Giải thưởng Nobel Hóa học 2021: Cuộc cách mạng về liên kết phân tử và những tác động của nó

Lĩnh vực hóa học là một thế giới kỳ diệu, nơi các nguyên tử và phân tử liên kết với nhau theo vô số cách để tạo nên muôn vàn chất liệu có đặc tính độc đáo. Mỗi liên kết hóa học như một câu chuyện riêng biệt về sự tương tác giữa các electron, mang lại những tính chất vật lý và hóa học khác nhau cho hợp chất được hình thành.

Năm 2021, giải thưởng Nobel Hóa học đã vinh danh ba nhà khoa học có đóng góp phi thường vào việc hiểu biết về cách thức liên kết phân tử hoạt động: Benjamin List (Đức) và David MacMillan (Hoa Kỳ). Giải thưởng này cũng khẳng định vai trò quan trọng của hóa học xúc tác không đối xứng trong việc tạo ra các phân tử phức tạp với độ tinh khiết cao.

Nhưng trước khi đi sâu vào những chi tiết kỹ thuật của thành tựu này, hãy cùng quay trở lại lịch sử của hóa học và tìm hiểu tại sao việc thấu hiểu về liên kết phân tử lại quan trọng đến vậy.

Liên kết phân tử: Nền tảng của sự đa dạng hóa học

Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng các chất liệu tự nhiên như kim loại, gỗ, đất sét để xây dựng nhà cửa, tạo ra công cụ và chế biến thức ăn. Tuy nhiên, mãi đến thế kỷ XIX, khái niệm về liên kết hóa học mới được hình thành. Các nhà khoa học bắt đầu thấu hiểu rằng các nguyên tử liên kết với nhau theo những quy tắc nhất định để tạo nên phân tử.

Những bước đột phá đầu tiên về liên kết hóa học bao gồm:

• Mô hình liên kết ion: John Dalton và Michael Faraday đã đề xuất mô hình này, trong đó liên kết ion được hình thành bởi sự chuyển electron từ một nguyên tử sang nguyên tử khác.

• Mô hình liên kết cộng hóa trị: Gilbert Lewis và Irving Langmuir đã giải thích về sự chia sẻ cặp electron giữa hai nguyên tử để tạo thành liên kết cộng hóa trị.

• Thuyết orbital phân tử: Linus Pauling đã phát triển lý thuyết này, trong đó các orbital của hai nguyên tử kết hợp lại với nhau để tạo thành orbital phân tử chung, chứa cả hai electron.

Những tiến bộ về liên kết hóa học đã mở ra cánh cửa cho sự hiểu biết sâu hơn về cấu trúc và tính chất của các phân tử, từ đó dẫn đến việc phát triển các loại vật liệu mới với ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Hóa học xúc tác không đối xứng: Một cách tiếp cận sáng tạo

Trong thế kỷ XX, hóa học hữu cơ đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ về phương pháp tổng hợp các phân tử phức tạp. Tuy nhiên, việc tạo ra các phân tử này với độ tinh khiết cao, đặc biệt là các phân tử có cấu trúc không đối xứng (chiral), vẫn là một thách thức lớn.

Các phân tử chiral tồn tại dưới dạng hai hình dạng đối xứng gương, tương tự như bàn tay trái và phải của chúng ta. Trong nhiều trường hợp, hai dạng đồng phân này có tính chất hóa học và sinh học khác nhau. Ví dụ, một loại thuốc có thể hiệu quả với một dạng đồng phân chiral nhưng lại vô hại hoặc thậm chí độc hại với dạng đồng phân kia.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã phát triển phương pháp hóa học xúc tác không đối xứng (asymmetric catalysis). Đây là một kỹ thuật sử dụng chất xúc tác đặc biệt để thúc đẩy phản ứng hóa học tạo ra chủ yếu một dạng đồng phân chiral mong muốn.

David MacMillan và Benjamin List: Những nhà tiên phong của hóa học xúc tác không đối xứng

Năm 2000, David MacMillan (Hoa Kỳ) đã báo cáo về một loại chất xúc tác mới dựa trên base guanidine có khả năng thúc đẩy phản ứng cộng hóa trị không đối xứng. Cùng năm đó, Benjamin List (Đức) đã công bố một loại chất xúc tác khác dựa trên amino acid proline, cũng có thể được sử dụng để tạo ra các sản phẩm chiral với độ tinh khiết cao.

Những phát hiện của MacMillan và List đã mở ra kỷ nguyên mới trong hóa học tổng hợp. Các nhà nghiên cứu bây giờ có thể dễ dàng hơn để sản xuất các phân tử phức tạp, bao gồm các thuốc, chất kháng sinh, hương liệu và các vật liệu khác, với độ tinh khiết cao.

Tác động của giải Nobel Hóa học 2021:

Giải thưởng Nobel Hóa học năm 2021 đã khẳng định tầm quan trọng của hóa học xúc tác không đối xứng trong việc tạo ra các sản phẩm phức tạp với độ tinh khiết cao.

Bảng:

Bên cạnh việc tạo ra các sản phẩm mới, hóa học xúc tác không đối xứng cũng góp phần vào việc giảm thiểu廃棄物 và tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự cần thiết phải phát triển các phương pháp sản xuất bền vững hơn.

Kết luận:

Giải thưởng Nobel Hóa học năm 2021 đã vinh danh Benjamin List và David MacMillan, hai nhà khoa học có đóng góp phi thường vào việc hiểu biết về liên kết phân tử và phát triển hóa học xúc tác không đối xứng. Những thành tựu của họ đã mở ra kỷ nguyên mới trong hóa học tổng hợp, cho phép chúng ta tạo ra các sản phẩm phức tạp với độ tinh khiết cao.