I.    La saga chimie organique

 

La chimie organique… Terme un peu mystérieux qui nous ferait passer pour des docteurs Frankenstein, à manipuler ainsi les molécules de la vie.

Car on croyait, aux débuts de cette science, que les composés organique possédaient une sorte de force, qualifiée de ‘vitale’, qui les différenciaient sans équivoque des composés dits inorganiques et qui seule permettait leur édification dans des organismes vivants.

 

Cette théorie vitaliste sera abandonnée peu après que l’on ait réussi à transformer des composés minéraux en des substances en tout points identiques à celles que produisent les êtres vivants. La théorie, voulant que les propriétés des composés organiques découlent d’une force ne se trouvant que dans les organismes vivants (animaux et végétaux), se trouvait prise en défaut.

La toute première synthèse de ce type date de 1828 et revient à un chimiste allemand : Frédéric Wöhler. Par chauffage du cyanate de plomb en présence d’ammoniac, il obtint tout d’abord du cyanate d’ammonium qui s’isomérisa ensuite en urée :

 

Pb(OCN)2 + 2 H2O + 2 NH3 à Pb(OH)2 + 2 NH4CNO à 2 H2NCONH2

Cyanate                                                                              Cyanate                        Urée       

 de plomb                                                                          d’ammonium                                    

     

Il déclara alors : « Je peux faire de l’urée sans avoir besoin de reins ou même d’un animal, fût-il homme ou chien ». Le glas de la théorie vitaliste venait de sonner.

 

 

Fig. 1 : Wôhler

 

  

Fig. 2 : tube contenant l'urée synthétisée par Wöhler


 

 Et c’est d’autant plus ironique que Wöhler était un chimiste inorganicien célèbre pour avoir isolé le béryllium (en 1828) et l’aluminium à l’état pur (en 1845).

 

 

La deuxième grande partie de la chimie organique commence vers 1858 avec la théorie structurale : obtenir par simple raisonnement l’image de la répartition des atomes dans l’espace…

Deux grands noms de cette période : Archibald Couper et Auguste Kékulé von Stradonitz développèrent indépendamment l’un de l’autre l’idée que les atomes sont attachés les uns aux autres par des liaisons dont le nombre est toujours le même pour chaque élément dans les composés les plus stables. De son vivant, Kékulé confia qu’il avait eut la révélation soudaine de l’organisation des atomes dans les molécules en se promenant dans les rues de Londres.

 

Fig. 3 : Kékulé

 

Quelque soit l’organisation des rues de Londres à l’époque, Kékulé proposa quelques années plus tard (1865) la formule, devenue classique, du benzène C6H6.

 

Fig. 4 : structures du benzène selon Kékulé

 

Il faudra attendre 1874 pour que Le Bel et Van’t Hoff propose les premières formules développées dans l’espace, en émettant l’hypothèse que les quatre liaisons d’un atome de carbone sont dirigées vers les sommets d’un tétraèdre régulier.

 

 

 

Nous pouvons situer la troisième étape de la chimie à partir des années 1900. Citons quelques grands noms de cette période (désolé pour l’aspect liste de courses, mais toutes ces personnes ont marqué l’histoire, et on en passe beaucoup sous silence) :

 

- Marcelin Berthelot, l’un des plus grands chimistes français célèbre pour la synthèse de l’alcool méthylique, de l’acétylène et pour ses remarquables travaux en thermochimie.

 

Fig. 5 : Berthelot dans son laboratoire

 

- Emil Hermann Fischer pour ses recherches portant sur les sucres et les purines (prix Nobel de chimie 1902)

 

- Aimé Pictet qui réalisa la synthèse totale de la nicotine (huit années de recherches)

 

- Adolf Johann Friedrich Wilhelm von Baeyer qui reçut le prix Nobel en 1905 pour la synthèse de colorants (tel l’indigo) et pour son travail sur les composés aromatiques

 

- Victor Grignard pour ses travaux sur les organomagnésiens (prix Nobel en 1912), qui en 1935 comptabilisaient déjà plus de 6000 publications…

 

Fig. 6 : gravure de Grignard, en arrière plan, le montage

qui lui à servit à préparer les organomagnésiens.

 

 

- Sir Robert Robinson, prix Nobel en 1947 pour ses recherches sur les substances extraites de végétaux et en particuliers les alcaloïdes avec de splendides synthèses…

 

- Otto Diels et Kurt Alder (prix Nobel en 1950) pour le développement de la synthèse diènique (aujourd’hui, rares sont les synthèses qui n’utilisent pas au moins une fois cette réaction)

 

- Linus Carl Pauling (prix Nobel en 1954) pour ses travaux sur la nature de la liaison chimique (mises en commun d’électron permettant la formation de liaisons covalentes)

 

Fig. 7 : Pauling, habillé d'une de ses fameuses

chemises Hawaïenne, tenant un modèle de cristal.

 

- Frederik Sanger, prix Nobel en 1958 pour ses travaux sur les structures des protéines et spécialement celle de l'insuline.

 

- Dorothy Crowfoot Hodgkin qui reçut le prix Nobel en 1964 pour avoir déterminé par diffraction de rayons X la structure d'importantes substances biologiques telles la pénicilline et la vitamine B12 (quand on regarde sa structure on ne peut rester qu’admiratif devant le travail de cette femme !)

 

 

Fig. 8 : Dorothy Hodgkin

 

 

Fig. 9 : Vitamine B12 (cyanocobalamine)


 

- Robert Burns Woodward (prix Nobel en 1965) qui détermina les structures de nombreux composés et qui en synthétisa encore plus (quinine, chlorophylle...) alors que l’on a longtemps pensé avant lui que jamais nous n’en serions capable.

 

Fig. 10 : Woodward

 

- Vladimir Prelog, prix Nobel en 1975 pour ses travaux sur la stéréochimie des molécules organiques, en particulier sur les molécules chirales (la fameuse règle Carl Ingold Prelog)

 

- Herbert C. Brown et Georg Wittig (prix en 1979) respectivement pour le développement de la chimie du bore et pour la chimie du phosphore

 

- Elias James Corey, prix Nobel en 1990 pour le développement magistral de la théorie méthodologique de la synthèse organique.

 

Fig. 11 : Corey présentant son livre

 

A partir de Corey, la chimie est plus codifiée, plus rationalisée. Nous assistons de plus en plus au développement de l’analyse rétrosynthétique (partir d’une molécule cible que l’on veut synthétiser et la découper en plusieurs petites molécules qui une fois assemblées dans le bon ordre donneront le produit cherché).

De plus, la chimie s’accoquine avec bonheur à la biologie pour déterminer certains processus biologique (comme en témoigne les prix Nobel de chimie en 2003 et 2004 par exemple).

 

    Il faut également apporter une petite précision : certaines personnes entendent ‘organique’ par opposition à ‘inorganique’. Il faut être prudent avec ces termes car désormais, les ‘deux chimies’ cohabitent.

Ainsi dans des laboratoires de chimie organique, on utilise souvent des métaux (palladium, platine…) lors de synthèse. Notons d’ailleurs que les réactions utilisant ces métaux sont nombreuses en chimie. Le Handbook of Palladium Chemistry de Jean-Luc Malleron recense ainsi plus de 3500 réactions et près de 600 réactions sont ajoutées chaque année, et ce pour le palladium seul…

De même, les laboratoires de chimie dite inorganique utilise avec profit des molécules organiques… Pour exemple, des tentatives de réalisation du cycle de la photosynthèse in vitro passe obligatoirement par l’utilisation de molécules organiques.

En enfin : le corps humain… Il mêle sans vergogne réactifs organique (les protéines, l’ADN…) et inorganique (les sels métalliques…) ; à tel point que l’on a définit cette science comme la biochimie… Très jolie façon de s’affranchir des termes réducteurs…

 

Pourquoi garder alors ces termes s’ils sont devenus flous et partiellement inadaptés ? Tout simplement parce que nous n’en avons pas de meilleurs.

 

La synthèse totale d'une molécule organique est donc devenue plus qu'une science, un art. Et il n’est pas rare de rencontrer ainsi dans diverses publications des synthèses qualifiées d'élégantes... Et si le terme peut faire sourire, il n'est reste pas moins terriblement révélateur.

 

 

II.    La chimie expérimentale

 

 

    Sans elle, la chimie théorique ne pourrait exister car ne disposant pas de preuves scientifiques. Tout comme la chimie expérimentale raisonnée, telle que la connaissons, ne saurait exister sans son pendant théorique.

 

Nous ne ferons pas ici un historique de l’expérimentation. Rappelons-nous simplement les instruments des alchimistes (pots, cornues, mortiers et pillons…) alors que nous regardons les notre (appareils de distillation fractionnée, appareils d’analyses par chromatographie, résonnance magnétique nucléaire…).

Cette évolution de l’appareillage s’est faire de paire avec les développements cités précédemment…

 

 

Concernant les expériences présentées ici, si les mécanismes seront détaillés pour en permettre une meilleure compréhension, nous ne verrons pas les analyses rétrosynthétiques qui peuvent précéder à la synthèse d’une molécule et peuvent être d’une complexité répulsive.

Mais si nous ne les développons pas, sachez cependant que ces analyses sont désormais partie intégrante du travail du chimiste organicien.

 

Un exemple, assez parlant…

 

Prenons le cas de la palytoxine, l'une de plus grosses molécules naturelles synthétisée par l'homme :

 

Fig. 12 : la palytoxine ; Formule brute : C123H223N3O54

 

On peut assez aisément se douter que le mélange de produits au hasard, ou même avec une idée de ce qu’on fait, n'offre qu'une chance ridiculement minime (et encore je suis généreux...) d'obtenir le produit cherché. Ainsi ce composé possède 1021 isomères (molécules ayant la même formule brute mais de structure différente), un nombre qui en toute honnêteté ne représente pas grand-chose pour nous tant il est grand…

 

Ainsi, huit années de travail ont été nécessaires pour aboutir au bon composé (par rétrosynthèse) ; chapeau bas aux chercheurs !

 

Rassurez-vous, nous ferons ici plus simple... (Encore que...)

 

 

 

Bibliographie :

 

- D. Sparfel, La rétrosynthèse ; Ellipses (1992)

- R. Massain, Chimie et chimistes ; Editions Magnard (1952)

- J. Richards, D. Cram et G. Hammond, Eléments de chimie organique ; McGraw-Hill (1984)

- AD. Wurtz, Dictionnaire de chimie pure et appliquée (tome 3) ; Librairie Hachette (1878)

- K. P. C. Vollhardt, N.E. Schore , Traité de chimie organique (4ème ed) ; De Boeck (2004)

- M.L. Mougerra, Pauling, l’ « Einstein de la chimie » ; Belin, Pour la science (2002)

- http://membres.lycos.fr/xjarnot/index.shtml

- http://nobelprize.org/

- www.axxora.com/files/ formula/630-065.gif

- http://www.food-info.net/nl/national/ww-vlees.htm

- http://www.anna-schmidt-schule.de/FB3/FIT/FIT_20.HTM

- http://en.wikipedia.org/wiki/Image:EliasJamesCorey.gif

 

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