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La chimie au Collège de France

De l’analyse à la synthèse, une science en constante évolution

Jacques Livage
p. 18-23

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Mots-clés :

chimie
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Texte intégral

1Les 19 chaires de chimie qui se sont succédé au Collège de France depuis la fin du xviiie siècle retracent bien l’histoire de cette discipline. Le xviiie siècle a en effet marqué la naissance de la Chimie en tant que science. C’est pourquoi, plus de deux siècles après sa fondation, le Collège de France créa, en 1774, la première chaire de Chimie et histoire naturelle.

2Cette nouvelle chaire, qui résultait en fait de la transformation d’une chaire de médecine, fut attribuée à Jean Darcet, qui avait lui même été médecin avant de se consacrer à la chimie sous l’influence de Guillaume-François Rouelle, chimiste au Jardin du Roy. Pendant près d’un siècle, les chimistes du Collège se consacrèrent essentiellement à l’analyse des composés minéraux. La polémique sur l’origine « vitale » des substances organiques n’était pas close. Toutefois, les chimistes, souvent médecins ou pharmaciens d’origine, traitaient aussi parfois de chimie organique, voire même biologique. C’est ainsi que Jean Darcet parvint à extraire la gélatine des os et que Nicolas Vauquelin découvrit le premier acide aminé, l’aspargine. Il fallut cependant attendre la fin du xixe siècle avec Marcelin Berthelot pour que « la chimie organique fondée sur la synthèse » acquière ses lettres de noblesse et fasse l’objet d’une deuxième chaire.

De l’analyse minérale aux lois chimiques

3Précepteur des fils de Montesquieu, Jean Darcet (1774-1801) fut le premier à prononcer sa leçon inaugurale en français et sans sa robe doctorale. Le thème de sa conférence, « sur l’état actuel des Pyrénées et sur les causes de leur dégradation », n’avait qu’un lointain rapport avec la chimie telle que nous la concevons aujourd’hui. Directeur de la manufacture de Sèvres, Jean Darcet jeta les bases de l’analyse chimique moderne.

4Il montra que le diamant combustible n’était pas de même nature que le rubis ou l’émeraude et introduisit la fabrication de la porcelaine en France.

5C’est dans son laboratoire que Nicolas Leblanc, chirurgien du duc d’Orléans, mis au point le procédé d’extraction de la soude artificielle qui porte son nom et qui sera à l’origine du développement de l’industrie chimique avant d’être détrôné cent ans plus tard par le procédé « Solvay ».

6Aujourd’hui, avec le recul du temps on peut se demander pourquoi Antoine-Laurent Lavoisier, qui fut incontestablement le précurseur de la chimie moderne, n’entra jamais au Collège de France. Il était sans doute trop jeune et n’avait pas 30 ans lorsque la chaire de chimie fut créée. Il n’était malheureusement plus de ce monde lorsqu’elle fut libérée en 1801. La révolution n’avait besoin ni de savants, ni de chimistes !

7La chaire de Chimie minérale fut alors attribuée à Nicolas Vauquelin (1801-1804) auquel on doit la découverte du chrome et du béryllium. Le Collège de France n’avait sans doute pas encore le prestige qu’on lui connaît aujourd’hui puisque Nicolas Vauquelin quitta le Collège trois ans plus tard pour une chaire de Chimie appliquée aux arts au Jardin du Roy. En fait, c’était pour se rapprocher de son maître, Antoine-François Fourcroy qui, dans sa jeunesse, l’avait initié à la chimie.

8Son successeur, Louis-Jacques Thénard (1804 à 1845), fit une bien plus longue carrière au Collège de France. Nommé à 28 ans, il occupa la chaire de Chimie minérale pendant plus de 40 ans. Il est connu pour sa découverte du bore, la synthèse de l’eau oxygénée et surtout pour le « bleu de Thénard », pigment à base de sels de cobalt toujours utilisé pour colorer la porcelaine. Il initia aussi un nouveau mode d’enseignement de la chimie, basé sur l’expérience.

9Pharmacien de formation, Théophile-Jules Pelouze ne fit qu’un court séjour au Collège de France (1845-1850). Ses travaux portent sur des domaines très variés tels que l’acide nitrosulfurique, la glycérine, l’acide hypurique, les produits de décomposition du cyanogène dans l’eau ou la déshydratation des citrates. Son travail le plus remarquable est sans aucun doute la découverte des nitriles. Il fait partie des 72 savants dont le nom est inscrit sur la tour Eiffel.

10Antoine-Jérôme Balard est surtout connu pour la découverte du brome. Étudiant en pharmacie, il n’avait alors que 22 ans ! Frappé par les analogies que présentait ce nouvel élément avec le chlore et l’iode, il fut l’un des premiers à introduire la notion de « famille chimique » qui servira plus tard à Mendeleïev pour établir sa classification périodique. Il occupa sa chaire pendant un quart de siècle (1851-1876) et s’intéressa surtout aux substances dissoutes dans l’eau de mer. Il contribua ainsi au développement d’une industrie nouvelle basée sur l’extraction du chlorure de potassium et du sulfate de soude à partir des eaux mères des marais salants.

11Après des études de médecine, Paul Schützenberger se tourne vers la chimie et devient l’assistant d’Antoine-Jérôme Balard auquel il succède au Collège de France (1876-1897). Ce fut essentiellement un expérimentateur. Comme ses prédécesseurs, ses travaux portent aussi bien sur les composés organiques (acétate de cellulose) que sur les composés minéraux. C’est ainsi qu’il découvre l’hydrosulfite de soude (Na2S2O4) qui va jouer un rôle important comme réducteur dans la fabrication de l’indigo.

12La culture de l’indigotier fera la fortune du Languedoc jusqu’à l’apparition des colorants synthétiques issus des travaux de Perkin. Les colorants chimiques remplaceront en quelques années les teintures végétales entrainant la ruine de ceux qui les cultivaient.

13Henri Le Chatelier (1898-1907) est surtout connu pour ses travaux en chimie générale. Selon ses propres paroles, il s’intéressa essentiellement à la mécanique chimique et à la chimie industrielle. Il présenta en 1884 à l’Académie des sciences un mémoire de quatre pages décrivant la loi qui régit les équilibres chimiques et qui aujourd’hui porte son nom (principe de le Chatelier). Polytechnicien, major de sa promotion, il suivit les cours de l’école des Mines et fréquenta le laboratoire de Sainte-Claire Deville à l’École normale supérieure, ce qui explique son rôle dans le développement de la métallurgie. Il a donné son nom à l’effet Portevin-Le Chatelier qui décrit la déformation des alliages.

14Élève de Berthelot, dont il fut l’assistant au Collège de France, Camille Matignon (1908-1934) a participé à la plupart des travaux de thermochimie effectuées à l’aide de la bombe calorimétrique. Ses recherches portent sur un trop grand nombre de sujets pour que l’on puisse attacher son nom à une découverte particulière. Il mourra subitement au cours de l’assemblée générale des professeurs du Collège de France. Avec lui s’éteint la lignée des minéralistes qui ne reviendront qu’à la fin du xxe siècle avec la nomination de Jean Rouxel.

La chimie organique fondée sur la synthèse

15La chimie organique n’est vraiment née qu’au xixe siècle, avec la synthèse de l’urée par Friedrich Wöhler en 1828 et celle de la mauvéine par Henry Perkin en 1856 qui entraîna l’essor de l’industrie chimique. Le Collège de France, dont la mission était de développer la science en train de se faire ne pouvait ignorer cette révolution et une deuxième chaire de chimie, consacrée à la chimie organique fut créée en 1865. Cette création suscita d’ailleurs de fortes controverses, en particulier de la part de Louis Pasteur qui souhaitait que l’on crée une chaire de physiologie pour Claude Bernard plutôt qu’une chaire de chimie organique pour Marcelin Berthelot. Il ajoutait d’ailleurs que si une telle chaire était créée, il s’y porterait candidat. De ce fait, le Collège de France ne créa tout d’abord qu’un cours de chimie organique en 1863 et ce n’est que deux ans plus tard qu’une chaire de chimie organique fut créée, le 8 août 1865. Elle sera occupée par Marcelin Berthelot pendant 42 ans. C’est un record de longévité au Collège de France !

16Entré au Collège de France en 1851 comme préparateur de Balard, Marcelin Berthelot (1865-1907) y a joué un rôle fondamental et souvent controversé. Avec son ouvrage, La chimie organique fondée sur la synthèse, il révolutionne la chimie jusque-là limitée à l’analyse. La synthèse de l’acétylène dans l’œuf électrique que l’on peut encore voir dans le hall du Collège, est restée célèbre.

17Elle montrait, pour la première fois, qu’il était possible de réaliser la synthèse d’un composé organique C2H2 à partir de ses éléments, carbone et hydrogène et sans l’aide de la force vitale.

18L’œuvre scientifique de Marcelin Berthelot ne se limite pas à la synthèse organique. Elle couvre presque tous les aspects de la chimie de la fin du xixe siècle.

19En chimie organique, il montre le caractère réversible des réactions d’estérification qui conduisent à un équilibre que l’on peut déplacer en jouant sur les conditions expérimentales. Cette observation conduira Gudberg et Waage à établir la fameuse loi d’action de masse. En chimie physique, la mesure, grâce à sa bombe calorimétrique, de la chaleur mise en jeu lors d’une réaction chimique le conduisit à énoncer le principe du travail maximum qui sera dénoncé plus tard par Pierre Duhem. Ses travaux exposés dans l’ouvrage Essai de mécanique chimique fondée sur la thermochimie, publié en 1879, vont jeter les bases d’une nouvelle discipline, la thermochimie.

20Lors de ses études sur les plantes, Marcelin Berthelot s’attacha à mettre en évidence le rôle des micro-organismes présents dans le sol. Ces travaux vont d’ailleurs déboucher sur la violente controverse qui l’opposa à Louis Pasteur. Selon ce dernier, la fermentation du glucose exigeait la présence de micro-organismes, les levures Saccharomyces cerevisiae. Marcelin Berthelot, avec Claude Bernard, pensait que la transformation du glucose en alcool était due à un ferment non vivant secrété par les levures. On sait aujourd’hui que ce sont des enzymes qui catalysent la réaction.

21Cette controverse ne fut pas la seule dans la carrière de Marcelin Berthelot. La plus importante fut celle qui l’opposa aux atomistes. Défenseur de la théorie des équivalents, basée sur la mesure des masses et des volumes, il ne voulut pas admettre l’existence des atomes. Homme de pouvoir, il fut ministre, directeur de l’enseignement supérieur et sénateur inamovible à vie. Cela lui valut beaucoup d’honneurs – il fut enterré au Panthéon avec son épouse – mais aussi bien des jalousies !

22Marcelin Berthelot a introduit la chimie organique au Collège de France. Cette discipline ne disparaîtra pas avec lui. Sa chaire sera occupée de façon continue par des chimistes organiciens éminents qui auront tous reçu une formation de pharmacien.

23Émile Jungfleisch (1908-1916) fut l’élève et successeur de Marcelin Berthelot avec lequel il rédigea un Traité élémentaire de chimie organique. Il est surtout connu pour ses travaux sur la dissymétrie moléculaire. Il s’efforça de réaliser la synthèse totale de corps optiquement actifs, ce qui l’engagea à de vives polémiques avec des savants contemporains tels que Pasteur. Il réussit à préparer plusieurs centaines de grammes d’acide tartrique inactif puis à le dédoubler en ses composantes optiquement actives. Il démontrait ainsi que le pouvoir rotatoire pouvait se former sans l’intervention du vivant.

24Charles Moureu (1917-1929) est surtout connu pour avoir découvert, avec son élève, Charles Dufraisse (1942-1955) le phénomène d’auto-oxydation et les antioxydants. L’histoire de cette découverte est originale. C’est au cours de la Grande Guerre 14-18, en travaillant sur les gaz de combat, qu’ils cherchent un moyen de stabiliser l’acroléine, gaz lacrymogène, qui devient liquide en polymérisant. Ils remarquent que cette polymérisation est toujours précédée d’une oxydation et définissent ainsi le phénomène d’autoxydation. Ils observent aussi que certains composés comme l’hydroquinone stabilisent l’état gazeux en s’opposant à l’autoxydation.

25Les antioxygènes que l’on appellera plus tard les antioxydants venaient d’être découverts. Ils jouent aujourd’hui un rôle important dans l’industrie et surtout en médecine, dans la lutte contre le vieillissement !

26Soucieux de tisser des liens entre les chimistes du monde entier, Charles Moureu créé l’Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) qui joue encore aujourd’hui un rôle important dans la vie scientifique.

27Avant d’être nommé au Collège de France dans la chaire de chimie organique, Marcel Delépine (1930-1941) occupait la chaire de minéralogie et d’hydrologie à la faculté de Paris. Préparateur de Marcelin Berthelot il contribua au développement de la thermochimie. Conseiller scientifique aux établissements Poulenc, il assuma la direction des recherches pharmaceutiques de la société Rhône-Poulenc.

28Ceci montre bien le caractère universel de ce savant qui a apporté une contribution importante dans tous les domaines de la chimie : minérale, organique et générale.

29En chimie minérale, il s’intéressa au phénomène de complexation. Poursuivant l’œuvre de Werner, il étudia les complexes du platine, de l’iridium et du rhodium. Il mit au point un procédé original d’élaboration du tungstène métallique qui sera développé pour la fabrication industrielle des filaments utilisés dans les lampes à incandescence.

30Pharmacien de formation, il s’intéressa à un médicament très en vogue à l’époque, l’urotropine (hexaméthylène-tétramine) obtenu par action de l’ammoniaque sur l’aldéhyde formique. Il publia ainsi des travaux fondamentaux dans le domaine de la chimie organique des aldéhydes et c’est en travaillant sur les dérivés sulfurés qu’il découvre le phénomène d’oxyluminescence.

31Comme nous l’avons souligné plus haut, il est difficile de séparer le nom de Charles Dufraisse (1942-1955) de celui de Charles Moureu dont il fut le collaborateur à l’école de pharmacie puis au Collège de France depuis 1911. C’est ensemble qu’ils découvrirent l’autoxydation et les antioxygènes.

32Avec la chaire de Chimie organique des hormones d’Alain Horeau (1956-1980), la chimie organique s’ouvre sur la biologie. Horeau travailla essentiellement sur la synthèse d’hormones naturelles ou artificielles et sur les problèmes de stéréochimie. Dès 1944, avec Frédéric Joliot, Robert Courrier et Pierre Sue, Alain Horeau réalisait au Collège de France la première synthèse d’une hormone, la thyroxine, marquée par un radioélément artificiel l’iode 131. Ce marqueur radioactif donnait la possibilité de suivre des molécules, même présentes en très faible concentration, depuis leur lieu de production jusqu’à celui de leur action. On pouvait ainsi isoler les récepteurs et étudier la transmission du message à l’intérieur des cellules.

Vers une chimie pluridisciplinaire où les barrières disparaissent

33L’ancien antagonisme qui avait séparé la chimie minérale et la chimie organique disparaît à la fin du xxe siècle. Les frontières entre disciplines s’effondrent et les chaires s’ouvrent aux disciplines voisines, la physique et la biologie. C’est caractéristique avec la chaire de Chimie des interactions moléculaires de Jean-Marie Lehn (1979-2011) (prix Nobel 1987), qui ouvre la voie à une chimie dans laquelle les molécules s’assemblent pour former des édifices supramoléculaires.

34On ne s’intéresse plus seulement aux propriétés d’une molécule unique, mais à la synergie qu’engendre leur association.

35C’est ainsi que l’on forme des cages (cryptates) dont la forme et la taille est adaptée à l’objet que l’on veut emprisonner. Cette nouvelle chimie met en jeu des processus de reconnaissance moléculaire qui permettent de comprendre comment la chimie a permis de passer de la molécule unique aux assemblage auto-organisés qui ont donné naissance au vivant. L’ouverture vers la biologie s’est concrétisée récemment (2009) avec la chaire de Chimie des processus biologiques de Marc Fontecave qui met en évidence le rôle des ions métalliques sur l’activité biologique des métallo-protéines.

36Avec Jean Rouxel (1997-1998), la chimie du solide fait son entrée au Collège de France, juste reconnaissance des progrès accomplis par cette discipline dans la deuxième moitié du xxe siècle avec des chercheurs comme Paul Hagenmuller et Robert Collongues. Là encore, les barrières disparaissent. Le solide minéral devient porteur de propriétés physiques et les corrélations structure-propriétés servent de base au développement de nouveaux matériaux. Les solides lamellaires se combinent aux molécules organiques pour former des composés d’insertion. Ces solides, dont l’argile constitue l’exemple le plus connu, sont formés de feuillets minéraux associés par des liaisons faibles.

37Ces feuillets peuvent s’écarter pour insérer des espèces minérales, organiques voire même biologiques. C’est ainsi que l’on a pu développer les nouvelles batteries au lithium, comprendre les propriétés exceptionnelles du bleu maya ou décrire l’intervention du minéral dans les processus de formation de la vie. La carrière de Jean Rouxel au Collège de France fut malheureusement très courte, mais l’esprit de ses recherches fut conservé avec la création d’une chaire de Chimie de la matière condensée de Jacques Livage (2001-2010) qui faisait un pont entre la chimie du solide et la matière molle de Pierre-Gilles de Gennes. La chimie des matériaux du xxie siècle devient bio-inspirée et étend plus fortement ses interfaces avec la physique, la biologie et l’ingéniérie.

38Cette chimie « intégrative », permettant d’associer efficacement, à toutes les échelles, des composantes minérales construites sur mesure aux molécules ou macromolécules organiques et biologiques, conduit à la formation de matériaux hybrides à structures hiérarchiques multifonctionnels.

39De nouveaux horizons se sont ouverts qui viennent de se concrétiser avec la chaire de Chimie des matériaux hybrides de Clément Sanchez (2011).

40Soulignons enfin que 2011, année de la chimie, est une année faste pour cette discipline puisque la chaire annuelle Développement durable - Environnement, énergie et société est occupée par Jean-Marie Tarascon qui apporte des solutions prometteuses aux problèmes de l’énergie et du réchauffement climatique en développant les batteries de demain.

Chronologie

1789

Procédé « Leblanc »

Procédé d’extraction de la soude artificielle à l’origine du développement de l’industrie chimique en France. Mis au point par Nicolas Leblanc dans le laboratoire de Jean Darcet.

1797

Chrome

Découvert par Nicolas Vauquelin

1798

Béryllium

Découvert par Nicolas Vauquelin

1802

Bleu de Thénard

Pigment à base d’oxyde de cobalt, utilisé pour colorer la porcelaine, découvert par Louis-Jacques Thénard en 1802.

1826

Brome

Découvert par Antoine-Jérôme Balard

1862

Synthèse de l’acétylène

Réalisée par Marcelin Berthelot dans son « œuf électrique ».
Elle met fin au concept de force vitale et montre qu’il est possible de synthétiser un composé organique à partir de ses éléments, carbone et hydrogène.

1884

Principe de « Le Chatelier »

Loi qui régit les équilibres chimiques : publié par Henri Le Chatelier en 1884 à l’Académie des sciences.

La fermentation

Pasteur avait mis en évidence le rôle de micro-organismes tels que les levures lors de la fermentation du glucose.

Reprenant les travaux de Claude Bernard, Marcelin Berthelot soutenait qu’il s’agissait en fait d’une réaction due à l’action d’un ferment (enzyme) secrété par les levures. Il en résulta l’une des grandes controverses de l’histoire des sciences à la fin du xixe siècle.

1914–1918

Anti-oxydants

Découverts par Charles Moureu et Charles Dufraisse en étudiant l’auto-oxydation des gaz de combat.

1947

Synthèse de la première hormone marquée à l’iode 131 (131I)

Réalisée par Alain Horeau, le procédé permet de suivre l’hormone à travers l’organisme.

1979

Chimie supramoléculaire

Développée par Jean Marie Lehn, prix Nobel de chimie en 1987.

1997

Chimie douce

Les deux initiateurs de la chimie douce, Jean Rouxel (chimie douce à précurseurs solides) et Jacques Livage (chimie douce à précurseurs moléculaires), ont été professeurs au Collège de France.

Diatomées

Diatomées

Les diatomées, micro-algues unicellulaires, se protègent en s’entourant d’une carapace de verre élaborée à partir de la silice dissoute dans l’eau de mer. C’est en s’inspirant de ce modèle que les chimistes ont développé la synthèse de nanomatériaux hybrides par chimie douce.

© collection Pierre Jolivet

Historique des chaires de chimie au Collège de France

1774–1801

Jean Darcet

chimie et histoire naturelle

1801–1804

Nicolas Vauquelin

chimie minérale

1804–1845

Louis-Jacques Thénard

chimie minérale

1845–1850

Théophile-Jules Pelouze

chimie minérale

1851–1876

Antoine-Jérôme Balard

chimie minérale

1865–1907

Marcelin Berthelot

chimie organique

1876–1897

Paul Schützenberger

chimie minérale

1898–1907

Henri Le Chatelier

chimie minérale

1908–1934

Camille Matignon

chimie minérale

1908–1916

Émile-Clément Jungfleisch

chimie organique

1917–1929

Charles Moureu

chimie organique

1930–1941

Marcel Delépine

chimie organique

1942–1955

Charles Dufraisse

chimie organique

1956–1980

Alain Horeau

chimie organique des hormones

1979–2010

Jean-Marie Lehn

chimie des interactions moléculaires

1997–1998

Jean Rouxel

chimie des solides

2001–2009

Jacques Livage

chimie de la matière condensée

2008

Marc Fontecave

chimie des processus biologiques

2010

Clément Sanchez

chimie des matériaux hynrides

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Table des illustrations

Titre Diatomées
Légende Les diatomées, micro-algues unicellulaires, se protègent en s’entourant d’une carapace de verre élaborée à partir de la silice dissoute dans l’eau de mer. C’est en s’inspirant de ce modèle que les chimistes ont développé la synthèse de nanomatériaux hybrides par chimie douce.
Crédits © collection Pierre Jolivet
URL http://lettre-cdf.revues.org/docannexe/image/1194/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 675k
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Pour citer cet article

Référence papier

La Lettre du Collège de France no 31, Paris, Collège de France, juin 2011, p. 18-23, ISSN 1628-2329.

Référence électronique

Jacques Livage, « De l’analyse à la synthèse, une science en constante évolution », La lettre du Collège de France [En ligne], 31 | juin 2011, mis en ligne le 28 novembre 2011, consulté le 24 juillet 2014. URL : http://lettre-cdf.revues.org/1194

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Auteur

Jacques Livage

Professeur au Collège de France. Titulaire de la chaire de Chimie de la matière condensée de 2001 à 2009

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Droits d’auteur

© Collège de France

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