OLYMPIADES 2004 DE LA CHIMIE EN CHAMPAGNE- ARDENNE CONFERENCE

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1 OLYMPIADES 2004 DE LA CHIMIE EN CHAMPAGNE- ARDENNE CONFERENCE La pratique cosmétique (du grec kosmetikos : relatif à la parure) est l'acte d'embellir, d'entretenir et aussi de protéger. Notre époque est très sensible aux messages de l'apparence : mode vestimentaire et publicité, presse, cinéma exigent des images irréprochables et la cosmétologie est incontournable. Les produits cosmétiques véhiculent émotions et sensualité. Les anciennes recettes cosmétiques (fards, poudres à bases de fleurs, tiges, racines ) se sont transmises aux cours des siècles et au début du vingtième siècle apparaissent des parfums, rouge à lèvres, brillantine nouveaux. Les sciences chimiques et biochimiques permettent la mise au point de nouveaux produits et les produits cosmétiques sont maintenant des produits de grande consommation qui, des plus simples aux plus compliqués, font référence à l'embellissement. Nous allons nous intéresser à la chevelure qui joue un rôle essentiel dans la beauté et la séduction. LA CHEVELURE O toison, moutonnant jusque sur l encolure! O boucles! O parfum chargé de nonchaloir! Extase! Pour peupler ce soir l'alcôve obscure Des souvenirs dormant dans cette chevelure, Je la veux agiter dans l'air comme un mouchoir! Ch. Baudelaire, Les Fleurs du Mal, 1861 Préliminaire : liaisons Nous allons rappeler, la nature des principales liaisons rencontrées en chimie : - Liaisons entre atomes : liaisons fortes. - covalente : mise en commun d'un ou plusieurs doublet d'électrons, ce(s) doublet(s) assurent la liaison entre les atomes. Lorsque les atomes liés ont des électronégativités différentes, le(s) doublet(s) de liaison est déporté vers l'atome le plus électronégatif : la liaison est polarisée et notée avec les symboles δ+ et δ-. - ioniques : entre un ion positif noté + et un ion négatif noté - et on rappelle que deux charges de signes opposées s'attirent. - Liaisons entre molécules : en général beaucoup moins fortes. Ce sont ces liaisons qui expliquent la cohésion des liquides et de certains solides. - liaison dipole-dipole entre une charge δ+ ou + et une charge δ- ou - Un cas particulier de cette liaison est la liaison hydrogène entre H δ+ et souvent O δ- - liaison non dipole non dipole (pas d explication simple!) On remarque sur les fig (1), (3) et (4) des liaisons covalentes, des liaisons covalentes polarisées et des liaisons intermoléculaires. I - le cheveu : constitution et propriétés

2 Le cheveu est constitué à 95% de kératine, le reste étant essentiellement des graisses. Il y aussi un peu de colorants. A) la kératine : C'est une protéine constituée d'un enchaînement d'acides aminés liés entre eux par une liaison peptidique (fonction amide). fig (1) : ex d'acides aminés (leucine, cystéine, acide aspartique), faire remarquer les fonctions acide et amine. Signaler qu'il peut y avoir plusieurs fonctions acide ou plusieurs fonctions amine. fig (2) : la liaison peptidique permettant l'enchaînement des acides aminés Remarque : à un ph allant de 6 à 8 les groupements acide libres R- COOH sont sous forme R-COO - et les groupements amine R-NH 2 sont sous forme R-NH 3 +. Dans la kératine il y a environ 15% de cystéine, acide aminé soufré (important comme on le verra par la suite) La molécule a une forme hélicoïdale le plus souvent, cette forme est due à la présence de liaisons hydrogène : C=O δ H δ+ - N. fig (3) : forme hélicoïdale La kératine peut présenter des zones non hélicoïdales (kératine étirée) mais c'est moins fréquent Dans le cheveu on a : - des protofibrilles : quelques brins de kératine en hélices, les hélices étant liées les unes aux autres et torsadées (comme une corde).. - des ensembles de protofibrilles agglomérées et torsadées formant des micofibrilles "parallèlles". fig (4) : les liaisons liant les hélices entre elles ou les protofibrilles entre elles sont de différentes natures. - ces microfibrilles sont enserrées dans une enveloppe externe, formée d'écailles de kératine, cette kératine est très rigide car les molécules sont tenues entre elles par des ponts disulfure très solides. B) propriétés La chevelure comporte à cheveux de environ 80 µm de diamètre - grande résistance mécanique : un cheveu supporte une masse de 5 à 10 g. - cheveu un peu élastique : les molécules de kératine sont un peu étirables car les molécules peuvent glisser un peu les unes sur les autres et la forme de départ est reprise quand la tension cesse.

3 - cheveu hygroscopique : peut absorber jusqu'à 30% de sa masse d'eau. Les molécules d'eau s'insèrent entre les molécules de kératine comme le montre la fig (5), et une partie des liaisons est coupée. L'évaporation de cette eau à chaud provoque la formation de liaisons un peu différentes de celles qui étaient au départ : c'est le "brushing". - le cheveu peut aussi absorber des molécules non polaires comme les graisses qui se lient aux parties non polaires de la kératine (chaînes hydrocarbonées) II - les shampooings : Ce mot vient de l hindi : champoo : qui veut dire masser. A) fonctions : - nettoyer les cheveux des salissures et graisses - faciliter le démêlage et le coiffage - donner du volume et de l'éclat et bien sur il ne doit présenter aucune toxicité. La chevelure représente 4 à 8 m 2 à nettoyer. B) nettoyage : action d un tensioactif Les molécules de graisses dont la fig (6) nous montre deux exemples sont des molécules non polaires qui n'ont donc aucune affinité pour l'eau (molécule polaire) donc qui ne sont pas solubles, donc pas entraînées par l'eau. 1) tensioactif : Un tensioactif est formé de molécules amphiphiles : molécule avec une extrémité polaire et l'autre extrémité non polaire. L'extrémité polaire est hydrophile (se lie avec l'eau) l'extrémité non polaire est hydrophobe et lipophile (se lie avec les molécules non polaires comme les graisses). Ex : fig (7) voir les tensioactifs dits anioniques, cationiques, non ioniques et repérer à chaque fois l'extrémité polaire et l'extrémité non polaire. Pourquoi ce nom? Un tensioactif change la tension superficielle de l eau ; la tension superficielle est la force nécessaire pour augmenter la surface d'une goutte d'eau. Les molécules d'eau se lient entre elles et n'ont aucune affinité pour l'air formé de molécules non polaires comme O 2 ou N 2, elles s'associent de façon à rendre l'interface eau/air le plus petit possible. Quand on ajoute un tensioactif dans l'eau, les molécules de tensioactif se rangent à l'interface eau/air comme l'indique la fig (8) et cet interface peut être alors beaucoup plus grand : on forme de la mousse (bulles d'air entourées d'un film d'eau). La tension superficielle de l'eau est totalement changée d'ou le nom! 2) le nettoyage : imaginons un amas de molécules de graisses non polaires. On agite (on frotte) avec de l'eau contenant un tensioactif et il se forme des agrégats comme celui de la fig (9), ces agrégats sont solubles dans l'eau et entraînés par l'eau (Faire remarquer les liaisons non dipole - non dipole à l'intérieur et les liaisons électrostatiques avec l'eau et les extrémités polaires externes) C) autres additifs :

4 On ajoute des additifs pour diverses fonctions : - des polymères filmogènes comme des silicones fig (10) qui vont gainer le cheveu, le rendre brillant, bien séparer les cheveux (volume).des liaisons électrostatiques tiennent ce polymère sur le cheveu. - un antipelliculaire : molécule qui s'attaque à une levure (Pityrosporum) responsable d'une importante desquamation. - des parfums. III - changement de forme : la permanente La permanente va permettre de changer la forme du cheveu et cette nouvelle forme dure! (Nous avons déjà évoqué le "brushing"). A) principe : On casse des ponts disulfure (liaisons assez solides), on donne une nouvelle forme au cheveu puis on reforme d'autres ponts disulfure. La fig (11) schématise ces opérations. B) le réducteur : Le réducteur utilisé pour casser les ponts disulfure présents dans les cheveux au départ est l'acide thioglycolique : la réaction est donnée fig (12). On opère en milieu basique (en présence d'un excès d ammoniac NH 3, d'hydrogénocarbonate HCO 3 et d'éthanolamine : NH 2 CH 2 CH 2 OH). Il est à noter qu'en présence d'un excès d'ammoniac l'acide thioglycolique est présent sous forme de thioglycolate d'ammonium fig (12). C) l oxydant : Lorsqu'on a cassé les ponts disulfure, mis les cheveux dans une nouvelle forme, on reforme des ponts disulfure avec un oxydant : le peroxyde d'hydrogène (eau oxygénée) fig (13) IV - la couleur : Egyptiens, grecs, romains, chinois, hindous ont utilisé des substances végétales et des sels métalliques pour obtenir des couleurs de cheveux plus nuancées : teintures à base de dérivés de plomb (acétate de plomb), décoctions d'écorce de noix L'usage du henné est très ancien associé, éventuellement, à de l'indigo. Le henné est un arbuste de pays chauds, les feuilles sont séchées et broyées finement et on fait un cataplasme avec de l'eau chaude au moment de l'emploi. A) couleur et colorants : Substance colorée : lorsqu'on envoie de la lumière blanche sur une substance, certaines radiations sont absorbées et d'autres sont renvoyées. On voit la couleur complémentaire de la radiation absorbée (si l'absorption a lieu en UV on voit du blanc). Pourquoi certaines radiations sont elles absorbées?

5 Parce qu'elles provoquent des changements dans l'énergie de certains électrons des molécules de la substance Fig (14) : longueur d'onde et couleur et couleur complémentaire En chimie organique la coloration est souvent observée lorsqu'il y a des doubles liaisons conjuguées (système = -- = -- =) et des groupements dits chromophores (-NH 2 -OH -SO 3 H). Un colorant est une substance colorée qui se fixe par des liaisons sur un support B) mélanines Les cheveux sont naturellement colorés par des mélanines : molécules complexes dont on donne une idée fig (15) remarquer la présence de doubles liaisons conjuguées et de groupements chromophores Les mélanines sont coupées en molécules plus petites peu ou pas colorées par l'action de l'eau oxygénée assez concentrée, la lumière du soleil peut aussi altérer les mélanines : les cheveux se décolorent alors. C) coloration temporaire : Le colorant se fixe sur le cheveu en surface et s'élimine progressivement fig (16) quelques colorants : extrait du henné ( rouge ), extrait de camomille (jaune) et colorant artificiel. Remarquer la présence de doubles liaisons conjuguées et de groupements chromophores. Ces colorants se fixent sur la kératine en surface par des liaisons hydrogène comme le schématise la fig (17). D) coloration permanente : Une méthode très astucieuse permet de fabriquer un colorant dans le cheveu. 1) principe : on met en présence des molécules (assez petites) de base et de coupleur et on ajoute un oxydant. Ces molécules entrent dans le cheveu et réagissent alors pour donner des molécules de colorant. 2) bases et coupleurs : fig (18) les bases sont des molécules oxydables. 3) réaction : ex fig (19) : l'oxydant utilisé est le peroxyde d'hydrogène. Le mécanisme complet de la réaction n'est pas toujours bien connu. On peut aussi faire des mélanges de bases et coupleurs pour obtenir plusieurs colorants : de nombreux essais ont été nécessaires pour arriver à une bonne formulation et le savoir faire du professionnel est indispensable La cosmétologie a pris le visage d'une science exacte, c'est une activité consciente et raisonnée appuyée sur des scientifiques performants, une grande rigueur, un sens

6 critique aiguisé et beaucoup de respect pour la complexité du réel. Les laboratoires continuent, inlassablement à améliorer les produits existants, à formuler de nouveaux produits, à tester de nouvelles molécules. L'enjeu économique est important et si dans les pays occidentaux la consommation augmente encore, elle va augmenter beaucoup plus dans des pays " neufs" en Asie ou en Europe de l'est par exemple car les besoins existent partout dans le monde. Bibliographie sommaire : - les molécules de la beauté, de l'hygiène et de la protection P. Le Perchec (CNRS) - chimie des couleurs et des odeurs M.Capon V.Courilleau-Haverlant C.Valette ENS Cachan - site internet de L'Oreal