Nhà hóa học tổng hợp thì làm gì

Tác giả: Dr. Michael Edmonds
Dịch: QH

___________________________________

Theo kiểu truyền thống thì ở các năm đầu bậc đại học, sinh viên được dạy cho làm các thí nghiệm tổng hợp hữu cơ, tức là đem trộn hai hay nhiều hóa chất lại với nhau trong một khoảng thời gian nhất định, ở các điều kiện nhất định, để tạo ra một hợp chất mới. Sinh viên làm các thí nghiệm này tuân theo "công thức" có trong tài liệu hướng dẫn. Dưới góc nhìn của một người không chuyên thì đúng là tổng hợp hữu cơ kiểu này giông giống như học nấu ăn. Thực tế thì hai việc lại cực kỳ khác xa nhau (không chỉ ở chỗ trong phòng lab hóa học thì người ta không cho phép liếm muỗng như dưới bếp).

Khi sinh viên bắt đầu vào bậc sau đại học, hóa tổng hợp trở thành việc dùng những kiến thức về phản ứng hóa học để tạo ra một hợp chất hoặc một phân tử cụ thể. Lắm khi cái hợp chất đó lại là một phân tử chưa bao giờ tồn tại, nhưng người ta dự đoán nó có thể có những tính chất hữu ích nào đó. Lắm khi khác, nó lại là một phân tử có sẵn trong thiên nhiên, nhưng chúng ta cần tìm ra cách tốt hơn để tái tạo (ví dụ như là các phân tử dùng trong dược phẩm tìm thấy trong một vài loài thực vật hiếm).

Nhà hóa học tổng hợp sẽ xem xét cái phân tử mà mình muốn làm, xem xem làm thế nào để tạo ra nó. Bằng kiến thức của mình, nhà hóa học sẽ xác định các liên kết nào dễ tạo và tiến hành giải cấu trúc toàn bộ phân tử cho tới khi có thể gắn nó lại từ các phân tử nhỏ hơn mà nhà hóa học có thể đi mua ở các công ty hóa chất (hoặc đôi khi từ nguồn tự nhiên). Nhà hóa học sẽ thẩm định từng cách ghép các mảnh này để xem cách nào thuận lợi hay dễ thành công hơn. Giáo sư hướng dẫn của tôi gọi việc này là một trò đánh cờ phân tử – cá nhân tôi thì nghĩ chơi cờ dễ hơn cái này nhiều.

Một khi đã vạch được hướng đi khả dĩ tới phân tử đích, nhà hóa học sẽ gom các mảnh vật liệu nguồn lại, bắt đầu tráo đổi và kết hợp chúng lại với nhau. Tôi từng miêu tả việc này giống như ghép các mảnh LEGO, nhưng thường thì phức tạp hơn ghép LEGO nhiều. Nhiều khi một phản ứng không chỉ biến đổi cái phần của phân tử mà bạn muốn nó đổi, mà còn phá luôn một phần khác. Để giải quyết điều này, thường thì nhà hóa học cho thêm các nhóm bảo vệ vào để che phần phân tử cần được giữ nguyên, không cho nó phản ứng.

Hướng đi tới phân tử đích bao gồm một chuỗi phản ứng. Có khi chuỗi này có khoảng 4 hay 5 phản ứng. Có khi lại là hơn 5 chục. Trong hầu hết trường hợp, sản phẩm của mỗi phản ứng phải được tinh lọc và kiếm tra xác nhận đủ kiểu để chứng minh nó là sản phẩm trung gian cần tìm, rồi mới đi tiếp các bước sau *(ngoại lệ xem ở phần ghi chú). Quá trình tinh lọc gồm có chưng cất, kết tinh, hoặc dùng phương pháp sắc ký rất tốn thời gian nhưng rất hữu hiệu. Bước xác minh cấu trúc hóa học của chất trung gian dùng một loạt các kỹ thuật phân tích, lấy vài ví dụ như phương pháp Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), khối phổ (MS), hay đo độ triền quang của chất (xem góc xoay của ánh sáng phân cực khi đi qua chất như thế nào).

Sau khi đã lập kế hoạch tới phân tử đích, nhà hóa học sẽ dựa vào văn liệu hóa học đã được đăng trên tạp chí chuyên ngành để xác định xem từng phản ứng có xảy ra hay không. Tuy vậy, chỉ cần 1 thay đổi nhỏ trên cấu trúc phân tử cũng khiến cho kết quả thu được thực tế khác xa kết quả đã được công bố. Nhà hóa học phải luôn thủ sẵn những phương án mới, ngay cả khi phải lần ngược lại quy trình, có lúc bỏ rất nhiều phản ứng, để đi theo đường khác.

Phản ứng được làm thử lần đầu tiên thường không cho kết quả tốt nhất. Vậy nên mỗi phản ứng phải được tiến hành nhiều lần để tối ưu hóa. Nhà hóa học sẽ thay đổi thời gian phản ứng, cũng như thử các nhiệt độ khác nhau. Nhiều chất xúc tác có thể sẽ được thử nghiệm, cũng như thay đổi tỉ lệ các chất phản ứng. Phản ứng có thể được tiến hành dưới áp suất cao, hoặc trong môi trường khí trơ. Bước tối ưu hóa này có lẽ là phần chán nhất của quá trình nghiên cứu, tuy nhiên dù sao cũng còn đỡ hơn là khi đã thử mọi cách mà vẫn không làm phản ứng xảy ra được.

Làm nhà hóa học tổng hợp hữu cơ rất dễ nản. Nhiều phản ứng đáng lẽ phải xảy ra, đôi khi không thèm xảy ra. Nhà hóa học lắm lúc cần đến lab từ sáng tinh mơ và về nhà lúc gần nửa đêm, vì phải ngồi canh chừng những phản ứng chậm và thất thường như trông em bé. Tuy nhiên, lúc cầm trên tay chiếc lọ thủy tinh đựng một vài giọt hợp chất mới chưa từng được tạo ra là lúc nhà hóa học cảm thấy một cảm giác thỏa mãn dạt dào nhất trong lòng. Vì lúc đó, nhà hóa học biết được rằng tất cả máu, mồ hôi và nước mắt của mình đổ ra đã được đền đáp, và có thể, chỉ có thể thôi, cái hợp chất mới này, hoặc trực tiếp, hoặc gián tiếp, sẽ mở ra một tương lai tốt đẹp hơn cho nhân loại.

*Ghi chú  – trong khi hầu hết các quá trình tổng hợp hữu cơ đều cần bước tinh lọc mỗi hợp chất mới tạo ra, hiện giờ đã có nhiều bước tiến mới trong việc áp dụng các quy trình tổng hợp "one-pot" (một bình) (hai hoặc nhiều hơn hai phản ứng hóa học xảy ra trong cùng một bình phản ứng mà không cần tinh lọc chất tạo ra trung gian) và các quy trình tổng hợp liên tục nhiều bước (continuous flow multi-step syntheses) (sản phẩm tạo ra sẽ di chuyển từ bình phản ứng này sang bình phản ứng kế tiếp với bước tinh lọc diễn ra tại chỗ (in situ)), một cách tiếp cận hứa hẹn sẽ làm một cuộc cách mạng hóa tổng hợp trong thập kỷ tới.



Bản gốc từ http://sciblogs.co.nz/molecular-matters/2012/10/08/what-does-a-synthetic-organic-chemist-do/