Astrophysique et astrochimie Michaël De Becker Masters en Sciences Chimiques et Sciences...
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Astrophysique et astrochimie
Michaël De Becker
Masters en Sciences Chimiques
et Sciences Géologiques
2013-2014
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Plan du chapitre 3
3.1. Contenu moléculaire de la Galaxie 3.1.1. Composés inorganiques
3.1.2. Hydrocarbures
3.1.3. Composés organiques avec groupes fonctionnels
3.2. Questions scientifiques importantes 3.2.1. La quête des acides aminés
3.2.2. Le problème de l'homochiralité
3.2.3. La filiation moléculaire
• Composés inorganiques: CO
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Composés inorganiques: CN/HCN
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Composés inorganiques: l'eau
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Hydrocarbures:
Aliphatiques:
(alcanes, alcènes, alcynes...)
ex: méthane, éthylène, acéthylène, propylène, polyines divers...
Identifications:
- signatures nombreuses d'alcanes en IR
- identifications plus spécifiques en mm/sub-mm
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Hydrocarbures: formation du méthane…
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: un constituant du milieu interstellaire
Observations IR : bandes d’émission à 3.29, 6.2, 8.6, et 11.3 m
• PAHs: un constituant du milieu interstellaire
Observations IR : bandes d’émission à 3.29, 6.2, 8.7, et 11.3 m
Dans toutes les directions très répandu
Bandes d’émission intenses très abondant
Années 70 : fluorescence, mais molécules non-identifiées
Années 80 : hydrocarbures aromatiques polycycliques…
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: structure des PAHs2 grandes classes de
PAHs
1. Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles
1. Péricondensés: C appartenant à 3 cycles
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: structure des PAHs2 grandes classes de
PAHs
1. Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles
1. Péricondensés: C appartenant à 3 cycles
acènes : linéaires phènes : coudés
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: structure des PAHs2 grandes classes de
PAHs
1. Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles
1. Péricondensés: C appartenant à 3 cycles
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: chimie des PAHs : formation
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: chimie des PAHs : formation
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: chimie des PAHs : photochimie
Absorption d’un photon UV 2 scénarios: relaxation radiative ou photodissociation
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: chimie des PAHs : photochimie
Absorption d’un photon UV 2 scénarios: relaxation radiative ou photodissociation
En cas de photodissociation:
- rupture de liaison : perte d’un groupe latéral
- décondensation concertée: seul scénario envisagé pour la rupture de cycle aromatiques
concerté: la formation de nouvelles liaisons et la rupture d’autres liaisons sont simultanées
énergétiquement accessible, même si plus coûteux que la dissociation d’un groupe latéral
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: chimie des PAHs : réactions bimoléculairesRéaction avec un électron:
Réaction d’échange de charges:
Réaction ion-molécule:
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• PAHs: chimie des PAHs : rôle catalytique
Interactions PAH – molécule
similitude avec les processus en surface des grains de poussière!
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés carbonés : fullerènes
C60, C70: identifiés dans une nébuleuse planétaire (2010)
Formation: environnement riche en C et pauvre en H (?)
(absence d'hydrocarbures aliphatiques et aromatiques où ils ont été détectés)
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés carbonés : fullerènes
C60 : identifié dans deux nébuleuses à réflexion (2010)
Environnement riche en C où l'H est aussi présent
(présence d'hydrocarbures aliphatiques et aromatiques)
→ Variété de conditions physico-chimiques propices à leur formation
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Composés organiques: quelques exemples...
Composés mono-fonctionalisés:
Acides carboxyliques, aldéhydes, cétones, amines, amides, alcools, thiols, nitriles...
Composés di-fonctionalisés:
Amino-acétonitrile, éthylène glycol, glycolaldéhyde, cyanoformaldéhyde, cyanométhanimine
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Composés organiques: formation du formaldéhyde…
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés organiques: carbohydratesCarbohydrates en biochimie: ribose et désoxyribose
Carbohydrates dans le milieu interstellaire? Oui, le glycolaldehyde
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés organiques: hétérocycles
Hydrocarbures cycliques, incluant un hétéroatome (N, O,…)
Hétérocycles en biochimie: bases azotées…Purines: A, GPyrimidine: T, U, C
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés organiques: hétérocycles
Hydrocarbures cycliques, incluant un hétéroatome (N, O,…)
Hétérocycles en biochimie: bases azotées…Purines: A, GPyrimidine: T, U, C
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés organiques: hétérocycles
Leur formation est-elle envisageable dans l’ISM?- l’existence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces
sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non-saturées
- l’existence d’hydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que l’incorporation d’N est probable
Leur formation est-elle envisageable dans les comètes?- dans les comètes, des études récentes suggèrent la présence de
composés complexes à haut poids moléculaire incluant C et N, avec un assez haut degré d’insaturation (cfr polymères de HCN) : similitudes avec des hétérocycles azotés
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés organiques: hétérocycles
Leur formation est-elle envisageable dans l’ISM?- l’existence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces
sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non-saturées
- l’existence d’hydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que l’incorporation d’N est probable
Leur formation est-elle envisageable dans les comètes?- dans les comètes, des études récentes suggèrent la présence de
composés complexes à haut poids moléculaire incluant C et N, avec un assez haut degré d’insaturation (cfr polymères de HCN) : similitudes avec des hétérocycles azotés
Leur stabilité est-elle envisageable dans les environnements interstellaires? - les PAHs azotés sont très sensibles à la photolyse par les UV - les hydrocarbures azotés monocycliques y sont moins sensibles - leur photostabilité décroît si le nombre de N incorporés augmente
Sites de formation vraisemblable: particules interplanétaires, astéroides, comètes...
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés organiques: hétérocycles
Leur formation est-elle envisageable dans l’ISM?- l’existence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces
sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non-saturées
- l’existence d’hydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que l’incorporation d’N est probable
Leur formation est-elle envisageable dans les comètes?- dans les comètes, des études récentes suggèrent la présence de
composés complexes à haut poids moléculaire incluant C et N, avec un assez haut degré d’insaturation (cfr polymères de HCN) : similitudes avec des hétérocycles azotés
Leur stabilité est-elle envisageable dans les environnements interstellaires? - les PAHs azotés sont très sensibles à la photolyse par les UV - les hydrocarbures azotés monocycliques y sont moins sensibles - leur photostabilité décroît si le nombre de N incorporés augmente
Sites de formation vraisemblable: particules interplanétaires, astéroides, comètes...
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés organiques: hétérocycles
Leur formation est-elle envisageable dans l’ISM?- l’existence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces
sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non-saturées
- l’existence d’hydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que l’incorporation d’N est probable
Leur formation est-elle envisageable dans les comètes?- dans les comètes, des études récentes suggèrent la présence de
composés complexes à haut poids moléculaire incluant C et N, avec un assez haut degré d’insaturation (cfr polymères de HCN) : similitudes avec des hétérocycles azotés
Leur stabilité est-elle envisageable dans les environnements interstellaires? - les PAHs azotés sont très sensibles à la photolyse par les UV - les hydrocarbures azotés monocycliques y sont moins sensibles - leur photostabilité décroît si le nombre de N incorporés augmente
Sites de formation vraisemblable: particules interplanétaires, astéroides, comètes...
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
• Autres composés organiques: hétérocycles
Hétérocycles dans les météorites:De nombreuses détections, y compris de molécules proches de la pyrimidine!!
Hétérocycles dans le milieu interstellaire:Petites molécules cycliques (à confirmer…)
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Chronologie de quelques découvertes
Voir site web: http://www.astrochymist.org/
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
1940 19701950 1960
1937CH
Radicalméthylidyne
1940 19701950 1960
1937CH
1940CN
1941CH+
1940 19701950 1960
1937CH
1940CN
1941CH+
1963OH
1968NH
3
1969H
2O
H2CO
1970 20001980 1990
1970COCH
3OH
1971HCNHCOOHSiOCH
3CN
NH2CHO
1972H
2S
1973CH
3CHO
CH2NH
H2CS
1974CH
3OCH
3
CH3NH
2
1975CH
3CH
2OH
HCOOCH3
SO2
NH2CN
1970 20001980 1990
1976C
2H
2
HC5N 1979
CH3SH
OCN-
1977CH
3CH
2CN
H2CCO
1978HC
7N
HC9N
C4H
NO
1970 20001980 1990
1984SiH
4 1985HCl
1981C
2H
41987(CH
3)
2CO
NaCl
1989CO
2
1970 20001980 1990
1991CH
4
1997CH
3COOH
HC11
N
2000CH
2OHCHO
2000 20152005 2010
2006CH
3CONH
2
2002HOCH
2CH
2OH
2001C
6H
6
2004N
2
2008NH
2CH
2CN
2000 20152005 2010
2006CH
3CONH
2
2002HOCH
2CH
2OH
2001C
6H
6
2004N
2
2008NH
2CH
2CN
H2O
2000 20152005 2010
2010C
60
C70
2011H
2O
2
O2
2012HNCNH
2013CH
3CHNH
HNCHCN