Hermann Staudinger (1955) - Micro- and Macromolecular Chemistry (German Presentation)

Und nun, wenn ich hier diese Vorträge beginnen darf, so spreche ich über ein Gebiet, ein neues Gebiet der Chemie: Das Gebiet der makromolekularen Chemie. Ich sage, es ist ein neues Gebiet der Chemie. Als ein Teilgebiet der organischen Chemie könnte man das nicht bezeichnen. Wenn wir Farbenchemie, Chemie der Alkaloide, sonstige Untergebiete der organischen Chemie betrachten, so sind das Teilgebiete, die nach den Methoden der bisherigen organischen Chemie behandelt werden. In der makromolekularen Chemie, da haben wir etwas Neues vor uns. Neues vor uns, bedingt durch die Größe der Moleküle, die eben besondere Aufgaben zur Lösung dieser Konstitutionsaufklärung verlangen. Die organische Chemie, die hat die Aufgabe, die Konstitution von organischen Verbindungen aufzuklären, um aus dieser Konstitution, aus Kenntnis dieser Konstitution, aus Kenntnis der Bauart der Moleküle abzuleiten die chemischen Eigenschaften, die physikalischen Eigenschaften, schließlich auch biologische Eigenschaften. Wenn ein Chemiker so ein Modell sieht, das ist ein stark, vielleicht zehn Millionen Mal vergrößertes Modell eines Zuckermoleküls, da kann er daran die verschiedenen Eigenschaften des Zuckers ablesen. Nun, diese Konstitution der organischen Verbindungen, die geht zurück, das muss ich hier erwähnen, weil später darauf hingewiesen werden muss, auf eine außerordentlich wichtige Arbeit von Wöhler und Liebig aus dem Jahr 1832, deren Inhalt wir uns in einer Tabelle ansehen müssen. Das sind hier verschiedene Benzaldehyd Derivate. Und alle, früher, in dieser Zeit, da wusste man noch gar nichts vom Bau der organischen Verbindungen. Und da stellten diese beiden Forscher fest, dass diese Verbindungen, die ganz verschieden aussehen, die ganz verschiedenes chemisches Verhalten haben, hier ein Radikal, das Radikal Benzyl gemeinsam hatten und dass die unterschiedlichen Verbindungen nur auf diesen kleinen Gruppen beruhen. Das war ein erster Einblick. Wie Berzelius sagte: Die „Morgenröte der organischen Chemie“. Und nun, das ist die Aufgabe hier beim Bau dieses Radikals und anderer Radikale, es wurden viele gefunden, den Bau dieser Radikale aufzuklären. Und das konnte man erst, nachdem man die Atomgewichte festgelegt hat, das war viele Jahre später, Jahrzehnte später, das war 1868, hatte Cannizzaro diese Grundlagen geschaffen. Und kurze Zeit darauf hat dann Kekulé eben seine Strukturlehre aufgestellt, seine Strukturlehre, die angibt, dass da Kohlenstoffatome, das sind die weißen, Sauerstoff-, Wasserstoffatome in ganz bestimmter gesetzmäßiger Weise gefunden sind. Dann konnten Formeln aufgestellt werden. Und nun, ich sage hier allgemein Bekanntes, muss aber darauf hinweisen, weil das allgemein Bekannte häufig zu selbstverständlich angenommen wird. Das Interessante war damals und Wichtige, dass die Formel, die man so aufstellte durch Konstitutionsaufklärung, dass die eben die Eigenschaften wiedergaben und wenn man so ein Gebilde sieht, sind das Moleküle, in denen eine bestimmte Anzahl von Atomen gebunden sind. Und wenn wir nun das Molekulargewicht als die kleinsten Teile im Dampf oder in Lösungen bestimmen, deren Größe, dann stimmt die Größe des Molekulargewichts, die so erhalten ist, mit der durch chemische Untersuchungen erhaltenen überein. Das ist in der niedermolekularen Chemie der Fall. In der makromolekularen Chemie, wir werden gleich sehen, ist das weit komplizierter. Nun, wenn man einen unbekannten niedermolekularen Stoff hat, einen Naturstoff zum Beispiel, dann baut man den ab und sucht die kleinen Bruchstücke aufzuklären und da ist es sehr wertvoll, dass man diese kleinen Bruchstücke sehr rasch identifizieren kann, zum Beispiel durch Schmelzpunkt und Mischprobe. Jeder organische Körper hat einen charakteristischen Schmelzpunkt. Und wenn man einen bekannten organischen Körper hat, dann kann man den mit einem anderen durch die Mischprobe identifizieren. Das hat die großen Erfolge in der Vitamin-, in der Hormonforschung, wo man kleine Mengen zur Verfügung hatte, hat das herbeigeführt, hat man gespalten und aus Spaltstücken bekannten Baues, die konnte man identifizieren. Und dann noch etwas anderes. Man konnte durch neuere Methoden, Ultraviolett-, Ultrarot-Methoden, da konnte man charakteristische Gruppen in so einem Molekül erkennen. Wenn man ein kleines Molekül hat und da ist eine charakteristische Gruppe, die stellt immerhin einen beträchtlichen Anteil des kleinen Moleküls dar, die kann man dann durch Ultrarot-, Ultraviolett-Methode kann man die erkennen, durch die besonderen Schwingungen, die diese kleinen Teile hervorrufen. Und so hat man in dem letzten halben Jahrhundert ungefähr, so in der Größenordnung, die Konstitution einer halben Million niedermolekularer organischer Verbindungen aufgeklärt, sodass man die Konstitution dieser Verbindungen wiedergeben kann, das Molekulargewicht bestimmen kann, also das Gewicht der Atome, die in einem kleinsten Teil in einem Molekül gebunden sind. Und dieses Molekulargewicht, das kann man in der niedermolekularen Chemie mit der gleichen Genauigkeit angeben, mit der man die Atomgewichte kennt. Denn das Molekulargewicht, das ist einfach die Summe der Gewichte der Atome, die in dieser Verbindung sind. Also da zählt man diese Gewichte zusammen und man kann nachher nach einer physikalischen Methode kontrollieren, ob das Molekulargewicht stimmt. Aber diese physikalischen Methoden, auch darauf ist hinzuweisen, die sind in der Regel nicht so genau wie die Bestimmung der Atomgewichte. Also, hier hat man, dadurch, dass man das genaue Gewicht der Atome kennt, auch das genaue Gewicht der Moleküle. Und die physikalische Methode gibt nur eine Kontrolle. Und die meisten niedermolekularen Verbindungen, das sagte ich ja schon, sind die kleinsten Teile, die man im Dampf oder in der Lösung erhält, das sind Moleküle. Wenn mal zufällig das nicht stimmt, das ist bei Säuren der Fall, dann kann man das sehr leicht beurteilen, dass da eben durch Nebenvalenzen die Moleküle zu größeren Einheiten gebunden sind. Nun, ein letzter wesentlicher Punkt. Die niedermolekulare organische Chemie, die geht davon aus, reine Stoffe zu untersuchen und die Konstitution reiner Stoffe aufzuklären. Stoffgemische, die müssen getrennt werden. Und da gibt es eine ganze Reihe Methoden, Trennungsmethoden. In den letzten Jahrzehnten hat die chromatographische Methode da hervorragendes geleistet und gezeigt, dass Stoffgemische, Gemische von Naturstoffen, dass die auf diese Methode getrennt werden können. Und der Organiker, der ist es gewohnt, reine Stoffe zu untersuchen und da die Konstitution aufzuklären. Und diese Trennung von Stoffgemischen, die ist in der niedermolekularen Chemie schließlich erfolgreich, weil, wenn wir zwei Verbindungen haben, die auch ähnlichen Bau haben, aber etwas größer sind, wenn wir zum Beispiel hier, das sind ein kleines Zuckermolekül, eine Monose, eine Biose, hier, das ist doppelt so schwer beinahe wie dieses. Wenn wir diese beiden mischen, diese Moleküle, ein Stoffgemisch herstellen, dann kann man dieses und dieses trennen, weil da große Gewichtsunterschiede vorhanden sind. Das wären so ein paar charakteristische Züge der niedermolekularen Chemie. Und nun kannte man, sagen wir in den 20er Jahren kannte man nicht die Konstitution von ganz wichtigen Naturprodukten, von den Polysacchariden, also Zellulose, Stärke, von Kautschuk, den Proteinen, den Nukleinsäuren. Und bei den großen Erfolgen der niedermolekularen Chemie hat man nun gedacht, nach den gleichen Methoden auch diese Stoffe, die wir heute als makromolekulare Stoffe bezeichnen, auch diese Stoffe bearbeiten zu können und deren Konstitution aufzuklären. Da hat zum Beispiel Emil Fischer, der erfolgreiche Forscher auf dem Gebiet der Zucker, der Proteine, der hat das Postulat aufgestellt 1906, man sollte die Konstitution der Proteine durch schrittweise Synthese erkennen. So wurde die Konstitution der niedermolekularen Stoffe erforscht. Da macht man schließlich, wenn man die Konstitution kennt, eine Synthese. Das geht nicht bei den Makromolekülen, bei diesen ungeheuer großen Molekülen. Damals glaubte man, dass diese Stoffe gar nicht so große Moleküle hätten. Emil Fischer meinte zum Beispiel, dass Molekulargewichte über 5.000 gar nicht in Betracht kämen. Heute sprechen wir von Molekulargewichten von 100.000. Ja, man könnte vielleicht, da hätte man Bedenken haben können. Diese Stoffe wie Kautschuk, Zellulose, Proteine, die geben kolloide Lösungen. Und bei kolloiden Lösungen, damit kann ein niedermolekularer Chemiker nichts anfangen, weil er nicht die Größe der Teilchen bestimmen kann nach den üblichen Methoden. Aber das störte damals nicht sehr, die kolloiden Lösungen. Und nun kommt ein ganz merkwürdiger Zufall, möchte ich sagen. Wir haben da kolloide Lösungen, und zwar Kautschuk in Benzol und Stärke in Wasser, von Proteinen in Wasser- oder Salzlösungen. Und wenn wir diese kolloiden Lösungen auf ihre Eigenschaften untersuchen, Quellungseigenschaften, Viskosität usw., dann finden wir eine sehr merkwürdige Ähnlichkeit dieser kolloiden Lösungen mit den kolloiden Lösungen der Seifen. Das war, ich möchte beinahe sagen, für die Entwicklung der makromolekularen Chemie verhängnisvoll, dass man damals aufmerksam wurde, dass die Seifen, also die Alkalisalze der Fettsäuren, dass sie kolloide Lösungen geben. Die geben kolloide Lösungen, Moleküle der Fettsäuren, die kennt man, ihre Größe, dadurch, dass zahlreiche kleine Moleküle sich assoziieren zu sehr großen Kolloidteilchen. Und weil das hier, diese kolloiden Lösungen der Seifen sehr viel Ähnlichkeit zeigen mit den kolloiden Lösungen der hochmolekularen Stoffe, der makromolekularen Stoffe, da sagt man, das und das ist gleich gebaut. Und dadurch gewinnen sie an Verständnis für die Auffassung, die jahrzehntelang sich gerade in der biologischen Literatur vorfand, dass hier diese Stoffe, genauso wie die Lösungen der Seifen, dass die kolloid gebaut seien und dadurch kommt das Wort „Zellen“ in die Literatur, man sagte, das sind micellar gebaute Stoffe. Das geht zurück auf eine Vorstellung vom Züricher Botaniker Nägeli, der diese Eigentümlichkeiten dieser makromolekularen Stoffe eben durch einen besonderen Bau, dem micellaren Bau erklären wollte und da hat man nun ein Verständnis, diese Zellen hier und hier, die sind gleich gebaut. Und nun wurden beide Chemiker irregeführt. Die Seifen, die geben niedermolekulare Lösungen und drum geht das Bestreben der Chemiker in den 20er Jahren dahin, niedermolekulare Lösungen von Kautschuk, Stärke und Proteinen herzustellen durch Wechsel des Lösungsmittels. Bei Seifen kann man niedermolekulare Lösungen herstellen, wenn man die in Alkohol löst, in Wasser werden sie kolloid. Nun dachte man, man muss einfach suchen, auch niedermolekulare Lösungen von diesen Stoffen zu bekommen. Und da wurde man durch unrichtig gedeutete Beobachtungen irregeführt. Man glaubte, manchmal niedermolekulare Lösungen erhalten zu haben. Aber darauf brauche ich hier nicht einzugehen, weil diese Beobachtungen doch schließlich unrichtig waren. Sondern ich muss jetzt Ihnen zeigen, dass diese Stoffe, diese Naturstoffe und sehr viele synthetische makromolekulare Stoffe, die als Kunststoffe, Faserstoffe heute allgemein bekannt sind, dass die einen makromolekularen Bau haben. Und dass die Eigentümlichkeiten dieser Stoffe auf diesem makromolekularen Bau beruhen. In den niedermolekularen Stoffen, da sehen wir vielleicht die nächste Tabelle an, da sind in den Molekülen weniger als 1.000, in der Regel einige hundert, 100, 10, einige hundert Atome im Molekül gebunden. Hier dieses Glukosemolekül, das enthält 24 Atome, die in ihm gesetzmäßiger Weise gebunden sind. Das erscheint uns schon sehr kompliziert, aber in dem Makromolekül, dem lebenswichtigen Molekül, da sind Tausende, Zehntausende, Hunderttausende von Atomen in der gleichen gesetzmäßigen Weise gebunden wie hier die wenigen Atome im Zuckermolekül. Hier haben also die makromolekularen Stoffe ein Molekulargewicht. Das Gewicht dieser Atome ist über zehntausend, hier hundertzehntausend. Eine scharfe Grenze lässt sich natürlich zwischen den beiden Gruppen nicht ziehen, das geht allmählich über. Aber, hier sehen wir Unterschiede. Die sind einheitlich. Hier, die Einheitlichkeit ist sehr unsicher, meistens sind sie nicht einheitlich. Normallöslich, kolloidlöslich, und zwar sind sie kolloidlöslich, weil die Moleküle eine Größe haben, die den Kolloidteilchen entspricht. Einfluss der Molekülgestalt, da komme ich nachher drauf zu sprechen. Hier ist eine Synthese durchführbar. Hier dagegen eine Synthese, schrittweise Synthese im Sinne Emil Fischers nicht durchführbar, besser gesagt, bis heute nicht durchgeführt und auch nach unseren heutigen Kenntnissen der organischen Chemie sehr unwahrscheinlich. Und nun, das Wesentliche, was ich Ihnen auseinandersetzen möchte, ist, Ihnen die Unterschiede zwischen der niedermolekularen und der makromolekularen Chemie hier zu demonstrieren. In der niedermolekularen Chemie bearbeitet man einheitliche Körper, in der makromolekularen Chemie kommen einheitliche Körper praktisch nicht vor. Nachher komme ich auf diese Frage noch einmal bei Naturstoffen zu sprechen. Die makromolekularen Stoffe, das sind alles eigentlich, wie sie vorliegen, die Kunststoffe, die Faserstoffe, sehr viel Naturprodukte, Kunstseide usw., das sind Gemische. Sie sind genau wie die Kolloide polydispers, nur dass man hier diese besondere Art der Polydispersität als Polymolekularität bezeichnet. Also, in einem Stoff, ein Stoff ist aus vielen verschiedenartigen Molekülen aufgebaut. Und wenn Sie eine Kunstseide, wenn Sie einen Kunststoff nehmen, wenn Sie Kautschuk nehmen, von all diesen Produkten können Sie keine Konstitutionsformel aufstellen, wie wir sie hier aufstellen beim Zucker. Wir können auch nicht das Molekulargewicht als die Summe der Atomgewichte genau angeben, sondern wir können nur diese Stoffe dadurch charakterisieren, dass man das Molekulargewicht nach einer physikalischen Methode bestimmt. Und da ist noch die makromolekulare Chemie besonders schwierig. Also, die makromolekularischen Stoffen, Kunststoffe, synthetische und Naturstoffe, das sind fast alles polymolekulare Stoffe, Stoffgemische. Und der Organiker früher, da haben ja sehr bekannte Organiker häufig den Vorwurf gemacht, sie müssen reine Stoffe herstellen und die bearbeiten. Die Stoffgemische, die kristallisieren zum Teil schlecht, sie sind schlecht zu charakterisieren, das sind Schmieren, weil die makromolekulare Chemie, diese Chemie dieser Stoffe wird häufig als Schmierenchemie bezeichnet und ich werde zeigen müssen, dass das eine außerordentlich bedeutungsvolle Chemie ist. Und dass das im Wesen der makromolekularen Chemie liegt, dass man eben die Methoden der niedermolekularen Chemie hier nicht zur Konstitutionsaufklärung anwenden kann. Zum Beispiel bei der Molekulargewichtsbestimmung. Da begegnen wir einer Schwierigkeit, die in der niedermolekularen Chemie nicht auftritt. Wenn wir das Molekulargewicht eines niedermolekularen Stoffes nach verschiedenen Methoden erforschen, da erhalten wir, wenn wir richtig arbeiten, immer die gleiche Größe. Anders ist es bei der Molekulargewichtsbestimmung von makromolekularen Stoffen. Wenn wir diese makromolekularen Stoffe nach verschiedenen Methoden bearbeiten, also wenn wir zum Beispiel das Molekulargewicht nach der osmotischen Methode untersuchen, da zählen wir die Effekte, die die Zahl der Teilchen hervorbringt. Also, wenn wir in der Analyse sehr viele Moleküle haben, dann haben wir einen großen osmotischen Effekt. Und wenn wir nun ein polymolekulares Gemisch haben, was eine Zahl kleiner Teile, mittlerer Teile, großer Teile hat, dann sind die kleinen Teile von großem Einfluss, weil die in großer Zahl vorhanden sind, auf das Molekulargewicht. Wenn wir dagegen mit der Svedbergschen Ultrazentrifuge das Molekulargewicht bestimmen, dadurch, dass man zentrifugiert, da haben die großen, schweren Teilchen einen viel größeren Effekt als die kleinen Teilchen. Und wenn wir das Molekulargewicht nach dem Gewicht bestimmen, da bekommen wir andere Werte als wenn wir die Zahl der Moleküle zählen. Also der Zahlendurchschnitt vom Gewichtsdurchschnitt kann bei polymolekularen Gemischen sehr stark differieren. Und ich sagte, praktisch haben wir eigentlich immer polymolekulare Gemische. Also kommen wir, wenn wir das Molekulargewicht bestimmen, gar nicht zu einheitlichen Werten. Und schließlich eine Methode, eine wichtige Methode, das ist die Viskositätsmethode, wenn wir so lange Moleküle lösen, dann bekommen wir Viskoselösungen und je länger die Moleküle sind, umso höher viskos ist die Lösung. Haben wir ein polymolekulares Gemisch von solchen Farbmolekülen, dann haben lange Moleküle einen viel größeren Einfluss als kurze Moleküle. Und auch diese Viskositätsmethode gibt wieder etwas andere Werte wie der Zahlendurchschnitt und der Gewichtsdurchschnitt. Also, da haben wir eine Schwierigkeit beim Bestimmen des Molekulargewichts, die in der niedermolekularen Chemie nicht besteht. Man kann sich derart helfen, dass man ein polymolekulares Gemisch, sagen wir einen Kunststoff, Faserstoff wie Nylon, dass man den durch Fraktionieren trennt und möglichst einheitliche Fraktionen daraus herstellt und die charakterisiert. Da sind die Unterschiede zwischen Zahlendurchschnitt, Gewichtsdurchschnitt, viskosymmetrischem Molekulargewicht nicht so sehr erheblich. Aber sie sind immer noch etwas vorhanden. Und dann, wenn man zum Beispiel Nylon charakterisieren will, um ein Beispiel zu nehmen. Das bekannte Polyamidkondensationsprodukt aus… oder Perlon von Aminosäuren, wenn wir das nehmen und fraktionieren etwas heraus, zehn Prozent, was ziemlich einheitlich ist und bestimmen da das Molekulargewicht, so haben wir neunzig Prozent nicht charakterisiert. Wenn wir einen polymolekularen Stoff charakterisieren wollen, dann müssen wir ihn fraktionieren, jede Fraktion für sich untersuchen und dann aus der Eigenschaft dieser verschiedenen Fraktionen müssen wir uns ein Bild gewinnen über eben die Zusammensetzung des Stoffes. Und diese Stoffe, zum Beispiel Nylon, die können ganz verschiedenartige Eigenschaften haben, wenn sie viele kleine Moleküle, wenige große und umgekehrt besitzen. Und da hat die makromolekulare Chemie Schwierigkeiten, die in der niedermolekularen Chemie nicht auftreten. Und das alles ist festzuhalten und muss eben, gerade um ein Verständnis für die Aufgaben der makromolekularen Chemie zu gewinnen, muss man das beachten. Jetzt fragt sich, kann man eigentlich aus einem Stoffgemisch von makromolekularen Stoffen nicht einheitliche Stoffe herstellen, vielleicht etwas schwieriger als wie man das bei niedermolekularen Stoffen macht. Ein einfaches Beispiel kann die Unmöglichkeit, nach den heutigen Methoden natürlich, zeigen. Wenn wir eine Zellulose vom Polymerisationsgrad 1.000 haben, also eine Zellulose bei der tausend solcher Glukosereste hintereinander zu einem Kettenmolekül gebunden sind, und wir vergleichen damit diese hypothetische Zellulose, die nicht existiert, mit einer Zellulose, bei der 1.001 Gruppen gebunden sind. Ja, die eine unterscheidet sich von der anderen gewichtsmäßig, die eine hat ein Molekulargewicht 162.000, die andere 162.162. Die Gewichtsunterschiede, die sind also 0,1 Prozent. Wenn wir dagegen zehn solcher Reste aneinander reihen oder elf, dann haben wir einen Gewichtsunterschied von 10 Prozent. Bei den niedermolekularen Stoffen ist eine Trennung möglich, denn wenn wir einen Stoff haben, den nächsten sich die Eigenschaften infolge der großen Gewichtsunterschiede, größeren Gewichtsunterschiede, sprungweise ändern. Bei den makromolekularen Stoffen, ob ein Molekül so lang oder etwas längere Größe hat, da haben wir eben keine sprungweise Änderung, so dass da eine Trennung in reine Stoffe, eine Zerlegung in reine Stoffe nach den heutigen Methoden nicht durchzuführen ist. Ja, wenn man das betrachtet, dann sieht das ziemlich hoffnungslos aus mit der makromolekularen Chemie. Aber man kann doch einige Prinzipien aufstellen, die die Sache vereinfachen. Sehr viele makromolekulare Stoffe, Kunststoffe und Naturstoffe, die sind aus einem einheitlichen Baustein aufgebaut. Die Zellulose zum Beispiel hier aus der Glukose, Perlon oder Kunststoffe wie das Plexiglas aus kleinen Molekülen, die polymerisiert werden. Und wenn so ein makromolekularer Stoff aus einheitlichen Grundmolekülen aufgebaut ist, die zu einem längeren Kettenmolekül oder einem verzweigten Molekül zusammengebaut sind, dann sprechen wir von einem polymeren Molekül. Und wenn das polymere Molekül groß genug ist, von einem makropolymeren Molekül. Und nun die nächste Tabelle. Da sehen wir hier, da haben wir ein Ethylen aneinander gereiht, oben zu einer geraden Kette, hier zu einer verzweigten Kette. Das sind auch Ethylene. Da oben, das ist ein Stoff, das Polyethylen. Wenn wir das haben, da unterscheiden sich die einzelnen Vertreter nur durch die Länge der Kette. Das ist also ein polymer-einheitlicher Stoff. Während hier, da kann diese Seitenkette, die kann da, dort, in verschiedenen Mengen vorhanden sein, das sind polymer-isomere Stoffe. Und nun gibt es polymere Stoffe, die sind nicht aus einem Grundmolekül aufgebaut, da sind noch verschiedene andere eingelagert, das sind die Co-Polymeren. Da wird die Chemie noch komplizierter. Und endlich, bei den Proteinen, da können wir noch die nächste Tabelle ansehen. Ja, hier ist mal was, eine Formel ausgerechnet worden. Wenn wir ein Protein vom Molekulargewicht 100.000 haben, das ist gar nicht so groß, das aus zwanzig Aminosäuren aufgebaut ist und dann ist die Zahl der isomeren Moleküle, also der konstitutionell verschiedenen Moleküle, die kleine Unterschiede im Bau haben, also auch kleine Unterschiede im Chemismus, in den biologischen Eigenschaften haben, die sind 10 hoch 1.270. So viele isomere Moleküle haben wir da. Diese Zahl, die ist unvorstellbar groß. Und das sieht man daran, dass die Zahl der Wassermoleküle auf der Erde nur 4 hoch 46 beträgt. Nur wenn wir sämtliche Wassermoleküle zählen könnten, dann würden wir 4 hoch 46 haben. Da sehen Sie, dass die Proteine etwas ganz anderes in Bezug auf Isomerie, ganz andere Größenordnung in Bezug auf die Isomerie leisten können. Und nun noch eine weitere. Das sind die Grundlagen. Wir können also nicht die Forderungen der niedermolekularen Chemie erfüllen, die Konstitution eines einheitlichen Stoffes aufklären. Und das wollte ich in Ihrem Kreise mal gerade darlegen. Und nun noch einige weitere Konsequenzen. Die nächste Tabelle Die Einteilung der makromolekularen Stoffe, die ist auch anders als die niedermolekularer. Man hat Naturstoffe, Umwandlungsprodukte, Naturstoffe, wo das größte an Naturstoffen drin ist, und schließlich hat man hier vollsynthetische Stoffe, die heute in der Technik diese ungeheure Bedeutung besitzen. Kunstfasern, Kunststoffe, die werden aus kleinen, reaktionsfähigen Molekülen hergestellt, dadurch dass die zu langen Kettenmolekülen oder verzweigten Molekülen aneinandergereiht werden. Hier diese Stoffe, die sind alle polymolekular. Das sind alles makropolymere Stoffe, bei denen eine große Anzahl kleiner Moleküle aneinandergereiht sind. Auch diese Stoffe sind alle nicht einheitlich, sondern polymolekular. Und nun ein Wort noch über die Einheitlichkeit der Naturstoffe. Ja, es gibt kristallisierte Proteine. Es gibt kristallisierte Enzyme, Vitamine. Man hat, die sind nach der Svedbergschen Methode, nach anderen Methoden, haben die ungefähr das gleiche Teilchengewicht. Man hat gedacht, dass die Natur Stoffe, einheitliche Stoffe wie in der niedermolekularen Chemie aufbauen könnte. Aber nun sehen wir, die niedermolekularen Naturstoffe, das sind alles Gemische. Terpene, Alkaloide, all diese etwas komplizierteren Stoffe sind Gemische. Carotin, das kristallisierte Carotin, setzt sich aus drei verschiedenen Komponenten zusammen, der Kohlenwasserstoff C40 H56, und drum ist möglich, aber der Nachweis sehr schwierig, dass da zum Beispiel hier die Proteine, eventuell auch der Kautschuk, dass das eben Gemische von ganz ähnlich gebauten Stoffen sind, dass die Natur eben sich nicht in der Regel mit einem Stoff zufrieden gibt für gewisse Funktionen, sondern mit einem Gemisch von ähnlich gebauten Stoffen. Dann hätten wir auch hier keinen einheitlichen Stoff. Und nun, was kennt man? Bei diesen Stoffen,da kennt man wenigstens das Grundmolekül, bei den polymeren Stoffen, aus dem das aufgebaut ist. Und darum sind die auch chemisch relativ gut zu bearbeiten. Bei der Zellulose zum Beispiel, das sagte ich vorhin, oder beim Kautschuk, nehmen wir zuerst Kautschuk. Beim Kautschuk weiß man schon lange, dass der aus Isoprenmolekülen aufgebaut ist. Man weiß heute, dass so zwei- bis fünftausend Isoprenreste zu einer Kette gebaut sind, aber die Untersuchung, die ergibt, dass ungefähr 95 % so zusammengeheftet sind. Zusammen 5 %, 4 %, die können etwas anders gebaut sein und es spricht manches dafür, dass der Kautschuk, dass das Kautschukmolekül nicht ein solches Kettenmolekül ist, sondern dass es Verzweigungen enthält. Da sind Probleme enthalten. Und bei der Zellulose, das ist wohl der meistbearbeitete, das ist übrigens der wichtigste organische Stoff, der in der Natur vorkommt und auch der meist bearbeitete, wegen seiner technischen Bedeutung. Da weiß man heute, dass in der Baumwollzellulose so 5.000 Glukosereste, das sind zwei, 5.000 aneinandergereiht sind. Ja, da spricht manches dafür, dass das, um das etwas sinnfällig auszudrücken, der Natur zu langweilig ist, die gleichermaßen aneinander zu reihen, sondern dass nach 500, wenn man 500 solcher Glukosereste aneinandergereiht hat, dass da irgendein anderes, etwas empfindlicheres, kleines Molekül dazwischen geschoben wird, das eine Fehlerstelle im Bau ist und das könnte recht bedeutungsvoll sein. Ja, das könnte bedeutungsvoll sein, denn wenn Sie Baumwolle waschen mit Bleichmitteln, dann kann das passieren, dass sie morsch wird, das weiß jede Hausfrau. Und wenn man das untersucht, das morsch werden, das tritt bei der Baumwolle auf, dann bilden sich da Spalten und diese Spalten könnten dadurch entstehen, dass eben hier an dieser Stelle eine etwas andere Gruppierung vorhanden ist. Also, die genaue Konstruktion von makromolekularen Naturprodukten, die kennt man doch in keinem Falle. Merkwürdigerweise, bei den Proteinen, da ist man ziemlich weit gekommen, gerade beim Insulin, das Bauprinzip aufzuklären, gerade weil das so verschiedenartige Bindungen hat. Aber die Möglichkeiten, diese Stoffe zu charakterisieren nach den Methoden der niedermolekularen Chemie, die sind gar nicht vorhanden. Wir können nicht etwa sagen, dieser Stoff, dieser Kautschuk ist mit einem anderen identisch, dieser Kunststoff, der ist identisch, denn so genau kann man diese makromolekularen Stoffe nicht identifizieren. Und nun kommt die Konstitutionsaufklärung der makromolekularen Stoffe. Nun, da muss der Bau der kleinsten Teilchen untersucht werden und da muss man die Sachen in Lösung bringen. Und wenn ein Stoff unlöslich ist, hat man häufig gesagt, der ist sehr hochmolekular. Hier ist ein Stoff, der sehr niedermolekular ist und nur aus drei solcher kleinen Moleküle besteht. Der ist vollkommen unlöslich. Der hat diese Konstitution, das kann man nachweisen, wenn man dieses Derivat herstellt. Also, man kann, wenn ein Stoff unlöslich ist, nicht etwa sagen, der ist makromolekular gebaut, sondern man muss eben, um Genaues sagen zu können, eben diesen Bau der gelösten Teilchen, das ist ja das Wesen der organischen Chemie, untersuchen. Man muss also gewissermaßen einen Stoff dispergieren, wenn man niedermolekulare Stoffe dispergiert, wir sagen, löst, dann haben wir Moleküle. Hier, das ist das Problem. Die Makromoleküle haben tausende, zehntausende, hunderttausende von Atomen und das sind nun die Teilchen. Die können ganz verschieden gebaut sein, das können disperse Teilchen sein eines niedermolekularen Stoffes. Und dann habe ich darauf hingewiesen, das können, das sind lyophobe, das sind lyophile Kolloide. Das war eigentlich das Problem, diese Mizellenkolloide von den Molekülkolloiden zu unterscheiden. Und die Molekülkolloide, bei denen, das sind Kolloide, Molekülkolloide, bei denen die Kolloidteilchen die größten Moleküle haben. Dazu kommen wir dann hier, die unterscheiden sich nach der Gestalt sehr bedeutend. Und der Nachweis für die Existenz der Molekülkolloide, und das ist eine Tabelle, da komme ich in einigen Augenblicken noch mal zu sprechen ... Das ist, hier haben wir ein Glykogen, das ist die Leberstärke. Da haben wir einen Polymerisationsgrad, sagen wir von 5.000, so genau, also das ist immer so, hier ist der Strich, ein Durchschnittspolymerisationsgrad. Man müsste mal so ein Glykogenmolekül bauen, da sind die verzweigt, da sind die aneinander gereiht. Nun, das Wesentliche ist, da macht man chemische Umsetzungen damit, man acetyliert, das Glykogenacetat stellt man her, man verwandelt das wieder in Glykogen. Und da hat sich der Polymerisationsgrad, also diese Zahl, die hat sich nicht verändert, das Gerüst gewissermaßen. Jetzt komme ich auf die Radikallehre. Das Gerüst, das Makrogerüst, das ist unverändert groß geblieben. Und da kann man hier, das ist ein Polymer vom… (inaudible0:41:48) aus diesem kann man abgebaute Produkte herstellen und hier dieselben Operationen vornehmen. Das Gerüst, das Makrogerüst, das Makroradikal, das bleibt bei diesen chemischen Operationen wie das Radikalbenzyl unverändert. Und das ist der Beweis, und der exakte Beweis im Sinne der klassischen Strukturlehre für das Vorliegen von Makromolekülen, also von Molekülen, die diese merkwürdige Dimensionen haben. Und nun, bitte die nächste Tabelle. Jetzt haben wir hier zwei niedermolekulare Stoffe, die sich in der Gestalt unterscheiden. Die unterscheiden sich in physikalischen Eigenschaften kaum. Wenn ich die beiden Flaschen von diesem und diesem hinstelle, das sieht so wie Benzin aus, das könnte man nicht unterscheiden. Wenn wir dagegen von dieser Glukose 3.000 Glukosereste als Fadenmolekül aneinander ordnen, haben wir die Zellulose, ordnen wir die 3.000 Glukosereste auf einfach zwei von diesen Molekülen, dann haben wir das Glykogen. Das kann 3.000, 5.000 haben. Und so teilt man ein die makromolekularen Stoffe in lineare makromolekulare und ferromolekulare Stoffe. Da ist sehr wichtig, dass die Gestalt der Moleküle, dass die eben auf die Eigenschaften, die chemischen, aber vor allem auf die physikalischen Eigenschaften diesen bedeutenden Einfluss hat. Je nachdem wie wir das gestalten, kommen ganz andere physikalische Eigenschaften heraus. Und hier, diese ferromolekularen Stoffe, wenn die sich kolloid lösen, kann man auch sagen, es sind Ferrokolloide. Die zeigen, dass Eigenschaften,also Stoffe mit Kugelmolekülen wie die der molekularen Stoffe in Lösungen, Viskosität und ganz andere Eigenschaften wie die Zellkolloide. Dagegen sehen wir nochmals die zweite Tabelle an. Die lineare makromolekulare Eigenschaft, die zeigt große Unterschiede von dieser Gruppe und sehr nahe Beziehung zu dieser Gruppe. Und das war ja eigentlich das irreführende, in der makromolekularen Chemie das Problem, das gelöst werden musste, dass die Eigenschaften von der Gestalt der Moleküle abhängen. Also, ich möchte sagen, die makromolekulare Chemie, und damit komme ich zu den Schlussausführungen, diese makromolekulare Chemie, man könnte kurz sagen, das ist eine Chemie, in der die Gestalt der Moleküle bedeutend physikalische und chemische Eigenschaften beeinflusst. Und damit sehen wir eine weitere große Bedeutung der makromolekularen Chemie und ihrer Eigenheit. Denn wichtige makromolekulare Stoffe, die Proteine, die Nukleinsäure, das sind die Bausteine lebender Natur. Und die haben eine ganz bestimmte Form und von der Form hängt eben die Lebensfunktion ab. Das wusste man schon früher, als man die kleinen Moleküle kannte, dass die allein nicht das Leben der Zelle erklären könnten. Da suchte man Zwischenstufen, die Mizellen. Diese Zwischenstufe, das sind die Makromoleküle. Die haben eine bestimmte Gestalt. Die Gestalt bedingt die Eigenschaften und dann sind sie, vorhin zeigte das die Tabelle, in einer solch unendlichen Mannigfaltigkeit vorhanden. In einer solch unendlichen Mannigfaltigkeit kommen die Makromoleküle vor, dass jedes lebende Individuum 10 hoch 1.000 ganz bestimmt gestaltete und chemisch katalogisierte Makromoleküle hat. Denn jedes Individuum ist ja schließlich vom anderen verschieden. Und also ist diese Forderung, dass eine unendliche Zahl von Makromolekülen mit bestimmten chemischen Eigenschaften, Gestaltseigenschaften, steht, die ist eigentlich selbstverständlich, wenn wir die Mannigfaltigkeit des Lebendigen betrachten. Und so gibt die makromolekulare Chemie, um noch einmal auf den Ausgangspunkt zurück zu kommen, die gibt eben neue Konsequenzen auch für die Biologie. Und die makromolekulare Chemie, ich habe das eingangs gesagt, ist ein neues Gebiet der organischen Chemie, das mit neuen Methoden bearbeitet werden muss. Die Methoden der niedermolekularen Chemie, die reichen dazu nicht aus, um Erkenntnisse in der makromolekularen Chemie zu haben. Das ist ein neues Gebiet, was in der Technik eine ungeheure Bedeutung besitzt. Die Technik der makromolekularen Stoffe, zum Beispiel in den USA, ist schon größer als die Technik der niedermolekularen Stoffe. Und dass sie endlich neue Einblicke in die Biologie, in die Vorgänge in der Lebendzelle uns liefert. Um das an einem Beispiel zu veranschaulichen. So können wir solche Moleküle mit hohen Gebäuden vergleichen und das ist ein kleines Ding aus wenigen Bausteinen. Und wenn wir Gebäude haben mit wenigen Bausteinen, können wir nicht viel machen. Wenn wir aber zehntausende, hunderttausende von Bausteinen haben, dann können wir Paläste, Kirchen, Fabriken usw., die mannigfaltigsten Gebäude errichten, die je nach der Konstruktion verschieden verwendbar sind und die, das ist das Wesentliche, konstruktive Eigenheiten zeigen, die bei den kleinen Gebäuden wir gar nicht erkennen können. Und das wesentliche in der makromolekularen Chemie, für Technik und Biologie, ist das: Diese Eigentümlichkeiten der makromolekularen Chemie zu erkennen, weiter zu erforschen, weil wir dann neue Einblicke in die Natur gewinnen.

Hermann Staudinger (1955)

Micro- and Macromolecular Chemistry (German Presentation)

Hermann Staudinger (1955)

Micro- and Macromolecular Chemistry (German Presentation)

Comment

Hermann Staudinger participated in his first Lindau meeting two years after having received the Nobel Prize in Chemistry. From the youthful enthusiasm with which he speaks about his research subject, macromolecular chemistry, it is difficult to believe that he is 74 years old. But he had good reasons to be enthusiastic, since the basic science research field, which he had taken an interest in almost 50 years earlier and which in more general terms could be called “polymer science”, had become a really hot topic. This was mainly as a result of the newly discovered possibilities of industrial applications, which was leading to a variety of synthetic products that were finding their ways into the daily life in many sectors of society. Among these newly developed products were different kinds of plastics, a development that eventually also led to a second “polymer” Nobel Prize in Chemistry, this time to Karl Ziegler and Giulio Natta in 1963. Again, in 1974, Paul Flory received the Nobel Prize in Chemistry for his fundamental work on macromolecules, which he had started at the DuPont Company in the 1930’s with the inventor of nylon, Wallace Carothers. Of the four Nobel Laureates in polymer science, Staudinger, Ziegler and Flory each gave only one lecture in Lindau (1955, 1964 and 1977, respectively). At the time Hermann Staudinger delivered his lecture, he had a very special former student in the audience. This was Leopold Ruzicka, who had studied and worked with Staudinger almost 50 years earlier and who received a Nobel Prize in Chemistry already 1939. Ruzicka gave no lecture in Lindau in 1955, but his signature appears on the so-called Lindau Manifesto, a document that was produced during the meeting and which speaks out against nuclear weapons and war. Looking through the long list of Nobel Laureates, one actually also finds another student of Staudinger who became a Nobel Laureate. This is Tadeus Reichstein, who received the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1950, together with Edward Kendall and Philip Hench. Finally, for those of you who would like to feel the flavour of the Nobel Ceremony of 1953, a documentary film can be found on http://Nobelprize.org. There you can watch Hermann Staudinger receive his Nobel Prize “from the hands of His Majesty the King”.

Anders Bárány

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT


Related Content