Cryochimie : des réactions chimiques accélérées par la congélation

La vitesse des réactions chimiques est généralement réduite, voire inhibée, à l'état congelé. Pourtant, des études ont montré que certaines réactions en solution peuvent être accélérées par la congélation. Les chercheurs considèrent que l'effet cryoconcentration serait le principal facteur derrière le mécanisme d'accélération des réactions dans un système congelé. ^[1]

 

L'effet de cryconcentration est le résultat de la transformation de l'eau en cristaux de glace d'une pureté relativement élevée pendant la congélation. La glace est intolérante aux impuretés, et les atomes étrangers ne peuvent pas pénétrer une structure de glace. Par conséquent, tous les composants non aqueux migrent vers la solution cryoconcentrée et se retrouvent concentrés dans une phase liquide réduite. Dans ces poches liquides de solutés hautement concentrés, les réactions chimiques se produisent à un rythme plus rapide. L'accélération causée par l'effet de cryoconcentration est supérieure à l'inhibition causée par la congélation, de sorte que la réaction chimique est donc accélérée par la congélation. 

 

Applications des cryoréactions dans la chaîne du froid ^[1]

 

L'étude des réactions accélérées indésirables à basse température et des modifications des aliments, des produits protéiques et des médicaments qui en résultent est cruciale pour prolonger la période de stockage et maintenir la sécurité des aliments, des réactifs biologiques et des médicaments. 

 

Le nitrite de sodium est souvent ajouté à la viande transformée et de nombreuses amines sont utilisées comme additifs pour la coloration des aliments. Malheureusement, des études récentes ont révélé que la réaction de la diméthylamine et du nitrite pour produire de la N-nitrosodiméthylamine (NDMA), qui est un agent cancérigène, pouvait être accélérée lorsqu'elle se produit dans des solutions concentrées congelées. Des quantités dangereuses de nitrosamines cancérigènes pourraient être produites si cette réaction avait lieu durant la congélation. Par conséquent, l'étude de la réaction de N-nitrosation dans les systèmes congelés est très importante pour la cryoconservation des aliments. 

 

Dans la chaîne du froid pharmaceutique, les chercheurs étudient la stabilité des médicaments ou des réactifs biologiques qui doivent être stockés à l’état congelé pendant de longues périodes. Par exemple, pour la plupart des médicaments protéiques, la prévention et la réduction de l'agrégation des protéines sont essentielles pour maintenir leur stabilité. Or, lorsqu'une solution aqueuse contenant du phosphate monosodique et disodique est congelée, la cristallisation sélective de l'hydrogénophosphate disodique entraîne une diminution du pH du liquide congelé, ce qui peut provoquer la dégradation des protéines. La recherche sur les changements de pH par la congélation peut aider à fournir une solution pour stabiliser le pH et ainsi empêcher l'agrégation des protéines. 

 

Applications des cryoréactions pour la dépollution ^[1-4]

 

Il existe un nombre croissant d'études sur les cryoréactions pour la dégradation des polluants dans les régions froides, qui sont des systèmes naturels congelés. Par exemple, des études récentes ont montré que dans un environnement à −20 °C, l'IO₄^- peut dégrader le furfural (FFA) et d'autres polluants organiques (tryptophane, 4-chlorophénol, bisphénol A et phénol) alors que la dégradation de ces substances organiques est impossible dans l'eau à 25 °C. Par conséquent, par rapport à d'autres méthodes d'activation de la même dose de IO₄^-, la congélation permet de dégrader davantage de polluants organiques. ^[1]

 

Parmi les contaminants préoccupants, les antibiotiques sont de plus en plus souvent détectés dans les écosystèmes aquatiques du monde entier, ce qui témoigne de leur utilisation généralisée pour la santé animale et humaine. Les antibiotiques peuvent avoir un impact toxique direct sur les organismes aquatiques. Les sulfamides, en particulier le sulfaméthoxazole (SMX) et la sulfaméthazine (SMZ), sont les antibiotiques les plus fréquemment détectés dans les écosystèmes contaminés. ^[2-4] Des études récentes ont montré que les réactions chimiques qui peuvent contribuer à la dégradation du SMX sont négligeables à température ambiante mais significativement accélérées dans des conditions de congélation. ^[1]

 

La congélation favorise certaines réactions chimiques, ce qui est avantageux pour le traitement des polluants dans les régions froides de façon plus efficace sur le plan énergétique et plus écologique. Ces réactions accélérées pourraient devenir à l'avenir des armes importantes pour la protection de l'environnement écologique dans les régions froides. ^[1]

 

 

Sources 

[1] An L-Y, Dai Z, Di B, Xu L-L. Advances in Cryochemistry: Mechanisms, Reactions and Applications. Molecules. 2021; 26(3):750. https://doi.org/10.3390/molecules26030750  
[2] Pesce, S., Kergoat, L., Paris, L., Billet, L., Besse-Hoggan, P., & Bonnineau, C. (2021). Contrasting Effects of Environmental Concentrations of Sulfonamides on Microbial Heterotrophic Activities in Freshwater Sediments. Frontiers in Microbiology, 12. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.753647 

[3] Which factors make drugs persistent? A look at sulphonamides in Polish rivers.  “Science for Environment Policy”: European Commission DG Environment News Alert Service. Issue 480. 12 January 2017.  https://ec.europa.eu/environment/integration/research/newsalert/archive_yr/archive2017.htm 
[4] Kergoat L, Besse-Hoggan P, Leremboure M, et al. Environmental Concentrations of Sulfonamides Can Alter Bacterial Structure and Induce Diatom Deformities in Freshwater Biofilm Communities. Front Microbiol. 2021;12:643719. Published 2021 May 7. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.643719