La différence la plus fondamentale entre les composés de faible poids moléculaire et les composés macromoléculaires réside dans le fait que ces derniers peuvent présenter des propriétés qui ne peuvent pas être déduites d'un examen approfondi des matériaux de faible poids moléculaire.
Hermann Staudinger était un chimiste organique allemand qui a démontré l'existence des macromolécules, qu'il a caractérisées comme des polymères. Pour ces travaux, il a reçu le prix Nobel de chimie en 1953.
Il est également connu pour sa découverte des cétènes et de la réaction de Staudinger. Staudinger, en collaboration avec Leopold Ružička, a également élucidé les structures moléculaires de la pyréthrine I et II dans les années 1920, ce qui a permis le développement des insecticides pyréthroides dans les années 1960 et 1970.
Premiers travaux
Staudinger est né en 1881 à Worms. Staudinger, qui voulait initialement devenir botaniste, a étudié la chimie à l'Université de Halle, à la TH Darmstadt et à la LMU Munich. Il a reçu son « Verbandsexamen » comparable à un Master de la TH Darmstadt. Après avoir obtenu son doctorat à l'Université de Halle en 1903, Staudinger s'est qualifié comme maître de conférences à l'Université de Strasbourg en 1907.
C'est là qu'il a découvert les cétènes, une famille de molécules caractérisées par la forme générale représentée à la Figure 1. Les cétènes se sont avérés être un intermédiaire synthétiquement important pour la production d'antibiotiques encore à découvrir, tels que la pénicilline et l'amoxicilline.
En 1907, Staudinger a commencé un poste de maître de conférences à l'Université technique de Karlsruhe. Ici, il a isolé avec succès un certain nombre de composés organiques utiles, notamment un arôme de café synthétique, examiné plus complètement par Rolf Mülhaupt.
La réaction de Staudinger
En 1912, Staudinger a accepté un nouveau poste à l'Institut fédéral suisse de technologie de Zurich, en Suisse. L'une de ses premières découvertes a eu lieu en 1919, quand lui et son collègue Meyer ont rapporté que les azides réagissent avec la triphénylphosphine pour former des phosphinimines Figure 2. Cette réaction – communément appelée réaction de Staudinger – produit un rendement élevé en phosphinimine.
Chimie des polymères
Tandis qu'il était à Karlsruhe et plus tard à Zurich, Staudinger a commencé ses recherches sur la chimie du caoutchouc, pour lequel des poids moléculaires très élevés avaient été mesurés par les méthodes physiques de Raoult et van 't Hoff. Contrairement aux idées dominantes voir ci-dessous, Staudinger a proposé dans un article de référence publié en 1920 que le caoutchouc et d'autres polymères tels que l'amidon, la cellulose et les protéines sont de longues chaînes d'unités moléculaires courtes répétitives liées par des liaisons covalentes. En d'autres termes, les polymères sont comme des chaînes de trombones, composées de petites parties constitutives liées d'un bout à l'autre Figure 3.
À l'époque, les grands chimistes organiques tels que Emil Fischer et Heinrich Wieland croyaient que les poids moléculaires mesurés élevés n'étaient que des valeurs apparentes causées par l'agrégation de petites molécules en colloïdes. Au début, la majorité des collègues de Staudinger ont refusé d'accepter la possibilité que de petites molécules puissent se lier covalemment pour former des composés de haut poids moléculaire. Comme Mülhaupt le note justement, cela est dû en partie au fait que la structure moléculaire et la théorie des liaisons n'étaient pas entièrement comprises au début du XXe siècle.
En 1926, il a été nommé maître de conférences en chimie à l'Université de Freiburg à Freiburg im Breisgau Allemagne, où il a passé le reste de sa carrière. En 1927, il a épousé la botaniste letton, Magda Voita également connue sous le nom allemand : Magda Woit, qui a été une collaboratrice avec lui jusqu'à sa mort et dont il a reconnu les contributions dans son discours de réception du prix Nobel. D'autres preuves soutenant son hypothèse sur les polymères ont émergé dans les années 1930. Les poids moléculaires élevés des polymères ont été confirmés par osmométrie membranaire, et également par les mesures de viscosité en solution de Staudinger. Les études de diffraction des rayons X des polymères par Herman Mark ont fourni des preuves directes de longues chaînes d'unités moléculaires répétitives. Et les travaux synthétiques menés par Carothers ont démontré que les polymères tels que le nylon et le polyester pouvaient être préparés par des réactions organiques bien comprises. Sa théorie a ouvert le sujet à un développement ultérieur et a contribué à placer la science des polymères sur une base solide.
Héritage
L'élucidation révolutionnaire par Staudinger de la nature des composés de haut poids moléculaire qu'il a appelés Makromoleküle a ouvert la voie à la naissance du domaine de la chimie des polymères. Staudinger lui-même a vu le potentiel de cette science bien avant qu'elle ne soit pleinement réalisée. « Il n'est pas improbable », a commenté Staudinger en 1936, « que tôt ou tard on découvre un moyen de préparer des fibres artificielles à partir de produits synthétiques de haut poids moléculaire, car la résistance et l'élasticité des fibres naturelles dépendent exclusivement de leur structure macromoléculaire – c'est-à-dire de leurs longues molécules en forme de fil. »
Staudinger a fondé le premier journal de chimie des polymères en 1940, et en 1953 a reçu le prix Nobel de chimie pour « ses découvertes dans le domaine de la chimie macromoléculaire ». En 1999, l'American Chemical Society et la Gesellschaft Deutscher Chemiker ont désigné les travaux de Staudinger comme un repère historique chimique international. Ses recherches pionnières ont fourni au monde une multitude de plastiques, de textiles et d'autres matériaux polymères qui rendent les produits de consommation plus abordables, attrayants et amusants, tout en aidant les ingénieurs à développer des structures plus légères et plus durables.
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