Sujet de thèse avec financement : synthèse de matière organique analogue à celle des météorites carbonées

Sujet de thèse : Synthèse de matière organique analogue à celle des météorites carbonées

 Contact : Sylvie Derenne, DR1 CNRS, sylvie.derenne@upmc.fr, 01 44 27 35 14

Equipe de Géochimie organique et minérale de l’environnement, UMR BioEMCo, Université Pierre et Marie Curie, 4 place Jussieu, 75005 Paris

Les météorites carbonées sont les objets les plus primitifs du système solaire. Elles contiennent jusqu’à 4% de carbone qui se trouve principalement sous la forme de matière organique insoluble (MOI). Cette MOI recèle des informations clés sur l’histoire du système solaire et les processus d’organo-synthèse qui s’y déroulent, processus qui sont actuellement très mal connus. La MOI présente également un intérêt en exobiologie et elle contient des signatures extra-terrestres, caractéristiques qui la différencient de la matière organique terrestre comme celle présente dans les charbons (Binet et al. 2002, 2004). Il est donc essentiel de bien connaître sa structure chimique. Toutefois, de par son caractère insoluble et réfractaire, la caractérisation de cette MOI au niveau moléculaire requiert la mise en œuvre d’une large combinaison de techniques analytiques. De tels travaux ont été menés au cours de la dernière décennie et nous y avons largement contribué. Nous avons ainsi étudié la MOI de plusieurs météorites carbonées par diverses méthodes spectroscopiques (Infra-rouge à transformée de Fourier(IRTF), résonance magnétique nucléaire (RMN) du ¹³C et ¹⁵N à l’état solide, résonance paramagnétique électronique (RPE)), des dégradations chimiques (oxydation au RuO₄) et thermiques (pyrolyses avec ou sans agent méthylant) et des observations par microscopie électronique en transmission à haute résolution (METHR) (Gardinier et al., 2000, Derenne et al., 2005 ; Rémusat et al., 2005a,b ; Gourier et al., 2008 ; Delpoux et al., 2011). L’ensemble des informations acquises au cours de ces études a permis de proposer un modèle de structure moléculaire pour cette MOI et suggère une voie de synthèse, du moins pour le squelette hydrocarboné de cette structure (Derenne et Robert, 2010). La RPE a de plus permis de mettre en évidence des signatures extraterrestres dans la MOI.

L’objectif de ce sujet de thèse est de réaliser une synthèse dans des conditions visant à mimer la formation de la MOI des météorites carbonées. Pour cela, nous adapterons le dispositif expérimental « Nébulotron » décrit dans Robert et al., 2011. Afin d’induire la formation de radicaux organiques de petite taille, nous envisageons d’utiliser un hydrocarbure léger, tel que le pentane, comme substrat. La fraction insoluble produite lors de cette synthèse sera caractérisée par les mêmes techniques que celles précédemment employées pour déterminer la structure moléculaire de la MOI tandis que les hydrocarbures les plus légers seront directement analysés par couplage chromatographie gazeuse/spectrométrie de masse (CG/SM). Ces analyses permettront de tester une voie d’organo-synthèse pour la MO des météorites carbonées. Enfin, la MOI des météorites présente un fort enrichissement en deutérium dont nous avons étudié la localisation au niveau moléculaire (Rémusat et al. , 2006). Des expériences d’échange isotopique ont été menées sur une molécule modèle. Il sera intéressant de reproduire un tel échange avec la matière organique synthétisée dans le « Nébulotron ».

Binet et al. (2002) Geochimica et Cosmochimica Acta 66, 4177-4186. Binet et al. (2004) Meteoritics and Planetary Science 39, 1649-1654. Gardinier et al. (2000) Earth and Planetary Science Letters. 184, 9-21. Derenne et al. (2005) Geochimica et Cosmochimica Acta 69, 3911-3918. Rémusat et al. (2005) Geochimica et Cosmochimica Acta 69, 3919-3932. Rémusat et al. (2005) Geochimica et Cosmochimica Acta 69, 4377-4386. Gourier et al. (2008)  Geochimica et Cosmochimica Acta, 72, 1914-1923. Delpoux et al. (2011) Geochimica et Cosmochimica Acta, 75, 326–336. Derenne et Robert (2010) Meteoritics and Planetary Science, 45, 1461-1475. Marrocchi et al. (2005) Earth and Planetary Science Letters 236, 569-578. Rémusat et al.  (2006) Earth and Planetary Science Letters 243, 15-25

La pluridisciplinarité du sujet implique la mise en commun de compétences diverses. Il sera donc mené en étroite collaboration avec F. Robert (cosmochimie CNRS, MNHN, Paris) afin de bien contraindre les conditions de la synthèse. Les outils de chimie moléculaire sont disponibles et maîtrisés dans le laboratoire de S. Derenne ; de plus, D. Gourier (ChimieParisTech) et J.-N. Rouzaud (Géologie ENS) apporteront leur compétence en RPE et METHR, respectivement.  Il faut noter que cette collaboration a déjà fonctionné lors de l’étude de la MOI.

La structure chimique de la MOI des météorites n’ayant été établie que récemment, aucune tentative de synthèse d’analogue de cette matière organique n’a été envisagée jusqu’à présent. Cette étude sera donc pionnière. Elle est financée par le Labex « Matisse » de l’UPMC.