Vì sao các nhà hóa học không thể từ bỏ palladium

Thật khó để tìm thấy một nơi nào trên Trái đất không bị palladium tác động. Kim loại màu trắng bạc này là một phần quan trọng của bộ chuyển đổi xúc tác trong 1,4 tỷ chiếc ô tô trên toàn thế giới - bộ phận này chuyển những khí độc và chất ô nhiễm trong khói thải thành những chất thải ít độc hơn bằng phản ứng oxy hóa khử, nhưng lại phun các hạt palladium vào bầu khí quyển. Khai thác mỏ và các nguồn khác làm tăng thêm tình trạng ô nhiễm palladium trên toàn cầu. Kết quả là, dấu vết của palladium xuất hiện ở một số điểm xa xôi nhất trên Trái đất, từ Nam Cực đến Greenland.

Palladium cũng không thể thiếu trong sản xuất thuốc. Đó là bởi vì các chất xúc tác tạo thành từ các nguyên tử palladium có khả năng vô song trong việc tạo ra các liên kết carbon - phản ứng hóa học chìa khóa để xây dựng các phân tử hữu cơ. “Mỗi loại dược phẩm chúng tôi sản xuất tại một thời điểm nào đó đều có một bước dùng xúc tác palladium," nhà nghiên cứu dược phẩm Per-Ola Norrby tại tập đoàn dược phẩm khổng lồ AstraZeneca, cho biết. Các phản ứng xúc tác palladium có giá trị đến nỗi vào năm 2010, những người phát hiện ra phản ứng đã cùng nhận một giải Nobel.

Bất chấp tính hữu dụng của nó, các nhà hóa học đang cố gắng loại bỏ palladium. Kim loại này đắt hơn vàng và các phân tử chứa palladium có thể cực kỳ độc hại đối với con người và động vật. Các nhà sản xuất phải tìm cách loại bỏ tất cả các dấu vết của palladium khỏi sản phẩm của mình.

Nhà hóa dược Thomas Fuchß tại công ty Merck đưa ra một ví dụ sửng sốt: có một loại thuốc mà để tạo ra 3 kg phân tử thuốc cần các thành phần có tổng trị giá 250.000 USD, trong đó riêng chất xúc tác palladium chiếm 100.000 USD và việc thanh lọc nó ra khỏi sản phẩm chiếm 30.000 USD; có nghĩa là palladium chiếm quá nửa giá thành phần.

Các nhà nghiên cứu đang tìm cách thay thế palladium bằng các kim loại phổ biến hơn, chẳng hạn như sắt và niken, hoặc phát minh ra chất xúc tác không chứa bất kỳ kim loại nào. Nhưng đến nay những nỗ lực này vẫn chưa mang lại kết quả.

Trong hai thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã nhiều lần báo cáo việc tìm thấy chất xúc tác không chứa palladium; hết lần này qua lần khác, mỗi “khám phá” hóa ra đều sai lầm. Một báo cáo tháng 1/2021 dường như đã đưa giấc mơ loại bỏ palladium vào trong tầm tay của con người. Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc cho biết phản ứng liên kết carbon có thể được xúc tác mà không cần palladium hoặc bất kỳ kim loại nào khác.

Các nhà hóa học ngay lập tức tỏ ra hào hứng, và cả hoài nghi. Họ đã cố gắng xác minh tuyên bố phi thường của Trung Quốc trong phòng thí nghiệm của họ. Trong vòng hai tháng, ba nhóm đã xuất bản các bản thảo lập luận rằng thực ra chính ô nhiễm palladium đang xúc tác phản ứng. Lại thêm một "khám phá" không có thật về loại bỏ palladium. Những sự cố như vậy được coi là có tính cảnh báo: palladium có ở mọi nơi và âm thầm xúc tác ngay cả trong các phản ứng thử nghiệm thay thế palladium.

Nhà hóa học Nicholas Leadbeater tại Đại học King’s College London cho biết khi nghe tin về tuyên bố mới từ Trung Quốc, suy nghĩ đầu tiên của ông là: lại một lần nữa. Năm 2003, Leadbeater theo đuổi loại bỏ chất xúc tác palladium trong phản ứng liên kết carbon. Nhóm của ông đang cố gắng xúc tác phản ứng liên kết bằng hợp chất đồng và gia nhiệt bằng vi sóng. Nhưng khi họ thực hiện một thí nghiệm đối chứng hoàn toàn không có bất kỳ kim loại nào, phản ứng vẫn diễn ra. Hiểu được ý nghĩa bước ngoặt nếu khám phá này là thật, Leadbeater và các đồng nghiệp tìm mọi cách để đảm bảo rằng không hề có palladium lẻn vào phản ứng mà không bị phát hiện.

Sau các bước kiểm tra, các bài báo của nhóm được hoan nghênh nhiệt liệt. Leadbeater, chắc chắn rằng khám phá này sẽ là bước ngoặt sự nghiệp, đã chuyển nhóm nghiên cứu của mình đến Đại học Connecticut, Mỹ. Nhưng ở đó mọi thứ đổ bể.

"Chúng tôi không thể làm cho phản ứng xảy ra," Leadbeater nói. Sau nhiều tháng kiểm tra, họ đã tìm ra thủ phạm. Một loại thuốc thử mua từ một nhà cung cấp hóa chất ở Anh đã bị nhiễm một lượng nhỏ palladium - khoảng 50 phần tỷ. Mức ô nhiễm palladium này không có trong sản phẩm tương tự mua ở Mỹ. "Chỉ từng đó đã đủ để xúc tác phản ứng," Leadbeater nói. Nhóm không rút lại bài báo, mà công bố thêm rằng ô nhiễm palladium là nguyên nhân dẫn đến các kết quả được báo cáo trước đó.

Vấn đề tương tự xuất hiện vào năm 2008, khi một bài báo của Robert Franzén tại Đại học Công nghệ Tampere, Phần Lan, và các đồng nghiệp mô tả việc sử dụng xúc tác để tạo ra một phản ứng liên kết carbon. Sau đó, một nhóm khác của Robin Bedford tại Đại học Bristol, Anh, đã phát hiện thực ra ô nhiễm palladium cũng là nguyên nhân gây ra phản ứng. Nhóm Phần Lan rút lại bài báo.

Các nhà nghiên cứu cho biết, lịch sử hóa học có rất nhiều tranh cãi liên quan đến palladium như vậy. Một số "khám phá" đã được xác minh rõ ràng là sai, trong khi một số vẫn đang bị nghi ngờ.

Các hợp chất làm thuốc thường là những phân tử lớn, phức tạp, vì vậy các nhà hóa học phải tổng hợp chúng từ các mảnh nhỏ. Phản ứng liên kết carbon là phản ứng nối các mảnh nhỏ đó lại với nhau. Nhưng năng lượng cần thiết để tạo và phá vỡ các liên kết carbon là rất lớn, làm cho phản ứng chậm lại, thậm chí là không thể, nếu không có chất xúc tác. Và xúc tác palldium đặc biệt hiệu quả trong việc vượt qua những rào cản năng lượng này, vì nó có cấu trúc electron độc đáo, có thể kết nối nhiều loại mảnh phân tử lại với nhau.

Palladium được sử dụng rộng rãi đến mức ngày nay nó có mặt ở khắp mọi nơi. Theo một nghiên cứu năm 2019 của Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Moscow, ngay cả những vết trầy xước trong thanh khuấy được sử dụng để trộn chất lỏng trong phòng thí nghiệm hóa học cũng có thể giữ lại một lượng nhỏ palladium đủ để xúc tác một số phản ứng. Chất xúc tác giấu mặt này có thể làm cho người ta hiểu nhầm rằng một phản ứng đang diễn ra mà không có chất xúc tác. Palladium còn có thể xâm nhập vào phản ứng qua các tạp chất trong hóa chất và dung môi, nhóm nghiên cứu cho biết.

Các nhà hóa học có kinh nghiệm ngăn chặn palladium không mong muốn thường tuân theo các quy trình nghiêm ngặt. Gergely Tolnai và Zoltán Novák, các nhà hóa học hữu cơ tổng hợp tại Đại học Eötvös Loránd, Budapest, chỉ sử dụng palladium trong góc một phần tư phòng thí nghiệm được tách riêng. Một số nhóm có nhiều bộ dụng cụ, mỗi bộ dành để thao tác với một kim loại, tránh lây nhiễm chéo. Trong phòng thí nghiệm của Bedford, các nhà nghiên cứu sử dụng các thanh khuấy mới khi cần thao tác với palladium.

Nhiều nhà nghiên cứu cho biết họ không nản lòng trong việc theo đuổi giải pháp thay thế palladium. Họ tiếp tục tìm cách giải quyết từng phần vấn đề - thi thoảng tìm ra các phản ứng liên kết carbon nhất định có thể được xúc tác bởi các chất xúc tác chứa sắt hoặc niken. Những trường hợp riêng lẻ này cho đến nay vẫn chưa thể đáp ứng nhu cầu sản xuất quy mô lớn. Fuchß cho biết, các nhà hóa học trong ngành dược phẩm chủ yếu vẫn phải dựa vào palladium.

Nhiều nhà nghiên cứu hy vọng rằng trong tương lai, khi hiểu hơn về cách các chất xúc tác xáo trộn các electron để tạo ra các liên kết carbon, họ sẽ tìm ra các phản ứng hóa học mới không sử dụng palladium. Và đó sẽ là khám phá mang tính cách mạng trong lĩnh vực hóa học.