Những khác biệt chính giữa cấu trúc và trạng thái hóa học của các chất hữu cơ và vô cơ là gì?
Năm 1817, J. J. Berzelius đã cố gắng mở rộng thuyết điện hóa (được ứng dụng cho các chất vô cơ) sang các chất hữu cơ. Ông cho rằng các hợp chất hữu cơ, cũng như vô cơ, đều có bản chất kép. Tuy nhiên, trong các hợp chất hữu cơ, các nguyên tố (những gốc đơn giản) được thay thế bằng các gốc phức tạp, được cấu thành từ ba nguyên tố (cacbon, hydro, oxy) hoặc, hiếm hơn, từ hai nguyên tố (cacbon và hydro). Berzelius cho rằng yếu tố quan trọng nhất trong hóa học hữu cơ là oxy.
Trong những năm 20 của thế kỷ XIX, vẫn tồn tại những nghi vấn về các nguyên lý hóa học cơ bản: các chất có cùng thành phần định lượng phải có cùng tính chất. Khi lần đầu tiên thu được hai chất khác nhau nhưng có cùng thành phần (một nguyên tử bạc, oxy, cacbon và nitơ), F. Wöhler và J. von Liebig đã tranh luận về tính đúng đắn của các kết quả phân tích. Kết quả là họ thu được một số cặp hợp chất tương tự. J. L. Gay-Lussac là người đầu tiên nhận thấy rằng các kết quả này là chính xác và khẳng định: nếu các chất khác nhau có cùng thành phần nguyên tố, thì vị trí tương đối của các nguyên tử trong phân tử phải khác nhau.
Năm 1830, Berzelius gọi hiện tượng này là đồng phân. Từ năm 1831, ông quan sát hiện tượng polyme và metame như những trường hợp đặc biệt của đồng phân. Thuật ngữ “polyme” chỉ những hợp chất có thành phần tương tự nhưng khác nhau về kích thước phân tử. Thuật ngữ “metame” dùng để chỉ những hợp chất có cùng thành phần hóa học và khối lượng phân tử, nhưng khác nhau về tính chất hóa học. Berzelius cho rằng các nguyên tử trong các chất này được liên kết theo những cách khác nhau.
Với sự xuất hiện của giả thuyết đồng phân, cuộc tranh luận giữa Wöhler và Liebig đã được giải quyết. Năm 1832, họ bắt đầu hợp tác nghiên cứu axit benzoic và dầu hạnh nhân đắng (benzaldehyde). Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các dẫn xuất của axit benzoic luôn chứa một nhóm nguyên tử C₆H₅CO, được gọi là benzoyl. Nhóm này giữ nguyên thành phần khi tham gia vào các hợp chất hữu cơ khác nhau. Berzelius xem đây là bằng chứng cho lý thuyết gốc tự do của mình, theo đó các hợp chất hữu cơ gồm một gốc mang điện dương và một phần mang điện âm (trên nguyên tử oxy hoặc nguyên tố khác). Sau đó, người ta cũng phát hiện thêm các gốc như ethyl và nhiều gốc tự do khác.
Jean-Baptiste André Dumas (1800–1884), nhà hóa học người Pháp, nghiên cứu chủ yếu về hóa học hữu cơ. Ông đề xuất phương pháp xác định nitơ trong các hợp chất hữu cơ và điều chế nhiều rượu, este cùng các chất hữu cơ khác.
Trong một thời gian, hóa học hữu cơ được xem là hóa học của các gốc tự do. Tuy nhiên, J. B. Dumas phát hiện rằng trong một số hợp chất, nguyên tử hydro mang điện tích dương có thể bị thay thế bởi các nguyên tố mang điện âm như halogen hoặc oxy. Ông gọi các nhóm nguyên tử vẫn giữ gần như nguyên tính chất khi xảy ra sự thay thế là nhóm chức. Ví dụ, ông nghiên cứu axit axetic và axit cloaxetic. Lý thuyết nhóm chức dần thay thế lý thuyết gốc tự do.
Từ đó, các hợp chất hữu cơ không còn được coi là tổng của các phần mang điện tích dương và âm, mà là một thể thống nhất. Quan điểm này được củng cố qua nghiên cứu về tính chất của axit. Liebig kết luận rằng axit chứa hydro có thể bị thay thế bởi kim loại (tức là có tính axit).
Một trong những người ủng hộ lý thuyết của Dumas là O. Laurent. Ông đã kiểm chứng thực nghiệm và phát triển lý thuyết này. Năm 1836, Laurent xây dựng lý thuyết hạt nhân, trong đó ông phân biệt:
- Hạt nhân cơ bản (gồm carbon và hydro)
- Các dẫn xuất của hạt nhân (được tạo ra từ hạt nhân cơ bản)
Auguste Laurent (1807–1853) là nhà hóa học hữu cơ người Pháp. Ông phát hiện nhiều hợp chất hữu cơ mới, xây dựng lý thuyết hạt nhân và quy tắc chẵn – lẻ, đồng thời làm rõ các khái niệm phân tử, nguyên tử và đương lượng.
Năm 1852, C. Gérard xây dựng lý thuyết kiểu (type), theo đó tất cả các hợp chất hữu cơ có thể được quy về bốn dạng phân tử cơ bản: H₂, HCl, H₂O và NH₃. Từ các dạng này, bằng cách thay thế nguyên tử hydro bằng các gốc tự do, ông suy ra công thức của nhiều hợp chất khác.
Lý thuyết hạt nhân dần trở nên phổ biến trong giới hóa học. Năm 1880, nhà hóa học hữu cơ Fyodor Beilstein (1838–1906) xuất bản một tài liệu hướng dẫn về các hợp chất hữu cơ, trong đó áp dụng lý thuyết của Laurent để sắp xếp các hợp chất một cách hợp lý.
Charles Frédéric Gérard (1816–1856), nhà hóa học người Pháp, đã phân biệt rõ khái niệm phân tử và nguyên tử, góp phần củng cố định luật Avogadro. Ông xem các hợp chất hữu cơ như một hệ thống thống nhất được tạo thành từ sự tương tác giữa các nguyên tử và phát triển lý thuyết kiểu chất.
Câu hỏi
- Những lý thuyết đầu tiên của hóa học hữu cơ đã phù hợp với các quan điểm hiện đại về cấu trúc hợp chất hữu cơ đến mức nào?
- Tại sao lý thuyết của Laurent lại thuận tiện cho việc phân loại các hợp chất hữu cơ?