高分子化学
尽管从19世纪中叶至20世纪初对于天然高分子的改性以及从双烯烃得到了合成橡胶，从酚及醛合成了塑料，取得显著成果，并且建立了相应的工业。但在当时，无论是天然的还是合成的高分子化合物，对其结构，还都是不清楚的。
关于纤维素与淀粉，虽然在1913年经维尔斯泰特、崔希曼斯特等的研究，已经确认为它们具有（C6H10O5）n的通式，而且它们的水解产物都是葡萄糖。但直到1922年，霍厄塞还认为是由于它们的环状二聚体通过“部分”价键而聚集在一起才导致它们的溶液具有橡胶的性质。
关于蛋白质，尽管1906年费歇尔已经提出了它是具有NHCO的多肽结构，而且已合成了分子量接近1000的多肽。但是他从未提出任何二肽、三肽以外的蛋白质结构。他认为他所合成的十八肽的分子量已经接近蛋白质的分子量。其实，这与实际情况相差有好几个数量级。
关于天然橡胶，在20世纪初，它的经验公式以及异戊二烯的结构都已确定，并且通过臭氧法测定了其结构单元为：—CH2—C（CH3）CH—CH2—
但是，如果橡胶分子是呈直链形式的，那么其末端基团在当时还未能确定。于是，1904年海立斯采用了二聚环式结构。1910年毕克斯不同意海立斯的环式结构单元，因为天然橡胶通过干馏并不能得到这个环式结构单元。而且天然橡胶与溴反应后仍然保留有胶体性质，但此时却已经没有双键，更不可能再有“部分”价键。这可以说明：认为天然橡胶分子是环状结构单元靠“部分”价键结合成直链的见解是缺乏根据的。由于末端基因问题未能解决，他仅仅认为天然橡胶至少是八聚环式以上的结构单元。1914年，海立斯也就修改天然橡胶的结构为5～7聚环式结构单元的聚集式。同年卡斯帕里利用橡胶稀溶液用渗透压法测定其分子量，再通过外推至无穷稀溶液，计算出它的分子量大致为10万，但是他怀疑溶液的浓度对分子量很有影响，因此并没有相信这个数据。
关于合成酚醛树酯，贝克莱也认为他在聚合反应B阶段所得到的树脂是由六个苯环和七个甲醛分子组成的大环。
由于高分子溶液具有橡胶体性质，因而受到当时胶体化学概念的影响极大。1862年，格雷阿姆提出“胶体”这个名词，以反映出这类化合物在溶液中对于半透膜的渗透率极小甚至没有的特性，而对容易渗透的化合物他则叫做“晶体”。后来，1907年奥斯特瓦尔德（奥斯特瓦尔德的儿子）进一步把胶体作为物质存在的一种状态，好比气态、液态与固态一般。因此晶体在一定条件下可以转化为胶体这一见解，就逐渐扩大成为胶体都是从一般小分子的晶体结合而来的见解。于是纤维素便被认为是葡萄糖或双糖的缔合体，天然橡胶便被认为是双异戊二烯的缔合体，进而又将这些胶体与小分子的肥皂或鞣酸的胶体也混为一谈。因此即使也采用“聚合”一词，但这一词在这些场合却成了小分子的物理集合（缔合）的同义语。
虽然有个别化学家提出天然橡胶分子是高分子量的大分子的概念，这些大分子的溶液具有胶体性质。但是，这种大分子的概念在当时没有立即被广泛接受，不少化学家仍然支持环式结构的见解。
1926年，斯本先和多尔指出：前人用X射线测定纤维素及拉伸橡胶的晶胞，看到它们与相应的小分子极为接近，因此便错误地认为整个分子不会大于晶胞。但他们认为纤维素分子是可以从一个晶胞通过晶格长入另一个晶胞而成为直链形状的。1928年施陶丁格同意这个意见，并指出纤维素及橡胶分子的晶胞的大小或晶体的大小都与线形高分子的长度无关。因为一个大分子可以通过好些晶胞从一个结晶区通过一个无定形区，然后再进入另一结晶区。这是对当时环式结构错误见解的一个指正。1928年，迈耶和马克提出橡胶分子的硫化就是使大分子间形成共价的交联，从而区别了线形高分子与网状高分子。1930年施陶丁格又进一步提出高分子稀溶液的粘度与它们分子量之间的定量关系，从而进入定量测定高分子分子量的阶段。1932年，他发表了第一部关于高分子有机化合物的总结性论著。于是，从大分子概念的提出又进一步迈入了高分子化学的建立阶段。
德国化学家施陶丁格，哲学教授之子，曾在慕尼黑大学和哈雷大学受教育，1903年获哈雷大学博士学位。1926年起任弗赖堡大学教授，直到1951年退休。
1922年施陶丁格将大分子这一术语引入化学，他继而提出非正统的观点，认为分子不能达到想多大就多大是没有道理的。他争辩说链状分子几乎可以构成任何长度，因为原子是以正常价键联系在一起的。这种观点现在看来是平常的，但在当时认为是很奇怪的，有些人认为它是荒唐可笑的。一般公认的观点认为分子量超过5000的分子是很多小分子以维尔纳的副价而成的聚集体。
1926年施陶丁格在苏黎世化学会上在暴风雨般的气氛中面对他的最严厉的批评家为自己的长度理论作了辩护。过了几年，由于斯韦德贝洛发明的超离心机才使问题彻底解决，结果证明对施陶丁格有利。此后经过10年，施陶丁格的说法逐渐站住了脚。特别起作用的是X射线结晶分析的结果证明他的说法无误。当时，聚合产物在工业技术中的用处也不断增加。于是塑料工业便蓬勃发展了起来。这时才明白施陶丁格的聚合产物分子结构的学说，对塑料工业的发展是十分重要的。施陶丁格的工作便形成了一个发现塑料材料和改变塑料性能的坚实理论基础。正是由于他的成就，塑料才发展那么快。而且他的工作对纯粹科学的发展也有很大的影响。最后大家终于承认了施陶丁格的工作是化学中最为重要的成就之一。由于“他在高分子化学领域中的发现”，授予他1953年诺贝尔化学奖。
生物化学
在19世纪，生物化学研究经常受到人们的轻视。它被看作是粗糙不精的，因为生物化学家们很少去研究纯物质，并且实验常常是在缺乏适当控制下进行的。然而，这些批评者却往往站不住脚，并且批评者也常常不能理解那些研究者们遇到的问题。尽管如此，生物化学对于许多从事更精密研究的化学家们来说仍然是一个前途渺茫的领域。
自1900年以来，生物化学家们开始受到人们的极大注意。自然他们所获得成功部分归因于早期的基础研究工作，而大部分则归因于人们对他们所持的更严厉的批评态度和他们所利用的那些更为先进的实验方法。生物化学只有依靠分析、有机、物理化学方面的先进技术才会成为一门精密科学。
生物化学的重要研究目标是蛋白质。动物机体中的蛋白质含量约为45%。植物机体中含蛋白质要少些。19世纪60年代前对蛋白质的研究，如同对动植物机体其他物质的研究一样，只是限于化学分析时期的水平。研究蛋白质分子结构及蛋白质分子的合成工作，基本上在20世纪才得到发展。
除蛋白质外，生物化学还研究动植物机体中的其他各种各样物质，其中包括核酸、碳水化合物、类脂物、酶、维生素、激素，还有一些生理活性物质。它们对生物器官的各种功能首先是新陈代谢功能产生影响。
一、蛋白质和酶
类蛋白物质，如蛋清、黏液质及动物胶，自古以来就被人们认识了。“蛋白”一词的来源是因为机体中含的这些物质在很多方面与禽蛋中的蛋白相似。1838年荷兰鹿特丹医学校的一位教师穆尔德（1802～1880年），发表意见认为生物机体基本上由他称之为蛋白质（英文为protein，来自希腊文的“proteus”，原意为是“占主要的”）组成的。
到1842年李比希写《动物化学》一书时，蛋白质已被视为生命系统中所发现的最重要的物质了。1865年，有机的结构化学兴起，提供了越来越多的证据，证明所有的各类分子不仅有一定的组成，而且还有一定的结构。到了19世纪70年代人们已经认识到，分子的几何构型影响到分子的化学性质。与此同时，有机化学家已经逐渐了解到，证明一种分子的实际结构最方便的途径是在实验室里直接合成这种分子。19世纪60～70年代，出现了一个新的化学领域，这就是合成有机化学。
蛋白质的研究受到有机化学本身的各种流派的深刻影响。1860～1900年，人们就已经收集了大量有关蛋白质的物理、化学性质的资料。到20世纪初，已经知道了以下几点：①蛋白质必定是相当大的分子；②蛋白质在溶液中呈胶状；③用热、物理性干扰（如振荡蛋清），或用强酸、强碱处理蛋白质，蛋白质的物理、化学性质（如溶解度）必然要发生改变；④蛋白质与大多数动物的氮和尿素代谢密切相关；⑤蛋白质以繁多的、各式各样的化学类型存在着，不仅在不同的生物体里，而且在同一生物体内蛋白质种类也是很多的；⑥蛋白质能被强酸、强碱分解，被某些盐类氧化，以及被诸如胰蛋白酶或胃蛋白酶这样的蛋白酶消化成较小的片段。
然而，某些其他的观察结果，使得任何一种打算建立蛋白质结构的学说都陷入了混乱之中。例如曾发现当蛋白质被强酸或某些酶降解时（降解的过程叫水解），就会产生许多长短不一的片段。虽然被处理的蛋白质是相同的，但每次处理所得的这些片段却不尽相同。有机化学家也已知道，从蛋白质上分解下来的小的、一定的化学单位叫做氨基酸。然而这些氨基酸和大的蛋白质分子之间的关系一直还是个谜。
到了20世纪初，蛋白质化学的中心问题可以归纳为：蛋白质是不是具有一定化学结构的物质？或者说，它们是由较小的分子以各种不规则的方式聚集而成的吗？与这个问题有关的是另一个不大明确的问题，即蛋白质在生命系统中的化学作用是什么？两个重要的思想流派都对蛋白质的性质提出了“解释”。其一是特别受到威廉·奥斯特瓦尔德和其他物理化学家所拥护的胶体学派。
胶体学派坚持认为，蛋白质是由无一定比例的较小的组分聚集而成的大分子。由于蛋白质无固定的组成，奥斯特瓦尔德认为，研究蛋白质的化学结构是不可能的。由于这个原因及其他因素，胶体学派轻视了蛋白质结构的研究，而集中精力研究蛋白质溶液的物理、化学性质。
第二个学派认为，蛋白质像其他分子一样，是由原子按一定比例排列而组成的。特别是1900～1910年间，由于化学家爱米尔·费歇尔（1852～1919年）有关蛋白质的研究工作而使这个学派占了显著的地位。
费歇尔是一个富商的儿子，于1871年进入波恩大学学习化学，他的老师是结构有机化学的鼻祖凯库勒。1874年费歇尔在斯特拉斯堡大学获得了博士学位后，他就在埃尔兰根和维尔茨堡大学任教，1892年，他终于成了柏林大学的化学教授。鉴于他早期研究决定蛋白质和碳水化合物化学结构的成就，使他获得了1902年的诺贝尔化学奖。在此之前（1899年），费歇尔已经开始详细地研究了蛋白质。作为一个结构化学家，费歇尔确信，蛋白质像其他分子一样，是有一定结构的，如果用正确的方法加以研究，就可以确定蛋白质的固定组成和几何结构。
费歇尔之所以对蛋白质感兴趣，主要是受了生理学的影响。正如他在1906年的一篇论文里所说的：“由于蛋白质以一种或另一种方式参与了生命体内的所有化学过程，所以人们可以期待，通过阐明蛋白质的结构和变化将获得极有意义的生化资料。因此，化学家放弃对这些物质的研究就不足为怪了……而生理学家早已日益重视研究它们，并获得了明显的成就。毫无疑问，发源于蛋白质的有机化学，将最终转向对蛋白质的研究。当生物学与化学成功地合作时，依然存在的分歧意见将仅仅由于涉及不同的资料而引起。”
正是由于研究蛋白质时应用了结构化学，费歇尔才看到了未来生物学可能与化学合作。其后，他为此目标竟不懈地奋斗了15年。费歇尔有资格称为生物化学之父，他在三个主要领域进行了极其广泛的工作：嘌呤、糖和肽，特别是后两项研究建立在有机化学的坚实基础上。
费歇尔开始从事蛋白质研究时，已知有十多种氨基酸是从蛋白质上水解下来的。费歇尔确信，氨基酸是组成蛋白质分子的原材料。他面临的基本问题是，要从对水解产物的分析中推断出完整的蛋白质结构。实际上，直到今天这还是蛋白质化学研究中的一项中心工作。进行这项工作的主要困难，是没有分离各种蛋白质水解产物的满意方法。1901年，费歇尔引进了一项十分重要的技术。他发现通过酯化作用修饰后的分解产物（即单个氨基酸），可以在不改变氨基酸组成的情况下，用蒸馏法将各种氨基酸彼此分开。费歇尔采用这种方法，不仅证明某些氨基酸是蛋白质的降解产物，而且获得了比较纯的样品，他可以估算出蛋白质中各种氨基酸的数量。然后，费歇尔又把这种技术与一系列繁杂的、发展了的程序结合起来，由此，他能分解出单个氨基酸，这是一个两性物质，并把它们联结在一起成为小的单位，分别称为二肽、三肽和四肽等等。通过这些研究，费歇尔发展了肽键学说。肽键是一种化学键，各种氨基酸以肽键相连，形成各种各样的蛋白质。
到1907年，费歇尔已能用他的合成方法，合成含有18个氨基酸的肽链，由于这个肽链较长，所以叫做“多肽”。费歇尔及其他人在为此目标而进行工作时，发展了许多新的化学方法。费歇尔相信，人工合成的多肽有许多性质类似于天然多肽。正如他1907年所写的：“人们不可避免地会产生这样的想法：这是与蛋白质密切有关的产物吗？我相信，由于合成的继续进行……人们将最终搞清楚蛋白质的内部结构。”在这项研究中，费歇尔把两个迥然不同、但又互相补充的化学过程结合起来：①将天然蛋白质分解为单个氨基酸，并对分离出来的氨基酸作定量分析；②将各个氨基酸重新联结起来形成类似于蛋白质的多肽，这是引进生物学研究中的经典的有机化学方法。