Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu

Ngoài thực tế, các phản ứng hóa học không xảy ra một cách "ngoan ngoãn" như phương trình chúng ta từng cân bằng trong sách.


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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 1.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 2.

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).


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 3.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 4.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 5.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 6.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 7.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 8.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 9.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 10.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 11.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 12.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 13.

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.


Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu - Ảnh 14.

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 , ,


Lấy link







Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau


Ngoai thuc te, cac phan ung hoa hoc khong xay ra mot cach "ngoan ngoan" nhu phuong trinh chung ta tung can bang trong sach.


The gioi cua chung ta duoc tao nen tu vat chat. Boi vay, nam trong tay cac cong cu thay doi vat chat chinh la nam duoc quyen nang thay doi the gioi nay. Su tien hoa cua cac cong cu da trai qua mot hanh trinh dai, tu nhung chiec bua tho so bang da ma to tien chung ta su dung cach day 2,6 trieu nam, cho den nhung cong cu bang dong, bang sat, may moc trong thoi dai cong nghiep va robot tu dong hoa ma chung ta co duoc vao ngay nay.


The nhung xuyen suot trong dong chay do, con nguoi khong chi thao tung vat chat mot cach ly tinh nhu cach ma chung ta thay: da duoc deo got thanh luoi dao, kim loai duoc nau chay de duc thanh riu, go duoc chat xuong va bien thanh ban ghe…


Khi vat chat duoc con nguoi thay doi tu ben trong loi cua tung nguyen tu, chung ta dang noi den mot cong cu vo cung sac ben, mot cong cu cho phep thay doi the gioi mot cach triet de tu nhung phan tu cau thanh gan nhu nho nhat: Cac nguyen tu va phan ung hoa hoc.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 1.

Phan ung hoa hoc duoc dinh nghia la qua trinh bien doi mot tap hop cac chat nay thanh mot tap hop cac chat khac. Mot cach vo tinh, nhung phan ung dau tien da giup to tien chung ta nau chin thuc an bang lua, bien bot thanh banh mi va bien nho thanh ruou.


Khi chung ta bat dau hieu biet va mong muon che ngu nhung qua trinh ki dieu nay, tien than cua nganh hoa hoc da ra doi: Thuat gia kim trong thoi trung co da nuoi duong nhung nen van minh vi dai nhat tu Ai Cap cho toi Hy Lap, the gioi Hoi Giao cua nguoi A Rap cho toi tieu luc dia An Do va Trung Quoc.


Va mac du hoa hoc hien dai moi chi moi bat dau hinh thanh tu the ky 17 tro lai day, chi trong khoang 400 nam ngan ngui do, chung ta da duoc chung kien toan bo the gioi thay doi mot cach chong mat.


Khi con nguoi nam trong tay nhung phan ung thao tung vat chat tren quy mo va muc do tinh khiet chua tung co, chung ta da bien duoc dat thanh gach, da nui thanh xi mang, quang sat thanh thep de xay dung len nhung thanh pho vi dai.


Chung ta hut dau mo roi bien no thanh du thu, tu nhua duong, cao su, do gia dung cho toi thuoc nhuom vai va ca my pham lam dep cho chinh ban than minh. Cac phan ung hoa hoc khong chi giup chung ta co nha cua, quan ao va thuc pham, no con dung sau moi loai thuoc men va vac-xin chung ta dang su dung, nhung thu dang giup chung ta gin giu suc khoe va ca tuoi tho giong loai minh.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 2.

Nhung phan ung hoa hoc lieu da phai la cong cu dinh cao giup chung ta thay doi the gioi? Cau tra loi la: Chua han! Ban than cac phan ung hoa hoc moi chi la mot cong cu het suc tho so neu chung khong duoc mai de tro nen sac ben hon.


Benjamin List va David MacMillan, hai nha khoa hoc duoc trao giai thuong Nobel Hoa hoc nam 2021 chinh boi ho da co cong giup con nguoi dieu khien phan ung hoa hoc mot cach chinh xac va hieu qua hon, thong qua cac phan tu duoc goi la chat xuc tac huu co (organocatalysis).


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 3.

Moi chuyen bat dau tu the ky 19, khi cac nha hoa hoc hien dai da di duoc mot nua chang duong cua minh. Tat nhien, ho da biet phan ung hoa hoc se bien mot tap hop chat nay thanh tap hop chat khac. Trong do co mot loai phan ung duoc goi la phan huy, noi chi co mot chat duoc tach ra hanh hai chat khac nhau.


Lay vi du nhu phuong trinh hydrogen peroxide (H2O2) phan huy thanh oxy (O2) va nuoc (H2O): 2H2O2 → 2 H2O + O2.


Thong thuong, phan ung nay xay ra mot cach rat cham, khien H2O2 co the duoc ban ngoai thi truong de tay rua vet thuong ma khong so chung bien hoan toan thanh nuoc. The nhung, khi cac nha hoa hoc vo tinh tha mot mau bac vao dung dich H2O2, ho thay no sui bot va dung dich bat dau bien thanh nuoc voi toc do nhanh hon dang ke.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 4.

Dieu bat ngo la bac – thu co trong dung dich tham gia vao phan ung– duong nhu khong bi anh huong va khong bien thanh chat khac. No co the duoc thu hoi mot cach nguyen ven sau do de tiep tuc tham gia vao cac phan ung sau nay.


Mo hinh nay sau do da duoc quan sat thay o ngay cang nhieu phan ung hoa hoc, bao gom ca cac phan ung huu co nhu qua trinh chuyen doi tinh bot thanh duong glucose duoi su tang toc cua axit.


Den nam 1835, Jacob Berzelius, mot nha hoa hoc noi tieng nguoi Thuy Dien da trinh bay truoc Vien Han lam Khoa hoc Hoang gia ve mot mo hinh ma ong goi do la "xuc tac". Trong do, ban than su hien dien cua mot chat se tao ra "luc" de "bat dau mot hoat dong hoa hoc" co kha nang thuc day qua trinh phan ung dien ra nhanh hon.


Berzelius goi cac chat nay la chat xuc tac, hay "catalysis" voi tu goc trong tieng Hy Lap co nghia la "noi long" hoac "coi troi". Co che nay xay ra boi su co mat cua chat xuc tac hinh thanh len mot "con duong phan ung" thay the voi muc nang luong hoat hoa thap hon.


Chat xuc tac dong vai tro nhu mot bac thang trung gian cho cac chat hoa hoc ban dau buoc xuong, sau do moi tro thanh san pham cuoi cung. Lay vi du trong phan ung phan huy H2O2 thanh oxy va nuoc, thay vi mot phan ung 2H2O2 → 2H2O + O2 xay ra rat cham vi co nang luong hoat hoa rat cao, su co mat cua mot chat xuc tac kim loai nhu bac hoac platinum se bien phan ung thanh hai buoc, nhung co muc nang luong hoat hoa thap hon va xay ra nhanh hon:


Buoc 1: Ag + H2O2 -> H2O + Ag(O)


Buoc 2: Ag(O) + H2O2 -> Ag + O2 + H2O


*(O) la cac nguyen tu oxy phan ly va hap thu tren be mat cua bac.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 5.

Boi cac chat xuc tac co kha nang tang toc phan ung, no se giup chung ta tang toc cac qua trinh bien doi the gioi theo chieu huong nhan tao. Uoc tinh toi 90% tat ca cac quy trinh hoa hoc duoc con nguoi thuc hien tren the gioi ngay nay co mat chat xuc tac.


Cac phan tu nho be nay dang gop phan lam ra 60% san pham hoa chat, dong gop vao 75% gia tri cua tat ca cac san pham co nguon goc tu dau mo. Khoang 80% cac loai vat lieu ma chung ta tao ra cho cuoc song hien dai ngay nay cung co su tham gia cua chat xuc tac, it nhat la trong mot cong doan nao do.


Mot tinh toan nam 2005 cho thay chat xuc tac da tao ra khoang 900 ty USD san pham tren toan the gioi. Cac phan tu be nho nay, vi vay, dang dong gop truc tiep hoac gian tiep vao 35% tong GPD toan cau.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 6.

Vay la chung ta da biet chat xuc tac co the lam tang toc phan ung va tang toc do ma con nguoi nhao nan the gioi vat chat xung quanh minh. Nhung toc do thoi la chua du. Trong phan ung hoa hoc, chung ta con phai kiem soat duoc cac san pham mong muon va han che cac phu pham nguy hai ma no co the tao ra.


Cac nha hoa hoc cho biet ngoai thuc te, phan ung hoa hoc khong xay ra mot cach "ngoan ngoan" nhu phuong trinh ma chung ta tung can bang trong sach giao khoa pho thong. Mot trong so nhung hien tuong oai oam nhat xay ra trong mot phan ung, do la san pham cua no se chua mot ty le cac chat la dong phan doi quang hoc cua nhau.


Dong phan doi quang hoc la cac phan tu chua so luong va cach sap xep nguyen tu giong het nhau, chi co dieu nguoc nhau hoan toan theo chieu trai phai. Co nghia la neu ban viet cong thuc cua mot dong phan nay va dat no truoc guong, ban se nhan duoc hinh anh phan chieu chinh la dong phan kia.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 7.

Trong mot so truong hop, cac dong phan nay se the hien tinh chat hoa hoc va vat ly gan giong nhau. Chang han nhu S-limonene, mot dong phan xuoi chieu ben trai cua limonene co trong chanh se tao ra huong vi cua chanh. Cung la limonene nhung xuoi chieu ben phai la R-limonene co trong cam thi tao ra huong vi cam.


Nhung rac roi se xay ra trong cac truong hop con lai. Giong nhu Ton Ngo Khong va Luc Nhi My Hau duoc troi dat tao ra, cac dong phan doi quang hoc doi khi cung co mot phien ban tot va mot phien ban xau.


Lay vi du nhu thuoc thalidomide duoc su dung de dieu tri ung thu va benh phong trong thap nien 1950-60. Cac dong phan xuoi chieu ben trai cua no S- thalidomide dong vai tro nhu mot duoc pham, nhung dong phan doi quang hoc nguoc chieu R- thalidomide lai la mot chat doc gay ra nhieu tac dung phu bao gom ca di tat thai nhi.


Boi khong luong truoc duoc dieu nay, nha san xuat thuoc thalidomide Celgene Corporation tai Tay Duc da tao ra cac phien ban thuoc voi chi 31% S-thalidomide con lai la R-thalidomide. Ket qua la ho da gay ra mot trong nhung cuoc khung hoang lon nhat trong nganh duoc, giet chet hon 2.000 tre em va gay di tat bam sinh nghiem trong cho hon 10.000 dua tre khac.


Nhiem vu cua cac nha khoa hoc luc nay ro rang la phai tim ra duoc cach tao ra duoc cac san pham dong phan doi quang hoc quay theo phia ma ho mong muon. Cac chat xuc tac mot lan nua la noi ma ho gui gam niem tin cua minh.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 8.

Dieu nay dan chung ta toi moc thoi gian truoc nam 2000, khi Benjamin List va David MacMillan chua co nhung kham pha dua ho den voi giai Nobel nam 2021. Toan bo cac chat xuc tac ma nhan loai co duoc o thoi diem do deu co the xep vao mot trong hai loai.


Loai thu nhat la cac xuc tac bang kim loai, hoat dong dua tren kha nang tam thoi cho hoac nhan electron tu chat phan ung. Tinh chat nay cua kim loai giup noi long lien ket giua cac nguyen tu trong phan tu phan ung, tu do giup chung de dang chia tach va ket hop lai voi nhau hon de tao thanh san pham trong phan ung hoa hoc.


Lam viec mot cach doc lap, ba nha hoa hoc William Knowles, Ryoji Noyori va Barry Sharpless da tim ra cac co che xuc tac bang kim loai cho phep phan ung hoa hoc tao ra mot trong hai dong phan doi quang hoc voi ty le lon hon dong phan con lai. Ho goi day la nhung chat xuc tac bat doi xung.


Tuy nhien, da phan cac xuc tac nay deu su dung cac kim loai quy, khong nhung rat dat tien ma con co the gay doc. Kim loai cung rat nhay cam voi oxy va hoi am, hai dieu kien can tro chung duoc su dung tren quy mo cong nghiep.


Vi vay sau kham pha doat giai Nobel nam 2001, chung ta da co kha nang tao ra cac loai thuoc tinh che tot hon, nhung phai rat can than de loai bo va thu hoi kim loai khoi thanh pham cuoi cung.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 9.

Loai chat xuc tac thu hai ma con nguoi biet den la enzyme, nhung protein dac biet trong sinh vat song cung co kha nang thuc day va dieu khien phan ung hoa hoc. Trong tu nhien, co the coi cac enzyme nay la chat xuc tac tinh tuy nhat ma sinh vat co duoc sau hang ty nam tien hoa.


Nhieu enzyme co cac thu the sinh hoc chi nhan mot so loai tin hieu hoa hoc nhat dinh. Do do, chung cung co the tro thanh mot chat xuc tac bat doi xung. Tu nam 1990, cac nha hoa hoc bat dau chuyen huong sang su dung cac phan tu nay thay cho kim loai.


Giai Nobel Hoa hoc nam 2018 cung da duoc trao cho Frances Arnold, George Smith va Sir Gregory Winter la nhung nguoi co cong tim khai pha mot the he chat xuc tac enzyme moi co the duoc su dung don gian hon.


Nhung du the nao di chang nua, enzyme van la mot phan tu sinh hoc. Duoc tao thanh tu hang nghin axit amin, moi enzyme co the co kich thuoc lon gap 10.000 lan so voi mot phan tu hoa hoc hay mot loai thuoc tinh che thanh pham.


Vi vay, su dung enzyme lam chat xuc tac bat doi xung chang khac nao nho mot ga khong lo trong nha tre. Ca hai huong phat trien chat xuc tac bat doi xung bang kim loai va enzyme dau gap phai nhung ngo cut hay nhung han che khong the vuot qua duoc.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 10.

Do la cho den khi Benjamin List va David MacMillan thuc hien nhung cong trinh nghien cuu quan trong cua minh vao nhung nam dau thap nien 2000.


Benjamin List khi do dang lam viec tai Khoa Sinh hoc Phan tu thuoc Vien nghien cuu Scripps, Hoa Ky. Cong viec lien quan den cac khang the xuc tac tren virus va vi khuan khien ong tu hoi lieu co can den ca mot phan tu enzyme khong lo de thuc hien mot qua trinh xuc tac hay khong? Thay vao do, List nghi rang minh co the tach nho cac enzyme nay ra thanh cac axit amin, sau do thu tung loai axit amin cho tung phan ung xuc tac khac nhau.


Co the tuong tuong enzyme giong nhu mot bo tuoc no vit nhieu dau da nang, tim ra axit amin nao, xuc tac duoc cho phan ung hoa hoc nao chinh la tim ra chiec dau tuoc no vit nho gon co the xoay vua mot loai dinh vit nhat dinh.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 11.

Cong viec cuoi cung da di den ket qua khi List tim ra proline, mot axit amin co kha nang xuc tac cho phan ung aldol, mot dang phan ung vo cung quan trong de tao ra lien ket moi giua carbon voi carbon.


Tuyet voi hon nua la proline co the lam dieu do mot cach bat doi xung. Mot dong phan doi quang hoc cua san pham no tao ra da co ty le lon hon dong phan doi quang hoc con lai.


"Khi thuc hien thi nghiem nay, toi khong biet dieu gi se xay ra. Tham chi toi da nghi co le do la mot y tuong ngu ngoc", List noi trong cuoc hop bao sau giai Nobel ma ong nhan duoc. "Nhung sau khi thay no hoat dong, ngay lap tuc toi da biet rang day co the la mot thu gi do rat lon lao".


Linh cam cua ong ay da dung, proline sau do da tro thanh phan tu xuc tac huu co dau tien co cau truc don gian, an toan, than thien voi moi truong ma lai co gia thanh rat re.


Cung khoang thoi gian, David MacMillan tai Vien Cong nghe California dang di theo chieu huong nguoc lai so voi List. Ong cung muon tim ra mot chat xuc tac don gian hon enzyme, nhung lai lay kim loai lam tieu chuan.


Y tuong cua MacMillan la tim ra duoc cac phan tu huu co co the tam thoi nhan hoac cho electron giong cac chat xuc tac kim loai, mot hien tuong duoc goi la ion iminium. Muon vay, ong can thiet ke mot khung carbon co ban, chua them oxy, hydro va quan trong nhat la no phai co Nito, mot nguyen tu co ai luc voi electron de tao duoc ion iminium.


Sau do, MacMillan phat hien cac nhom nguyen tu duoc goi la bulky co kha nang xuc tac cho phan ung bat doi xung. Voi nhieu thu nghiem, cuoi cung MacMillan cung tao ra duoc mot phan tu huu co co kha nang xuc tac cho phan ung Diels-Alder, hay cac phan ung tao ra vong nguyen tu carbon.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 12.

Dung nhu ky vong, cac phan tu cua MacMillan da hoat dong mot cach xuat sac, no khong nhung xuc tac cho phan ung, ma con co the tao ra cac dong phan doi quang hoc o ty le 9:1. Mot thang truoc khi Benjamin List cong bo kham pha ve proline, MacMillan da kip gui ban thao nghien cuu cua minh cho mot tap chi khoa hoc.


Day la co so de cho hai nha khoa hoc cung chia se Giai Nobel Hoa hoc ve chat xuc tac huu co nam nay. Nhung thuat ngu xuc tac huu co "organocatalysis" thi do chinh MacMillan dat ra va no se bat dau mot ky nguyen moi cho nganh cong nghiep hoa hoc trong the ky 21.


Re hon kim loai, don gian hon enzyme, an toan va than thien voi moi truong, cac chat xuc tac huu co bay gio tro thanh mot con sot vang cho cac nha nghien cuu. MacMillan cho biet moi nguoi khong can phai co thiet bi dat tien hay ngan sach lon de su dung chat xuc tac huu co. Do do, ngay ca cac nuoc ngheo cung co the tu phat trien cong nghe xuc tac nay.


Su that la kham pha cua Benjamin List va David MacMillan da tao ra mot con dia chan bung no. Hang ngan chat xuc tac huu co re hon, on dinh hon da duoc cac nha khoa hoc tim thay va thiet ke de xuc tac cho cac phan ung hoa hoc.


Trong mot so truong hop, xuc tac huu co co the hoat dong tren co che lien tuc. No giup loai bo cac quy trinh san xuat hoa chat can phai phan lap va tinh che san pham trung gian truoc day, neu khong khoi luong phu pham se rat lon.


Hau qua cua phan lap va tinh che la mot so thanh pham se bi hao hut sau moi buoc cua qua trinh. Xuc tac huu co da khac phuc duoc nhuoc diem nay, do do, no giam thieu duoc mot luong lon chat thai trong cac quy trinh hoa hoc, tao ra cac phan ung xanh hon va than thien hon voi moi truong.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 13.

Lay vi du nhu mot chat xuc tac huu co da giup cho qua trinh tong hop strychnine hieu qua hon 7.000 lan. Khi strychnine duoc tong hop lan dau tien vao nam 1952, no can trai qua tong cong 29 phan ung hoa hoc khac nhau va hieu suat tong hop toan phan strychnine chi la 0,0009%. Tat ca cac san pham con lai chi la phu pham va phai do bo.


Nhung den nam 2011, cac nha nghien cuu da co the su dung xuc tac huu co va tao ra strychnine chi trong vong 12 buoc. Quy trinh nay da day hieu suat tong hop toan phan len hon 7.000 lan.


Cac tien bo tuong tu cung duoc thuc hien trong linh vuc duoc pham. Voi su gop mat cua xuc tac huu co bat doi xung, cac phan tu thuoc da duoc tao ra mot cach chinh xac hon voi ty le mot dong phan doi quang hoc ap dao dong phan con lai.


Dieu nay giup han che tac dung phu khong mong muon cua thuoc va ngan chan cac vu be boi tham khoc co the xay ra nhu voi thuoc thalidomide.


Ngay nay cac chat xuc tac huu co dang duoc su dung de san xuat thuoc, co the ke den nhu paroxetine, mot loai thuoc dieu tri lo au va tram cam, va oseltamivir, mot thuoc khang virus duoc su dung de dieu tri nhiem trung duong ho hap.


Ngoai ra, cac cong ty duoc pham cung dang su dung xuc tac huu co bat doi xung trong cac quy trinh san xuat thuoc ung thu, tim mach, tieu duong, thuoc khang sinh va nhieu tac nhan co hoat tinh sinh hoc khac.


Nobel Hoa hoc 2021 va nhung phan tu nam giu 35% GDP toan cau - Anh 14.

Sau khi Giai Nobel Hoa hoc nam 2021 duoc trao cho Benjamin List va David MacMillan, trang web cua hoi dong da dat ra mot cau hoi: "Trong so hang ngan vi du ve xuc tac huu co, tai sao khong co ai phat hien duoc ra chung truoc Benjamin List va David MacMillan?".


Cau hoi nay co the co nhieu cach de tra loi. Nhung mot ly do la nhung y tuong don gian thuong la y tuong de bi bo qua nhat. Tam nhin cua chung ta thuong bi che khuat boi nhung dinh kien manh me ve cach ma the gioi hoat dong. Chang han nhu truoc nam 2000, chung ta cho rang da la chat xuc tac thi hoac no phai la kim loai hoac no phai la enzyme, khong the co mot loai nao khac.


"Benjamin List va David MacMillan da thanh cong trong viec vuot qua nhung dinh kien ​​nay de tim ra mot giai phap kheo leo cho mot van de ma cac nha hoa hoc da phai vat lon trong nhieu thap ky. Do do, cac chat xuc tac huu co – ngay chinh thoi diem nay - dang mang lai nhung loi ich lon nhat cho nhan loai", thong cao cua giai Nobel Hoa hoc 2021 ket luan.


Tham khao , ,


Lay link

Nobel Hóa học 2021 và những phân tử nắm giữ 35% GDP toàn cầu

Ngoài thực tế, các phản ứng hóa học không xảy ra một cách "ngoan ngoãn" như phương trình chúng ta từng cân bằng trong sách.
Giới thiệu cho bạn bè
  • gplus
  • pinterest

Bình luận

Đăng bình luận

Đánh giá: