet de se dispenser complètement -ou presque- de l’utilisation de solvant. Pour provoquer la rencontre des différents réactifs solides en l'absence ou la quasi-absence de liquide, ces derniers sont placés dans des réacteurs contenant des billes et agités vigoureusement pour mettre en mouvement les billes à l’intérieur des réacteurs afin de mélanger et faire réagir les réactifs.

Malgré l’utilisation croissante de ces méthodes de mécanochimie, peu d’informations sont connues sur les mécanismes réactionnels mis en jeu lors de ces synthèses à l’état solide. En effet, le suivi d’une réaction chimique est généralement facilité par des changements visuels comme des dégagements de fumée ou des changements de couleur, impossibles à détecter dans ce cas puisque les réactions se déroulent principalement dans des réacteurs en acier, clos et opaques.

En s’appuyant sur des méthodes analytiques existantes de suivi in situ/operando, les scientifiques de l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier (CNRS/Université de Montpellier/ENSCM) et de l’Institut des biomolécules Max Mousseron (CNRS/Université de Montpellier/ENSCM) proposent une méthode de suivi réactionnel originale reposant sur l’analyse de l’évolution du son lors du broyage à billes. En effet, ces réacteurs produisent des sons très particuliers et distincts intimement liés aux transformations (physico)chimiques qui s’y produisent lors du processus de broyage.  Les analyses acoustiques ont révélé qu’il pouvait y avoir un lien étroit entre le mouvement des billes dans le réacteur lors de l’agitation, le changement de température et, dans certains cas, la présence d’intermédiaires réactionnels jusqu’alors jamais observés.

Cette méthode, adaptable a priori à tout type de réacteur opaque en acier, pourrait donc fournir des informations impossibles à obtenir par ailleurs sur l’évolution des conditions réactionnelles (tel que le mouvement des billes), les propriétés physico-chimiques du milieu réactionnel et plus généralement la cinétique chimique des synthèses en mécanochimie.

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© César Leroy

Référence

César Leroy, Sébastien Mittelette, Gautier Félix, Nicolas Fabregue, Jessica Špačková, Philippe Gaveau, Thomas-Xavier Métro & Danielle Laurencin
Operando acoustic analysis: a valuable method for investigating reaction mechanisms in mechanochemistry

Chemical Science 2022

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/SC/d2sc01496c

Contact

César Leroy
Chercheur à l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier (CNRS/Université de Montpellier/ENSCM)
Danielle Laurencin
Chercheuse à l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier (CNRS/Université de Montpellier/ENSCM)
Thomas-Xavier Métro
Chercheur à l'Institut des biomolécules Max Mousseron (CNRS/Université de Montpellier/ENSCM)
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Anne-Valérie Ruzette
Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS
Christophe Cartier dit Moulin
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC