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

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.

Nguồn: Giải Nobel Hóa học: Khi các nhà hóa học bắt chước Mẹ thiên nhiên (tiasang.com.vn)