Карл Циглер

Карл Циглер (нем. Karl Ziegler; 26 ноября 1898, Хельса, Германия — 12 августа 1973, Мюльхайм-ан-дер-Рур, ФРГ) — немецкий химик-органик, лауреат Нобелевской премии по химии 1963 года (совместно с Джулио Натта) за открытия в области химии и технологии высокополимеров. Наиболее известен разработкой катализаторов Циглера — Натта, которые произвели революцию в промышленности пластмасс, позволив получать полиэтилен и полипропилен с заданными свойствами при низком давлении.

Биография

Ранние годы и образование

Карл Циглер родился 26 ноября 1898 года в городе Хельса (ныне часть города Кассель, земля Гессен) в семье лютеранского пастора. После окончания гимназии в 1916 году был призван на военную службу в годы Первой мировой войны, но вскоре демобилизован из-за болезни. В 1917 году поступил в Марбургский университет, где изучал химию под руководством Карла фон Ауверса. В 1920 году защитил диссертацию на тему «Исследования в области свободных радикалов» и получил степень доктора философии.

Научная карьера

После защиты диссертации Циглер работал ассистентом во Франкфуртском университете, а затем в 1925 году завершил хабилитацию в Гейдельбергском университете. В 1926 году стал профессором химии в Гейдельбергском университете, а в 1936 году перешёл в Галле-Виттенбергский университет. В 1943 году Циглер был назначен директором Института исследований угля Общества кайзера Вильгельма (ныне Институт исследований угля Общества Макса Планка) в Мюльхайме-ан-дер-Рур, где проработал до выхода на пенсию в 1969 году.

В послевоенные годы Циглер активно сотрудничал с промышленностью, в частности с компанией Farbwerke Hoechst (ныне часть Sanofi). В 1953 году он совершил своё главное открытие — катализаторы для полимеризации этилена при низком давлении. В 1963 году совместно с итальянским химиком Джулио Натта был удостоен Нобелевской премии по химии «за открытия в области химии и технологии высокополимеров».

Циглер скончался 12 августа 1973 года в Мюльхайме-ан-дер-Рур.

Научные достижения

Исследования свободных радикалов и металлоорганических соединений

Ранние работы Циглера были посвящены химии свободных радикалов, в частности трифенилметильного радикала. Он установил, что стабильность таких радикалов зависит от пространственных затруднений (стерических эффектов). В 1930-х годах Циглер переключился на изучение металлоорганических соединений, особенно литий- и алюминийорганических соединений. Он разработал методы синтеза алкилпроизводных лития и алюминия, которые стали важными реагентами в органическом синтезе.

Катализаторы Циглера — Натта

Главным достижением Циглера стало открытие в 1953 году каталитической системы для полимеризации этилена. Он обнаружил, что смесь триэтилалюминия (Al(C₂H₅)₃) и тетрахлорида титана (TiCl₄) способна полимеризовать этилен при атмосферном давлении и температуре 60–70 °C, образуя линейный полиэтилен высокой плотности (ПЭВП). До этого полиэтилен получали только при высоком давлении (до 3000 атм) и температуре 200 °C, что приводило к разветвлённой структуре полимера.

В 1954 году итальянский химик Джулио Натта модифицировал катализатор Циглера, заменив TiCl₄ на трихлорид титана (TiCl₃), что позволило полимеризовать пропилен с образованием стереорегулярного (изотактического) полипропилена. Эти каталитические системы получили название катализаторы Циглера — Натта. Они представляют собой комплексы переходных металлов (Ti, V, Cr) с металлоорганическими соединениями (Al, Li, Mg) и позволяют контролировать стереохимию полимерной цепи.

Механизм полимеризации

Циглер и Натта предложили механизм полимеризации, включающий координацию мономера (этилена или пропилена) на атоме переходного металла, внедрение мономера по связи металл — углерод и рост цепи. Этот механизм объясняет, почему катализаторы Циглера — Натта дают высокую стереорегулярность (изотактичность) полипропилена: каждый новый мономер присоединяется с одинаковой пространственной ориентацией.

Применение открытий

Промышленное производство полиэтилена

Катализаторы Циглера — Натта позволили наладить промышленное производство полиэтилена низкого давления (ПЭНД) и линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП). ПЭНД обладает высокой прочностью, жёсткостью и химической стойкостью, что делает его незаменимым для изготовления труб, плёнок, контейнеров и изоляции кабелей. Первый завод по производству ПЭНД был запущен в 1955 году компанией Farbwerke Hoechst.

Полипропилен

Полипропилен, полученный с помощью катализаторов Циглера — Натта, имеет высокую кристалличность, температуру плавления около 160 °C и отличные механические свойства. Он используется для производства упаковки, автомобильных деталей, текстиля (нетканые материалы), медицинских изделий и бытовой техники. Изотактический полипропилен стал одним из самых распространённых пластиков в мире.

Другие полимеры

Катализаторы Циглера — Натта применяются для синтеза стереорегулярных полимеров других α-олефинов (бутен-1, 4-метилпентен-1), а также диенов (бутадиен, изопрен). Они используются для получения синтетических каучуков, таких как полибутадиен и полиизопрен, которые по свойствам близки к натуральному каучуку.

Награды и признание

• Нобелевская премия по химии (1963, совместно с Джулио Натта)
• Медаль Вернера фон Сименса (1960)
• Медаль Карла Дуйсберга (1961)
• Иностранный член Лондонского королевского общества (1963)
• Почётный доктор ряда университетов, включая Гейдельбергский, Галле-Виттенбергский и Мюнхенский технический университет.

Интересные факты

• Циглер был страстным коллекционером кактусов и орхидей, его коллекция насчитывала более 1000 видов.
• В 1953 году Циглер случайно обнаружил каталитический эффект, когда его ассистент Ганс Бремер использовал загрязнённый реактор, содержащий следы никеля. Это привело к открытию «эффекта никеля» — полимеризации этилена с образованием олигомеров.
• Институт исследований угля в Мюльхайме, где работал Циглер, был переименован в Институт исследований угля имени Карла Циглера в 1998 году.

Источники

• Nobel Lectures, Chemistry 1963–1970, Elsevier Publishing Company, 1972.
• Ziegler, K. (1955). "Organometallic Compounds and Their Use in Polymerization". Angewandte Chemie, 67(18), 541–549.
• Boor, J. (1979). Ziegler–Natta Catalysts and Polymerizations. Academic Press.
• Vandenberg, E. J. (1986). "Karl Ziegler: A Pioneer in Polymer Science". Journal of Polymer Science: Polymer Chemistry Edition, 24(11), 2751–2762.
• "Karl Ziegler – Biographical". NobelPrize.org.