Công trình đoạt giải Nobel hoá học 2021: “Đũa thần” gieo mầm xanh bền vững

Công trình đoạt giải Nobel hoá học 2021 của hai nhà khoa học Benjamin List và David MacMillan về chất xúc tác hữu cơ phi đối xứng (asymetric organocatalysis) được coi là một phát hiện vĩ đại, có tác động lớn đến việc nghiên cứu dược phẩm, pin quang điện và giúp cho hoá học trở nên xanh hơn, thân thiện hơn với môi trường.

08/10/2021 14:25

Nobel hóa học 2019 tôn vinh các công trình phát triển pin lithium-ion

Tác động tích cực đến toàn nhân loại

Giới khoa học từng mơ về một loại chất xúc tác hữu cơ có khả năng tạo ra mọi thứ từ thuốc đến thực phẩm giống như hầu hết các enzym tự nhiên mà không cần sử dụng kim loại đắt tiền. Cuối những năm 1990, ước mơ này trở thành sự thật. Và rồi hơn 20 năm sau, hai nhà khoa học Benjamin List và David MacMillan đã tìm ra một phương pháp tiết kiệm hơn và tinh sạch hơn để tổng hợp ra hoạt chất nêu trên.

Về lý thuyết, chất xúc tác là chất thúc đẩy phản ứng hóa học mà không trở thành một phần của sản phẩm cuối cùng. Trong đó, chất xúc tác hữu cơ phi đối xứng nghiên cứu bởi hai nhà khoa học Benjamin List và David MacMillan được phát triển dựa trên những phân tử hữu cơ nhỏ với bộ khung nguyên tử carbon ổn định, cho phép nhiều nhóm hoạt chất bám vào.

Công trình đoạt giải Nobel hoá học 2021: “Chiếc đũa thần” gieo mầm xanh bền vững -0 — Mô phỏng khám phá về chất xúc tác của David McMillan. Nguồn: RSAS

Những nhóm trên thường chứa các nguyên tố phổ biến như oxy, nitrogen, lưu huỳnh hoặc phospho. Do đó, loại chất xúc tác hữu cơ này vừa thân thiện với môi trường vừa có chi phí sản xuất rẻ. Ví dụ, với phát hiện này, ngành dược phẩm có thể tổng hợp các chất giúp chữa bệnh một cách “tương đối đơn giản”, mà trước đây chỉ có thể được chiết xuất với một lượng nhỏ từ các loại thực vật quý hiếm hoặc sinh vật biển sâu.

Với chất xúc tác thông thường, khi xây dựng phân tử, tình huống phổ biến xảy ra là hai phân tử khác nhau có thể hình thành, trong khi các nhà hóa học thường chỉ muốn một phân tử trong số đó. Giờ đây, chất xúc tác hữu cơ bất đối xứng có thể điều khiển được quá trình phản ứng hoá học, dẫn đến hình thành duy nhất một phân tử.

Ví dụ, những năm 1960 có một sự cố là phụ nữ bị sinh thai dị dạng sau khi dùng thuốc ngừa thai. Nguyên nhân dẫn đến sự cố này có thể được hiểu là vì khi sản xuất phản ứng tổng hợp, dược chất đã sinh ra hai đồng phân đối quang, trong đó có một đồng phân gây nên dị dạng cho thai nhi. Nhưng hiện nay, chất xúc tác hữu cơ phi đối xứng sẽ giúp điều khiển phản ứng tổng hợp để chỉ cho ra một dạng đồng phân đối quang tinh khiết. Hơn nữa, nghiên cứu còn giúp giảm thiểu chi phí trong việc xử lý ô nhiễm kim loại nặng và tinh chế sản phẩm.

Bà Pernilla Wittung-stafhede - Thành viên Hội đồng Giải thưởng Nobel Hóa học 2021 cho rằng: "Nghiên cứu này rất hữu ích, vì nó mở ra phương pháp mới để sản xuất các chất hóa học từ dược phẩm tới phân tử thu hút ánh sáng trong pin quang điện với chi phí rẻ hơn, đơn giản hơn và thân thiện hơn với môi trường. Theo cách đó, chất xúc tác hữu cơ đã mang lại lợi ích lớn lao cho nhân loại.

Benjamin List và David MacMillan nói gì?

Benjamin List (53 tuổi), người Đức là tiến sĩ ở Đại học Goethe, Frankfurt, Đức. Hiện ông là giám đốc Viện nghiên cứu than đá Max Planck ở Mülheim an der Ruhr. Trong khi đó, David MacMillan (53 tuổi), người Mỹ gốc Scotland, lấy bằng tiến sĩ ở Đại học California, Irvine, Mỹ và hiện là giáo sư ở Đại học Princeto.

Dù chung ý tưởng, nhưng hai nhà khoa học này lại phát triển nghiên cứu một cách độc lập. Theo The Guardian, tiến sĩ Benjamin List luôn băn khoăn liệu có cần tới toàn bộ enzyme để tạo chất xúc tác hay không. Sau đó, ông đã làm một thí nghiệm để quan sát phản ứng hoá học từ một axit amin có tên proline. Và kết quả là hợp chất này hoạt động rất tốt. Còn giáo sư David MacMillan từng làm việc với chất xúc tác kim loại vốn dễ bị phá hủy bởi độ ẩm. Ông cũng tự đặt ra câu hỏi liệu có thể phát triển chất xúc tác bền hơn bằng cách sử dụng phân tử hữu cơ đơn giản hay không. Cuối cùng, ông đã nghiên cứu ra chất xúc tác hữu cơ bất đối xứng.

Sau khi trở thành chủ nhân giải thưởng danh giá, giáo sư MacMilan cho hay: “Nếu có thể nghĩ ra cách sản xuất thuốc nhanh hơn bằng các phương pháp hoàn toàn khác mà không cần đến xúc tác kim loại, thì quy trình dùng chất xúc tác không đối xứng sẽ an toàn hơn cho cả người lao động và hành tinh”. Trong khi đó, tiến sĩ Benjamin List chia sẻ: “Tôi hy vọng nhờ sự công nhận này, chúng tôi sẽ tiếp tục khám phá những điều tuyệt vời khác”.

Thực tế, công trình của hai nhà khoa học này đã giúp phát triển một loại thuốc để điều trị huyết áp cao và hợp lý hóa quy trình sản xuất các loại thuốc như paroxetine (Seroxat) điều trị trầm cảm và oseltamivir - hay được gọi là Tamiflu được sử dụng để điều trị nhiễm trùng đường hô hấp.

CNN dẫn lời Johan Åqvist, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học cho biết: “Khái niệm xúc tác này đơn giản và đầy tiềm năng, và thực tế là nhiều người đã tự hỏi tại sao chúng ta không nghĩ ra nó sớm hơn”. Chuyên gia Phillip Broadwith của tạp chí Chemistry World thì cho hay: “Đây là một thành phần hóa học quan trọng tuyệt vời và hai nhà khoa học này chắc chắn là những nhà đi đầu trong lĩnh vực đó”.

Thắng giải Nobel hoá học 2021, hai nhà khoa học nhận được 10 triệu kronor Thụy Điển (hơn 1,14 triệu USD) tiền mặt và huy chương vàng kỷ niệm.