Mỗi năm, số lượng hợp chất hữu cơ tổng hợp tăng thêm khoảng 250.000–300.000 chất, vượt số lượng các chất vô cơ đã biết khoảng 10 lần. Sự đa dạng của các hợp chất hữu cơ được quyết định bởi khả năng liên kết của các nguyên tử cacbon với nhau thông qua liên kết đơn và liên kết bội, tạo thành các mạch hoặc vòng với số nguyên tử gần như không giới hạn, đồng thời hình thành các liên kết bền vững với nhiều nguyên tố hóa học khác.
Tại sao các lý thuyết về cấu trúc hợp chất hữu cơ xuất hiện sớm hơn nhiều so với hóa học vô cơ?
Khi phát hiện ra rằng vô số hợp chất hữu cơ được tạo thành chỉ từ một số ít nguyên tố (C, H, O, N), các nhà hóa học đã rất ngạc nhiên. Họ không thể giải thích vì sao từ cùng những nguyên tố đó lại có thể tạo ra các chất rất khác nhau như giấy, hoa, da hay máu.
Giả thuyết cho rằng các nguyên tố phải tồn tại trong những tổ hợp khác nhau đã dẫn đến sự phát triển của phân tích nguyên tố, và sau này là tổng hợp các hợp chất hữu cơ.
Vai trò của phân tích và tổng hợp trong việc xác định cấu trúc chất là gì?
Phân tích định lượng các chất hữu cơ trong một thời gian dài vẫn còn rất phức tạp và kéo dài. Người ta đốt chất hữu cơ trong sự hiện diện của oxy hoặc chất oxy hóa khác và đo lượng cacbonic cùng nước được hình thành. Người sáng lập phép phân tích nguyên tố các hợp chất hữu cơ là A. L. Lavoisier.
Năm 1784, ông lần đầu tiên thực hiện phép phân tích ethyl alcohol, dầu ô liu và sáp ong. Các trang bị để phân tích chưa hoàn hảo, cho nên các phép phân tích của Lavoisier và những nhà nghiên cứu thành phần các hợp chất hữu cơ tại thời điểm đó chưa chính xác. Tình trạng này chỉ thay đổi sau khi J. von Liebig phát minh ra một thiết bị trở thành công cụ chính để phân tích nguyên tố trong suốt 100 năm sau đó. Thiết bị này được gọi là bộ máy kali (do Liebig sử dụng kali hydroxit kali để hấp thụ khí cacbonic).
Justus von Liebig (1803–1873) là nhà hóa học người Đức. Lĩnh vực nghiên cứu chính của ông là hóa học hữu cơ. Năm 1823, ông lần đầu tiên quan sát hiện tượng đồng phân. Ông là một trong những người sáng lập lý thuyết cơ bản và lý thuyết đa axit; đồng thời cải tiến phương pháp phân tích các chất hữu cơ và xác định chính xác nhiều hợp chất. Từ năm 1839, ông nghiên cứu hóa học của các quá trình sinh lý và đưa ra lý thuyết hóa học về quá trình lên men và thối rữa. Ông cũng là một trong những người sáng lập hóa học nông nghiệp.
Từ nhiều dữ liệu thu được qua phân tích các hợp chất hữu cơ, các nhà khoa học kết luận rằng thành phần của các hợp chất hữu cơ, cũng như vô cơ, có thể được biểu diễn bằng những tỉ lệ nhất định. Tuy nhiên, các nhà hóa học thời đó chưa cố gắng tổng hợp các chất hữu cơ, mặc dù trong thế kỷ XVIII, chính phủ đã trao giải thưởng cho việc tạo ra những hợp chất hiếm như cà phê hoặc ca cao. Theo lý thuyết “hoạt lực sống”, người ta cho rằng các chất hữu cơ chỉ có thể hình thành trong cơ thể sống, như thực vật hoặc động vật bậc cao.
Berthelot, Pierre Eugène Marcel (1827–1907) là nhà hóa học người Pháp. Ông xem tổng hợp là phương pháp chính của hóa học hữu cơ và đã tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ thuộc các lớp khác nhau. Năm 1865, ông bắt đầu nghiên cứu trong lĩnh vực hóa nhiệt và nghiên cứu sự tương tác của thuốc nổ.
Một vài năm sau khi tổng hợp được urê, các nhà hóa học đã thành công trong việc tạo ra nhiều chất hữu cơ khác. Một trong những người sáng lập phương pháp tổng hợp hóa học là nhà hóa học vĩ đại người Pháp M. Berthelot, người đã hệ thống hóa các phương pháp tổng hợp cơ bản của các chất hữu cơ theo một hướng thống nhất. Thực nghiệm của Berthelot tập trung vào việc tổng hợp các hydrocarbon và rượu. Ông đã điều chế được axit formic, axetylen và benzen. Năm 1860, Berthelot xuất bản hai tập “Hóa học hữu cơ dựa trên sự tổng hợp”, và sau đó là các công trình “Bài giảng về các phương pháp chung của tổng hợp hữu cơ” và “Tổng hợp hóa chất”.
Từ giữa thế kỷ XIX, số lượng các hợp chất hữu cơ được điều chế tăng lên nhanh chóng. Phương pháp tổng hợp cho phép làm sáng tỏ cấu trúc của các chất hữu cơ hiệu quả hơn so với kỹ thuật phân tích. Ngoài ra, bằng con đường tổng hợp, người ta đã tạo ra số lượng lớn chất màu, chất thơm và thuốc, nhiều trong số đó đã được sử dụng ở quy mô công nghiệp.
Câu hỏi:
- Những cách nào có thể dùng để đo lượng cacbonic và nước tạo ra trong quá trình đốt cháy chất hữu cơ?
- Bằng cách nào việc tổng hợp các hợp chất hữu cơ có thể giúp xác định cấu trúc của chúng?