Hóa hữu cơ

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Structure of the organic methane molecule: the simplest hydrocarbon compound.

Hóa hữu cơ hay hóa học hữu cơ là một ngành khoa học nghiên cứu về những cấu trúc, tính chất, thành phần, cách thức phản ứng, và cách tổng hợp của những hợp chất hữu cơ và vật liệu hữu cơ... cũng như nhiều vật chất khác nhau chứa nguyên tử carbon.[1][2] Quá trình nghiên cứu cấu trúc hóa học của một hợp chất hữu cơ có thể ứng dụng nhiều thành tựu trong các lĩnh vực khác phải kể đến như phương pháp quang phổ, phương pháp vật lý và hóa học để định danh và xác định thành phần hóa học cũng như cấu tạo của hợp chất.[3] Hóa hữu cơ nghiên cứu các đặc tính lý hóa của hợp chất, đánh giá mức độ phản ứng cũng như xác định tính chất của chúng ở trạng thái tinh khiết, trong dung dịch, hỗn hợp và các dạng khác. Các nghiên cứu về phản ứng hữu cơ có thể kể đến bao gồm việc chuẩn bị cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ, nghiên cứu mức độ hoạt động của phản ứng, cũng như nghiên cứu các mô hình lý thuyết trên máy tính (in silico).

Phạm vi nghiên cứu của hóa hữu cơ bao gồm các hydrocarbon, hợp chất chỉ chứa các nguyên tử carbonhydro, cũng như hợp chất chứa sườn carbon và các nguyên tố khác.[2][4][5][6][7] Hóa học hữu cơ có thể giao thoa với nhiều lĩnh vực khác phải kể đến như hóa dược, sinh hóa, các hợp chất cơ kim, và hóa học polyme, cũng như nhiều khái cạnh khác của khoa học vật liệu.[2]

Hợp chất hữu cơ là những vật chất cơ bản hình thành nên mọi sự sống trên trái đất. Chúng có cấu trúc vô cùng đa dạng, cũng như vai trò hết sức to lớn. Chúng có thể giữ vai trò là thành phần cơ bản không thể thiếu cũng như cấu thành cấu trúc quan trọng của nhiều sản phẩm thường thấy như nhựa plastic, thuốc, công nghiệp hóa dầu, thực phẩm, các dạng vật liệu nổ, và công nghiệp sơn.

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Lịch sử hóa học

Trước thể kỷ 19, các nhà hóa học nhìn chung tin rằng các hợp chất thu được từ các sinh vật sống được thừa hưởng một sức sống có thể phân biệt chúng với những hợp chất vô cơ. Theo quan điểm về sức sống, các vật chất hữu cơ được sở hữu một "sức sống" (vital force).[8] Trong suốt nửa đầu thế kỷ 19, một vài nghiên cứu có hệ thống đầu tiên về các hợp chất hữu cơ đã được công bố. Khoảng năm 1816 Michel Chevreul đã nghiên cứu xà phòng làm từ nhiều loại mỡ khác nhau và kiềm. Ông đã tách các axit khác nhau, khi kết hợp với kiềm, để tạo ra xà phòng. Vì chúng là tất cả các hợp chất riêng biệt, nên ông đã minh họa rằng nó có thể tạo ra thay đổi về hóa học giữa những loại mỡ khác nhau (thường từ các nguồn hữu cơ), tạo ra các hợp chất mới, mà không có "sức sống". Năm 1828 Friedrich Wöhler đã tạo ra ure hóa hữu cơ (carbamide), một thành phần của urine, từ ammoni cyanat NH4CNO vô cơ, chất mà ngày nay được gọi là tổng hợp Wöhler. Mặc dù Wöhler luôn thận trọng trong việc tuyên bố rằng ông đã bác bỏ các lý thuyết về sức sống, sự kiện này được coi là một bước ngoặt.[8]

Năm 1856 William Henry Perkin, trong khi đang cố gắng chế quinine, đã tạo ra chất nhuộm hữu cơ một cách tình cơ hiện được gọi là Perkin's mauve. Từ thành công về tài chính này của ông, sự phát hiện của ông đã tạo nên mối quan tâm lớn đối với hóa hữu cơ.[9]

Bước đột phá quan trọng trong hóa hữu cơ là quan điểm về cấu trúc hóa học đã phát triển một cách độc lập và đồng thời bởi Friedrich August KekuléArchibald Scott Couper năm 1858.[10]

Ngành công nghiệp dược bắt đầu trong cuối thập niên của thế kỷ 19 khi việc sản xuất ra axit acetylsalicylic (hay aspirin) ở Đức bắt đầu bởi Bayer.[11]

Phân loại các hợp chất hữu cơ[sửa | sửa mã nguồn]

Cơ sở để phân loại các chất hữu cơcấu trúc của chúng. Các chất hữu cơ được chia ra làm 3 nhóm lớn:

Bản thân mỗi nhóm trên lại được chia thành các loại chất. Mỗi loại chất có một nhóm các nguyên tử thể hiện tính chất hoá học đặc trưng gọi là nhóm chức.

Đặc tính[sửa | sửa mã nguồn]

Chất hữu cơ thường tồn tại dưới dạng hỗn hợp, khoa học hiện đại đã phát triển nhiều phương pháp để đánh giá độ tinh sạch, đặc biệt quan trọng phải kể đến là kỹ thuật sắc ký như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và sắc ký khí. Bên cạnh đó là các phương pháp thông thường để tách chiết như chưng cất, kết tinh, và chiết bằng dung môi.

Các hợp chất hữu cơ thông thường được định danh bằng các thí nghiệm hóa học, thường được gọi là "phương pháp ướt" (dùng nhiều các thuốc thử để định tính trong dung dịch). Tuy vậy các phương pháp đó đã dần được thay thế bằng các phương pháp quang phổ hay các máy phân tích chuyên sâu.[12] Các phương pháp phân tích sau được liệt kê theo thứ tự tiện ích cũng tăng dần của phương pháp:

  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là kỹ thuật được dùng phổ biến nhất, phương pháp này cho phép đọc các thông tin tính hiệu từ các nguyên tử và cấu trúc lập thể từ đó chuyển chúng thành các phổ tương quan. Nguyên tắc của phương pháp dựa vào sự hiện diện của các đồng vị tự nhiên của hydrocarbon, từ đó mà có phổ NMR của 1H và 13C.
  • Phương pháp phân tích cơ bản: phương pháp này phá hủy toàn phân tử hữu cơ và từ đó xác định thành phần nguyên tố của toàn phân tử. Đây là phương pháp sơ khai nhất làm nền tản cho phương pháp khối phổ.
  • Phương pháp khối phổ cho thấy phân tử khối của một hợp chất hữu cơ đầy đủ, cùng với các mảnh phân tử bị vỡ ra từ sự bắn phá của các điện tử, từ đó có thể xác định các cấu trúc của nó. Các máy khối phổ có độ phân giải cao có thể ác định được chính xác cấu trúc thực tế của phân tử hữu cơ và được dùng để thay thế cho phương pháp phân tích cơ bản. Trước đây, phương pháp khố phổ có một số hạn chế là không thể ghi nhận sự hiện diện của các mảnh trung hòa về điện, tuy vậy sự phát triển của kỹ thuật ion hóa đã cho phép nhận diện "thông số khối lượng" của hầu hết các hợp chất hữu cơ.
  • Tinh thể học là phương pháp chắc chắn để xác định cấu trúc hình học của phân tử, điều kiện để xác định hợp chất khi cô lập được các tinh thể đơn của hợp chất, và tinh thể này phải đại diện được cho mẫu. Một phần mềm tự động hóa cao cho phép xác định cấu trúc của tinh thể thu được sau đó rà soát ngân hàng dữ liệu các hợp chất hữu cơ trong vài giờ để cho ra được hình thái tinh thể trùng khớp.

Các phương pháp quang phổ truyền thống như phổ hồng ngoại (IR), máy đo độ quay cực, phổ tử ngoại khả kiến (UV/VIS) tuy chỉ cung cấp những thông tin tương đối kém đặc hiệu về cấu trúc của hợp chất hữu cơ nhưng vẫn còn được sử dụng khá phổ biến để phân loại và nhận danh các hợp chất hữu cơ.

Tính chất[sửa | sửa mã nguồn]

Tính chất vật lý của các hợp chất hữu cơ thường bao gồm định tínhđịnh lượng. Các thông số cho quá trình định lượng bao gồm điểm nóng chảy, điểm sôi, và chỉ số khúc xạ. Định tính bao gồm nhận biết về mùi, độ đồng nhất, độ tan, và màu sắc.

Điểm nóng chảy và điểm sôi[sửa | sửa mã nguồn]

Trái ngược với các hợp chất vô cơ, các hợp chất hữu cơ rất dễ nóng chảy hay sôi. Trước đây, điểm nóng chảy (m.p.) và điểm sôi (b.p.) cung cấp những thông tin cơ bản về độ tinh khiết và định danh sơ lược các hợp chất hữu cơ. Chúng có mối tương quan với tính phân cực của phân tử và khối lượng phân tử. Vài chất hữu cơ, đặc biệt là các hợp chất đối xứng dễ bay hơi hơn là tan chảy. Các chất hữu cơ thường không ổn định ở nhiệt độ trên 300 °C, nói cách khác, chúng dễ bị phân hủy khi vượt quá nhiệt độ trên, mặc dù có một số ngoại lệ.

Độ hòa tan[sửa | sửa mã nguồn]

Chất hữu cơ không phân cực có xu hướng kỵ nước, nghĩa là chúng ít tan trong nước và tan nhiều trong các dung môi hữu cơ khác. Có một số ngoại lệ với một số chất hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp như rượu, amine, và acid carboxylic nhờ các liên kết hidro. Các chất hữu cơ thường dễ tan trong dung môi hữu cơ. Dung môi có thể là ether tinh khiết hay rượu ethanol, hay hỗn hợp, cũng có thể là các dung môi thân dầu như ether dầu hỏa hoặc các dung môi có vòng benzen khác chưng cất phân đoạn và tinh chế lại từ dầu hỏa. Độ hòa tan trong các dung môi khác nhau tùy thuộc vào loại dung môi và các nhóm chức hiện diện.

Một số loại chất hữu cơ[sửa | sửa mã nguồn]

Phản ứng trong hóa hữu cơ[sửa | sửa mã nguồn]

Các phản ứng hóa hữu cơ thường gặp là:

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ http://portal.acs.org/portal/acs/corg/content?_nfpb=true&_pageLabel=PP_ARTICLEMAIN&node_id=1188&content_id=CTP_003397&use_sec=true&sec_url_var=region1&__uuid=a16a7573-04f6-430e-bab0-9b26dc69421d; accessed January 9, 2013.
  2. ^ a ă â J. Clayden, N. Greeves & S. Warren "Organic Chemistry" (Oxford University Press, 2012), pp. 1-15.
  3. ^ http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/Intro/intrindx.htm; accessed January 9, 2013.
  4. ^ C. Elschenbroich "Organometallics," 3rd Ed., (Wiley-VCH, 2006).
  5. ^ Robert T. Morrison, Robert N. Boyd, and Robert K. Boyd, Organic Chemistry, 6th edition (Benjamin Cummings, 1992.
  6. ^ J.D. Roberts & M.C. Caserio, Basic Principles of Organic Chemistry (W. A. Benjamin, Inc., 1964).
  7. ^ R.F. Dalye & S.J. Daley, Organic Chemistry, http://www.ochem4free.info. Accessed January 9, 2013.
  8. ^ a ă Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. (1997), Chemistry of the Elements (ấn bản 2), Oxford: Butterworth-Heinemann, ISBN 0-7506-3365-4 
  9. ^ D. M. Kiefer "Organic Chemicals' Mauve Beginning" Chem. Eng. News Archive, 1993, vol.71, pp 22–23. doi:10.1021/cen-v071n032.p022
  10. ^ Chemical Heritage Foundation. August Kekulé and Archiblad Scott Couper Retrieved 1 december 2012 from http://www.chemheritage.org/discover/online-resources/chemistry-in-history/themes/molecular-synthesis-structure-and-bonding/kekule-and-couper.aspx
  11. ^ Roberts, L. The Telegraph History of Aspirin Retrieved 1 december 2012 from http://www.telegraph.co.uk/health/healthnews/8184625/History-of-aspirin.html
  12. ^ "The Systematic Identification of Organic Compounds" R.L. Shriner, C.K.F. Hermann, T.C. Morrill, D.Y. Curtin, and R.C. Fuson John Wiley & Sons, 1997 0-471-59748-1

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]

Hóa học
Hóa vô cơHóa hữu cơHóa dượcĐiện hóaHóa phân tíchHóa học lượng tửHóa lýHóa keoHóa sinhHóa polymeQuang hóa họcTinh thể họcHóa dầuDược phẩmHóa hạt nhânHóa lý thuyếtHóa môi trườngHóa vũ trụHóa thực phẩmHóa nhiệtHóa từHóa tin họcHóa siêu phân tửKhoa học vật liệu