La découverte de nouveaux catalyseurs est un des axes majeur de la recherche chimie. Dans ce cadre, les études de réactivité chimique de composés spécifiques des métaux f (actinides et lanthanides) présentent un grand intérêt.

Les composés sandwichs (C₈H₈)₂M_f, et leurs dérivés anioniques [(Cot)₂M_f]^─, (M_f désignant un atome lanthanide ou actinide possédant des électrons f) sont des espèces de géométrie linéaire présentant généralement une très faible réactivité. Dans une étude comparative entre l'uranocène (C₈H₈)₂U, connu pour sa grande stabilité et son inertie chimique, et son analogue du thorium (C₈H₈)₂Th (thorocène), une grande différence de comportement chimique est observée. Au contraire de l’uranocène, le thorocène réagit très facilement avec des bases de Lewis neutres monodente ou bidente (L) [i] pour donner les produits d’additions (Cot)₂Th(L) où le fragment thorocène est coudé. La facilité de cette réaction est stupéfiante, faisant voler en éclat le dogme établissant que ces espèces ne peuvent pas piéger des ligands et ne peuvent exister qu’en configuration linéaire.  Dans ces nouveaux composés coudés, le changement de géométrie est promesse de nouvelles réactivités. Des études de chimie quantique (DFT) ont été menées pour tenter d’expliquer l’origine de cette différence de comportement entre les complexes d’uranium et de thorium.

En chimie, les "règles" du doublet, de l'octet et des 18 électrons permettent de concevoir des composés de grande stabilité chimique. Ces règles correspondent au principe de l'occupation complète des orbitales externes de chacun des atomes d'une molécule, soit respectivement s², (s², p⁶) et (s², p⁶, d¹⁰). Chaque atome dispose ainsi, en partage avec ses voisins, d'une structure électronique externe en couches complètes, de type gaz rare : He, Ar, Ne, Xe et Kr.

De la même façon, nous avons montré que des composés avec des liaisons impliquant 32 électrons, avec l'apport des quatorze électrons supplémentaires apportés par des orbitales 5f complètes, pouvaient être très stables. En montrant par des calculs de chimie quantique, la très grande stabilité d'une nouvelle famille de composés impliquant des liaisons à 32 e^- entre un atome métallique central (actinide) et une cage ligand (Si₂₀), la simple règle initiale tend à devenir un nouveau principe.

Ce travail de recherche fondamentale est mené au Laboratoire de Chimie de Coordination des Éléments f à Saclay (IRAMIS/SIS2M/LCCEf) en collaboration avec le Prof. Pekka Pyykkö (Université d’Helsinki, Finlande) et le Dr. Carine Clavaguéra (CNRS, Ecole Polytechnique, Palaiseau).

Les vésicules, simples compartiments dont la membrane isole deux milieux aqueux, sont proposées comme nano-réacteurs chimiques ou comme vecteurs pouvant transporter et délivrer à un emplacement ciblé des molécules d’intérêt, en imitation de fonctions biologiques (l'étude de l'échange entre cellules via des vésicules est l'objet du Prix Nobel de Physiologie-Médecine 2013). Constituée d'une simple membrane, une vésicule représente aussi un modèle grossier, mais le plus simple, d’une cellule biologique.

La présente étude a porté sur des vésicules encloses par une membrane composée de copolymères auto-assemblés (polymersomes), dont les propriétés de résistance mécaniques et de perméabilité sont très élevées. Ce travail de recherche, en collaboration entre une équipe du SIS2M et une de l'Université de Bordeaux-ENSBCP, publié dans ACS Nano, montre que des polymersomes faits de copolymères diblocs peuvent former des vésicules à double parois, sous l'effet des contraintes intenses subies lors d'un choc osmotique (comme celui qu'elle peuvent recevoir lors d'une injection dans un liquide riche en espèces chimiques comme le sang).

Ces effets ont été largement explorés, car la forme des vésicules est un paramètre essentiel de la bio-distribution et de l'internalisation cellulaire (endocytose), pour lesquelles les polymersomes sont d’excellents candidats à l’heure actuelle.

Une émulsion, mélange de deux liquides non miscibles, est stabilisée à l'aide d’une molécule spécifique tensioactive (la moutarde de la vinaigrette). Un des liquides forme alors des gouttes isolées au sein de la matrice continue de l'autre liquide. Le problème se complique fortement pour former des émulsions doubles, où l'on souhaite par exemple, par une structure en "poupées russes", disperser de l’eau dans des gouttes d’huile elles-mêmes dispersées au sein d’une matrice d’eau. Il faut alors pouvoir concilier des courbures antagonistes du tensioactif aux interfaces.

La maîtrise d'émulsions multiples est pourtant un enjeu important dans les domaines de la pharmacie, des cosmétiques ou de l'agro-alimentaire. Un travail de recherche en collaboration entre deux équipes du SIS2M et de l'ESPCI, publié dan Advanced Materials, montre que de nouveaux copolymères diblocs, de structure bien définie, permettent de former en une seule étape, et de stabiliser sur de long mois, des émulsions complexes de ce type.