聚合物时代的诞生

初学者在化学很快发现混合物和化合物之间有重要的区别。加稀酸硫和铁生成氢气的混合物。先加热iron-sulfur混合物,然后用相同的治疗产生的化合物酸,产生不同的气体与一个明白无误的气味。到目前为止,如此简单,但在许多情况下,很难区分混合物和化合物。

很长一段时间,许多天然有机物质似乎难以归类。标准实验室溶剂他们倾向于形成多云停赛,而不是明确的解决方案,最终可能沉淀的明确的晶体组成。但100年前,德国化学家赫尔曼施陶丁格大胆提出,许多真正的化合物,这些有问题的物质组成的大分子。

与他同时代的大多数人不同意,他们认为施陶丁格称之为“高分子”只是松散联系总量较小的分子。但最终他的观点占了上风,他获得1953年诺贝尔化学奖。明年,聚丙烯是商用聚合物添加到列表中,加入聚乙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯。仅在2015年,一些季度十亿吨四个聚合物生产。

在本世纪以来施陶丁格提出他的想法持怀疑态度的观众,大分子及其制品已成为全世界每个人的日常生活的一部分。他们仍然想知道材料对一些人来说,而是为别人担心。

早期的生活

中世纪城市蠕虫在德国莱茵兰易手的暴力在几个德法战争,但是当赫尔曼施陶丁格出生在1881年,蠕虫是一个安静的地方城镇提供一个宁静的环境,他的早期教育。赫尔曼的父亲——一位高中老师,新康德主义的哲学家和德国社会民主党的成员,鼓励他的儿子对植物学的兴趣,但建议他也学会了一些化学。

1899年离开学校后赫尔曼在达姆施塔特和慕尼黑学习科学,在获得博士学位之前1903年哈雷大学有机化学的论文。然后他担任助理约翰内斯·蒂埃尔在斯特拉斯堡,同时继续追求自己的研究。这促使他去调查一个前所未知的家庭高活性有机化合物的烯酮和化学广泛发布。

1907年施陶丁格被任命为卡尔斯鲁厄大学有机化学教授,在1912年,他成功未来的诺贝尔奖获得者理查德Willstatter在瑞士苏黎世联邦理工学院的精英们。那里,赫尔曼和他的妻子多萝西娅加入一个和平组织召集的神学教授Ragaz里昂哈。多萝西娅,一个福音派牧师的女儿,是一个坚定的社会主义和和平。这对夫妇在1906年结婚,有四个孩子。

第一次世界大战开始的时候,领先的德国科学家支持声明支持他们国家的战争目标。施陶丁格没有加入他们的行列。1917年,他从经济数据的分析得出结论,德国不可能赢得这场战争,并建议直接和平谈判。德国最高统帅部回应邀请他回家,并帮助创造新的化学武器,将确保胜利。相反,他选择了在苏黎世继续自己的研究。

一个超级突破

到1917年,施陶丁格转向由许多学术领域回避化学家。试图用明确的公式提取纯物质从混乱的动物或植物产品是乏味和无报酬的活动,研究人员合作材料被它轻蔑地“油脂化学”。然而,这些尴尬的物质之一,是吸引一些审查。

气动轮胎的发展把橡胶变成一个重要的商品,和机械化军事运输保障供应,或一个可接受的替代——一个战略重点。在19世纪的英国和法国化学家显示,天然橡胶是异戊二烯的聚合物(C₅H₈),一个合成的版本是1909年在德国生产。在第一次世界大战期间,几个战士使用橡胶的替代品,和研究之后,继续由担心自然资源无法满足日益增长的需求。

施陶丁格在工业过程中几乎没有起到任何作用维度的活动,和他的专利很少发现。他的主要关心的是这些问题的聚合物的化学成分。1920年,他发表了开创性的论文题目——简单超级聚合(最近才翻译成英文)——他认为橡胶(和许多其他天然产品)是由分子远远大于先前被怀疑。不久之后,他开始叫他们“makromolekulen”。

欧洲领先化学家,像德国卡尔·哈瑞斯和瑞士保罗•卡勒一直认为,天然材料如橡胶、纤维素和蛋白质的总量相对较小的分子,松散联系在一起的分子间作用力较弱的比正常价债券。他们认为个人与相对分子质量大于5000台必须不稳定,如果合成并将自发地分解。施陶丁格,然而,认为聚合物链只有正常的化学键可以分子质量以数百万美元。

解决争端是很困难的,因为这些物质与标准实验室溶剂-甚至当纯通常形成胶体悬浮液,而不是解决方案。因为这些胶体不符合拉乌尔定律,是不可能得到可靠的值相对分子质量的组件通过测量冰点抑郁或沸点升高。1920年施陶丁格缺乏确凿证据为他的论文——得到它需要很多努力和聪明才智。

激烈的批评

聚合理论的拥护者认为,弱分子间吸引力——产生的无数双价债券在其组成单位——橡胶事业的独特属性。这个想法有先例——施陶丁格的前导师,约翰内斯·蒂埃尔,研究有机化合物丰富的双键和解释他们的一些令人费解的属性通过调用“部分价”。1922年,施陶丁格和他的助手测试这个假说通过加氢,橡胶开放其双键。

结果hydro-rubber保留其弹性特性,并与标准溶剂仍然产生胶体悬浮液,而不是解决方案。显然,加氢没有假设的总量。但他的批评者仍持怀疑态度,施陶丁格挑战积极在他1926年回到德国。

他的新任命弗莱堡大学是倍受争议性。对许多人来说,他的战时和平主义仍然在大分子一样讨厌他的想法。弗里茨·哈伯(德国——诺贝尔奖得主曾策划德国的军事部署的毒害气体——两方面大力攻击他。施陶丁格必须预期一些敌意,当他接受了弗莱堡的椅子。但他决不会想到纳粹在1933年政变将他的职业生涯中,他的自由——甚至他的生命处于危险之中。

施陶丁格的生存是政治沉默的代价

弗莱堡的举措也标志着施陶丁格的结束的第一次婚姻。与他们的孩子多萝西娅仍在苏黎世,后来嫁给了一个共产主义。1927年,赫尔曼和玛格达Voita,拉脱维亚生物学家的研究植物生理学(尤其是在细胞壁膜)与他自己的。玛格达成为他的终身合作伙伴,并监督完成作品的死后出版。

让数据说话

说服他的批评者,施陶丁格寻求更多的数据很多天然产物形成的胶体悬浮液与标准溶剂。他们最近出现了一种新的解决方法从布朗运动的研究,几乎没有可检测胶体粒子的随机冲击无形的溶剂分子。计算由爱因斯坦(当时瑞士公民)和波兰物理学家玛丽安Smoluchowski,当应用于观测由法国物理学家Jean佩兰,现在估计这些粒子的质量成为可能。

然而,施陶丁格可能尚未证明单个大分子胶体粒子,而不是总量由他的对手。有类似的反对分子质量的估计计算胶体渗透压的测量。因此,在1920年代施陶丁格的小组开始合成自己的苯乙烯聚合物等有机分子。

通过改变反应条件对于一个给定的单体,他们生成的一系列产品可以下令同源系列。从简单的物质已知的成分并升级到更复杂的,他们建立了粘度和分子量之间的关系,现在被称为施陶丁格的法律。他们发现相关性是一个复杂的一个,因为粘度是影响分子的几何结构,以及它的质量。

虽然施陶丁格在德国化学会议上讨论的结果在1920年代,他们没有将承诺的捍卫者聚合理论像鲁道夫·Pummerer有机化学家。x射线晶体学家赫尔曼·马克更同情大分子的想法,但仍不相信,直到后来x射线观测开始支持它。在化学工业中,然而,施陶丁格的粘度测定法技术被广泛采用。

与此同时,新生成的数据超离心机乐器由瑞典物理化学家西奥多·斯维德贝格时威斯康辛大学的客座教授于1923年在美国。很快回到瑞典后,斯维德贝格显示,对胶体离心力数千倍地球的引力可以加速粒子的沉降。这使他孤立纯物质,-通过比较的沉积率估算它们的分子质量。

1924年斯维德贝格发现血红蛋白分子的相对质量约68000辆,在1928年他把血蓝蛋白的分子质量(血液色素的蜗牛螺旋pomatia)约为500万。尽管他的结果支持施陶丁格的理论,斯维德贝格没有指出这一点在他的出版物。当然,施陶丁格是渴望获得自己的离心器,但他不能筹集必要的资金。

行业需要注意

与此同时,化学研究在美国被慷慨地支持的行业。杜邦化学公司有一个创新的实验室,在1928年,一个年轻的美国化学家,华莱士卡罗瑟斯,哈佛大学教学职位对聚合物在那里工作。他发现施陶丁格的理论有吸引力,尽管他们的证据仍不确定。然而,与杜邦,卡罗瑟斯致力于聚合由缩合反应,生成,通过测量水的数量他估计得到的大分子的大小。可悲的是,卡罗瑟斯患有抑郁症,1937年,41岁,他结束了自己的生命。

卡罗瑟斯的调查导致了杜邦尼龙的合成——一个有利可图的产品,以及提供新的支持大分子的概念。但纳粹在1933年政变后,施陶丁格面临对手比他更积极的学术批评。他被盖世太保逮捕,在长度审问,被迫签署辞职的一个无日期的信。进一步调查后,他被允许留在岗位,但一直在监测和禁止出国旅行。

当赫尔曼施陶丁格的地位仍将岌岌可危,直到1945年,他的弟弟是在直接的危险。汉斯施陶丁格国会大厦的社会民主党成员,和他的妻子还有犹太血统。这对夫妇逃离德国通过比利时,1934年在纽约定居。赫尔曼仍在弗莱堡玛格达,他们继续学习重要的生物大分子,直到1944年盟军轰炸摧毁了他们的实验室。施陶丁格的生存是政治沉默的价格,但他还是设法从解雇保护犹太人的一些同事证明他们的工作是必要的战争。

盟军在1945年取得胜利之后,施陶丁格重建和恢复德国科学工作。1947年,他创立了有影响力的杂志上Makromoleculare化学(现在高分子化学与物理)和退休后从他的大学在1951年,他领导一个新的高分子研究所,直接由国家资助。当给他1953年诺贝尔化学奖,Arne Fredga观察到的,这不是什么秘密了很长一段时间很多同事拒绝你的观点…也许这是可以理解的。在聚合物的世界,几乎一切都是新的和未经考验的。长期建立的概念必须修改或创建新的。”

创建并最终验证一个新的概念,而不是任何单一实验突破,施陶丁格的重大成就。自1965年去世以来,科学、医学和技术已经大大影响我们日益增长的对高分子领域的理解。现代聚合物的耐久性救命植入式心脏起搏器等设备可行的,但它也会造成大量污染在世界上的海洋。由于施陶丁格的遗产,我们所有人都受益于改进塑料可以提供,但不幸的是,我们只是刚刚开始承担全部责任的潜在的负面影响。

Mike Sutton是科学历史学家位于纽卡斯尔的英国