DẪN NHẬP

Vì thiếu một chiếc đinh, không đóng được móng sắt

Vì thiếu chiếc móng sắt, ngựa chiến không sẵn sàng

Vì thiếu một ngựa chiến, hiệp sĩ đã không đến

Vì hiệp sĩ không đến, cuộc chiến đã thất bại

Vì cuộc chiến thất bại, vương quốc đã sụp đổ

Và tất cả chỉ vì, thiếu chiếc đinh móng ngựa

- ĐỒNG DAO CỔ NƯỚC ANH

VÀO THÁNG 6 NĂM 1812, quân đội của hoàng đế Napoleon bao gồm 600.000 binh sĩ mạnh mẽ. Chỉ đến đầu tháng 12, đội quân Grande Armée bất khả chiến bại một thời chỉ còn lại chưa tới 10.000 người. Đoàn bại binh tơi tả của Napoleon đang vượt sông Berezina, gần thành phố Borisov phía tây nước Nga, trên đường rút lui từ Moscow. Những người lính còn sống sót đối mặt với trình trạng thiếu lương thực trầm trọng, bệnh tật và giá rét: những kẻ thù vô hình đã cùng với quân đội nước Nga đánh bại họ. Rất nhiều trong số họ ở trong tình trạng chờ chết, không đủ áo ấm, và cũng không được trang bị đủ để chống lại cái lạnh cắt da cắt thịt của mùa đông nước Nga.

Việc quân đội của Napoleon rút khỏi Moscow đã ảnh hưởng rất lớn đến bản đồ châu Âu. Vào năm 1812, tầng lớp nông nô chiếm đến 90% dân số của nước Nga. Họ là tài sản của các địa chủ, bị mua bán hoặc trao đổi tùy theo ý thích của chủ. Tình trạng này giống chế độ nô lệ hơn là chế độ nông nô ở Tây Âu vào thời kỳ đó. Những nguyên tắc và tư tưởng chủ đạo của cuộc Cách mạng Pháp thời kỳ 1789-1799 đã luôn đồng hành cùng Binh đoàn vĩ đại của Napoleon, phá vỡ những thể chế xã hội lạc hậu thời trung cổ, thay đổi các khuôn thước chính trị, và khơi gợi những khái niệm của chủ nghĩa dân tộc tại nơi nó đến. Di sản Napoleon để lại rất thiết thực: các bộ luật và những quy tắc hành chính dân sự công cộng đã thay thế hoàn toàn hệ thống luật lệ địa phương vùng miền đầy rắc rối, và những khái niệm mới về cá nhân, gia đình và quyền sở hữu tài sản đã được đưa vào thực hành. Hệ thống đo lường thập phân cũng được sử dụng và dần trở thành tiêu chuẩn, thay thế cho một mớ hỗn độn của hàng trăm cách thức đo đếm tại địa phương.

Điều gì đã khiến đoàn quân vĩ đại nhất của Napoleon thất bại đau đớn như vậy? Tại sao đội quân bất khả chiến bại của Napoleon lại thua cuộc thảm hại trong chiến dịch tại nước Nga? Một trong những lời giải thích kỳ lạ nhất, biến tấu lại từ bài đồng dao cổ của nước Anh, là “vì thiếu một chiếc nút áo”. Dường như kỳ lạ đến mức khó tin, sự tan tác của đội quân Napoleon có thể xuất phát từ sự phân rã của một vật quá nhỏ bé là chiếc nút áo, một chiếc nút áo bằng thiếc, chính xác là loại nút nhỏ được dùng để cài kín tất cả các loại áo quần: từ áo choàng của sĩ quan đến những chiếc quần và áo khoác của bộ binh. Khi nhiệt độ giảm xuống thấp, kim loại thiếc sáng loáng bắt đầu chuyển hóa thành loại bột vụn phi kim màu xám; bột này vẫn là thiếc nhưng có cấu trúc khác với thiếc kim loại. Phải chăng đây chính là điều đã xảy ra với những chiếc nút áo bằng thiếc được đính trên quân phục của đội quân Napoleon. Một nhân chứng tại Borisov đã mô tả đoàn quân của Napoleon như “một đám những con ma khoác các tấm chăn cũ, áo choàng phụ nữ cũ, thảm hoặc áo khoác cũ thủng lỗ chỗ”. Phải chăng, khi các chiếc nút thiếc bị rã ra thành bột tại nhiệt độ thấp, binh lính của Napoleon đã trở nên quá yếu ớt bởi cái lạnh kinh khiếp của mùa đông nước Nga, đến mức họ không thể hoàn thành được các nhiệm vụ chiến đấu? Phải chăng do những chiếc nút bị rụng mất mà người lính phải dùng tay để giữ chặt áo, thay vì cầm vũ khí?

Tất nhiên, có rất nhiều vấn đề trong việc xác minh tính đúng đắn của giả thuyết trên. “Bệnh của thiếc”, cái tên được đặt cho sự biến đổi dạng thù hình của kim loại thiếc khi nhiệt độ giảm thấp, đã được biết đến từ nhiều thế kỷ trước tại vùng Bắc Âu. Tại sao Napoleon, vị danh tướng luôn tin vào việc trạng thái thể chất sung mãn của binh sĩ sẽ quyết định kết quả của trận chiến, lại cho phép sử dụng những chiếc nút bằng thiếc cho trang phục của binh sĩ? Một vấn đề nữa là quá trình vỡ vụn của các chiếc nút thiếc này là một quá trình xảy ra rất chậm, ngay cả tại nhiệt độ rất thấp của mùa đông vô cùng nghiệt ngã ở nước Nga năm 1812. Dù sao đi nữa, giả thuyết này tạo nên một câu chuyện hết sức thú vị, và các nhà hóa học vẫn thường trích dẫn nó một cách thích thú như là một nguyên nhân mang tính hóa học gây ra sự thất bại trong cuộc chiến của Napoleon. Và nếu như giả thuyết nêu trên là đúng, thì chúng ta sẽ phải tự hỏi liệu quân đội Pháp có thể tiếp tục tiến quân về hướng Đông hay không nếu thiếc không thay đổi cấu trúc và biến thành bột dưới điều kiện nhiệt độ thấp. Khi đó, người dân Nga có thể thoát khỏi chế độ nông nô sớm hơn khoảng một nửa thế kỷ^⁽¹⁾? Và như vậy, liệu rằng sự khác biệt giữa Đông Âu và Tây Âu - sự khác biệt đã luôn song hành với sự mở rộng của đế chế Napoleon, và đồng thời cũng là minh chứng rõ ràng nhất cho những ảnh hưởng to lớn ông để lại cho lịch sử nhân loại - sẽ vẫn rõ ràng cho đến tận thời đại ngày nay?

Trong suốt chiều dài lịch sử, kim loại là yếu tố then chốt trong việc định hình những sự kiện quan trọng của con người. Ngoài vai trò để lại nhiều nghi vấn trong câu chuyện về những chiếc nút áo của Napoleon, thiếc từ những mỏ quặng vùng Cornish phía nam nước Anh được người La Mã đánh giá rất cao và săn lùng, đó cũng là nguyên nhân sự bành trướng của Đế quốc La Mã đến đảo quốc Anh. Đến năm 1650, ước tính khoảng 16.000 tấn bạc từ những mỏ quặng của Tân Thế Giới đã được nhập vào kho tàng của các nước Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha, và phần lớn số bạc này được sử dụng để hỗ trợ cho các cuộc chiến tranh ở châu Âu. Công cuộc tìm kiếm vàng và bạc có những ảnh hưởng to lớn đến các cuộc khám phá, các đợt định cư, và môi trường của rất nhiều vùng đất; ví dụ như những cơn sốt vàng vào thế kỷ 19 ở California (Mỹ), Australia, Nam Phi, New Zealand và Klondike (Canada) đã giúp những đất nước này mở mang và phát triển rất nhiều. Đồng thời, trong ngôn ngữ của chúng ta cũng có nhiều từ ngữ liên quan đến kim loại này: viên gạch vàng, tiêu chuẩn vàng, quý như vàng, thời hoàng kim,… Tên gọi của nhiều kỷ nguyên trong lịch sử được đặt để nhấn mạnh tầm quan trọng của kim loại trong thời kỳ đó. Thời đại đồ đồng, khi đồng đỏ - một hợp kim của đồng và thiếc - được dùng để chế tạo vũ khí và công cụ lao động, được tiếp nối bởi Thời đại đồ sắt, thời kỳ đặc trưng bởi việc rèn sắt và sử dụng các dụng cụ làm từ sắt.

Nhưng phải chăng chỉ có các kim loại như thiếc, sắt hay vàng có vai trò định hình lịch sử? Kim loại là các nguyên tố - các chất không thể phân hủy thành các chất đơn giản hơn bằng các phản ứng hóa học. Có tổng cộng chín mươi nguyên tố có thể tìm thấy trong tự nhiên, và chỉ khoảng mười chín nguyên tố khác được con người tạo ra. Thế nhưng có đến bảy triệu hợp chất tạo thành từ hai nguyên tố trở lên theo một tỷ lệ nhất định, và kết hợp với nhau bằng những liên kết hóa học. Như vậy, chắc chắn phải có những hợp chất đóng vai trò quan trọng trong lịch sử loài người, những hợp chất mà nếu không có chúng, văn minh nhân loại đã phải phát triển theo một hướng hoàn toàn khác, chúng đóng vai trò thiết yếu trong việc thay đổi kết quả của những sự kiện mang tầm vóc toàn cầu. Đây là một ý tưởng rất hấp dẫn và cũng chính là chủ đề nhất quán cho tất cả các chương của quyển sách này.

Khi nhìn vào những hợp chất phổ biến và cả những hợp chất không quá phổ biến dưới lăng kính này, nhiều câu chuyện hấp dẫn đã được kết nối và phát hiện. Ví dụ như trong Hiệp ước Breda năm 1667, người Hà Lan đã đổi vùng đất duy nhất họ có tại lục địa Bắc Mỹ để lấy hòn đảo Run nhỏ bé thuộc quần đảo Banda, một nhóm nhỏ các đảo tại vùng Moluccas (thường được gọi là quần đảo Gia Vị) nằm ở phía đông của đảo Java, Indonesia. Bên còn lại trong Hiệp ước này, nước Anh, đã từ bỏ chủ quyền của mình tại đảo Run, hòn đảo có tài sản duy nhất là rừng cây nhục đậu khấu, để đổi lấy quyền làm chủ một mảnh đất nhỏ khác ở cách xa nửa vòng trái đất: đảo Manhattan.

Người Hà Lan tuyên bố chủ quyền đối với Manhattan chỉ ít lâu sau khi Henry Hudson, trong chuyến thám hiểm để tìm một ngã biển theo hướng tây Bắc dẫn đến phía đông của Ấn Độ và quần đảo Gia Vị nổi tiếng trong truyền thuyết, đến được nơi này. Năm 1664, thống đốc Hà Lan tại New Amsterdam⁽²⁾, Peter Stuyvesant, đã buộc phải đầu hàng và giao vùng đất này lại cho người Anh. Sự phản đối của Hà Lan đối với cuộc xâm chiếm đó và những tranh chấp về chủ quyền các vùng đất khác khiến cuộc chiến giữa hai quốc gia kéo dài trong suốt gần ba năm. Việc người Anh tuyên bố chủ quyền trên đảo Run đã làm người Hà Lan nổi giận, bởi lẽ chỉ cần thôn tính thêm đảo Run thì người Hà Lan sẽ có thể hoàn toàn độc quyền thương mại các sản phẩm từ nhục đậu khấu. Hà Lan, một quốc gia có lịch sử xâm chiếm thuộc địa vô cùng tàn bạo với vô số các cuộc tàn sát và đàn áp, bắt dân bản địa làm nô lệ tại các vùng đất họ chiếm đóng, không hề muốn người Anh được dự phần vào lĩnh vực thương mại gia vị béo bở này. Sau bốn năm vây hãm với những cuộc đụng độ đẫm máu, người Hà Lan cuối cùng cũng tràn vào xâm chiếm đảo Run. Người Anh trả đũa bằng cách tấn công các chuyến tàu chất đầy hàng hóa giá trị của công ty East India (Tây Ấn Độ) của Hà Lan.

Người Hà Lan muốn người Anh phải đền bù cho những hành động cướp bóc trên biển và muốn lấy lại New Amsterdam; trong khi đó người Anh yêu cầu người Hà Lan phải bồi thường cho những hành động phá hoại của họ tại Tây Ấn và muốn lấy lại đảo Run. Không bên nào chịu nhượng bộ, và cuộc hải chiến cũng bất phân thắng bại, trong tình hình đó, Hiệp ước Breda được ký kết như một cứu cánh cho thể diện của cả hai bên. Người Anh có thể giữ Manhattan và phải tuyên bố từ bỏ chủ quyền trên đảo Run; và người Hà Lan có được đảo Run nhưng cũng phải quên đi mọi đòi hỏi của họ đối với New Amsterdam. Khi cờ nước Anh được kéo lên phấp phới tại New York, tên mới của New Amsterdam, dường như bên chiếm được phần lợi nhiều hơn trong Hiệp ước này là người Hà Lan. Lúc đó không ai cho rằng giá trị của một mảnh đất nhỏ với chỉ vài ngàn dân ở Tân Thế Giới lại có thể so sánh với lợi nhuận khổng lồ của việc kinh doanh nhục đậu khấu.

Vì sao nhục đậu khấu có giá trị như vậy? Cũng như các loại gia vị khác như đinh hương, hồ tiêu hay quế chi, nhục đậu khấu được dùng nhiều tại châu Âu để bảo quản thực phẩm, tạo hương vị cho thực phẩm và làm thuốc. Nhưng nó còn có một vai trò khác rất quan trọng: người ta đã cho rằng nhục đậu khấu có thể bảo vệ con người khỏi bệnh dịch hạch, được mệnh danh “Cái Chết Đen”, căn bệnh đã hoành hành trên toàn bộ châu Âu trong suốt gần 400 năm từ thế kỷ 14 đến thế kỷ 18.

Hiện giờ chúng ta biết rằng Cái Chết Đen là một bệnh do vi khuẩn lây lan thông qua các vết đốt của những con bọ chét ký sinh trên chuột bị nhiễm bệnh. Như vậy, đeo một túi nhỏ nhục đậu khấu quanh cổ để ngăn ngừa bệnh dịch hạch dường như chỉ là một hành động mê tín thời trung cổ. Thế nhưng, nếu xét đến các hợp chất hóa học của nhục đậu khấu, thì vấn đề lại trở nên khác biệt. Mùi hương đặc trưng của nhục đậu khấu là do hợp chất isoeugenol có trong loại hạt này tạo ra. Cơ chế bảo vệ tự nhiên của các loài thực vật đã sản sinh ra isoeugenol và các hợp chất tương tự giúp chúng chống lại các loài thú ăn cỏ, các loài sâu bọ và nấm mốc. Rất có khả năng isoeugenol trong nhục đậu khấu chính là một chất trừ sâu bọ tự nhiên ngăn cản được loại bọ chét nguy hiểm gây ra bệnh dịch hạch. (Tất nhiên, khi bạn đủ giàu để có được nhục đậu khấu trong thời kỳ đó, bạn ắt hẳn đã sống trong một môi trường sạch sẽ, ít đông đúc, ít chuột và bọ hơn. Điều này cũng giúp bạn tiếp xúc ít hơn với nguồn gây bệnh dịch hạch).

Cho dù nhục đậu khấu có hiệu quả đối với bệnh dịch hạch hay không thì giá trị của nó vẫn luôn nằm ở những phân tử vòng thơm dễ bay hơi có trong nó. Các cuộc thám hiểm và khai phá, kéo theo việc kinh doanh gia vị, Hiệp ước Breda, và sự thật là người dân New York hiện giờ không phải là người New Amsterdam thật ra đều có lý do sâu xa phát xuất từ hợp chất isoeugenol.

Câu chuyện của isoeugenol dẫn dắt chúng ta đến việc suy ngẫm về nhiều hợp chất hóa học khác đã có ảnh hưởng thay đổi thế giới. Một số hợp chất ngày nay vẫn đóng vai trò vô cùng quan trọng và thiết yếu đối với nền kinh tế thế giới hoặc sức khỏe con người, trong khi một số khác đã chìm dần vào quên lãng. Tuy vậy, tất cả các hợp chất hóa học này đã từng là lý do của những sự kiện then chốt trong lịch sử nhân loại, hoặc đã tạo ra một loạt các sự kiện thay đổi sâu sắc xã hội loài người.

Chúng tôi quyết định viết cuốn sách này để kể lại những câu chuyện thú vị về mối liên hệ giữa các cấu trúc hóa học và các giai đoạn lịch sử; để chứng tỏ rằng rất nhiều sự kiện có vẻ như không liên quan gì đến nhau, thực ra lại phụ thuộc vào những phân tử hóa học rất giống nhau, và để hiểu sự phát triển của xã hội phụ thuộc như thế nào vào một số hợp chất hóa học nhất định. Ý tưởng cho rằng những cột mốc lịch sử quan trọng có thể phụ thuộc vào một phân tử nhỏ bé - một nhóm của hai hoặc nhiều nguyên tử gắn kết với nhau trong một trật tự sắp xếp nhất định - là một cách nhìn nhận hoàn toàn mới về sự phát triển của văn minh nhân loại. Một thay đổi rất nhỏ, ví dụ như vị trí của một liên kết hóa học trong phân tử, có thể dẫn đến những thay đổi to lớn trong tính chất của hợp chất, và hợp chất này có thể ảnh hưởng đến kết quả của các dòng chảy lịch sử. Như vậy, cuốn sách này không nói về lịch sử của hóa học, mà chủ yếu nói về vai trò của hóa học trong lịch sử thế giới.

Việc lựa chọn những hợp chất đưa vào cuốn sách này là một lựa chọn cá nhân, và quyết định cuối cùng không thể nào bao quát hết mọi khía cạnh. Chúng tôi chỉ chọn những hợp chất chúng tôi thấy thú vị nhất cả về mặt hóa học lẫn câu chuyện liên quan đến chúng. Những phân tử chúng tôi đưa vào sách này có phải là những phân tử quan trọng nhất trong lịch sử thế giới hay không, chắc chắn còn nhiều bàn cãi, và các đồng nghiệp trong lĩnh vực hóa học hoàn toàn có thể đưa thêm vào hoặc loại ra một vài hóa chất từ danh sách chúng tôi đề xuất. Chúng tôi sẽ giải thích tại sao chúng tôi tin rằng một vài hợp chất là động lực cho những cuộc thám hiểm địa lý, trong khi một số khác đã làm cho các cuộc thám hiểm xảy ra một cách trọn vẹn hơn. Chúng tôi sẽ mô tả các phân tử đã đóng vai trò then chốt cho sự phát triển của kinh doanh thương mại thế giới, là nguyên nhân của các cuộc di dân và sự hình thành chế độ thuộc địa, dẫn đến chế độ nô lệ và lao động cưỡng bức. Chúng tôi cũng sẽ bàn luận về chủ đề cấu trúc hóa học của một số phân tử đã làm thay đổi thói quen ẩm thực và cách ăn mặc của con người như thế nào. Chúng tôi sẽ xem xét các hợp chất đã tạo ra những đột phá trong y học, vệ sinh dịch tễ công cộng và sức khỏe của con người. Chúng tôi cũng sẽ nói về các phân tử hóa học đã tạo nên những thành tựu quan trọng trong kỹ thuật công nghệ, và những phân tử của chiến tranh và hòa bình - một số phân tử đã cướp đi hàng triệu sinh mạng; trong khi đó một số khác đã cứu giúp cuộc sống của hàng triệu người. Chúng tôi cũng sẽ đưa ra những diễn giải cho những thay đổi sâu sắc trong quan niệm về vai trò của giới tính trong xã hội và văn hóa nhân loại, trong luật pháp và trong môi trường, mà nguyên nhân sâu xa là do một số ít các hợp chất vô cùng quan trọng. (17 phân tử chúng tôi tập trung bàn luận trong các chương sách - 17 phân tử được hiểu trong tựa sách - không phải hoàn toàn là các phân tử độc lập. Thường chúng là một nhóm các hợp chất có nét tương đồng về cấu trúc hóa học, tính chất và vai trò trong lịch sử).

Các sự kiện được bàn luận trong cuốn sách này không sắp xếp theo trình tự xảy ra trong lịch sử. Thay vào đó, các chương sách được đặt trên nền tảng của sự liên hệ - đó là sự gắn kết giữa các phân tử giống nhau, giữa các nhóm phân tử giống nhau, và thậm chí giữa các phân tử rất khác nhau về mặt hóa học, nhưng có tính chất giống nhau hoặc cùng liên quan đến những sự kiện tương đồng. Ví dụ như cuộc Cách mạng Công nghiệp đã bắt đầu với lợi nhuận thu được từ một hợp chất (đường) do những nô lệ trong các đồn điền tại châu Mỹ tạo ra, nhưng một hợp chất khác (bông) đã thúc đẩy những chuyển biến quan trọng trong nền kinh tế và xã hội của nước Anh - và về mặt hóa học, có thể coi hai hợp chất này là anh em của một gia đình phân tử hóa học. Hay sự phát triển của ngành công nghiệp hóa chất nước Đức cuối thế kỷ 19 phần nào được tạo nên từ sự phát triển của các chất nhuộm mới từ hắc ín (một chất thải phát sinh trong quá trình sản xuất khí từ than đá). Chính những công ty hóa chất của Đức là nơi đầu tiên phát triển thành công các loại thuốc kháng sinh có thành phần là những phân tử có cấu trúc hóa học tương đồng với các loại thuốc nhuộm mới kể trên. Hắc ín cũng là nguyên liệu để tạo ra chất khử trùng đầu tiên, phenol, là một phân tử có cấu trúc hóa học liên quan đến isoeugenol của nhục đậu khấu, và sau đó đã được dùng để tổng hợp ra loại nhựa nhân tạo đầu tiên. Có rất nhiều những mối liên hệ hóa học như vậy trong lịch sử.

Chúng tôi đã rất bất ngờ với vai trò của thần may mắn trong nhiều khám phá hóa học. Sự may mắn thường được trích dẫn như một điểm then chốt trong nhiều phát hiện quan trọng, nhưng chúng tôi cho rằng khả năng nhận biết các kết quả thí nghiệm bất thường, đặt ra câu hỏi tại sao lại như vậy và làm thế nào để có thể tận dụng kết quả này của các nhà phát minh có tầm quan trọng lớn hơn. Trong rất nhiều ví dụ về quá trình thực nghiệm hóa học, một kết quả kỳ dị nhưng có thể rất quan trọng đã không được để mắt tới, và như vậy, một cơ hội đã mất đi. Vì thế, thay vì hạ thấp những thành quả thu được xuống như một sự ăn may, thì điều cần phải được khen ngợi và đánh giá cao là năng lực phát hiện các khả năng tiềm ẩn từ một kết quả không mong muốn. Một số các nhà phát minh trong cuốn sách này là các nhà hóa học, nhưng cũng có một số các nhà phát minh khác không qua trường lớp đào tạo khoa học nào. Rất nhiều trong số họ có thể được mô tả là những người đặc biệt, đầy nhiệt tình, hoặc vô cùng đam mê. Các câu chuyện của họ rất hấp dẫn.

Hữu cơ - phải chăng là công việc làm vườn?

Để giúp bạn đọc hiểu được các mối quan hệ hóa học trong toàn cuốn sách, đầu tiên chúng tôi sẽ cung cấp một giới thiệu sơ lược về các thuật ngữ hóa học. Rất nhiều hợp chất được bàn đến trong cuốn sách này được phân loại vào nhóm các hợp chất hữu cơ. Trong khoảng 20 đến 30 năm trở lại đây, tính từ hữu cơ đã được hiểu theo một nghĩa hoàn toàn khác so với định nghĩa nguyên thủy của nó. Hiện giờ, thuật ngữ hữu cơ khiến chúng ta liên tường đến công việc làm vườn hoặc các thực phẩm sạch, với ý nghĩa là các hoạt động nông nghiệp được thực hiện mà không sử dụng các loại thuốc trừ sâu, thuốc trừ cỏ nhân tạo, cũng như không dùng phân bón tổng hợp. Thế nhưng từ hữu cơ nguyên thủy là một thuật ngữ hóa học ra đời cách đây hơn 200 năm, vào năm 1807, khi nhà hóa học người Thụy Điển Jons Jakob Berzelius sử dụng thuật ngữ này để chỉ các hợp chất thu được trực tiếp từ những sinh vật sống. Và ngược lại, ông đã sử dụng thuật ngữ vô cơ để chỉ các hợp chất có nguồn gốc không phải từ các sinh vật.

Ý tưởng cho rằng các hợp chất hóa học thu được từ thiên nhiên khác với các hợp chất hóa học khác - đặc biệt là chúng chứa tinh chất của sự sống, cho dù tinh chất này không thể đo đếm hay phát hiện được - là ý tưởng thịnh hành từ thế kỷ 18. Tinh chất đặc biệt này được biết đến dưới tên gọi năng lượng của sự sống. Niềm tin vào những điều huyền bí liên quan đến các hợp chất thu được từ cây cỏ hoặc động vật được đúc kết trong thuyết sức sống. Theo thuyết này, việc tạo ra được các hợp chất hữu cơ trong phòng thí nghiệm là bất khả thi. Thật trớ trêu, chính một học trò của Berzelius đã làm được điều đó. Năm 1828, Friedrich Wohler, sau này là giáo sư hóa học của Đại học Gottingen, Đức, đã đun nóng hợp chất vô cơ ammonia với cyanic acid và tạo thành các tinh thể của hợp chất urea hoàn toàn giống với urea phân lập được từ nước tiểu của động vật.

Cho dù những người theo thuyết sức sống lý luận rằng cyanic acid là hợp chất hữu cơ do nó được chiết xuất từ máu khô, nhưng thuyết sức sống bắt đầu lung lay. Trong vài thập kỷ tiếp theo, thuyết này hoàn toàn bị bác bỏ khi các nhà hóa học khác có thể tạo ra các hợp chất hữu cơ từ nguồn nguyên liệu hoàn toàn vô cơ. Dù vẫn còn một vài nhà khoa học không muốn tin vào điều có vẻ như “dị giáo” này, cuối cùng cái chết của thuyết sức sống đã hoàn toàn được công nhận. Và lúc này, thuật ngữ hữu cơ cần phải được định nghĩa lại.

Hiện nay, các hợp chất hữu cơ được định nghĩa là các hợp chất có chứa nguyên tố carbon. Do đó, hóa học hữu cơ là môn học về các hợp chất của carbon. Tuy vậy, đây không phải là một định nghĩa hoàn hảo, vì có rất nhiều các hợp chất chứa carbon khác chưa bao giờ được các nhà hóa học xem là hợp chất hữu cơ. Lý do của điều này chủ yếu mang tính truyền thống. Ví dụ các hợp chất carbonate bao gồm carbon và oxy, từ rất lâu trước thí nghiệm mang tính khai phá của Wohler, vẫn được cho là có nguồn gốc từ các khoáng chất và không nhất thiết là từ các sinh vật sống. Do vậy đá vôi và đá cẩm thạch (calcium carbonate) và soda (sodium bicarbonate) chưa bao giờ được coi là hữu cơ. Tương tự như vậy, bản thân nguyên tố carbon, dưới dạng kim cương hoặc than chì (graphite) - được khai thác từ các mỏ tự nhiên dưới lòng đất dù hiện nay đã có thể điều chế tổng hợp được - luôn được coi là các hợp chất vô cơ. Carbon dioxide, bao gồm một nguyên tử carbon gắn với hai nguyên tử oxy, đã được biết đến từ nhiều thế kỷ trước, cũng chưa từng được phân loại vào nhóm các hợp chất hữu cơ. Như thế, định nghĩa của hữu cơ không hoàn toàn nhất quán, nhưng xét một cách tổng thể, một hợp chất hữu cơ là một hợp chất chứa carbon, và một hợp chất vô cơ là hợp chất chứa các nguyên tố khác với carbon.

So với bất kỳ nguyên tố nào khác, carbon có nhiều cách tạo liên kết nhất, đồng thời số lượng các nguyên tố khác mà carbon có thể tạo liên kết cũng là nhiều nhất. Vì vậy, số lượng các hợp chất có chứa carbon, trong tự nhiên và nhân tạo, nhiều hơn hẳn số lượng các hợp chất hóa học mà toàn bộ các nguyên tố khác có thể tạo thành. Đây có thể là nguyên nhân khiến bạn đọc nhận thấy trong cuốn sách này có nhiều các hợp chất hữu cơ hơn vô cơ; đồng thời một nguyên nhân khác có lẽ là bởi các tác giả đều là những nhà hóa học hữu cơ.

Các Cấu trúc hóa học: Ta có cần biết đến chúng?

Khi viết cuốn sách này, vấn đề khiến chúng tôi đắn đo nhất là lượng kiến thức về hóa học nên ở mức nào trong các trang sách. Một vài đồng nghiệp khuyên chúng tôi chỉ nên đưa vào ở mức tối thiểu, hoặc là hoàn toàn bỏ hết và chỉ kể về các câu chuyện. Đặc biệt, chúng tôi luôn được khuyên là đừng đưa vào các hình vẽ mô tả cấu trúc hóa học của các hợp chất. Tuy vậy, điều chúng tôi thấy thú vị và hấp dẫn nhất chính là các mối liên hệ giữa cấu trúc hóa học của hợp chất và cấu trúc này tạo nên điều gì, giữa lý do tại sao và như thế nào một hợp chất hóa học lại có tính chất như vậy, và bằng cách nào và tại sao tính chất của hợp chất hóa học đó lại có ảnh hưởng đến các sự kiện trong lịch sử. Tất nhiên, bạn đọc chắc chắn có thể tận hưởng cuốn sách này mà không cần phải quan tâm đến các cấu trúc, nhưng chúng tôi nghĩ rằng hiểu được các cấu trúc hóa học sẽ làm cho mối quan hệ đan chéo giữa hóa học và lịch sử trở nên rõ ràng hơn và vô cùng sống động.

Các hợp chất hữu cơ bao gồm chủ yếu chỉ một vài loại nguyên tử: carbon (ký hiệu hóa học là C); hydro (H), oxy (O), và nitơ (N). Vài nguyên tố khác cũng có thể hiện diện trong các hợp chất hữu cơ, ví dụ như bromine (Br), chlorine (Cl), fluorine (F), iodine (I), phosphorus (P), và sulfur (S). Các cấu trúc hóa học trong sách chủ yếu được vẽ ra để minh họa cho những điểm khác biệt và/hoặc tương đồng giữa các hợp chất; và bạn đọc chỉ cần lưu ý đến những điểm này trong các hình vẽ. Sự khác biệt / tương đồng thường được chỉ dẫn bằng các mũi tên, vòng tròn, hoặc theo một cách thể hiện rõ ràng khác. Ví dụ, sự khác biệt duy nhất giữa hai cấu trúc dưới đây là vị trí của nhóm chức OH gắn vào nguyên tử C; và sự khác biệt này được thể hiện bởi các mũi tên trong mỗi trường hợp. Trong phân tử thứ nhất, nhóm OH được gắn vào nguyên tử C thứ hai từ trái qua; trong khi đó ở phân tử thứ hai, nhóm OH đuợc gắn vào C thứ nhất từ trái qua.

Phân tử do ong chúa tạo ra

Phân tử do ong thợ tạo ra

Đây là một sự khác biệt rất nhỏ, nhưng nó vô cùng quan trọng nếu bạn là một con ong mật. Ong chúa tạo ra phân tử đầu tiên. Các con ong có thể nhận biết được sự khác biệt giữa phân tử này với phân tử thứ hai, được tạo thành bởi ong thợ. Chúng ta có thể mô tả sự khác nhau giữa ong chúa và ong thợ qua hình dạng của chúng, thể hiện trong hình vẽ sau đây.

Ong chúa và Ong thợ (theo thứ tự từ trái sang phải)

(Hình ảnh bản quyền của Raymond và Sylvia Chamberlin)

Ong sử dụng các tín hiệu hóa học để thông báo sự khác biệt. Chúng ta có thể nói rằng chúng nhìn qua lăng kính hóa học.

Các nhà hóa học vẽ các cấu trúc để mô tả cách thức các nguyên tử gắn kết với nhau thông qua các liên kết hóa học. Những ký hiệu hóa học thể hiện các nguyên tử, trong khi đó các liên kết được mô tả bằng những đoạn thẳng. Trong nhiều trường hợp, giữa hai nguyên tử có nhiều hơn một liên kết: có hai liên kết thì đó là một liên kết đôi, được thể hiện bởi ký hiệu =; và nếu có ba liên kết hóa học tồn tại giữa hai nguyên tử, thì đó là một liên kết ba, ký hiệu ≡.

Trong một trong những phân tử hữu cơ đơn giản nhất, methane (hay khí đầm lầy), carbon nằm giữa bốn liên kết đơn nối với bốn nguyên tử hydro. Công thức hóa học của methane là CH₄, và cấu trúc của nó được thể hiện như sau:

Methane

Phân tử hữu cơ đơn giản nhất có chứa liên kết đôi là ethane (còn gọi là ethylene), với công thức C₂H₄ và cấu trúc:

Ethylene

Ở đây, carbon vẫn có tổng cộng bốn liên kết, với liên kết đôi được tính là hai. Mặc dù chỉ là một hợp chất đơn giản, nhưng vai trò của ethylene lại rất quan trọng. Ethylene chính là một loại hormone của thực vật có nhiệm vụ thúc đẩy quá trình chín của trái cây. Ví dụ như quả táo, nếu không được bảo quản trong điều kiện thông thoáng, thì khi đó khí ethylene do quả táo này sinh ra sẽ tích tụ lại và khiến cho quả táo trở nên chín nẫu. Đây cũng chính là nguyên nhân chúng ta có thể khiến cho một số loại trái cây khác chín nhanh hơn, ví dụ như bơ hay kiwi, nếu đặt các loại này vào trong một túi kín với một quả táo đã chín sẵn. Khí ethylene sinh ra từ quả táo đã chín sẽ thúc đẩy tốc độ chín của loại quả còn lại trong túi kín.

Hợp chất hữu cơ methanol, còn được gọi là methyl alcohol hoặc cồn gỗ, có công thức hóa học là CH₄O. Phân tử này có chứa một nguyên tử oxy, và có cấu trúc:

Methanol

Trong phân tử này, nguyên tử oxy, O, có hai liên kết đơn, một với nguyên tử carbon và một với nguyên tử hydro. Nguyên tử carbon luôn có tổng cộng bốn liên kết.

Trong những phân tử có chứa liên kết đôi giữa carbon và oxy, ví dụ như acetic acid (giấm), công thức hóa học của phân tử này là C₂H₄O₂, trong đó không trực tiếp thể hiện vị trí của nối đôi. Đây là lý do tại sao chúng ta cần vẽ các cấu trúc hóa học, nhờ đó có thể chỉ rõ nguyên tử nào nối với nguyên tử nào, và vị trí các liên kết đôi hay liên kết ba ở đâu.

Acetic acid

Cũng có thể vẽ các cấu trúc này trong một cách thức đơn giản và cô đọng hơn. Acetic acid có thể được vẽ như sau:

hoặc

Trong đó, không phải tất cả các liên kết đều được thể hiện. Tất nhiên chúng vẫn tồn tại, nhưng cách biểu diễn rút gọn này có thể được vẽ nhanh hơn trong khi vẫn thể hiện rõ sự liên kết giữa các nguyên tử.

Cách vẽ các cấu trúc hóa học đầy đủ rất hiệu quả với các phân tử nhỏ, nhưng đối với những phân tử phức tạp hơn, cách thể hiện này tốn rất nhiều thời gian và khó theo dõi. Ví dụ nếu chúng ta quay lại phân tử hữu cơ phân biệt mật ong chúa:

và so sánh nó với cách vẽ cụ thể đầy đủ, thể hiện tất cả các liên kết, khi đó ta có cấu trúc:

Cấu trúc đây đủ của phân tử mật ong chúa

Cấu trúc này rõ ràng là khá cồng kềnh và lộn xộn. Vì lý do này, chúng ta thường biểu diễn các hợp chất hóa học theo những cách ngắn gọn hơn. Một cách phổ biến nhất là không thể hiện tất cả các nguyên tử hydro. Tất nhiên chúng vẫn ở đó, ta chỉ không thể hiện chúng mà thôi. Một nguyên tử carbon luôn có bốn liên kết, do vậy khi không thấy đủ bốn liên kết của một nguyên tử carbon trong mô tả cấu trúc, ta phải hiểu rằng các liên kết không được thể hiện là các liên kết của carbon với các nguyên tử hydro.

Phân tử nhận biết mật ong chúa

Tiếp theo, dãy liên kết các nguyên tử carbon thường được biểu diễn theo dạng gấp khúc thay cho đoạn thẳng nằm ngang; điều này thể hiện hình dạng của phân tử gần với thực tế hơn. Voi cách thể hiện này, phân tử mật ong chúa sẽ là:

Một cách thức đơn giản hơn nữa là không thể hiện hầu hết các nguyên tử carbon:

Ở đây, các nguyên tử carbon được ngầm hiểu là có mặt tại mỗi điểm cuối và điểm giao giữa các đoạn thẳng. Tất cả các nguyên tử khác (ngoại trừ hydro và phần lớn các nguyên tử carbon) vẫn được thể hiện trong hình vẽ. Với việc đơn giản hóa cách thức mô tả cấu trúc như vậy, sự khác biệt giữa phân tử mật của ong chúa và ong thợ có thể được nhận biết dễ dàng hơn.

Phân tử mật ong chúa và phân tử mật ong thợ (theo thứ tự từ trái sang phải)

Đồng thời các phân tử này giờ đây có thể được so sánh dễ dàng hơn với những hợp chất tiết ra từ các loại sâu bọ khác. Ví dụ như bombykol, chất pheromone hoặc phân tử hấp dẫn đồng loại khác giới được tiết ra bởi sâu tằm đực, có 16 nguyên tử carbon (phân tử mật ong chúa cũng là một loại pheromone nhưng chỉ có mười nguyên tử carbon), và hai liên kết đôi (so với một trong phân tử mật ong chúa), đồng thời thiếu một nhóm chức COOH.

Phân tử mật ong chúa và phân tử Bombykol (theo thứ tự từ trái sang phải)

Việc bỏ qua không thể hiện các nguyên tử hydro và carbon đặc biệt hữu dụng khi mô tả các hợp chất hữu cơ có dạng mạch vòng, một dạng cấu trúc rất phổ biến với các nguyên tử carbon kết thành vòng, cấu trúc sau đây thể hiện phân tử cyclohexane, C₆H₁₂:

Cấu trúc hóa học rút gọn của cyclohexane. Mỗi điểm giao thể hiện một nguyên tử carbon; các nguyên tử hydro không được thể hiện.

Nếu được vẽ một cách đầy đủ, cyclohexane sẽ có dạng:

Cấu trúc hóa học đầy đủ của cyclohexane với tất cả các nguyên tử và liên kết.

Bạn có thể thấy là khi ta thể hiện tất cả các nguyên tử và liên kết, hình vẽ thu được rất rối loạn. Nếu ta có một cấu trúc phức tạp hơn nữa, ví dụ như phân tử của thuốc chống trầm cảm Prozac, cách thể hiện đầy đủ khiến cho cấu trúc của phân tử này trở nên cực kỳ rối rắm.

Cấu trúc đầy đủ của Prozac

Nhưng cấu trúc thu gọn của Prozac lại rất rõ ràng:

Vòng thơm là một thuật ngữ khác thường được dùng để mô tả một cấu trúc hóa học. Từ điển giải thích rằng vòng thơm mang ý nghĩa “có mùi thơm dịu, nồng, gắt hoặc thơm phức, thường là mùi dễ chịu”. Về mặt hóa học, các hợp chất vòng thơm thường có mùi, nhưng không phải lúc nào cũng là mùi dễ chịu. Thuật ngữ vòng thơm trong hóa học mang ý nghĩa các hợp chất có chứa cấu trúc vòng của benzene (mô tả bên dưới), là cấu trúc vòng thường được thể hiện dưới dạng thu gọn như sau:

Cấu trúc của benzene

Cấu trúc thu gọn của benzene

Nếu quay lại hình vẽ mô tả Prozac, bạn có thể thấy rằng nó chứa hai vòng thơm, do vậy Prozac được xem là một hợp chất vòng thơm.

Hai vòng thơm trong phân tử Prozac

Những điều nêu trên chỉ là một giới thiệu rất ngắn gọn về các cấu trúc hóa học hữu cơ, nhưng chúng là tất cả những gì bạn cần biết để hiểu được những điều chúng tôi trình bày trong cuốn sách này. Chúng tôi sẽ so sánh các cấu trúc hóa học và chỉ ra điểm khác biệt và tương đồng giữa chúng; đồng thời chúng tôi sẽ cố gắng trình bày về việc những thay đổi vô cùng nhỏ bé đối với một phân tử có thể tạo ra những ảnh hưởng lớn lao như thế nào. Theo dõi những mối liên hệ giữa các hình dạng đặc biệt và các tính chất liên quan của các phân tử khác nhau, và khi đó, ảnh hưởng của các cấu trúc hóa học đối với sự phát triển của văn minh nhân loại sẽ từ từ được hé lộ.