Quadricyclane

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Quadricyclane
Image illustrative de l’article Quadricyclane
Structure du quadricyclane
Identification
Nom UICPA tétracyclo[3.2.0.02,7.04,6]heptane
No CAS 278-06-8
No ECHA 100.005.450
No CE 205-994-1
PubChem 78961
SMILES
InChI
Propriétés chimiques
Formule C7H8  [Isomères]
Masse molaire[1] 92,138 4 ± 0,006 2 g/mol
C 91,25 %, H 8,75 %,
Précautions
SGH[2]
SGH02 : InflammableSGH06 : Toxique
Danger
H225, H330, P210, P233, P240, P241, P242, P243, P260, P271, P280, P284, P320, P303+P361+P353, P304+P340, P370+P378, P405, P403+P233, P403+P235 et P501
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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Le quadricyclane est un hydrocarbure polycyclique tendu de formule chimique CH2(CH)6. Il s'agit d'un liquide volatil incolore. Sa tension de cycle élevée, de l'ordre de 329,5 kJ/mol, ne se relâche que lentement en donnant le norbornadiène, en l'absence de catalyseur[3]. Il fait l'objet de recherches pour le stockage de l'énergie, notamment de l'énergie solaire[4],[5],[6],[7]. Ces applications sont toutefois limitées par sa température de décomposition thermique inférieure à 400 °C.

Formation[modifier | modifier le code]

Le quadricyclane se forme à partir de norbornadiène par irradiation par les ultraviolets de longueur d'onde jusqu'à 300 nm en présence de sensibilisants tels que la cétone de Michler[8],[9]. Il est possible d'utiliser d'autres sensibilisants tels que l'acétone, la benzophénone, l'acétophénone et le chlorure de cuivre(I)[10], mais avec un rendement inférieur. Si les rendements sont optimaux avec du norbornadiène fraîchement distillé, ils restent satisfaisants avec les structures commercialisés[11].

  • Conversion norbornadiène  '"`UNIQ--postMath-00000001-QINU`"'  quadricyclane.
    Conversion norbornadiène    quadricyclane.

La réaction inverse est possible à des températures supérieures à 100 °C, en présence de complexes métalliques catalyseurs tels que les porphyrines métalliques[10] comme la phtalocyanine de cobalt sur substrat carbone, noté CoPc@C[12].

Applications[modifier | modifier le code]

La relaxation du quadricyclane en norbornadiène libère l'énergie de tension de cycle sous forme d'une variation d'enthalpie ΔH = −89 kJ/mol. Cette réaction a été proposée pour le stockage de l'énergie solaire[3],[13]. Cependant, la limite d'absorption des rayonnements électromagnétiques est de l'ordre de 300 nm alors que l'essentiel du rayonnement solaire se situe au-delà de 400 nm. Divers dérivés du norbornadiène, notés NBDn, et du quadricyclane, notés QCn, avec n = 1, 2, 3, etc., sont étudiés pour optimiser le stockage de l'énergie solaire dans ce type de matériaux[12],[14].

Il a également été étudié comme additif de carburant ou de propergols en astronautique, mais sa décomposition thermique à moins de 400 °C limite ce potentiel, ces systèmes devant pouvoir fonctionner au-dessus de 500 °C[15].

Réactions[modifier | modifier le code]

Le quadricyclane réagit facilement avec l'acide acétique pour donner un mélange d'acétate de nortricyclyle et d'acétate d’exo-norbornyle[3]. Il réagit également avec divers diénophiles pour former des adduits 1:1[11].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. ↑ Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. ↑ (en) « Quadricyclane (Compound) », sur pubchem.ncbi.nlm.nih.gov, NIH > NLM > NCBI > PubChem (consulté le ).
  3. ↑ a b et c (en) Viacheslav A. Petrov et Nikolai V. Vasil'ev, « Synthetic Chemistry of Quadricyclane », Current Organic Synthesis, vol. 3, no 2,‎ , p. 215-259 (lire en ligne)
  4. ↑ (en) Ambra Dreos, Zhihang Wang, Jonas Udmark, Anna Ström, Paul Erhart, Karl Börjesson, Mogens Brøndsted Nielsen et Kasper Moth-Poulsen, « Liquid Norbornadiene Photoswitches for Solar Energy Storage », Advanced Energy Materials, vol. 8, no 18,‎ , article no 1703401 (DOI 10.1002/aenm.201703401, lire en ligne)
  5. ↑ (en) Mads Mansø, Anne Ugleholdt Petersen, Zhihang Wang, Paul Erhart, Mogens Brøndsted Nielsen et Kasper Moth-Poulsen, « Molecular solar thermal energy storage in photoswitch oligomers increases energy densities and storage times », Nature Communications, vol. 9, no 1,‎ , article no 1945 (PMID 29769524, PMCID 5956078, DOI 10.1038/s41467-018-04230-8, Bibcode 2018NatCo...9.1945M, lire en ligne Accès libre)
  6. ↑ (en) « Emissions-free energy system saves heat from the summer sun for winter », sur mynewsdesk.com, (consulté le ).
  7. ↑ (en) Wayt Gibbs, « Scientists are trying to bottle solar energy and turn it into liquid fuel », sur nbcnews.com, NBCNews.com, (consulté le ).
  8. ↑ (en) P. S. Kalsi, Organic Reactions And Their Mechanisms, New Age International, 2000, p. 366. (ISBN 978-8-122-41268-0)
  9. ↑ (en) Paul Cahill et Richard Steppel pour Exciton Inc, Brevet U.S. 20040054244A1 : Process of quadricyclane production, déposé le 12 septembre 2003, publié le 18 mars 2004, sur Google Patents.
  10. ↑ a et b (de) Dieter Wöhrle, Michael W. Tausch et Wolf-Dieter Stohrer, Photochemie: Konzepte, Methoden, Experimente, Dieter Wöhrle, Michael W. Tausch, Wolf-Dieter Stohrer, John Wiley & Sons, 2012. (ISBN 3-527-66088-7)
  11. ↑ a et b (en) Claibourne D. Smith, « Quadricyclane », Organic Syntheses, vol. 51,‎ , p. 133 (DOI 10.15227/orgsyn.051.0133, lire en ligne)
  12. ↑ a et b (en) Zhihang Wang, Anna Roffey, Raul Losantos, Anders Lennartson, Martyn Jevric, Anne U. Petersen, Maria Quant, Ambra Dreos, Xin Wen, Diego Sampedro, Karl Börjesson et Kasper Moth-Poulsen, « Macroscopic heat release in a molecular solar thermal energy storage system », Energy & Environmental Science, vol. 12, no 1,‎ , p. 187-193 (DOI 10.1039/c8ee01011k, lire en ligne Accès libre)
  13. ↑ (en) Constantine Philippopoulos, Dimitrios Economou, Constantine Economou et John Marangozis, « Norbornadiene-quadricyclane system in the photochemical conversion and storage of solar energy », Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, vol. 22, no 4,‎ , p. 627-633 (DOI 10.1021/i300012a021, lire en ligne)
  14. ↑ (en) Patrick Lorenz, Tobias Luchs et Andreas Hirsch, « Molecular Solar Thermal Batteries through Combination of Magnetic Nanoparticle Catalysts et Tailored Norbornadiene Photoswitches », Chemistry, vol. 27, no 15,‎ , p. 4993-5002 (PMID 33449419, PMCID 7986914, DOI 10.1002/chem.202005427, lire en ligne Accès libre)
  15. ↑ (en) R. C. Striebich et J. Lawrence, « Thermal decomposition of high-energy density materials at high pressure and temperature », Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, vol. 70, no 2,‎ , p. 339-352 (DOI 10.1016/S0165-2370(02)00181-X, lire en ligne)
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