Chemienobelpreis 1913: Alfred Werner
Der Schweizer Chemiker elsässischer Herkunft erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten über die Bindungsverhältnisse im Molekül, besonders im Bereich der anorganischen Chemie.
Biografie
Alfred Werner, * Mühlhausen (Elsass) 12. 12. 1866, ✝ Zürich 15. 11. 1919; Chemiestudium am Eidgenössischen Polytechnikum in Zürich, 1892 Habilitation, 1897-1907 Forschungsaufenthalt bei Marcelin Berthelot in Paris, ab 1893 Professor an der Universität Zürich, 1894 Annahme der Schweizer Staatsbürgerschaft; begründete die anorganische Stereochemie.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Alfred Werners Arbeiten umfassen ausschließlich das Gebiet der Grundlagenforschung.Seine preisgekrönten Untersuchungen griffen ungelöste Probleme der Wertigkeitstheorie (Valenztheorie), die der deutsche Chemiker August Kekulé in den 1850er-Jahren entwickelt hatte, auf. Ferner übertrug Werner die 1874 von dem niederländischen Chemiker Jacobus Henricus van't Hoff (Nobelpreis 1901) und dem französischen Chemiker Joseph Achille Le Bel eingeführten Vorstellungen über die räumliche Anordnung der von einem Kohlenstoffatom ausgehenden chemischen Bindungen (Tetraedermodell) auf andere Elemente. Er wurde damit zum Begründer der anorganischen Stereochemie und der Komplexchemie.
»Drei gewaltige Schritte«
Werner machte eine glänzende wissenschaftliche Karriere. Bereits in der Dissertation, die er im Alter von 23 Jahren abschloss, tat er den ersten seiner »drei gewaltigen Schritte«, in dem er die räumliche Struktur der Stickstoffverbindungen klärte. Er erkannte, dass die drei von einem Stickstoffatom ausgehenden Bindungen in die Ecken eines Tetraeders (einer dreiseitigen Pyramide) wirken, dessen eine Ecke das Stickstoffatom selbst einnimmt. Aus dieser Vorstellung konnte er auf das Auftreten von Cis-Trans-Isomerien bei Verbindungen mit doppelt gebundenem Stickstoff schließen.
Nur ein Jahr später folgte mit der Habilitationsschrift der zweite Schritt, mit dem Werner Kekulés Theorie der konstanten Valenzen angriff. Kekulé hatte viel zur Aufklärung der Struktur organischer Verbindungen beigetragen. Seiner Theorie zufolge besaß jedes Elementaratom eine bestimmte konstante Wertigkeit, die es befähigte, sich mit einer ganz bestimmten, unveränderlichen Anzahl anderer Elementaratome zu verbinden. Demnach waren zum Beispiel Kohlenstoff vier-, Sauerstoff zwei-, Stickstoff drei- und Wasserstoff einwertig. Diese Theorie war in der organischen Chemie sehr erfolgreich, hatte jedoch auch eine Reihe von Fragen offen gelassen, unter anderem die der so genannten Molekülverbindungen.
Darunter verstand man Verbindungen, in denen im Sinne der Valenztheorie gesättigte Moleküle chemisch gebunden sind. Dazu zählten als wichtigste die Hydrate und die Ammoniake (heute Aminkomplexe). Werners Habilitationsschrift legte die zur Lösung des Problems erforderlichen theoretischen Grundlagen. Er betrachtete die Valenzen nicht mehr als in bestimmte, ausgezeichnete Raumrichtungen wirkende Kräfte, sondern die chemische Anziehung (Affinität) im Ganzen als eine kugelsymmetrisch vom Zentralatom ausgehende Kraft. Diese Arbeit brachte ihm 1893 einen Ruf an die Universität Zürich. Fast zeitgleich erfolgte der dritte »gewaltige Schritt«, Werners »Beitrag zur Konstitution anorganischer Verbindungen«. Damit löste er auf einen Schlag die Probleme der Komplexchemie.
Strukturaufklärung der Komplexverbindungen
Nach der damals gängigen Theorie der Aminkomplexe, an deren Entwicklung der dänische Chemiker Sophus Jørgensen maßgeblich beteiligt war, sollten die Ammoniakmoleküle kettenförmig an das zentrale Metallatom gebunden sein. Mit dieser Idee wollte man die konstante Valenz der Metallatome, zum Beispiel die Dreiwertigkeit des Kobalts, aufrecht erhalten. Durch Leitfähigkeitsmessungen ließ sich feststellen, dass die Säurereste in Komplexen in lockerer, ionischer oder in festerer, nicht ionischer Form gebunden sein konnten. Es war Jørgensen geglückt, am Kobalthexaminchlorid durch Abspaltung zweier Ammoniakmoleküle zwei der drei Chloratome in die nicht ionische Bindung zu überführen. Übereinstimmend war man der Ansicht, dass diese Chloratome unmittelbar mit dem Metall verbunden sein mussten. Jørgensens Kettenstruktur des Hexaminkomplexes ermöglichte die Abspaltung weiterer Ammoniakmoleküle, ohne den ionischen Charakter des verbliebenen Säurerests zu verändern.
Doch dies stand im Widerspruch zur bisherigen Erfahrung. Werner konnte am Beispiel der Nitrite zeigen, dass alle Ammoniakmoleküle allmählich durch Säurereste mit nicht ionischer Bindung ersetzt werden können, und schloss daher auf eine direkte Bindung sämtlicher Ammoniakmoleküle an das Metall. Er wertete dies als Bestätigung seiner Affinitätstheorie, der zufolge auch gesättigte Elementaratome noch über chemische Anziehungskraft verfügen, um weitere Atomgruppen oder Moleküle zu binden. Werner prägte den Begriff der Koordinationszahl zur Bezeichnung der Anzahl unmittelbar am Zentralatom befindlicher Gruppen. Symmetrieüberlegungen und die Untersuchung der auftretenden Isomerien erlaubten ihm die Bestimmung der räumlichen Struktur der Komplexe. So konnte er für den Fall der besonders häufigen Koordinationszahl 6 eine Oktaederstruktur (Oktaeder: ein von acht Flächen umgrenzter Körper) ableiten. Es hatte sich gezeigt, dass Komplexe der allgemeinen Zusammensetzung [Me (A)4 (B)2] nur zwei Stereoisomere ausbilden, was mit anderen symmetrischen Anordnungen unvereinbar war. Die arbeitsaufwändigen Isomerieuntersuchungen wurden zum großen Teil von Werners Mitarbeiterstab in den »Katakomben«, den ebenso finsteren wie schlecht ausgestatteten Laboratorien der Züricher Universität, ausgeführt.
Mit Untersuchungen zur optischen Aktivität gelang Werner ein weiterer theoretischer Durchbruch. Durch Einführung von Ethylendiamin als zweizähnige Liganden in Kobaltkomplexe konnte Werners Arbeitsgruppe verschiedene Komplexe in je zwei spiegelsymmetrischen Formen, so genannten Enantiomeren, synthetisieren. Diese Enantiomere wiesen die Eigenschaft der optischen Aktivität auf, obwohl ihre aktiven Zentren im Unterschied zu denen organischer Verbindungen mit chemisch übereinstimmenden Gruppen besetzt waren, ein Beweis, dass die optische Aktivität ausschließlich durch die Spiegelbildsymmetrie bedingt ist.
Werner als Lehrer und Kollege
Werner war ein problematischer Charakter, der »es liebte, gefürchtet zu werden«, wie sein Kollege Richard Willstätter (Nobelpreis 1915) bemerkte. Er hielt ausgezeichnete Vorlesungen, war aber ein unduldsamer, berüchtigter Prüfer. Jahrelange Überarbeitung und Alkoholabhängigkeit führten schließlich zu einer Gehirnerkrankung, die Werners intellektuelle Kraft erlöschen ließ. Nur zwei Jahre nach Verleihung des Nobelpreises musste er seine Lehrtätigkeit aufgeben, vier Jahre später starb er im Alter von 52 Jahren.
J. Berger