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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 (suite)

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

2 La quête des acides aminés Naturels : participant à la composition des protéines des êtres vivants sur la Terre (un vingtaine) Acide -H-aminés : carbone en alpha de la fonction acide porteur dun H Acide -méthyl-aminés : carbone en alpha de la fonction acide porteur dun groupement méthyle Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

3 La quête des acides aminés Naturels : participant à la composition des protéines des êtres vivants sur la Terre (un vingtaine) Acide -H-aminés : carbone en alpha de la fonction acide porteur dun H Acide -méthyl-aminés : carbone en alpha de la fonction acide porteur dun groupement méthyle Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

4 La quête des acides aminés Milieu interstellaire: - détection annoncée en 2003 (Kuan et al.) - absence de confirmation, et discussion critique des résultats (Snyder et al. 2005) (attribution erronée des signatures spectrales, remise en cause de l'approche adoptée...) Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

5 La quête des acides aminés Comète: - mission Stardust: - NASA - lancement le 7 février 1999 de Cap Canaveral - rendez-vous avec sa cible en janvier retour de l'échantillon en cible: comète Wild 2 (supposée ne pas être passée de nombreuses fois à proximité du Soleil sublimation du noyau négligeable composition vraisemblablement représentative de l'époque du système solaire jeune) Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

6 La quête des acides aminés Pistes de formation: - amino-acétonitrile : précurseur de la glycine (hydrolyse: conversion du nitrile en acide carboxylique) - synthèse de type « Strecker » (chimie apparentée à une chimie en solution, mais dans des matrices solides) - synthèse via des composés organiques macromoléculaires (?) dans les comètes Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

7 La quête des acides aminés Pistes de formation: - amino-acétonitrile : précurseur de la glycine (hydrolyse: conversion du nitrile en acide carboxylique) - synthèse de type « Strecker » (chimie apparentée à une chimie en solution, mais dans des matrices solides) - synthèse via des composés organiques macromoléculaires (?) dans les comètes Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Certitude : des mécanismes de formation d'acides aminés sont actifs en dehors de l'écosystème terrestre (cfr Stardust)

8 Le problème de lhomochiralité Sucres naturels Forme D Acides aminés naturels Forme L Impact énorme sur la biochimie Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

9 Le problème de l'homochiralité: composés chiraux naturels Activité optique: propriété des composés chiraux de faire tourner le plan de polarisation de la lumière (symboles (+) et (-), ou d et l) Cas des sucres: D et L Le carbohydrate chiral le plus simple = glycéraldehyde forme naturelle (+), caractérisée par une configuration R Projections de Fisher des carbohydrates: carbonyle au-dessus dernier C chiral R notation D dernier C chiral S notation L Cas des acides aminés : analogie entre glycéraldehyde et serine!! Lactivité optique est une propriété optique moléculaire différente de la configuration dun carbone chiral!! Parmi 19 acides aminés naturels chiraux (L), 9 font tourner le plan de polarisation de la lumière vers la droite! Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

10 Le problème de lhomochiralité Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

11 Le problème de lhomochiralité Rupture de la symétrie: - interactions énantiosélectives des réactifs, en vue de favoriser un énantiomère plutôt quun autre - surface asymétrique - groupements asymétriques dans un partenaire réactionnel - destruction asymétrique de molécules, selon leur stéréochimie (rôle éventuel de lenvironnement astrophysique - photolyse asymétrique - autres (?) Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

12 Le problème de lhomochiralité Photolyse asymétrique: -Présence de molécules chirales préalablement synthétisées -Source de rayonnement UV significativement polarisé -Ce rayonnement polarisé doit être le dernier rayonnement rencontré par la population de molécules chirales considérée Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

13 Le problème de lhomochiralité Photolyse asymétrique: conséquences du modèle -selon ce modèle, la cause de lhomochiralité dépend de conditions locales du nuage proto-solaire -ces conditions sont valables à une échelle astronomique supérieure à notre échelle planétaire applicables aux autres astres de notre système solaire -si ce mécanisme est efficace, dautres régions au voisinage dautres étoiles pourraient donner lieu à une homochiralité inversée par rapport à la nôtre, selon lhistorique des événements astrophysiques locaux Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

14 Le problème de lhomochiralité La production d'un léger excès énantiomérique est une étape nécessaire vers l'homochiralité, mais ne suffit pas à l'expliquer. L'amplification de cet excès constitue une autre étape menant à l'homochiralité. Amplification de l'asymétrie?: - auto-catalyse de processus chimiques (à l'étude en laboratoire, résultats intéressants...) - intervention dorganismes vivants favorisant la métabolisation despèces chimiques dune stéréochimie particulière (comment cela a-t-il démarré?...) Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

15 Le problème de lhomochiralité L'apparition de l'excès énantiomérique et son amplification ultérieure constituent les deux étapes décisives menant à l'homochiralité. Par ailleurs, des processus contribuent à réduire (ou même faire disparaître) cette asymétrie. Racémisation: 2R R + S 2S R + S - action de la chaleur (peu vraisemblable en astrophysique, exceptions possibles...) - photoracémisation (photons UV ou X) - radioracémisation : action de particules de haute énergie Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

16 Le problème de lhomochiralité Exemple de racémisation: tautomérisation Acides α-H-aminés!! Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

17 Le problème de lhomochiralité 1. Le problème de l'homochiralité est loin d'être résolu, mais il apparaît que des environnements astrophysiques puissent y jouer un rôle décisif (piste de travail!) 2. A priori, on dispose d'une source d'excès énantiomérique, qui demande encore à être amplifié (problème en deux étapes!) 3. Si des processus de synthèse asymétrique ont joué un rôle sur la Terre prébiotique, il peuvent avoir été amorcés par de faibles excès énantiomériques d'origine interstellaire 4. Ce problème constitue un bel exemple de question scientifique complexe qui justifie une approche pluridisciplinaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

18 La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

19 La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

20 La filiation moléculaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

21 La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

22 La filiation moléculaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Contraction forte du nuage moleculaire --> densité dépasse celle des nuages moléculaires Gradient de conditions physiques --> chimie fonction de la position dans le nuage proro-stellaire

23 La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

24 La filiation moléculaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

25 La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

26 La filiation moléculaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

27 La filiation moléculaire Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

28 Pour conclure Ce chapitre est basé sur de nombreux faits observationnels, sur des prédictions théoriques, et aussi sur des idées qui servent de pistes de travail. 2. Les sujets abordés montrent que beaucoup de questions restent sans réponse, et font l'objet de nombreuses études. 3. Les sujets développés dans ce contexte démontrent que certaines questions scientifiques nécessitent réellement une collaboration étroite entre disciplines différentes (physique, chimie, astrophysique, géophysique...), en développant des approches pluridisciplinaires. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers


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