Hóa học Click: Một phương pháp lắp ráp phân tử thân thiện với môi trường

Hóa học đã tạo ra thế giới hiện đại - từ thuốc chữa bệnh, vật liệu tổng hợp, pin, nhiên liệu, màn hình TV cho đến các loại phân bón. Tuy nhiên trên thực tế, những sáng tạo này đã để lại hậu quả môi trường và y tế không nhỏ. Hai ví dụ rõ ràng nhất là ô nhiễm nhựa và những vấn đề sức khỏe liên quan đến ‘hóa chất vĩnh cửu’.

Các nhà hóa học ngày nay nhận thức sâu sắc về tầm quan trọng của việc xem xét ảnh hưởng môi trường và tác động đạo đức của những sáng tạo. Điều này thúc đẩy họ tìm đến những cách tiếp cận hóa học theo hướng xanh và bền vững hơn, đồng thời tạo ra các hợp chất mới để giải quyết những thách thức mà xã hội phải đối mặt.

Nhưng tạo ra các hợp chất mới không phải là công việc đơn giản. Chúng đòi hỏi phải thực hiện vô số phản ứng riêng lẻ một cách tuần tự, mỗi phản ứng lại có khả năng tạo ra những phản ứng phụ khác làm giảm độ tinh khiết của mẫu. Điều này làm tăng độ phức tạp của cả quá trình, đồng thời tạo ra nhiều chất độc hại cần xử lý và tốn kém.

Giải pháp cho vấn đề này đã được GS. Barry Sharpless (Viện nghiên cứu Scripps, Mỹ) nghĩ ra vào đầu những năm 2000. Ông đặt ra thuật ngữ “hóa học click” - chỉ việc các phân tử có thể ‘khớp’ với nhau một cách nhanh chóng và dễ dàng như thể bấm khóa. Nói cách khác, chúng là các modun phân tử có tính đặc hiệu với nhau.

Sharpless cũng quy định rằng các phản ứng click nên được thực hiện trong dung môi nước, thay vì các dung môi có hại thường được sử dụng để hòa tan các chất phản ứng. Đây là khái niệm tuyệt vời vì nó sẽ cho phép tạo ra các phân tử mới theo cách cực kỳ thân thiện với môi trường.

Ví dụ đầu tiên về hóa học click được GS. Morten Meldal (Đại học Copenhagen, Đan Mạch) nghĩ ra vào năm 2001 trong khi nghiên cứu phản ứng giữa hai chất azides và alkynes. Hai chất này thường dùng để nối các hóa chất với nhau, vì azides có gốc -N3 còn alkynes có liên kết ba (≡) kém ổn định nên dễ tác động với các chất khác.

Tuy nhiên khi cho các chất này vào một bể hóa chất, chúng thường tạo ra một mớ các chất phản ứng hỗn độn. GS. Meldal tình cờ phát hiện rằng, nếu thêm đồng (CuAAC) làm xúc tác thì các sản phẩm tạo ra lại cực kỳ ổn định. Phản ứng này sau đó được xác nhận là một dạng phản ứng click.

Năm 2004, GS. Carolyn Bertozzi đã đưa hóa học click tiến thêm một bước nữa bằng cách áp dụng nguyên tắc này vào một ứng dụng sinh học. Bà gắn các “khóa” azide vào một phân tử đường, sau đó cho các phân tử huỳnh quang đã gắn các “khóa” alkyne vào. Khi phân tử đường azide gặp phân tử huỳnh quang-alkyne và khớp lại với nhau, các nhà khoa học có thể theo dõi hoạt động của tế bào sống (đã hấp thụ đường) dưới kính hiển vi mà không gây bất kỳ ảnh hưởng đến chức năng của tế bào.

Sau minh chứng của cả ba, những lời bàn tán đã nổi lên trong giới khoa học. Phản ứng click nhanh chóng trở nên phổ biến vì nó cho phép bất kỳ nhà nghiên cứu nào thay đổi chức năng của hóa chất hoặc vật liệu. Nó mở ra cánh cửa cho toàn bộ các lĩnh vực khác, không chỉ hóa, vật liệu, năng lượng, môi trường mà còn cả dược phẩm, y sinh.

Chẳng hạn, “Nếu tôi gom ba loại peptide - một loại chuyên để nhận diện tế bào, một loại có khả năng xâm nhập vào tế bào, và một loại có thể tiêu diệt tế bào bằng cơ chế tự hủy – và nối chúng lại với nhau bằng các đuôi azide- alkyne để tạo thành một phân tử đa chức năng thì phân tử tổng hợp này sẽ là con “khủng long” có khả năng xử lý mạnh mẽ các tế bào ung thư. Điều này sẽ không có được nếu ba loại peptide không ở cùng một chỗ”, GS. Meldal giải thích trong bài giảng đại chúng tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (USTH) hôm 20/4.

Điều tuyệt với là những phản ứng azide - alkyne này có thể xảy ra ở nồng độ rất thấp, với dung môi là nước và tại nhiệt độ phòng. Cả ba đều là những khía cạnh ‘rất xanh’. Và nếu được thực hiện trên quy mô công nghiệp thì chúng sẽ giúp tiết kiệm được rất nhiều năng lượng.

Lúc hóa học click được vinh danh năm ngoái, một số nhà khoa học cảm thấy “hơi ngạc nhiên” vì lĩnh vực này được trao giải Nobel sớm như vậy khi “chưa có nhiều ứng dụng thương mại ngoài kia”. Nhưng tương lai có vẻ tươi sáng, bởi các nhóm nghiên cứu đều khẳng định tiềm năng ứng dụng của nó “nhiều đến nỗi không thể liệt kê hết”.

Những tuyên bố này không phải ngẫu nhiên mà đã có tiền đề từ trước. Trong giai đoạn 2005- 2006, lượng trích dẫn về phản ứng click đã tăng vọt ở rất nhiều ngành khác nhau, cho thấy mọi người đang ra sức khám phá cách áp dụng chúng vào ứng dụng thực tiễn.

Một vài công ty hóa chất lớn như Sigma-Aldrich hay các startup nhỏ như AAT Bioquest, Vector Laboratories cũng bắt đầu sản xuất nhiều loại hóa chất “lắp ráp” (buildings block) gắn sẵn đuôi azide, alkyne và phát triển những công nghệ hỗ trợ đằng sau phản ứng click để phục vụ cho phân khúc công nghiệp rộng lớn như dược phẩm sinh học và trị liệu.

Việt Nam cũng có thể áp dụng hóa học click vào trong các ngành công nghiệp của mình. Trao đổi với Khoa học & Phát triển, PGS. Trần Đình Phong (Phó Hiệu trưởng phụ trách nghiên cứu, trường Đại học USTH) gợi ý rằng “hãy nghĩ về nó như chơi với các khối Lego. Điều giới hạn chúng ta chỉ là sức tưởng tượng”.

Bản thân nhóm nghiên cứu của anh đã thực hiện phản ứng click để đặt chất xúc tác lên bề mặt ống nano carbon từ năm 2013. Anh nhấn mạnh rằng, các phản ứng click thực sự rất đơn giản và dễ thực hiện. Bản thân phản ứng không khó làm, nhưng việc thiết kế được các phân tử hữu cơ có gắn đuôi thì phức tạp hơn một chút. “Tuy nhiên điều này không vượt quá năng lực tổng hợp hữu cơ của các nhà khoa học Việt Nam hiện giờ”, anh nói.

Một vài nhóm nghiên cứu trong nước đã bắt đầu khai thác hướng đi này. Chẳng hạn, nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn Thị Lệ Thu (Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM) đã dùng phản ứng click để tạo ra các polyme có khả năng tự lành. Nhóm nghiên cứu của TS. Lưu Văn Chính (Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên) đã áp dụng phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt và phản ứng click để tổng hợp chất màu Chalcone nhằm xem xét hoạt tính kháng u của chúng trong tế bào nuôi cấy.

GS. Meldal gợi ý, nhiều lĩnh vực của Việt Nam sẽ cần đến các ứng dụng hóa học mới. Việt Nam đang cần phát triển các vật liệu có khả năng lưu trữ năng lượng tốt hơn để sản xuất ắc quy hoặc pin mặt trời hữu cơ, chế tạo những dòng xe máy không chạy bằng xăng và không xả thải ra môi trường, xử lý khối lượng chất thải khổng lồ từ hoạt động nông nghiệp, hoặc sản xuất các loại vaccine mới để phòng tránh nhiều căn bệnh mới nổi.

“Tại một thời điểm mà bạn quan tâm đến điều đó, bạn sẽ tìm được cách giải quyết chúng bằng khoa học”, ông nói.