Suốt hàng ngàn năm qua, nhân loại luôn phải tìm cách vòng vo, thực hiện nhiều bước phản ứng chỉ để thay đổi một nguyên tử duy nhất trong một phân tử. Nhưng từ giờ trở đi, mọi thứ sẽ khác!
Xem xét công thức hóa học của hai phân tử này. Chúng chỉ khác nhau đúng một nguyên tử.
Bên trái là Furan, một hợp chất hữu cơ thơm có cấu trúc vòng 5 nguyên tử, trong đó một nguyên tử carbon (C) đã được thay thế bằng một nguyên tử oxy (O). Khi bạn thay đổi nguyên tử oxy này thành nitơ (N), bạn sẽ có Pyrrole - hợp chất bên phải:
Furan và Pyrrole.
Dù chỉ khác nhau một nguyên tử nhỏ, nhưng sự khác biệt này được coi là "chí mạng".
Furan là một chất độc hại, thậm chí có thể gây ung thư cho con người. Ngược lại, Pyrrole là một loại dược chất, được dùng trong các loại thuốc chống ung thư, thuốc giảm đau và thuốc điều trị bệnh tim mạch.
Thật may mắn là bạn không thể nhầm lẫn giữa chúng, vì ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất phòng, Furan là chất lỏng trong suốt, trong khi Pyrrole lại có màu đỏ (xin lỗi những giáo viên hóa học thường hay làm mất nhãn dán trên các lọ dung dịch). Điều này cho thấy chỉ với một nguyên tử, tính chất của một hợp chất hóa học có thể hoàn toàn thay đổi.
Thật không may, việc thay đổi chỉ một nguyên tử trong các hợp chất dị vòng này chưa bao giờ là điều đơn giản.
Để tạo ra Pyrrole, bạn sẽ cần thực hiện phản ứng này:
Hoặc bạn có thể thực hiện phản ứng này:
Hoặc ít nhất là thực hiện phản ứng này:
Một phương pháp để sản xuất Pyrrole từ Furan là cho nó phản ứng với amoniac (NH3). Tuy nhiên, phản ứng này yêu cầu nhiệt độ lên tới 500 độ C và cần có các chất xúc tác đắt tiền như SiO2 và Al2O3. Bên cạnh đó, hiệu suất phản ứng thấp cũng làm cho việc tổng hợp Pyrrole trở nên khó khăn về mặt kinh tế.
Nhưng từ bây giờ, mọi thứ sẽ thay đổi!
Quá trình chỉnh sửa đơn nguyên tử từng là một giấc mơ của các nhà hóa học.
Kỹ thuật phản ứng đơn nguyên tử với các hợp chất có cấu trúc vòng thơm
Trong một nghiên cứu đột phá được công bố trên tạp chí Science, một nhóm các nhà khoa học từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã thông báo rằng họ đã phát triển thành công kỹ thuật chỉnh sửa đơn nguyên tử đầu tiên trên thế giới, cho phép thay đổi trực tiếp một nguyên tử trong một phân tử.
Trong thử nghiệm với Furan, họ đã thành công trong việc chuyển đổi hợp chất này thành Pyrrole bằng cách thay thế nguyên tử oxy bằng nguyên tử nitơ, thực hiện ngay tại nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. Quá trình chỉnh sửa đơn nguyên tử như vậy thực sự là một giấc mơ của các nhà hóa học.
Thậm chí, phương pháp này còn được ví như "bàn tay của Chúa", có khả năng tạo ra các hợp chất phức tạp một cách đơn giản, dễ dàng như việc lắp ráp một mảnh Lego.
Giáo sư Yoonsu Park, tác giả của nghiên cứu, đến từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST).
Giáo sư Yoonsu Park, tác giả của nghiên cứu tại Viện KAIST, cho biết: "Các hợp chất có vòng thơm có mức năng lượng ổn định cao đến mức việc thay thế một nguyên tử bằng một nguyên tử khác từng được xem là điều không thể thực hiện".
Để đạt được điều này, nhóm nghiên cứu của giáo sư Park đã áp dụng một chiến lược gọi là "quang xúc tác", tức là sử dụng ánh sáng làm chất xúc tác cho phản ứng.
Thông qua việc sử dụng chất xúc tác acridinium để chiếu ánh sáng xanh lam vào Furan, giáo sư Park đã tạm thời phá vỡ vòng thơm của hợp chất, cho phép chèn một nhóm amin NH vào vị trí của nguyên tử O.
Sau đó, qua quá trình ngưng tụ, hợp chất cuối cùng sẽ đẩy nguyên tử oxy ra ngoài, kết hợp với hydro để tạo thành nước (H2O), để lại duy nhất nguyên tử N trong vòng thơm, hình thành nên hợp chất Pyrrole.
"Chúng tôi đã trình bày một chiến lược quang xúc tác nhằm hoán đổi một nguyên tử oxy của Furan bằng một nhóm nitơ, cho phép chuyển đổi trực tiếp Furan thành một chất tương tự Pyrrole trong một phản ứng liên phân tử duy nhất", giáo sư Park nói.
Phản ứng mà nhóm nhà khoa học Hàn Quốc đã áp dụng.
Tại sao phát hiện này lại được coi là cuộc cách mạng trong ngành dược phẩm?
Nhận xét về nghiên cứu mới đây, Mark Levin, một nhà hóa học hữu cơ tại Đại học Chicago, Hoa Kỳ, cho biết:
"Các phương pháp hiện tại cho phản ứng chuyển đổi vòng dị vòng thường yêu cầu những điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ cao cực độ hoặc bức xạ cực tím. Điều này hạn chế khả năng ứng dụng của chúng trong việc tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp, do năng suất sản phẩm thấp và phạm vi cơ chất bị hạn chế.
Phản ứng mới của các nhà nghiên cứu Hàn Quốc là quy trình đầu tiên cho phép chuyển đổi trực tiếp Furan thành Pyrrole trong các điều kiện nhẹ nhàng hơn, khiến nó thực sự phù hợp cho nhiều ứng dụng trong hóa học tổng hợp".
Trong một bài viết dành riêng cho chuyên mục "Góc nhìn", nơi tạp chí Science mời các nhà khoa học độc lập nổi tiếng và uy tín bình luận về những nghiên cứu có ảnh hưởng lớn hoặc mang tính cách mạng, hai nhà hóa học Ellie F. Plachinski và Tehshik P.Yoon từ Đại học Wisconsin-Madison, Hoa Kỳ, đã nhận xét:
"Các đặc tính của một phân tử hoạt tính sinh học phụ thuộc rất lớn vào cách sắp xếp chính xác của các nguyên tử cấu thành. Chẳng hạn, việc thay đổi danh tính của một nguyên tử đơn lẻ trong một vòng dị vòng - một vòng phân tử chứa ít nhất một nguyên tố không phải carbon - có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của thuốc".
"Nghiên cứu này có tiềm năng rất lớn trong việc tạo ra các quy trình tổng hợp hóa học liên tục, chuyển đổi các phân tử phức tạp và thúc đẩy các khám phá trong lĩnh vực dược phẩm", Plachinski và Yoon nhấn mạnh.
Chỉnh sửa đơn nguyên tử có khả năng tạo ra nhiều dược chất mới, bổ sung vào dược điển cho con người.
Về phần mình, giáo sư Park cho biết: "Bước đột phá này đã cho phép chúng tôi thực hiện chỉnh sửa có chọn lọc đối với các cấu trúc vòng hữu cơ năm cạnh, mở ra cơ hội mới để xây dựng thư viện các ứng viên thuốc tiềm năng, điều này là một thách thức lớn trong ngành dược phẩm. Tôi hy vọng công nghệ nền tảng này sẽ được áp dụng để cách mạng hóa quy trình phát triển thuốc".
Giống như Furan và Pyrrole, nhiều loại thuốc có cấu trúc hóa học rất phức tạp nhưng tác dụng dược lý của chúng lại chỉ bắt nguồn từ một nguyên tử duy nhất. Các nguyên tử như oxy và nitơ đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu quả dược lý của những loại thuốc này, đặc biệt là trong việc chống lại virus.
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Park hiện đang thử nghiệm một loạt quy trình tương tự nhằm chỉnh sửa đơn nguyên tử cho nhiều hợp chất khác có nguồn gốc từ Furan và Pyrrole. Bước tiếp theo là thiết kế các lò phản ứng quy mô công nghiệp để kiểm nghiệm kỹ thuật này trên quy mô lớn.
Nếu thành công trong việc chỉnh sửa từng nguyên tử trong một phân tử và đạt được quy mô công nghiệp, chúng ta sẽ có khả năng tạo ra bất kỳ loại thuốc nào mà mình mong muốn, với số lượng không giới hạn.