Résumé :

La composition chimique du milieu interstellaire (ISM) est de mieux en mieux connue grâce aux observations permettant la découverte d’un nombre croissant de nouvelles espèces moléculaires. Afin de comprendre l’évolution des différents environnements de l’ISM, on recourt à des modèles consistant en des réseaux chimiques décrivant les voies de formation et de destruction des espèces observées. Pour construire de tels modèles, il est nécessaire d’étudier les processus afin d’apporter des informations quantitatives décrivant les réactions chimiques. La chimie de l’ISM repose en grande partie sur les réactions ion-molécule car celles-ci, étudiables à l’aide de spectromètres de masse, se produisent sans barrière d’activation et se produisent aisément dans l’environnement froid de l’ISM.

Au cours de mon travail de thèse, l’instrument CERISES a permis l’étude de réactions ion-molécule. Cet instrument, qui est un spectromètre de masse de type guide d’ion, permet un contrôle de l’énergie impartie aux réactifs au moment de la réaction. On peut en effet contrôler l’énergie interne des ions, en utilisant les photons VUV du synchrotron SOLEIL comme source d’ionisation, et l’énergie de collision, via l’énergie cinétique impartie aux ions parents avant la collision.

L’étude de la réactivité des deux isomères du monoxyde de carbone protoné, HCO⁺ et HOC⁺, a été réalisée avec 14 cibles différentes. Ces cibles, toutes présentes dans l’ISM, ont permis la mise en place d’une échelle d’affinité protonique et d’énergie d’ionisation. Deux précurseurs différents ont été utilisés pour générer les ions HCO⁺ et HOC⁺ par photoionisation dissociative : le formaldéhyde, H₂CO, qui génère une population d’ions HCO⁺ pure et le méthanol deutérié, CD₃OH, qui génère une population pure à plus de 90 % d’ions HOC⁺. Ces mesures, réalisées sur la ligne DESIRS du synchrotron SOLEIL, ont mis en évidence le transfert de proton comme réaction majeure pour les deux ions. Les seuils expérimentaux observés en fonction de l’énergie de photon pour cette réaction sont cohérents avec les seuils attendus en combinant les enthalpies de réaction et l’énergie d’apparition des deux cations. L’étude de la réactivité de DCO⁺, la forme deutériée de HCO⁺, a permis la détermination des sites de protonation des cibles étudiées ainsi que d’attribuer les produits issus du transfert de proton dissociatif. L’étude de l’isomérisation induite par la collision de HOC⁺ en HCO⁺ a été menée à l’aide d’une nouvelle méthode innovante qui combine à la fois des mesures de temps de vol des ions dans l’instrument CERISES et des simulations du processus d’isomérisation catalysée à l’aide du logiciel SIMION.

La réactivité des anions CN^- et C₃N^- a également été explorée avec quatre cibles oxygénées : les acides formique et acétique, l’acétaldéhyde et le méthanol. Les deux anions parents ont été générés à l’aide de l’attachement électronique dissociatif de, respectivement, BrCN et BrC₃N. La mise au point d’une méthode de génération d’anions, stable dans le temps et intense, au sein de l’instrument CERISES a nécessité de nombreux développements instrumentaux. Une réaction de transfert de proton est observée pour les deux anions parents avec les quatre cibles. Cette réaction présente des seuils de réactivité en fonction de l’énergie de collision qui sont cohérents avec les enthalpies de réaction. Une réaction de transfert d’oxygène est également observée. Cette réaction d’oxydo-réduction des anions CN^- et C₃N^- mène à la formation d’OCN^- ou OC₃N^-, respectivement. La formation d’OCN^- n’est observée pour CN^- qu’avec le méthanol et l’acétaldéhyde, qui présentent un transfert de proton endothermique. La formation d’OC₃N^- à partir de C₃N^- est, elle, observée avec les quatre cibles étudiées. Cela a permis de mettre en évidence une compétition entre les réactions de transfert de proton et de transfert d’oxygène. C’est également le signe de la formation d’un complexe ion-molécule différent entre les deux anions parents.