Une équipe internationale développe une molécule sandwich fortement courbée et pourtant stable

Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.

Les « métallocènes » ou « molécules sandwich » se composent de deux anneaux plats d’atomes de carbone et d’un atome métallique intercalé, comme le fer, que l’on appelle alors « ferrocène ». On en dérive les ferrocénophanes, dans lesquels les cycles carbonés sont reliés entre eux par d’autres atomes, tels que le silicium, le bore ou le soufre. Les deux cycles peuvent également être reliés par deux atomes de carbone ou plus. Pendant des décennies, ces ferrocénophanes n’étaient toutefois qu’une curiosité de laboratoire ; ils n’avaient aucune application pratique. 

Dans les années 1990, le chimiste britannique Ian Manners a alors découvert que l’angle de courbure – en particulier lors d’une liaison par un seul atome – entraînait une forte tension cyclique, que l’on peut exploiter pour des polymérisations afin de fabriquer des plastiques contenant du fer. Cette méthode de synthèse a ouvert des possibilités de fabrication insoupçonnées pour les « métallopolymères », et c'est ainsi qu'au cours des 30 dernières années, une multitude de ces ferrocénophanes ont été produites avec de nombreux éléments de pontage différents. Mais ce qui n'existait pas jusqu'à présent, c'était une molécule dans laquelle les deux cycles sont reliés par un seul atome de carbone. Un atome de carbone est très petit, encore plus petit que le bore et le soufre, et la molécule devrait donc se déformer fortement, ce qui entraînerait une tension cyclique très élevée. « Les liaisons courtes obligent la molécule à se déformer, et elle n’aime pas ça », explique le Dr André Schäfer, maître de conférences en chimie inorganique à l’Université de la Sarre.

C’est pourquoi certains scientifiques pensaient qu’un tel ferrocénophane, avec un seul atome de carbone comme élément de liaison, ne pouvait pas être stable et ne pouvait tout simplement pas exister. Ce point de vue devrait désormais changer. En effet, Aylin Feuerstein, doctorante au sein du groupe de travail de Schäfer, travaille sur ce sujet depuis plusieurs années. L'année dernière, elle a réussi l'exploit que beaucoup jugeaient impossible : elle a réussi à synthétiser une telle molécule.

À l’Université de la Sarre, le groupe de travail d’André Schäfer étudie depuis longtemps ce type de « molécules sandwich » coudées et mène, en collaboration avec le groupe de travail du professeur Markus Gallei, des recherches sur la manière de produire des polymères métalliques à partir de ces précurseurs à structure cyclique.

« Ces polymères sont très intéressants pour diverses raisons », explique Markus Gallei, titulaire de la chaire de chimie des polymères. « L’intégration de métaux dans des polymères organiques permet de combiner les propriétés de deux mondes et ouvre la voie à des applications totalement nouvelles dans le domaine des matériaux optiques commutables, des membranes ou des surfaces plastiques commutables par courant électrique. » Grâce au ferrocénophane récemment découvert à Sarrebruck, l’univers de ces matériaux pourrait encore s’élargir considérablement.

Ce succès n’est toutefois pas le fruit du hasard, mais le résultat d’une approche combinant théorie et expérimentation. Au départ, des modélisations assistées par ordinateur ont permis de clarifier la question fondamentale : la tension cyclique est-elle réellement si élevée que la molécule n’est pas stable ? « Nous ne pouvons pas répondre de manière générale, car cela dépend de la structure exacte de la molécule. De petits changements font une grande différence », explique Aylin Feuerstein. « Une fois que nous avons compris cela, nous avons pu concevoir sur ordinateur une molécule de ferrocénophane qui serait probablement stable. »

C’est alors que le véritable travail a commencé en laboratoire. La synthèse a duré plusieurs mois. L’équipe a d’abord construit la structure moléculaire correspondante. Il manquait ensuite l’atome métallique. « Dans un premier temps, nous avons décidé d’intégrer un atome de magnésium. Nous avions déjà de l’expérience avec cet atome grâce à des travaux antérieurs et nous savions qu’il serait ensuite facile de le remplacer par un atome de fer », explique la doctorante. Finalement, les scientifiques ont réussi à isoler une poudre rouge. Des analyses ont rapidement montré qu’il s’agissait bien du ferrocénophane ponté par le carbone. « La grande surprise a été la stabilité thermique exceptionnellement élevée de la molécule », explique André Schäfer.

« Au début, j’étais extrêmement prudente », se souvient Aylin Feuerstein. « Nous pensions qu’elle se désintégrerait peut-être dès la température ambiante. Mais nos analyses ont ensuite montré que la molécule possédait une stabilité thermique étonnamment élevée. Le problème n’a en réalité jamais été la tension cyclique, mais uniquement la synthèse. Personne ne savait comment fabriquer cette molécule. Une fois qu’on l’a entre les mains, on peut la chauffer à plus de 200 °C sans qu’il ne se passe rien », explique la chimiste.

Toute une équipe de scientifiques a participé aux recherches sur les propriétés de cette nouvelle molécule. Le Dr Sergi Danés Pibernat, du groupe de travail du professeur Julio Lloret-Fillol à l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) de Tarragone, en Catalogne (Espagne), a effectué des calculs de chimie quantique afin de comprendre pourquoi certaines structures du squelette moléculaire confèrent une grande stabilité à la molécule.

Ils ont publié conjointement leur découverte dans la revue spécialisée en chimie Angewandte Chemie.

Publication originale :

'The Missing Link in Ferrocenophane Chemistry: Isolation of a Carba[1]Ferrocenophane'; A. Feuerstein, S. Danés, K. Kolling, B. Morgenstern, M. Gallei, A. Schäfer, Angew. Chem. Int. Ed.2026 , e2211037; https://doi.org/10.1002/anie.2211037

Informations complémentaires : 

PD Dr André Schäfer
Tél. : (0681) 30270668
E-mail : andre.schaefer(at)uni-saarland.de