La hipótesis macromolecular de Staudinger

Naukas

En una de las escenas de El Graduado, Ben (encarnado por Dustin Hoffmann) recibe consejos de uno de los amigos de sus padres, un tal Mr. McGuire, invitado a la fiesta para celebrar su graduación. Ante las dudas normales de cualquier graduado de cara a su inmediato futuro, McGuire le desliza de forma misteriosa que, al respecto, sólo le tiene que decir una palabra: Plásticos. Tras el mosqueo de Ben sobre qué quiere decir con ello, Mr. McGuire le contesta escuetamente que hay un gran futuro en los plásticos y que piense sobre ello.

Mucho ha cambiado el panorama sobre la percepción social de los plásticos desde el año en el que se estrenó la famosa película (1967), pero lo que está claro es que el consejo de Mr. McGuire era adecuado al momento. Los plásticos estaban en plena fase ascendente en cuanto a producción y descubrimiento de nuevas aplicaciones. Y es que su historia, en el fondo, no había hecho más que empezar.

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Para un químico, los plásticos no son sino una familia de materiales cuya peculiar característica es la de estar constituidos por largas moléculas en las que cientos y miles de átomos (generalmente de carbono) se unen entre sí por enlaces covalentes. En ese sentido, una molécula como la del polietileno, constitutiva de cosas de plástico tan habituales como un Tupperware o una bolsa de las que nos proporcionan los comercios, no se diferencia en gran cosa, desde el punto de vista de la estructura química, de algo como el gas butano, el octano (un líquido) de las gasolinas o la cera parafinada de una vela de iglesia. Todas esas sustancias son colectivos de moléculas constituidas por grupos metileno, –CH2-, unidos por enlaces covalentes y terminados en un par de grupos finales. Pero en el polietileno, el número de metilenos puede ser de varios miles, frente a los veinte o treinta de una cera, los seis del octano o los dos del butano. Además, y esta es otra peculiaridad, a diferencia de las moléculas más sencillas que son todas de la misma longitud y, por tanto, del mismo peso molecular, las que configuran un envase de Tupperware pueden tener toda una gama de longitudes de cadena.

Estas diferencias entre esas cuatro moléculas no ocasionan hoy en día problemas conceptuales ni siquiera a un estudiante con rudimentos de Química. Pero eso no era así a principios del pasado siglo XX. En esa época, la Química experimentaba una gran eclosión en lo relativo a la síntesis de nuevas moléculas de las denominadas “orgánicas”, esto es, constituidas fundamentalmente por carbono. Los químicos que hoy llamamos orgánicos (fundamentalmente los alemanes) estaban especialmente atareados en esas tareas de síntesis y posterior purificación del resultado de sus ingeniosas reacciones. En ese proceso de aislamiento o purificación, la clásica estrategia de disolver los productos y recristalizarlos, para así poderlos separar, era un modus operandi habitual. Sin embargo, cualquier químico de la época había topado en alguna ocasión con que dichas labores eran imposibles de realizar con determinados productos de sus reacciones, ya sea por ser particularmente insolubles en cualquier tipo de disolvente o por dar lugar a disoluciones prácticamente intratables.

En 1920, un reputado químico orgánico de la época, Hermann Staudinger, en su famoso ensayo en la revista Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschafts, propuso que muchos de esos resultados y otros que se iban acumulando desde el siglo anterior, obtenidos con materiales presentes desde siempre en la naturaleza, como el caucho, la celulosa, la fibroína de la seda y otras proteínas, podían ser consistentes con el hecho de que todas ellas estuvieran constituidas por largas cadenas (macromoléculas o polímeros), compuestas por un elevado número de unidades sencillas que se repiten a lo largo de la cadena (y que hoy llamamos monómeros), unidos entre sí por enlaces covalentes.

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En ese momento, Staudinger no presentó resultados experimentales muy convincentes que avalaran su propuesta y muchos de sus colegas (la mayoría químicos de tradición orgánica como él) no compartieron sus ideas e incluso llegaron casi a ridiculizarlas. En sus memorias, Staudinger da cuenta de una carta que recibió de Heinrich Wieland, a quien años después sucedería en la dirección del Chemisches Laboratorium de la Universidad Albert-Ludwigs de Friburgo. En ella, Wieland no era particularmente piadoso con la hipótesis macromolecular de Staudinger:

Mi querido colega, abandone su idea de las largas moléculas. Las moléculas orgánicas con peso molecular superior a 5000 no existen. Purifique bien sus productos, como el caucho, y así cristalizarán debidamente y le harán ver su carácter de moléculas de bajo peso molecular”.

Frase que parece más propia de ser dirigida a un incipiente estudiante de doctorado que a todo un Herr Professor.

En realidad, no es sorprendente que Wieland reaccionara así en una época en la que conceptos como molécula o estructura molecular no estaban implantados con adecuados cimientos. De hecho, el comportamiento de productos naturales como el caucho o la celulosa se explicaba sobre la base de lo que hoy conocemos como el estado coloidal, en el que moléculas pequeñas se autoasociaban entre ellas mediante interacciones intermoleculares, sin parecer necesario el concurso de los enlaces covalentes.

Pero Staudinger pareció reconocer el potencial de esa posible larga concatenación covalente de átomos y abandonó por completo su exitosa carrera previa, para centrarse casi exclusivamente en los polímeros o macromoléculas. Ese abandono coincidió con el momento en el que se trasladó a la Universidad de Friburgo en 1926. Fueron años duros en los que le llegaron ataques de otros reputados científicos de distintas áreas, convertidos en guardianes de las viejas esencias de la Química de esos años.

Pero las pruebas se fueron acumulando. El mismo Staudinger contribuyó con datos experimentales relativos a la viscosidades de disoluciones de caucho, celulosa y de materiales sintéticos que hoy conocemos como polióxido de metileno o poliestireno. En todos los casos se obtenían viscosidades muy elevadas, indicativas de la presencia en disolución de largas moléculas capaces de distorsionar en grado sumo el flujo de la misma. Se acumularon, igualmente, pruebas bastante concluyentes de rayos X sobre moléculas como la celulosa, que indicaban que ciertas zonas de las largas cadenas formaban cristales que sustentaban sólidamente otras zonas de la cadena que no llegaban a cristalizar. Y, a finales de esa década, Wallace Carothers en la DuPont, con la filosofía de Staudinger como estrategia, empleó dos reacciones clásicas, como la adición a un doble enlace o la condensación de ácidos orgánicos con alcoholes o aminas, para sintetizar materiales como el policloropreno (o Neopreno), los poliésteres y las poliamidas (o Nylons), cuyas propiedades eran consistentes con su carácter de cadenas largas.

Hoy, ese concepto de macromolécula o polímero lo comparten materiales cuyos nombres se han buscado un acomodo en nuestro léxico habitual, con denominaciones como plásticos, cauchos, fibras, adhesivos o pinturas. Materiales que llenan aspectos de nuestra vida diaria, ligados a los automóviles, a nuestras viviendas, a nuestra forma de vestir, a nuestros envases y a un largo etcétera difícil de describir en su totalidad.

Staudinger será recordado en la historia de la Química como el primer Nobel cuya actividad estuvo ligada a los polímeros o macromoléculas (luego vendrían otros) pero su actividad anterior a su focalización en este ámbito tiene también aspectos dignos de reseñar. Staudinger descubrió y sintetizó en 1905 moléculas que dieron el nombre a lo que hoy conocemos como cetenas. En la transición entre los años diez y veinte del siglo pasado, descubrió una vía nueva para la síntesis de fosfacenos a partir de azidas (la denominada reacción de Staudinger). Antes, había conseguido obtener isopreno a partir de terpenos de origen natural como el limoneno. Ese proceso se patentó y sirvió a BASF para producir los primeros cauchos sintéticos a base de isopreno y butadieno.

Staudinger patentó, así mismo, nuevos explosivos que tuvieron poco recorrido a pesar de su simplicidad. Y a partir de 1910 trabajó en el aislamiento, purificación y síntesis de las piretrinas, componente esencial de muchos insecticidas de hoy en día y que se aislaron a partir de los crisantemos.

Durante la primera Guerra Mundial, Staudinger abandonó por un tiempo sus líneas de investigación y se dedicó a tratar de paliar las dificultades alemanas para obtener algunas sustancias cotidianas que escaseaban, como la pimienta sintética o el Caffarom, una especie de café sintético a partir de la dilución de una serie de compuestos, incluido el furfuriltiol con un aroma sorprendentemente parecido al del café.

Staudinger fue, además, un personaje especialmente crítico con las armas químicas (a pesar de su amistad con Fritz Haber), la guerra y las ideas imperantes en la Alemania pre-nazi. Más tarde, en 1934, el famoso filósofo Martin Heidegger, que dirigía entonces la Universidad de Friburgo, denunció a Staudinger, que fue investigado por la Gestapo y como consecuencia de lo cual se le sometió a una serie de restricciones en su financiación, en la contratación de sus colaboradores o en sus viajes al extranjero.

Este post ha sido realizado por Yanko Iruin (@Elbuhohdelblog) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

6 comentarios

  • Avatar de Flatólogo

    Desconocía el origen crisantémico de las piretrinas. Algunos derivados piretroides se usan también como insecticidas sobre humanos: la permetrina o la decametrina han sido tratamientos clásicos de las infestaciones por piojos, ladillas y sarna. Mata al ectoparásito provocándole una parálisis mediante bloqueo de canales de sodio neuronales.

  • Avatar de Gabriela Fernandez Lopetegui

    Siempre me llama la atención lo poco tolerantes que son los científicos (algunos)unos con otros…y eso de ridiculizar al que opine de otra manera…en vez de dar «razones»…
    Hace años, averiguando sobre la piretrina que contiene un insecticida que según la publicidad que salía en la televisión, lo rociaban sobre unos niños que estaban jugando en la sala de su casa, supe que salía del crisantemo, pero si mata moscas, no creo que sea inocuo para otros seres vivos! Seguramente, es publicidad engañosa.

  • Avatar de Mikel

    Staudinger fue también pionero de otra reacción química que recibe su nombre, la que se da al enfrentar las ya citadas cetenas con unos compuestos fáciles de preparar llamados iminas. En la reacción entre ambas se generan unas moléculas cíclicas de cuatro átomos (3 carbonos y 1 nitrógeno) con un átomo lateral de oxígeno, llamadas beta-lactamas. Y éstas tienen su importancia, al tratarse de la estructura base de los antibióticos beta-lactámicos, una familia que engloba a las penicilinas, las cefalosporinas y otros antibióticos más modernos de uso generalizado. Si bien en una mayoría de casos los antibióticos beta-lactámicos se preparan industrialmente mediante procesos de fermentación con microorganismos (biotecnología), la reacción de Staudinger permite acceder a beta-lactamas no accesibles por otras rutas y podría ayudar al descubrimiento de nuevos antibióticos. Ahora que los casos intra- y extrahospitalarios de infecciones que desarrollan resistencia a los antibitóticos disponibles empiezan a ser más comunes y preocupantes, podríamos ver reverdecer a Staudinger, aunque de momento no parece interesar mucho a las grandes farmacéuticas, más pendientes de otras áreas de la salud con mayores márgenes de beneficio.

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