Branches principales

Chimie Organique§

La chimie organique étudie les composés du carbone, élément unique capable de former des chaînes et cycles stables grâce à ses quatre électrons de valence. Bien que nommée “organique” car initialement associée aux organismes vivants, elle inclut désormais des millions de composés synthétiques.

Hydrocarbures Les hydrocarbures (composés C-H) constituent la famille fondamentale :

• Alcanes (CₙH₂ₙ₊₂) : liaisons simples, saturés (méthane CH₄, éthane C₂H₆, propane C₃H₈)
• Alcènes (CₙH₂ₙ) : double liaison C=C, insaturés (éthylène C₂H₄, propène C₃H₆)
• Alcynes (CₙH₂ₙ₋₂) : triple liaison C≡C (acétylène C₂H₂)
• Aromatiques : cycles conjugués stabilisés par résonance (benzène C₆H₆, naphtalène, anthracène)

Groupes Fonctionnels Les groupes fonctionnels déterminent la réactivité chimique :

• Alcools (-OH) : méthanol, éthanol, glycérol
• Aldéhydes (-CHO) : formaldéhyde, acétaldéhyde
• Cétones (>C=O) : acétone, progestérone
• Acides carboxyliques (-COOH) : acide acétique, acides gras
• Esters (-COO-) : arômes fruités, polyesters
• Amines (-NH₂) : neurotransmetteurs, bases azotées
• Amides (-CONH-) : protéines (liaison peptidique), nylon

Mécanismes Réactionnels Les réactions organiques procèdent par des mécanismes précis :

• Substitution nucléophile (SN1, SN2) : remplacement d’un groupe partant par un nucléophile
• Élimination (E1, E2) : formation de doubles liaisons
• Addition électrophile : addition sur doubles liaisons (halogénation, hydratation)
• Substitution électrophile aromatique : modification de cycles aromatiques (nitration, sulfonation, alkylation de Friedel-Crafts)
• Réactions radicalaires : polymérisation, combustion

Stéréochimie L’arrangement spatial des atomes est crucial :

• Isomères de configuration : mêmes atomes, connectivité différente
• Énantiomères : images miroir non superposables (molécules chirales), importance en pharmacologie (thalidomide)
• Diastéréoisomères : stéréoisomères non énantiomères
• Isomères Z/E : autour des doubles liaisons

Polymères Les polymères résultent de la répétition de monomères :

• Addition : polyéthylène (sacs plastiques), polypropylène, PVC, polystyrène, téflon
• Condensation : nylon (polyamide), polyesters (PET bouteilles), silicones
• Biopolymères : cellulose, amidon, caoutchouc naturel, protéines, ADN

Synthèse Organique La synthèse totale de molécules complexes est un art :

• Rétrosynthèse (E.J. Corey) : planification depuis le produit cible
• Protection/déprotection de groupes fonctionnels
• Catalyse asymétrique (Noyori, Sharpless, Knowles - Nobel 2001)
• Chimie click (Sharpless, Meldal, Bertozzi - Nobel 2022)

Applications

• Pharmaceutique : 95% des médicaments sont organiques (aspirine, antibiotiques, anticancéreux)
• Matériaux : plastiques, fibres synthétiques, caoutchoucs
• Énergie : carburants fossiles, biocarburants
• Cosmétiques et parfums : molécules aromatiques, crèmes
• Agriculture : pesticides, herbicides

Chimie Inorganique§

La chimie inorganique étudie tous les éléments et leurs composés, à l’exception de la plupart des composés carbonés (domaine de l’organique). Elle couvre la quasi-totalité du tableau périodique.

Chimie des Métaux Les métaux (éléments à gauche du tableau périodique) possèdent des électrons délocalisés :

• Métaux alcalins (Li, Na, K) : très réactifs, +1
• Métaux alcalino-terreux (Mg, Ca) : réactifs, +2
• Métaux de transition (Fe, Cu, Ni, Au) : états d’oxydation multiples, colorés, magnétiques
• Lanthanides et actinides : terres rares, radioactifs

Complexes de Coordination Les complexes métalliques (ion central entouré de ligands) sont omniprésents :

• Structure : [M(Lₙ)]ⁿ⁺ (M = métal, L = ligand)
• Géométrie : octaédrique, tétraédrique, plan carré
• Théorie du champ cristallin : éclatement des orbitales d, couleur
• Applications : hémoglobine (Fe-O₂), chlorophylle (Mg), vitamine B12 (Co), catalyseurs

Chimie des Solides Les matériaux cristallins possèdent des propriétés uniques :

• Réseaux cristallins : cubique, hexagonal, structures de perovskite
• Semi-conducteurs : Si, Ge, GaAs (électronique)
• Supraconducteurs : résistance nulle à basse température (YBa₂Cu₃O₇)
• Céramiques : oxydes réfractaires, piézoélectriques

Catalyse Les catalyseurs accélèrent les réactions sans être consommés :

• Hétérogènes : catalyseurs solides (platine dans pots catalytiques, zéolites en raffinage)
• Homogènes : en solution (catalyseurs de Wilkinson, Grubbs pour métathèse)
• Enzymes : biocatalyseurs ultra-efficaces et spécifiques

Chimie Organométallique Interface organique-inorganique, liaisons métal-carbone :

• Réactifs de Grignard (RMgX) : formation de liaisons C-C
• Lithiens (RLi) : bases et nucléophiles puissants
• Ferrocène : sandwich Fe entre deux cyclopentadiène
• Applications : polymérisation, synthèse pharmaceutique

Applications

• Métallurgie : extraction et raffinage des métaux
• Catalyse industrielle : production d’ammoniac (Haber-Bosch), polymérisation
• Matériaux : alliages, supraconducteurs, aimants
• Colorants et pigments : complexes de transition
• Médecine : agents de contraste IRM (Gd), cisplatine (anticancéreux au Pt)

Biochimie§

La biochimie explore la chimie des organismes vivants, révélant les bases moléculaires de la vie. Elle unifie chimie organique et biologie au niveau moléculaire.

Protéines Les protéines sont les machines moléculaires de la vie :

• Structure : chaînes d’acides aminés (20 types standard) liés par liaisons peptidiques
• Niveaux structuraux : primaire (séquence), secondaire (hélices α, feuillets β), tertiaire (repliement 3D), quaternaire (assemblage de sous-unités)
• Fonctions : enzymes (catalyse), anticorps (immunité), hémoglobine (transport O₂), actine-myosine (contraction musculaire), collagène (structure)

Acides Nucléiques L’ADN et l’ARN stockent et transmettent l’information génétique :

• ADN : double hélice (Watson-Crick 1953), bases A-T et C-G, support de l’hérédité
• ARN : simple brin, bases A-U et C-G, messager (ARNm), ribosomique (ARNr), transfert (ARNt)
• Réplication : copie de l’ADN (ADN polymérase)
• Transcription : ADN → ARNm
• Traduction : ARNm → protéine (ribosomes)

Lipides Molécules hydrophobes essentielles :

• Acides gras : chaînes hydrocarbonées, saturés vs insaturés
• Triglycérides : stockage d’énergie (graisses, huiles)
• Phospholipides : membranes cellulaires (bicouche lipidique)
• Stéroïdes : cholestérol, hormones (testostérone, œstrogènes, cortisol)

Glucides Sources d’énergie et éléments structuraux :

• Monosaccharides : glucose, fructose, ribose
• Disaccharides : saccharose, lactose, maltose
• Polysaccharides : amidon (stockage végétal), glycogène (stockage animal), cellulose (structure végétale)

Métabolisme Ensemble des réactions biochimiques :

• Catabolisme : dégradation de molécules, libération d’énergie (ATP)
  • Glycolyse : glucose → pyruvate
  • Cycle de Krebs : oxydation complète, production NADH
  • Chaîne respiratoire : NADH → ATP (38 ATP par glucose)
• Anabolisme : synthèse de molécules, consommation d’énergie
  • Photosynthèse : CO₂ + H₂O → glucose + O₂ (chloroplastes)
  • Synthèse protéique, lipidique, glucidique

Enzymologie Les enzymes sont des catalyseurs biologiques ultra-spécifiques et efficaces :

• Spécificité : clé-serrure (modèle d’Emil Fischer) ou ajustement induit
• Cinétique : équation de Michaelis-Menten, Vmax, Km
• Régulation : inhibition compétitive, non-compétitive, allostérique
• Coenzymes : vitamines (NAD⁺, FAD, CoA)

Applications

• Médecine : diagnostic (biomarqueurs), thérapie (insuline, anticorps monoclonaux)
• Biotechnologie : génie génétique, production de protéines recombinantes
• Nutrition : compréhension des besoins alimentaires, métabolisme
• Pharmacologie : conception de médicaments ciblant enzymes et récepteurs

Chimie Analytique§

La chimie analytique développe et applique des méthodes pour identifier (analyse qualitative) et quantifier (analyse quantitative) les substances chimiques. Elle est indispensable en contrôle qualité, médecine légale, environnement et recherche.

Spectroscopie L’interaction lumière-matière révèle la structure moléculaire :

UV-Visible

• Absorption de lumière UV-visible par électrons
• Loi de Beer-Lambert : A = εlc (absorbance, coefficient d’extinction, trajet optique, concentration)
• Applications : concentration de solutions colorées, cinétique de réaction

Infrarouge (IR)

• Vibrations moléculaires (élongation, déformation)
• Empreinte digitale moléculaire : chaque molécule a un spectre unique
• Identification de groupes fonctionnels : O-H (3200-3600 cm⁻¹), C=O (1700 cm⁻¹), C-H (2850-3000 cm⁻¹)

Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)

• Technique la plus puissante pour l’élucidation structurale
• RMN ¹H : environnement des protons (hydrogènes)
• RMN ¹³C : squelette carboné
• Déplacement chimique (δ en ppm), couplages (J en Hz), intégration
• Applications : détermination de structure complète, conformation

Spectrométrie de Masse (MS)

• Mesure du rapport masse/charge (m/z) des ions
• Fragmentation caractéristique révèle la structure
• Haute précision de masse : formule moléculaire exacte
• Couplée à HPLC ou GC pour analyses complexes
• Applications : protéomique, métabolomique, détection de dopants

Chromatographie Séparation de mélanges par migration différentielle :

Chromatographie en Phase Gazeuse (GC)

• Phase mobile gazeuse, composés volatils
• Détecteurs : FID, MS
• Applications : carburants, polluants atmosphériques, arômes

Chromatographie Liquide Haute Performance (HPLC)

• Phase mobile liquide, composés non volatils
• Variantes : phase normale, phase inverse, échangeuse d’ions, exclusion de taille
• Applications : pharmaceutique (pureté), alimentaire (additifs), clinique (drogues)

Chromatographie sur Couche Mince (CCM)

• Méthode rapide et économique
• Visualisation UV ou réactifs colorés
• Applications : suivi de réactions organiques

Électrophorèse

• Séparation par migration dans un champ électrique
• Électrophorèse sur gel : ADN, protéines (SDS-PAGE)
• Électrophorèse capillaire : haute résolution, analyse d’oligonucléotides

Méthodes Électrochimiques

• Potentiométrie : mesure de potentiel (pH-mètre, électrode sélective)
• Voltamétrie : mesure de courant en fonction du potentiel (détection de traces)
• Coulométrie : quantification par charge électrique

Titrage (Volumétrie) Méthode classique toujours essentielle :

• Acide-base : détermination de concentration, courbes de titrage
• Oxydoréduction : permanganométrie, iodométrie
• Complexométrie : EDTA pour ions métalliques
• Précipitation : chlorures par nitrate d’argent

Applications

• Contrôle qualité industriel : pureté, conformité aux spécifications
• Médecine légale : identification de substances illicites, toxicologie
• Environnement : pollution des eaux, air, sols
• Clinique : dosages sanguins, urinaires
• Agroalimentaire : pesticides, contaminants, composition nutritionnelle