Giải thích: Ý tưởng đơn giản rằng phản ứng trao đổi trò chơi được xúc tác

Ý tưởng đơn giản mà List và MacMillan nghĩ ra, hoạt động độc lập, là tìm kiếm các chất xúc tác mới, những chất được sử dụng để tăng tốc các phản ứng hóa học, khi hầu hết tin rằng họ đang mắc kẹt với một bộ hiện có, hơi kém hiệu quả.

Người đoạt giải năm 2021 Benjamin List (trái) và David Macmillan. (Trang web giải Nobel)

Ủy ban trao giải Nobel cho biết những ý tưởng đơn giản thường khó hình dung nhất trong khi vinh danh Benjamin List và David MacMillan với giải Nobel Hóa học năm nay.

Ý tưởng đơn giản mà List và MacMillan nghĩ ra, hoạt động độc lập, là tìm kiếm các chất xúc tác mới, những chất được sử dụng để tăng tốc các phản ứng hóa học, khi hầu hết tin rằng họ đang mắc kẹt với một bộ hiện có, hơi kém hiệu quả.

Các chất xúc tác mới, có nguồn gốc từ các hóa chất tự nhiên, xanh hơn và rẻ hơn, đồng thời đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng của phản ứng hóa học là một loại cụ thể - và không cần trải qua quá trình tinh chế để tạo ra loại hợp chất mong muốn.

Ủy ban Nobel cho biết, khám phá được trao giải Nobel Hóa học 2021 đã đưa việc xây dựng phân tử lên một cấp độ hoàn toàn mới. Việc sử dụng nó bao gồm nghiên cứu các loại dược phẩm mới và nó cũng đã giúp làm cho hóa học trở nên xanh hơn.

Chất xúc tác

Khi hai hoặc nhiều hợp chất phản ứng để tạo thành các hợp chất mới, quá trình này thường được hỗ trợ bởi các hóa chất khác không tự thay đổi, nhưng giúp tăng tốc độ phản ứng. Những chất xúc tác này đã được biết đến ít nhất từ ​​giữa thế kỷ 19 và được sử dụng trong hầu hết mọi quá trình hóa học ngày nay.

Cho đến khoảng năm 2000, chỉ có hai loại hóa chất được biết đến như là chất xúc tác hiệu quả: kim loại, chủ yếu là kim loại nặng hơn; và các enzym, các phân tử nặng tự nhiên tạo điều kiện thuận lợi cho tất cả các quá trình sinh hóa hỗ trợ sự sống. Cả hai bộ chất xúc tác này đều có những hạn chế.

Các kim loại nặng hơn rất đắt, khó khai thác và độc hại đối với con người và môi trường. Mặc dù các quy trình tốt nhất, dấu vết vẫn còn trong sản phẩm cuối cùng; điều này đặt ra các vấn đề trong các tình huống yêu cầu các hợp chất có độ tinh khiết rất cao, như trong sản xuất thuốc. Ngoài ra, kim loại yêu cầu một môi trường không có nước và oxy, điều này khó đảm bảo ở quy mô công nghiệp.

Mặt khác, các enzym hoạt động tốt nhất khi nước được sử dụng làm môi trường cho phản ứng hóa học. Nhưng đó không phải là môi trường thích hợp cho mọi loại phản ứng hóa học.

Xúc tác cơ quan

List và MacMillan, cả hai đều 53 tuổi, bắt đầu thử nghiệm với các hợp chất hữu cơ đơn giản. Các hợp chất hữu cơ hầu hết là các chất có trong tự nhiên, được xây dựng xung quanh một khuôn khổ các nguyên tử cacbon và thường chứa hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh hoặc phốt pho. Các hóa chất hỗ trợ sự sống như protein, là các chuỗi dài của axit amin (hợp chất cacbon chứa nitơ và oxy) là chất hữu cơ. Enzyme cũng là protein, và do đó, là các hợp chất hữu cơ.

List và MacMillan đã biết đến nghiên cứu trước đó từ những năm 1970, trong đó một axit amin được gọi là proline được sử dụng làm chất xúc tác trong một số phản ứng cụ thể. Nhưng vai trò của nó vẫn chưa được khám phá đầy đủ. Họ bắt đầu làm việc với các axit amin riêng lẻ trong các enzym - và tạo ra vàng.

Xúc tác không đối xứng

Các axit amin riêng lẻ có một lợi thế bổ sung: chúng đảm bảo chỉ tạo ra một loại sản phẩm cuối cùng trong phản ứng.

Các chất có thể có thành phần hóa học và công thức phân tử hoàn toàn giống nhau; nhưng khác nhau nhiều về tính chất của chúng. Chúng được gọi là đồng phân. Một loại đồng phân là những loại đồng phân khác nhau về cách các nguyên tử riêng lẻ được định hướng trong không gian ba chiều. Hai phân tử có thể hoàn toàn giống nhau, ngoại trừ việc chúng là hình ảnh phản chiếu của nhau, giống như bàn tay của chúng ta. Để đơn giản, các nhà khoa học thường gọi các phân tử này là người thuận tay trái hoặc tay phải. Sự khác biệt đơn giản này đôi khi có thể gây ra những hậu quả to lớn, bởi vì nó cho phép các phân tử liên kết ở các vị trí khác nhau khi chúng tương tác với các phân tử khác.

Sản phẩm cuối cùng trong phản ứng hóa học thường là hỗn hợp các phân tử thuận tay trái và phải. Về mặt này, các phản ứng hóa học thông thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm không có tính chọn lọc. Nhưng bản chất là vậy. Bởi vì hình ảnh phản chiếu có thể có các đặc tính rất khác nhau, các quá trình tự nhiên là cực kỳ chọn lọc và chính xác. Chúng tạo ra phân tử thuận tay trái hoặc phải.

List và MacMillan đã phát hiện ra rằng bằng cách sử dụng một hợp chất tự nhiên như axit amin làm chất xúc tác, họ chỉ thu được một hình ảnh phản chiếu cụ thể của sản phẩm cuối cùng. Điều này sau đó được đặt tên là xúc tác không đối xứng.

List và MacMillan đã đưa ra một công cụ thay đổi trò chơi tuyệt đối. Lĩnh vực chất xúc tác hữu cơ, một cái tên mà MacMillan sau này dùng để mô tả những bộ chất xúc tác mới này, đã bùng nổ trong hai thập kỷ qua. Giáo sư RG Bhat thuộc Viện Nghiên cứu và Giáo dục Khoa học Ấn Độ ở Pune, người làm việc với các chất xúc tác hữu cơ, cho biết: .

Tiến sĩ S Chandrashekhar, Giám đốc Viện Công nghệ Hóa học Ấn Độ có trụ sở tại Hyderabad, cho biết ý nghĩa lớn của công trình này là nó làm cho các quy trình an toàn hơn và bền vững hơn nhiều so với trước đây.

Tôi cũng rất vui khi lưu ý rằng lần này ủy ban Nobel đã lựa chọn một bước đột phá trong Hóa học thuần túy. Trước đây, Nobel Hóa học thường công nhận những công việc về cơ bản thuộc về lĩnh vực sinh học, ông nói.

Bản tin| Nhấp để nhận những giải thích hay nhất trong ngày trong hộp thư đến của bạn

Chia Sẻ VớI BạN Bè CủA BạN: