Phát hiện phương pháp mới để “Bắt Giữ” các hợp chất trung gian trong nước

Một kỹ thuật mới vừa được phát triển bởi các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Cơ quan năng lượng Mỹ, có khả năng bắt giữ những hợp chất “trung gian” có thời gian tồn tại ngắn nhưng cực kỳ quan trọng, các hợp chất mà giúp đem lại những phản ứng hóa học diễn ra trong dung dịch nước từ lúc bắt đầu phản ứng cho đến khi hình thành sản phẩm cuối cùng.

Kỹ thuật mới này cơ bản bao gồm việc thu giữ tạm thời những phân tử tồn tại ngắn ngủi và khó thu được trong các kim tự tháp phân tử.

“Thiên nhiên rất hiệu nghiệm trong việc tạo ra môi trường hóa học cục bộ bên trong một protein khác biệt so với dung dịch nước bao quanh. Đây chính là phương pháp để kết dính các phân tử của chất nền và sửa đổi tính chất của chúng, đặc biệt là đối với sự xúc tác,” nhà hóa học Ken Raymond cho biết. “Giờ đây, chúng tôi đã chứng minh

Tứ diện phân tử (1) hình thành một cách tự nhiên trong nước từ các ion gallium (đỏ) và 6 phân tử hữu cơ (chỉ một trong 6 phân tử này có cấu trúc đơn giản; vị trí của chúng được hiển thị bằng các đường màu xanh da trời). Các nhà khoa học của Berkeley Lab sử dụng những tứ diện này để “bẫy” các ion iminuium (Ảnh: DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory)

được rằng, môi trường hóa học được sửa đổi và chật hẹp tương tự như vậy trong một nhóm phức hệ kim loại (metal complex cluster) siêu phân tử hòa tan trong nước có thể gây xúc tác lên phân tử của chất nền bằng cách làm ổn định một cách đáng kể chất trung gian phản ứng, tương tự như những hoạt động của một enzyme.”

Ông Raymond là người thực hiện nghiên cứu này cùng với nhà hóa học Robert Bergman. Ông Raymond là một chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu các chất hóa học có tính cô lập và ông Bergman là một chuyên gia về cơ chế phản ứng hóa học.

Từ các thành phần ban đầu cho đến thành phần cuối cùng, quá trình của một phản ứng hóa học thường bao gồm nhiều bước trung gian,đặc biệt là trong dung dịch nước. Các bước trung gian này đòi hỏi phải có nhiều hợp chất hóa học, những hợp chất mà có thể chỉ tồn tại với thời gian rất ngắn và với một hàm lượng rất nhỏ.

Mặc dù chỉ xuất hiện thoáng qua nhưng những chất trung gian này có khả năng tạo ra một tác động rất lớn lên kết quả của một phản ứng. Các nhà khoa học muốn biết rõ hơn về những chất trung gian này, đặc biệt bởi vì nước là một dung môi chính mà gần như tất cả các phản ứng enzyme và các phản ứng sinh học khác đều có thể xảy ra trong nước. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các chất trung gian không bền với liều lượng cao trong nước cho thấy đây rõ ràng là một thách thức và các nhà hóa học rất háo hức trong việc tìm kiếm những phương pháp mới có thể tách các hợp chất này ra khỏi các phân tử khác và ngăn cho chúng không tiếp tục quá trình phản ứng tiếp đó.

Ông Bergman nói: “Bằng cách bắt giữ các ion trung gian, ta có thể tạo ra chúng với liều lượng cao hơn trong dung dịch nước bình thường. Khi thực hiện việc này, ta có thể sử dụng các chất trung gian trong những phản ứng, các phản ứng mà có thể dễ có các phản ứng phụ và những phản ứng phụ này sẽ thế chỗ khi hợp chất đích đang hiện diện có hàm lượng quá thấp. Thêm vào đó, khả năng có thể tạo ra một hàm lượng cao các chất trung gian khác cho phép chúng ta nghiên cứu được một cách trực tiếp các tính chất hóa học và vật lý cơ bản của chúng.”

Ông Raymond và ông Bergman, trong một nghiên cứu được thực hiện cùng với các cộng sự trước đó là các tiến sĩ khoa học Vy Dong và Barbara Carlm và thực tập sinh tiến sĩ Dorothea Fiedler, đã nghiên cứu các hợp chất chức imin. Đây là các hợp chất hóa học thu được từ amoniac và có chứa một liên kết đôi carbon-nitơ hoạt động như những chất trung gian quan trọng, trong một số lượng lớn các phản ứng sinh hóa xúc tác bằng enzyme. Điều thú vị là các ion tích điện dương (cation) của các hợp chất chức imin sẽ hình thành khi các amin phản ứng với phân tử xeton.

“Phương pháp để tạo ra loại ion có tên iminium một cách có hiệu quả trong hỗn hợp phản ứng đặc trưng đòi hỏi phải có axit và/hoặc dung môi hữu cơ,” Ông Raymond nói. Trong dung dịch nước, ion iminium chỉ tồn tại rất ngắn ngủi do nó có độ phản ứng cao đối với sự thủy phân. Và vì bị cuốn hút bởi khả năng của các chất chủ, những chất mà đồng hóa trị và có thể tự lắp ráp với nhau, trong việc cô lập một số lượng lớn các loại chất có tính phản ứng, nên chúng tôi đã tìm cách vận dụng lý thuyết hóa học về quan hệ chủ khách hình thành nên một phương pháp mới lạ để thu được các ion iminium (lý thuyết hóa học về quan hệ chủ khách - host-guest chemistry – miêu tả các hỗn hợp được tạo thành từ hai hay nhiều hơn các phân tử hay ion gắn với nhau theo cấu trúc độc đáo bằng liên kết hydro, bằng cặp ion hay bằng lực Van der Waals hơn là được tạo thành bởi các liên kết cộng hóa trị).

Dung dich nước (Ảnh: ch.ic.ac.uk)

Trước đó, ông Raymond và nhóm nghiên cứu của mình đã phát triển một tứ diện phân tử tan trong nước và có đặc điểm là một khoang không chịu nước, khoang này có xu hướng kết nối, và do đó có xu hướng bắt giữ cation. Một số những cation “khách” bị “bẫy” này sẽ trở nên trơ trong một khoảng thời gian kéo dài trong khi những cation khác lại có độ phản ứng khác thường trong việc kiểm soát các khoang của tứ diện.

Ông Raymond, ông Bergman và các cộng sự phát hiện ra rằng tứ diện phân tử bắt giữ cation iminium hình thành một cách tự nhiên trong nước từ hỗn hợp các ion gallium, amin và xeton. Các tứ diện này ngay lập tức bắt giữ hiệu quả các cation iminium trong các khoang của chúng. Dựa trên máy quang phổ NMR, bất cứ chỗ nào, từ 30 đến 90%, của khoang tứ diện phân tử đều bắt giữ các cation iminium, tùy thuộc vào kích cỡ của phân tử amin và phân tử xeton trong tứ diện đó.

“Một khi bị bắt giữ, các ion iminium sẽ trở nên bền trong vòng nhiều tháng ở nhiệt độ bình thường,”Ông Bergman nói. “Kỹ thuật này giúp chúng ta có thể nghiên cứu phản ứng của các phân tử riêng lẻ trong môi trường riêng biệt và được kiểm soát.”

Kỹ thuật bắt giữ bằng tứ diện phân tử do hai nhà hóa học Raymond và Bergman phát triển mang nhiều đặc điểm trong các đặc điểm thiết yếu giống nhau, đó là có sự xúc tác enzyme, bao gồm cả việc tạo ra các khoang của tứ diện phân tử, cho phép nhận biết và kiểm soát được tính không đối xứng trong các phản ứng. Khả năng nhận biết và kiểm soát tính không đối xứng như vậy rất cần thiết trong việc chuẩn bị các hợp chất có tính hoạt động sinh học.

Kỹ thuật của hai ông Raymond và Bergman còn có ý nghĩa đối với ngành công nghệ nano, đó là khả năng giúp các nhà khoa học có thể tổ chức các phân tử trong các phân tử và khả năng lưu giữ thông tin. Với kỹ thuật này, các nhà khoa học còn có thể phát triển các phản ứng hóa học mà trước đây không thể thực hiện được trong dung dịch nước.

Ông Bergman nói: “Ưu tiên số một của chúng tôi là tạo ra thêm nhiều loại vật chất mà có thể bắt giữ được bằng cách phát triển việc tổng hợp các mạch nano có các khoang rộng hơn, để sử dụng tính chất đối hình (chirality) của các mạch nano trong việc gây xúc tác các phản ứng đã được tuyển chọn, và để bắt giữ các phức hệ kim loại có hoạt tính bằng phương pháp xúc tác và kiểm soát tính chọn lọc của chúng bằng cách sử dụng hình dáng và kích thước của khoang.”

Thanh Vân