Штаудингер (Staudinger), Герман

Немецкий химик Герман Штаудингер родился в Вормсе, в семье профессора философии Франца Штаудингера и Августы (Венк) Штаудингер. Штаудингер решил стать ботаником, но отец посоветовал ему прежде изучить химию, считая, что знание этого предмета пригодится Штаудингеру в выбранной профессии. Штаудингер приступил к изучению химии в Галльском университете, в Германии, в 1899 г., сразу после окончания гимназии в Вормсе. Однако вскоре, когда его отец получил преподавательскую должность в Техническом университете в Дармштадте, перешел учиться туда. Потом на короткий период времени был Мюнхенский университет, затем – возвращение в Галльский. В Галльском университете под руководством Даниэля Форландера Штаудингер написал диссертацию о малоновых эфирах ненасыщенных соединений и в 1903 г. получил докторскую степень по органической химии.

После получения докторской степени Штаудингер занял должность ассистента Иоганнеса Тиле, ведущего ученого в области химии ненасыщенных органических соединений в Страсбургском университете. В этот период Штаудингер открыл кетен, обладающий высокой химической активностью ненасыщенный вид кетона, и широко изучил этот новый класс соединений. За это исследование он в 1907 г. получил право работать преподавателем. Затем Штаудингер стал ассистент-профессором в Техническом университете в Карлсруэ, где работал с известным химиком Карлом Энглером, специалистом по химической технологии. Энглер был также консультантом «Баденской анилиновой и содовой фабрики» (БАСФ), крупной германской химической компании. БАСФ интересовалась синтезом каучука, поскольку цены на натуральный каучук в то время постоянно повышались. Так, стимулируемый интересом со стороны БАСФ, Штаудингер в 1910 г. открыл новый, более простой способ синтеза изопрена, основного компонента натурального каучука. Тем не менее главным направлением научно-исследовательской деятельности ученого оставалось изучение кетенов, которое он проводил с помощью своего студента Леопольда Ружички.

В 1912 г. Штаудингер стал преемником Рихарда Вильштеттера в престижном Федеральном технологическом институте Цюриха. Во время первой мировой войны Штаудингер и Ружичка занимались изучением состава природного инсектицида пиретрина и получением искусственного перца. Одновременно Штаудингер искал искусственный заменитель встречающегося в природе лекарственного средства атропина. Вместе со своим студентом Тадеушем Рейхштейном он провел исследование химической основы ароматических и вкусовых свойств кофе и получил искусственную эссенцию кофе, которая использовалась в Германии в военное время, когда страна была отрезана от своих обычных поставщиков из-за британской морской блокады.

После войны Штаудингер вернулся к изучению натурального каучука. Благодаря своей, хотя и недолгой, работе над синтезом изопрена в 1910 г. и пронесенной с детства любви к ботанике он с большим вниманием относился к появляющимся работам, которые так или иначе касались структуры натурального каучука. Сегодня мы знаем, что натуральный каучук представляет собой очень большую молекулу с молекулярной массой около 1 млн. Во времена же Штаудингера преобладала точка зрения, в основе которой лежала теория, выдвинутая немецким химиком Карлом Харриесом. Она заключалась в том, что каучук представлялся не единой молекулой, а совокупностью отдельных колец, каждое из которых состоит из двух или более изопреновых звеньев. Существование таких очевидно больших молекул, как молекулы каучука и целлюлозы, объясняли с помощью мицелларной теории, согласно которой маленькие молекулы удерживались вместе благодаря слабым связям и образовывали совокупность, называемую мицеллой.

В 1917 г. Штаудингер пришел к заключению, что концепция структуры каучука, предложенная Харриесом, неверна. Штаудингер утверждал, что молекула натурального каучука – это настоящая, устойчивая молекула, которая состоит из цепи изопреновых звеньев, удерживаемых вместе с помощью простых связей, и содержит тысячи атомов. Назвав эти большие молекулы макромолекулами, Штаудингер 3 года спустя обобщил свои идеи, создав целостную макромолекулярную теорию строения полимеров – длинноцепочечных молекул, состоящих из небольшого числа повторяющихся десятки или сотни раз соединений. Отвергнуть популярную мицелларную теорию, поставив себя под огонь критики, было актом большого мужества. А ведь Штаудингеру было тогда почти 40 лет, и авторитет его как химика-органика был очень высок. К тому же опубликованные результаты ряда экспериментальных работ, проведенных другими учеными в последующие 4 года, казалось, говорили в пользу мицелларной теории.

Штаудингер был честолюбив и поэтому, намечая программу исследований с целью подтверждения своей макромолекулярной теории, принял во внимание силу научной оппозиции. В период между 20-ми и началом 30-х гг. Штаудингер и его сотрудники провели множество опытов с целью проверки существования гигантских молекул. Сначала они «повели наступление» на структуру, предложенную Харриесом. Поскольку сторонники мицелларной теории утверждали, что молекулярные агрегаты удерживаются вместе благодаря притяжению между двойными связями в каждом кольце, устранение этих двойных связей восстановлением (т.е. присоединением атомов водорода) вызвало бы разрушение мицелл и появление жидких углеводородов. Однако в XIX в. французский химик Марселен Бертло восстановил каучук и получил твердый материал, и в 1922 г. Штаудингер подтвердил его результаты. Штаудингер восстановил также макромолекулы полистирола и снова не получил жидких углеводородов, как это предсказывалось мицелларной теорией.

Стремясь обойти трудности, связанные с экспериментальным изучением высокосложных природных полимеров, Штаудингер решил исследовать синтетическую «модель» соединений. В качестве модели для целлюлозы он выбрал полиоксиметилен (параформальдегид), твердую форму антикоагулянтного средства – формалина. Моделью для каучука стал полистирол. К 1930 г. Штаудингер собрал значительный объем экспериментальных данных, подтверждающих существование макромолекул и очень длинных полимерных цепей. Он также подтвердил, что полимерные цепи оканчиваются не свободной химической связью, а обычными химическими группами, которые берутся из окружающего раствора или из самого полимера. Этот важный этап исследований суммирован ученым в его ставшей классической монографии «Высокомолекулярные органические соединения, каучук и целлюлоза», опубликованной в 1932 г.

Точка зрения Штаудингер у многих химиков продолжала вызывать возражение, а уж у сторонников мицелларной теории – просто яростное неприятие. Однако столь широко распространенное прохладное отношение к его идеям не помешало Штаудингеру в 1926 г. стать директором химической лаборатории и профессором Фрейбургского университета. В том же году Герман Марк представил тщательно отобранные Штаудингером экспериментальные свидетельства и объяснение анализа рентгеновской кристаллографии на ежегодной конференции Ассоциации германских ученых-естественников и врачей в Дюссельдорфе. Выступление Марка убедило многих химиков, включая Вильштеттера, председательствовавшего на конференции, в вероятности существования чрезвычайно больших молекул. Теории Штаудингера нашли поддержку, и уже 9 лет спустя, когда британское Фарадеевское общество созвало симпозиум по полимерам, выступавшие на нем считали существование макромолекул не требующим доказательств.

И все же даже Штаудингер неправильно понял некоторые аспекты структуры макромолекул. Поскольку ученый не соглашался с мыслью о том, что полимеры представляют собой совокупность агрегатов из маленьких молекул, он решил, что макромолекулы никоим образом не могут напоминать мицеллы. Придерживаясь того мнения, что макромолекулы – это жесткие стержни, Штаудингер раскритиковал экспериментальные свидетельства, собранные Германом Марком и Фридрихом Эйрихом, которые указывали на то, что полимеры могут существовать как в виде гибких цепей, так и в виде мицеллоподобных связок. Ошибка Штаудингера привела его к конфликту с другими сторонниками макромолекулярной теории. Этот раскол в рядах защитников новой теории в то время, когда она еще находилась под огнем критики со стороны ученых, направлял нужные для ее защиты и подтверждения силы в крайне неудачное русло.

В конце 20-х гг. Штаудингер ознакомился с использованием Теодором Сведбергом ультрацентрифуги, нового мощного инструмента для определения молекулярной массы белков. Открытие Сведбергом того, что небольшая макромолекула, например молекула гемоглобина, могла обладать точно определяемой молекулярной массой, послужило важной поддержкой для теории Штаудингера, поскольку мицелларная теория предсказывала изменяемость молекулярной массы. Штаудингер понял, что метод Сведберга может оказать важную поддержку его теории, однако на обращение Штаудингера к официальным властям с просьбой о покупке центрифуги был дан отрицательный ответ, что свидетельствовало о сохраняющемся в научных кругах скептицизме в отношении макромолекул. Получив отказ, Штаудингер обратился к исследованию вязкости полимеров в растворах. Несмотря на прочно установившийся метод определения молекулярной массы небольших молекул, этот метод редко применялся к полимерам. Работая с растворами полистирола, Штаудингер доказал, что вязкость полимера прямо пропорциональна его молекулярной массе, найдя, таким образом, еще одно опровержение мицелларной теории.

В течение 30-х гг. Штаудингер сохранял интерес к проблеме вязкости полимерных растворов. В то же время он взялся за новую тему исследований – изучение сложных биологических макромолекул и непосредственное наблюдение макромолекул в микроскоп.

В 40-е гг. для Штаудингера был создан научно-исследовательский институт макромолекулярной химии при Фрейбургском университете. После второй мировой войны Штаудингер изучал взаимосвязь между структурой и функционированием в биологических макромолекулах, т.е. занимался той областью исследований, которая в настоящее время известна как молекулярная биология. В 1947 г. он основал журнал «Макромолекулярная химия» и опубликовал книгу «Макромолекулярная химия и биология», в которой излагал свои взгляды на перспективы развития молекулярной биологии. Однако по сегодняшним меркам его взгляды представляются довольно упрощенными, а работа ученого в послевоенный период не внесла значительного вклада в развитие молекулярной биологии.

В 1953 г., спустя четверть века после осуществленной ученым большой работы, Штаудингеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования в области химии высокомолекулярных веществ». Возможно, тот факт, что Штаудингер так поздно был удостоен звания Нобелевского лауреата, является показателем противоречий, вызванных выдвинутой им теорией. В своей Нобелевской лекции «Макромолекулярная химия» Штаудингер 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». 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.

В 1927 г. Штаудингер женился на Магде Войт. Специалист по физиологии растений, она стала ему надежным товарищем в работе. Детей у супругов не было. Человек высокого роста с тихим голосом, Штаудингер привлекал к себе студентов со всего мира благодаря редкому сочетанию чуткости, восприимчивости и интуиции в области химии, а также своими бойцовскими качествами там, где речь шла о поддержке его теории. В 1951 г. он вышел в отставку из Фрейбургского университета, став во главе Научно-исследовательского института макромолекулярной химии. Эту должность Штаудингер занимал до 1956 г. Умер ученый во Фрейбурге 8 сентября 1965 г. от болезни сердца.

Помимо Нобелевской премии, Штаудингер был удостоен многих наград. В их числе медаль Эмиля Фишера Германского химического общества (1930), медаль Леблана Французского химического общества (1931) и премия Станислав Канниццаро Итальянской национальной академии наук (1933). Он был почетным доктором Технического университета в Карлсруэ (в области инженерного дела) и университета в Майнце (области естественных наук).