Une nouvelle voie pour construire des chaînes de carbone linéaires

Le carbone existe sous plusieurs formes dites « allotropiques » dont les plus connues sont le diamant (très dur et isolant), le graphite (conducteur et feuilleté), le graphène (ultra fin, conducteur et flexible), ou les fullerènes et les nanotubes. Ces différences proviennent uniquement de l’organisation des atomes qui confère à chaque structure des propriétés physiques et électroniques très variées.
Ces matériaux suscitent un fort intérêt car ils offrent de nombreuses perspectives pour les technologies du futur, notamment en électronique, dans le domaine de l’énergie ou des nanomatériaux. Il est donc tentant de chercher à l’obtenir sous de nouvelles formes pour de nouvelles propriétés.  

Parmi ces nouvelles formes, les polyynes sont des molécules linéaires entièrement faites d’atomes de carbone reliés alternativement par des liaisons simples et des liaisons triples. On parle de liaisons triples conjuguées. Ces polyynes sont pressentis pour réaliser de fils moléculaires conducteurs ou de dispositifs optoélectroniques. Ils pourraient également constituer des modèles pour mieux comprendre les formes allotropiques du carbone encore inaccessibles. Mais fabriquer ces architectures moléculaires reste un défi.

En effet, jusqu’à maintenant, les méthodes de synthèse reposaient sur des réactions reposant sur un contrôle cinétique : une fois les liaisons formées, il est impossible de corriger d’éventuelles erreurs dans l’enchainement des triples liaisons carbone-carbone et de les réparer. Résultat : des mélanges de produits difficiles à contrôler et à purifier. Une limitation particulièrement critique pour les polyynes comportant un nombre impair de liaisons triples* encore plus délicats à obtenir.

Pour surmonter cet obstacle, des scientifiques de l'Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/ENSC Rennes/Université de Rennes/INSA Rennes), en collaboration avec des équipes allemandes (Technische Universität Braunschweig) et canadiennes (University of Alberta, Edmonton), proposent une stratégie différente reposant sur une réaction sous contrôle thermodynamique appelée « métathèse d’alcynes ». Contrairement aux approches précédentes, cette réaction est réversible offrant un contrôle inédit sur la construction des chaînes carbonées.

Au cœur de cette avancée, des catalyseurs à base de molybdène à l’encombrement et à la réactivité finement ajustés, qui leur ont permis d’orienter sélectivement les réactions vers la formation de triynes — des motifs moléculaires comportant trois liaisons triples consécutives. A partir de ces triynes, les scientifiques sont parvenus à synthétiser des structures particulièrement complexes jusqu’ici difficiles voire impossibles à obtenir : des cumulènes (autres formes de chaînes carbonées) mais aussi des polyynes plus longs comportant cinq ou sept liaisons triples.Plus remarquable encore, cette méthode a également permis d’accéder à deux macrocycles en forme de triangle équilatéral possédant trois triples liaisons par côté et donc neuf triples liaisons au total.

En proposant une nouvelle façon de construire de manière parfaitement contrôlée des chaînes carbonées complexes, cette étude publiée dans Angewandte Chemie International Edition rapproche un peu plus les chercheurs de la maîtrise de matériaux carbonés aux propriétés inédites.

* Les polyynes impairs sont importants car ils sont des “points de passage” indispensables pour aller vers des objets moléculaires plus complexes comme des chaînes carbonées plus longues ou des macrocycles.
** On retrouve par exemple le carbone amorphe, le graphite, le diamant ou encore la lonsdaléite parmi les allotropes les plus connus du carbone.

Rédacteur : CCdM