Карл Дитрих Херис

Карл Дитрих Херис (Carl Dietrich Harries) е роден на 5 август 1866 година во Луксембург, а израснал и се школувал во Германија. Студирал хемија во Марбург, каде што бил под менторство на познатиот хемичар Херман Колбе, а потоа и во Хајделберг и Берлин. Иако не е меѓу најпознатите имиња во историјата на хемијата, неговото дело изврши значително влијание врз полимерната хемија и ја отвори вратата кон современото разбирање на природната гума. Тој починал релативно млад, во 1923 година.

До крајот на 19 век, природната гума или каучукот била сметана за „неодредена маса“ – супстанца со непозната структура и сложено однесување. Додека металите, киселините и другите органски соединенија биле добро изучени, гумата од дрвото Hevea brasiliensis била енигма. Не можела лесно да се кристализира, да се дестилира или да се анализира со класичните методи. Но била мошне важна индустриска суровина – користена за гуми, црева, облека и електрична изолација.

Херис развива метод кој денес е познат како озонолиза, реакција со која алкените се разложуваат со озон (O₃), создавајќи соединенија што можат да бидат анализирани. Тој ја применил оваа техника врз гумата и направил револуционерно откритие:

Природната гума е составена од поврзани единици на изопрен (2-метил-бута-1,3-диен, C₅H₈).  Toj е бистра, безбојна, испарлива течност која е и лесно запалива и доста експлозивна. Класифициран е како диенско соединение бидејќи неговите молекули содржат две („ди-“) двојни врски („-ен“). Исто така е член на семејството терпенi. Терпените се големо семејство на органски соединенија кои содржат две или повеќе изопренски единици. Пример за терпен е витаминот А, чија молекулска формула е C₂₀H₃₀O. Витаминот А содржи четири изопренски единици. Терпените се јавуваат изобилно во природата и кај растенијата и кај животните. Оваа супстанца, полимер на изопрен, е особено корисна: гума.

„Гуменото дрво“ Hevea brasiliensis произведува латекс, леплива бела течност, како заштита од тревопасни животни. Латексот е водена суспензија од гумени честички. Полимерните синџири во гумата содржат помеѓу 320 и 35.000 изопренски единици поврзани заедно со двојни врски во cis распоред. Ова ги прави синџирите еластични. Ова е многу корисно кај гумените ленти, но ги ограничува нивните примени.

Формула на изопренот:

CH₂=C(CH₃)-CH=CH₂

Херис ја обработил гумата со озон, кој реагира со двојните врски на полимерот. Овој процес го разложува долгата полимерна низа на помали молекули – најчесто алдехиди или кетони – кои може да се анализираат.

Општа равенка:

R-CH=CH-R' + O₃ →  R-CH(O)-CH(O)-R'  →  R-CHO  +  R'-CHO (по редукција)

Во случајот на изопренските единици, по озонолиза и последователна работа, се добивале молекули како левулински алдехид, што укажувало на повторувачка C₅ единица во структурата.

Херис често се шегувал дека го „исекол“ каучукот – не со ножици, туку со озон. Во лабораторијата, кога ученици го прашувале како изгледа хемиски каучукот, тој им ги покажувал малите алдехидни молекули добиени по озонолиза и велел:
„Ова е тоа што се крие зад неговата еластичност – редови и редови на изопрен!“

Полимеризацијата на изопрен

Благодарение на ова откритие, Херис прв ја откри молекуларната основа на гумата – дека таа е полимер на изопрен. Денес го изразуваме тоа вака:

Полимеризација на изопрен:

n CH₂=C(CH₃)-CH=CH₂ → –[CH₂–C(CH₃)=CH–CH₂] _n  – 

Овој полимер се нарекува полиизопрен, а природната гума е претежно цис-1,4-полиизопрен.

Значење на озонолизата

Озонолизата е реакција во која алкен реагира со озон (O₃), при што се прекинува двојната врска C=C и се добиваат карбонилни соединенија – алдехиди или кетони, во зависност од структурата на алкенот. Таа е мошне корисна во органската хемија за идентификација и структурно разложување на непознати соединенија.

Ако земеме еден општ алкен од формата R₁CH=CHR₂, озонолизата протекува вака:

R₁CH=CHR₂   +   O₃   → R₁CHO  +   R₂CHO

Или, ако R₁ и R₂ се различни групи, продуктите се различни алдехиди или кетони:

• ако еден од R е водород → алдехид
• ако двата R се алкил-групи → кетон

Пример: Озонолиза на етен (етилен)

CH₂ = CH₂ + O₃ → 2HCHO

Озонолиза на етилен резултира со формалдехид (HCHO).

Пример: Озонолиза на бут-2-ен

CH₃CH = CHCH₃ + O₃ →  2CH₃COCH₃_

Добиените производи се кетони – во овој случај, ацетон (CH₃COCH₃).

Методот на Херис не останал само алатка за анализа на гумата. Денес озонолизата е:

• Клучен метод за одредување на позицијата на двојни врски во органски соединенија.
• Метод за синтеза на алдехиди, кетони и карбоксилни киселини.
• Важен процес во анализа на незаситени масни киселини и природни производи.

Иако Херис никогаш не добил Нобелова награда, неговиот метод го отвори патот кон:

• Вулканизацијата на гумата која доби рационална основа.
• Развојот на синтетички гуми во 20 век.
• Подобро разбирање на структурата на биополимерите, вклучително и ДНК.
• Работел и за Elberfelder Farbenfabriken, компанија која подоцна се спои со Bayer, каде развил процеси за анализа и модификација на природни производи. Бил активен и во развојот на мирисни и боени супстанци, кои биле основа за индустријата на парфеми и бои.

Карл Херис покажа дека зад „аморфните“ и „неструктурирани“ материјали се крие молекуларна логика. Со својот метод ја демистифицираше гумата и го постави темелот на полимерната хемија. Денес неговиот придонес е неизбришлив дел од органската анализа, хемиската индустрија и историјата на науката.