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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.

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1 Astrophysique et astrochimie Michaël De Becker Masters en Sciences Chimiques et Sciences Géologiques Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

2 Plan du chapitre Contenu moléculaire de la Galaxie Composés inorganiques Hydrocarbures Composés organiques avec groupes fonctionnels 3.2. Questions scientifiques importantes La quête des acides aminés Le problème de l'homochiralité La filiation moléculaire

3 Composés inorganiques: CO Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

4 Composés inorganiques: CN/HCN Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

5 Composés inorganiques: l'eau Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

6 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

7 Hydrocarbures: formation du méthane… Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

8 PAHs: un constituant du milieu interstellaire Observations IR : bandes démission à 3.29, 6.2, 8.6, et 11.3 m

9 PAHs: un constituant du milieu interstellaire Observations IR : bandes démission à 3.29, 6.2, 8.7, et 11.3 m Dans toutes les directions très répandu Bandes démission intenses très abondant Années 70 : fluorescence, mais molécules non-identifiées Années 80 : hydrocarbures aromatiques polycycliques… Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

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11 PAHs: structure des PAHs 2 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

12 PAHs: structure des PAHs 2 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

13 PAHs: structure des PAHs 2 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

14 PAHs: chimie des PAHs : formation Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

15 PAHs: chimie des PAHs : formation Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

16 PAHs: chimie des PAHs : photochimie Absorption dun photon UV 2 scénarios: relaxation radiative ou photodissociation Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

17 PAHs: chimie des PAHs : photochimie Absorption dun photon UV 2 scénarios: relaxation radiative ou photodissociation En cas de photodissociation: - rupture de liaison : perte dun groupe latéral - décondensation concertée: seul scénario envisagé pour la rupture de cycle aromatiques concerté: la formation de nouvelles liaisons et la rupture dautres liaisons sont simultanées énergétiquement accessible, même si plus coûteux que la dissociation dun groupe latéral Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

18 PAHs: chimie des PAHs : réactions bimoléculaires Réaction avec un électron: Réaction déchange de charges: Réaction ion-molécule: Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

19 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

20 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

21 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

22 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

23 Composés organiques: formation du formaldéhyde… Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

24 Autres composés organiques: carbohydrates Carbohydrates en biochimie: ribose et désoxyribose Carbohydrates dans le milieu interstellaire? Oui, le glycolaldehyde Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

25 Autres composés organiques: hétérocycles Hydrocarbures cycliques, incluant un hétéroatome (N, O,…) Hétérocycles en biochimie: bases azotées… Purines: A, G Pyrimidine: T, U, C Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

26 Autres composés organiques: hétérocycles Hydrocarbures cycliques, incluant un hétéroatome (N, O,…) Hétérocycles en biochimie: bases azotées… Purines: A, G Pyrimidine: T, U, C Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

27 Autres composés organiques: hétérocycles Leur formation est-elle envisageable dans lISM? - lexistence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non- saturées - lexistence dhydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que lincorporation dN 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 dinsaturation (cfr polymères de HCN) : similitudes avec des hétérocycles azotés Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

28 Autres composés organiques: hétérocycles Leur formation est-elle envisageable dans lISM? - lexistence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non- saturées - lexistence dhydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que lincorporation dN 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 dinsaturation (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

29 Autres composés organiques: hétérocycles Leur formation est-elle envisageable dans lISM? - lexistence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non- saturées - lexistence dhydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que lincorporation dN 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 dinsaturation (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

30 Autres composés organiques: hétérocycles Leur formation est-elle envisageable dans lISM? - lexistence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non- saturées - lexistence dhydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que lincorporation dN 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 dinsaturation (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

31 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

32 Chronologie de quelques découvertes Voir site web: Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

33 CH Radical méthylidyne

34 CH 1940 CN 1941 CH +

35 CH 1940 CN 1941 CH OH 1968 NH H 2 O H 2 CO

36 CO CH 3 OH 1971 HCN HCOOH SiO CH 3 CN NH 2 CHO 1972 H 2 S 1973 CH 3 CHO CH 2 NH H 2 CS 1974 CH 3 OCH 3 CH 3 NH CH 3 CH 2 OH HCOOCH 3 SO 2 NH 2 CN

37 C 2 H 2 HC 5 N 1979 CH 3 SH OCN CH 3 CH 2 CN H 2 CCO 1978 HC 7 N HC 9 N C 4 H NO

38 SiH HCl 1981 C 2 H (CH 3 ) 2 CO NaCl 1989 CO 2

39 CH CH 3 COOH HC 11 N 2000 CH 2 OHCHO

40 CH 3 CONH HOCH 2 CH 2 OH 2001 C 6 H N NH 2 CH 2 CN

41 CH 3 CONH HOCH 2 CH 2 OH 2001 C 6 H N NH 2 CH 2 CN H2OH2O

42 C 60 C H 2 O 2 O HNCNH 2013 CH 3 CHNH HNCHCN


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