Với những đóng góp to lớn trong nghiên cứu phản ứng ghép cặp chéo sử dụng các hệ xúc tác palladium, nhóm các nhà Hóa học Mĩ – Nhật gồm Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi và Akira Suzuki đã vinh dự nhận được giải thưởng Nobel Hóa học năm 2010.

Kết quả nghiên cứu của ba nhà Hóa học đã có những tác động rất tích cực đến những nghiên cứu học thuật, ứng dụng vào việc phát triển các loại vật liệu, dược liệu mới và nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học hữu ích khác. Qua bài viết này, Đất Việt xin giới thiệu sơ lược về những nghiên cứu này để chúng ta hiểu hơn về ý nghĩa giải thưởng Nobel Hóa học năm nay.

Palladium - Điểm hẹn lí tưởng của các nguyên tử carbon

Năm 1828, thế giới ghi nhận lĩnh vực Tổng hợp Hữu cơ chính thức được khai sinh với sự kiện nhà Friedrich Wöhler tổng hợp thành công hợp chất hữu cơ đầu tiên là urea từ các chất vô cơ sẵn có. Dù mới chỉ có gần 200 năm lịch sử nhưng Tổng hợp Hữu cơ đã có những bước phát triển thần tốc.

Năm 1965, Nobel Hóa học được trao cho Robert Burns Woodward vì những thành tựu ưu việt trong nghệ thuật Tổng hợp Hữu cơ (the Art of organic synthesis), rồi tới năm 1990, đến lượt Elias James Corey được nhận giải Nobel vì những đóng góp của ông cho việc phát triển các lý thuyết và phương pháp luận trong Tổng hợp Hữu cơ.

Đấy chính là những minh chứng rõ ràng nhất để chúng ta có thể thấy rằng, Tổng hợp Hữu cơ không đơn thuần là một lĩnh vực khoa học khô khan, mà nó thực sự đã trở thành một khoa học của tư duy và nghệ thuật.

R.B. Woodward (Nobel 1965) và E.J Corey (Nobel 1990) - Những nhà hóa học đã góp phần biến Tổng hợp Hữu cơ trở thành một lĩnh vực khoa học của tư duy và nghệ thuật.

Giải thưởng Nobel năm nay được trao cho những đóng góp trong lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp các phân tử phức tạp thông qua phản ứng ghép cặp chéo, sử dụng các hệ xúc tác của palladium. Mục tiêu chính của các phản ứng này là để hình thành các liên kết carbon-carbon, đó cũng chính là trọng tâm của Tổng hợp Hữu cơ hiện đại và đồng thời cũng là điều kiện tiên quyết cho sự sống trên Trái Đất. Thông qua việc liên kết các nguyên tử carbon thành những mạch dài, mà các phân tử phức tạp như là các protein, amino acid, DNA có thể được tạo thành.

Tầm quan trọng của việc hình thành liên kết carbon-carbon còn được thể hiện qua thực tế là trong lịch sử đã có rất nhiều lần giải thưởng Nobel được trao cho các nghiên cứu thuộc lĩnh vực này, ví dụ phản ứng Grignard (1912), phản ứng di‌els-Alder (1950), phản ứng Wittig (1979), phản ứng hoán vị olefin (olefin metathesis, 2005).

Ở giai đoạn nửa sau của thế kỷ 20, các kim loại chuyển tiếp dần dần chiếm lĩnh những vai trò quan trọng trong các lĩnh vực Hóa học, dẫn tới sự phát triển của một số lượng lớn những phản ứng sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp để tổng hợp các phân tử hữu cơ. Kim loại chuyển tiếp có khả năng độc nhất trong việc hoạt hóa các phân tử hữu cơ khác nhau và thông qua sự hoạt hóa này, chúng xúc tác cho quá trình hình thành những liên kết mới.

Một trong số những kim loại chuyển tiếp đầu tiên được sử dụng làm xúc tác cho các chuyển hóa hữu cơ là palladium. Ban đầu, các nhà khoa học phát hiện ra phản ứng oxi hóa ethylene thành acetaldehyde bởi không khí khi sử dụng palladium làm xúc tác. Đó là cơ sở đề xây dựng nên quy trình công nghệ nổi tiếng Wacker.

Các nghiên cứu về sau cho thấy, palladium thể hiện hoạt tính xúc tác rất tốt trong các phản ứng hình thành liên kết carbon-carbon và hiện nay, kim loại này đóng vai trò chính trong rất nhiều quá trình công nghệ quan trọng. 

Mô tả sự hình thành các liên kết carbon-palladium.

Nguyên lý của các phản ứng ghép cặp chéo sử dụng hệ xúc tác palladium là sự kết hợp hai phân tử thông qua sự hình thành của các liên kết carbon-palladium. Thông qua đó, các nguyên tử carbon liên kết với palladium được đưa lại gần nhau.

Ở giai đoạn tiếp theo, chúng sẽ ghép cặp với nhau để tạo thành các liên kết carbon-carbon mới. Cùng với với quá trình hình thành liên kết carbon-carbon mới, các liên kết carbon-palladium cũng bị phá vỡ từ từ. Sau khi phản ứng kết thúc, các xúc tác palladium lại trở về với trạng thái ban đầu để tiếp tục xúc tác cho các phản ứng khác.

Mô tả về sự hình thành liên kết carbon-carbon trong phản ứng ghép cặp chéo.

Ứng dụng của nghiên cứu đạt giải thưởng Nobel 2010

Từ những nghiên cứu của các nhà Hóa học Mỹ – Nhật...

Từ năm 1968-1972, nhà hóa học Mỹ Richard F. Heck đã viết một một loạt báo cáo để công bố những nghiên cứu chưa từng có trước đây về phản ứng alkyl (hoặc aryl) hóa olefin ở nhiệt độ phòng, sử dụng hệ xúc tác palladium. Sau này phản ứng này được đặt theo tên của ông.

Từ năm 1976, dựa trên những công bố của Heck, nhà hóa học Ei-ichi Negishi cũng bắt đầu nghiên cứu về các phản ứng ghép cặp chéo khác. Thực tế, trước Negishi cũng đã có nhiều nhà hóa học nghiên cứu về những phản ứng này nhưng chỉ sử dụng các hệ xúc tác cơ magnesium hoặc cơ lithium nên hiệu suất phản ứng không cao và độ chọn lọc thấp.

Tuy nhiên, Negishi đã có những thay đổi khi ông sử dụng các xúc tác kim loại chuyển tiếp. Ban đầu ông sử dụng xúc tác cơ kẽm và đạt được những kết quả rất khả quan, đó chính là động lực để ông tiếp tục các nghiên cứu mới.

Những bước đột phá trong nghiên cứu của Negishi đến vào năm 1977 khi ông công bố phản ứng ghép cặp chéo của hợp chất cơ kẽm với các dẫn xuất halide, sử dụng xúc tác palladium và đạt hiệu suất cao, cùng với độ chọn lọc vượt trội so với tất cả những nghiên cứu đã công bố từ trước tới nay, mặc dù điều kiện phản ứng được thực hiện rất êm dịu.

Phản ứng này là một phản ứng hoàn toàn mới vào thời điểm bấy giờ và sau này nó thực sự đã trở thành một phương pháp quan trọng trong việc tổng hợp các phân tử phức tạp thông qua việc ghép cặp các hợp phần nhỏ hơn. Để ghi nhận đóng góp của Negishin, người ta đã đặt tên ông cho phản ứng ghép cặp của hợp chất cơ kẽm với dẫn xuất halide do ông phát hiện ra.

Các phản ứng mang tên những nhà khoa học dành giải Nobel Hóa học 2010, từ trên xuống dưới: Phản ứng Heck; Phản ứng Negishin và Phản ứng Suzuki.

Năm 1979, trong hai báo cáo của mình, Suzuki và các cộng sự đã công bố rằng việc sử dụng các hợp chất cơ boron khi có mặt chất nền có thể thực hiện các phản ứng ghép cặp chéo với dẫn xuất halide, sử dụng xúc tác palladium với những kết quả đạt được là rất khả thi: phản ứng đạt hiệu suất cao, độ chọn lọc tốt, điều kiện phản ứng êm dịu. Một yếu tố rất quan trọng là các hợp chất cơ boron thường không độc hại, thân thiện với môi trường. Phương pháp ghép cặp chéo này về sau đã được đặt tên là phản ứng Suzuki.

... Đến những ứng dụng cho cuộc sống

Những thành tựu từ lĩnh vực mà Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi và Akira Suzuki đi tiên phong không những có ý nghĩa đối với khoa học hàn lâm, mà còn rất hữu ích đối với các ngành công nghiệp và sản xuất hó‌a chấ‌t, bao gồm các loại dược phẩm quan trọng, hó‌a chấ‌t nông nghiệp hay những loại vật liệu cao.

Tất cả những ứng dụng này đều rất cần thiết và mang lại nhiều ích lợi cho xã hội. Trong thực tế, có rất ít những phản ứng góp phần nâng cao hiệu quả của Tổng hợp Hữu cơ như các phản ứng ghép chéo sử dụng hệ xúc tác palladium.

Các phản ứng này đã mở ra những phương pháp mới và giản đơn hơn rất nhiều trong việc tổng hợp các hợp chất có cấu trúc phức tạp từ những tiền chất sẵn có, thay vì phải đi theo những con đường phức tạp như trước đây mà hiệu quả mang tới là không thực sự cao.

Diazonamide A - tác nhân chống tế bào ung thư đã có thể tổng hợp nhân tạo thông qua các phản ứng ghép cặp chéo với xúc tác palladium.

Ứng dụng quan trọng vào bậc nhất của các phản ứng này là trong lĩnh vực tìm kiếm các loại dược phẩn mới hoặc những hợp chất có hoạt tính sinh học tốt nhưng trước đây chỉ phát hiện trong thiên nhiên chứ không thể tổng hợp nhân tạo.

Một ví dụ điển hình là với việc sử dụng loại phản ứng này, các nhà khoa học đã tổng hợp thành công diazonamide A. Những nghiên cứu công bố từ các phòng thí nghiệm trọng điểm cho thấy, diazonamide A có khả năng chống lại các tế bào ung thư ruột kết rất hiệu quả. Một minh chứng khác là các chuyên gia đã có thể tổng hợp thành công dragmacidin F, một dược chất có khả năng kháng lại các virus bệnh herpes và HIV.

Những nghiên cứu không bao giờ ngừng lại

Mặc dù các phản ứng mang tên ba nhà khoa học này đã ra đời từ hơn 30 năm trước, nhưng giới khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu và cải tiến chúng.

Vào mùa xuân năm 2010, một nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tán các nguyên tử palladium lên graphene (loại vật liệu mới đã mang đến giải Nobel Vật lí 2010 cho hai nhà hóa học gốc Nga) để thực hiện các phản ứng Suzuki trong nước, thay vì các dung môi hữu cơ độc hại như trước đây.

Đã và sẽ còn rất nhiều những nhà nghiên cứu tiếp bước  Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi và Akira Suzuki để cải tiến và phát triển những ứng dụng của các phản ứng ghép cặp chéo này. Và như những nhận xét của viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, thì chắc chắn rằng giờ đây dù những ứng dụng từ các phản ứng mang tên ba nhà hóa học này đã rất to lớn, nhưng trong tương lai thì chúng sẽ còn vĩ đại hơn nữa.