Giải Nobel Hóa học: Khi các nhà hóa học bắt chước Mẹ thiên nhiên

Nhà hóa học David MacMillan trong phòng thí nghiệm của mình ở Princeton. Nguồn: ĐH Princeton.

Các nhà hóa học có thể tạo ra các phân tử mới bằng việc gắn kết các khối hóa học nhỏ cơ bản lại với nhau nhưng việc kiểm soát các loại vật chất “vô hình” để chúng liên kết với nhau theo cách họ mong muốn là điều vô cùng khó. Benjamin List và David MacMillan đã độc lập phát triển một công cụ đầy khéo léo để xây dựng các khối phân tử: các chất xúc tác hữu cơ. Việc áp dụng công cụ hiệu quả này dẫn đến việc cho ra đời những dược chất mới và giúp cho hóa học trở nên “xanh” hơn. 

Được biết đến vào những năm 1990, khái niệm hóa học xanh được áp dụng rộng rãi để giảm thiểu sử dụng các vật liệu hay tạo ra các chất độc hại, qua đó ngăn ngừa ô nhiễm môi trường ngay tại nguồn. Do đó nhiều ngành công nghiệp và nhiều lĩnh vực nghiên cứu phụ thuộc vào năng lực của các nhà hóa học trong việc tạo ra các phân tử có chức năng mới. Những phân tử này có thể là các hợp chất có khả năng “bắt” ánh sáng trong các tấm năng lượng mặt trời hay lưu trữ năng lượng trong các loại pin, cũng có thể là các phân tử có thể tạo ra những đôi giày cực nhẹ hoặc loại dược chất có thể giúp ngăn ngừa sự tiến triển của bệnh dịch trong cơ thể con người. 

Tuy nhiên, nếu so sánh năng lực của tự nhiên trong việc xây dựng nên các tạo vật hóa học như vậy với năng lực của chúng ta, thì thực ra chúng ta vẫn còn sa lầy trong thời kỳ Đồ đá. Quá trình tiến hóa đã tạo ra những công cụ vô cùng đặc biệt, các enzyme cho việc cấu tạo nên các khối phức hợp phân tử, góp phần định hình nên sự sống, màu sắc và chức năng của chúng. Ban đầu, khi các nhà hóa học cô lập các kiệt tác phân tử này, họ thường ngắm chúng đầy ngưỡng mộ. Sau đó, với những “cái búa” và “đục” trong hộp công cụ của mình, họ chỉ có thể tạo ra những phân tử thô sơ và không đáng tin cậy. Do đó, khi bắt chước các tạo vật của tự nhiên, họ thường kết thúc công việc với rất nhiều sản phẩm phụ không mong muốn. 

Trong bối cảnh đó, vào đầu những năm 2000, Benjamin List và David MacMillan cùng phát triển độc lập một dạng mới của chất xúc tác. Kỹ thuật này – hay còn gọi là các chất xúc tác hữu cơ bất đối xứng – ngày nay được sử dụng một cách rộng rãi để chế tạo dược phẩm hoặc các hóa chất khác. Về cơ bản, các chất xúc tác họ phát triển có thể phân biệt đối xứng phải với trái, cho phép tổng hợp các phân tử mà có sự phân biệt giữa chúng và hình ảnh trong gương. 

Hai nhà khoa học phát triển “một công cụ thực sự tao nhã để tạo ra các phân tử - đơn giản hơn điều mà người ta có thể hình dung”, thành viên Ủy ban Nobel Hóa học Pernilla Wittung-Stafshede nói tại lễ công bố giải thưởng. “Cho đến năm 2000, chúng ta chỉ có thể biết đến hai hình thức của chất xúc tác. Nhưng sau đó thì tất cả đã thay đổi. Benjamin List và David MacMillan đã giải thích một cách riêng rẽ rằng anh có thể thấy các phân tử hữu cơ nhỏ cùng làm một việc như những enzyme và những phản ứng xúc tác kim loại chính xác, rẻ, nhanh và thân thiện với môi trường”. Nếu nhìn vào thực tế là các chất xúc tác hóa học có mặt trong 35% tổng sản phẩm nội địa trên toàn cầu thì mới thấy tầm quan trọng và triển vọng mà các chất xúc tác hữu cơ do Benjamin List và David MacMillan tạo ra. 

“Tôi hoàn toàn không chờ điều ngạc nhiên lớn này – anh thật sự khiến ngày hôm nay thành một ngày đặc biệt”, List nói với các phóng viên tại một buổi họp báo sau lễ công bố. “Khi lần đầu làm thực nghiệm này, tôi còn không rõ những gì có thể xảy ra và tôi nghĩ nó có thể là một ý tưởng ngốc nghếch, hoặc ai đó đã cố làm ra nó. Khi tôi thấy nó diễn ra, tôi mới cảm nhận đây có thể thực sự là điều gì đó lớn lao”. 

Nhà hóa học Đức Benjamin List chia sẻ niềm vui giành giải Nobel Hóa học 2021 cùng đồng nghiệp ở Viện Nghiên cứu Than đá Max Planck ở Muelheim. Nguồn: AP Photo/Martin Meissner.

Những chất xúc tác thay thế

Các chất xúc tác, các chất liệu gia tốc các phản ứng mà không bao giờ được dùng hết một cách trọn vẹn, là các công cụ cơ bản cho các nhà hóa học. List, làm việc tại Viện Nghiên cứu Than đá Max Planck ở Mülheim an der Ruhr, Đức và MacMillan, tại trường Đại học Princeton ở New Jersey, đã phát triển các chất xúc tác có thể điều khiển quá trình xúc tác bất đối xứng, trong đó phản ứng tạo ra phiên bản đối xứng trái của một phân tử nhiều hơn là phiên bản đối xứng phải và ngược lại.

Vào năm 2000, Benjamin List đã có ý tưởng đột phá trong khi nghiên cứu các kháng thể xúc tác. Thông thường, các kháng thể tấn công các virus bên ngoài hoặc vi khuẩn trong cơ thể chúng ta nhưng các nhà nghiên cứu tại Scripps đã tái thiết kế chúng, vì vậy chúng có thể định hướng các tương tác hóa học. Nghĩ về cách các enzyme hoạt động trên thực tế, List nhận thấy các phân tử lớn được tạo ra từ hàng trăm amino acids. Bên cạnh các amino acids này, một tỉ lệ đáng kể các enzyme chứa kim loại có thể thúc đẩy các quá trình hóa học. Nhưng nhiều enzyme cũng tạo ra xúc tác cho các phản ứng mà không cần đến kim loại. Thay vào đó, các phản ứng được một hoặc vài amino acids trong enzyme định hướng. Do đó, Benjamin List đã tự hỏi: amino acids có là một phần của một enzyme để tạo xúc tác cho một phản ứng hóa học? hay chỉ một amino acid, hoặc một phân tử đơn giản tương tự có thể làm được chuyện này?

Một số nghiên cứu từ đầu những năm 1970 đã sử dụng một amino acid là proline làm chất xúc tác nhưng nếu proline thực sự là một chất xúc tác hiệu quả thì nó có thể hiệu quả trên những phản ứng gì? Cuối cùng, List đã chứng tỏ proline amino acid có thể đóng vai trò như một chất xúc tác trong một phản ứng aldol, trong đó các nguyên tử carbon từ hai phân tử khác nhau đều liên kết với nhau và có thể được điều khiển thành xúc tác phi đối xứng. 

Cùng thời điểm đó, MacMillan chuyển từ Harvard đến UC Berkeley. Tại Harvard, ông đã tập trung vào cải thiện các xúc tác bất đối xứng bằng việc sử dụng kim loại. Đây là một lĩnh vực thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà nghiên cứu nhưng MacMillan biết rằng các chất xúc tác được phát triển lại hiếm khi phù hợp với ngành công nghiệp. Do đó, ông bắt đầu suy nghĩ tại sao và giả định vấn đề là các kim loại có độ nhạy cao đơn giản là quá khó và quá đắt cho việc ứng dụng. Việc đạt những điều kiện về độ ẩm hay khả năng chống oxy hóa của một số chất xúc tác quá đơn giản trong phòng thí nghiệm nhưng việc làm như vậy trong sản xuất công nghiệp ở quy mô lớn là điều vô cùng phức tạp. Ông cho rằng, để phát triển các công cụ hóa học hữu dụng, cần phải xem xét lại vấn đề.

MacMillan đã bắt đầu thiết kế các phân tử hữu cơ đơn giản. Chúng ta biết là các phân tử hữu cơ là các khối cơ bản của sự sống và có khung các nguyên tử carbon bền, và chúng thường xuyên chứa cả oxy, ni tơ, sulphur hay phosphorus. Tính chất của các phân tử hữu cơ phụ thuộc vào việc các nguyên tố này được đặt cạnh nhau như thế nào. MacMillan đã lựa chọn nhiều phân tử hữu cơ với những đặc tính cần thiết và thử nghiệm tính năng của chúng trong việc định hướng một phản ứng Diels–Alder, phản ứng mà các nhà hóa học dùng để tạo các vòng nguyên tử carbon. Một vài phân tử hữu cơ đã xuất sắc trong vai trò xúc tác bất đối xứng. Giống như hai hình ảnh đối xứng nhau qua gương, một hình ảnh giống đời thực tới 90%. Cuối cùng, ông đã thiết kế các phân tử nhỏ để có thể cung cấp hoặc đón nhận các điện tử và do đó thúc đẩy các phản ứng một cách hiệu quả.

Vào tháng 1/2000, trước khi Benjamin List xuất bản công bố của mình, David MacMillan gửi bản thảo lên một tạp chí khoa học. Trong phần giới thiệu của bài báo, ông viết “Tại đây, chúng tôi giới thiệu một chiến lược mới cho chất xúc tác hữu cơ mà chúng tôi hy vọng sẽ mở ra một phạm vi những chuyển hóa bất đối xứng”.
Cho đến khi những đột phá này được họ tạo ra, hiểu biết chung của các nhà hóa học là một xúc tác tổng hợp các phân tử bất đối (những phân tử có độ cứng lớn nhất) đều là một enzyme hoặc chứa một kim loại chuyển pha như sắt. “Đó thực sự là một chuyển đổi về khái niệm,” nhà hóa học Cathleen Crudden của trường Đại học Queen ở Kingston, Canada, nói. “Trong một quãng thời gian dài, mọi người đều nghĩ kim loại và enzyme chỉ là một”.

“Các xúc tác hữu cơ” do List, MacMillan và đồng nghiệp của họ phát triển đều không chứa kim loại. Và không như các enzyme, chúng là các phân tử hữu cơ nhỏ, “thứ mà tôi nghĩ là vô cùng thú vị”, nhà hóa học Claudia Felser của viện nghiên cứu Hóa Lý chất đậm đặc ở Dresden, Đức, nói. Các chất xúc tác hữu cơ đều rẻ hơn những loại chứa kim loại.

Khó có thể liệt kê hàng trăm ví dụ về việc ứng dụng các chất xúc tác hữu cơ – nhưng tại sao không ai nghĩ đến chất xúc tác phi đối xứng đơn giản, xanh và rẻ sớm hơn? Có nhiều câu trả lời cho thắc mắc này. Một trong số đó là ý tưởng đơn giản thường rất khó để hình dung. Cái nhìn của chúng ta thường bị che mờ bởi những khái niệm đã có về cách thế giới phải vận hành, như ý tưởng chỉ có các kim loại hoặc các enzyme mới có thể “lèo lái” các phản ứng hóa học. Benjamin List và David MacMillan đã thành công trong việc bỏ qua các khái niệm đã có thể tìm ra một giải pháp đầy khéo léo cho vấn đề mà các nhà hóa học đã vật lộn trong nhiều thập niên. Các chất xúc tác hữu cơ do đó đang lại – theo cách đúng đắn như hiện nay – lợi ích lớn lao cho con người.

Món quà từ tự nhiên

Các nhà hóa học tự biết nhiệm vụ của họ là bắt chước Mẹ thiên nhiên. Nhưng quả thật đây là những nhiệm vụ vô cùng khó. Ví dụ như về các chất xúc tác hữu cơ, vốn có thể dẫn đến việc xây dựng các phân tử hiệu quả là là sự tổng hợp diễn ra trong tự nhiên, như trường hợp của phân tử strychnine phức tạp (một chất độc có trong cây mã tiền). Những ai đọc các tiểu thuyết trinh thám với vô số vụ giết người bí ẩn của Agatha Christie hẳn đều biết tác dụng khủng khiếp của strychnine. Tuy nhiên với các nhà hóa học thì strychnine lại giống như một khối Rubik lập phương: một thách thức lớn bởi nếu muốn giải quyết chỉ trong vài bước là không thể. Khi strychnine được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1952, nó đòi hỏi 29 phản ứng khác nhau và chỉ có 0,0009% vật liệu ban đầu có thể hình thành nên strychnine. Phần còn lại đơn giản là vô tác dụng. Vào năm 2011, các nhà nghiên cứu mới có thể sử dụng các chất xúc tác hữu cơ và một phản ứng nối tầng để tạo ra strychnine trong 12 bước, và quá trình sản xuất đã hiệu quả hơn 7.000 lần.

Trong phạm vi của các hiện tượng và các tỉ lệ khác nhau rất lớn, tự nhiên dường như có khuynh hướng thuận tay này hơn tay khác, Felser cho biết thêm. Điều này cũng được phản ánh một sự thật là từ thuở ban sơ, vũ trụ được tạo ra từ vật chất chứ không phải là phản vật chất, và sự sống sử dụng các amino acids thuận trái và đường thuận phải.

“Tại sao trong thế giới sinh học chỉ thuận một tay? Tại sao chúng ta có sự ưu tiên này trong tự nhiên? Chúng ta thường không biết”, List nói. “Khuynh hướng thích một hướng thuận này thể hiện rõ ràng trong phản ứng xúc tác lên các chất nền vì vậy anh sẽ có nhiều hơn các phân tử thuận một hướng. Đó là một món quà vĩ đại. Tôi có thể nói, tự nhiên đem lại các phân tử đó cho chúng ta”.

“Với tôi, tính bất đối xứng là câu hỏi thú vị bậc nhất trong vật lý và hóa học, thậm chí có thể là sinh học”, Felser nói và cho biết thêm là việc thông báo giải Nobel Hóa học có thể “truyền cảm hứng cho thế hệ sau nhìn vào các vi phạm đối xứng trong tự nhiên”.

“Theo quan điểm của tôi, cuộc cách mạng thật sự của những gì chúng ta có – trong các phát hiện của chúng tôi – chỉ là một chút trên bề mặt”, List nói và cho biết thêm là việc nhận giải Nobel có thể cho phép ông có thêm sự tự do để theo đuổi các ý tưởng mới trong nghiên cứu của mình. “Tôi hi vọng tôi sẽ sống với sự ghi nhận này và tiếp tục khám phá những điều thú vị”.□

Thanh Nhàn tổng hợp
Nguồn: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/summary/; Nature