Une classe entièrement nouvelle de composés chimiques super-réactifs, les trioxydes, a été découverte dans les conditions atmosphériques.
Pour la première fois, une classe entièrement nouvelle de composés chimiques super-réactifs a été découverte dans des conditions atmosphériques. Des scientifiques de l’Université de Copenhague, en étroite collaboration avec des collègues internationaux, ont documenté la formation de ce que l’on appelle les trioxydes – un composé chimique extrêmement oxydant qui affecte probablement à la fois la santé humaine et notre climat global.
Le peroxyde d’hydrogène est un composé chimique communément connu. Comme tous les peroxydes ont deux atomes d’oxygène attachés l’un à l’autre, ils sont très réactifs et souvent combustibles et explosifs. Ils sont utilisés pour tout, du blanchiment des dents et des cheveux au nettoyage des plaies, et même comme carburant pour fusées. Cependant, les peroxydes sont également présents dans l’air qui nous entoure.
Ces dernières années, on s’est demandé si les trioxydes – des composés chimiques comportant trois atomes d’oxygène liés les uns aux autres et donc encore plus réactifs que les peroxydes – étaient également présents dans l’atmosphère. Mais jusqu’à présent, cela n’avait jamais été prouvé sans équivoque.
“C’est ce que nous venons d’accomplir”, déclare le professeur Henrik Grum Kjærgaard, du département de chimie de l’université de Copenhague. Kjærgaard est l’auteur principal de l’étude, publiée le 26 mai 2022 dans la prestigieuse revue, Science.
Le professeur Henrik Grum Kjærgaard dans son laboratoire. Crédit : Université de Copenhague
Il poursuit :
“Le type de composés que nous avons découvert est unique dans sa structure. Et, comme ils sont extrêmement oxydants, ils apportent très probablement une foule d’effets que nous n’avons pas encore découverts.”
Les hydrotrioxydes (ROOOH), comme on les appelle, constituent une classe totalement nouvelle de composés chimiques. Des chercheurs de l’Université de Copenhague (UCPH), en collaboration avec des collègues de l’Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) et de l’Institut de technologie de Californie (Caltech), ont démontré que ces composés se forment dans des conditions atmosphériques.
Réaction : ROO + OH ROOOH (atomes d’oxygène en rouge). Lorsque des composés chimiques sont oxydés dans l’atmosphère, ils réagissent souvent avec les radicaux OH, formant généralement un nouveau radical. Lorsque ce radical réagit avec l’oxygène, il forme un troisième radical appelé peroxyde (ROO), qui peut à son tour réagir avec le radical OH, formant ainsi des hydrotrioxydes (ROOOH). Crédit : Université de Copenhague
Les chercheurs ont également montré que les hydrotrioxydes se forment lors de la décomposition atmosphérique de plusieurs substances connues et largement émises, dont l’isoprène et le sulfure de diméthyle.
“Il est assez significatif que nous puissions maintenant montrer, par une observation directe, que ces composés se forment réellement dans l’atmosphère, qu’ils sont étonnamment stables et qu’ils sont formés à partir de presque tous les composés chimiques. Toutes les spéculations doivent maintenant être mises au placard”, déclare Jing Chen, doctorant au département de chimie et deuxième auteur de l’étude.
Combien ?
- L’isoprène est l’un des composés organiques les plus fréquemment émis dans l’atmosphère. L’étude montre qu’environ 1% de tout l’isoprène rejeté se transforme en hydrotrioxydes.
- Les chercheurs estiment que les concentrations de ROOOH dans l’atmosphère sont d’environ 10 millions par cm.3. En comparaison, les radicaux OH, l’un des oxydants les plus importants dans l’atmosphère, se trouvent à environ 1 million de radicaux par cm3.
Les hydrotrioxydes se forment lors d’une réaction entre deux types de radicaux (voir illustration ci-dessous). Les chercheurs s’attendent à ce que presque tous les composés chimiques forment des hydrotrioxydes dans l’atmosphère et estiment que leur durée de vie varie de quelques minutes à quelques heures. Ils sont donc suffisamment stables pour réagir avec de nombreux autres composés atmosphériques.
Vraisemblablement absorbés dans les aérosols
L’équipe de recherche soupçonne également fortement les trioxydes de pouvoir pénétrer dans de minuscules particules en suspension dans l’air, appelées aérosols, qui représentent un danger pour la santé et peuvent entraîner des maladies respiratoires et cardiovasculaires.
“Ils vont très probablement pénétrer dans les aérosols, où ils formeront de nouveaux composés avec de nouveaux effets. Il est facile d’imaginer que de nouvelles substances se forment dans les aérosols, qui sont nocives si elles sont inhalées. Mais des recherches plus approfondies sont nécessaires pour étudier ces effets potentiels sur la santé”, déclare Henrik Grum Kjærgaard.
Bien que les aérosols aient également un impact sur le climat, ils sontl’un des éléments les plus difficiles à décrire dans les modèles climatiques. Et selon les chercheurs, il est fort probable que les hydrotrioxydes aient un impact sur la quantité d’aérosols produits.
Installation de laboratoire de l’expérience d’écoulement à jet libre au TROPOS à Leipzig, qui a permis de prouver pour la première fois que la formation d’hydrotrioxydes (ROOOH) a également lieu dans des conditions atmosphériques à partir de la réaction de radicaux peroxy (RO2) avec des radicaux hydroxyle (OH). Crédit : Tilo Arnhold, TROPOS
“La lumière solaire étant à la fois réfléchie et absorbée par les aérosols, cela affecte le bilan thermique de la Terre, c’est-à-dire le rapport entre la lumière solaire que la Terre absorbe et celle qu’elle renvoie dans l’espace. Lorsque les aérosols absorbent des substances, ils se développent et contribuent à la formation de nuages, ce qui affecte également le climat de la Terre”, explique Eva R. Kjærgaard, co-auteur et doctorante.
L’effet du composé doit être étudié plus avant
Les chercheurs espèrent que la découverte des hydrotrioxydes nous aidera à en savoir plus sur les effets des substances chimiques que nous émettons.
“La plupart des activités humaines conduisent à l’émission de substances chimiques dans l’atmosphère. Il est donc important de connaître les réactions qui déterminent la chimie de l’atmosphère si nous voulons être en mesure de prédire comment nos actions affecteront l’atmosphère à l’avenir”, explique Kristan H. Møller, co-auteur et postdoc.
Jusqu’à présent, il n’y avait que des spéculations sur les hydrotrioxydes (ROOOH), que ces composés organiques avec le groupe inhabituel OOOH existeraient. Des expériences en laboratoire au TROPOS de Leipzig ont permis de démontrer clairement leur formation lors de l’oxydation d’hydrocarbures importants, tels que l’isoprène et l’alpha-pinène. Crédit : Tilo Arnhold, TROPOS
Cependant, ni lui ni Henrik Grum Kjærgaard ne sont inquiets de cette nouvelle découverte :
“Ces composés ont toujours existé, mais nous ne les connaissions pas. Mais le fait que nous ayons maintenant la preuve que les composés se forment et vivent pendant un certain temps signifie qu’il est possible d’étudier leur effet de manière plus ciblée et de réagir s’ils s’avèrent dangereux”, déclare Henrik Grum Kjærgaard.
“Cette découverte suggère qu’il pourrait y avoir beaucoup d’autres choses dans l’air que nous ne connaissons pas encore. En effet, l’air qui nous entoure est un énorme enchevêtrement de réactions chimiques complexes. En tant que chercheurs, nous devons garder l’esprit ouvert si nous voulons améliorer notre capacité à trouver des solutions”, conclut Jing Chen.
Référence : “Hydrotrioxide (ROOOH) formation in the atmosphere” par Torsten Berndt, Jing Chen, Eva R. Kjærgaard, Kristian H. Møller, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann, Hartmut Herrmann, John D. Crounse, Paul O. Wennberg et Henrik G. Kjaergaard, 26 mai 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abn6012
A propos de l’étude
- Alors que les théories à l’origine des nouveaux résultats de recherche ont été élaborées à Copenhague, les expériences ont été menées à l’aide de la spectrométrie de masse, en partie à l’Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) en Allemagne, et en partie à l’Institut de technologie de Californie (Caltech) aux États-Unis.
- Bien que des concentrations plus élevées doivent être utilisées dans de nombreuses expériences, ces expériences sont réalisées dans un environnement presque identique à l’atmosphère, ce qui rend les résultats très fiables et comparables à l’atmosphère. La mesure des hydrotrioxydes a été rendue possible par l’utilisation d’instruments de mesure incroyablement sensibles.
- L’étude a été menée par : Torsten Berndt, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann et Hartmut Hermann de l’Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) ; Jing Chen, Eva R. Kjærgaard, Kristian H. Møller et Henrik Grum Kjærgaard du département de chimie de l’Université de Copenhague ; et John D. Crounse et Paul O. Wennberg de Caltech.
