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
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers 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 PAHs: un constituant du milieu interstellaire Observations IR : bandes d’émission à 3.29, 6.2, 8.6, et 11.3 m
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers 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 PAHs 2 grandes classes de PAHs Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles Péricondensés: C appartenant à 3 cycles
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers PAHs: structure des PAHs 2 grandes classes de PAHs Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles Péricondensés: C appartenant à 3 cycles acènes : linéaires phènes : coudés
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers PAHs: structure des PAHs 2 grandes classes de PAHs Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles 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 bimoléculaires Réaction 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: carbohydrates Carbohydrates 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, G Pyrimidine: 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, G Pyrimidine: 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 le milieu interstellaire: Petites molécules cycliques (à confirmer…) Hétérocycles dans les météorites: De nombreuses détections, y compris de molécules proches de la pyrimidine!!
Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Chronologie de quelques découvertes Voir site web: http://www.astrochymist.org/
1940 1950 1960 1970 1937 CH Radical méthylidyne
1940 1950 1960 1970 1937 CH 1941 CH+ 1940 CN
1940 1950 1960 1970 1937 CH 1941 CH+ 1963 OH 1969 H2O H2CO 1940 CN 1968 NH3
CO CH3OH CH3CHO CH2NH H2CS CH3OCH3 CH3NH2 CH3CH2OH HCOOCH3 SO2 NH2CN 1970 1980 1990 2000 1970 CO CH3OH 1973 CH3CHO CH2NH H2CS 1974 CH3OCH3 CH3NH2 1975 CH3CH2OH HCOOCH3 SO2 NH2CN 1971 HCN HCOOH SiO CH3CN NH2CHO 1972 H2S
C2H2 HC5N HC7N HC9N C4H NO CH3SH OCN- CH3CH2CN H2CCO 1970 1980 1990 2000 1976 C2H2 HC5N 1978 HC7N HC9N C4H NO 1979 CH3SH OCN- 1977 CH3CH2CN H2CCO
C2H4 (CH3)2CO NaCl CO2 SiH4 HCl 1970 1980 1990 2000 1981 1987 1989 1984 SiH4 1985 HCl
1970 1980 1990 2000 1991 CH4 2000 CH2OHCHO 1997 CH3COOH HC11N
NH2CH2CN C6H6 N2 CH3CONH2 HOCH2CH2OH 2000 2005 2010 2015 2008 2001 2004 N2 2006 CH3CONH2 2002 HOCH2CH2OH
NH2CH2CN C6H6 N2 CH3CONH2 H2O HOCH2CH2OH 2000 2005 2010 2015 2008 2001 2004 N2 2006 CH3CONH2 H2O 2002 HOCH2CH2OH
C60 C70 H2O2 O2 CH3CHNH HNCHCN HNCNH 2000 2005 2010 2015 2010 2011 2013 CH3CHNH HNCHCN 2012 HNCNH