Thế giới của chúng ta được tạo nên từ vật chất. Bởi vậy, nắm trong tay các công cụ thay đổi vật chất chính là nắm được quyền năng thay đổi thế giới này. Sự tiến hóa của các công cụ đã trải qua một hành trình dài, từ những chiếc búa thô sơ bằng đá mà tổ tiên chúng ta sử dụng cách đây 2,6 triệu năm, cho đến những công cụ bằng đồng, bằng sắt, máy móc trong thời đại công nghiệp và robot tự động hóa mà chúng ta có được vào ngày nay.

Thế nhưng xuyên suốt trong dòng chảy đó, con người không chỉ thao túng vật chất một cách lý tính như cách mà chúng ta thấy: đá được đẽo gọt thành lưỡi dao, kim loại được nấu chảy để đúc thành rìu, gỗ được chặt xuống và biến thành bàn ghế…

Khi vật chất được con người thay đổi từ bên trong lõi của từng nguyên tử, chúng ta đang nói đến một công cụ vô cùng sắc bén, một công cụ cho phép thay đổi thế giới một cách triệt để từ những phần tử cấu thành gần như nhỏ nhất: Các nguyên tử và phản ứng hóa học.

Phản ứng hóa học được định nghĩa là quá trình biến đổi một tập hợp các chất này thành một tập hợp các chất khác. Một cách vô tình, những phản ứng đầu tiên đã giúp tổ tiên chúng ta nấu chín thức ăn bằng lửa, biến bột thành bánh mì và biến nho thành rượu.

Khi chúng ta bắt đầu hiểu biết và mong muốn chế ngự những quá trình kì diệu này, tiền thân của ngành hóa học đã ra đời: Thuật giả kim trong thời trung cổ đã nuôi dưỡng những nền văn minh vĩ đại nhất từ Ai Cập cho tới Hy Lạp, thế giới Hồi Giáo của người Ả Rập cho tới tiểu lục địa Ấn Độ và Trung Quốc.

Và mặc dù hóa học hiện đại mới chỉ mới bắt đầu hình thành từ thế kỷ 17 trở lại đây, chỉ trong khoảng 400 năm ngắn ngủi đó, chúng ta đã được chứng kiến toàn bộ thế giới thay đổi một cách chóng mặt.

Khi con người nắm trong tay những phản ứng thao túng vật chất trên quy mô và mức độ tinh khiết chưa từng có, chúng ta đã biến được đất thành gạch, đá núi thành xi măng, quặng sắt thành thép để xây dựng lên những thành phố vĩ đại.

Chúng ta hút dầu mỏ rồi biến nó thành đủ thứ, từ nhựa đường, cao su, đồ gia dụng cho tới thuốc nhuộm vải và cả mỹ phẩm làm đẹp cho chính bản thân mình. Các phản ứng hóa học không chỉ giúp chúng ta có nhà cửa, quần áo và thực phẩm, nó còn đứng sau mọi loại thuốc men và vắc-xin chúng ta đang sử dụng, những thứ đang giúp chúng ta gìn giữ sức khỏe và cả tuổi thọ giống loài mình.

Nhưng phản ứng hóa học liệu đã phải là công cụ đỉnh cao giúp chúng ta thay đổi thế giới? Câu trả lời là: Chưa hẳn! Bản thân các phản ứng hóa học mới chỉ là một công cụ hết sức thô sơ nếu chúng không được mài để trở nên sắc bén hơn.

Benjamin List và David MacMillan, hai nhà khoa học được trao giải thưởng Nobel Hóa học năm 2021 chính bởi họ đã có công giúp con người điều khiển phản ứng hóa học một cách chính xác và hiệu quả hơn, thông qua các phân tử được gọi là chất xúc tác hữu cơ (organocatalysis).

Mọi chuyện bắt đầu từ thế kỷ 19, khi các nhà hóa học hiện đại đã đi được một nửa chặng đường của mình. Tất nhiên, họ đã biết phản ứng hóa học sẽ biến một tập hợp chất này thành tập hợp chất khác. Trong đó có một loại phản ứng được gọi là phân hủy, nơi chỉ có một chất được tách ra hành hai chất khác nhau.

Lấy ví dụ như phương trình hydrogen peroxide (H₂O₂) phân hủy thành oxy (O₂) và nước (H₂O): 2H₂O₂ → 2 H₂O + O₂.

Thông thường, phản ứng này xảy ra một cách rất chậm, khiến H₂O₂ có thể được bán ngoài thị trường để tẩy rửa vết thương mà không sợ chúng biến hoàn toàn thành nước. Thế nhưng, khi các nhà hóa học vô tình thả một mẩu bạc vào dung dịch H₂O₂, họ thấy nó sủi bọt và dung dịch bắt đầu biến thành nước với tốc độ nhanh hơn đáng kể.

Điều bất ngờ là bạc – thứ có trong dung dịch tham gia vào phản ứng– dường như không bị ảnh hưởng và không biến thành chất khác. Nó có thể được thu hồi một cách nguyên vẹn sau đó để tiếp tục tham gia vào các phản ứng sau này.

Mô hình này sau đó đã được quan sát thấy ở ngày càng nhiều phản ứng hóa học, bao gồm cả các phản ứng hữu cơ như quá trình chuyển đổi tinh bột thành đường glucose dưới sự tăng tốc của axit.

Đến năm 1835, Jacob Berzelius, một nhà hóa học nổi tiếng người Thụy Điển đã trình bày trước Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia về một mô hình mà ông gọi đó là "xúc tác". Trong đó, bản thân sự hiện diện của một chất sẽ tạo ra "lực" để "bắt đầu một hoạt động hóa học" có khả năng thúc đẩy quá trình phản ứng diễn ra nhanh hơn.

Berzelius gọi các chất này là chất xúc tác, hay "catalysis" với từ gốc trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là "nới lỏng" hoặc "cởi trói". Cơ chế này xảy ra bởi sự có mặt của chất xúc tác hình thành lên một "con đường phản ứng" thay thế với mức năng lượng hoạt hóa thấp hơn.

Chất xúc tác đóng vai trò như một bậc thang trung gian cho các chất hóa học ban đầu bước xuống, sau đó mới trở thành sản phẩm cuối cùng. Lấy ví dụ trong phản ứng phân hủy H₂O₂ thành oxy và nước, thay vì một phản ứng 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ xảy ra rất chậm vì có năng lượng hoạt hóa rất cao, sự có mặt của một chất xúc tác kim loại như bạc hoặc platinum sẽ biến phản ứng thành hai bước, nhưng có mức năng lượng hoạt hóa thấp hơn và xảy ra nhanh hơn:

Bước 1: Ag + H₂O₂ -> H₂O + Ag(O)

Bước 2: Ag(O) + H₂O₂ -> Ag + O₂ + H₂O

*(O) là các nguyên tử oxy phân ly và hấp thụ trên bề mặt của bạc.

Bởi các chất xúc tác có khả năng tăng tốc phản ứng, nó sẽ giúp chúng ta tăng tốc các quá trình biến đổi thế giới theo chiều hướng nhân tạo. Ước tính tới 90% tất cả các quy trình hóa học được con người thực hiện trên thế giới ngày nay có mặt chất xúc tác.

Các phân tử nhỏ bé này đang góp phần làm ra 60% sản phẩm hóa chất, đóng góp vào 75% giá trị của tất cả các sản phẩm có nguồn gốc từ dầu mỏ. Khoảng 80% các loại vật liệu mà chúng ta tạo ra cho cuộc sống hiện đại ngày nay cũng có sự tham gia của chất xúc tác, ít nhất là trong một công đoạn nào đó.

Một tính toán năm 2005 cho thấy chất xúc tác đã tạo ra khoảng 900 tỷ USD sản phẩm trên toàn thế giới. Các phân tử bé nhỏ này, vì vậy, đang đóng góp trực tiếp hoặc gián tiếp vào 35% tổng GPD toàn cầu.

Vậy là chúng ta đã biết chất xúc tác có thể làm tăng tốc phản ứng và tăng tốc độ mà con người nhào nặn thế giới vật chất xung quanh mình. Nhưng tốc độ thôi là chưa đủ. Trong phản ứng hóa học, chúng ta còn phải kiểm soát được các sản phẩm mong muốn và hạn chế các phụ phẩm nguy hại mà nó có thể tạo ra.

Các nhà hóa học cho biết ngoài thực tế, phản ứng hóa học không xảy ra một cách "ngoan ngoãn" như phương trình mà chúng ta từng cân bằng trong sách giáo khoa phổ thông. Một trong số những hiện tượng oái oăm nhất xảy ra trong một phản ứng, đó là sản phẩm của nó sẽ chứa một tỷ lệ các chất là đồng phân đối quang học của nhau.

Đồng phân đối quang học là các phân tử chứa số lượng và cách sắp xếp nguyên tử giống hệt nhau, chỉ có điều ngược nhau hoàn toàn theo chiều trái phải. Có nghĩa là nếu bạn viết công thức của một đồng phân này và đặt nó trước gương, bạn sẽ nhận được hình ảnh phản chiếu chính là đồng phân kia.

Trong một số trường hợp, các đồng phân này sẽ thể hiện tính chất hóa học và vật lý gần giống nhau. Chẳng hạn như S-limonene, một đồng phân xuôi chiều bên trái của limonene có trong chanh sẽ tạo ra hương vị của chanh. Cũng là limonene nhưng xuôi chiều bên phải là R-limonene có trong cam thì tạo ra hương vị cam.

Nhưng rắc rối sẽ xảy ra trong các trường hợp còn lại. Giống như Tôn Ngộ Không và Lục Nhĩ Mỹ Hầu được trời đất tạo ra, các đồng phân đối quang học đôi khi cũng có một phiên bản tốt và một phiên bản xấu.

Lấy ví dụ như thuốc thalidomide được sử dụng để điều trị ung thư và bệnh phong trong thập niên 1950-60. Các đồng phân xuôi chiều bên trái của nó S- thalidomide đóng vai trò như một dược phẩm, nhưng đồng phân đối quang học ngược chiều R- thalidomide lại là một chất độc gây ra nhiều tác dụng phụ bao gồm cả dị tật thai nhi.

Bởi không lường trước được điều này, nhà sản xuất thuốc thalidomide Celgene Corporation tại Tây Đức đã tạo ra các phiên bản thuốc với chỉ 31% S-thalidomide còn lại là R-thalidomide. Kết quả là họ đã gây ra một trong những cuộc khủng hoảng lớn nhất trong ngành dược, giết chết hơn 2.000 trẻ em và gây dị tật bẩm sinh nghiêm trọng cho hơn 10.000 đứa trẻ khác.

Nhiệm vụ của các nhà khoa học lúc này rõ ràng là phải tìm ra được cách tạo ra được các sản phẩm đồng phân đối quang học quay theo phía mà họ mong muốn. Các chất xúc tác một lần nữa là nơi mà họ gửi gắm niềm tin của mình.

Điều này dẫn chúng ta tới mốc thời gian trước năm 2000, khi Benjamin List và David MacMillan chưa có những khám phá đưa họ đến với giải Nobel năm 2021. Toàn bộ các chất xúc tác mà nhân loại có được ở thời điểm đó đều có thể xếp vào một trong hai loại.

Loại thứ nhất là các xúc tác bằng kim loại, hoạt động dựa trên khả năng tạm thời cho hoặc nhận electron từ chất phản ứng. Tính chất này của kim loại giúp nới lỏng liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử phản ứng, từ đó giúp chúng dễ dàng chia tách và kết hợp lại với nhau hơn để tạo thành sản phẩm trong phản ứng hóa học.

Làm việc một cách độc lập, ba nhà hóa học William Knowles, Ryoji Noyori và Barry Sharpless đã tìm ra các cơ chế xúc tác bằng kim loại cho phép phản ứng hóa học tạo ra một trong hai đồng phân đối quang học với tỷ lệ lớn hơn đồng phân còn lại. Họ gọi đây là những chất xúc tác bất đối xứng.

Tuy nhiên, đa phần các xúc tác này đều sử dụng các kim loại quý, không những rất đắt tiền mà còn có thể gây độc. Kim loại cũng rất nhạy cảm với oxy và hơi ẩm, hai điều kiện cản trở chúng được sử dụng trên quy mô công nghiệp.

Vì vậy sau khám phá đoạt giải Nobel năm 2001, chúng ta đã có khả năng tạo ra các loại thuốc tinh chế tốt hơn, nhưng phải rất cẩn thận để loại bỏ và thu hồi kim loại khỏi thành phẩm cuối cùng.

Loại chất xúc tác thứ hai mà con người biết đến là enzyme, những protein đặc biệt trong sinh vật sống cũng có khả năng thúc đẩy và điều khiển phản ứng hóa học. Trong tự nhiên, có thể coi các enzyme này là chất xúc tác tinh túy nhất mà sinh vật có được sau hàng tỷ năm tiến hóa.

Nhiều enzyme có các thụ thể sinh học chỉ nhận một số loại tín hiệu hóa học nhất định. Do đó, chúng cũng có thể trở thành một chất xúc tác bất đối xứng. Từ năm 1990, các nhà hóa học bắt đầu chuyển hướng sang sử dụng các phân tử này thay cho kim loại.

Giải Nobel Hóa học năm 2018 cũng đã được trao cho Frances Arnold, George Smith và Sir Gregory Winter là những người có công tìm khai phá một thế hệ chất xúc tác enzyme mới có thể được sử dụng đơn giản hơn.

Nhưng dù thế nào đi chăng nữa, enzyme vẫn là một phân tử sinh học. Được tạo thành từ hàng nghìn axit amin, mỗi enzyme có thể có kích thước lớn gấp 10.000 lần so với một phân tử hóa học hay một loại thuốc tinh chế thành phẩm.

Vì vậy, sử dụng enzyme làm chất xúc tác bất đối xứng chẳng khác nào nhờ một gã khổng lồ trông nhà trẻ. Cả hai hướng phát triển chất xúc tác bất đối xứng bằng kim loại và enzyme đầu gặp phải những ngõ cụt hay những hạn chế không thể vượt qua được.

Đó là cho đến khi Benjamin List và David MacMillan thực hiện những công trình nghiên cứu quan trọng của mình vào những năm đầu thập niên 2000.

Benjamin List khi đó đang làm việc tại Khoa Sinh học Phân tử thuộc Viện nghiên cứu Scripps, Hoa Kỳ. Công việc liên quan đến các kháng thể xúc tác trên virus và vi khuẩn khiến ông tự hỏi liệu có cần đến cả một phân tử enzyme khổng lồ để thực hiện một quá trình xúc tác hay không? Thay vào đó, List nghĩ rằng mình có thể tách nhỏ các enzyme này ra thành các axit amin, sau đó thử từng loại axit amin cho từng phản ứng xúc tác khác nhau.

Có thể tưởng tượng enzyme giống như một bộ tuốc nơ vít nhiều đầu đa năng, tìm ra axit amin nào, xúc tác được cho phản ứng hóa học nào chính là tìm ra chiếc đầu tuốc nơ vít nhỏ gọn có thể xoáy vừa một loại đinh vít nhất định.

Công việc cuối cùng đã đi đến kết quả khi List tìm ra proline, một axit amin có khả năng xúc tác cho phản ứng aldol, một dạng phản ứng vô cùng quan trọng để tạo ra liên kết mới giữa carbon với carbon.

Tuyệt vời hơn nữa là proline có thể làm điều đó một cách bất đối xứng. Một đồng phân đối quang học của sản phẩm nó tạo ra đã có tỷ lệ lớn hơn đồng phân đối quang học còn lại.

"Khi thực hiện thí nghiệm này, tôi không biết điều gì sẽ xảy ra. Thậm chí tôi đã nghĩ có lẽ đó là một ý tưởng ngu ngốc", List nói trong cuộc họp báo sau giải Nobel mà ông nhận được. "Nhưng sau khi thấy nó hoạt động, ngay lập tức tôi đã biết rằng đây có thể là một thứ gì đó rất lớn lao".

Linh cảm của ông ấy đã đúng, proline sau đó đã trở thành phân tử xúc tác hữu cơ đầu tiên có cấu trúc đơn giản, an toàn, thân thiện với môi trường mà lại có giá thành rất rẻ.

Cùng khoảng thời gian, David MacMillan tại Viện Công nghệ California đang đi theo chiều hướng ngược lại so với List. Ông cũng muốn tìm ra một chất xúc tác đơn giản hơn enzyme, nhưng lại lấy kim loại làm tiêu chuẩn.

Ý tưởng của MacMillan là tìm ra được các phân tử hữu cơ có thể tạm thời nhận hoặc cho electron giống các chất xúc tác kim loại, một hiện tượng được gọi là ion iminium. Muốn vậy, ông cần thiết kế một khung carbon cơ bản, chứa thêm oxy, hydro và quan trọng nhất là nó phải có Nitơ, một nguyên tử có ái lực với electron để tạo được ion iminium.

Sau đó, MacMillan phát hiện các nhóm nguyên tử được gọi là bulky có khả năng xúc tác cho phản ứng bất đối xứng. Với nhiều thử nghiệm, cuối cùng MacMillan cũng tạo ra được một phân tử hữu cơ có khả năng xúc tác cho phản ứng Diels-Alder, hay các phản ứng tạo ra vòng nguyên tử carbon.

Đúng như kỳ vọng, các phân tử của MacMillan đã hoạt động một cách xuất sắc, nó không những xúc tác cho phản ứng, mà còn có thể tạo ra các đồng phân đối quang học ở tỷ lệ 9:1. Một tháng trước khi Benjamin List công bố khám phá về proline, MacMillan đã kịp gửi bản thảo nghiên cứu của mình cho một tạp chí khoa học.

Đây là cơ sở để cho hai nhà khoa học cùng chia sẻ Giải Nobel Hóa học về chất xúc tác hữu cơ năm nay. Nhưng thuật ngữ xúc tác hữu cơ "organocatalysis" thì do chính MacMillan đặt ra và nó sẽ bắt đầu một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp hóa học trong thế kỷ 21.

Rẻ hơn kim loại, đơn giản hơn enzyme, an toàn và thân thiện với môi trường, các chất xúc tác hữu cơ bây giờ trở thành một cơn sốt vàng cho các nhà nghiên cứu. MacMillan cho biết mọi người không cần phải có thiết bị đắt tiền hay ngân sách lớn để sử dụng chất xúc tác hữu cơ. Do đó, ngay cả các nước nghèo cũng có thể tự phát triển công nghệ xúc tác này.

Sự thật là khám phá của Benjamin List và David MacMillan đã tạo ra một cơn địa chấn bùng nổ. Hàng ngàn chất xúc tác hữu cơ rẻ hơn, ổn định hơn đã được các nhà khoa học tìm thấy và thiết kế để xúc tác cho các phản ứng hóa học.

Trong một số trường hợp, xúc tác hữu cơ có thể hoạt động trên cơ chế liên tục. Nó giúp loại bỏ các quy trình sản xuất hóa chất cần phải phân lập và tinh chế sản phẩm trung gian trước đây, nếu không khối lượng phụ phẩm sẽ rất lớn.

Hậu quả của phân lập và tinh chế là một số thành phẩm sẽ bị hao hụt sau mỗi bước của quá trình. Xúc tác hữu cơ đã khắc phục được nhược điểm này, do đó, nó giảm thiểu được một lượng lớn chất thải trong các quy trình hóa học, tạo ra các phản ứng xanh hơn và thân thiện hơn với môi trường.

Lấy ví dụ như một chất xúc tác hữu cơ đã giúp cho quá trình tổng hợp strychnine hiệu quả hơn 7.000 lần. Khi strychnine được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1952, nó cần trải qua tổng cộng 29 phản ứng hóa học khác nhau và hiệu suất tổng hợp toàn phần strychnine chỉ là 0,0009%. Tất cả các sản phẩm còn lại chỉ là phụ phẩm và phải đổ bỏ.

Nhưng đến năm 2011, các nhà nghiên cứu đã có thể sử dụng xúc tác hữu cơ và tạo ra strychnine chỉ trong vòng 12 bước. Quy trình này đã đẩy hiệu suất tổng hợp toàn phần lên hơn 7.000 lần.

Các tiến bộ tương tự cũng được thực hiện trong lĩnh vực dược phẩm. Với sự góp mặt của xúc tác hữu cơ bất đối xứng, các phân tử thuốc đã được tạo ra một cách chính xác hơn với tỷ lệ một đồng phân đối quang học áp đảo đồng phân còn lại.

Điều này giúp hạn chế tác dụng phụ không mong muốn của thuốc và ngăn chặn các vụ bê bối thảm khốc có thể xảy ra như với thuốc thalidomide.

Ngày nay các chất xúc tác hữu cơ đang được sử dụng để sản xuất thuốc, có thể kể đến như paroxetine, một loại thuốc điều trị lo âu và trầm cảm, và oseltamivir, một thuốc kháng virus được sử dụng để điều trị nhiễm trùng đường hô hấp.

Ngoài ra, các công ty dược phẩm cũng đang sử dụng xúc tác hữu cơ bất đối xứng trong các quy trình sản xuất thuốc ung thư, tim mạch, tiểu đường, thuốc kháng sinh và nhiều tác nhân có hoạt tính sinh học khác.

Sau khi Giải Nobel Hóa học năm 2021 được trao cho Benjamin List và David MacMillan, trang web của hội đồng đã đặt ra một câu hỏi: "Trong số hàng ngàn ví dụ về xúc tác hữu cơ, tại sao không có ai phát hiện được ra chúng trước Benjamin List và David MacMillan?".

Câu hỏi này có thể có nhiều cách để trả lời. Nhưng một lý do là những ý tưởng đơn giản thường là ý tưởng dễ bị bỏ qua nhất. Tầm nhìn của chúng ta thường bị che khuất bởi những định kiến mạnh mẽ về cách mà thế giới hoạt động. Chẳng hạn như trước năm 2000, chúng ta cho rằng đã là chất xúc tác thì hoặc nó phải là kim loại hoặc nó phải là enzyme, không thể có một loại nào khác.

"Benjamin List và David MacMillan đã thành công trong việc vượt qua những định kiến ​​này để tìm ra một giải pháp khéo léo cho một vấn đề mà các nhà hóa học đã phải vật lộn trong nhiều thập kỷ. Do đó, các chất xúc tác hữu cơ – ngay chính thời điểm này - đang mang lại những lợi ích lớn nhất cho nhân loại", thông cáo của giải Nobel Hóa học 2021 kết luận.

Tham khảo Nobelprize , Quantamagazine , Theconversation

Thanh Long