赫尔曼·施陶丁格(1881年3月23日—1965年),德国著名化学家、化学
教育家,出生于德国
沃尔姆斯。1898年在达姆施塔特技术大学学习。青年时他对植物很有兴趣。他父亲让他先学化学,为学植物学打基础。于是施陶丁格先后在
慕尼黑大学和
哈勒大学学习与化学有关的课程。他读书十分刻苦,1903年他撰写了《不饱和化合物丙二酸酯》的论文,并获博士学位。
人生经历
1881年3月23日,海尔曼·施陶丁格出生在德国的弗尔姆斯。他父亲是新康德派的哲学家,所以他从小就受到各种新的
哲学思想的熏陶,对新事物比较敏锐,在科学推理、思维中,能够不受传统观念的束缚,善于从复杂的事物中,理出头绪,发现关键之处,提出新的观点。
在中学时,他曾对
植物学发生浓厚的兴趣,所以中学毕业后,他考入
哈勒大学学习植物学。这时有一位对科学发展颇有见地的朋友向他父母进言,最好先让施陶丁格打下雄厚的
化学基础后,再让他进入植物学的领域。这一中肯的建议被采纳了。
借他父亲转到达姆一所大学任教的机会,施陶丁格也来到该城的工业大学改读化学。从此施陶丁格与化学给下不解之缘。
1903年,他完成了关于
不饱和化合物丙二酸酯的毕业论文,从大学毕业。接着又来到施特拉斯堡,拜著名的有机化学家梯尔为师继续深造。
1907年,以他在实验中发现的高活性烯酮为题完成了博士论文,获得了博士学位。同年他被聘为
卡尔斯鲁厄工业大学的副教授。
5年后,他被楚利希联邦工业大学聘任为化学教授。在这里他执教了14年,这期间的教学和研究使他熟悉了化学,特别是有机化学的各个领域和一些新的理论,为他顺利开展科学研究奠定了扎实的基础。也在这期间,他投入了上述关于
高分子组成、结构的学术论战。
1926年,他为了有更充裕的时间,进行更多的实验来验证他的大分子理论,他应聘来到布莱斯高的符来堡专心从事科学研究。在符来堡他度过了他的后半生,许多重要的科研成果都是在这里完成的。施陶丁格在高分子科学研究中取得成功之后,他开始按照早年的设想,将研究的重点逐步转入植物学领域。事实上,他选择高分子课题时,就曾考虑到它与植物学的密切关系。在1926年他就预言
大分子化合物在有生命的有机体中,特别是
蛋白质之类化合物中起重要的作用。他顺理成章地将大分子的概念引人
生物化学人和他的妻子、植物生理学家玛格达·福特合作研究大分子与植物生理。
要证明大分子同样存在于动、植物等有生命的生物体内,他们认为最好能找到除了粘度法之外的其它方法,证明大分子的存在和存在的形式。经过两年多的努力,他们利用
电子显微镜等现代实验观测手段,终于用事实证明了生物体内存在着大分子。可惜的是这一项有重要意义的工作,
希特勒法西斯的上台和
第二次世界大战而被迫中断,施陶丁格所在的研究所毁于战火。第二次世界大战一结束,施陶丁格立即总结了他前一段关于生物有机物中大分子的研究。
1947年,出版了著作《大分子化学及生物学》。在这一著作中,它尝试地描绘了分子生物学的概貌,为分子生物学这一前沿学科的建立和发展奠定了基础。为了配合高分子科学的发展。
1947年起,他主持编辑了
《高分子化学》这一专业杂志。他晚年的兴趣主要在分子生物学的研究,由于年事已高,成果不多,但是培养了许多高分子研究方面的人才。
1965年9月8日,施陶丁格安然去世,享年84岁。
主要成就
理论反响
1922年,施陶丁格进而提出了高分子是由长链大分子构成的观点,动摇了传统的胶体理论的基础。胶体论者坚持认为,
天然橡胶是通过部分价键缔合起来的,这种缔合归结于
异戊二烯的不饱和状态。他们自信地预言:橡胶加氢将会破坏这种缔合,得到的产物将是一种低沸点的低分子
烷烃,针列这一点,施陶丁格研究了天然橡胶的加氢过程,结果得到的是加
氢橡胶而不是低分子烷烃,而且加氢橡胶在性质上与天然橡胶几乎没有什么区别。结论增强了他关于天然橡胶是由长链大分子构成的信念。随后他又将研究成果推广到
多聚甲醛和
聚苯乙烯,指出它们的结构同样是由
共价键结合形成的长链大分子。
施陶丁格的观点继续遭到胶体论者的激烈反对,有的学者曾劝告说:“离开大分子这个概念吧!根本不可能有大分子那样的东西”但是施陶丁格没有退却;他更认真地开展有关课题的深入研究,坚信自己的理论是正确的。为此他先后在1924年及1926年召开的德国博物学及医学会议上,1925年召开的德国化学会的会议上详细地介绍了自己的大分子理论,与胶体论者展开了面对面的辩论。
辩论问题
辩论主要围绕着两个问题:一是施陶丁格认为测定高分子溶液的粘度可以换算出其分子量,分子量的多少就可以确定它是大分子还是小分子。胶体论者则认为粘度和
分子量没有直接的联系,当时由于缺乏必要的实验证明,施陶丁格显得较被动,处于劣势。施陶丁格没有却步,而是通过反复的研究,终于在粘度和分子量之间建立了定量关系式,这就是著名的施陶丁格方程。辩论的另一个问题是高分子结构中
晶胞与其分子的关系。双方都使用
X射线衍射法来观测纤维素,都发现单体(小分子)与
晶胞大小很接近。对此双方的看法截然不同。胶体论者认为一个晶胞就是一个
分子,晶胞通过晶格力相互缔合,形成高分子。施陶丁格认为晶胞大小与高分子本身大小无关,一个高分子可以穿过许多晶胞。对同一
实验事实有不同解释,可见正确的解释与正确的实验同佯是重要的。科学的裁判是实验事实。正当双方观点争执不下时,1926年瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机,用它测量出蛋白质的分子量:证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。这一事实成为大分子理论的直接证据。
最后结果
事实上,参加这场论战的
科学家都是严肃认真和热烈友好的,他们为了追求科学的真理,都投入了严密的实验研究,都尊重客观的实验事实。当许多实验逐渐证明施陶丁格的理论更符合事实时,支持施陶丁格的队伍也随之壮大,到1926年的化学会上除一人持保留态度外,大分子的概念已得到与会者的一致公认。
在大分子理论被接受的过程中,最使人感动的是原先大分子理论的两位主要反对者,晶胞学说的权威
马克和迈那在1928年公开地承认了自己的错误,同时高度评价了施陶了格的出色工作和坚韧不拔的精神,并且还具体地帮助施陶丁格完善和发展了大分子理论。这就是真正的科学精神。
获诺贝尔奖
1932年,施陶丁格总结了自己的大分子理论,出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》成为高分子科学诞生的标志。认清了高分子的面目,合成高分子的研究就有了明确的方向,从此新的高分子被大量合成,高分子合成工业获得了迅速的发展。为了表彰施陶丁格在建立高分子科学上的伟大贡献,1953年他被授予
诺贝尔化学奖。
高分子化学
奠基人
棉、麻、丝、木材、
淀粉等都是天然
高分子化合物,从某种意义上来说,甚至连人本身也是一个复杂的高分子体系。在过去漫长的岁月中,人们虽然天天与天然高分子物质打交道,对它们的本性却一无所知。我们已认识什么是高分子,并建立了颇具规模的高分子合成工业,生产出五光十色的
塑料、美观耐用的合成
纤维、性能优异的
合成橡胶,致使
高分子合成材料与
金属材料、
无机非金属材料并列构成材料世界的三大支柱。面对这一辉煌成就,我们不能不缅怀高分子科学的奠基人、德国化学家施陶丁格。
高分子定义
高分子是由许多结构相同的单体聚合而成的,分子量往往是几万、几十万。结构的形状也很特别,如果说普通分子像个小球,那么高分子由于单体彼此连接成长链,就像一根有50米长的
麻绳。有些高分子长链之间又有短链相结而成网状。又由于大分子与大分子之间存在引力,这些长链不但各自卷曲而且相互缠绕,形成了既有一定强度、又有不同程度弹性的固体。固为分子大,长链一头受热时,另一头还不热,故熔化前有个软化过程,这就使它具有良好的可塑性,正是这种内在结构,使它具有包括电绝缘在内的许多特性,成为新型的优质材料。人们对它们的组成、结构的认识和合成方法的掌握经历了一个实践——认识——实践的曲折过程。
研究历史
1812年,化学家在用酸水解木屑、
树皮、淀粉等植物的实验中得到了
葡萄糖,证明淀粉、纤维素都由葡萄糖组成。1826年,
法拉第通过元素分析发现橡胶的单体分子是C5H8,后来人们测出C5H8的结构是
异戊二烯。就这样,人们逐步了解了构成某些天然高分子化合物的单体。
1839年,有个名叫古德意尔的美国人,偶然发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能,使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质,变为富有弹性、可塑性的材料。这一发现的推广应用促进了天然橡胶
工业的建立。天然橡胶这一处理方法,在化学上叫作高分子的化学改性,在工业上叫作天然橡胶的硫化处理。
进一步试验,化学家们将纤维素进行化学改性获得了第一种人造塑料——赛璐珞和人造丝。1889年法国建成了最早的人造丝工厂,1900年
英国建成了以
木浆为原料的
粘胶纤维工厂,天然高分子的化学改性,大大开阔了人们的视野。1907年,
美国化学家在研究苯酚和甲醛的反应中制得了最早的合成塑料——
酚醛树脂,俗名电木。1909年德国化学家以热引发聚合异戊二烯获得成功。在这一实验启发下,德国化学家采用与异戊二烯结构相近的二甲基
丁二烯为原料,在金属钠的催化下,合成了甲基橡胶,开创了合成橡胶的工业生产。
研究困难
上述对高分子化合物的单体分析,天然高分子的化学改住的实践和在合成塑料、合成橡胶方面的探索,使人们深切地感到必须弄清
高分子化合物的组成、结构及合成方法。对于这个基础理论问题人们所知甚少,这一理论发展的缓慢与高分子本身的复杂特性有关。化学家们一直搞不清它们的分子量究竟是多少,它为什么难以透过
半透膜而有点像胶体,它为什么没有固定的熔点和沸点,不易形成结晶?这些独特的性质以当时流行的化学观来看是很难理解的。
早在1861年,胶体化学的奠基人,英国化学家格雷阿姆曾将高分子与胶体进行比较,认为高分于是由一些小的结晶分子所形成。并从高分子溶液具有胶体性质着眼,提出了高分子的胶体理论。这理论在一定程度上解释了某些高分子的特性,得到许多化学家的支持。尽管也有化学家提出了不同看法,但均未引起注意。我们将支持格雷阿姆的高分子胶体理论的称为胶体论者。他们拿胶体化学的理论来套高分子物质,认为纤维素是葡萄糖的缔合体。所谓缔合即小分子的物理集合。他们还因当时无法测出高分子的末端究
甲醛和丙二烯的聚合反应出发,认为聚合不同于缔合,它是分子靠正常的化学键结合起来。天然橡胶应该具有线性直链的
价键结构式。这篇论文的发表,就像在一潭平静的湖水中扔进一块石头,引起了一场激烈的论战。