Нобелевские лауреаты: Герман Штаудингер. Непропущенные полимеры

Основатель химии высокомолекулярных соединений

Немецкий химик-органик Герман Штаудингер

Nobel Foundation/Michael Ströck/Wikimedia Commons/Indicator.Ru

Как ботаник стал химиком, бросил вызов всем органикам мира и зачем в современной науке нужно жить достаточно долго, рассказывает наш выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Герман Штаудингер

Родился 23 марта 1881 года, Вормс, Германия

Умер 9 сентября 1965 года, Фрайбург, ФРГ

Нобелевская премия по химии 1953 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За исследования в области химии высокомолекулярных веществ» (for his discoveries in the field of macromolecular chemistry).

Будущий лауреат Нобелевской премии по химии родился за 72 года до своего высшего триумфа в германском Вормсе — древней столице Нибелунгов. Его отец, Франц Штаудингер, был профессором философии, и академическая среда окружала мальчика с раннего детства. И именно поэтому не стоял вопрос, кем быть. Ответ был очевиден — ученым. Оставался вопрос каким.

Изначально мальчик выбрал ботанику. Отец не мешал, напротив, помог и организовал уроки ботаники у одного из лучших специалистов того времени — Георга Клебса (эту фамилию сейчас лучше всего знают по брату Георга, микробиологу Эдвину Клебсу. Именно в честь него названа бактерия клебсиелла и именно он стал первооткрывателем возбудителя дифтерии).

Георг Клебс

Wikimedia Commons

Уже тогда, в XIX веке, люди понимали, что ботаника — это не только тычинки и пестики, но и физиология растений. Это понимал и Клебс, и даже философ Штаудингер. Именно поэтому мальчику настоятельно рекомендовали основательно изучить химию. Папа сказал — сын сделал. По немецкой традиции того времени, уважающий себя интеллигент должен был не проучиться в одном университете, а поменять несколько подряд. Штаудингер-сын отучился в Галле, Дармштадте и Мюнхене.

Молодой человек так увлекся химической подготовкой к служению ботанике, что в итоге решил заняться химией. Тем более, что к 22 годам под руководством Даниэля Форланделя, одного из «отцов» жидких кристаллов, Штаудингер защитил докторскую диссертацию и плотно «подсел» на органику. В смысле, на органическую химию, а не на то, что можно было подумать в отношении молодого интеллигента.

Иоганнес Тиле

Wikimedia Commons

Став ученым со степенью, Штаудингер перешел в Страсбургский университет, где получил место ассистента у выдающегося германского химика Иоганнеса Тиле, автора, помимо всего прочего, одной из альтернативных структур бензола (надо сказать, что Тиле обучил не одного нобелевского лауреата. Кроме Штаудингера, его студентом был Генрих Отто Виланд).

Именно работая у Тиле, Штаудингер сделал свое первое важнейшее открытие — кетен. Очень реакционноспособное вещество, а точнее, группа веществ общей формулы R1R2C=C=O. В 1905 году в журнале Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft вышла его статья с описанием кетенов, которая и ввела этот термин в научный обиход.

В 1907 году Штаудингеру исполнилось 26 лет и он получил должность профессора Технического университета в Карлсруэ. Там он продолжил заниматься кетенами, но постепенно отдал эту тему своему студенту, Леопольду Ружичке, который в итоге стал нобелевским лауреатом на 14 лет раньше своего учителя. А сам Штаудингер начал расширять сферу интересов. Например, он открыл способ получения изопрена — главного компонента искусственного каучука.

Слава Германа Штаудингера была настолько велика, что, когда в 1912 году крупнейший химик-органик Европы Рихард Вильштеттер освободил кафедру химии в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, место предложили нашему герою.

Штаудингер с энтузиазмом развернул деятельность на новом месте и весьма преуспел. Во время Первой мировой войны он, в отличие от своих многочисленных коллег, не занимался разработкой химического оружия, а продолжал раскрывать тайны природных соединений и искать их аналоги. Штаудингер стал одним из основателей пищевой химии: именно он создал многие заменители и ароматизаторы, в которых нуждалась военная кулинария. Среди них — синтетический заменитель красного перца и кофейный ароматизатор.

К 40 годам Штаудингер был одним из самых авторитетных химиков-органиков мира. Его именем назвали одну важную химическую реакцию (химики-олимпиадники помнят, что реакцией Штаудингера называют получение аминов из азидов). Казалось бы, можно продолжать работать в этой области, стабильность и научная слава гарантированы. Но Герману Штаудингеру не сиделось на месте. Была одна вещь, которая не давала ему покоя, — структура каучука, способ получения «полуфабриката» которого он нашел в 1910 году. Ему казалось, что все химики что-то пропускали, описывая его структуру.

Механизм реакции Штаудингера

Wikimedia Commons

Дело в том, что тогда понятия «полимер» не существовало, да и сама мысль об огромных молекулах не укладывалась в головах химиков. Как же тогда изопрен превращается в каучук? Чтобы понять это, Штаудингер не пропускал ни одной научной статьи по своей теме. Пазл постепенно складывался.

Карл Харриес предложил мицеллярную концепцию: несколько молекул изопрена соединяются в кольца, а те образуют мицеллы с помощью межмолекулярных сил. Эта теория неплохо объясняла некоторые экспериментальные факты, поэтому и стала господствующей.

Что дернуло Штаудингера рискнуть авторитетом и предложить то, с чем гарантированно не согласятся его коллеги, непонятно. Факт остается фактом: в 40 лет ведущий химик мира «сошел с ума» и заявил, что каучук состоит из очень длинных молекул, в которые объединены сотни, тысячи повторяющихся звеньев изопрена. Впоследствии такие молекулы были названы полимерами.

Изопрен

Wikimedia Commons

Впрочем, «соломку» Штаудингер подстелил: он провел очень изящное химическое исследование, которое подтвердило его правоту. Если бы каучук состоял из небольших молекул, при гидрировании бы получались жидкие продукты реакции, небольшой молекулярный вес составляющих мицелл Харриеса гарантировал это. Когда же Штаудингер с коллегами гидрировал каучук (и фиксировал присоединение водорода), получался твердый продукт (впрочем, это сделал еще Бертло). Гидрирование полистирола тоже дало твердый продукт.

В 1926 году коллеги будущего нобелевского лауреата собрали все доказательства существования полимеров, в том числе рентгеноструктурные данные, и его версия постепенно стала общепринятой. Прошло всего 10 лет, и уже никто не сомневался в существовании полимеров. В 1932 году вышла классическая монография Германа Штаудингера «Высокомолекулярные органические соединения, каучук и целлюлоза» (Die hochmolekularen organischen Verbindugen, Kautschuk und Cellulose), подробно описывающая его теорию и проведенные эксперименты.

Впрочем, трения еще шли какое-то время. Частично виной тому стал сам Штаудингер. Он был упрям и утверждал, что его полимеры — прямые гигантские молекулы, которые не гнутся и не сворачиваются, и категорически отвергал другие мнения. В результате споры разгорелись уже в лагере «полимерщиков».

Видимо, именно это заставило Нобелевский комитет так затянуть с премией (Штаудингера номинировали суммарно 74 раза с 1931 года!)

В своей лекции он сказал: «В свете новых знаний в области макромолекулярной химии чудо жизни в ее химическом аспекте открывается в удивительном богатстве и совершенной макромолекулярной архитектуре живой материи». Как отмечает его биограф, «жаль, что для Штаудингера совершенно незамеченным прошло событие, случившееся восемью месяцами ранее и как бы явившееся зримым подтверждением произнесенных им слов: Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали отчет о структуре двойной спирали молекулы ДНК».

Тем не менее очень здорово, что Герман Штаудингер прожил достаточно долго, чтобы все-таки получить свою премию, ведь открытие новой, неизведанной области химии точно заслуживает высшей научной награды.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.