Hermann Staudinger

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Hermann Staudinger
Das Grab Staudingers auf dem Freiburger Hauptfriedhof

Hermann Staudinger (* 23. März 1881 in Worms; † 8. September 1965 in Freiburg im Breisgau) war ein deutscher Chemiker und Nobelpreisträger.

Staudinger war organischer Chemiker und hat die makromolekulare Chemie (Polymerchemie, Chemie der Makromoleküle) begründet. Er hat wichtige Beiträge zur Strukturaufklärung der Makromoleküle Cellulose, Stärke, Kautschuk, Polystyrol geleistet. Er entdeckte die Stoffgruppe der Ketene und fand ein Verfahren zur Darstellung von Diazomethan, eine Reduktionsmethode von Carbonylgruppen zu Methylengruppen.

Leben[Bearbeiten]

Hermann Staudinger kam als Sohn des Gymnasialprofessors Franz Staudinger und dessen Ehefrau Auguste Staudinger, geborene Wenck, zur Welt. Er hatte zwei Brüder und eine Schwester. Sein Vater war ein führender Theoretiker der Genossenschaftsbewegung und mit tonangebenden Sozialdemokraten, unter anderem August Bebel und Eduard Bernstein, bekannt. Mit letzterem verband ihn eine lebenslange Freundschaft. Hermann Staudinger entstammt einer Staudingerlinie aus Marburg, die sich ca. bis in das Jahr 1540 zurückverfolgen lässt. Er ist aber nicht mit Julius von Staudinger, dem Autor des Kommentars zum BGB, verwandt.

Vor Aufnahme seines Studiums erlernte Hermann Staudinger das Tischler- und Schreinerhandwerk. Der Impuls für diese Lehre ging von seinem Vater aus, der das Verständnis seiner Kinder für die Lebenswelt der Arbeiterschaft sicherstellen wollte. Auch sein jüngerer Bruder Hans Staudinger, später Spitzenbeamter im Reichswirtschaftsministerium und im preußischen Handelsministerium sowie nach seiner Emigration Professor für Wirtschaftswissenschaften in New York, ist diesem Wunsch des Vaters gefolgt.

Nach dem Abitur im Jahre 1899 am altsprachlichen Gymnasium in Worms studierte Staudinger Chemie in Halle (Saale), Darmstadt und München. 1903 wurde er bei Jacob Volhard in Halle promoviert und war daraufhin bis 1907 als wissenschaftlicher Assistent in Straßburg unter Johannes Thiele tätig. Hier entdeckte er die Ketene und deren große Reaktionsfähigkeit. Sie wurden zum Thema seiner Habilitationsschrift (1907).

Staudinger wurde danach auf eine außerordentliche Professur am Institut für Organische Chemie in Karlsruhe berufen. Im Jahre 1912 folgte er einem Ruf an die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich. Hier begann er seine Forschungen an hochmolekularen Stoffen, wie Cellulose und Kautschuk. Anders als die meisten seiner Kollegen lehnte er es im Ersten Weltkrieg ab, nationalistische und kulturimperialstische Aufrufe wie das Manifest der 93 und die Erklärung der Hochschullehrer des Deutschen Reiches zu unterzeichnen, und verweigerte ebenfalls anders als fast alle seine Kollegen abgesehen von Max Born und Albert Einstein eine Mitarbeit an Forschung und Entwicklung chemischer Waffen für den Gaskrieg während des Ersten Weltkrieges und lehnte deren Einsatz ab. Stattdessen sprach er sich für einen sofortigen Friedensschluss nach Eintritt der USA in den Krieg aus. 1919 kam es zu einem kontroversen Disput zwischen ihm und Fritz Haber wegen dessen führender Rolle im Gaskrieg der deutschen Seite.[1]

1926 folgte Staudinger einem Ruf an das Institut für Organische Chemie der Universität Freiburg. Hier erfolgten seine bahnbrechenden Arbeiten zur makromolekularen Chemie.

Nach der Machtübernahme Hitlers geriet Staudinger in Misskredit, und es wurde ein Amtsenthebungsverfahren gegen ihn eingeleitet. Er blieb jedoch im Amt. Auslandsreisen wurden ihm jedoch verwehrt. Nach seiner Emeritierung 1951 führte er das in Freiburg 1940 gegründete Institut für Makromolekulare Chemie noch bis 1956. Das 1962 neu dafür errichtete Institutsgebäude trägt heute den Namen Hermann-Staudinger-Haus.

Wissenschaftliches Werk[Bearbeiten]

Im Jahr 1905 entdeckte Staudinger durch Umsetzung von 2-Chlor-2,2-diphenylacetylchlorid mit Zink das Diphenylketen. Dieses einfachste Keten entsteht aus Chloracetylchlorid und Zink. Später untersuchte er die Umsetzung der Ketene mit Alkoholen unter basischem Katalysatoreinfluss.[2] In Karlsruhe lag zwischen 1907 und 1912 sein Interesse auch an einer synthetischen Darstellung von Isopren und 1,3-Butadien sowie an einer Polymerisation der Ketene. Chemieunternehmen nutzten Keten in späterer Zeit zur großtechnischen Herstellung von Säureanhydriden (Essigsäureanhydrid).

Staudinger hat sich in Karlsruhe auch mit Umsetzungen des Oxalylchlorids und mit aliphatischen Diazoverbindungen befasst.

An der ETH Zürich untersuchte Staudinger die Oxidation von Benzylaldehyd mit Wasserstoffperoxid zu Peroxybenzoesäure (die er in seiner Publikation Benzoyl-wasserstoffsuperoxyd nennt) und schlug dafür auch einen Reaktionsmechanismus vor.[3] Durch Addition von Sauerstoff an Diphenylethen und Ketene bildeten sich hochmolekulare Peroxide und Ketenoxide.[4][5]

Ketene addieren sich leicht an Doppelbindungen (C=C-, C=N-, N=O-, N=N-) an, so dass neue Vierringsynthesen möglich wurden (z. B. β-Lactame). Bei der thermischen Zersetzung von Ketenen bildeten sich leicht reaktive Carbene. Carbene bilden sich auch aus Diazomethan; Staudinger fand eine neue Darstellungsmethode von Diazomethan aus Chloroform und Hydrazin unter basischen Bedingungen. Die aliphatischen Verbindungen der Diazoverbindungen zeigten Analogien zu Ketenen.[6] Die Umsetzung von Carbonylverbindungen mit Hydrazin ergab Hydrazone. Unter basischen Bedingungen ließen sich diese in die entsprechenden Kohlenwasserstoffe überführen, diese Umsetzung wurde später als Wolff-Kishner-Reduktion bezeichnet.

In einem Steinbruch bei Zürich unternahm er auch einen ebenso denkwürdigen wie erfolglosen Versuch zur Diamantsynthese: In einem Druckbehälter brachte er Tetrachlormethan (CCl4) und metallisches Natrium zur Explosion, von der er in seinen Memoiren schreibt, dass der Schlag bis Paris gehört worden sei. Die zugrunde liegende Idee war, dass die Chloratome des CCl4 sich mit dem Natrium zu Natriumchlorid verbinden würden und der freie Kohlenstoff unter dem Druck der Explosion Diamantstruktur annehmen würde.

Für den analytischen Nachweis und die Struktur von makromolekularen Stoffen gab es zu Beginn von Staudingers Arbeiten noch keine Kenntnisse. Staudinger konnte zeigen, dass sich makromolekulare Stoffe zwar aus mehreren tausend Molekülsegmenten zusammensetzen, jedoch keine Aggregate oder Kolloide sind. Bei Makromolekülen sind die Einzelmoleküle über Bindungen verknüpft. Mit der Synthese des Polyoxymethylens im Jahre 1927 und der Bestimmung der Molekülmassen von Makromolekülen konnte Staudinger dies nachweisen.

Bereits im Jahr 1920 hatte Staudinger postuliert, dass es riesig große Moleküle gibt, die aus über 100.000 Atomen bestehen könnten. Diese Moleküle müssten kettenförmig aus gleichen Einheiten aufgebaut sein. Im Jahr 1922 prägte Staudinger den Begriff Makromolekül.

Vor Staudingers Thesen war zwar das Wort Polymer in Gebrauch, jedoch waren gänzlich andere Thesen zur Bindung und der Größe dieser Polymere im Umlauf. Johannes Thiele vermutete, dass sich zwischen den ungesättigten Bindungen sogenannte Partialvalenzen ausbilden, die eine sehr starke Kraftwirkung auf andere Einzelmoleküle haben sollten.[7] Es wurde angenommen, dass die Einzelmoleküle in Polymeren ihre Selbständigkeit nicht verlieren. Daher lehnte G. Schröter die Konstitutionsformeln von Staudinger über das polymere Diphenylketen (Ringverbindung aus vier Kohlenstoffatomen) ab. Im Jahr 1920 gab Staudinger eine ausführliche experimentelle Begründung seiner Ringformel.[8],[9]

Hinsichtlich komplexerer Polymerisationen, die nicht nur Dimere sondern Makromoleküle ergeben, schrieb Staudinger im Jahr 1920 (S. 1081) :

Will man sich eine Vorstellung über die Bildung und Konstitution solcher hochmolekularen Stoffe machen, so kann man annehmen, daß primär eine Vereinigung von ungesättigten Molekülen eingetreten ist, ähnlich einer Bildung von Vier- und Sechsringen, daß aber aus irgend einem, evtl. sterischen, Grunde der Vier- oder Sechsringschluß nicht stattfand, und nun zahlreiche, evtl. hunderte von Molekülen sich zusammenlagern, so lange bis sich ein Gleichgewichtszustand zwischen den einzelnen großen Molekülen, der von der Temperatur, Konzentration und dem Lösungsmittel abhängen mag, eingestellt hat.

Im Artikel gab Staudinger auch kettenförmige Molekülstrukturen für Paraformaldehyd, Polystyrol und Kautschuk an. In der Folgezeit suchte Staudinger Methoden der Konstitutionsermittlung von makromolekularen Molekülen.[10],[11] Ein wichtiges Polymer für seine Untersuchung war zunächst Paraformaldehyd. Die freien endständigen Hydroxygruppen konnten mit Schwefelsäureestern zu Methylethern umgesetzt werden. Auch mit Essigsäureanhydrid war die Abschirmung der Endgruppen möglich. Der Gehalt an Hydroxygruppen ließ sich auf die Molekularmasse beziehen, so dass sich die Molekulargewichte der Makromoleküle abschätzen ließen.[12],[13]

Später untersuchten Staudinger und seine Mitarbeiter auch die Cellulose, sie nutzten dazu Viskositätsmessungen.[14] Der Unterschied zwischen Cellulose und Stärke basiert nach Untersuchungen von Staudinger und H. Eilers auf der Bindungsweise (Stärke α-glycosidisch, Cellulose β-glycosidisch).[15] Mit Husemann fand Staudinger Kettenverzweigungen und kugelförmige Stärkemoleküle.[16]

Auch zur Struktur von Kautschuk konnte Staudinger einige grundlegende Entdeckungen machen. Fritschi und Staudinger reduzierten den Kautschuk unter Druck und erhielten Hydrokautschuk.[17] Staudinger stellt die These auf, dass Kautschuk in linearen Ketten von Isopreneinheiten vorliegt.[18][19] Staudinger gab die chemische Struktur und die durchschnittliche Kettenlänge von Kautschuk an.[20] Zu den Polymerstrukturen von Kautschuk und Guttapercha fand Staudinger heraus, dass es sich um Unterschiede in der Konfiguration der im Polymer vorhandenen Doppelbindungen handeln müsse.[21]. Allerdings folgerte er aus der Dichte der Polymere, dass Kautschuk trans- und Guttapercha cis-Doppelbindungen enthalten müsse. Heute weiß man, dass es umgekehrt ist.

Institut für Makromolekulare Chemie der Uni Freiburg, Hermann-Staudinger-Haus
Gedenktafel „Historische Stätten der Chemie“ im Hermann-Staudinger-Haus

Staudinger entwickelte auch ein Verfahren, um aus der Viskosität einer Lösung das Molekulargewicht von Makromolekülen zu bestimmen (siehe Mark-Houwink-Gleichung, auch Staudinger-Kuhn-Gleichung genannt, Staudinger-Index).[22]

Bei der 1919 nach ihm benannten Staudinger-Reaktion (Namensreaktion) werden Azide mit Triphenylphosphin unter Bildung eines intermediären Triphenylphosphanimins in Amine umgewandelt.

Neben den komplexen Strukturen von Makromolekülen vermittelte er seinen Studenten auch Techniken zur Analyse komplexer Einzelstoff-Gemische in seinem 1923 erstmals erschienenen Lehrbuch.[23] Sogenannte "Staudinger-Analysen" waren über Generationen im Studium gefürchtet. Heute wird hierfür die moderne instrumentelle Analytik eingesetzt.

Ehrungen und Mitgliedschaften[Bearbeiten]

Nach ihm sind die Staudingerschule in Worms, die Staudinger-Gesamtschule in Freiburg, die Hermann-Staudinger-Realschule in Konz und das Hermann-Staudinger-Gymnasium Erlenbach benannt. Der Hermann-Staudinger-Preis für Makromolekulare Chemie ist nach ihm benannt, ebenso der „Staudinger-Durrer-Preis“ der ETH Zürich.[24]

Werke (Auswahl)[Bearbeiten]

  • Arbeitserinnerungen. Hüthig Verlag, Heidelberg 1961.
  • Thesen zur Größe und Struktur der Makromoleküle. Ursachen und Hintergründe eines akademischen Disputes. Verlag Chemie, Weinheim 1980, ISBN 3-527-25838-8 (zusammen mit Hermann Franz Mark und Kurt Heinrich Meyer)
  • Die Ketene, Verlag Enke, Stuttgart 1912
  • Anleitung zur qualitativen organischen Analyse, Verlag Springer, Berlin 1923
  • Tabellen zu den Vorlesungen der allgemeinen und anorganischen Chemie, Verlag Braun, Karlsruhe 1927
  • Die hochmolekularen Verbindungen, Kautschuk und Cellulose, Verlag Springer, Berlin 1932
  • Organische Kolloidchemie, Verlag Vieweg, Braunschweig 1940
  • Fortschritte der Chemie, Physik und Technik der makromolekularen Stoffe, zusammen mit Prof. Vieweg und Prof. Röhrs, Verlag Lehmann, München 1939
  • Vom Aufstand der technischen Sklaven, Verlag Chamier, Essen-Freiburg 1947
  • Die makromolekulare Chemie und ihre Bedeutung in der Protoplasmaforschung, Springer Verlag, Wien 1954

Literatur[Bearbeiten]

  • Elfriede Husemann (Hrsg.): Staudinger-Festband. Hüthig Verlag, Heidelberg 1956.
  • Magda Staudinger: Das wissenschaftliche Werk Hermann Staudingers. Gesammelte Arbeiten nach Sachgebeten geordnet. Hüting & Wepf, Basel 1969.
  • Claus Priesner: Hermann Staudinger und die makromolekulare Chemie in Freiburg, in: Chemie in unserer Zeit 21, 1987, S. 151–160
  • Adolf Steinhofer: Hermann Staudinger, Chemie in unserer Zeit, S. 122-126 (1965)
  • Paul Walden: Geschichte der organischen Chemie seit 1880, Springer Verlag, Berlin 1972, ISBN 3-540-05267-4

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Hermann Staudinger – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Hans Georg Tilgner 2000: Forschen - Suche und Sucht. Books on Demand, ISBN 978-3-89811-272-7
  2. Lieb. Ann. d. Ch. 356, 87 (1907)
  3. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 46, 3533 (1913)
  4. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 58, 1075 (1925)
  5. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 58, 1079 (1925)
  6. Helvet. Chmica Acta 5, 87 (1922)
  7. Lieb. Ann. d. Ch. 306, 92 (1899)
  8. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 53, 1073,1085,1092 (1920)
  9. Helv. Chim. Acta 7, 3 (1924)
  10. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 59, 3019 (1926)
  11. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 69, 1168 (1936)
  12. Lieb. Ann. d. Ch. 474, 145 (1929)
  13. Z. Angew. Chem. 49, 810 (1936)
  14. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 63, 2317, 3132 (1930)
  15. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 69, 827 (1936)
  16. Lieb. Ann. d. Ch. 527, 195 (1937)
  17. Helvet. Chmica Acta 5, 785(1922)
  18. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 57, 1205 (1924)
  19. Lieb. Ann. d. Ch. 468, 1 (1929)
  20. Z. Angew. Chem. 49, 804 (1936)
  21. Ber. d. Deut. Chem. Ges., 63, 927 (1930)
  22. Z. Angew. Chem. 45, 276 (1932)
  23. Anleitung zur organischen qualitativen Analyse
  24. Staudinger Durrer Prize auf der Website des Departement of Materials der ETH Zürich, abgerufen am 5. Dezember 2013.