Etude du basculement du profil énergétique d’une réaction chimique par couplage vibrationnel fort pour le contrôle de la sélectivité de site

Tilting a ground-state reactivity landscape by vibrational strong coupling

• Auteur / Autrice : Lucas Lethuillier-Karl
• Direction : Joseph Moran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Jay S. Siegel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Moran, Jay S. Siegel, Albrecht Berkessel, Sami Lakhdar, Thomas Ebbesen, Nicolas Javahiraly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Albrecht Berkessel, Sami Lakhdar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets de la lumière

Particules (matière)

Chimie sous rayonnement

Photocatalyse

Spectres de vibration

Photochimie

Mots clés libres

Interactions lumière-matière

Couplage vibrationnel fort

Séléctivité de site

Light-matter Interactions

Site-selectivity

Vibrational Strong Coupling

Résumé

La nature de la lumière et des phénomènes qui lui sont associés est l'objet de réflexions intellectuelles et scientifiques depuis l'Antiquité. Très tôt, notre compréhension de la lumière a été associée à l'environnement dans lequel elle se propage. Lorsque l’on s'est rendu compte grâce à la physique quantique que même le vide n'était pas ''rien'', des modifications de plusieurs propriétés de la matière ont été réalisées simplement en contrôlant son environnement. Le cœur de ce manuscrit de thèse porte sur le couplage vibrationnel fort (VSC). Il s’agit d’une nouvelle approche exploitant les interactions lumière-matière, que nous avons utilisée pour contrôler le déroulement et l’issue de réactions chimiques, en structurant le champ EM à l'intérieur de cavités optiques. Plus particulièrement, un système réactionnel a été élaboré pour démontrer la capacité du VSC à favoriser la formation d'un produit relativement à un autre. De récents résultats préliminaires, obtenus avec un autre système réactionnel, ont également montré que le VSC pourrait être utilisé pour faire de la catalyse en cavité. Ainsi, cette méthode à température ambiante et à champ faible a le potentiel de devenir un outil quotidien pour les chimistes, leur permettant de contrôler physiquement la réactivité chimique sans catalyseurs, sans pré-fonctionnalisation ou changements chimiques dans les conditions de réaction et pourrait également fournir un nouvel outil pour les études mécanistiques.

The nature of light has been the subject of intellectual and scientific inquiry since antiquity. Very early on, the conception of light was associated with the environment in which it propagates. When it was realized through quantum physics that even vacuum was not ''nothing'', modifications of several properties of matter were achieved simply by controlling its environment. The core of this thesis manuscript focuses on vibrational strong coupling (VSC). We have used this new approach that harnesses light-matter interactions, in order to control chemical reaction landscapes by structuration of the electromagnetic field inside optical cavities. More precisely, a reaction system was designed to demonstrate the ability of VSC to drive the formation of one product relatively to another. Recent preliminary results, obtained with another reaction system, have also shown that VSC could be used for cavity catalysis. Thus, this weak-field room-temperature method has the potential to become an everyday tool for chemists to physically control chemical reactivity without catalysts, pre-functionalization, or chemical changes to the reaction conditions and could also provide a new tool for mechanistic studies.