Năm một nghìn tám trăm hai mươi tám, nhà hoá học Đức Friedrich Wöhler đun nóng một muối được coi là vô cơ và thu được urê, một chất mà trước đó người ta chỉ tìm thấy trong nước tiểu của người và động vật. Phát hiện ấy làm lung lay niềm tin rằng chất hữu cơ chỉ có thể sinh ra nhờ một sức sống đặc biệt của sinh vật, dù niềm tin đó không sụp đổ chỉ sau một đêm như sách hay kể.
Chào bạn, đây là Nhà Hoá Học. Câu chuyện của Wöhler thường được kể gọn trong một dòng sách giáo khoa. Tập này mình mở rộng nó ra, vì nó chứa một bài học thú vị về cách khoa học thật sự thay đổi.
Thuyết sức sống: ranh giới giữa sống và không sống
Đầu thế kỷ mười chín, các nhà hoá học chia chất thành hai thế giới. Chất vô cơ đến từ khoáng vật, đất đá, kim loại, muối. Chất hữu cơ đến từ sinh vật: đường, dầu, tinh bột, urê, những thứ làm ra từ cây cỏ và cơ thể động vật.
Chất hữu cơ có vẻ khác hẳn. Chúng thường cháy được, dễ bị phân huỷ khi đun, thành phần phức tạp. Nhà hoá học có thể phân tích chúng, nhưng không ai tổng hợp được chúng từ đầu.
Từ đó nảy sinh thuyết sức sống: chất hữu cơ chỉ có thể được tạo ra bên trong sinh vật, nhờ một lực sống đặc biệt mà phòng thí nghiệm không thể có. Nhà hoá học Thuỵ Điển Jöns Jacob Berzelius, một trong những người có uy tín nhất thời đó, cũng nghiêng về quan điểm này.
Đây không phải mê tín. Nó là một cách giải thích hợp lý với những gì người ta biết lúc ấy. Và như mọi giả thuyết tốt, nó chờ một thí nghiệm có thể làm nó lung lay.
Một chất lạ trong ống nghiệm
Wöhler là học trò của Berzelius. Khi đang nghiên cứu các hợp chất xyanat, ông thử cho một muối xyanat phản ứng với một muối amoni, mong thu được amoni xyanat, một muối vô cơ.
Nhưng khi đun dung dịch và để kết tinh, thứ thu được lại không có tính chất của amoni xyanat. Nó là những tinh thể không màu mà khi phân tích kỹ, Wöhler nhận ra giống hệt urê tách từ nước tiểu.
Ông viết thư cho thầy mình với giọng khá phấn khích, đại ý rằng ông có thể làm ra urê mà không cần đến thận, dù là thận người hay thận chó. Câu này về sau trở thành một trong những câu nói nổi tiếng nhất lịch sử hoá học.
Điều quan trọng là nguyên liệu ban đầu của ông được coi là vô cơ. Một chất của sự sống đã ra đời trong ống nghiệm, không cần sinh vật nào.
Đồng phân: cùng thành phần, khác cấu trúc
Giờ mình nói sang một hệ quả mà có lẽ còn quan trọng hơn. Amoni xyanat và urê có thành phần nguyên tố giống hệt nhau, cùng số nguyên tử cacbon, nitơ, hiđrô, ôxy. Vậy mà chúng là hai chất khác nhau, tính chất khác nhau.
Đây là một trong những ví dụ đầu tiên của hiện tượng mà Berzelius về sau đặt tên là đồng phân: cùng một bộ nguyên tử nhưng sắp xếp khác nhau tạo ra chất khác nhau. Nhiệt đã khiến các nguyên tử trong amoni xyanat tự sắp xếp lại thành urê.
Khái niệm đồng phân mở ra cả một cách nhìn mới: trong hoá học, không chỉ có những gì mà còn có cách chúng được nối với nhau. Đó là nền móng của hoá học cấu trúc, và của cả việc thiết kế thuốc hiện đại.
Ngày nay ta biết hai chất có cùng công thức có thể khác nhau một trời một vực. Có những cặp đồng phân, một chất là thuốc, chất kia vô tác dụng hoặc có hại.
Thuyết sức sống có sụp đổ ngay không?
Sách giáo khoa hay kể rằng thí nghiệm của Wöhler đánh đổ thuyết sức sống. Các nhà sử học khoa học cho rằng thực tế phức tạp hơn nhiều.
Thứ nhất, người ta có thể cãi rằng nguyên liệu của Wöhler, các muối xyanat, ban đầu cũng được điều chế từ những chất có nguồn gốc động vật, nên chưa hẳn là vô cơ hoàn toàn. Thứ hai, urê là một phân tử nhỏ, đơn giản, chỉ là chất thải, chưa phải những chất phức tạp của sự sống.
Phải thêm nhiều thập kỷ, với những tổng hợp khác, như việc tổng hợp axit axetic từ các nguyên tố của Hermann Kolbe giữa thế kỷ mười chín, và vô số hợp chất khác, ranh giới giữa hữu cơ và vô cơ mới dần mờ đi. Thuyết sức sống không chết vì một thí nghiệm, mà mòn dần dưới sức nặng của bằng chứng.
Đó là cách khoa học thường đổi hướng: hiếm khi có một khoảnh khắc lật ngược, mà là một chuỗi phát hiện tích luỹ, cho đến khi niềm tin cũ không còn chỗ đứng.
Từ urê của Wöhler đến bao phân bón ngoài đồng
Ngày nay, hoá học hữu cơ không còn được định nghĩa là hoá học của sự sống, mà là hoá học của các hợp chất cacbon. Hàng triệu hợp chất hữu cơ được tổng hợp mỗi năm: thuốc chữa bệnh, nhựa, sợi vải, thuốc nhuộm, chất tạo mùi.
Còn urê thì đi một con đường rất thực tế. Nó trở thành loại phân đạm phổ biến nhất thế giới, được sản xuất với khối lượng khổng lồ từ amoniac và khí cacbonic. Những bao phân urê trắng ngoài đồng ruộng Việt Nam chính là hậu duệ xa của ống nghiệm năm ấy.
Urê cũng có trong kem dưỡng da khô vì nó giúp giữ ẩm, và được dùng trong xử lý khí thải xe chạy dầu.
Wöhler còn có nhiều đóng góp khác như là một trong những người đầu tiên tách được nhôm kim loại. Nhưng tên ông gắn mãi với một ống nghiệm urê. Lần tới thấy bao phân urê, bạn có thể nghĩ đến lá thư hớn hở của một nhà hoá học trẻ khoe với thầy rằng mình làm được urê mà không cần quả thận nào.
Câu hỏi thường gặp
Urê trong kem dưỡng có phải lấy từ nước tiểu không?
Không. Urê trong mỹ phẩm và phân bón đều được tổng hợp công nghiệp, cùng phân tử với urê trong cơ thể nhưng không lấy từ nước tiểu.
Chất hữu cơ và chất vô cơ khác nhau thế nào ngày nay?
Ngày nay chất hữu cơ thường được hiểu là hợp chất của cacbon, trừ một số chất đơn giản như khí cacbonic, muối cacbonat. Ranh giới mang tính quy ước để phân loại, không còn là ranh giới giữa sống và không sống.
Vì sao urê dùng làm phân bón được?
Urê chứa nhiều nitơ. Trong đất, vi sinh vật và enzyme chuyển urê thành amoni và các dạng mà rễ cây hấp thụ được.
Đồng phân có ý nghĩa gì trong thuốc?
Hai phân tử đồng phân có thể tác động lên cơ thể rất khác nhau. Vì vậy khi phát triển thuốc, các nhà khoa học phải xác định chính xác dạng phân tử nào có tác dụng và dạng nào cần loại bỏ.
Berzelius phản ứng thế nào với phát hiện của Wöhler?
Berzelius ghi nhận phát hiện này và dùng nó trong việc phát triển khái niệm đồng phân. Hai thầy trò vẫn giữ quan hệ thư từ thân thiết trong nhiều năm.
