Pour la première fois, des chercheurs ont mesuré la formation vivante de liaisons chirales au niveau d’une seule molécule. La méthode pourrait découvrir des « mécanismes de réaction jusque-là inconnus de réactions énantiospécifiques, ce qui est [currently] très difficile et chronophage», explique le chimiste des matériaux Sascha Feldmann de l’Université de Harvard, aux États-Unis, qui n’a pas participé au projet.
La détection de propriétés chimiques comme la chiralité implique généralement des mesures macroscopiques. ‘[This] apporte des résultats moyennés sur l’ensemble », déclare Xuefeng Guo, de l’Université de Pékin, en Chine. Maintenant, l’équipe de Guo a développé un moyen de surveiller la formation de centres chiraux individuels en temps réel.
«C’est la première fois qu’une réaction aussi complexe est surveillée in situ, en temps réel et au niveau d’une seule molécule», explique Guo. Il note que le niveau de détail sans précédent fourni par la technique a permis à l’équipe de caractériser et de « comprendre pleinement les différentes étapes de réaction ».
Pour ce faire, l’équipe de Guo a utilisé des jonctions moléculaires à base de graphène, une sorte de composant électronique microscopique. ‘[They could] être considérés comme des résistances », explique Guo. « L’architecture de base du dispositif est une structure en sandwich électrode-molécule-électrode. »
Toute modification chimique de la molécule intégrée provoque des modifications de la résistance électrique de la jonction, qui sont détectées par des mesures de courant continu.
Dans l’expérience de Guo, la molécule « en sandwich » a été fonctionnalisée avec du maléimide, un substrat classique dans les additions de Michael asymétriques. Lorsque les anions des composés 1,3-dicarbonyle attaquent le maléimide – l’accepteur de Michael – un centre chiral se forme. La conception de l’expérience signifie que les chercheurs peuvent dire quel énantiomère est formé.
La détection de différents énantiomères est possible en raison de l’effet de sélectivité de spin induit par la chiralité (Ciss). «Ciss a été découvert… il y a environ deux décennies», explique Feldmann. « Il est basé sur l’observation qu’un courant d’électrons devient polarisé en spin lorsqu’il traverse un milieu chiral. » Dans le nouveau travail, cela est utilisé pour détecter la chiralité du produit de réaction et des intermédiaires in situ, ajoute Feldmann.
‘Énantiomères [would] montrent la même résistance sans injection de spin », explique Guo. « L’adoption de l’effet Ciss rend la chiralité mesurable. »
Pour déterminer la structure stéréospécifique exacte des intermédiaires de réaction, les chercheurs ont préparé différentes jonctions moléculaires comme expériences de contrôle. En ancrant des molécules avec des configurations chirales connues au dispositif de détection de molécule unique, la mesure avec un courant polarisé en spin pourrait identifier des informations chirales, explique Guo. « En fin de compte, ces affectations ont été corroborées par des mesures supplémentaires, [including] spectres d’effet tunnel d’électrons inélastiques et calculs théoriques», explique Feldmann.
De plus, les expériences fournissent une preuve puissante du mécanisme et des origines de l’effet Ciss, corroborant une théorie récemment rapportée. «L’architecture de jonction à une seule molécule fournit un support expérimental pour la soi-disant «théorie de l’interface sp», [and helps] mieux comprendre le mécanisme de l’effet Ciss», explique Feldmann. Cette idée suggère que l’effet apparaît dans les interactions d’interface entre l’électrode et les molécules chirales. Les simulations basées sur la théorie spinterface coïncident clairement avec les nouvelles données expérimentales, donc ‘[clarifying] le mécanisme de l’effet Ciss controversé, [and enabling us] modifier de manière réversible la chiralité de la réaction chimique in situ», explique Guo.
Selon Feldmann, cette dernière caractéristique pourrait un jour être utilisée pour contrôler le résultat stéréochimique des réactions, sans auxiliaires ni catalyseurs chiraux. ‘Ce mode d’induction de chiralité active, [could] économiser une énorme quantité de ressources et permettre la synthèse de produits auparavant inaccessibles», déclare-t-il.
À plus court terme, la technique pourrait fournir une meilleure analyse des changements de chiralité au cours des réactions chimiques. Guo pense que la technique pourrait conduire à la découverte « d’une grande quantité d’informations individuelles microscopiques, y compris les mécanismes de transmission et d’amplification de la chiralité, et l’évolution des réactions asymétriques à l’échelle moléculaire ». Feldmann note que de telles découvertes pourraient directement aider l’industrie pharmaceutique à fabriquer des médicaments plus efficacement.