Hành trình ra đời của nghiên cứu đoạt giải Nobel Hóa học

Công trình của Benjamin List và David W.C. MacMillan cho phép các nhà khoa học sản xuất phân tử với chi phí rẻ, hiệu quả, an toàn và tạo ít chất thải độc hại hơn. Đó là ngày thứ hai liên tiếp giải Nobel vinh danh nghiên cứu có ý nghĩa với môi trường. Giải Nobel Vật lý năm nay được trao cho nghiên cứu giúp mở rộng hiểu biết của con người về biến đổi khí hậu.

Giải Nobel Hóa học giành cho nghiên cứu tập trung vào xây dựng phân tử. Quá trình đó đòi hỏi liên kết phân tử với nhau theo trình tự đặc biệt, một công việc khó khăn và chậm chạp. Trước thế kỷ 21, các nhà hóa học chỉ có hai loại chất xúc tác để thúc đẩy quá trình, sử dụng enzyme phức tạp hoặc kim loại.

Tất cả thay đổi khi List, nhà nghiên cứu ở Viện Max Planck tại Đức, và MacMillan ở Đại học Princeton tại New Jersey, báo cáo có thể sử dụng phân tử hóa học nhỏ để thúc đẩy phản ứng hóa học. Công cụ mới rất quan trọng đối với phát triển thuốc và giảm thiểu sự cố khi sản xuất thuốc, bao gồm vấn đề có thể gây ra tác dụng phụ có hại. Johan Åqvist, chủ tịch Hội đồng Nobel, mô tả phương pháp này "đơn giản nhưng không kém phần độc đáo. Thực tế là nhiều người thắc mắc tại sao chúng ta không nghĩ ra sớm hơn".

Tại buổi họp báo ở Đại học Princeton, MacMillan chia sẻ ông lên kế hoạch theo đuổi ngành vật lý giống như anh trai. Nhưng lớp vật lý ở trường đại học bắt đầu lúc 8 giờ sáng trong phòng học lạnh lẽo và ẩm ướt ở xứ Scotland mưa nhiều, trong khi lớp hóa học diễn ra muộn hơn 2 tiếng ở nơi ấm áp và khô ráo hơn. Ông chia sẻ cảm hứng cho công trình nghiên cứu đoạt giải Nobel xuất hiện khi ông nghĩ tới quá trình sản xuất hóa chất đòi hỏi nhiều biện pháp an toàn như ở nhà máy điện hạt nhân.

Nếu MacMillan có thể tìm ra cách sản xuất thuốc nhanh hơn bằng phương pháp hoàn toàn khác không đòi hỏi chất xúc tác kim loại, quá trình sẽ an toàn hơn đối với cả người lao động và Trái Đất. List chia sẻ lúc đầu ông không biết MacMillan cũng nghiên cứu cùng đề tài và từng nghĩ công trình của chính ông chỉ là "ý tưởng ngốc nghếch" cho tới khi phương pháp cho thấy hiệu quả.

H.N. Cheng, chủ tịch Hiệp hội Hóa học Mỹ, nhận định hai học giả đã phát triển "chiếc đũa thần kỳ mới". Trước đây, chất xúc tác tiêu chuẩn được sử dụng thường xuyên là kim loại, gây nhiều tác động xấu tới môi trường khi tích tụ, rò rỉ và độc hại. Chất xúc tác mà MacMillan và List tiên phong phát triển là hợp chất hữu cơ nên phân hủy nhanh hơn và có giá thành rẻ hơn.

Benjamin List

Benjamin List làm việc với kháng thể xúc tác. Thông thường, kháng thể bám vào virus hoặc vi khuẩn lạ trong cơ thể, nhưng nhóm nghiên cứu ở Viện nghiên cứu Scripps tại California đã thiết kế lại để chúng có thể thúc đẩy phản ứng hóa học.

Trong thời gian làm việc với kháng thể xúc tác, List bắt đầu suy nghĩ về cách enzyme hoạt động. Chúng thường là những phân tử khổng lồ cấu tạo từ hàng trăm axit amin. Ngoài axit amin, một phần lớn của enzyme chứa kim loại giúp thúc đẩy quá trình hóa học. Nhưng nhiều enzyme xúc tác phản ứng hóa học mà không có sự hỗ trợ của kim loại. Thay vào đó, phản ứng được điều khiển bởi một hoặc một vài axit amin trong enzyme. Câu hỏi khiến List băn khoăn là liệu axit amin có cần nằm trong enzyme để xúc tác phản ứng hóa học hay không. Hay chỉ cần một axit amin hoặc phân tử đơn giản khác tương tự để đạt hiệu quả tương tự?

List biết có một nghiên cứu vào đầu thập niên 1970 sử dụng một loại axit amin gọi là proline làm chất xúc tác, nhưng thí nghiệm xảy ra từ hơn 25 năm trước. Nếu proline thực sự là chất xúc tác hiệu quả, liệu có ai tiếp tục nghiên cứu nó hay không. List nghĩ lý do không ai tiếp tục nghiên cứu hiện tượng là do hợp chất không hoạt động tốt.

Dù không có bất cứ kỳ vọng nào, List vẫn kiểm tra liệu proline có thể xúc tác phản ứng aldol, trong đó nguyên tử carbon từ hai phân tử khác biệt liên kết với nhau. Điều thú vị là phương pháp hiệu quả ngay lập tức chỉ trong một lần thử. Với thí nghiệm của mình, List không chỉ chứng minh proline là chất xúc tác hiệu quả mà axit amin này còn có khả năng thúc đẩy xúc tác bất đối xứng. Trong quá trình xây dựng phân tử, tình huống phổ biến là hai phân tử khác nhau có thể hình thành. Các nhà hóa học thường chỉ muốn một phân tử trong số đó, đặc biệt khi sản xuất dược phẩm.

Không giống những nhà nghiên cứu từng thử nghiệm proline như một chất xúc tác, List hiểu rõ tiềm năng khổng lồ của axit amin này. So sánh với cả kim loại và enzyme, proline là công cụ mơ ước đối với các nhà hóa học. Đây là một phân tử rất đơn giản, rẻ và thân thiện với môi trường. Khi công bố phát hiện vào tháng 2/2000, List mô tả xúc tác bất đối xứng với phân tử hữu cơ là khái niệm mới với nhiều cơ hội. Tuy nhiên, ông không phải người duy nhất nghiên cứu đề tài này. Ở một phòng thí nghiệm tại California, David MacMillan cũng làm việc với mục tiêu tương tự.

David MacMillan

Tháng 7/1998, David MacMillan chuyển từ Đại học Havard tới Đại học California, Berkeley. Tại Harvard, ông từng nghiên cứu cách cải tiến xúc tác bất đối xứng bằng kim loại. Đó là lĩnh vực thu hút nhiều sự chú ý từ các nhà nghiên cứu. Nhưng MacMillan chú ý tới việc các chất xúc tác này hiếm khi được dùng trong công nghiệp. Ông bắt đầu nghĩ tới lý do và nhận thấy kim loại nhạy cảm quá khó sử dụng và đắt đỏ. Việc tạo ra môi trường không oxy và hơi ẩm cần thiết đối với một số chất xúc tác kim loại tương đối đơn giản trong phòng thí nghiệm, nhưng tiến hành sản xuất công nghiệp trên quy mô lớn trong điều kiện như vậy vô cùng phức tạp.

MacMillan kết luận để công cụ hóa học mà ông phát triển hữu dụng, ông cần cân nhắc lại. Vì vậy, khi chuyển tới Berkeley, MacMillan bỏ nghiên cứu kim loại. Thay vào đó, ông bắt đầu thiết kế phân tử hữu cơ đơn giản có thể tạm thời cung cấp hoặc chứa electron giống như kim loại. Phân tử hữu cơ là phân tử cấu tạo nên mọi vật sống, có bộ khung ổn định tạo từ nguyên tử carbon. Các nhóm hoạt chất hóa học bám vào bộ khung carbon này và chúng thường chứa oxy, nitrogen, lưu huỳnh hoặc phospho.

Những phân tử hữu cơ chứa các nguyên tố đơn giản và phổ biến, nhưng tùy theo cách kết hợp, chúng có thể sở hữu đặc tính phức tạp. Hiểu biết về hóa học giúp MacMillan biết để phân tử hữu cơ xúc tác phản ứng mong muốn, nó cần có khả năng hình thành ion imine, chứa một nguyên tử nitrogen hút electron.

MacMillan lựa chọn vài phân tử hữu cơ với đặc tính phù hợp, sau đó kiểm tra khả năng thúc đẩy phản ứng Diels–Alder của chúng. Các nhà hóa học thường sử dụng phản ứng này để xây dựng vòng nguyên tử carbon. Đúng như ông kỳ vọng, phương pháp cho hiệu quả tốt. Một số phân tử hữu cơ cũng hoạt động cực tốt với xúc tác bất đối xứng.Vào tháng 1/2000, ngay trước khi List công bố phát hiện, MacMillan gửi bài báo mô tả nghiên cứu cho một tạp chí khoa học.

Nghiên cứu thắng giải Nobel 2021, hai nhà khoa học giành được số tiền thưởng là 10 triệu kroner (1,16 triệu USD).

An Khang (Theo Phys.org)