Les progrès de la chimie des métallocènes ont conduit à la synthèse de molécules sandwich « hétérobimétalliques », difficiles à créer mais offrant un potentiel pour de nouvelles découvertes chimiques et applications industrielles. André Schäfer et Inga Bischoff en laboratoire avec un échantillon de leur nouveau dimétallocène. Crédit : Université de la Sarre/Thorsten Mohr
Le premier et le plus connu des métallocènes est le « ferrocène », qui contient un seul métallocène. atome. Les complexes sandwich sont désormais des sujets standards dans les manuels de chimie inorganique, et la liaison et la structure électronique des métallocènes sont abordées dans les cours de chimie de premier cycle. Ces molécules sandwich sont également importantes dans l’industrie, où elles servent de catalyseurs et sont utilisées dans la création de métallopolymères uniques.
Personne ne sait exactement combien de molécules sandwich il existe aujourd’hui, mais leur nombre se compte certainement en milliers. Et ils ont tous un point commun : un célibataire atome métallique situé entre deux anneaux plats d’atomes de carbone. C'est du moins ce que l'on pensait jusqu'en 2004, lorsqu'un groupe de recherche de l'Université de Séville a fait une découverte surprenante.
L'équipe de recherche espagnole a réussi à synthétiser une molécule sandwich contenant non pas un mais deux atomes métalliques. Pendant longtemps, ce « dimétallocène » contenant deux atomes de zinc est resté le seul exemple de ce type jusqu'à ce qu'un groupe britannique réussisse l'année dernière à synthétiser une molécule très similaire contenant deux atomes de béryllium. Aujourd'hui, Inga Bischoff, doctorante dans l'équipe de recherche du Dr André Schäfer à l'Université de la Sarre, va encore plus loin. Elle a réussi à synthétiser en laboratoire le premier complexe sandwich « hétérobimétallique » au monde – un dimétallocène contenant deux atomes métalliques différents.
Percées théoriques et pratiques
Peu de temps après la découverte du premier dimétallocène en 2004, des travaux théoriques ont montré que les dimétallocènes ne doivent pas nécessairement contenir deux atomes métalliques identiques et qu'un complexe comprenant deux atomes métalliques différents doit également être stable. Ces prédictions ont été faites sur la base de calculs de modélisation chimique quantique utilisant des ordinateurs puissants. Malgré cette stabilité prévue, toutes les tentatives visant à créer une telle molécule en laboratoire ont échoué jusqu'à la percée actuelle d'Inga Bischoff.
« C'est vraiment excitant et spécial de réaliser ce que vous tenez entre vos mains. À l’œil nu, cela ressemble à une autre poudre blanche. Mais je me souviens encore clairement du moment où nous avons vu pour la première fois sur l'écran d'ordinateur la structure moléculaire déterminée expérimentalement et où nous avons su que nous avions une molécule sandwich avec deux atomes métalliques différents», a déclaré le Dr André Schäfer.
«Le choix des anneaux de carbone est tout aussi important que les atomes métalliques que vous souhaitez enfermer entre eux. Ceci est essentiel, car les structures électroniques des anneaux de carbone cycliques et des atomes métalliques doivent correspondre», explique Inga Bischoff. « Les métaux contenus dans notre « dimétallocène hétérobimétallique » sont le lithium et l'aluminium. Les calculs prédisaient que ces deux métaux seraient des candidats appropriés car leur structure électronique est dans un certain sens similaire à celle de deux atomes de zinc, dont nous savions qu'ils pourraient former un dimétallocène stable.
Mais ce qui semble si simple et direct a pris des mois à réaliser. La molécule s’avère si réactive qu’elle ne peut être synthétisée, stockée et analysée que sous une couverture inerte d’azote ou d’argon. S’il entre en contact avec l’air, il se décomposera tout simplement. Une fois synthétisée, il a fallu caractériser la molécule, ce qui a impliqué toute une équipe de scientifiques de l'Université de la Sarre. Les résultats de leurs travaux ont maintenant été publiés dans la revue très respectée Chimie naturelle.
«Notre dimétallocène hétérobimétallique représente en réalité une toute nouvelle classe de molécules sandwich», a déclaré le chef du groupe, le Dr André Schäfer. « Qui sait, peut-être que cela figurera un jour dans un manuel scolaire. Mais avant tout, nous devons l’étudier plus en détail. Pour l’instant, nous comprenons assez bien sa structure, mais en savons encore très peu sur sa réactivité. Si nous trouvons d'autres combinaisons appropriées d'atomes métalliques, il pourrait bien s'avérer possible à l'avenir de synthétiser d'autres dimétallocènes hétérobimétalliques.»
L'énorme importance de cette classe de molécules est soulignée par l'attribution du prix Nobel en 1973 au chimiste allemand Ernst Otto Fischer et au chimiste britannique Geoffrey Wilkinson « pour leurs travaux pionniers, réalisés indépendamment, sur la chimie des composés organométalliques, appelés composés sandwich.
