Le cube est un polyèdre maudit en chimie minérale moléculaire. Le problème vient du fait qu'il appartient de par sa géométrie à la famille des prismes qui ont la particularité d'avoir deux polygones de même nature face à face. Les atomes possédant un volume qui leur est propre et incompressible, avoir deux atomes qui se sont faces n'est pas une situation très confortable pour une molécule. Si on lui en offre la possibilité, elle préférera sûrement  la famille des antiprismes qui ne possèdent pas cette tare congénitale, puisque les deux polygones générateurs se mettent conformation décalée l'un par rapport à l'autre. Le cube ne fait donc pas le poids face à l'antiprisme à base carrée qui lui est systématiquement préféré. Pour obtenir des cubes ou des antiprismes à l'échelle moléculaire, il faut se tourner vers une classe d'atomes assez spéciaux appelés métaux de transition et qui peuvent utiliser jusqu'à 9 mains simultanément. Dans cette classe seuls les plus gros atomes et en particulier les actinides (nommés ainsi car beaucoup sont radioactifs) se prêtent à ce jeu de cache-cache entre le cube et l'antiprisme à base carrée, souvent troublé d'ailleurs par l'irruption sur la scène d'un deltaèdre à 12 faces triangulaires (dodécaèdre triangulaire ou bidisphénoïde).

Tu veux voir un atome à 9 mains? En voici un qui s'appelle le rhénium (Re) et qui forme en combinaison avec l'hydrogène un ion de formule [ReH₉]^2-. Il est obtenu en faisant réagir le perrhénate de potassium KReO4 avec le potassium métallique en présence d'éthylène diamine (H₂N-CH₂-CH₂-NH₂):

Le polyèdre formé par les 9 atomes d'hydrogène autour du rhénium est un tetrakaidecadeltaèdre obtenu en coiffant chacune des 3 faces carrées d'un prisme à base trigonale par un sommet supplémentaire. Mais revenons à nos antiprismes. Voici deux exemples typiques, l'un avec un métal de transition suffisamment gros (octafluorure de tantale [TaF₈]^3-), l'autre avec un actinide (octaisothiocyanate d'uranium [U(NCS)₈]^4-) que j'aime bien car il a la forme d'un joli oursin moléculaire:

Vois-tu comme les deux carrés s'évitent pour donner naissance à l'antiprisme? Que faire pour empêcher cette rotation et revenir au cube? D'abord avoir de la chance. Par exemple si tu remplace le tantale (Ta) par un actinide comme le protactinium (Pa), en gardant tout le reste pareil, le miracle se produit on obtient un joli cube [PaF₈]^3-. Ne me demandes surtout pas pourquoi!!! Si quelqu'un a eu une idée, il s'est bien gardé de la publier... On peut aussi forcer la main au système. Par exemple, en revenant au rhénium, on sait créer des liaisons quadruples Re-Re comme dans l'ion [Re₂Cl₈]^2-. Briser cette quadruple liaison par une rotation de 45° coûterait bien trop cher, et le cube apparaît donc comme un moindre mal.

Tu as dû sûrement remarquer que dans les exemples précédents, les polyèdres portaient tous des charges électriques négatives. De telles espèces sont appelées des ions et ont besoin pour exister d'espèces possédant des charges opposées (Na⁺, K⁺, Cs⁺, [NH₄]⁺...) car la matière doit rester en toute circonstances électriquement neutre. Existe-t-il des cubes non chargés? Oui bien qu'ils soient très rares. Ainsi on connaît l'espèce [U(bpy)₄], où les 8 atomes d'azote des 4 gorupements bipyridine forment un cube quasiment parfait autour d'un atome d'uranium métallique:

Es tu satisfait de tous ces exemples? Si oui, c'est que tu n'est pas très difficile. Pourquoi? Tout simplement parce que dans tous les exemples précédents, le cube n'existe pas!!! Il n'est là que dans ton imagination. Les véritables mains qui sont responsables de la structure de l'édifice partent du centre du polyèdre. Il n'y a aucune main sur les arêtes pour relier entre eux les atomes de fluor, de chlore ou d'azote. Il est donc temps de rencontrer un de ces fameux bandits de grands chemins qui peuvent obliger un atome d'oxygène à utiliser trois de ces mains (et non pas 2 comme il en a l'habitude), car comme tu le sais le cube est un polyèdre tri-connecté.

J'ai choisi de te présenter le manganèse (Mn). Pourquoi? Peut être parce que c'est un élément sans lequel la vie n'existerait pas sur terre. C'est en effet lui qui se cache dans le moindre brin d'herbe et permet l'oxydation de l'eau H₂O en dioxygène O₂. Il est en particulier responsable de la première grande catastrophe écologique qu'ait connu notre planète, et sans laquelle tu serais réduit à l'état peu enviable de protozoaire. Si tu as visité la page oueb consacrée à la synthèse du cubane, tu seras probablement impressionné par la simplicité avec laquelle on obtient un cube en chimie minérale. La synthèse se fait ici en une seule étape par simple mélange de 3 réactifs qui sont du diacétate de manganèse Mn(OAc)₂.4H₂O, de l'acide benzoïque Ph-COOH et du permanganate de tétrabutylammonium N(Buⁿ)₄MnO₄ dans un solvant comme la pyridine. Voilà, tu touilles un petit peu et quand tu retires le solvant tu obtient un produit brunâtre qui ressemble a peu près à ceci:

Regardes tout en bas, au coeur de ce grand chou-fleur qui s'est auto-assemblé tu trouves bien un petit cube formé de quatre atomes de manganèse et de 4 atomes d'oxygène. Tu vois aussi que le manganèse utilise 3 de ses 6 mains pour former le cube, tandis que les 3 autres servent à s'accrocher à la croûte organique qui enrobe le tout. Sympathique non? Mais il y encore plus fort. Dissous dans un mélange méthanol/THF du 2,2'-biphénol avec du dibenzoate de manganèse, et ajoutes goutte à goutte une solution méthanolique d'hydroxyde de tétraméthylammonium [Me₄N]OH. Tu touilles pendant 10 minutes, fait bouillir pendant 1 heure et obtiens en traitant à l'éthanol un supercubane, c'est à dire 8 petits cubes Mn₄O₄ empilés comme sait le faire ton petit frère de 2 ans... Ce supercubane te montres aussi la méchanceté de ce métal qui oblige certains atomes d'oxygène à sortir toutes les mains de leurs poches et les partager entre 5 brigands manganèse, alors qu'en général il n'en utilise qu'une ou deux!!!

Page inspirée par les travaux de:

* K₂ReH₉: S.C. Abrahams, A.P. Ginsberg et K. Knox, Inorg. Chem., 3, 558-567 (1964).

* Na₃TaF₈: J.L. Hoard, W.J. Martin, M.E. Smith et J.F. Whitney, J. Am. Chem. Soc., 76, 3820-3823 (1954).

* Cs₄[U(NCS)₈]: G. Bombieri, P.T. Moseley et D. Brown, J. Chem. Soc. Dalton Trans., 1520-1523 (1975).

* Na₃PaF₈: D. Brown, J.F. Easey et C.E.F. Rickard, J. Chem. Soc (A), 1161-1164 (1969).

* K₂Re₂Cl₈(H₂O)₂: F.A. Cotton et C.B. Harris , Inorg. Chem., 4, 330-336 (1965).

* [U(bpy)₄]: G. del Piero, G. Perego, A. Zazzeta et G. Brandi, Cryst. Struct. Commun., 521 (1975).

* [Mn₁₂O₁₂(O₂CR)₁₆(H₂O)₄]: R. Sessoli, H.L. Tsai, A.R. Schake, S. Wang, J.B. Vincent, K. Folting, D. Gatteschi, G. Christou et D.N. Hendrickson, J. Am. Chem. Soc., 115, 1804-1816 (1993).

* [Mn₁₃O₈(O₂CR)₁₂(EtOH)₆]: Z. sun, P.K. Gantzel et D.N. Hendrickson, Inorg. Chem. Soc., 35, 6640-6641 (1996).