Nobel Hóa học 2026 vinh danh hai nhà khoa học tìm ra lời giải cho bí ẩn hóa học tồn tại hơn một thế kỷ

Ngày 7.10, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao giải Nobel Hóa học 2026 cho Henri B. Kagan (Pháp) và Kenso Soai (Nhật Bản) “vì phát hiện các hiệu ứng phi tuyến và tự xúc tác trong tổng hợp hữu cơ bất đối xứng”.

Đằng sau công trình được vinh danh là một câu hỏi tưởng như đơn giản nhưng đã tồn tại hơn một thế kỷ: Làm thế nào sự sống – vốn chỉ dùng duy nhất một trong hai dạng “soi gương” của nhiều phân tử – lại có thể bắt đầu từ những phản ứng hóa học thông thường, vốn không hề có sự sống?

Về tính bất đối xứng gương. Minh họa Nobel Prize

Câu đố bắt đầu từ những phân tử “soi gương”

Giữa thế kỷ 19, Louis Pasteur tách các tinh thể axit tartaric thành hai dạng là hình ảnh trong gương của nhau, nay gọi là các đối quang. Năm 1857, ông nhận thấy vi sinh vật chỉ lên men một dạng. Các axit amin trong protein của cơ thể cũng chỉ tồn tại ở một dạng – hiện tượng gọi là đồng chiral (homochirality)^(*).

Điều kỳ lạ là trong phòng thí nghiệm, các phản ứng tạo phân tử chiral thường cho ra hỗn hợp hai dạng với tỷ lệ 1:1. Nếu tự nhiên không có sự sống để “chọn”, tại sao sự sống lại chỉ sử dụng một dạng?

Năm 1953, nhà vật lý lý thuyết Charles Frank (Đại học Bristol) đưa ra một mô hình toán học với ba điều kiện: có xúc tác chiral và phản ứng bất đối; một dạng được tăng cường còn dạng kia bị kìm hãm; chất tạo ra chính là chất xúc tác cho phản ứng, tức tự xúc tác.

Điều kiện đầu tiên đã được đáp ứng từ đầu thế kỷ 20 và dẫn tới các giải Nobel năm 2001 và 2021. Công trình được vinh danh năm nay tập trung vào hai điều kiện còn lại.

Henri Kagan và Kenso Soai được trao Giải Nobel Hóa học năm 2026. Ảnh: Reuters

Phát hiện của Kagan: chất xúc tác không nhất thiết phải tinh khiết

Năm 1986, Henri B. Kagan mô tả một hiện tượng mà trước đó giới hóa học coi là không thể: sản phẩm có độ dư đối quang (ee) cao hơn chất xúc tác tạo ra nó.

Kagan lập luận rằng nguyên tử kim loại trong xúc tác có thể gắn với hai phân tử chiral. Với hỗn hợp gồm 75% dạng tay phải (Rectus) và 25% dạng tay trái (Sinister), sẽ hình thành ba loại xúc tác gồm phải-phải, trái-trái và phải-trái, với tỷ lệ khoảng 56%, 6% và 38%.

Nếu dạng phải-trái gần như không hoạt động, phản ứng chủ yếu do hai loại còn lại dẫn dắt theo tỷ lệ khoảng 90:10 – cao hơn nhiều so với tỷ lệ 75:25 ban đầu.

Khi đó, quan hệ giữa độ tinh khiết của xúc tác và sản phẩm không còn là một đường thẳng. Đồ thị trở thành một đường cong, tạo nên khái niệm “hiệu ứng phi tuyến”.

Phát hiện này sau đó trở thành công cụ thường dùng để suy ra cơ chế phản ứng. Trong một phản ứng của nhóm Ryoji Noyori, chẳng hạn, ligand chỉ có độ dư đối quang 15% vẫn tạo ra sản phẩm đạt 98%. Tương tự, khi Merck tổng hợp hợp chất L-699,392, họ sử dụng α-pinene chỉ tinh khiết 70% nhưng vẫn thu được sản phẩm đạt 95% ee.

Như vậy, một hỗn hợp ban đầu chưa thật sự “nghiêng” về một phía vẫn có thể tạo ra sản phẩm nghiêng rất mạnh về phía đó. Nhưng câu hỏi lớn hơn vẫn còn nguyên: liệu chính sản phẩm có thể tiếp tục thúc đẩy quá trình này?

Kenso Soai đưa phản ứng vào một vòng tự khuếch đại

Kenso Soai nhận ra cấu trúc của xúc tác và sản phẩm trong một phản ứng có hiệu ứng phi tuyến lớn rất giống nhau. Từ đó, ông tìm cách thiết kế một phản ứng trong đó sản phẩm chính là xúc tác của chính nó.

Năm 1990, Soai tìm ra phản ứng tự xúc tác bất đối đầu tiên, dù độ dư đối quang của sản phẩm khi đó vẫn thấp hơn xúc tác.

Bước tiến quan trọng đến năm 1995, khi ông công bố trên Nature phản ứng của pyrimidyl alkanol với diisopropylzinc, có khả năng khuếch đại ee. Đến năm 2003, ông chứng minh một chênh lệch ban đầu chỉ khoảng 0,00005% cũng có thể được khuếch đại lên hơn 99,5% sau ba vòng liên tiếp.

Điều đáng chú ý hơn là phản ứng này có thể khởi động từ chất không chiral.

Soai và Daniel Singleton độc lập cho thấy những dao động ngẫu nhiên ở cấp độ phân tử cũng đủ để quyết định dạng nào thắng thế. Trong 37 thí nghiệm của nhóm Soai, 18 lần cho dạng R và 19 lần cho dạng S.

Theo Ủy ban Nobel, đây là lần đầu tiên một phản ứng hóa học tạo ra chirality từ nguyên liệu không chiral – ngoài chính sự sống.

Phản ứng bất đối xứng (An asymmetric reaction). Trong xúc tác bất đối, một dạng đối quang sẽ được tạo ra nhiều hơn dạng còn lại. Để thúc đẩy phản ứng này diễn ra, các nhà hóa học cần một chất xúc tác có tính chiral. Chất xúc tác này hiện nay thường bao gồm một ion kim loại kết hợp với một dạng đối quang của hợp chất chiral. Trong quá trình phản ứng, chất xúc tác sẽ truyền một phần tính chiral của nó sang cho sản phẩm. Minh họa của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển

Từ câu hỏi về nguồn gốc sự sống đến những ứng dụng rất thực tế

Nếu công trình của Kagan giúp giải thích cách một phản ứng có thể khuếch đại sự khác biệt nhỏ về tính bất đối, thì Soai cho thấy quá trình ấy có thể tiếp tục tự khuếch đại đến mức rất lớn. Hai phát hiện ghép lại giúp làm sáng tỏ một mắt xích quan trọng trong câu hỏi về sự xuất hiện của tính bất đối trong hóa học.

Ủy ban Nobel Hóa học nhấn mạnh hiệu ứng phi tuyến là công cụ quan trọng để tối ưu phản ứng trong sản xuất dược phẩm, hương liệu, hóa chất nông nghiệp và vật liệu. Phản ứng Soai có tính chất khác: đây là phản ứng nhân tạo, phạm vi chất nền còn hẹp và cơ chế vẫn đang có hai mô hình cạnh tranh, của nhóm Scott Denmark và nhóm Oliver Trapp.

Tài liệu của Ủy ban Nobel Hóa học cũng lưu ý mô hình Frank không phải lời giải cho nguồn gốc sự sống, và có lẽ sẽ không bao giờ có câu trả lời dứt khoát cho sự kiện cách đây 3,5–4 tỷ năm.

“Henri Kagan và Kenso Soai đã đưa ra lời giải cho một bí ẩn hóa học kéo dài hơn một thế kỷ: làm sao tính đồng phân lập thể có thể xuất hiện một cách tự phát. Các phản ứng hóa học mà họ phát triển thật ngoạn mục”, Heiner Linke, Chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học, nói trong thông cáo báo chí.

GS. Peter Somfai, thành viên Ủy ban Nobel Hóa học, Đại học Lund, Thụy Điển, khẳng định: “Các khám phá này đã tái định hình hiểu biết của chúng ta về cách thức tính bất đối hình được tạo ra và khuếch đại trong hệ kín, làm sâu sắc thêm nhận thức về tính bất đối hình phân tử với những ảnh hưởng vượt xa khỏi phạm vi hóa học hữu cơ.”

“Tổng hợp hữu cơ bất đối xứng là một minh chứng mạnh mẽ cho thấy hóa học cơ bản có thể tạo nền tảng cho các giải pháp trước những thách thức lớn nhất mà xã hội đang đối mặt. Các đồng phân khác nhau có thể mang lại những tác động sinh học và vật lý hoàn toàn khác biệt, do đó đóng vai trò then chốt trong việc tìm ra các loại thuốc hiệu quả để điều trị nhiều loại bệnh tật”, Giáo sư Robert Mokaya, Chủ tịch Hiệp hội Hóa học Hoàng gia (Anh), đánh giá.

Điều này đặc biệt rõ trong lĩnh vực dược phẩm. Nhiều phân tử thuốc tồn tại ở hai dạng hình ảnh qua gương (enantiomers). Một dạng có tác dụng chữa bệnh, trong khi dạng kia có thể không có tác dụng hoặc gây ra tác dụng phụ không mong muốn.

Nhờ hiệu ứng phi tuyến, các công ty dược phẩm có thể tối ưu hóa phản ứng để tổng hợp chính xác dạng đối hình mong muốn với độ tinh khiết cao, ngay cả khi nguyên liệu đầu vào chưa thật sự tinh khiết.

Các công cụ này cũng được mở rộng trong sản xuất hương liệu, hợp chất thơm, hóa chất nông nghiệp và thiết kế vật liệu mới.

Lan Chi (Theo Nobel Prize)

_____________

(*) Homochirality là tính đồng nhất về cấu trúc bất đối, nơi tất cả phân tử sinh học cùng loại đều có chung một hướng cấu trúc 'tay trái' hoặc 'tay phải'.