Nobel Hóa học 2021: Đi tìm hòn đá phù thủy từ tự nhiên

Hơn hai nghìn năm về trước, Aristoteles cho rằng chúng ta có thể chuyển hóa chất này thành chất khác. 

Nhận định này đã khơi mào cho những thực hành giả kim thuật khắp thế giới, với mục đích biến chì thành vàng hay tìm ra thuốc trường sinh bất lão.

Hòn đá phù thủy

Tuy việc tìm ra thuốc trường sinh bất lão đến nay vẫn chưa thấy, những nhà giả kim thuật đã tạo tiền đề cho ngành hóa học hiện đại, khởi đầu với những truyền thuyết huyền bí rất khó tin. 

Một truyền thuyết như thế là “hòn đá phù thủy”, thứ chạm vào đâu thì nơi đó sẽ biến thành vàng. Truy tìm hòn đá phù thủy từng là một trong những cuộc đua âm thầm mà gay cấn nhất của các nhà giả kim thuật, dù tới nay vẫn chưa có ai thành công.

Dẫu vậy, việc biến chất này thành chất khác thì vẫn là khả thi. Đến thế kỷ 19, các nhà hóa học phát hiện một hiện tượng lạ: Một số chất giúp chuyển hóa chất này thành chất khác rất nhanh, nhưng bản thân nó lại không mất đi sau phản ứng hóa học.

Ví dụ, khi cho bạc vào cốc chứa oxy già (H2O2), oxy già sẽ phân hủy ngay lập tức thành nước (H2O) và oxy (O2). Những nguyên tử oxy mới sinh ra này có tính oxy hóa rất mạnh, có tác dụng diệt khuẩn, nên oxy già được dùng để sát khuẩn cho vết thương. 

Bóng dáng “hòn đá phù thủy” ở đây chính là mẩu bạc kỳ diệu kia, thứ đột nhiên gây ra phản ứng hóa học mãnh liệt đến nỗi cốc nước sủi bọt và có thể trào ra khỏi miệng.

Năm 1835, Jacob Berzelius, nhà hóa học nổi tiếng người Thụy Điển, có lẽ là người đầu tiên đã tổng hợp và trình bày chi tiết hiện tượng này trong một báo cáo hằng năm của Viện hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển. 

Theo Berzelius, hiện tượng hóa học này phổ biến hơn rất nhiều so với những gì con người biết tới. Ông cũng cho rằng các chất đó sở hữu lực xúc tác, và gọi chúng là các chất xúc tác. Berzelius đã đúng và ông trở thành ông tổ của ngành xúc tác học.

Phản ứng hóa học

Công việc của các nhà hóa học về cơ bản là tạo ra phản ứng hóa học. Đầu vào là các chất tham gia phản ứng, còn đầu ra là kết quả của phản ứng.

Có thể so sánh việc này với trò xếp hình Lego, không phải miếng nào cũng khớp với nhau, mà phải có những điều kiện nhất định. 

Phản ứng hóa học giữa các chất khác nhau cũng cần những điều kiện để xảy ra. Ngoài việc các chất phải tiếp xúc với nhau, còn một điều kiện tối quan trọng khác là năng lượng tự do của hệ phải giảm. 

Điều này đồng nghĩa chỉ các quá trình làm giảm năng lượng của hệ thống - tức chuyển hệ thống từ trạng thái có năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp, từ trạng thái kém bền sang bền vững hơn - thì mới có thể tự xảy ra được.

Ví dụ cho hiện tượng này là nước chảy từ cao xuống thấp. Do nước ở trên cao thì có thế năng cao, còn ở dưới thấp sẽ có thế năng thấp hơn, nên nó luôn chảy xuôi: ở dưới thấp, thế năng nhỏ hơn, nó sẽ bền vững hơn. 

Nếu muốn nước chảy ngược lên cao, phải cung cấp một lượng năng lượng tương ứng cho nó, chính là cái... máy bơm.

Các quá trình hóa học cũng vậy. Nếu một quá trình hóa học không thể tự xảy ra, ta có thể xem xét tác động vào nó bằng cách bơm thêm năng lượng để “cưỡng ép” cho nó xảy ra. Năng lượng bổ sung đó có thể là nhiệt năng, quang năng hoặc điện năng.

Ngoài ra, còn có những phản ứng xảy ra được nhưng vô cùng chậm chạp, có khi cả triệu năm mới xong, thì có cách nào tăng tốc để nó kết thúc trong một năm, thậm chí một vài ngày, hay không?

Cuối cùng, các phản ứng hóa học thường xảy ra song song, đồng nghĩa đầu ra mong muốn có khi chỉ chiếm một phần rất nhỏ, còn lại đều là các phế phẩm, thậm chí nguy hại. Vậy có cách nào để phản ứng diễn ra chọn lọc hơn, thu được nhiều đầu ra mong muốn hơn?

Công cụ giúp ta làm tất cả những việc đó là “hòn đá phù thủy” mà khoa học hiện đại gọi là các chất xúc tác.

Vấn đề của xúc tác

Ngay sau khi được khám phá, các chất xúc tác đã đóng góp vô cùng lớn vào sự phát triển của văn minh nhân loại. Người ta ước tính khoảng 35% GDP toàn cầu hiện liên quan đến xúc tác trong các quá trình tổng hợp hóa học.

Tuy đóng góp nhiều như vậy, nhưng đến tận năm 2000, các chất xúc tác vẫn chỉ bao gồm hai nhóm: xúc tác kim loại và xúc tác enzyme.

Xúc tác kim loại cơ bản là nhân tạo, được nghiên cứu và tổng hợp bởi các nhà hóa học, chủ yếu dùng trong công nghiệp hóa chất; còn xúc tác enzyme có nguồn gốc tự nhiên, được tự nhiên sử dụng để tổng hợp các phân tử hữu cơ trong các cơ thể sống, rồi mới được các nhà khoa học khai thác để sử dụng trong công nghiệp hóa chất và môi trường.

Xúc tác kim loại tuy có đóng góp lớn với ngành công nghiệp hóa chất, nhưng cũng có nhiều nhược điểm. 

Các kim loại thường rất nhạy và bị phân hủy nhanh khi tiếp xúc với oxy và nước, nên đòi hỏi môi trường không có oxy và độ ẩm để hoạt động tốt. 

Điều này có thể đạt được trong phòng thí nghiệm, nhưng ở quy mô công nghiệp thì khó khăn hơn rất nhiều. Các kim loại dùng làm xúc tác cũng thường đắt đỏ và độc hại cho môi trường.

Khi so sánh hiệu quả của xúc tác kim loại và xúc tác enzyme, ta thấy thiên nhiên đã vượt xa con người trong việc sử dụng xúc tác để tổng hợp hóa học, đặc biệt là tổng hợp các phân tử hữu cơ có cấu trúc phức tạp.

Một trong những ví dụ điển hình là thiên nhiên sử dụng các xúc tác enzyme để tạo ra một cách có chọn lọc các phân tử hữu cơ đối xứng gương, tức các “đồng phân quang học”, tương tự như hai bàn tay của con người, tuy giống hệt nhau khi phản chiếu qua gương, nhưng tính chất lại rất khác nhau. 

Ví dụ, đồng phân S-limonene có mùi chanh, trong khi đồng phân R-limonene là hình ảnh đối xứng gương của nó lại có mùi cam.

Các xúc tác enzyme cũng phối hợp rất nhịp nhàng trong một chuỗi phản ứng. Khi một enzyme xúc tác cho phản ứng hóa học này kết thúc thì một enzyme khác sẽ tiếp quản để xúc tác cho một phản ứng nối tiếp. 

Đó là lý do vì sao các vật thể sống, như cây cối hay cơ thể chúng ta, có thể tạo ra những đại phân tử có cấu trúc vô cùng phức tạp, như cholesterol, chất diệp lục, hoặc chất độc strychnine, với độ chính xác và sự dễ dàng khó tin.

Ý tưởng chói sáng

Câu hỏi tiếp theo là có cách nào có thể bắt chước các enzyme, tức bắt chước tự nhiên, không?

Những năm 1990, một nhóm các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Scripps ở Nam California, Mỹ, dưới sự dẫn dắt của giáo sư Carlos F. Barbas III (mất năm 2014), đã cố gắng phát triển các biến thể enzyme làm chất xúc tác. Trong nhóm nghiên cứu đó có Benjamin List.

Khi đó, List làm việc với các xúc tác kháng thể và nhận ra rằng có rất nhiều enzyme hoạt động mà không có sự tham gia của các nguyên tố kim loại. 

Thay vào đó, phản ứng hóa học được điều khiển bởi một vài axit amin riêng lẻ. 

Từ đó, ông nêu ra một câu hỏi độc đáo: Liệu các axit amin có nhất thiết phải nằm trong enzyme để xúc tác cho phản ứng hóa học, hay một axit amin đơn lẻ, một nhóm phân tử hữu cơ đơn giản tương tự, cũng có thể đóng vai trò chất xúc tác?

List lần lại các nghiên cứu trước đây và thấy rằng vào những năm 1970 đã có nghiên cứu về việc sử dụng một axit amin là proline làm chất xúc tác có kết quả, nhưng không ai tiếp tục hướng đi này. 

Ông kiểm chứng lại khả năng xúc tác của proline với phản ứng aldol, một phản ứng hữu cơ điển hình. Kết quả tốt ngoài mong đợi! Nghiên cứu của Benjamin List và các cộng sự được công bố ngày 26-2-2000.

Cách nơi List làm việc không xa, cũng tại bang California nhưng ở phía bắc, David MacMillan đang tiến hành những nghiên cứu với mục tiêu tương tự.

Trước đó hai năm, MacMillan chuyển từ Đại học Harvard đến Đại học California, Berkeley. 

Tại Harvard, ông từng nghiên cứu các xúc tác bất đối xứng trên cơ sở kim loại - chủ đề nóng của giới nghiên cứu xúc tác lúc bấy giờ. 

Ông nhận ra rằng dù được nghiên cứu rất nhiều trong phòng thí nghiệm, các xúc tác kim loại lại hiếm khi được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp bởi chúng quá đắt đỏ.

Ông từ bỏ hướng nghiên cứu này và chuyển sang thiết kế các phân tử hữu cơ đơn giản có khả năng cho và nhận điện tử tương tự như kim loại để làm xúc tác. 

Ông đặc biệt chú ý đến các phân tử có chứa nitơ, vốn là nguyên tố có ái lực mạnh với các điện tử. Sau khi kỹ càng lựa chọn được vài phân tử hữu cơ phù hợp, MacMillan tiến hành thí nghiệm với phản ứng Diels-Alder, một phản ứng hóa học hữu cơ điển hình để tạo ra các vòng nguyên tử carbon. 

Đúng như dự đoán và mong đợi, các phân tử này hoạt động tuyệt vời, không chỉ có tính chất xúc tác tốt, mà còn có tính chọn lọc cao, cho phép tạo ra một đồng phân chiếm đến 90% sản phẩm.

Kể từ đó, lĩnh vực xúc tác hữu cơ bùng nổ, đến mức được ví như cơn sốt đào vàng, mà List và MacMillan là những người cầm cuốc xẻng đi đầu.■