Фурфурил меркаптан и ромашки: как жил немецкий химик Герман Штаудингер

Анна Лаптева – 07 августа 2023

Интересно, какой была бы наша жизнь сегодня, если бы сто лет назад – в 1922 году – немецкий химик, мечтавший стать ботаником, не выдвинул свою теорию о существовании макромолекул? Может, мы бы до сих пор добывали каучук и пищевые ароматизаторы из растений и не умели бы синтезировать антибиотики. Мир определенно стоит на плечах гигантов. И одного из них зовут Герман Штаудингер.

Герман Штаудингер, bigenc.ru

Начало не альтернативной истории

Сейчас это кажется невероятным, но эта «альтернативная история» едва не стала реальностью. Будущий лауреат первой Нобелевской премии в сфере полимеров родился в немецком городе Вормс, земля Рейнланд-Пфальц, 23 марта 1881 года в семье преподавателя местной гимназии, неокантианца и социалиста Франца Штаудингера и его супруги Августы (в девичестве Венк). И если бы отец проявил чуть больше сердечной мягкости к склонностям своего сына Германа, все могло бы пойти иначе. Мальчик был без ума от ботаники…

К чему приводят рубанки и гербарии

Справедливости ради отметим, что в благополучной и интеллигентной семье, где воспитывались трое сыновей и дочь, запрета на книги, атласы растений и гербарии, конечно, не было. Стремление детей познавать мир приветствовалось. Родители пошли навстречу увлечению Германа – организовали для него уроки у одного из лучших ботаников того времени – Георга Клебса. Одновременно с этим отец хотел, чтобы мальчики умели работать не только головой, но и руками, поэтому обучал их плотницкому мастерству.

Кто знает, может быть, именно эти детские занятия – наблюдения за растениями и работа с древесиной, стали триггером для будущих химических исследований целлюлозы и каучука. Но пока, после окончания гимназии, 18-летний Герман стоял на распутье. Пытливый ум стремился к ботанике, а отец предлагал выбрать химию. Доводы Штаудингера старшего убедили: чтобы разобраться в глубинах биологических процессов, без химии не обойтись.

Георг Клебс. unigeschichte.unibas.ch

Без химии не обошелся

Изучать химию будущий ученый отправился в университет Галле, за полтысячи километров от родного дома. Здесь под руководством профессора Даниэля Форлендера, химика-органика, сумевшего синтезировать большинство из известных жидких кристаллов, Герман Штаудингер подготовил и в 1903 году защитил свою докторскую диссертацию на тему «Присоединение малонового эфира к ненасыщенным соединениям».

Возможно, фруктовый аромат жидкости, выбранной в качестве объекта исследования для первой большой научной работы, натолкнул Штаудингера на мысли о разработках в сфере пищевой химии, которыми он занялся позднее. Однако после получения докторской степени он заинтересовался другой темой, принесшей ему известность в научном мире.

Свои исследования в области органической химии ученый продолжил в лаборатории Йоханнеса Тиле в Страсбургском университете. Изучая соединения карбоновых кислот, он обнаружил так называемые высокореакционноспособные молекулы – кетены. Без лишнего пафоса можно отметить, что это открытие помогло спасти миллионы человеческих жизней, поскольку кетены сыграли важную роль в решении проблемы синтеза антибиотиков – пенициллина и амоксициллина.

Семья, дети и макромолекулы

Спустя три года, в 1906 году, на смену периоду интенсивного научного творчества пришло время устраивать личную жизнь и налаживать быт. В 25 лет Штаудингер женился на Доротее Ферстер, позже подарившей ему четверых детей: Еву, Хильду, Хансюргена и Клару. Растущую семью нужно было содержать, поэтому молодой ученый сдал необходимые дополнительные экзамены и получил квалификацию преподавателя университета. Вскоре ему предложили место доцента Технического университета Карлсруэ. Это было везение, поскольку в стенах этого заведения ему удалось работать вместе с выдающимися химиками Карлом Энглером и Фрицем Габером. Штаудингер продолжил изучение химии кетенов, работал над получением бутадиена и изопрена. Иными словами, возможно, здесь, в Карлсруэ, началась история макромолекул Германа Штаудингера.

В 1910 году Штаудингер начал сотрудничество с немецкой химической компанией BASF. Здесь его задачей стал синтез изопрена. Из изопрена уже тогда в промышленных масштабах получали каучук, но как это происходит на химическом уровне, еще не понимали. Сейчас мы знаем, что из молекул мономера изопрена получается макромолекула каучука.

Стирол-изопрен-стирольный каучук nsk.pulscen.ru

В 1912 году, после публикации первой книги «Кетены» (Die Ketene), Штаудингер с семьей перебрался в Цюрих. Его заметили в научном сообществе и предложили возглавить кафедру химии в Федеральном технологическом институте Швейцарии (Eigenössische Technische Hochschule). Именно здесь вместе со своими студентами 30-летний профессор начал методично исследовать природные полимеры – целлюлозу и каучук.

Первым делом – суррогаты

Штаудингер продолжил эксперименты в сфере органического синтеза, но поскольку химики технологического университета параллельно решали массу нетривиальных задач, сосредоточиться на чем-то одном не получалось. В сотрудничестве с Леопольдом Ружичка Штаудингер выделил из соцветия ромашки природный инсектицид – пиретрин. Первая мировая не могла не повлиять на тематику научных изысканий.

Однако Штаудингер решительно отказался от участия в разработках химического оружия и выбрал для себя занятие, которое не требовало сделки с совестью. Воюющая страна испытывала острый дефицит натуральных продуктов. Ученые спешно приступили к разработке суррогатов.

За достижения в этой сфере Штаудингера называют отцом пищевой химии. Он создал синтетический заменитель перца. Вместе с Тадеусом Райхштейном они разработали рецептуру промышленного производства кофейного ароматизатора – фурфурил меркаптана со следами метилмеркаптана.

Тадеус Райхштейн. Фото: ETH Zürich, wikimedia.org

К этому же периоду относится еще одно знаменательное событие. Химическая реакция получения аминов из азидов, описанная Штаудингером в ходе одного из исследований, была названа в его честь. Когда беспокоит каучук

За несколько лет ведущие химики-органики, в сообщество которых уже входил Штаудингер, разработали более 100 000 синтетических соединений – пищевых ароматизаторов, вкусовых добавок, красителей и лекарственных препаратов. Это был успех, но Герман Штаудингер не собирался останавливаться на достигнутом.

Ему не давали покоя мысли о каучуке. С детства влюбленный в ботанику и успевший поработать над синтезом изопрена он с интересом следил за научными работами по изучению структуры этого растительного продукта. Его смущали общепризнанные доводы земляка – химика Карла Харриеса. Тот считал, что каучук представляет собой совокупность отдельных колец, состоящих из двух и более звеньев изопрена.

В структурах покрупнее такие кольца, по мнению Харриеса, собираются по принципу мицеллы (систему кристаллов), в которой молекулы удерживаются за счет притяжения полярных групп, то есть за счет физического, а не химического взаимодействия. Штаудингер же склонялся в пользу теории, которую еще в XIX веке сформулировал и частично доказал французский химик Марселен Бертло: молекулы углеводородов могут образовывать более крупные соединения, выстраиваясь в цепочки благодаря ковалентным, то есть химическим связям. Ковалентная связь – химическая связь, при которой атомы совместно используют электронные пары. С ее помощью мономеры соединяются в макромолекулы – полимеры. А все-таки макромолекула существует!

После ряда экспериментов в 1917 году Штаудингер заявил, что идеи Харриеса относительно природы каучука неверны. Каучук представляет собой не мицеллу, а крупную устойчивую молекулу, состоящую из тысячи атомов. Образует такую «макромолекулу» цепь изопреновых звеньев, соединенных между собой ковалентными связями. Спустя три года, в 1920-м, он опубликовал научную статью «О полимеризации», в которой изложил свою теорию строения полимеров и ввел новый термин «макромолекула».

Сказать, что это новое слово в науке было воспринято неоднозначно, значит ничего не сказать. Сторонники мицеллярной теории были в ярости. Среди оппонентов Штаудингера оказался выдающийся химик-органик и будущий нобелевский лауреат – Генрих Виланд. В одном из своих писем он искренне пытался образумить «дорогого коллегу», утверждая, что органических соединений с молекулярной массой выше 5000 попросту не существует…

В бой, чтобы пережить крах

Для 40-летнего Штаудингера наступило сложное время. Всю его энергию отнимала работа, семья отошла на второй план. Он и жена все более отдалялись друг от друга и, прожив в браке более 20 лет, решились на развод.

Вскоре, в 1926 году, Герман оставил Швейцарию и уехал работать в Фрайбургский университет, где ему предложили место профессора и директора химической лаборатории. Доротея с четырьмя детьми осталась в Швейцарии. Штаудингер до конца своей жизни сохранял с ними хорошие отношения, но тогда это был крах…

Пережить его Штаудингеру помогли бои с научной оппозицией. Он начал с опровержения мицеллярной теории. По мнению Харриеса, молекулы в мицелле удерживаются вместе за счет притяжения между двойными связями в каждом кольце. Штаудингер рассудил следующим образом. Мицелла должна разрушиться, если устранить эти двойные связи восстановлением – присоединением атомов водорода. Вместо каучука в этом случае появятся жидкие углеводороды.

Герман Штаудингер с моделью молекулы одного из полимеров onlinelibrary.wiley.com

Однако опытным путем Штаудингер и его коллеги продемонстрировали, что никакого «разрушения мицелл» не происходит, гипотеза не подтверждается, каучук не теряет своих свойств. Тот же опыт успешно повторили с другим полимером – полистеролом. И снова жидких углеводородов не получилось – макромолекула определенно существовала.

Светлая полоса

В 1926 году на ежегодной конференции Ассоциации германских ученых-естественников и врачей в Дюссельдорфе Штаудингера поддержал австрийский химик Герман Марк. Он продемонстрировал отобранные Штаудингером экспериментальные свидетельства и дополнил их объяснением анализа рентгеновской кристаллографии. Выступление имело успех, и многие из вчерашних оппонентов склонились в пользу существования макромолекул. За успехом на исследовательской ниве пришла поздняя любовь.

46-летний Герман Штаудингер женился во второй раз. Его избранницей стала 25-летняя Магда Войта, доктор философии и естественных наук, полиглот, талантливая пианистка и скрипачка. С женой ему определенно повезло – она не просто скрасила его жизнь, но и стала его верным соратником в изучении макромолекул.

Штаудингеру удалось доказать, что полимерные цепочки оканчиваются не свободной химической связью, как можно было предположить, а обычными химическими группами. Результаты этого и многих других исследований в области полимеров были включены в монографию «Высокомолекулярные органические соединения, каучук и целлюлоза» (Die hochmolekularen organischen Verbindugen, Kautschuk und Cellulose), опубликованную в 1932 году.

Темная полоса

Когда в 1933 году к власти в Германии пришли нацисты, для ученых, которых подозревали в нелояльности к нацистским идеям, четко обозначилась перспектива увольнения. Штаудингеру припомнили его пацифизм во время Первой мировой и допроса в гестапо. В результате его оставили под подозрением и предложили подписать заявление об отставке с открытой датой. Когда эти «формальности» были улажены, Штаудингеру разрешили продолжить работу в должности директора химической лаборатории Фрайбурга. Позже, в 1937-м, ему запретили покидать Германию.

И, похоже, снова светлая полоса

Неизвестно, насколько тяжело к запрету на выезд отнесся Штаудингер, ведь возможность серьезной научной работы ему предоставили в полной мере. В 1940 году он основал Фрайбургский институт макромолекулярной химии, в 1943-м – свет увидел первый профильный журнал по химии полимеров – Journal für Makromolekulare Chemie.

В Фрайбурге Штаудингер встретил окончание войны и в возрасте 70 лет официально вышел на пенсию, еще 5 лет оставаясь при этом директором своего института. В 1953 году, когда мировая наука и промышленность уже имели в своем распоряжении технологии производства множества полимеров, Штаудингер получил Нобелевскую премию за открытия в области химии макромолекулярных веществ.

Герман Штаудингер получает Нобелевскую премию по химии от короля Швеции. acs.org

До конца дней занимаясь любимым делом и прожив длинную и успешную жизнь, Герман Штаудингер умер в возрасте 84 лет в 1965 году во Фрайбурге. Еще семь томов его научных работ были опубликованы уже после его смерти благодаря Магде. Она пережила мужа более чем на 30 лет и позаботилась о том, чтобы ни одна из его ценных идей не канула в Лету.