Giải Nobel hóa học vinh danh các chất xúc tác ‘tao nhã’ có thể phân biệt trái phải

Hai nhà nghiên cứu phát triển các kỹ thuật để tăng tốc và kiểm soát các phản ứng hóa học đã đạt giải Nobel Hóa học 2021.

Benjamin List và David MacMillan cùng phát triển độc lập một dạng mới của chất xúc tác vào đầu những năm 2000. 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 thứ 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”.

“Tôi hoàn toàn không chờ đợi 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 thấy là nó có thể thực sự là điều gì đó lớn lao”. 

Những chất xúc tác thay thế

Các chất xúc tác, các chất liệu tăng tốc các phản ứng mà không bao giờ bị dùng hết, 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, 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 thiết kế các phân tử nhỏ có thể cung cấp hoặc đón nhận các điện tử và do đó thúc đẩy các phản ứng một cách hiệu quả.

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 đều 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.

Món quà từ tự nhiên

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 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 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”.

Anh Vũ tổng hợp

TS. Nguyễn Trần Thuật (Trung tâm Nano và Năng lượng, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN) hiệu đính

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-021-02704-2; https://www.nobelprize.org/