| Prix Nobel de 1935 à 1939 |
|
|
 |
1935 : Irène Joliot-Curie (1897 - 1956) et Frédéric Joliot-Curie (1900 - 1958) |
 |
1936 : Peter Joseph William Debye (1884 - 1966) |
 |
1937 : Walter Norman Haworth (1883 - 1950) et Paul Karrer (1889 - 1971) |
 |
1938 : Richard Kuhn (1900 - 1967) |
 |
1939 : Adolf Friedrich Johann Butenandt (1903 - ) et Leopold Ruzicka (1873 - 1964) |
En reconnaissance de leurs synthèses de nouveaux éléments radioactifs.
Retracer l'oeuvre de ces savants, c'est en fait passer en revue quinze années de progrès dans les recherches sur la science nucléaire, dont ils ont marqué plus ou moins fortement les diverses étapes.
(Paris, 1897 - Paris, 1956)
Irene Joliot-Curie, fille de Pierre et Marie Curie (1), est née à Paris le 12
septembre 1897. Après ses études secondaires, elle prépare en même temps deux licences
scientifiques (mathématiques et physique), avant d'occuper en 1918 un poste de
préparatrice à l'Institut du Radium que dirige sa mère. Elle effectue d'abord une
courte étude sur les isotopes du chlore, puis entreprend de préparer une thèse de
doctorat sur les rayons alpha émis par le Polonium, qu'elle soutient en 1925. Les
expériences qu'elle doit réaliser sont très difficiles, car l'intensité de sources du
rayonnement alpha utilisé est extrêmement faible.
Elle se consacre ensuite, avec Frédéric Joliot qu'elle a épousé en 1926, à la préparation en grandes quantités du Radium D et du Polonium, afin de
disposer de sources de rayonnement u de fortes intensités.
(Paris, 1900 - Paris, 1958)
Frédéric Joliot est également né à Paris,
le 19 mam 1900, dans une famille de commerçants en gros. Son père, qui avait pris
part aux combats de la Commune de Paris, et sa mère, d'origine alsacienne,
protestante, et de convictions républicaines, donnent à leurs enfants une éducation
tks libérale, qui aura une grande importance sur la vie du savant. Il fait ses études
secondaires au lycée Lakanal entre 1908 et 1917, puis entre à l'Ecole Municipale
Lavoisier pour y préparer, après la première partie du baccalauréat, le concours
d'entrée à l'Ecole de Physique et Chimie Industrielles de la Ville de Paris. Reçu en 1919, il sort major de sa promotion en 1923 avec le diplôme d'ingénieur physicien E.P.C.I. Après avoir effectué, durant
l'été 1922, un stage aux aciéries Arbed, dans le Duché du Luxembourg (ce qui
lui a donné un aperçu du milieu industriel), il fait son service militaire au fort
d'Aubervilliers, dans le service de protection contre les gaz, et, sur les conseils de Paul Langevin (2), directeur de l'Ecole de Physique
et Chimie, il entre en 1925 à l'Institut du Radium en tant que préparateur au service de
Marie Curie. C'est là qu'il fait la connaissance d'Irène, qu'il épouse un an plus tard
: tous deux décident alors de porter le nom de Joliot-Curie. De 1925 à 1930, il prépare
sa thèse dans des conditions difficiles, car, n'ayant pas de situation stable, il se voit
obligé de donner des cours dans une école privée
d'électricité, tout en se consacrant à la poursuite de ses études (préparation de la
seconde partie du baccalaudat et de divers certificats de licence). Durant cette période,
il met au point toute une série de techniques expérimentales nécessaires à ses travaux
de recherches, manifestant par là des qualités exceptionnelles d'habileté manuelle.
Les premières recherches de Frédéric Joliot-Curie concernent l'électrochimie des radioéléments, et en particulier celle du polonium. Disposant de faibles quantités de produit, il trouve une méthode microélectrochimique pour mesurer de façon continue le dépôt du radioélément sur des électrodes qui baignent dans une solution d'électrolytes. Il travaille également sur la préparation de couches métalliques très minces, d'or en particulier, et étudie leurs propriétés électriques.
En 1930, il soutient sa thèse de doctorat. A partir de là, la situation matérielle du couple s'améliore. En effet, nommé assistant à la faculté des Sciences et chargé de recherches, puis maftre de recherches à la Caisse Nationale des Sciences (première ébauche du C.N.R.S.), Frédéric Joliot-Curie peut s'affranchir de sa tâche d'enseignant en école privée et se consacrer entièrement à la recherche. Mais il ne poursuit pas ses travaux personnels, car dès 1928 il s'intéresse au domaine de recherches de sa femme, les rayons u, et publie avec elle, la même année, une première communication.
A partir de 1928, la plupart de leurs travaux seront accomplis en commun. En 1930, les Allemands W. Bothe et H.Becker découvrent que le béryllium, sous l'action des rayons alpha, émet un rayonnement extrêmement pénétrant, et ils pensent qu'il s'agit d'un rayonnement gamma ; le détecteur qu'ils ont utilisé est un compteur Geiger-Müller. Irène et Frédéric Joliot-Curie décident à leur tour de procéder à l'expérience, en utilisant de préférence une chambre de Wilson à vapeur d'eau mise au point par Frédéric. En janvier 1932, ils montrent que le rayonnement découvert par Bothe et Becker est capable de projeter à grandes vitesses les noyaux d'atomes présents dans la cible. Ils parviennent à photographier les trajectoires de brouillard marquant le passage des noyaux d'atomes projetés et à les identifier avec les noyaux d'hydrogène, d'hélium et d'azote. Ce travail avait une importance capitale, puisqu'il démontrait l'impossibilité d'identifier le rayonnement de Bothe-Becker avec des rayons gamma. Le mystère demeurait entier, Irène et Frédéric Joliot-Curie passèrent à côté d'une découverte de première importance, et c'est l'Anglais Chadwick (3) qui, ayant eu connaissance de l'hypothèse de l'existence du neutron, faite jadis par Rutherford, et ignorée des Joliot-Curie, interpréta leurs résultats et proposa aussitôt d'identifier les particules inconnues comme des neutrons : l'existence de ces demiers ne fit alors plus de doute.
Au cours de l'année 1933, les Joliot-Curie soumettent du plomb à l'action du rayonnement pénétrant issu du béryllium irradié par des rayons alpha '. le plomb émet alors des électrons positifs. Continuant leur expérimentation, ils observent, grâce à la chambre de Wilson, un nouveau phénomène : deux électrons, l'un positif (beta +), l'autre négatif (beta -), émergent d'un même point. Ils admettent qu'un rayonnement gamma de grande énergie donne naissance à deux électrons de signe contraire lorsqu'il rencontre le noyau d'un élément lourd. Ce phénomène porte le nom de "matérialisation". L'opération inverse, deux électrons de signe contraire qui se transforment en rayonnement, prévue par P. Dirac (4), est réalisée peu de temps après par Frédéric Joliot-Curie, et presque simultanément par Jean Thibaud.
En étudiant minutieusement l'émission de neutrons et de positons par des éléments légers (Al, Na,F, B, Be) subissant le bombardement des rayons alpha du polonium, Frédéric et Irène Joliot-Curie sont amenés à faire une description précise du neutron. Les travaux de Chadwick en 1932 avaient laissé penser que la masse du neutron était inférieure à celle du proton. Ceux des Joliot-Curie permettent d'affirmer contvaive : la masse du neutron (1,0089) est légèrement supérieure à celle du proton (1,0076), et c'est le proton qui est la forme stable du nucléon. Ces résultats, exposés par Frédéric Joliot-Curie en octobre 1933 au Congmès Solvay, sont accueillis avec un scepticisme quasi général.
Seuls Pauli et Bohr encouragent à persévérer le jeune couple, auquel manque encore une grande découverte qui lui appartiendrait en propre. Ce sera chose faite à la fin de l'année 1933 avec une note mémorable aux Comptes Rendus de l'Académie des Sciences, datée du 15 janvier 1934, qui annonce la synthèse de radioéléments artificiels.
En cherchant à savoir si l'émission du neutmn et de l'électron positif se produit pour un même seuil d'énergie des rayons a, Irène et Frédéric Joliot-Curie constatent qu'après avoir irradié une feuille d'aluminium au-dessus du seuil d'émission des neutrons et des positons, puis diminué l'énergie des rayons alpha en dessous du seuil (allant même jusqu'à une énergie nulle), l'émission des neutrons cesse, tandis que celle des positons continue pendant un certain temps. Elle persiste même pendant une heure dans le cas du bore, et pendant plus d'un quart d'heure dans celui de l'aluminium et du magnésium. L'interprétation de ce phénomène inattendu s'impose immédiatement : c'est donc que dans le cas de l'aluminium, le noyau capte une particule a, et qu'il se forme un isotope du phosphore émettant un neutron. Le radiophosphore n'existe pas dans la nature, et il se transforme avec le temps en silicium stable en émettant un positon (5). L'émission du positon présente des caractéristiques identiques à celles des émissions naturelles: l'activité diminue exponentiellement en fonction du temps. Les Joliot-Curie suggèrent, à la fin de leur note, qu'il devrait être possible de créer des radioéléments à partir d'autnes particules incidentes, ce qui sera pleinement démontré par la suite. Il leur suffit maintenant d'isoler et d'analyser ces radioéléments pour terminer leurs mémorables travaux. C'est bientôt chose faite, comme l'indique la note parue le 5 février 1934 sur "La Séparation chimique de nouveaux radioéléments, émetteurs d'électrons positifs", qui expose la séparation et l'identification chimiques du radioazote et du radiophosphore.
Par la suite, d'autres radionucléides ont été synthétisés au moyen d'irradiations aux neutrons, plus avantageux à cause de leur neutralité électrique, car les noyaux bombardés ne les repoussent plus. L'obtention de radioéléments ayant des périodes qui vont d'une fraction de seconde à plusieurs années, a permis leur utilisation dans des domaines aussi variés que la chimie, la biologie, la médecine, l'industrie et l'agriculture. La radiochimie est devenue un nouvel outil chimique pour étudier par exemple les mécanismes réactionnels. Ce sont ces travaux qui ont valu le prix Nobel aux Joliot-Curie, et qui les ont mis au premier rang des savants du monde entier.
A la mort de Marie Curie en 1934, son collaborateur A. Debieme la remplace dans la chaire de Radioactivité à la Faculté des Sciences de Paris, libérant la place de maître de conférences qui est alors attribuée à Frédéric Joliot-Curie. Puis, lorsqu'en 1937 le Collège de France transforme une chaire de sanskrit en chaire de chimie nucléaire pour accueillir le jeune savant, sa femme Ikne le remplace comme professeur à la Faculté des Sciences.
A partir de l'année 1937, Irène et Frédéric Joliot-Curie appartiennent donc à deux établissements bien distincts, et dirigent chacun leur laboratoire avec des préoccupations différentes; aussi leur collaboration, qui avait été si étroite durant les dix premières années de leur mariage, va-t-elle se relâcher.
Travaillant avec P. Savitch, Irène Joliot-Curie entveprend alors l'étude de radioéléments obtenus par irradiation neutronique de l'uranium. Hahn, Meitner et Strassman venaient d'isoler des radioéléments appartenant au groupe des transuraniens. Les premières expériences d'Irène Joliot-Curie confirment ces résultats ; elle annonce l'existence d'un nouveau radioélément de 3,5 heures de période, dont les propriétés se rapprochent de celles du lanthane. Hahn et Strassman s'attellent à cette nouvelle découverte et émettent l'hypothèse de la fission de l'uranium! En 1939, avec Tsien San-Tsiang, Irène montre que le thorium bombardé par des neutrons donne des produits de fission identiques à ceux issus de l'uranium.
Durant la guerre, se trouvant dans l'impossibilité de poursuivre ses travaux, elle rédige un ouvrage pédagogique, Les Radioéléments naturels, préparation, dosage, édité en 1946. Nommée professeur titulaire à la Sorbonne, et sans abandonner pour autant ses travaux personnels, elle consacre beaucoup de son temps à d'autres activités. Déjà, en 1936, elle avait été pendant quelques mois sous-secrétaire d'Etat à la Recherche scientifique dans le gouvemement de Léon Blum (6). A partir de 1946, elle devient directrice de l'Institut du Radium et participe, aux côtés de son mari, à la création du Commissariat à l'Energie Atomique (C.E.A.); elle reste attachée à cet établissement en qualité de commissaire jusqu'en 1951. Elle passe le reste de sa vie à lutter afin d'obtenir des moyens pour l'Institut du Radium, pour la création des laboratoires d'Orsay, pour l'achat du matériel lourd nécessaire au laboratoire Curie (synchrocyclotron de 150 MeV, générateurs haute tension, séparateur d'isotopes, etc.), tout en portant un vif intérêt à la promotion sociale et intellectuelle de la femme.
Elle décèda le 17 mars 1956 à l'hôpital Curie. La mort, selon le communiqué officiel, était due "à une leucémie subaiguë consécutive aux travaux sur les corps radioactifs" dont elle s'était occupée toute sa vie. Le gouvemement, pour l'honorer, fit célébrer des obsèques nationales dans la grande cour de la Sorbonne.
A partir de 1937, Frédéric Joliot-Curie avait pris en charge le magnifique laboratoire de chimie nucléaire que le Collège de France avait fait installer pour lui et ses collaborateurs, Savel, Halban, Kowarski, Nahmias, Pontecorvo, Zlotowski, etc. Deux autres laboratoires vinrent s'ajouter à celui-ci, l'un à Arcueil-Cachan, l'autre à Ivry.
Frédéric installe au laboratoire de Cachan un générateur de tension Van De Graaf, de 1,2 millions de volts, ainsi qu'un accélérateur du type Lauritsen; il dirige des recherches montrant que, pour éviter l'apparition d'effluves autour des conducteurs chargés, il est nécessaire de les entourer d'une atmosphère gazeuse : le CCl4 possède de ce point de vue des propriétés remarquables.
Le laboratoire d'Ivry, nommé laboratoire Ampère, est équipé d'un générateur d'impulsion permettant de foumir à des ions ou à des électrons une énergie de 2 millions d'eV.
Frédéric Joliot-Curie donne aussi à ce laboratoire les moyens de poursuivre des recherches dans le domaine biologique en faisant coopérer des chimistes, des physiciens et des biologistes.
Il déploie une grande activité au Collège de France et mène aussi des recherches plus personnelles. En 1938, en collaboration avec M. Zlotowski, il publie plusieurs notes aux Comptes Rendus sur la formation d'un isotope 5 de l'hélium; puis il entreprend l'étude de la fission de l'uranium et du thorium sous l'action de neutrons. Il montre que la bipartition, due principalement à des neutrons lents, libère des radioéléments compris entre le brome et le cérium, et une énergie de l'ordre de 200 MeV.
Avec Halban et Kowarski, il met en évidence une émission d'environ 3 neutrons lors de la bipartition de l'uranium, résultat d'une extrême importance alors que la guerre de 1939 vient d'être déclarée, et que l'on commence à percevoir les possibles applications de ces recherches.
Dans les réactions en chaîne consécutives à la multiplication des neutrons, on utilisait le graphite ou l'eau lourde comme ralentisseur de neutrons, et le cadmium comme absorbant de neutrons. Frédéric Joliot-Curie parvint à faire acheter par la France, et à soustraire ainsi aux Allemands, le stock mondial d'eau lourde fabriqué en Norvège, qui constituait donc un enjeu stratégique de tout premier ordre. Il prit avec ses collaborateurs une série de brevets sur les dispositifs destinés à libérer l'énergie nucléaire, puis, en juin 1940, il expédia, par l'intermédiaire de Halban et Kowarski, ce stock d'eau lourde en Angleterre, où furent poursuivies les expériences engagées selon le programme établi préalablement à Paris.
Pendant l'Occupation, Frddéric Joliot-Curie continue ses recherches au Collège de France au ralenti et clandestinement, tout en participant activement à la Résistance; c'est alors qu'il devient Président du Front National, et qu'il adhère au Parti Communiste Français.
En juin 1943 il est élu à l'Académie des Sciences.
Après la guerre il consacre une partie de son temps à des tâches administratives, acceptant pendant une année la direction du C.N.R.S. qui, sous son impulsion, sera réorganisé et doté de moyens plus importants. Il reprend ses travaux sur la fission, s'intéressant surtout à l'étude des applications biologiques de radioéléments artificiels (métabolisme de l'iode dans l'organisme, cancérisation par les neutrons, etc.). Il propose en 1945 au gouvemement du Général De Gaulle de reprendre les recherches et les réalisations prévues dans le domaine de l'énergie atomique, et qui avaient été interrompues en juin 1940. C'est ainsi qu'est créé au début de l'année 1946 le Commissariat à l'Energie Atomique, dont il est le premier Haut-Commissaire.
Malgré les difficultés que présentaient les premières mises au point, le travail progcssa rapidement, et dès 1948 la France disposait, au Fort de Châtillon, de la première pile atomique nationale, devenue célèbre sous le nom de Zoé. En même temps commençait la construction d'un grand centre de recherches nucléaires à Saclay. Ce projet était en cours de réalisation lorsque, en 1950, dans le climat de guerre froide qui régnait alors, Frédéric Joliot-Curie fut révoqué de son poste de Haut-Commissaire pour des raisons politiques : on lui reprochait son activité dans les rangs du P.C.F., et sa prise de position publique contre la fabrication des armes nucléaires.
C'est ainsi qu'il eut lui aussi, comme sa femme Irène, une grande activité politique tout en s'occupant de ses diverses tâches scientifiques. Durant les vacances de l'année 1958, il fut victime d'un accident, dû sans doute au mal qui le minait et qui l'avait déjà obligé, à plusieurs reprises, à interrompre ses activités. Ramené à Paris à l'hôpital Saint-Antoine, il mourut le 14 août. Des obsèques nationales furent célébrées pour lui comme pour sa femme dans la grande cour de la Sorbonne.
1. Voir la notice sur Marie Curie (prix Nobel de chimie 1911).
2. Celui-ci a exercé une grande influence, non seulement sur la destinée scientifique, mais aussi sur les convictions morales et politiques de Frédéric Joliot-Curie.
3. Prix Nobel de physique 1935.
4. Prix Nobel de physique 1933.
5. Cette réaction nucléaire s'écrit :
27 13 Al+ He --> 30 15 P* +1 0 n
30 15 P* --> 30 15 Si + 0 1 e (ou beta +)
Le symbole chimique d'un radioélément est affecté d'un astérisque.
6. Pour des raisons de santé, Irène Joliot-Curie fut bientôt remplacée à ce poste par Jean Perrin, Prix Nobel de Physique 1923.
Pour ses contributions à la connaissance de la structure moléculaire au travers de ses recherches sur les moments dipolaires et la diffraction X et électronique des gaz.
(Maastricht, 1884 - Ithaca, 1966)
Peter Joseph William Debye est né le 24 mars 1884 à Maastricht, dans la province hollandaise du Limbourg. Après avoir fait ses études secondaires dans sa ville natale, il entre à 17 ans à l'Université d'Aix-la-Chapelle, où il a comme professeurs notamment A. Sommerfeld et M. Wien, et où il obtient le dip1ôme d'ingénieur électricien en 1905. L'année suivante, Sommerfeld, qui vient d'être nommé professeur de physique théorique à l'Université de Munich, lui demande de l'accompagner. C'est sous sa direction que Debye entreprend une thèse de doctorat sur "la pression de radiation", qu'il soutient en 1910. En 1911, il remplace pour un an, à l'Université de Zurich, Einstein, qui vient de libérer la chaire de physique théorique. Il n'a alors que 27 ans : c'est durant cette année-là, extrêmement importante dans sa carrière scientifique, qu'il propose les deux théories fondamentales qui vont le faire connaître, l'une sur les chaleurs spécifiques (1), l'autre sur la polarité des molécules. Revenu en Hollande, il enseigne pendant deux ans à Utrecht, puis, souhaitant confronter sa théorie sur la polarité des molécules avec l'expérimentation, il accepte la chaire de professeur de physique théorique à l'Université de GOttingen, où il a la chance de trouver un laboratoire très bien équipé. Après être xsté cinq ans dans ce poste, il enseigne successivement à Zurich, Leipzig et Berlin, où on lui propose, en 1934, une chaire à l'Université, ainsi que la direction d'un des laboratoires du Kaiser Wilhelm Institut (2). Mais la montée du nazisme, l'ingérence de la politique dans les préoccupations scientifiques, enfin la pression exercée pour qu'il devienne citoyen allemand, l'incitent à quitter l'Allemagne et, malgré les difficultés soulevées par les autorités de l'époque, il réussit à gagner l'Italie, puis les Etats-Unis. Nommé en 1940 professeur de chimie à l'Université Comell, il finit sa carrière outre-Atlantique après avoir obtenu en 1946 la citoyenneté américaine.
Le champ de recherches de Debye en chimie physique est extrêmement vaste et, comme nous l'avons signalé, sa notoriété a commencé alors qu'il était âgé de 27 ans, dès la publication de ses deux théories.
Ayant utilisé la formule de Planck et admis que les atomes d'un solide vibrent à une fréquence donnée, Einstein, le premier, avait établi une relation entre la "chaleur spécifique" du corps étudié et sa température. Mais aux basses températures des écarts apparaissaient entre les prévisions théoriques et les résultats expérimentaux, les atomes n'étant pas caractérisés par une seule fréquence, mais au contraire par une gamme de fréquences. La théorie de Debye, fondée sur les analogies entre le gaz de phonons et le gaz de photons, conduit à la conclusion qu'aux très basses températures la "chaleur spécifique" C est proportionnelle au cube de la température absolue de toute substance et qu'elle s'annule au zéro absolu (3).
Plus important encore est la théorie sur les moments dipolaires des molécules, dont le premier mémoire, paru en 1911, a été suivi par beaucoup d'autres jusque dans les années 1950. Cette théorie est à la base des conceptions sur les diélectriques et de la mesure des moments dipolaires qui va devenir un puissant moyen de détermination des structures moléculaires. Le moment permanent de certaines molécules est nul (molécules apolaires); lorsqu'il en est autrement, il s'agit de molécules polaires caractérisées par un dipôle permanent (p,o), c'est-à-dire par un système de deux charges opposées (+ q) dont l'interdistance (a) est de l'ordre de grandeur des dimensions moléculaires, de sorte que mu.o = aq; exprimé en u.e.s., sa valeur avoisine 10-18. En hommage à Debye, l'unité du moment dipolaire (D) porte son nom (4).
Il a également défini l'une des composantes des forces de Van der Waals. L'étude des fluides met en évidence les forces responsables des écarts par rapport à un fluide parfait. Ces forces, appelées "forces de Van der Waals", ont leur origine, si les molécules sont polaires, dans l'interaction dite de Keesom. En second lieu interviennent les forces de Debye. Le champ créé par une molécule polaire provoque une déformation des charges dans les molécules voisines, et on peut calculer l'énergie d'interaction qui en résulte. A côté de ces forces qui apparaissent seulement entre molécules polaires, sont toujours présentes celles dites de London, dues à la répartition asymétrique (variable dans le temps) des électrons autour du noyau.
En 1913, lorsqu'il arrive à Gbttingen où Laue et Bragg viennent de découvrir la diffraction des rayons X, Debye commence à étudier l'influence de la température sur ce phénomène, et met en évidence un facteur important qui relie l'intensité des taches de diffraction, la longueur d'onde, l'angle de diffraction et la température; ce facteur portera son nom. Scherrer, qui se trouve aussi à Gbttingen, entreprend une collaboration très efficace avec Debye et, en 1916, les deux chercheurs publient en commun un remarquable mémoire sur la diffusion des rayons X par les petites particules cristallisées (poudre). Leur méthode va devenir rapidement l'une des plus puissantes pour déterminer la structure de cristaux de haute symétrie (5). Les recherches dans ce domaine se poursuivront durant des années, aussi bien au plan théorique que pratique.
Durant son séjour zurichois (1920-1927), Debye s'intéresse aux solutions d'électrolytes et publie en 1923, en collaboration avec Hückel, deux mémoires fondamentaux. La théorie qu'il développe domine encore aujourd'hui un certain nombre de nos conceptions sur les interactions ioniques en solution. Elle était d'autant plus importante à l'époque que les points de vue des deux écoles d'Ostwald et de Nemst se trouvaient partagées sur la question. Les uns, considérant que les électrolytes faibles obéissaient à la loi d'action de masse, admettaient que les ions, même chargés, se comportaient comme des particules électriquement neutres. Les autres, travaillant sur les électrolytes forts, considéraient qu'ils avaient un comportement anormal; ils parlaient "d'anomalies des électrolytes forts". Or il était pour le moins surprenant de considérer qu'un sel ou un acide fort en solution aqueuse avait un comportement anormal. Par la suite, seul Lewis et ses collaborateurs réussirent à rendre une cohérence à l'ensemble en introduisant la notion d'activité (6) ; mais il s'agissait là d'une systématique qui n'avait pas de support théorique. On avait émis des hypothèses sur des interactions coulombiennes, mais toute tentative d'en déduire une théorie s'était soldée par un échec. En combinant l'équation de Boltzmann (sur la distribution statistique des ions) et celle de Poisson (traduisant le transfert des ions du milieu homogène vers l'atmosphère ionique), puis en tenant compte d'une variation d'énergie du système (s'appliquant d'une part au domaine du continu, d'autre part au domaine du discontinu), Debye détermina le potentiel moyen d'un ion donné qui agit autour de lui. L'équation différentielle qu'il obtint ne put être intégrée que grâce à une simplification qui consistait à considérer des solutions diluées dans des solvants de constante diélectrique élevée, comme l'eau par exemple. Pour les autres solvants, elle restait valable à la limite, c'est-à-dire à dilution infinie.
Cette théorie, qui suscita de nombreuses controverses, fit néanmoins faire un grand pas en avant, et fut confirmée, pour les conditions précisées ci-dessus, par les résultats expérimentaux. Ainsi on put formuler quantitativement les propriétés thermodynamiques des électrolytes en solution; et on put calculer le coefficient d'activité des ions. En effet Debye était parti des hypothèses suivantes : la dissociation est totale, le solvant est un continuum de constante diélectrique identique en tous points, les interactions entre ions sont régies par la loi de Coulomb. Les coefficients d'activité f des ions d'un électrolyte se calculent donc à partir de la relation :
Log f +- = -(a)Z+Z-µ0.5.
(loi limite de Debye-Hückel à dilution infinie),
où Z+ et Z- sont les charges électriques des deux ions, p. la force ionique (µ= l/2 S Zi Ci 2), et (a) un facteur dont la valeur est de l'ordre de 0,5 pour l'eau.
Le second mémoire de 1923 concemait la conductibilité des solutions ioniques. Debye et Hückel mirent en évidence que la conductibilité était un phénomène irréversible et que, s'i1 y avait équilibre de dissociation, il ne pouvait être que surimposé au processus fondamental de la conduction du courant. Ils introduisirent la notion de relaxation et celle du mouvement électrophorétique du solvant. Plus tard, Debye et un autre de ses collaborateurs, Falkenhagen, rendirent compte de l'influence du champ électrique appliqué, et prévirent une dispersion de la conductibilité avec la fréquence, ce qui fut vérifié expérimentalement par Wien et Debye.
A partir de 1927, à l'Institut de physique de Leipzig, Debye poursuivit pendant sept ans ses travaux sur les moments dipolaires, les rayons X, les électvolytes forts, et entreprend l'étude de la diffusion de la lumièn: par les ultrasons. Il continua de s'intéresser aux mêmes problèmes à l'Institut Kaiser Wilhelm. C'est pour ces recherches qu'il obtint en 1936 le prix Nobel de chimie.
En 1940, outre-Atlantique, l'industrie de guerre nécessi tant d'énormes quantités de caoutchouc synthétique, Debye porta son attention sur la chimie des macromolécules et des solutions colloïdales. Dans les années qui suivirent, il publia une théorie de la diffusion de la lumière par les macromolécules en solution, et proposa une méthode de déteanination de la masse moléculaire et de la forme de ces grosses molécules, montrant expérimentalement qu'avec des systèmes suffisamment purs, les résultats étaient reproductibles. Bien des années après, la technique de Debye restait le meilleur moyen pour étudier les polymères en solution.
Mort à Ithaca, dans l'Etat de New York, le 2 novembre 1966, il a laissé le souvenir d'un grand savant ainsi que d'un bon enseignant, d'un excellent écrivain et conférencier.
Dans la préface de l'un de ses livres, Debye avait écrit : "Notre science est essentiellement un art qui ne peut pas vivre sans l'étincelle de génie d'hommes qui, sensibles aux petits indices, reconnaissent la vérité avant que la preuve n'en ait été faite."
A qui, mieux qu'à lui-même, cette phrase pourrait-elle s'appliquer ?
1. Chaleurs massiques.
2. Devenu depuis 1949 l'Institut Max Planck.
3. Pour un solide la formule de Debye s'écrit C = 465 (T/théta)3. T est la température absolue et 0 un facteur proportionnel à la vitesse moyenne du son dans le solide. Cette formule permet de prévoir les variations thermiques de C aux basses températures.
4. 1 D = 10-18 ues=3,335.10-30 coulomb.mètre. (Eau = 1,82 D; CHC1 = 1,02 D; HC1 = 1,03 D...).
5. La distribution statistique des cristallites ayant toutes les orientations possibles, il se fait qu'un grand nombre satisfait à la condition de Bragg pour les familles de plans réflecteurs dont la distance réticulaire est supérieure à lambda/2. Pour une famille donnée, l'ensemble des faisceaux réfléchis constitue un cône dont l'axe est la direction des rayons incidents, et dont le demi-angle au sommet est égal à deux fois l'angle de Bragg. Ces faisceaux réfléchis sont recueillis sur une plaque photographique placée dans une chambre cylindrique dont l'axe est perpendiculaire à la direction du faisceau incident. La mesure de la position des anneaux sur la plaque permet, grâce à le relation de Bragg, de calculer les distances rbticulaires des différentes familles de plans réflecteurs.
6. L'activité est le produit de la concentration moléculaire du corps dissous par un facteur de correction (coefficient d'activité). Ce facteur est égal à l'unité pour les dilutions infinies; ensuite il décroit avec la concentration.
Haworth et Karrer sont venus à l'étude des vitamines en partant de leurs travaux respectifs sur les polymères des hydrates de carbone. Leurs résultats ont eu une très grande importance dans la préparation et la modification de nombreux intermédiaires, utilisés dans la fabrication industrielle de plastiques, de fibres et de colles.
La détermination de la structure des vitamines C et A, ainsi que leur mode d'action, développèrent les méthodes d'extraction respectivement à partir des fruits et légumes pour la vitamine C, du lait, du beurre ou du foie de poisson pour la vitamine A, satisfaisant ainsi les besoins croissants en vitamines. Ces recherches prirent toute leur valeur lorsqu'on eut démontré l'action oxydante de la vitamine C dans le métabolisme d'assimilation des aliments, et l'influence de la vitamine A dans le domaine de la vue.
Pour ses recherches sur les hydrates de carbone et la vitamine C.
(Chorley, 1883 - Bamtgreen, 1950)
Ce chimiste anglais est né à Chorley, dans le Lancashire, le 19 mars 1883. Après avoir suivi les cours des écoles privées de Chorley et de Preston, il fréquente l'Université de Manchester (1903-1909), puis celle de Gôttingen (1909-1910), où il est l'élève des professeurs Otto Wallach et W. H. Perkins, tous deux éminents spécialistes de la chimie des huiles essentielles. Leur influence se fera sentir dans le choix du premier sujet de recherche de Haworth, ainsi que dans celui de sa thèse de doctorat, soutenue à Manchester en 1911.
Haworth assume alors pour un an la fonction de chef de travaux à l'Imperial College de Londres, puis, de 1912 à 1920, celle de maître de conférences à l'Université de St Andreus. Il est ensuite nommé professeur de chimie à l'Université de Durham; enfin il devient en 1925 directeur du département de chimie à l'Université de Birmingham. Il est élu membre de la Royal Society de Londres en 1928, et reçoit la "Long Staff Medal" en 1933. Il assumera quelques années plus tard, de 1944 à 1946, la présidence de la Société de Chimie anglaise.
Ses recherches, interrompues par des travaux de synthèse de substances telles que le sylvestrène (1) (1912) ou l'amygdaline (2) (1924) par exemple, portent d'une part sur la constitution des terpènes (1908-1915), d'autre part sur les sucres (1918-1927).
L'utilisation du bois comme matériau de départ est le point commun à ces deux orientations. L'extraction par les solvants organiques donne des huiles essentielles terpénoïques, et l'action de solutions aqueuses alcalines permet d'obtenir un extrait de sucre complexe appelé xylane (polyholoside également nommé gomme de bois). A chaud, en solution aqueuse légèrement acide, le xylane s'hydrolyse avec formation de pentoses : le xylose, et une petite quantité de son isomère, l'arabinose. La méthode de méthylation d'Emil Fischer, améliorée par Haworth, a permis de caractériser ces substances grâce aux dérivés méthylés des sucres. C'est ainsi qu'on a montré que les atomes de carbone, reliés à celui de l'oxygène, formaient un cycle. Certains cycles, qui avaient cinq atomes de carbone et un d'oxygène, ont été appelés pyranoses; ceux qui avaient quatre atomes de carbone et un d'oxygène, furanoses, car ils dérivaient structuralement du furfural. Les formules proposées pour ces divers sucres furent rapidement adoptées par tous les chimistes.
Les pentoses sont donc les constituants de base du xylane. En revanche les hexoses sont les constituants de l'amidon et de la cellulose : le glucose, constituant du glycogène, se retrouve en effet dans l'amidon et dans la cellulose. A la suite des travaux d'Emil Fischer, Haworth et ses collaborateurs venaient d'accomplir un énorme progrès dans la chimie des glucides, en attribuant aux sucres simples la structure cyclo-semiacétale à cycle oxyde, et en déterminant la composition des polyholosides.
Une question importante résolue par Haworth concernait la longueur des chaines et le nombre d'unités de sucre simple entrant dans la composition de l'amidon, de la cellulose et du glycogène. Ainsi, il a montré successivement que le glycogène et l'amidon avaient une constitution inteme identique, et que le xylane ressemblait à la cellulose. Ses travaux ultérieurs ont établi que le xylane comprenait 17 à 18 unités 8-xylopyranose et que la chaîne se terminait par une unité arabino-furanose. Cette dernière unité put être facilement séparée par hydrolyse. En 1934, il annonça que la structure du xylane était probablement celle de tous les polysaccharides, en ce sens que les chaînes de longueurs limitées s'associaient en agrégats au travers de liaisons de valence, ou de forces comparables à celles intervenant dans les coordinats. Finalement il opta pour des interactions spécifiques telles qu'elles se manifestaient dans les polymères.
En ce qui concerne l'amidon, les chaînes comportent entre 26 et 30 "chaînons" alpha-glucopyraniques, également assemblés en polymères. Dans le glycogène, ces chaînes sont légèrement plus courtes (18 unités d'a-glucose), donnant en revanche de grands complexes moléculaires dont le poids moléculaive est de l'ordre de 10 et plus.
L'expérience qu'avait acquise Haworth lui fut extrêmement utile pour aborder l'étude de la vitamine C, qu'il appela acide ascorbique. F. Micheel avait montré que cette vitamine résultait de l'oxydation d'un hydrate de carbone, le sorbitose (ressemblant au fructose), suivie d'une hydrolyse. En 1934, Haworth et son équipe réussirent à faire la synthèse de ce composé, déterminèrent sa structure et proposèrent une méthode de préparation industrielle de cette vitamine.
L'acide ascorbique est un acide monobase qui donne un sel bien défini de formule C6H7O6M. C'est un puissant réducteur et son oxydation peut se faire en plusieurs étapes successives. La première étape, la plus importante, correspond à l'équivalent d'un atome d'oxygène par molécule d'acide ascorbique. A ce stade, le produit obtenu est réduit quantitativement en vitamine C par des agents tels que l'acide iodhydrique ou l'acide sulfurique. Cependant, l'acide ascorbique est très sensible à l'oxygène gazeux et, en présence de traces de cuivre comme catalyseur, se produit la réaction réversible de destruction de cet acide. Il est important de signaler que le produit obtenu par oxydation réversible de l'acide ascorbique n'a plus de propriétés acides et se comporte comme une hctone, bien qu'une certaine acidité apparaisse en solution aqueuse. Ce caractère est dû à un groupement hydroxyl-énolique, et non à un COOH libre. Ceci orienta Haworth dans l'établissement de la structure qui dérivait de la 7-lactone de l'acide 2-céto 1-gulonique (C6H10O6) capable de réagir sous diverses formes tautomères (3).
La méthode la plus simple pour synthétiser l'acide l-ascorbique consistait donc, selon Haworth, à oxyder directement le 1-sorbose qui, tout comme le d-fructose, était particulièrement sensible à l'oxydation par la fonction alcoolique fixée sur le carbone.
C'est l'ensemble de ces travaux qui ont valu à Haworth le prix Nobel de Chimie de 1937.
Anobli en 1947, Walter Norman Haworth décéda le 19 mars 1950, jour de son soixante-septième anniversaire, à Bamtgreen, près de Birmingham, en Angleterre.
Pour ses travaux sur les caroténoïdes, les flavines et les vitamines A et B2.
(Moscou, 1889 – Zürich, 1971)
Paul Karrer est né à Moscou le 21 avril 1889, de parents helvétiques qui, alors qu'il est âgé de trois ans, reviennent en Suisse et s'établissent dans le canton d'Aargau. Après avoir obtenu son baccalauréat en 1908, Karrer étudie la chimie à l'Université de Zurich et prépare, sous la direction du Professeur Alfred Werner, une thèse sur les sels de nitrosopentamine-cobalt, qu'il soutient en 1911; il est ensuite, durant un an, l'assistant de Wemer à l'Institut de chimie de l'Université de Zurich. De 1912 à 1918, installé dans la ville de Francfort-sur-le-Main, il collabore, à la Fondation Georg Speyer, avec Paul Ehrlich, pionnier de la chimiothérapie, qui exercera une grande influence sur l'orientation (1e ses recherches, en particulier dans le domaine de la biochimie. En 1918, Karrer est nommé professeur sans chaire à l'Université de Zurich, et il assure la direction de l'Institut de chimie en remplacement de son maître Werner, très malade. L'année suivante, il lui succède dans la chaire de chimie. Vers la fin d'une longue carrière (l'enseignement et de recherche, il occupera, de 1950 à 1952, les fonctions de recteur de l'Université de Zurich.
C'est probablement, parmi les lauréats du prix Nobel de chimie, le seul dont la rcnommée de professeur ne l'ait cédé en rien à la célébrité scientifique. Karrer est resté d'abord un pédagogue : son Traité de Chimie organique (4), véritable "bible" des étudiants en chimie dans la plupart des Universités du monde durant une trentaine à'années, a connu treize rééditions et a été traduit en anglais, français, espagnol, italien, polonais et japonais. Membre de plusieurs Académies et sociétés de chimie et de biochimie, et Docteur honoris causa de multiples Universités, Karrer est ainsi devenu un savant légendaire.
Son oeuvre est difficile à résumer, car elle comprend des centaines d'études dans les domaines de la chimie organique et de la biochimie. Nous citerons pour mémoire les vitamines (A, B2, E, K, C), les coferments, les caroténoïdes, les colorants végétaux, les alcaloïdes (notamment ceux du curare), les acides aminés, les hydrates de carbone, les composés organiques de l'arsenic, etc.
Ces travaux, effectués pendant une quarantaine d'années, ont presque tous été publiés dans les Helvetica Chimica Acta.
Après sa thèse, sa collaboration avec Ehrlich l'amena à étudier les propriétés thérapeutiques des composés arsenicaux en mettant au point, entre autres, un complexe argent-salvarsan (5). Puis à Zurich, il abandonne à partir de 1919 ses recherches en chimie médicale pour se consacrer à la biochimie. Il s'intéresse aux hydrates de carbone comme l'amidon, la cellulose et la lichénine (glucide polymérisé (C6H10O5)n de structure voisine de celle de la cellulose et extraite de la mousse d'Islande). Puis il inscrit à son programme l'étude des tanins, des lécithines (phosphatoaminolipides) et des amino-acides.
En 1926, il entreprend des travaux sur les pigments végétaux, et plus particulièrement sur ceux de la carotte, appelés caroténoïdes. Ce sont ces recherches qui lui vaudront le prix Nobel.
Le carotène lui-même a été séparé en plusieurs isomères (C40H56). L'enchaînement de ces demiers, comprenant des liaisons simples et doubles en altemance, forme un système "chromophore", responsable de la coloration rouge-orange de ces composés : ils appartiennent à la famille des polyènes. Karrer a allongé la liste des caroténoïdes. En 1922, lorsque avait paru l'ouvrage de L. S. Palmer, on n'en connaissait que six composés cristallisés. Quatre ans après, leur nombre atteignait la quinzaine, pour arriver à la quarantaine après les recherches de Karrer. Ses travaux n'ont pas été entrepris uniquement dans le but de séparer les caroténoïdes, de les identifier et de déterminer leur structure, mais aussi afin d'établir leurs propriétés provitaminiques. Dans le corps humain, ces substances se transforment en vitamine A, et Karrer a montré que cette conversion résulte d'une hydrolyse coupant la molécule en son milieu, centre de symétrie. Dans deux publications de 1930 et 1931, il décrit donc la structure du B-carotène, puis celle de la vitamine A. Pour la première fois était déterminée la structure d'une vitamine : aussi ces travaux eurent-ils un grand retentissement. Karrer expliquait aussi la grande spécificité d'action d'une vitamine, faculté qui intriguait les biochimistes de cette époque. Il montrait en effet que de nombreuses vitamines constituaient les groupements actifs des ferments (diastases); il établissait cette relation entre ferments et vitamines dans le cas de la vitamine B2 (lactoflavine). Après avoir réalisé la synthèse de la lactoflavine et d'autres flavines, Karrer put aussi démontrer l'importance de l'effet vitaminique en corrélation avec la constitution de la molécule. Son ouvrage Les Caroténoïdes (6) fait autorité dans ce domaine.
Paul Karrer se retira à Zurichberg en 1958. Les historiens des sciences regretteront que, pour des raisons personnelles, il ait brûlé presque toute sa correspondance scientifique. Il décéda à Zurich le 18 juin 1971.
1. Parfois appelé d-carvestrène, carbure C10H16 constitué par le delta 1,8 m-menthadiène.
2. Ou l-amygdaloside, C20H11O11N, existe à l'état naturel dans l'amande amère.
3. Tautomérie: possibilité pour un composé d'exister sous plusieurs formes ayant des configurations électriques différentes.
4. Lehrbuch der organischen Chernie, 14e éd., Stuttgart, 1963.
5. Salvarsan : marque commerciale de l'arsphémine.
6. Die Carotenoïde, Birkháuser, Basel, 1949. Traduction anglaise, Van Nostrand, New York, 1955.
Pour ses travaux sur les caroténoïdes et les vitamines (1).
(Vienne, 1900 - Heidelberg, 1967)
Ce chimiste autrichien est né à Vienne le 3 décembre 1900. Etudiant à l'Université de Munich, où il est l'un des plus jeunes chercheurs du laboratoire de Willsthtter, il soutient en 1922 sa thèse, dont le sujet sur les enzymes prolonge les travaux de son maître. En 1926, il est nommé professeur de chimie à l'Université de Munich, et part un an plus tard à Zurich occuper la chaire de chimie générale et analytique de l'Ecole Fédérale Technique. Il accepte en 1929 une chaire à Heidelberg, et dirige le département de chimie médicale à l'Institut Kaiser Wilhelm. En 1939, il est nommé président de la Société Allemande de Chimie, et devient directeur du futur Institut Max Planck. Le gouvemement allemand ne lui permet pas d'aller recevoir le prix Nobel qui lui est attribué, et on ne lui remettra la médaille d'or et le diplôme de lauréat Nobel qu'après la guerre. Installé aux Etats-Unis, il occupe pendant deux ans (de 1951 à 1953) la chaire de chimie et de physiologie à l'Université de Pennsylvanie à Philadelphie. Durant cette période, il publie de nombreux traités de chimie organique et de biochimie, dont certains consacrés plus particulièrement aux vitamines. De retour en Allemagne, à Heidelberg, il y reste jusqu'à sa mort.
Comme celles de son maître Willstatter, ses recherches sont consacrées à l'étude des enzymes et des pigments de substances naturelles. Otto Warburg (prix Nobel de médecine 1931) avait établi la connexion entre l'activité enzymatique et la coloration. Kuhn va tenter d'approfondir ce problème en cherchant une explication chimique et biologique. Il commence par des travaux systématiques en chimie organique, car Willstatter venait de montrer l'importance des polyènes cycliques dans la structure des alcaloïdes huileux (pelletiérine). Kuhn prépare des chaînes ouvertes insaturées, connues sous le terme générique de polyènes de formule générale C6H5-(CH=CH)n-C6H5 (n pouvant varier de l à 15). Ces travaux vont permettre de déterminer plus facilement de nombreuses structures de pigments naturels, notamment celle des carotènes (étudiées par Karrer), du lycopène (le pigment rouge des tomates, C40H56), de la crocétine (C40H24O4, isolée du crocus sativus).
Kuhn et Karrer se livrèrent à une compétition scientifique dans l'étude de la structure des pigments qui avaient une activité biologique en relation avec celle des vitamines. La constitution de la lactoflavine, encore appelée riboflavine (vitamine B2), a été confirmée par plusieurs méthodes de synthèse mises au point la même année (1935) par leurs laboratoires respectifs. L'alloxane (2), connu depuis les travaux d'Adolphe von Baeyer, allait devenir le composé principal utilisé au cours de ces diverses synthèses.
Kuhn a montré ensuite l'influence hautement spécifique de la crocétine sur la maturation sexuelle des spores ou gamètes de certaines plantes inférieures. Puis, ayant amélioré ses techniques et affiné ses raisonnements, il détermina les structures chimiques de nombreuses substances naturelles en utilisant des quantités de l'ordre du milligramme. Les oursins, par exemple, secrètent une hormone sexuelle qui dérive du naphtalène; il s'agit, comme l'a montré Kuhn, d'une naphtoquinone hydroxylée. On sait que les levures renferment des enzymes et des vitamines. Certaines de ces vitamines, appartenant au groupe B, agissent contre les maladies de la peau : on les appelle adermine, mais aussi vitamine B6 ou pyridoxine. Cette demière appellation rappelle la structure partiellement déterminée par Kuhn et ses collaborateurs; c'est en fait une pyridine renfermant un atome d'oxygène. Elle est aussi nommée vitamine antidermatosique ou vitamine antipellagreuse du rat. L'unité de vitamine B6 correspond à 7,5 g de substance; c'est la plus petite dose quotidienne capable de guérir l'acrodynie du rat (3).
L'année où il reçut le prix Nobel, Kuhn venait d'établir la structure complète de la vitamine B6 : (C6H5N)(CH3)(OH)(CH2OH)2HC1; il s'agit donc du chlorhydrate de dihydroxyméthy1-4, 5 hydroxy-3 méthyl-2 pyridine. A l'état naturel, les pigments, les enzymes et les vitamines sont combinés aux sucres, aux graisses, et particulièrement aux protéines. Willstatter, qui avait étudié ces combinaisons, les appelait "symplexes de combinaison".
Poursuivant ses travaux sur les symplexes, Kuhn mit au point une méthode pour les séparer à partir des végétaux en utilisant des savons invertis (4). Ces composés étaient connus depuis longtemps, mais à l'époque de Kuhn on venait de leur trouver un intérêt médical : un savon inverti dérivant du tétrazol était par exemple un bactéricide puissant, même à la concentration de 1/600 000e. Kuhn leur trouva un rôle d'agent de dégradation de substances naturelles. La synthèse complète de la vitamine B6 fut achevée en 1939.
Kuhn était membre de plusieurs académies européennes. Il devait décéder à Heidelberg le 31 juillet 1967.
l. On remarquera que cet intitulé est presque identique à celui qui a été formulé pour la remise du prix à Paul Karrer.
2. Aujourd'hui on écrit alloxanne. Cet uréide de l'acide mésoxalique peut provoquer un diabète expérimental.
3. Maladie caractérisée par des tuméfactions des extrémités et des troubles neurocirculatoires.
4. Ainsi nommés car les acides organiques et les bases minérales des savons sont invertis en baser organiques et acides inorganiques.
Pour ses travaux sur les hormones sexuelles.
(Bremerhaven-Lehe, 1903 - )
Ce chimiste est né à Bremerhaven-Lehe, en Allemagne, le 24 mars 1903. Après des études de chimie, de physique et de biologie à Marbourg et Göttingen, il prépare, sous la direction de Windhaus, une thèse qu'il soutient en 1927. Il est durant trois ans (1927-1930) l'assistant du professeur Windhaus à l'Université de GOttingen; puis, dans cette même Université, il est nommé l'année suivante directeur de la section de chimie organique et de biochimie. De 1933 à 1936 il occupe à Dantzig la chaire de professeur de chimie organique à l'Ecole Technique Supérieure, après quoi il devient directeur de l'Institut Kaiser Wilhelm à Berlin, puis assume les fonctions de directeur des Instituts de biochimie de Tübingen (de 1945 à 1956) et de Munich (de 1956 à 1960). En mai 1960, il est élu président de la Société Max Planck pour l'Avancement des Sciences.
Butenandt, pas plus que son prédécesseur Kuhn, n'a eu la possibilité de se rendre à Stockholm afin d'y recevoir personnellement son prix. La médaille et le dip1ôme lui furent adressés ultérieurement.
Son oeuvre scientifique commence par des travaux sur les insecticides (roténone). Mais, disposant à partir de 1931 de l'autonomie de recherche nécessaire, il entreprend d'étudier les hormones sexuelles, domaine vers lequel son maître Windhaus l'avait orienté dès 1929, et obtient à l'état cristallisé la première hormone sexuelle, appelée folliculine. L'année 1931 est une année historique pour la biochimie, car, en même temps que Butenandt, mais indépendamment de lui, Doisy (1) parvient aux mêmes résultats. La folliculine, ou encore oestrogène, a un point de fusion bien défini à 256°C, et il suffit d'en utiliser 25 milliardièmes de gramme pour obtenir le développement d'un utérus chez une souris castrée. Comme cette hormone se détectait dans les urines des femmes enceintes, on chercha également la présence d'hormones dans les urines mâles. Casimir Funk, à Londres, fut le premier à en montrer l'existence, et il mit au point des méthodes permettant de les isoler. Butenandt s'attaque lui aussi au problème, et par extraction à l'aide d'acides et de bases, il obtient une fraction impure qu'il essaie de débarasser de ses substances étrangères. Cette partie de son travail se révèle extrêmement difficile, car les méthodes d'adsorption et d'extraction utilisées se montraient totalement inefficaces. C'est le recours à l'hydroxyl-amine (réactif de la fonction carbonyle) qui lui permettra de recueillir une très petite quantité d'échantillons cristallisés. Après élimination du groupe aminé, si le résidu est soumis à la sublimation sous vide, on obtient une substance cristallisée dont l/l 000 000e de gramme, administré en dix prises durant cinq heures, entraîne la manifestation d'une activité hormonale. Butenandt rapporte qu'il a réussi en 1931 à préparer 15 milligrammes de cette substance, ce qui représente la quantité contenue dans environ 30 0001 d'urine!
En 1933, à Dantzig, où son équipe s'est agrandie, il intensifie ses recherches sur les hormones sexuelles. Ses résultats mettent en lumière une foule de problèmes, apportant des indications d'ordre organo-chimique, physiologique, voire même médical. Il montre en particulier la filiation du cholestérol avec la chaîne carbonée de l'acide cholique, et découvre de nombreux dérivés nouveaux ayant une activité dans le règne animal et sur les semences végétales. Ces travaux sont poursuivis à l'Institut de biochimie de Kaiser Wilhelm. Certains d'entre eux, par leur importance, méritent une attention toute particulière : l'une de ces hormones possède une fonction carbonyle sur le carbone 3, une fonction hydroxyle sur le carbone 17 du squelette cholique (2), et comporte une double liaison entre les carbones 4 et 5; ce composé agit comme une hormone mâle. Lorsque cette double liaison est translocalisée entre les carbones 1 et 2, l'hormone manifeste une forte action oestrogène. Ce résultat révèle que l'utilisation des hormones en médecine doit être faite avec une extrême prudence, surtout à doses concentrées. C'est à Berlin également que les travaux de Butenandt trouvent leur conclusion dans la synthèse de la testostérone, hormone mâle, et de l'hormone progestative, la progestérone, par modification de stéroïdes naturels facilement accessibles. Il faut associer à ces recherches laborieuses, mais néanmoins très élégantes, les noms de ses principaux collaborateurs : K. Tscheming, U. Westphal et J. Schmidt-Thomé.
Par la suite, Butenandt chercha les relations existant entre la structure chimique des hormones sexuelles et les substances cancérigènes; il effectua des tests sur plus de 3 000 souris. Un département spécial fut créé, baptisé Institut Anticancéreux, et dirigé par son collaborateur, le Docteur Ing. Heinz Dannenberg : les travaux étaient orientés sur l'action endogène des substances cancérigènes.
Avant la fin de ses recherches sur les hormones, Butenandt travailla en collaboration avec l'équipe de A. Kühn pour étudier le mode d'action des facteurs héréditaires, comme par exemple la formation des substances qui colorent les yeux des teignes de la farine et des mouches de la rosée. Ainsi, à partir du tryptophane et sous l'action de gènes déterminés, on constata qu'il se formait des substances colorantes, pigments des yeux des insectes, les ommochromes, qui ont été isolées, purifiées, et identifiées comme des colorants phénoxazoniques.
En collaboration avec P. Karlson, il s'est intéressé à l'action hormonale dans la métamorphose des insectes. Le travail le plus remarquable dans ce domaine a consisté à préparer 25 mg d'une hormone appelée ecdysone, en traitant 500 kg de nymphes de vers à soie, et à déterminer sa structure chimique. Après vingt ans d'effort et le traitement de 50 000 insectes femelles, il a réussi à isoler la première substance sexuelle des insectes à l'état pur, et à établir sa structure. Il a également manifesté l'intention de décrire les virus végétaux et animaux, de déterminer leur constitution chimique, et d'étudier les lois de leur multiplication.
Le département de biochimie qu'il avait fondé a été transformé en 1954 en un Institut Max Planck de recherche sur les virus dirigé par ses collaborateurs H. Friedrich-Freksa, G. Schramm et W. Schafer.
Toute son oeuvre a été le résultat d'un travail d'équipe. Ce grand savant n'a pas couvert de son ombre ceux qui ont travaillé avec lui; il les a au contraire éclairés de sa forte personnalité.
Pour ses travaux sur les polyméthylènes et les polyterpènes.
(Vukovar, 1887 - Suisse, 1976)
Né en 1887 dans une famille tchèque vivant en Croatie, à Vukovar, dans le sud de l'empire austro-hongrois (aujourd'hui en Yougoslavie), Ruzicka commence ses études dans sa province natale, à Oisijek, avant de poursuivre sa formation de chimiste au Collège technique de Karlsruhe. Titulaire en 1910 du dip1ôme de docteur-ingénieur, il complète ses connaissances sous la direction du professeur H. Staudinger, spécialiste des macromolécules (3).
De 1926 à 1929, Ruzicka professe à l'Université d'Utrecht, en Hollande; puis il est nommé professeur de chimie au Collège technique de Karlsruhe. Il occupe par la suite les mêmes fonctions à l'Université de Zurich, et demande alors la nationalisé helvétique. Spécialiste de chimie organique (domaine dans lequel il publie plusieurs traités), son activité de recherche porte sur les hormones sexuelles et les hydrocarbures de substances naturelles, plus particulièrement les terpènes (4) et les polyterpènes (ou terpènes supérieurs).
Les premiers travaux de Leopold Ruzicka sur les huiles essentielles y ont fait apparaître la présence de polyterpènes. C'est Otto Wallach qui avait identifié pour la première fois les terpènes en distillant le caoutchouc naturel. Leurs molécules, de formule C5H8 sont composées de quatre atomes de carbone ayant deux doubles liaisons conjuguées avec un groupement méthyle fixé sur le deuxième atome de carbone. Wallach avait considéré que la formule générale des terpènes était C10H16 et que l'entité C5H8 appelée isoprène, était un demi- ou hémi-terpène. Ruzicka identifia des "unités isopréniques" dans de nombreuses substances naturelles non terpéniques, et énonça ce que nous appelons aujourd'hui la "règle isopropénique". Ainsi, pour ce qui va du menthol au caoutchouc en passant par le cédrène, l'acide abiétique et la bétuline, il existe une similitude structurale profonde : toutes ces molécules peuvent être classées en unités isopropéniques. Cette règle joua un grand rôle pour Ruzicka quand il établit la structure de nombreux terpènes. Elle était l'expression élémentaire de celle qu'il énonça en 1955, la règle isopropénique biogénétique, qui montre que les structures de tous les terpénoïdes peuvent être considérées comme résultant de réactions réalisées sur un précurseur terpénoïde acyclique, à même nombre d'atomes de carbone. Ces réactions sont généralement des cyclisations acido-catalysées, suivies de transpositions, d'oxydations, d'alkylations. Par exemple on peut faire dériver du géraniol, précurseur acyclique, de nombreux terpènes naturels, dont le menthol. Une telle régularité traduit des mécanismes biosynthétiques communs qui seront démontrés par la suite.
En revanche, les isoprènes ne participent pas à la constitution des acides gras. Cependant la structure de certaines huiles essentielles à odeur forte apparaît comme provenant de la cyclisation de chaînes d'acides gras où le groupement acide -COOH est converti en fonction carbonyle.
Etudiant la civétone, substance naturelle à odeur de musc utilisée en parfumerie, Ruzicka a établi que la structure de base de ce composé est un cycle exceptionnellement grand, comportant dix-sept atomes de carbone. L'hydrogénation conduit à la dihydro-civétone; et l'hydrocarbure, obtenu dans la réaction Wolff-Kirschner, donne un acide dicarboxylique de formule brute C17H3204 qui laisse entrevoir une structure symétrique pour la civétone. Celle-ci peut se former par une co-oxydation de l'acide oléïque, suivie d'un cyclisation du diacide insaturé. La muscone (5) est obtenue par le même processus dans le métabolisme des acides gras.
Ruzicka montra que, dans le cas des cétones cycliques, il existe une relation entre les propriétés physiologiques (olfactives) et les modifications de la structure moléculaire. Ainsi les cétones de C5 à C8 ont une odeur d'amande amère, de carvi et de menthe poivrée; les cyclanones de C10 à C12 exhalent une senteur camphrée caractéristique; de C14 à C18 ils dégagent un parfum de musc.
Le grand nombre et la diversité des polyterpènes naturels faisaient que l'on se trouvait très souvent devant des structures complexes, alors que l'application de la règle isopropénique ne s'y prêtait pas. Ruzicka mit alors au point une méthode de déshydrogénation donnant des résultats plus rapides. Ainsi le phytol (constituant alcoolique de la chlorophylle) et la vitamine A avaient des structures difficiles à établir, d'autant plus que l'on ne disposait le plus souvent que de quantités infinitésimales. Dans les deux cas, il était nécessaire de contrô1er et de confirmer la composition déduite de la règle isopropénique, en faisant la synthèse, soit du produit naturel pour le phytol, soit de son dérivé perhydrogéné pour la vitamine A.
De même la formule définitive de l'androstérone (hormone sexuelle mâle) n'avait pu être établie par voie analytique. Mais en admettant qu'il y ait connexion entre les hormones sexuelles et le cholestérol, l'androstérone devait correspondre à la composition C19H30O2. Pour la synthétiser artificiellement, on pouvait partir de quatre stéréoisomères de stérines (= stérols) saturées. En 1933-1934, par oxydation des acétates de ces isomères, Ruzicka obtint des acétates d'oxy-cétones isomères (C19H32O2) dont l'un, issu de l'épidihydrocholestérol, était identique à l'androstérone. C'était la première synthèse et la détermination de la structure spatiale d'une hormone sexuelle.
L'étude des structures, des réactions et des synthèses des terpènes a joué un rôle extrêmement important dans le développement de la chimie organique. Concepts généraux, transposition de squelettes, synthèse stéréospécifique, analyse conformationnelle, trouvent leur origine dans l'étude des terpènes dont Ruzicka a été l'un des grands artisans.
Aujourd'hui ces composés constituent l'une des bases des industries des parfums, des arômes et des colorants alimentaires. En outre ils possèdent très souvent des propriétés physiologiques puissantes et spécifiques; c'est le cas des vitamines, des hormones, des phéromones et des alcaloïdes.
Leopold Ruzicka avait bien mérité de sa patrie d'adoption lorsqu'il y mourut en 1976.
1. Biochimiste américain, prix Nobel de médecine en 1943.
2. Squelette cholique de base avec la numérotation des atomes de carbone .
3. Staudinger sera lui-même lauréat du prix Nobel de chimie en 1953, soit quatorze ans après son élève.
4. Le nom de terpène vient de l'arbuste méditerranéen le térébinthe. Les terpènes ont été rangés en plusieurs groupes : schématiquement, on a les monoterpénoïdes (C10), qui sont les constituants odorants des essences végétales; les sesquiterpénoïdes (C15), qui forment les fractions les plus lourdes de ces mêmes essences; les diterpénoïdes (C20), qui constituent les résines; les sesterpénoïdes (C25), qui composent les cires d'insectes; les triterpénoïdes (C30) constituants universels des cellules végétales. Les terpénoïdes en C et C sont respectivement appelés caroténoïdes et polyprénoïdes.
5. Muscone ou méthyl-3 cyclopentodécanone se trouve dans le musc naturel.
