Chloroform là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa chloroform

Chloroform, tên hóa học là trichloromethane, là một hợp chất hữu cơ halogen có công thức phân tử CHCl₃. Phân tử này gồm một nguyên tử carbon liên kết với ba nguyên tử clo và một nguyên tử hydro. Đây là một trong những dẫn xuất đơn giản nhất của methane và là thành viên thuộc nhóm haloform – những hợp chất có công thức chung CHX₃ với X là nguyên tử halogen.

Ở điều kiện thường, chloroform tồn tại dưới dạng chất lỏng không màu, có mùi ngọt nhẹ đặc trưng và dễ bay hơi. Mùi của chloroform khá đặc trưng, dễ nhận biết và từng được xem là “mùi thuốc mê” trong các bệnh viện cổ điển. Tên gọi chloroform bắt nguồn từ việc nó chứa ba nguyên tử clo (chloro-) và dạng giống formyl (-form).

Về mặt phân loại hóa học, chloroform thuộc nhóm hợp chất hữu cơ không phân cực mạnh, có độ hòa tan cao đối với các chất hữu cơ, đặc biệt là các phân tử trung tính hoặc kỵ nước. Điều này giúp nó trở thành một dung môi hữu dụng trong nhiều lĩnh vực, từ phân tích hóa học đến công nghiệp sản xuất và sinh học phân tử. Tuy nhiên, do đặc tính độc hại và dễ phân hủy tạo phosgene – một khí độc, chloroform hiện được kiểm soát chặt chẽ trong sử dụng thực tế.

Tính chất vật lý và hóa học

Chloroform có khối lượng phân tử 119.38 g/mol, khối lượng riêng 1.49 g/cm³ ở 20°C, nhiệt độ sôi 61.2°C và điểm nóng chảy -63.5°C. Nó không tan nhiều trong nước (8 g/L ở 20°C) nhưng tan rất tốt trong các dung môi hữu cơ như ethanol, acetone, ether và benzen. Đặc tính này làm cho chloroform trở thành một dung môi lý tưởng để chiết xuất các hợp chất kỵ nước trong hóa học và sinh học.

Chloroform là chất lỏng không cháy ở nhiệt độ phòng, tuy nhiên khi bị phân hủy bởi nhiệt hoặc tia cực tím (UV), nó có thể tạo thành khí phosgene (COCl₂) – một chất cực độc từng được sử dụng làm vũ khí hóa học. Do đó, việc bảo quản chloroform phải đảm bảo tránh ánh sáng và tiếp xúc lâu dài với không khí.

Tính chất hóa học đáng chú ý:

• Dễ phân hủy trong ánh sáng và không khí, sinh ra phosgene
• Có thể phản ứng với bazơ mạnh tạo ra dichlorocarbene (:CCl₂), một tác nhân rất hoạt động trong hóa học hữu cơ
• Hòa tan tốt nhiều hợp chất hữu cơ, đặc biệt là lipid và alkaloid

Thuộc tính	Giá trị
Nhiệt độ sôi	61.2°C
Khối lượng riêng (20°C)	1.49 g/cm³
Độ tan trong nước	8 g/L
Độ tan trong ethanol	Hoàn toàn

Tham khảo: PubChem – Chloroform

Lịch sử phát hiện và ứng dụng y học ban đầu

Chloroform lần đầu được điều chế độc lập vào năm 1831 bởi ba nhà khoa học: Samuel Guthrie (Mỹ), Eugène Soubeiran (Pháp) và Justus von Liebig (Đức). Sự phát hiện gần như đồng thời này là kết quả của các nghiên cứu về phản ứng giữa ethanol và calcium hypochlorite. Ban đầu, chloroform được sử dụng trong phòng thí nghiệm mà không nhận ra các đặc tính gây mê của nó.

Vào năm 1847, bác sĩ James Young Simpson đã tiên phong trong việc sử dụng chloroform như một thuốc gây mê trong sản khoa, mở ra kỷ nguyên mới cho y học không đau. Sự kiện Nữ hoàng Victoria sử dụng chloroform khi sinh con thứ bảy càng củng cố vị thế của chloroform như một chất gây mê được chấp nhận rộng rãi trong xã hội phương Tây thế kỷ 19.

Tuy nhiên, việc sử dụng chloroform trong y học đã sớm bị giới hạn sau khi ghi nhận nhiều trường hợp tử vong do rối loạn nhịp tim, tổn thương gan, và phản ứng gây mê không kiểm soát được. Sau thế chiến thứ hai, chloroform được thay thế bởi các thuốc mê an toàn hơn như halothane hoặc enflurane. Dù vậy, ảnh hưởng lịch sử của chloroform trong y học vẫn còn được nhắc đến trong các tài liệu chuyên khảo.

Phương pháp điều chế và tổng hợp

Chloroform có thể được điều chế bằng phản ứng haloform – một phản ứng kinh điển trong hóa học hữu cơ, trong đó hợp chất có nhóm methyl ketone (RCOCH₃) hoặc alcohol tương ứng phản ứng với hypochlorite (NaOCl hoặc Ca(OCl)₂) trong môi trường kiềm. Phản ứng tạo ra chloroform, muối của acid carboxylic và nước muối.

Phản ứng haloform: $\mathrm{CH_3COCH_3 + 3Cl_2 + 4NaOH \rightarrow CHCl_3 + CH_3COONa + 3NaCl + 2H_2O}$ Phản ứng xảy ra thuận lợi trong môi trường kiềm và có thể được thực hiện ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, sản xuất công nghiệp hiện đại sử dụng phương pháp chlor hóa methane.

Trong công nghiệp, chloroform được điều chế bằng cách dẫn clo vào methane hoặc dichloromethane ở nhiệt độ cao (400–500°C), thường có mặt xúc tác. Quá trình này đồng thời tạo ra một hỗn hợp gồm chloroform, dichloromethane và carbon tetrachloride, sau đó được tách ra bằng phương pháp chưng cất phân đoạn.

Ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu

Chloroform là một dung môi phổ biến trong phòng thí nghiệm và công nghiệp nhờ khả năng hòa tan cao đối với các hợp chất hữu cơ kỵ nước, bao gồm lipid, alkaloid và các hợp chất polymer. Trong lĩnh vực hóa học phân tích, chloroform được sử dụng làm dung môi chiết trong các kỹ thuật sắc ký lỏng và chiết lỏng–lỏng, đặc biệt hiệu quả trong tách chiết hợp chất hữu cơ từ pha nước.

Một trong những ứng dụng nổi bật của chloroform là trong sinh học phân tử, nơi nó thường được sử dụng trong phương pháp chiết DNA/RNA bằng phenol–chloroform. Ở đây, chloroform giúp tạo ranh giới phân pha giữa dung môi hữu cơ và nước, từ đó tách các acid nucleic ra khỏi protein và lipid. Việc sử dụng chloroform trong quy trình này đòi hỏi điều kiện an toàn nghiêm ngặt do tính độc và khả năng bay hơi cao.

Các lĩnh vực ứng dụng chính:

• Dung môi chiết xuất trong phân tích dược phẩm
• Nguyên liệu trong sản xuất keo dán nhựa PVC
• Tiền chất trong tổng hợp HCFC-22 (chlorodifluoromethane)
• Chất trung gian tổng hợp thuốc trừ sâu và thuốc diệt nấm

Nghiên cứu công nghiệp gần đây còn sử dụng chloroform trong sản xuất vật liệu polymer siêu nhỏ và cảm biến hóa học nhờ tính chất hòa tan và khả năng tạo màng mỏng.

Nguồn tài liệu: ScienceDirect – Applications of chloroform

Độc tính và ảnh hưởng sức khỏe

Chloroform có thể xâm nhập vào cơ thể người qua đường hô hấp, da và tiêu hóa. Ngay cả ở nồng độ thấp trong không khí, hít phải chloroform cũng có thể gây buồn ngủ, chóng mặt và buồn nôn. Khi tiếp xúc kéo dài hoặc nồng độ cao, chloroform ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thần kinh trung ương, gan và thận.

Trong gan, chloroform chuyển hóa bởi cytochrome P450 thành phosgene (COCl₂), một chất có hoạt tính độc tế bào mạnh, làm hỏng DNA, protein và màng tế bào. Tác dụng này dẫn đến tổn thương gan cấp và tăng nguy cơ ung thư. Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) phân loại chloroform vào nhóm 2B – có thể gây ung thư ở người.

Tác động sức khỏe theo đường tiếp xúc:

• Hít phải: ức chế thần kinh, rối loạn nhịp tim, ức chế hô hấp
• Qua da: kích ứng, khô và bỏng nhẹ
• Tiêu hóa: độc gan, thận, rối loạn tiêu hóa cấp

Khuyến nghị an toàn:

• Luôn sử dụng trong tủ hút khí độc
• Đeo găng tay nitrile và kính bảo hộ
• Không để gần nguồn nhiệt hoặc ánh sáng mặt trời

Thông tin an toàn: CDC – NIOSH Chloroform Profile

Ảnh hưởng môi trường và kiểm soát phát thải

Chloroform là hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) có thể tồn tại lâu trong môi trường, đặc biệt trong nước ngầm và khí quyển. Chloroform cũng là sản phẩm phụ được tạo ra khi clo hóa nước chứa chất hữu cơ tự nhiên, như trong hệ thống xử lý nước đô thị. Sự tồn tại kéo dài trong hệ sinh thái khiến chloroform trở thành mối quan tâm trong kiểm soát ô nhiễm công nghiệp và sức khỏe cộng đồng.

Chloroform có thể tích tụ trong sinh vật thủy sinh, làm thay đổi chức năng enzyme và làm hỏng mô gan cá. Trong không khí, chloroform phản ứng với hydroxyl radicals (OH•), nhưng quá trình này diễn ra chậm, khiến thời gian tồn tại trung bình lên đến vài tháng. Sự phát tán chloroform từ các cơ sở sản xuất hóa chất, nhà máy giấy và hệ thống cấp nước là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường.

Các biện pháp kiểm soát:

• Lắp đặt hệ thống hấp thụ bằng carbon hoạt tính
• Sử dụng clo dioxide thay thế clo trong xử lý nước
• Ứng dụng màng thẩm thấu ngược trong xử lý nước uống

Báo cáo môi trường: EPA – Chloroform Environmental Profile

Phân tích định lượng và phát hiện

Chloroform có thể được phát hiện và định lượng bằng các kỹ thuật phân tích hiện đại như sắc ký khí (GC), sắc ký khí – khối phổ (GC-MS), phổ hấp thụ UV và phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR). Trong nước, nồng độ chloroform thường nằm dưới 10 µg/L nhưng có thể tăng cao trong hệ thống clo hóa nước.

Phương pháp chiết pha lỏng–rắn (SPE) kết hợp GC-MS là tiêu chuẩn vàng để phát hiện chloroform trong mẫu nước, không khí và thực phẩm. Ngoài ra, các cảm biến điện hóa và vật liệu nano cũng đang được phát triển để đo lường chloroform trong thời gian thực, đặc biệt hữu ích cho giám sát chất lượng nước sinh hoạt.

Tiêu chuẩn quy định:

• OSHA (Hoa Kỳ): Giới hạn tiếp xúc trung bình (TWA) là 2 ppm
• EPA: Giới hạn chloroform trong nước uống là 70 µg/L

Tham khảo: CDC – Chloroform Guidelines

Xu hướng nghiên cứu và thay thế

Trước các mối nguy về sức khỏe và môi trường, các nhà khoa học đang tích cực tìm kiếm các dung môi thay thế cho chloroform với đặc tính tương đương nhưng an toàn hơn. Dichloromethane, ethyl acetate, toluene hoặc dung môi sinh học (bio-based solvents) đang được thử nghiệm trong nhiều ứng dụng. Đồng thời, các quy trình "xanh" với xúc tác enzyme và vi dòng (microfluidics) cũng đang được phát triển để loại bỏ hoàn toàn chloroform khỏi quy trình công nghệ.

Một hướng nghiên cứu đáng chú ý là phát triển cảm biến sinh học và thiết bị phát hiện cầm tay sử dụng vật liệu dẫn điện mới như graphene hoặc MOF (metal–organic frameworks), giúp giám sát phơi nhiễm chloroform nhanh chóng tại chỗ. Trong sinh học phân tử, một số công ty đã bắt đầu cung cấp kit chiết tách DNA không chứa chloroform để cải thiện độ an toàn và khả năng tự động hóa.

Xu hướng nổi bật:

• Tổng hợp dung môi thay thế không halogen
• Cảm biến chloroform tích hợp microchip
• Công nghệ sinh học thay thế quy trình chiết chloroform

Nguồn nghiên cứu: Nature Reviews – Safer Solvent Alternatives