CHIMIE THÉORIQUE

La chimie théorique est une discipline neuve, apparue vers 1930. Se développant lentement jusqu'à la Seconde Guerre mondiale, puis plus rapidement dans les années cinquante, elle a connu un essor important depuis 1960 grâce au progrès des ordinateurs. Ainsi, dans de nombreuses universités scientifiques françaises et étrangères, cette discipline a acquis droit de cité au même titre que celles beaucoup plus anciennes et traditionnelles de la chimie : chimie physique, chimie minérale, chimie organique.

Son objectif est l'application de la mécanique quantique ou ondulatoire aux problèmes de la chimie. Il s'agit aussi bien de calculer une propriété chimique, à partir des équations de base de cette mécanique, que de fournir les concepts nécessaires à la compréhension des phénomènes. Dans la grande majorité des cas, les principes et les équations de base interviennent pour permettre au théoricien de déterminer le comportement des électrons dans les molécules. Ce comportement détermine à son tour la géométrie et la structure des molécules ainsi que leur aptitude à entrer en réaction et les changements et déformations qu'elles subissent lorsqu'elles réagissent. Il faut cependant, pour décrire les réactions et avoir une vue d'ensemble des phénomènes, faire également appel à certains concepts traditionnels de mécanique classique.

Les outils de travail du chimiste théoricien sont donc la plume et le papier, et surtout les machines à calculer de toutes dimensions, depuis les micro-ordinateurs personnels jusqu'aux plus puissants calculateurs (I.B.M. 3090 ou Cray-2). En effet, l'équation fondamentale de la mécanique quantique, qui contrôle le comportement des électrons et des noyaux dans une molécule, ne peut être résolue que par des méthodes numériques approchées. Ces dernières font appel au calcul de millions d'intégrales compliquées pour une seule molécule. Il faut alors utiliser des programmes spécialisés qui font partie de l'arsenal de tous les laboratoires théoriques. De nos jours, il n'est pas rare de voir obtenues par ordinateur la géométrie optimisée de molécules aussi compliquées que des polypeptides, des complexes métalliques, des fragments d'enzymes ou d'acides nucléiques, ainsi que de molécules entourées de leur solvant ou même de l'eau à l'interface de deux couches lipidiques. Cependant, l'interprétation même des phénomènes, qu'ils soient observés par des équipes expérimentales ou qu'ils résultent de puissants calculs, est en dernier ressort un problème purement intellectuel où la logique, la déduction et la synthèse sont requises.

Historique

La chimie théorique est, à ses débuts, un exercice passager pour physiciens. Après la découverte de la dualité onde-corpuscule de l' électron par de Broglie en 1924 et de l'équation de Schrödinger en 1926, les savants de l'époque souhaitent vérifier la validité et l'applicabilité de ces nouveaux principes. En 1927, Heitler et London en Allemagne calculent l'énergie de la molécule d'hydrogène H₂. Dès 1931, Hückel parvient à traiter une molécule aussi complexe que le benzène, grâce à une méthode utilisant des ondes électroniques ou orbitales recouvrant le squelette des atomes de carbone. En 1933, Mulliken, aux États-Unis, étend cette méthode des orbitales moléculaires à de très nombreuses molécules et jette les fondements de la spectroscopie moderne en interprétant les spectres d'absorption des molécules dans l'ultraviolet à l'aide de ces orbitales. La transition d'un électron entre deux orbitales accompagne l'absorption d'un photon par la molécule. La parution d'Introduction to Quantum Mechanics de Pauling et E. B. Wilson, en 1937, et de The Nature of the Chemical Bond par Pauling, en 1939, marque la reconnaissance[...]