La seconda rivoluzione scientifica: fisica e chimica. I prodotti di sintesi
La seconda rivoluzione scientifica: fisica e chimica. I prodotti di sintesi
I prodotti di sintesi
Prima del 1918, lo stimolo principale per lo sviluppo della chimica organica derivava dalla produzione dei coloranti sintetici e dall'ampio spettro dei prodotti ‒ in particolare farmaci ed esplosivi ‒ realizzati a partire dai loro composti intermedi, il più significativo dei quali era l'ammoniaca, fabbricata mediante il nuovo processo Haber-Bosch ad alta pressione. A partire dal 1920, in tutto il mondo industrializzato i coloranti e l'ammoniaca cominciarono a diventare settori economici strategici. Subito dopo, la moderna industria chimica, originariamente basata sui coloranti derivati dal catrame di carbon fossile, indirizzava il suo sforzo in campo scientifico verso aree completamente nuove, in particolare nello studio dei polimeri e, negli Stati Uniti, delle sostanze chimiche necessarie alla loro sintesi basate sui prodotti del petrolio. Le principali imprese ‒ la IG Farben in Germania, la DuPont de Nemours negli Stati Uniti e l'Imperial Chemical Industries (ICI) in Gran Bretagna ‒ grazie alla ricerca sui polimeri fecero il loro ingresso nel campo delle fibre sintetiche e dei nuovi composti intermedi. È stata la ricerca fondamentale svolta nei loro laboratori a fornire i principî generali della moderna scienza dei polimeri.
La ricerca industriale
L'industria tedesca dei coloranti sintetici, che ha giocato un ruolo fondamentale nel dare forma alle caratteristiche proprie dell'industria che si avvale della ricerca scientifica, dopo il 1920 divenne per le industrie chimiche di altri paesi il modello da imitare. In special modo furono le imprese americane e britanniche a costruire dipartimenti di ricerca dotati di laboratori ben equipaggiati. In gran parte ciò avvenne in risposta alla creazione in Germania, durante il 1925, del 'mostro' IG Farben, risultato di una fusione delle imprese leader nel settore dei coloranti AGFA, BASF, Bayer e Hoechst. Essa fu seguita, nel 1926, dalla formazione in Gran Bretagna dell'ICI. Nel 1927, negli Stati Uniti, la DuPont diede avvio a Wilmington (Delaware) a un programma di ricerca fondamentale analogo a quello dell'IG Farben e la Calco Chemical Company a Bound Brook (New Jersey) diede vita a un dipartimento di ricerca. I problemi chimici tradizionali da risolvere erano numerosi, il programma di ricerca appariva chiaro e le metodologie risultavano adattabili. All'ICI la ricerca sui coloranti declinava, così come all'IG Farben, e le divisioni dei coloranti sintetici divennero sempre più produttrici di composti chimici organici basati sul carbone. Nel 1926 Kurt H. Meyer, direttore di ricerca all'IG Farben di Ludwigshafen, fu messo di fronte al fatto che le spese per mantenere 200 chimici impegnati nella ricerca sui coloranti non erano coperte dalle vendite di nuovi prodotti e, di conseguenza, li impegnò a svolgere altri tipi di indagini. Nel 1927 Alfred Mond, capo dell'ICI, istituì un Research Council per riunire importanti chimici accademici, come Robert Robinson (1886-1975), della University of Oxford, e chimici che svolgevano ricerca industriale. L'ICI Central Research Laboratory fu aperto nel 1939 e durante la Seconda guerra mondiale l'impresa utilizzò nella ricerca centinaia di chimici. Malgrado questo grande sforzo, forse per una sorta di ironia della storia, nel XX sec. la scoperta dell'unica classe di coloranti completamente nuova avvenne non in un laboratorio bensì in un reparto di produzione della Scottish Dyes Ltd (di cui nel 1926 prese il controllo la British Dyestuff Corporation, poco prima che quest'ultima entrasse a far parte dell'ICI). Si tratta della classe delle ftalocianine, scoperta nel 1928, che imitava alcuni pigmenti naturali come la clorofilla e l'ematina.
La situazione del commercio europeo e statunitense nel settore dei coloranti rimase difficile, e anche dopo i risarcimenti di guerra della Germania la domanda di coloranti non crebbe. La Calco, per esempio, fu salvata perché fu rilevata dalla American Cyanamid ai primi del 1929, appena prima che iniziasse la Grande Depressione. I profitti dell'American Cyanamid ricavati dai cianuri usati nell'estrazione dell'oro finanziarono le sofisticate strutture di ricerca alla Calco e condussero alla costruzione, nel 1937, dei General Research Lab- oratories a Stamford (Connecticut).
L'American Cyanamid rappresenta un esempio rilevante dei contributi apportati dalla ricerca industriale alla scienza di base e di invenzione industrializzata, dato che la grande impresa era caratterizzata da una notevole politica liberale di pubblicizzazione. Questa impresa fu la principale promotrice dell'analisi strumentale, che fu resa possibile alla Calco per una larga serie di composti aromatici, sottoposti a indagini spettrali nelle regioni del visibile, dell'ultravioletto e dell'infrarosso. Il pioniere di queste ricerche fu Edwin Ira Stearns, che giunse alla Calco nel 1933 e che in quello stesso anno si laureò in chimica fisica al Rensselaer Polytechnic Institute. Nel 1934 egli adattò la colorimetria strumentale sia al monitoraggio di miscele di composti intermedi sia alla standardizzazione dei coloranti, e dal 1938 adoperò la spettrofotometria per l'analisi chimica, il controllo del colore e per la ricerca in generale. Robert Bowling Barnes (1906-1981) contribuì allo sviluppo di strumenti a partire dallo spettrofotometro Perkin-Elmer, installato a Stamford. La spettrofotometria infrarossa fu ulteriormente sviluppata durante la Seconda guerra mondiale, in particolar modo presso la Shell Development Corporation, per l'isolamento del butadiene puro ricavato dal petrolio, che veniva usato nella manifattura della gomma sintetica. Ciò condusse all'introduzione nel 1942 dello spettrofotometro Beckman IR-1, che rappresentò il primo stadio dell'ultima rivoluzione strumentale.
Il campo dei catalizzatori è stato un altro importante oggetto della ricerca svolta nei laboratori industriali. Durante gli anni Venti e Trenta, la ricerca sulla catalisi industriale fu condotta negli Stati Uniti da John M. Weiss e Charles R. Downs presso la Barrett Company, in particolare sull'ossidazione del benzene ad anidride maleica (1920); dall'emigrato russo Vladimir Nikolaevič Ipatev e dal suo collega Herman Pines presso la United Oil Products (una impresa di ingegneria e ricerca fondata nel 1914) di Des Plaines, sull'alchilazione delle olefine (1932); e dal francese di nascita Eugene J. Houdry sul craking del petrolio (1937). Notevole, in Germania, fu l'opera di Friedrich Bergius per il suo processo di formazione del petrolio a partire dal carbone, e di Franz Fischer e Hans Tropsch per il processo di sintesi della benzina. In Francia, negli anni Venti del XX sec., Théodore Lefort sviluppò la sintesi dell'ossido di etilene a partire dall'etilene e utilizzando un catalizzatore d'argento, seguendo un processo adottato negli Stati Uniti nel 1931 da parte della Union Carbide & Carbon. A partire dal 1930 l'obiettivo principale nella ricerca dei catalizzatori venne posto sui prodotti del petrolio più adatti come combustibili, sullo sviluppo dei processi petrolchimici, nonché sulla produzione di nuovi polimeri.
Prodotti del petrolio e prodotti petrolchimici
Il primo grande contributo della chimica all'industria del petrolio si ebbe nel 1913 con il distillatore di William Burton, dirigente alla Standard Oil dell'Indiana (più tardi Amoco). Il piccolo gruppo di ricerca di Burton scindeva, o decomponeva, gli idrocarburi in molecole più piccole per mezzo del cracking termico, impiegando alte temperature e pressioni, per ottenere una benzina 'sintetica'. Il processo fu perfezionato alla Universal Oil Products (UOP) e reso continuo alla Texaco nel 1920. Nel 1915 Jesse A. Dubbs progettò un apparato per il cracking del petrolio che fu sviluppato anch'esso dalla UOP. Sebbene questi processi migliorassero il distillato leggero, essi non aumentavano il contenuto in ottano. Tale risultato fu raggiunto nel 1923 da Thomas Midgley jr presso una consociata della General Motors con un additivo antidetonante, ossia il piombo tetraetile.
Negli anni 1936-1937 il combustibile ad alto numero di ottano divenne disponibile mediante il processo di cracking catalitico sviluppato da Houdry dalla fine degli anni Venti. Il suo processo causava la rottura della catena delle molecole del combustibile in condizioni operative più blande. Un impianto pilota fu eretto nel 1937 dalla Socony Vacuum (più tardi Mobil), seguito da uno completo alla fabbrica della Sun Oil's Marcus Hook in Pennsylvania. Il processo Houdry forniva una benzina con numero d'ottano uguale a 88, mentre il prodotto ottenuto mediante cracking termico poteva arrivare a possedere un numero d'ottano uguale a 72. Tuttavia questo processo generava un nuovo problema, quello dell'avvelenamento del catalizzatore, che fu superato nel 1938 da Warren Kendall Lewis ed Edwin R. Gilliland presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT). Essi, infatti, perfezionarono il processo incorporando un letto mobile che permetteva la rigenerazione del catalizzatore, estremamente suddiviso o 'fluido'. Dopo un ulteriore sviluppo dovuto a un gruppo di scienziati e ingegneri industriali, il cracking a catalizzatore fluido fu introdotto dalla Standard Oil del New Jersey. Anche Ipatev, specialista nella chimica delle alte pressioni e responsabile della ricerca chimica della UOP, svolse indagini sul cracking catalitico sviluppando processi per la produzione di benzina arricchita e di combustibile per l'aviazione. A partire dal 1941 erano disponibili sia il cracking catalitico sia l'alchilazione catalitica del petrolio, che furono sviluppati in maniera estensiva quando gli Stati Uniti entrarono nella Seconda guerra mondiale e soddisfarono il bisogno di combustibile ricco di ottano per aerei.
La produzione di composti organici alifatici dal petrolio iniziò nel dicembre del 1920, quando la Standard Oil del New Jersey realizzò nella sua raffineria di Bayway l'alcol isopropilico (2-propanolo) a partire dal propilene. Il propilene e l'etilene inaugurarono gli inizi dell'industria petrolchimica. Un impianto pilota per il cracking termico di gas naturale e di frazioni leggere del petrolio per produrre olefine, basato sulla ricerca compiuta da George O. Curme, fu allestito nel 1920 dalla Union Carbide & Carbon in West Virginia. I prodotti includevano l'ossido di etilene e il glicol etilenico, quest'ultimo usato come sostituto della glicerina nella dinamite e, a partire dal 1927, come antigelo. I composti alifatici ottenuti dai giacimenti di idrocarburi diedero vita a una nuova direzione di ricerca nel campo dei prodotti del carbone. Nel 1923, infatti, Fischer e Tropsch lavorando al Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung di Mülheim, sulla riva destra del fiume Ruhr, realizzarono idrocarburi alifatici, compreso il metano e gli idrocarburi liquidi, per utilizzarli come combustibili per motori, mediante il passaggio di gas d'acqua sopra ossido di ferro sotto pressione. Il processo, introdotto dalla Ruhrchemie nel 1934, contribuì a rendere indipendente la Germania dall'importazione dei derivati alifatici del petrolio.
L'industria del petrolio trattò e sottopose a processo grandi quantità di prodotti liquidi e gassosi e contribuì a indirizzare l'ingegneria chimica verso un approccio di tipo scientifico, in particolare mediante la necessità di analizzare interi processi manifatturieri. Al MIT, negli anni Venti, l'ingegneria chimica divenne una disciplina fondata sulla teoria, definita in termini di 'operazioni unitarie', in genere trasporto di materiali, trasferimento di calore e separazione, secondo la definizione proposta da Arthur D. Little. Un ulteriore, importante contributo alla definizione delle coordinate teoriche della disciplina risale al 1935 con il concetto di 'processi unitari' elaborato da Randolph Norris Shreve presso la Purdue University.
I sulfammidici
Il Salvarsan (1909) di Paul Ehrlich è stato il primo dei preparati introdotti in terapia definiti 'proiettili magici'. Esso fu in uso fino al 1934, quando divenne disponibile un altro agente chemioterapico scoperto nei laboratori della IG Farben di Leverkusen, dove Heinrich Hoerlein era il direttore scientifico della ricerca farmaceutica. Hoerlein, il quale nel 1909 entrò a far parte della Bayer, a partire dalla fine degli anni Venti aveva rilevato che il colore e altre proprietà dei coloranti venivano modificate mediante cambiamenti nella loro struttura, come per primo aveva sostenuto nel 1876 Otto N. Witt, cosicché tali cambiamenti erano responsabili delle alterazioni nelle loro proprietà fisiologiche. Come risultato di questo approccio, Gerhard Domagk (1895-1964), direttore del laboratorio di patologia sperimentale nella divisione farmacologica di Leverkusen, trovò nel 1932 che un colorante rosso-arancio era biologicamente attivo contro le infezioni da streptococco. Esso era una sulfoanilammide, o sulfammide, derivato dalla crisoidina, un colorante azotato che era stato sviluppato commercialmente da Heinrich Caro nel 1876. Bayer lo commercializzò con il nome di Prontosil. Nel 1935 Jacques Trefouel, Federico Nitti e Daniel Bovet, ricercatori all'Institut Pasteur di Parigi, scoprirono durante un esperimento di screening su cavie di laboratorio che la p-aminobenzensulfonamide, o sulfanilammide, era anch'essa un effettivo agente curante. Essi stabilirono rapidamente che la sulfanilammide era in effetti un prodotto di scissione del Prontosil, formato grazie alla rottura del doppio legame azoto-azoto. La preparazione della sulfanilammide era stata ben descritta nel 1908 da Paul Gelmo ma non era stata ancora brevettata.
Per aver scoperto per primo la sulfanilammide e per aver trasformato la terapia delle infezioni batteriche, nel 1939 Domagk vinse il premio Nobel per la medicina o la fisiologia, sebbene l'impresa fosse il risultato di uno sforzo di équipe comprendente anche i chimici organici. La successiva, rilevante scoperta fu realizzata nell'impresa May & Baker di Dagenham (Essex, Gran Bretagna), dove nel 1938 Arthur J. Ewins e Montague A. Phillips sintetizzarono la solfopiridina, un farmaco altamente efficace contro la polmonite, presto conosciuto con la sigla M&B 693. La solfopiridina fu un prodotto dalla vita breve, perché come effetto collaterale procurava nausea; tuttavia esso ridusse della metà la percentuale dei decessi per polmonite. La seconda scoperta importante realizzata dalla May & Baker, anch'essa del 1938, fu quella del solfatiazolo.
Il Prontosil (chiamato Prontolyn negli Stati Uniti) raggiunse il successo in America dopo essere stato impiegato per curare il figlio del presidente Franklin D. Roosevelt, affetto da un'infezione alla gola. L'American Cyanamid intraprese la ricerca sui farmaci solforati operando su due fronti: uno che coinvolgeva i laboratori di Bound Brook (Calco) e Stamford; e l'altro ancora i laboratori di Bound Brook e i Lederle Laboratories, altra sua acquisizione, situati a Pearl River, New York. Nel 1939 venne istituita una divisione chemioterapica nella quale venivano realizzati tutti i test terapeutici. Le indagini non erano dissimili da quelle portate avanti nella ricerca sui coloranti, ossia venivano preparati e sottoposti a screening biologico prodotti che presentavano disposizioni caratteristiche di atomi o particolarità strutturali. I chimici specialisti nel campo dei coloranti furono così in grado di passare rapidamente alla ricerca farmaceutica in sostanza senza alcun cambiamento di tecnica o di metodologia. Se nuovi prodotti sembravano offrire una potenziale utilizzazione come intermedi dei farmaci e dei coloranti, non si tralasciava di rivendicare entrambe le funzioni nelle richieste di brevetti. Fra i prodotti dell'American Cyanamid vi era la solfoguanidina, scoperta nel 1940 e introdotta nel 1941 a seguito di studi clinici condotti alla Johns Hopkins Medical School. La Calco rimase il più grande produttore di farmaci sulfammidici negli Stati Uniti, molto dopo l'introduzione della penicillina, poiché essi venivano ancora richiesti per la cura degli animali. I suoi chimici ebbero anche un ruolo di primo piano nella difficile sintesi dell'acido folico, ottenuta nel 1945 da sedici scienziati, otto della Calco e otto della Lederle. Questo passaggio delle tradizionali imprese chimiche nei settori della farmaceutica e delle scienze della vita avrebbe subito un'accelerazione dal 1945 in poi.
Processi ad alta pressione
Il successo del processo Haber-Bosch nel sostenere la produzione tedesca di nitrati per gli esplosivi durante la Prima guerra mondiale aveva certamente suscitato un'impressione profonda negli Alleati della Triplice Intesa, i quali non fecero grandi progressi nel tentativo di imitare il processo sia prima sia dopo il 1918. Mentre la tecnologia relativa ai coloranti era già matura e fu presto acquisita, al di fuori della Germania il contenuto del processo ad alta pressione continuava a sfuggire ai ricercatori, perfino a quelli che avevano svolto visite ufficiali a fabbriche tedesche. Il grande investimento finanziario richiesto del resto non scoraggiò gli imitatori, né li scoraggiarono le modalità di acquisizione delle informazioni tecniche necessarie. La Brunner Mond & Co. in Inghilterra (più tardi parte dell'ICI) riuscì ad aprire una fabbrica di ammoniaca a Billingham, nel 1923, solo dopo aver acquistato i segreti da due ingegneri alsaziani che avevano lavorato in fabbriche tedesche durante la guerra.
Luigi Casale e Giacomo Fauser, in Italia, e George Claude, in Francia, inventarono indipendentemente processi di produzione dell'ammoniaca ad alta pressione. Essi impiegarono pressioni più elevate rispetto al processo Haber-Bosch e catalizzatori differenti. Fauser, ingegnere e consulente, dapprima aveva lavorato da solo usando come reattore un cannone da 250 mm nel giardino della sua casa. A partire dal 1925 i suoi studi furono sostenuti dalla Montecatini e fu realizzato un processo fattibile di produzione dell'ammoniaca operante a 300 atm. La Montecatini, almeno nella sua fabbrica di Merano-Sinigo nel nord Italia, si basava sull'idrogeno ottenuto dall'elettrolisi dell'acqua. Il processo Fauser fu reso disponibile al di fuori dell'Italia dalla Società Concessionaria e di Consulenza Fauser-Montecatini. Negli Stati Uniti, il Fixed Nitrogen Research Laboratory federale a Wash-
ington (D.C.) sviluppò un processo di produzione dell'ammoniaca ad alta pressione, ma soltanto su piccola scala. La Allied Chemical e la DuPont (che inizialmente adottavano la tecnologia Claude ma che ben presto passarono al processo Casale) divennero i principali produttori americani di ammoniaca. Lo sviluppo della tecnologia ad alta pressione fu massiccio; la BASF aveva brevettato nel 1914 un processo di produzione del metanolo ad alta pressione e tuttavia non furono condotti ulteriori studi fino agli inizi degli anni Venti. Nel 1923 cominciò la produzione di metanolo nella fabbrica di ammoniaca BASF di Leuna, che si basava sul lavoro di Matthias Pier; in questo caso le stesse attrezzature potevano essere utilizzate per produrre sia ammoniaca sia metanolo, a seconda della domanda. Per preparare metanolo veniva utilizzato direttamente, senza separazione, il gas di sintesi, la miscela di idrogeno e monossido di carbonio ricavato dal carbone.
Mentre la produzione di ammoniaca era un buon investimento (nonostante periodi di sovrapproduzione), l'idrogenazione ad alta pressione del carbone per ricavare petrolio aveva un futuro incerto. Dapprima sviluppato da Bergius nel 1913, il processo dal carbone al petrolio fu adottato dalla BASF negli anni Venti ma, benché portato quasi alla perfezione, esso non risultava conveniente. Nondimeno, poiché vi era una notevole preoccupazione riguardo a future scarsità di petrolio, la tecnologia di idrogenazione fu brevettata dalla Brunner Mond e da alcune imprese statunitensi, in quest'ultimo caso grazie agli sforzi di Frank A. Howard della Standard Oil Development Company (precursore della Esso Research & Engineering Co., più tardi Exxon). Essa divenne la base del processo di hydroforming sviluppato dalla Standard Oil dell'Indiana, nel quale la frazione pesante della benzina ottenuta dalla distillazione del petrolio veniva trattata con idrogeno in presenza di un catalizzatore per provocare una rottura delle catene delle molecole organiche. Il conferimento del premio Nobel per la chimica a Bergius e a Carl Bosch, nel 1931, fu un riconoscimento dell'importanza dell'innovazione scientifica nell'industria, in particolare nello sviluppo dei catalizzatori e dei processi ad alta pressione. La benzina ad alto contenuto di ottano, ricavata dal carbone con il processo Bergius in Inghilterra e Germania, divenne un prodotto strategico durante la Seconda guerra mondiale.
Plastiche sintetiche, resine e gomma
Fra il 1930 e il 1945 la produzione mondiale di polimeri aumentò da 15.000 a oltre 400.000 tonnellate. Questo fu un risultato straordinario, esito di massicci programmi di ricerca industriale e tanto più notevole in quanto la ricerca sui polimeri era stata generalmente ignorata dai chimici accademici, soprattutto in Germania. La disponibilità, a partire dal 1930, di un processo rapido di modellamento a caldo fu uno stimolo alla crescita di polimeri come la bachelite, usata massicciamente nelle industrie elettrica e automobilistica. Essa presentava uno svantaggio: il suo colore, un marrone scuro che al meglio appariva nero; esso fu superato con l'introduzione delle resine amminiche, quasi trasparenti e prodotte dall'urea e dalla formaldeide, come era stato scoperto nei primi anni Venti in Inghilterra, presso i laboratori della British Cyanides di Oldbury, vicino a Birmingham. Seguirono poi, nel 1939, le resine melaniniche, ottenute con un processo analogo, principalmente dalle attività di ricerca e sviluppo condotte alla American Cyanamid. Queste resine trovarono un notevole impiego in tempo di guerra come laminati per mappe e piatti infrangibili e, dopo il 1945, in cucina e come piani di appoggio dei bar, con il nome di 'formica'.
Quando furono inventate le prime plastiche amminiche, si sapeva ben poco sulla costituzione dei polimeri, che comprendevano plastiche, resine e materiali biologici colloidali come le proteine. La maggioranza dei chimici pensava che i polimeri, comprese le fibre naturali, fossero aggregati colloidali di molecole piuttosto che grandi entità. Nel 1920 fu aperto un istituto di ricerca per la chimica delle fibre, ossia il Kaiser-Wilhelm-Institut für Faserstoffchemie, e due anni più tardi biochimici tedeschi e un certo numero di chimici provenienti soprattutto dall'industria e di chimici fisici formarono la Kolloid-Gesellschaft per proseguire la ricerca nel campo della chimica dei colloidi. Dal 1920, Hermann Staudinger (premio Nobel per la chimica nel 1953) sviluppò a Zurigo una teoria in cui descriveva i polimeri come una lunga catena di molecole, tenute insieme da legami covalenti per formare ciò che nel 1922 chiamò 'macromolecole'. Nel 1926 Staudinger si trasferì all'Università di Friburgo e nello stesso anno difese vigorosamente la sua teoria delle catene lunghe a un congresso scientifico tenuto a Düsseldorf. Sempre nel 1926 Hermann Francis Mark (1895-1992) diede vita a un progetto di ricerca sulle fibre presso la IG Farben. Il lavoro sperimentale comprendeva l'analisi ai raggi X, i cui risultati lo condussero nel 1927-1928 a sostenere la teoria delle lunghe catene che egli stesso e Kurt H. Meyer (1883-1952) applicarono alla struttura della cellulosa. Usando la viscosità delle soluzioni di polimeri, Staudinger aveva ottenuto pesi molecolari di 200.000.
Sebbene la sua legge di viscosità fosse sbagliata, questi risultati aiutarono a conquistare consenso per la sua teoria delle catene. Fu nel 1930, in seguito a un convegno della Kolloid-Gesellschaft, i cui membri erano generalmente a favore della teoria degli aggregati, che le idee di Staudinger furono comunemente accettate. Altri importanti e più pratici sviluppi stavano emergendo al di là dell'Atlantico. Roy H. Kienle intraprese una ricerca nei laboratori della General Electric a Schenectady, New York, che nel 1929 condusse all'introduzione delle resine gliftalalchidiche ottenute dall'anidride ftalica e da alcoli poliidrogenati: questi materiali trovarono vaste applicazioni nel campo delle vernici per automobili. La ricerca di Kienle suggeriva che la polimerizzazione poggiasse sulla funzionalità, ossia sulla natura dei raggruppamenti di atomi necessari per la costruzione delle catene, idea questa ampiamente accettata dalla comunità accademica.
Nel 1928 Wallace H. Carothers (1896-1937) lavorò ai laboratori della DuPont a Wilmington e partecipò a un programma di ricerca sulle fibre sintetiche. Egli preparò una serie di poliesteri e dimostrò che mediante la perdita di acqua venivano creati i polimeri nei quali le molecole sono unite da legami covalenti. Questo lavoro fu seguito dalla sintesi di poliammidi e polivinili. Carothers incominciò ad analizzare il meccanismo di polimerizzazione e identificò due processi chiave, l'addizione e la condensazione, che distinse mediante due tipi di prodotti polimerici. Ciò spiegò come la bachelite termoresistente, la resina alchidica e le resine amminiche si formavano attraverso il processo di condensazione.
Il gruppo di ricerca di Carothers inventò la gomma sintetica neoprene, prodotta dal cloroprene, e la seta sintetica poliestere. Nel 1931 nei "Chemical reviews" Carothers pubblicò uno scritto fondamentale, Polymerisation, nel quale esponeva il dizionario della scienza dei polimeri e sosteneva come la gomma fosse un polimero di addizione. I chimici stabilirono che le fibre naturali quali la lana e la seta erano composte di lunghe e limitate molecole fondate sulle strutture delle proteine, comprendenti il legame peptidico, −CONH−, fra gli amminoacidi componenti. Carothers pose una forte enfasi sull'analogia esistente fra questi polimeri naturali; egli lavorò con le ammine e gli acidi carbossilici invece che con gli amminoacidi. Il 28 febbraio 1935 nel suo laboratorio fu realizzato un prodotto di condensazione facendo reagire la esametilendiammina con l'acido adipico, detto '6-6', poiché entrambi questi composti contengono 6 catene di carbonio. Esso fu ben presto chiamato 'nylon', la prima fibra completamente sintetica, forte, elastica e resistente alla rottura. Elmer K. Bolton (1886-1968), nuovo direttore di ricerca alla DuPont, comprese che il nylon-1,6 era un ottimo materiale da sviluppare, poiché poteva essere prodotto dal benzene che era disponibile senza difficoltà. Introdotto nel 1938, il suo primo uso fu negli spazzolini da denti, ma presto venne adoperato per le calze da donna e per fabbricare i paracadute.
Le resine viniliche, nelle quali i monomeri contengono il gruppo vinilico, CH2=CH−, sono polimeri di addizione comprendenti l'acetato di polivinile, il polistirene e il cloruro di polivinile. Al contrario delle plastiche termoindurenti, i loro prodotti sono termoplastici, ossia possono essere ammorbiditi e induriti per riscaldamento e per raffreddamento. Le resine di acetato di vinile furono introdotte nel 1928 negli Stati Uniti e in Canada. Il polimero successivo fu il polistirene, realizzato seguendo le ricerche di Mark e dei suoi collaboratori alla IG Farben, che lo introdusse in commercio nel 1932, mentre la statunitense Dow lo commercializzò nel 1937. Il polistirene divenne popolare poiché mostrava un'alta resistenza elettrica ed era facile da fabbricare, mentre il cloruro di polivinile (PVC) fu realizzato successivamente, negli anni 1932-1934, ed ebbe un largo impiego nei tubi e nei tessili. Curme presso la Union Carbide & Carbon ebbe l'ispirazione di copolimerizzare l'acetato di vinile con il cloruro di vinile per produrre un materiale risultato ideale per la fabbricazione di dischi per fonografi, realizzati dalla Radio Corporation of America (RCA). L'enfasi posta in Germania sulla chimica dell'acetilene derivata dal carbon coke rese inpossibile alla IG Farben di realizzare grandi progressi in questi prodotti.
'Acrilico' è il nome generico per i vinili realizzati a partire dall'acrilato di metile, dal metacrilato di metile e dall'acrilonitrile. La possibilità di un vetro organico di tipo acrilico emerse dagli studi realizzati presso la McGill University di Montreal da William Chalmers. La produzione ebbe inizio alla ICI nel 1934, e la tecnologia fu brevettata alla Röhm di Darmstadt (Germania): il prodotto è conosciuto come 'plexiglas'. Poco prima della Seconda guerra mondiale, la ICI produsse lastre di materiale polimerico chiamato 'perspex'. Fino al 1945 gran parte della produzione fu impiegata nelle costruzioni aeronautiche.
La scoperta del polietilene nei laboratori dell'ICI a Winnington (Cheshire) da parte del chimico fisico Reginald Gibson e del chimico organico Eric Fawcett emerse da uno sforzo autenticamente transdisciplinare, iniziato con la ricerca sulle reazioni effettuate sotto alte pressioni in grado di produrre composti organici pregiati per la manifattura dei coloranti. Esso coinvolse l'esperto delle alte pressioni Anton Michels (1889-1969) dell'Università di Amsterdam, il chimico capo dell'ICI di Winnington Francis A. Freeth (1884-1970), che fece progredire gli aspetti più astratti e teorici del lavoro, e il chimico fisico dell'ICI (più tardi Sir) Michael W. Perrin (1905-1988), che aveva studiato la polimerizzazione dell'acetilene in Canada. Nel marzo del 1933 i ricercatori dell'ICI ottennero un solido bianco, plasmabile come la cera, mediante la reazione dell'etilene con la benzaldeide. In seguito, nel dicembre 1935, tale reazione fu ripetuta da Gibson e Fawcett; fu studiato il solido risultante e si scoprì che era un polimero dell'etilene con proprietà elettriche isolanti. La reazione avvenne poiché vi era un'apertura nell'apparato, che permise all'ossigeno di entrare e di agire da catalizzatore. Alla fine del 1938 era stata fabbricata una tonnellata della nuova plastica, cioè del polietilene. L'ICI ne intraprese una produzione su larga scala nel settembre del 1939, proprio agli inizi della Seconda guerra mondiale. Il polietilene venne adoperato nei trasmettitori delle radio ad alta frequenza, poiché, diversamente dagli altri isolanti, assorbiva una piccola quantità di energia, grazie alla sua struttura inerte. Il polietilene giocò un ruolo importante nel rendere il radar largamente disponibile in aeronautica.
Durante gli anni 1926-1929, la IG Farben polimerizzò il butadiene in presenza di sodio come catalizzatore per realizzare un prodotto nominato Buna (Butadiene Na), ma a causa della recessione internazionale, inizialmente esso non fu commercializzato. Nell'Unione Sovietica la gomma sintetica fu fabbricata a partire dalla metà degli anni Trenta utilizzando un processo basato sulla conversione dell'etanolo in butadiene messo a punto da Sergeij Vasil′evič Lebedev. In Germania, il piano autarchico hitleriano e l'isolamento politico conseguente al 1939, portarono alla fabbricazione estensiva di gomma sintetica basata sul carbone. Il superiore Buna S, nel quale il butadiene veniva copolimerizzato con lo stirene, e il Buna N, nel quale il butadiene veniva copolimerizzato con l'acrilonitrile, erano adoperati nei pneumatici. Alla IG Farben lo studioso più importante nella ricerca sui polimeri fu Walter Reppe (1892-1969), che nel 1938 fu nominato capo del Laboratorio centrale di ricerca di Ludwigshafen. I suoi studi contribuirono notevolmente sia alla chimica accademica sia a quella industriale.
Il governo degli Stati Uniti diede vita a un grande programma di ricerca sulla gomma sintetica durante la Seconda guerra mondiale, immediatamente dopo che gli approvvigionamenti di gomma naturale erano stati bloccati dai giapponesi. Questa situazione coinvolse gli sforzi combinati dei laboratori governativi, industriali e accademici, e circa 20.000 lavoratori in 24 impianti. I partecipanti più rilevanti a questa impresa furono i Bell Telephone Laboratories, Firestone Tire & Rubber, B.F. Goodrich, Goodyear Tire & Rubber, Standard Oil del New Jersey, United States Rubber, e numerose università, in particolare la Chicago University e l'Illinois University, dove Carl S. Marvel (1894-1988) era incaricato della ricerca sulla gomma sintetica. I principali prodotti della gomma erano i copolimeri con lo stirene: GR-S (Government Rubber-Styrene), ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Stirene), SAN (Styrene-Acrylonitrile) e SBR (Styrene-Butadiene). Il sostegno dell'amministrazione Roosevelt alla gomma sintetica GR-S basata sul petrolio, così come il sostegno a quella basata sull'alcol, dettero una notevolissima spinta all'industria petrolchimica. Il butadiene fu prodotto sia dal gas naturale (butano) sia dal petrolio (butilene). La gomma sintetica rappresentò uno dei grandi successi scientifici e industriali realizzati in conseguenza della Seconda guerra mondiale. Nel 1943 la Germania produceva 117.000 tonnellate di gomma sintetica e nel 1945 gli Stati Uniti ne producevano 850.000 tonnellate.