Khóa học Hóa hữu cơ cấp tốc

Jakob Logan ở đây để thay đổi nhận thức của bạn về Hóa hữu cơ. Qua bài nói chuyện với những hình ảnh đồ họa hấp dẫn, anh vừa dạy chúng ta những kiến thức cơ bản, vừa phá vỡ định kiến Hóa hữu cơ rất đáng sợ.

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)