CHƯƠNG 7 PHENOL

LOẠI POLYMER hoàn toàn nhân tạo đầu tiên được sản xuất khoảng 25 năm trước khi nylon của Du Pont xuất hiện. Đó là một loại vật liệu dạng liên kết mạng ngẫu nhiên, được làm từ một hợp chất hóa học có cấu trúc tương tự như các phân tử gia vị được cho là đã tạo nên Kỷ nguyên Khám phá. Hợp chất này, phenol, đã mở ra một kỷ nguyên khác, Kỷ nguyên Plastic. Liên quan đến những vấn đề hết sức đa dạng như thực hành phẫu thuật, nguy cơ tuyệt chủng của voi, kỹ thuật nhiếp ảnh, hoa phong lan, phenol và các dẫn xuất của nó đã đóng vai trò then chốt trong rất nhiều những tiến bộ thay đổi thế giới.

Phẫu thuật vô trùng

Vào những năm 1860, bạn chắc chắn không muốn làm bệnh nhân trong bệnh viện, đặc biệt là bạn sẽ không muốn phải trải qua một ca mổ. Các bệnh viện thời kỳ này đều tối tăm, bẩn thỉu và ngột ngạt. Các bệnh nhân thường phải nằm trên những chiếc giường với những chiếc ga trải giường không được thay sau khi người bệnh trước đó xuất viện hoặc, phổ biến hơn là qua đời. Các phòng mổ bốc ra một mùi hôi thối khủng khiếp của chứng hoại tử và nhiễm trùng. Kinh khủng không kém là tỷ lệ tử vong từ những chứng nhiễm khuẩn; ít nhất 40% bệnh nhân sau phẫu thuật chết do những căn bệnh được gọi là bệnh trong bệnh viện. Trong các viện quân y, tỷ lệ này lên đến gần 70%.

Dù thực tế là thuốc gây mê đã được áp dụng từ cuối năm 1864, hầu hết các bệnh nhân chỉ đồng ý phẫu thuật nếu đó là biện pháp cuối cùng. Các vết mổ luôn luôn nhiễm trùng; vì vậy, các bác sĩ phẫu thuật sẽ phải đảm bảo đường khâu vết mổ kéo dài và hướng xuống dưới để mủ có thể chảy khỏi vết thương. Và khi điều này xảy ra, nó được coi là một dấu hiệu tích cực, thể hiện khả năng sự nhiễm trùng đã được khu trú tại vết mổ chứ không di căn vào các phần khác của cơ thể.

Dĩ nhiên, hiện nay chúng ta đã biết tại sao những “bệnh trong bệnh viện” lại trở nên quá phổ biến và có nguy cơ gây tử vong cao đến vậy. Thực ra đây là một nhóm các bệnh do vi khuẩn gây ra; các vi khuẩn này dễ dàng truyền từ bệnh nhân này sang bệnh nhân khác, hoặc từ chính bác sĩ điều trị sang cho một nhóm bệnh nhân dưới điều kiện vệ sinh không đảm bảo. Khi các chứng bệnh này lan tràn khắp nơi trong bệnh viện, bác sĩ thường sẽ tạm thời đóng cửa phòng phẫu thuật, chuyển các bệnh nhân sang nơi khác, và sau đó xông khói cả phòng với nến lưu huỳnh, tẩy rửa sạch sẽ các bức tường và sàn phòng. Các biện pháp này có thể tạm thời kiểm soát được sự nhiễm khuẩn trong một khoảng thời gian, cho đến khi một đợt nhiễm khuẩn khác đột phát trở lại.

Một số bác sĩ phẫu thuật nhấn mạnh việc duy trì nghiêm ngặt điều kiện vệ sinh sạch sẽ, điều này đòi hỏi một lượng lớn nước đun sôi để nguội. Những bác sĩ khác cổ xúy cho lý thuyết chướng khí, lý thuyết này cho rằng một loại khí độc tạo thành từ cống rãnh và hầm nước thải lan truyền vào không khí, và khi một bệnh nhân bị nhiễm, khí độc này sẽ phát tán vào không khí đến các bệnh nhân khác. Vào thời kỳ này, lý thuyết chướng khí dường như là một giải thích rất hợp lý. Mùi hôi thối từ cống rãnh cũng khó chịu như mùi thịt hoại tử tại các phòng phẫu thuật, và điều này cũng có thể giải thích cho việc những bệnh nhân điều trị tại nhà thường không bị nhiễm khuẩn như khi điều trị tại bệnh viện. Nhiều phương thuốc khác nhau đã được đưa ra để chữa trị chướng khí như tinh dầu bách lý hương, salicylic acid, khí CO2, rượu đắng (bitters), thuốc đắp làm từ cà rốt sống, kẽm sulfate và boracic acid. Thỉnh thoảng các loại thuốc kể trên cũng đạt được thành công, nhưng chủ yếu là do may mắn và không thể lặp lại theo mong muốn.

Đây chính xác là thời kỳ mà bác sĩ Joseph Lister đang hành nghề phẫu thuật. Sinh năm 1827 trong một gia đình tín đồ giáo phái Anh Em (Quaker) vùng Yorkshire, Lister lấy bằng y khoa tại đại học College London, và đến năm 1861 ông trở thành bác sĩ phẫu thuật tại Bệnh viện Hoàng gia Glasgow đồng thời là một giáo sư khoa phẫu thuật tại đại học Glasgow. Mặc dù một khu phẫu thuật hiện đại đã được xây dựng tại Bệnh viện Hoàng gia trong thời gian Lister làm việc, nhưng các chứng bệnh bệnh viện vẫn là một vấn đề đau đầu như tại các nơi khác.

Lister tin rằng nguyên nhân của các bệnh bệnh viện không phải là chướng khí, mà là một cái gì đó trong không khí, một cái gì đó rất nhỏ bé và không thể thấy bằng mắt thường. Sau khi đọc bài báo cáo khoa học về “Lý thuyết vi khuẩn của bệnh tật”, ngay lập tức ông nhận ra khả năng ứng dụng của nó vào các ý tưởng của mình. Bài báo cáo này được viết bởi Louis Pasteur, nhà hóa học lừng danh từ thành phố Lille, vùng đông bắc nước Pháp, và là người thầy thông thái của Chardonnet (cha đẻ của lụa Chardonnet nổi tiếng). Vào năm 1864 tại đại học Sorbonne ở Paris, kết quả thí nghiệm của Pasteur về quá trình làm chua rượu vang và sữa đã được trình bày trước một nhóm các nhà khoa học. Ông cho rằng vi khuẩn - những vi sinh vật không thể phát hiện được bằng mắt thường - tồn tại ở khắp nơi. Kết quả thí nghiệm của Pasteur cho thấy các vi sinh vật này sẽ bị tiêu diệt khi đun sôi, điều này đã dẫn đến quá trình khử trùng sữa và các thực phẩm khác vẫn được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hiện nay.

Rõ ràng là không thể đun sôi… bệnh nhân và bác sĩ phẫu thuật, thế nên Lister đã tìm ra một cách khác để khử khuẩn trên mọi bề mặt. Ông lựa chọn carbolic acid, một sản phẩm thu được từ hắc ín mà thường được sử dụng để xử lý các cống rãnh hôi thối trong thành phố một cách hiệu quả, và trước đó, dù không mấy hữu hiệu, cũng đã được thử nghiệm trên các vết mổ. Lister kiên định với lựa chọn của mình và đã thành công khi điều trị cho một bé trai mười một tuổi, nhập viện với xương chân bị gãy hở. Vào thời kỳ này, gãy xương hở là một chấn thương vô cùng nghiêm trọng. Một vết gãy đơn giản có thể xử lý mà không cần đến phẫu thuật xâm lấn, nhưng trường hợp gãy xương hở, khi những cạnh sắc của xương đã đâm thủng da, thì chắc chắn vùng gãy sẽ bị nhiễm trùng cho dù bác sĩ phẫu thuật có chuyên môn về xương giỏi đến thế nào chăng nữa. Thông thường, bệnh nhân sẽ bị cắt cụt, và khả năng tử vong rất cao do không thể kiểm soát được vấn đề nhiễm trùng vết cắt.

Lister cẩn thận làm sạch chỗ xương gãy và vùng xung quanh với băng vải thấm dung dịch carbolic acid. Tiếp đó, ông chuẩn bị băng gạc cho vết thương sau khi phẫu thuật gồm nhiều lớp vải lanh thấm đầy dung dịch carbolic acid với phần bao bằng các tấm thiếc kim loại nhằm ngăn chặn tối đa sự bay hơi của carbolic acid. Sau khi mổ xong, tấm băng được buộc cẩn thận lên vết thương. Chẳng bao lâu, vết thương đóng vảy và nhanh chóng lành lặn, đồng thời không có bất cứ một sự nhiễm trùng nào xảy ra.

Nhiều bệnh nhân khác cũng vượt qua được sự nhiễm trùng từ các bệnh bệnh viện, nhưng cậu bé kể trên là trường hợp đầu tiên nhiễm trùng đã bị ngăn xảy ra, chứ không chỉ là bị dập tắt. Lister đã dùng phương pháp trên để điều trị tất cả các ca gãy xương hở tiếp theo, với kết quả điều trị rất tích cực, điều này đã khiến ông tin vào hiệu quả của dung dịch carbolic acid. Đến tháng 8 năm 1867, Lister đã sử dụng carbolic acid làm chất sát trùng cho tất cả các bước trong quy trình phẫu thuật, chứ không chỉ làm tấm băng hậu phẫu, ông tiếp tục cải thiện kỹ thuật sát trùng trong mười năm tiếp theo, và từ từ thuyết phục được các bác sĩ phẫu thuật khác về phương pháp của mình, rất nhiều trong số đó vẫn không chấp nhận lý thuyết vi khuẩn, với suy nghĩ “nếu bạn không thể nhìn thấy nó, thì nó không tồn tại”.

Hắc ín, loại nguyên liệu mà từ đó Lister thu được dung dịch carbolic acid, đã có sẵn như một phế phẩm từ quá trình đốt cháy các đèn khí thắp sáng đường phố và nhà dân vào thế kỷ 19. Năm 1814, công ty Chiếu sáng và Sưởi ấm Quốc gia (National Light and Heat) đã lắp đặt hệ thống đèn khí chiếu sáng đường bộ đầu tiên tại Westminster, London, và sau đó dần được sử dụng rộng rãi tại các thành phố khác. Khí than được tạo thành khi nung nóng than ở nhiệt độ cao; đây là một hỗn hợp khí dễ cháy với thành phần khoảng 50% hydro, 35% methane, một lượng nhỏ khí carbon monoxide, ethylene, acetylene và một vài hợp chất hữu cơ khác. Từ các trạm phân phối khí, khí than được dẫn trong đường ống đến các căn hộ, nhà máy và hệ thống chiếu sáng đường phố. Khi nhu cầu khí than tăng lên cũng là lúc nảy sinh vấn đề xử lý hắc ín, phế phẩm dường như không có giá trị gì của quá trình khí hóa than.

Hắc ín là một chất lỏng đặc quánh, có màu đen và mùi hắc, về sau đã được chứng tỏ là một nguồn nguyên liệu quý giá đáng kinh ngạc, cung cấp nhiều phân tử có cấu trúc vòng thơm quan trọng. Mãi đến khi các mỏ khí thiên nhiên khổng lồ có thành phần chính là methane được phát hiện vào đầu thế kỷ 20, thì quy trình khí hóa than và các sản phẩm liên quan, như hắc ín, mới bắt đầu suy giảm. Carbolic acid thô, được sử dụng lần đầu bởi Lister, là một hỗn hợp được chưng cất từ hắc ín trong khoảng nhiệt độ từ 170°C đến 230°C. Đây là một hỗn hợp sậm màu, có mùi rất mạnh, có thể gây bỏng da. Lister cuối cùng cũng phân tách được thành phần chính của carbolic acid, phenol, dưới dạng các tinh thể màu trắng tinh khiết.

Phenol là một phân tử vòng thơm đơn giản, bao gồm một vòng benzene gắn với một nhóm OH.

Phenol ít tan trong nước và tan tốt trong dầu. Tận dụng tính tan của phenol, Lister đã phát triển một loại thuốc được gọi là “thuốc đắp kín carbolic”, một hỗn hợp của phenol, dầu hạt lanh và bột phấn. Loại thuốc dạng bột nhão này (trải lên các tấm thiếc mỏng) được đắp kín lên vết mổ và đóng vai trò như lớp vảy bảo vệ, ngăn vi khuẩn xâm nhập vào vết thương. Một dung dịch ít đậm đặc hơn của phenol trong nước, thông thường khoảng một phần phenol trong 20-24 phần nước, được dùng làm dung dịch sát trùng các phần da xung quanh vết thương, rửa các dụng cụ phẫu thuật và tay của bác sĩ phẫu thuật, và nó cũng được phun sương lên các đường mổ trong suốt ca phẫu thuật.

Mặc dù phương pháp điều trị bằng carbolic acid có hiệu quả rất tốt, được chứng minh qua tỷ lệ hồi phục của các bệnh nhân, Lister vẫn chưa thấy thỏa mãn, ông muốn đạt được trạng thái hoàn toàn vô trùng trong suốt quá trình phẫu thuật, ông cho rằng mọi hạt bụi trong không khí đều có chứa vi khuẩn, và trong nỗ lực ngăn chặn những vi khuẩn không khí này gây nhiễm khuẩn cho các ca mổ, ông đã tạo ra một chiếc máy, liên tục phun sương dung dịch carbolic acid vào không khí, qua đó làm ướt cả khu vực mổ. Vi khuẩn trong không khí thực ra chỉ là một vấn đề nhỏ hơn nhiều so với giả định của Lister, vấn đề chính là các vi sinh vật bám trên quần áo, tóc, da, miệng, mũi của các bác sĩ phẫu thuật, các bác sĩ khác và các sinh viên y khoa tham gia hỗ trợ hoặc kiến tập trong các cuộc mổ mà không dùng bất kỳ biện pháp khử trùng nào. Ngày nay, các phòng mổ hiện đại với mặt nạ vô trùng, trang phục mổ, mũ trùm tóc, các tấm drap che và găng tay cao su đã giải quyết triệt để vấn đề này.

Máy phun sương carbolic của Lister đã ngăn chặn được sự xâm nhiễm của các vi sinh vật, nhưng nó cũng có ảnh hưởng tiêu cực đến các bác sĩ phẫu thuật và các thành viên khác trong ca mổ. Phenol là một chất độc, và ngay cả khi pha loãng, nó vẫn khiến da mất màu, nứt nẻ và mất cảm giác. Hít hạt sương phenol vào cũng gây nên các bệnh tật: một số bác sĩ phẫu thuật từ chối làm việc nếu máy phun sương đang được sử dụng. Dù vẫn có những nhược điểm, kỹ thuật phẫu thuật vô trùng của Lister vẫn vô cùng hiệu quả và các kết quả tích cực quá rõ ràng của phương pháp này đã khiến nó trở thành kỹ thuật mổ phổ biến trên toàn thế giới kể từ năm 1878. Hiện nay, phenol ít được dùng làm chất khử trùng; những tác động gây hại cho da và độc tính của phenol đã khiến nó trở nên ít hữu dụng hơn các chất khử trùng mới được phát triển sau này.

Phenol đa diện

Tên gọi phenol không chỉ dành riêng cho phân tử khử trùng của Lister; nó là tên gọi của một nhóm lớn các hợp chất hữu cơ có cấu trúc bao gồm một nhóm OH gắn trực tiếp lên vòng benzene. Điều này dường như tạo ra một sự lộn xộn, bởi có đến hàng ngàn hoặc thậm chí hàng trăm ngàn hợp chất phenol, nhưng lại chỉ có một “phenol” duy nhất. Các hợp chất phenol nhân tạo, như trichlorophenol và hexylresorcinol, có tính chất khử khuẩn và ngày nay được sử dụng rộng rãi làm thuốc sát trùng.

Picric acid, ban đầu được dùng làm thuốc nhuộm - đặc biệt dùng cho lụa tơ tằm - và sau đó được quân đội Anh dùng trong đạn dược trong Cuộc chiến Boer vào giai đoạn đầu của Thế Chiến I, thực ra là một hợp chất phenol được nitrate hóa ba lần và có khả năng gây nổ rất cao.

Có rất nhiều hợp chất phenol có sẵn trong thiên nhiên. Các phân tử gây cay - capsaicin trong hồ tiêu và zingerone trong củ gừng - cũng có thể được phân loại vào nhóm các hợp chất phenol, và các phân tử tạo mùi hương trong gia vị - eugenol trong đinh hương và isoeugenol từ nhục đậu khấu - cũng là thành viên của gia đình phenol.

Capsaicin (bên trái) và zingerone (bên phải). Phần phenol trong mỗi cấu trúc được khoanh tròn

Vanillin, thành phần hoạt chất của vanilla, một trong những chất tạo hương phổ biến nhất thế giới, cũng là phenol, với cấu trúc hóa học rất giống eugenol và isoeugenol.

Vanillin hiện diện trong vỏ hạt khô lên men của cây lan vanilla (Vanilla planifolia), một loại lan có nguồn gốc ở Tây Ấn và Trung Mỹ nhưng hiện nay được trồng trên khắp thế giới. Những vỏ hạt dài, mỏng và có hương thơm ngào ngạt được bán với tên gọi đậu vanilla, và khoảng 2% khối lượng của chúng là vanillin. Khi rượu vang được chứa trong thùng gỗ sồi, các phân tử vanillin sẽ được tiết ra từ gỗ, góp phần tạo nên các thay đổi hương vị trong quá trình “làm già” rượu. Chocolate là hỗn hợp chứa cacao và vanillin; kem sữa trứng, kem, các loại xốt, siro, các loại bánh ngọt, và rất nhiều thức ăn khác cần vanilla để tạo hương vị cho chúng. Một số loại nước hoa cũng chứa vanillin tạo cho chúng hương thơm nồng nàn và khác biệt.

Chúng ta chỉ vừa bắt đầu hiểu được một vài tính chất kỳ lạ của một số hợp chất sẵn có trong tự nhiên của gia đình phenol. Tetrahydrocannabinol (THC), thành phần hoạt tính trong cần sa, là một loại phenol có trong Cannabis sativa, cây dầu gai Ấn Độ. Cây cần sa đã được trồng từ nhiều thế kỷ trước đây để thu lấy một loại sợi rất chắc từ thân cây, có thể bện được thành dây thừng hoặc vải thô, và vì tính chất gây nghiện, an thần và tạo ảo giác của phân tử THC - trong một số loại ma túy - có trong tất cả các bộ phận của cây nhưng nhiều nhất là ở búp hoa cái.

Tretrahydrocannabinol, hoạt chất của cần sa

Hiện nay, hợp chất tetrahydrocannabinol trong cây cần sa đã được một số quốc gia cho phép dùng làm thuốc để điều trị chứng buồn nôn, những cơn đau và sự mất cảm giác ngon miệng ở những bệnh nhân ung thư, AIDS, hoặc những bệnh nan y khác.

Những hợp chất phenol tự nhiên thường có từ hai nhóm OH trở lên gắn trực tiếp vào vòng benzene. Ví dụ như hợp chất độc hại Gossypol, được phân vào loại polyphenol bởi lẽ nó có sáu nhóm OH gắn lên bốn vòng benzene.

Phân tử gossypol. Các nhóm OH được đánh dấu bởi các mũi tên.

Chiết xuất từ hạt cây bông, gossypol có khả năng làm suy giảm việc sản xuất tinh trùng trong cơ thể nam giới, do vậy, nó là một chất thuốc ngừa thai tiềm năng dùng cho nam. Ảnh hưởng về mặt xã hội của thuốc ngừa thai loại này chắc chắn là rất đáng kể.

Một phân tử khác, với tên gọi phức tạp epigallocatechin-3-gallate, được tìm thấy trong trà xanh, còn có nhiều nhóm OH hơn nữa.

Phân tử epigallocatechin-3-gallate trong trà xanh có tổng cộng tám nhóm OH phenol.

Hợp chất này gần đây được biết đến với khả năng ngăn ngừa một số loại ung thư. Một số nghiên cứu độc lập khác cho thấy các hợp chất phenol có trong rượu vang đỏ có thể ức chế việc sản xuất ra các chất có khả năng làm xơ cứng mạch máu, điều này có thể giải thích tại sao các nước tiêu thụ nhiều rượu vang có tỷ lệ người mắc bệnh tim thấp hơn, bất chấp chế độ ăn uống nhiều bơ, pho mát, và các thức ăn giàu mỡ động vật khác.

Phenol trong nhựa

Dù các dẫn xuất khác nhau của phenol có giá trị đến thế nào đi chăng nữa, thì chính hợp chất gốc, chính phenol, là hợp chất đã mang đến những thay đổi vĩ đại nhất cho thế giới loài người. Cùng với sự hữu dụng và tầm ảnh hưởng của phân tử phenol trong lĩnh vực phẫu thuật vô trùng, hợp chất này còn có vai trò hoàn toàn khác biệt và có lẽ là quan trọng hơn nhiều trong việc phát triển một ngành công nghiệp mới. Cùng khoảng thời gian Lister thực hiện các thí nghiệm với carbolic acid, việc sử dụng sừng động vật để tạo ra các sản phẩm đa dạng như lược, dao kéo, nút áo, hộp đựng, quân cờ và phím đàn piano cũng phát triển rất nhanh. Ngày càng nhiều voi bị giết để lấy ngà, và ngà voi ngày càng trở nên hiếm và đắt. Mối quan tâm về số lượng voi ngày càng giảm đã trở nên rất rõ ràng tại Mỹ, nhưng không phải vì muốn bảo tồn như chúng ta theo đuổi ngày nay, mà vì sự phổ biến mạnh mẽ của môn giải trí bida. Những quả bóng bida phải được làm từ ngà voi chất lượng cao để đảm bảo sự chính xác khi lăn. Chúng phải được tạo thành từ phần giữa của những chiếc sừng hoàn hảo, và trung bình khoảng năm mươi chiếc ngà voi mới có một chiếc có tỷ trọng phù hợp.

Trong những thập kỷ cuối của thế kỷ 19, khi nguồn cung ngà voi bắt đầu cạn kiệt, ý tưởng làm ra loại vật liệu nhân tạo thay thế ngà voi trở nên hợp lý. Những quả bóng bida nhân tạo đầu tiên được làm từ một hỗn hợp ép chặt bao gồm bột gỗ, vụn xương, và thấm đẫm dung dịch bông hòa tan hoặc được bao bởi một lớp nhựa thông cứng. Thành phần chính của lớp nhựa này là cellulose, thông thường ở dạng nitrate hóa. Phiên bản tinh tế hơn được phát triển sau đó sử dụng polymer celluloid dựa trên cellulose. Độ cứng và khối lượng riêng của celluloid có thể được kiểm soát trong quá trình chế tác. Celluloid là loại vật liệu nhựa dẻo nhiệt đầu tiên - loại nhựa có thể được làm nóng chảy và ép khuôn nhiều lần bằng một quy trình mà sau này được phát triển thành máy ép phun hiện đại, một phương pháp gia công vật liệu nhựa với chi phí rất rẻ và không đòi hỏi nhân công có trình độ cao.

Vấn đề lớn nhất với vật liệu polymer trên cơ sở cellulose là chúng rất dễ cháy, đặc biệt là khi được nitrate hóa, chúng có xu hướng phát nổ. Không có ghi chép nào về việc bóng bida celluloid phát nổ, nhưng rõ ràng celluloid là một mối nguy tiềm tàng. Trong công nghiệp điện ảnh, các thước phim ban đầu được chế tạo bằng celluloid polymer từ nitrocellulose, sử dụng long não làm chất dẻo hóa để tăng độ co giãn. Sau trận hỏa hoạn năm 1897 xảy ra tại một rạp chiếu phim ở Paris làm 120 người thiệt mạng, các căn phòng để máy chiếu phim được dát một lớp thiếc nhằm ngăn lửa không lan ra khi các tấm phim bốc cháy. Dù vậy, điều này không giúp gì cho sự an toàn của người vận hành máy chiếu phim.

Vào đầu những năm 1900, Leo Baekeland, một người Bỉ trẻ tuổi nhập cư vào Mỹ, đã phát triển loại vật liệu tổng hợp đầu tiên mà ngày nay chúng ta gọi là plastic. Đây thực sự là một cuộc cách mạng, bởi lẽ cho đến thời điểm đó, tất cả các loại polymer được tạo thành đều cấu tạo hoàn toàn hoặc một phần từ cellulose thiên nhiên. Với phát minh của mình, Baekeland đã đặt nền móng cho Kỷ nguyên Plastic. Là một nhà hóa học thông minh và có nhiều sáng kiến, nhận học vị tiến sĩ tại đại học Ghent vào năm 21 tuổi, đúng ra ông có thể ổn định với cuộc sống học thuật. Thay vì vậy, ông đã lựa chọn di cư đến Tân Thế Giới, nơi ông tin rằng sẽ có nhiều cơ hội để phát triển và sản xuất những hợp chất hóa học mới của chính mình.

Sự khan hiếm ngà voi chất lượng tốt đã được giải quyết bởi việc phát minh ra các loại nhựa phenol, ví dụ như Bakelite. (Ảnh bản quyền của Michael Beugger)

Ban đầu, lựa chọn của ông có vẻ là một sai lầm, bởi dù làm việc rất chăm chỉ trong nhiều năm với một số sản phẩm có khả năng thương mại hóa, Baekeland vẫn phải đối mặt với nguy cơ phá sản vào năm 1893. Trong sự tuyệt vọng tìm kiếm nguồn vốn đầu tư, Baekeland đã tiếp cận George Eastman, nhà sáng lập công ty nhiếp ảnh Eastman Kodak, với đề nghị bán cho Eastman một loại giấy ảnh mới ông vừa tạo ra. Loại giấy ảnh này được chế tác với hỗn hợp huyền phù bạc chloride (AgCl) giúp loại bỏ các bước rửa sạch và làm nóng trong quá trình rửa ảnh, đồng thời tăng cường độ nhạy sáng đến mức nó có thể được phơi sáng với ánh sáng nhân tạo (ánh sáng từ đèn khí của những năm 1890). Với loại giấy ảnh này, các nhiếp ảnh gia nghiệp dư có thể tạo được các bức ảnh nhanh chóng và dễ dàng tại nhà hoặc gửi chúng đến các studio ảnh được mở trên toàn quốc vào thời kỳ đó.

Khi đang trên chuyến tàu đến gặp Eastman, Baekeland quyết định sẽ bán loại giấy ảnh của mình với giá 50.000 dollar, bởi nó tốt hơn nhiều so với những sản phẩm celluloid tiềm ẩn rủi ro gây cháy mà công ty Eastman Kodak đang sử dụng. Nếu buộc phải thỏa hiệp, ông tự nhủ sẽ chấp nhận giá chuyển nhượng tối thiểu là 25.000 dollar, vẫn là một món tiền tương đối lớn vào lúc đó. Tuy nhiên, Eastman đã vô cùng ấn tượng với loại giấy ảnh mới của Baekeland, và ngay lập tức đề nghị khoản tiền khổng lồ 750.000 dollar. Baekeland hoàn toàn sửng sốt và chấp nhận ngay lập tức, ông đã sử dụng số tiền này để lập ra một phòng thí nghiệm hiện đại ngay cạnh nhà mình.

Sau khi giải quyết được vấn đề tài chính, Baekeland hướng mối quan tâm của mình vào việc tạo ra phiên bản tổng hợp của shellac (nhựa cánh kiến), một loại vật liệu đã được sử dụng làm sơn mài và lớp sơn bảo vệ gỗ từ nhiều năm, và ngày nay vẫn được sử dụng rộng rãi. Shellac thu được từ dịch bài tiết của bọ cánh kiến đỏ cái, Laccifer lacca, một loài côn trùng sinh sống tại vùng Đông Nam Á. Cánh kiến đỏ đậu trên cây, hút nhựa cây và tự bao bọc mình trong lớp vỏ do chính dịch bài tiết của chúng tạo ra. Sau khi sinh sản, chúng sẽ chết, và lớp vỏ - phần shell trong từ shellac - được thu gom và nấu chảy. Sau đó, dung dịch được lọc để loại bỏ xác các con bọ. Cần 15.000 con bọ cánh kiến trong sáu tháng để tạo ra khoảng 0,5 kg shellac. Khi shellac chỉ được dùng để tạo ra những lớp màng bảo vệ mỏng, thì giá thành của nó vẫn chấp nhận được, nhưng với việc shellac được sử dụng ngày càng nhiều trong ngành công nghiệp điện, bắt đầu phát triển rất mạnh mẽ vào đầu thế kỷ 20, đã khiến nhu cầu shellac tăng chóng mặt. Để làm ra một vật liệu cách điện, thậm chí chỉ sử dụng giấy được phủ shellac, cũng cần chi phí rất cao, và Baekeland nhận thấy rằng vật liệu shellac nhân tạo sẽ trở nên rất cần thiết cho thị trường vật liệu cách điện đang tăng trưởng mạnh mẽ.

Hướng tiếp cận đầu tiên của Baekeland trong việc chế tạo vật liệu shellac liên quan đến phản ứng giữa phenol - phân tử mà Lister đã dùng để thay đổi thành công quy trình phẫu thuật - và formaldehyde, một hợp chất được tổng hợp từ methanol (cồn gỗ) và trong thời kỳ này được các dịch vụ mai táng dùng rất phổ biến như chất ướp xác và bảo quản các bộ phận của động vật.

Các nỗ lực trước đó nhằm kết hợp hai hợp chất này có những kết quả rất đáng thất vọng. Phản ứng xảy ra rất nhanh và không thể kiểm soát, tạo thành vật liệu không tan và không nóng chảy, rất dễ vỡ và không có độ đàn hồi để có thể ứng dụng được. Nhưng Baekeland nhận ra rằng những tính chất nêu trên có thể chính là những tính chất cần thiết của shellac nhân tạo sử dụng làm vật cách điện, với điều kiện bằng cách nào đó ông có thể kiểm soát được phản ứng sao cho vật liệu tạo thành có thể được gia công thành những hình dạng hữu dụng.

Vào năm 1907, sử dụng một phản ứng có thể kiểm soát được cả nhiệt độ và áp suất, Baekeland đã tạo ra một chất lỏng có thể nhanh chóng đóng rắn thành một vật liệu trong suốt và có màu hổ phách chính xác theo hình dạng của khuôn hoặc bình chứa mà nó được đổ vào. Ông đặt tên cho vật liệu này là Bakelite và gọi thiết bị khá giống với nồi áp suất được sử dụng để tạo ra Bakelite là Bakelizer. Có lẽ chúng ta có thể đồng cảm với hành động “tự quảng cáo” trong việc đặt tên của Baekeland, khi biết rằng ông đã mất đến năm năm để nghiên cứu chỉ một phản ứng tổng hợp hợp chất này.

Trong khi shellac bị biến dạng dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, Bakelite vẫn giữ nguyên được hình dạng của nó ngay cả ở nhiệt độ cao. Sau khi đóng rắn, Bakelite không thể được làm nóng chảy và đổ khuôn lại. Bakelite là loại nhựa rắn nhiệt (thermoset), loại vật liệu bị đóng rắn vĩnh viễn trong hình dạng của nó, trái ngược với nhựa dẻo nhiệt (thermoplastic), ví dụ như celluloid. Tính chất đặc biệt của nhựa rắn nhiệt Bakelite là do cấu trúc hóa học của nó: phân tử formaldehyde trong Bakelite có thể phản ứng với vòng benzene của phenol tại ba vị trí riêng biệt, tạo thành liên kết mạng giữa các chuỗi polymer. Độ cứng của Bakelite tạo thành nhờ các liên kết mạng rất ngắn nối các vòng benzene vốn dĩ cũng đã rất cứng và khó dịch chuyển với nhau.

Sơ đồ mạch của Bakelite cho thấy các liên kết mạng -CH2- kết nối các phân tử phenol. Chỉ có một vài cách tạo thành liên kết mạng, trong phân tử này các liên kết mạng là hoàn toàn ngẫu nhiên.

Khi được dùng làm vật liệu cách điện, Bakelite có ưu điểm vượt trội so với các vật liệu thông dụng khác. Nó chịu nhiệt tốt hơn shellac hoặc các loại giấy phủ shellac; nó khó vỡ hơn vật liệu cách điện làm bằng sứ hoặc thủy tinh; và nó có tính kháng điện tốt hơn sành hoặc mica. Bakelite không phản ứng với ánh sáng mặt trời, nước, không khí mặn hoặc ozone và không bị ăn mòn bởi acid hay các dung môi khác. Vật liệu cách điện bằng Bakelite khó nứt vỡ, biến màu hoặc xỉn màu, và cũng rất khó bị cháy hoặc nóng chảy.

Sau đó, dù không phải là mục tiêu chính của người tạo ra nó, Bakelite được phát hiện là vật liệu cho những quả bóng bida. Độ đàn hồi của Bakelite rất giống với ngà voi, và khi va chạm với nhau, các quả bóng bida làm từ Bakelite tạo ra những tiếng lách cách giống hệt những quả bóng làm từ ngà voi, hiệu ứng âm thanh quan trọng này không thể có được từ những quả bóng phiên bản celluloid. Đến năm 1912, tất cả các quả bóng bida không phải ngà voi đều được làm từ Bakelite. Hàng loạt các ứng dụng khác được phát triển sau đó, và chỉ trong vòng vài năm, Bakelite đã xuất hiện ở khắp mọi nơi. Điện thoại, chén bát, thiết bị trộn trong máy giặt, vỏ ống, đồ nội thất, bộ phận xe ô tô, bút máy, đĩa, ly tách, radio, máy ảnh, dụng cụ nhà bếp, cán dao, bàn chải, ngăn tủ, đồ dùng trong phòng tắm, thậm chí cả các vật dụng nghệ thuật và trang trí, đều được làm từ Bakelite. Bakelite được biết đến như loại “vật liệu của hàng ngàn ứng dụng”, cho dù sau này những loại nhựa phenol khác đã thay thế cho loại vật liệu màu nâu này. Các loại nhựa sau này thường không màu và có thể dễ dàng nhuộm thành các màu sắc khác nhau.

Chút phenol cho hương vị

Việc tạo ra Bakelite không phải là ví dụ duy nhất cho trường hợp phân tử phenol làm nền tảng cho sự phát triển của một hợp chất nhân tạo để thay thế một hợp chất thiên nhiên nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng. Thị trường vanillin từ lâu đã vượt quá khả năng đáp ứng của cây lan vanilla. Vì vậy, vanillin tổng hợp đã được sản xuất từ nguồn nguyên liệu rất đáng ngạc nhiên: chất thải dạng lỏng từ quá trình xử lý sulfite bột giấy trong công nghệ sản xuất giấy. Dịch thải này chứa thành phần chủ yếu là lignin, một hợp chất tìm được trong và giữa thành các tế bào thực vật. Lignin góp phần tạo nên độ cứng của thực vật và chiếm khoảng 25% khối lượng gỗ khô. Thực chất, lignin không phải là một hợp chất mà là một polymer của các đơn vị phenol khác nhau có cấu trúc mạng liên kết.

Có sự khác biệt trong thành phần lignin giữa gỗ mềm và gỗ cứng được thể hiện trong cấu trúc của những viên gạch cơ bản tạo nên lignin tương ứng. Trong lignin, cũng như trong Bakelite, độ cứng của gỗ phụ thuộc vào mức độ liên kết mạng giữa các phân tử phenol. Các phân tử phenol thay thế ba lần, chỉ có trong gỗ cứng, cho phép tạo thành nhiều liên kết mạng hơn, và điều này giải thích được tại sao gỗ cứng lại “cứng hơn” gỗ mềm.

Thành phần cơ bản của gỗ mềm và gỗ cứng (phenol được thay thế hai lần)

Thành phần cơ bản của gỗ cứng (phenol được thay thế ba lần)

Cấu trúc tiêu biểu của lignin thể hiện các liên kết mạng giữa các đơn vị cấu thành cơ bản được minh họa dưới đây. Cấu trúc này có sự tương đồng với cấu trúc nhựa Bakelite của Baekeland.

Một phần cấu trúc của lignin (bên trái). Các đường đứt nét thể hiện các kết nối với phần còn lại của phân tử. Cấu trúc của Bakelite (bên phải) cũng có những liên kết mạng giữa các đơn vị phenol.

Phần được khoanh tròn trong hình vẽ mô tả phân tử lignin (bên dưới) thể hiện phần cấu trúc giống với phân tử vanillin. Khi phân hủy phân tử lignin dưới điều kiện có kiểm soát, vanillin sẽ được tạo thành.

Lignin (trái), với một phần cấu trúc được khoanh tròn rất giống với cấu trúc của phân tử vanillin (phải).

Vanillin tổng hợp không chỉ là bản sao hóa học của một hợp chất thực; đúng hơn, nó là phân tử vanillin tinh khiết làm từ một nguyên liệu thiên nhiên và, về mặt hóa học, hoàn toàn giống với vanillin thu được từ hạt vanilla. Tuy nhiên, hương vị vanilla tạo thành khi sử dụng hạt vanilla thường có lẫn một ít các phân tử khác, và các phân tử này cùng với vanillin tạo thành hương vị vanilla đúng nghĩa. Hương liệu vanilla nhân tạo chứa các phân tử vanillin tổng hợp trong một dung dịch với caramel như chất tạo màu.

Dù có vẻ khá dị thường, nhưng có một mối liên hệ hóa học giữa vanilla và phân tử phenol trong carbolic acid. Dưới điều kiện áp suất cao, nhiệt độ trung bình trong suốt một thời gian rất dài, than đá hình thành từ những thực vật bị phân hủy, dĩ nhiên là bao gồm cả lignin từ gỗ, cũng như cellulose, hai thành phần chính của thực vật. Trong quá trình nung nóng than tạo thành khí than dùng làm nhiên liệu cho gia dụng cũng như công nghiệp, một chất lỏng đen có độ nhớt cao với mùi hắc được sinh ra. Đây chính là hắc ín, nguồn nguyên liệu cho carbolic acid của Lister. Như vậy, phenol khử trùng của bác sĩ Lister thực chất có nguồn gốc từ lignin.

Chính phenol đã khiến kỹ thuật phẫu thuật vô trùng trở nên khả thi, cho phép các ca mổ được thực hiện mà không gây ra những chứng nhiễm trùng nguy hiểm đến tính mạng. Phenol đã thay đổi hoàn toàn hy vọng sống sót của hàng ngàn người bị thương do tai nạn hoặc chiến tranh. Nếu không có phenol và những chất khử trùng được phát triển sau này, thì những thành tựu đáng kinh ngạc trong phẫu thuật - thay khớp, mổ tim mở, cấy ghép nội tạng, giải phẫu thần kinh, chỉnh hình vi phẫu thuật - đã không thể thực hiện được.

Bằng cách đầu tư cho phát minh giấy ảnh của Baekeland, George Eastman đã cho ra đời một loại phim chụp ảnh tốt hơn, và cùng với việc tung vào thị trường một chiếc máy ảnh rất rẻ vào năm 1900 - Kodak Brownie, có giá chỉ một dollar - ông đã thay đổi việc chụp ảnh từ một thú vui của người giàu có trở thành sở thích của tất cả mọi người. Khoản tiền đầu tư của Eastman đã trở thành nguồn vốn để phát triển - với phenol là bước khởi đầu - một loại vật liệu tổng hợp đúng nghĩa đầu tiên của Kỷ nguyên Plastic, Bakelite, được dùng làm vật liệu cách điện vô cùng quan trọng trong việc phổ biến và sử dụng rộng rãi năng lượng điện, yếu tố then chốt của thế giới công nghiệp hiện đại.

Các phân tử phenol đã thay đổi cuộc sống của chúng ta theo những cách rất mạnh mẽ (chất khử trùng, vật liệu nhựa, thuốc nổ) và cũng rất tinh tế (yếu tố sức khỏe, gia vị thực phẩm, thuốc nhuộm tự nhiên, hương liệu). Và với các cấu trúc hóa học vô cùng đa dạng của chúng, chắc hẳn, các hợp chất phenol sẽ tiếp tục định hình lịch sử nhân loại.