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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. Astrophysique et astrochimie. Plan du chapitre 3. 3.1. Contenu moléculaire de la Galaxie 3.1.1. Composés inorganiques 3.1.2. Hydrocarbures

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Astrophysique et astrochimie

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Presentation Transcript

  1. Michaël De Becker Masters en Sciences Chimiques et Sciences Géologiques 2013-2014 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Astrophysique et astrochimie

  2. 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

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

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

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

  6. 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

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

  8. 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

  9. 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…

  10. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

  11. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers 2 grandes classes de PAHs • Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles • Péricondensés: C appartenant à 3 cycles • PAHs: structure des PAHs

  12. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers 2 grandes classes de PAHs • Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles • Péricondensés: C appartenant à 3 cycles acènes : linéaires phènes : coudés • PAHs: structure des PAHs

  13. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers 2 grandes classes de PAHs • Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles • Péricondensés: C appartenant à 3 cycles • PAHs: structure des PAHs

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

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

  16. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers • PAHs: chimie des PAHs : photochimie Absorption d’un photon UV  2 scénarios: relaxation radiative ou photodissociation

  17. 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

  18. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers • PAHs: chimie des PAHs : réactions bimoléculaires Réaction avec un électron: Réaction d’échange de charges: Réaction ion-molécule:

  19. 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!

  20. 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)

  21. 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

  22. 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

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

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

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

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

  27. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers 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 • Autres composés organiques: hétérocycles

  28. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers 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 • Autres composés organiques: hétérocycles 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...

  29. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers 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 • Autres composés organiques: hétérocycles 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...

  30. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers 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 • Autres composés organiques: hétérocycles 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...

  31. 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!!

  32. Chapitre 3: Molécules dans l'Univers • Chronologie de quelques découvertes Voir site web: http://www.astrochymist.org/

  33. 1940 1970 1950 1960 Radical méthylidyne 1937 CH

  34. 1940 1970 1950 1960 1937 CH 1941 CH+ 1940 CN

  35. 1940 1970 1950 1960 1937 CH 1941 CH+ 1963 OH 1969 H2O H2CO 1940 CN 1968 NH3

  36. 1970 2000 1980 1990 1970 CO CH3OH 1975 CH3CH2OH HCOOCH3 SO2 NH2CN 1973 CH3CHO CH2NH H2CS 1974 CH3OCH3 CH3NH2 1971 HCN HCOOH SiO CH3CN NH2CHO 1972 H2S

  37. 1970 2000 1980 1990 1976 C2H2 HC5N 1978 HC7N HC9N C4H NO 1979 CH3SH OCN- 1977 CH3CH2CN H2CCO

  38. 1970 2000 1980 1990 1981 C2H4 1987 (CH3)2CO NaCl 1989 CO2 1984 SiH4 1985 HCl

  39. 1970 2000 1980 1990 1991 CH4 2000 CH2OHCHO 1997 CH3COOH HC11N

  40. 2000 2015 2005 2010 2008 NH2CH2CN 2001 C6H6 2004 N2 2006 CH3CONH2 2002 HOCH2CH2OH

  41. 2000 2015 2005 2010 2008 NH2CH2CN 2001 C6H6 2004 N2 2006 CH3CONH2 H2O 2002 HOCH2CH2OH

  42. 2000 2015 2005 2010 2010 C60 C70 2011 H2O2 O2 2013 CH3CHNH HNCHCN 2012 HNCNH

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