Tôi muốn các bạn tự hỏi mình,
bạn cảm thấy như thế nào khi nghe cụm từ "Hóa hữu cơ"?
Bạn nghĩ đến điều gì?
Hầu như ở mọi trường đại học đều có dạy một môn học
tên là Hóa hữu cơ,
với phần mở đầu khó khăn, nặng nề,
quá nhiều kiến thức làm choáng ngộp sinh viên,
và bạn phải thật xuất sắc
nếu muốn trở thành bác sĩ, nha sĩ, hay bác sĩ thú y.
Đó là nguyên nhân khiến nhiều sinh viên nghĩ về môn khoa học này như thế này..
một chướng ngại vật trên con đường của họ,
sợ và ghét nó,
và gọi nó là môn loại sinh viên.
Môn học này thật khốc liệt với những người trẻ,
loại họ ra khỏi lớp.
Và suy nghĩ này từ lâu đã trở nên phổ biến không chỉ ở bậc đại học.
Có một nỗi lo chung xung quanh cụm từ này.
Vô tình, tôi lại yêu nó,
và tôi nghĩ rằng đặt nó ở vị trí như vậy là không thể chấp nhận được.
Điều này không tốt cho khoa học, cũng không tốt cho xã hội,
và tôi nghĩ rằng không cần phải như vậy.
Ý tôi không phải là môn này nên dễ hơn.
Nó không nên dễ hơn.
Nhưng cảm nhận của bạn về những từ này
không nên dựa trên kinh nghiệm của những người đi trước,
những người, thành thật mà nói, đã trải qua nhiều lo lắng với nó.
Vì vậy, hôm nay tôi ở đây
vì tôi tin rằng kiến thức cơ bản trong Hóa hữu cơ rất có giá trị.
và ta có thể làm cho mọi người dễ tiếp cận với nó hơn,
và hôm nay, tôi muốn chứng minh điều đó với bạn.
Để tôi thử nhé?
Khán giả: Vâng.
Jakob Magolan: Được rồi, chúng ta bắt đầu thôi.
(Tiếng cười)
Ở đây tôi có một bút tiêm EpiPen đắt tiền.
Bên trong nó là một loại thuốc có tên là epinephrine.
Epinephrine có thể khiến tim đập trở lại,
hay chống lại phản ứng dị ứng nguy hiểm đến tính mạng.
Một mũi tiêm ngay tại đây sẽ làm điều đó.
Nó như khởi động cơ chế chống trả hay bỏ chạy của cơ thể.
Nhịp tim, huyết áp của tôi sẽ tăng để đưa máu đến các cơ.
Đồng tử sẽ giãn ra. Và tôi sẽ cảm thấy sức mạnh tăng vọt.
Với nhiều người, epinephrine tạo ra sự khác biệt giữa sự sống và cái chết.
Như một ống phép màu nhỏ xíu trong tay bạn.
Đây là cấu trúc hóa học của epinephrine.
Hóa hữu cơ trông như thế này.
Nó trông như các đoạn thẳng và kí tự..
Hầu hết mọi người thấy nó vô nghĩa.
Tôi muốn cho bạn xem tôi thấy gì khi nhìn vào hình ảnh này.
Tôi thấy một vật thể
có các phần xoay được trong không gian
và nó chuyển động.
Chúng ta gọi chúng là hợp chất hay phân tử,
và đây là 26 nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa học.
Sự sắp xếp độc đáo của các nguyên tử này quyết định đặc tính của epinephrine,
nhưng không ai thực sự từng nhìn thấy chúng,
vì chúng cực kì nhỏ.
Vì thế ta sẽ gọi đây là ấn tượng nghệ thuật,
và tôi muốn giải thích nó nhỏ như thế nào.
Trong đây, có dưới một nửa miligam epinephrine hòa với nước.
Chúng có khối lượng bằng với khối lượng một hạt cát.
Số lượng phân tử epinephrine trong này là một tỷ tỷ.
Đó là 18 số 0.
Con số đó thật khó hình dung.
Bảy tỷ người trên hành tinh?
Có lẽ 400 tỷ ngôi sao trong thiên hà của chúng ta?
Vẫn chưa bằng một phần.
Nếu bạn muốn tìm được con số gần đúng,
hãy tưởng tượng mọi hạt cát
trên tất cả các bãi biển, dưới đáy tất cả các đại dương và hồ,
và sau đó, thu nhỏ tất cả để chúng vừa cái ống này.
Epinephrine là cực kì nhỏ, ta không bao giờ nhìn thấy được,
kể cả qua kính hiển vi,
nhưng ta biết nó trông như thế nào,
vì nó hiện ra qua các máy móc tinh vi,
với những cái tên thú vị
như "máy cộng hưởng từ hạt nhân".
Vậy nên, dù thấy hay không, ta vẫn biết rất rõ về nó.
Ta biết nó được tạo thành từ bốn loại nguyên tử khác nhau:
hydro, carbon, oxy và nitơ.
Đây là những màu sắc ta thường dùng để biểu thị chúng.
Vạn vật trong vũ trụ được tạo thành từ những quả cầu nhỏ,
gọi là nguyên tử.
Có khoảng một trăm thành phần chính,
được tạo thành từ ba loại hạt nhỏ hơn:
proton, neutron, electron.
Ta xếp các nguyên tử này vào một bảng quen thuộc.
Đặt tên và đánh số chúng.
Nhưng ta đều biết sự sống không cần tất cả chúng,
chỉ cần một nhóm nhỏ là đủ, chỉ nhiêu đây.
Và có bốn nguyên tử đặc biệt nổi bật so với phần còn lại
thành phần chính của sự sống,
và chúng cũng chính là thành phần của epinephrine:
hydro, carbon, oxy và nitơ.
Tiếp theo là phần quan trọng nhất.
Khi các nguyên tử này liên kết với nhau để tạo thành phân tử,
chúng tuân theo các quy tắc.
Hydro tạo thành một liên kết,
oxy luôn tạo thành hai liên kết,
nitơ tạo thành ba,
và carbon tạo thành bốn.
Chỉ có vậy.
HONC - một, hai, ba, bốn.
Nếu bạn có thể đếm tới bốn và đánh vần sai từ " honk" ("tiếng còi")
bạn sẽ nhớ nó suốt đời.
(Tiếng cười)
Ở đây, tôi có bốn bát chứa những nguyên tử này.
Ta có thể sử dụng chúng để tạo nên phân tử.
Hãy bắt đầu với epinephrine.
Những liên kết giữa các nguyên tử được tạo thành từ các electron.
Nguyên tử sử dụng electron như cánh tay để đưa ra và giữ lấy các nguyên tử kế cận.
Hai electron mỗi liên kết, như một cái bắt tay,
và như cái bắt tay, chúng không tồn tại mãi.
Chúng có thể buông ra và nắm lấy nguyên tử khác.
Đó là phản ứng hóa học,
khi các nguyên tử thay đổi đối tác và tạo thành phân tử mới.
Cấu trúc epinephrine chủ yếu được làm từ carbon,
điều đó rất phổ biến.
Carbon là vật liệu quan trọng nhất để tạo nên sự sống,
vì nó tạo ra nhiều liên kết
và tạo ra liên kết bền.
Đó là lý do ta mô tả Hóa hữu cơ là ngành nghiên cứu nguyên tử carbon.
Nếu ta tạo ra những phân tử nhỏ nhất sử dụng những quy tắc này,
chúng làm rõ các quy tắc, và có những cái tên quen thuộc:
nước, amoniac và metan, H2O và NH3 và CH4.
Những từ "hydro", "oxy" và "nitơ"--
ta sử dụng những từ đó
để đặt tên cho ba phân tử được tạo thành từ hai nguyên tử.
Chúng vẫn theo quy tắc,
vì chúng có một, hai và ba liên kết.
Đó là tại sao oxy được gọi là O2.
Tôi có thế chỉ cho bạn thấy sự cháy
Đây là cacbonic, CO2.
Trên nó, hãy đặt nước và oxy, bên cạnh là một số nhiên liệu dễ cháy.
Những nhiên liệu này được tạo ra từ hydro và carbon.
Vì vậy, chúng được gọi là hydrocarbon. Chúng ta thật sáng tạo.
(Tiếng cười)
Khi các phân tử này gặp oxy,
như những gì xảy ra trong động cơ hoặc lò nướng,
chúng giải phóng năng lượng và sắp xếp lại.
Cuối cùng, carbon sẽ nằm ở tâm của phân tử CO2,
liên kết với hai oxy,
và hydro trở thành một phần của nước,
và mọi phân tử đều tuân theo các quy tắc này.
Không có lựa chọn ở đây,
các phân tử lớn hơn cũng vậy,
như ba phân tử này.
Đây là loại vitamin được ưa thích,
bên cạnh loại thuốc được ưa thích,
(Tiếng cười)
và morphin là sáng chế quan trọng trong lịch sử y khoa.
Nó đánh dấu lần đầu tiên y học chiến thắng nỗi đau thể xác,
và mỗi phân tử có một câu chuyện,
và chúng đều được công bố.
Chúng được các nhà khoa học viết, và được các nhà khoa học khác đọc,
vậy nên, ta có cách biểu diễn chúng trên giấy thật nhanh,
tôi phải dạy bạn cách làm điều đó.
Ta đặt epinephrine lên trang giấy,
sau đó, ta thay tất cả các hình cầu bằng các chữ cái đơn giản,
các liên kết nằm trong mặt phẳng giấy sẽ trở thành các gạch,
và những liên kết hướng ra trước và sau trở thành những tam giác nhỏ,
hoặc tô đậm hoặc đứt nét để biểu thị độ sâu.
Thật ra, ta cũng không vẽ những nguyên tử carbon.
Ta giấu chúng đi để tiết kiệm thời gian.
Chúng được biểu diễn bởi các đỉnh liên kết,
ta cũng giấu đi các nguyên tử hydro liên kết với carbon.
Ta biết chúng ở đó
khi ta thấy một nguyên tử carbon có ít hơn bốn liên kết.
Cuối cùng là liên kết giữa OH và NH.
Ta bỏ những gạch nối này để nó gọn hơn,
và đó là tất cả.
Đây là cách chuyên nghiệp để vẽ các phân tử.
Đây là thứ bạn thấy trên Wikipedia.
Cần luyện tập một chút
nhưng tôi nghĩ mọi người ở đây đều có thể làm được.
Nhưng hôm nay, bạn chỉ cần biết: đây là epinephrine.
Nó cũng được gọi là adrenaline. Chúng là một và hoàn toàn giống nhau.
Nó được tạo ra bởi tuyến thượng thận.
Hiện giờ, chúng đang lưu thông trong cơ thể bạn.
Nó là một hợp chất tự nhiên.
Ống EpiPen này sẽ lập tức cung cấp cho bạn một tỷ tỷ phân tử này.
(Tiếng cười)
Ta có thể trích xuất epinephrine
từ tuyến thượng thận của cừu hoặc gia súc,
nhưng ta lấy thứ này không phải từ đó.
Chúng ta tạo ra epinephrine trong nhà máy
bằng cách nối các phân tử nhỏ hơn lại với nhau,
chủ yếu có nguồn gốc từ dầu mỏ.
Và đây là 100% nhân tạo.
Có lẽ từ "nhân tạo" làm cho một số người cảm thấy không thoải mái.
Không giống như từ "tự nhiên" tạo cho ta cảm giác an toàn.
Nhưng hai phân tử này không có gì khác biệt.
Ta không bàn về hai chiếc xe vừa ra khỏi dây chuyền lắp ráp.
Một chiếc có thể bị trầy xước,
bạn không thể làm trầy nguyên tử.
Hai phân tử này giống nhau như đúc một cách kì lạ,
Ở mức độ nguyên tử, toán học gần như không khác với thực tế.
Và một phân tử epinephrine..
không có ký ức về nguồn gốc của nó.
Nó chỉ là nó mà thôi,
và khi bạn dùng nó,
những từ "tự nhiên" và "nhân tạo" không còn quan trọng nữa,
và thiên nhiên tổng hợp phân tử này giống như chúng ta,
chỉ là nó làm tốt hơn chúng ta rất nhiều.
Trước khi có sự sống trên Trái Đất,
mọi phân tử đều rất nhỏ, đơn giản:
cacbonic, nước, nitơ,
chỉ những chất đơn giản.
Sự xuất hiện của sự sống đã thay đổi điều đó.
Sự sống mang đến nhà máy sinh hóa vận hành bằng ánh sáng mặt trời,
và trong các nhà máy đó, các phân tử nhỏ va chạm,
và tạo thành phân tử lớn hơn: carbohydrate, protein, axit nucleic,
và vô số các phân tử ngoạn mục khác.
Thiên nhiên là nhà hóa học hữu cơ đầu tiên,
và nó đồng thời cũng lấp đầy bầu trời với oxy ta đang thở, oxy năng lượng cao.
Mặt trời truyền năng lượng cho các phân tử này.
Chúng lưu trữ nó như pin.
Vì thế, thiên nhiên được tạo thành từ hóa chất.
Có lẽ bạn có thể giúp tôi phục hồi nghĩa của từ "hóa học",
nghĩa của nó đã bị tráo đổi.
Nó không có nghĩa là chất độc và cũng không có nghĩa là có hại,
và nó không có nghĩa là nhân tạo hoặc không tự nhiên.
Nó chỉ là "chất", đồng ý chứ?
(Tiếng cười)
Bạn không thể có than cục không hóa chất.
Thật buồn cười.
(Tiếng cười)
Và tôi muốn nói thêm về một từ.
Từ "tự nhiên" không có nghĩa là "an toàn",
Tất cả mọi người điều biết điều đó.
Nhiều chất trong tự nhiên khá độc hại,
và một số khác rất ngon,
và một số thì cả hai..
(Tiếng cười)
độc và ngon.
Cách duy nhất để biết một chất có hại
là thử nó,
và ý tôi là không phải các bạn.
Chúng ta có những người chuyên nghiên cứu về chất độc.
Họ được đào tào chuyên nghiệp,
và bạn nên tin tưởng họ như tôi.
Hợp chất tự nhiên có mặt ở khắp mọi nơi,
bao gồm cả những chất đã bị phân hủy
trong những hỗn hợp màu đen ta gọi là dầu hoả.
Ta lọc những phân tử này.
Không có gì không tự nhiên ở chúng.
Ta chưng cất chúng.
Năng lượng của ta phụ thuộc vào chúng,
có nghĩa là mỗi nguyên tử carbon sẽ biến đổi thành một phân tử CO2.
Đó là khí nhà kính làm đảo lộn khí hậu.
Có lẽ hiểu phản ứng này
sẽ giúp một số người chấp nhận thực tế dễ dàng hơn,
tôi cũng không biết nữa,
nhưng các phân tử này không chỉ là nhiên liệu hóa thạch.
Chúng còn là nguyên liệu thô rẻ nhất
để làm một việc gọi là tổng hợp.
Ta sử dụng chúng như những khối LEGO.
Ta học cách kết nối và tách rời chúng
với sự kiểm soát tuyệt vời.
Tôi đã làm điều này rất nhiều lần,
và vẫn nghĩ rằng thật tuyệt vời khi ta có thể làm vậy.
Điều ta làm là giống như lắp ráp LEGO
trộn lẫn chúng lại với nhau,
và nó hoạt động.
Ta có thể tạo ra các hợp chất giống như các hợp chất tự nhiên,
như epinephrine,
hoặc ta có thể tạo ra những hợp chất cho riêng mình,
như hai hợp chất sau.
Một chất làm giảm triệu chứng của bệnh đa xơ cứng,
chất còn lại chữa loại ung thư máu ta gọi là u lympho tế bào T.
Phân tử với kích thước và hình dạng thích hợp
như một chiếc chìa khóa nằm trong ổ,
và khi nó vừa,
nó can thiệp vào tiến trình hóa học của căn bệnh.
Đó là cách mà thuốc hoạt động.
Tự nhiên hay nhân tạo,
chúng đều chỉ là các phân tử nằm vừa khít ở những nơi quan trọng.
Nhưng thiên nhiên làm tốt hơn chúng ta nhiều,
hợp chất nó tạo thành ấn tượng hơn,
như chất này.
Đây là vancomycin.
Thiên nhiên cho con quái vật khổng lồ này
hai nguyên tử clo để đeo như một đôi bông tai.
Năm 1953, ta tìm thấy vancomycin trong vũng bùn của một khu rừng ở Borneo.
Do một loại vi khuẩn tạo ra.
Ta không thể tổng hợp nó trong PTN được vì nó quá tốn kém.
Nó quá phức tạp, nhưng ta có thể thu lấy từ tự nhiên,
và ta đã làm vậy,
vì đây là một trong những loại kháng sinh mạnh nhất.
Và mỗi ngày, đều có các ghi chép về các phân tử mới được tạo ra.
Ta tạo ra hoặc tìm thấy chúng ở khắp nơi trên Trái đất.
Và đó là nguồn gốc của thuốc,
và đó là lý do bác sĩ có sức mạnh lớn..
(Tiếng cười)
chữa các bệnh nhiễm trùng chết người và các bệnh khác.
Một bác sĩ ngày nay như một hiệp sĩ trong bộ giáp sáng bóng.
Họ chiến đấu với lòng dũng cảm và sự điềm tĩnh,
và cả sự hỗ trợ của thiết bị tốt.
Đừng quên công người thợ rèn trong bức tranh này,
vì nếu không có người thợ rèn, mọi thứ sẽ khác đi một chút..
(Tiếng cười)
Nhưng Hóa hữu cơ rộng hơn y học.
Nó còn là dầu, dung môi, hương vị, vải, và tất cả các loại nhựa,
các tấm nệm bạn đang ngồi-
đều được sản xuất tại nhà máy, và thành phần chính là carbon,
do đó, tất cả chúng đều là Hóa hữu cơ.
Đây là môn khoa học rộng lớn.
Hôm nay, tôi đã lược bỏ rất nhiều:
phốt pho, lưu huỳnh và các nguyên tử khác,
và tại sao chúng lại liên kết như vậy,
tính đối xứng, các electron không liên kết,
các nguyên tử tích điện, các phản ứng và cơ chế của chúng,
còn rất nhiều nữa,
và mất rất nhiều thời gian để học sự tổng hợp.
Nhưng tôi không đến đây để dạy bạn Hóa hữu cơ,
tôi chỉ muốn chỉ cho bạn thấy nó là như thế nào,
Và chàng trai trẻ Weston Durland đã giúp đỡ tôi rất nhiều,
bạn đã có dịp thấy cậu ấy rồi.
Cậu ấy là sinh viên ngành hóa học,
và tình cờ, cậu cũng rất thành thạo đồ họa.
(Tiếng cười)
Weston thiết kế các phân tử chuyển động bạn thấy hôm nay.
Cậu ấy và tôi muốn dùng những hình ảnh minh họa,
giúp cho việc trình bày môn khoa học phức tạp này.
Nhưng mục đích chính là để cho bạn thấy rằng
Hóa hữu cơ không đáng sợ.
Về bản chất, nó là một cánh cửa sổ
qua đó, ta có thể thấy rõ hơn vẻ đẹp phong phú của thế giới tự nhiên.
Cám ơn.
(Vỗ tay)