Găng tay trái không thể đeo vừa tay phải. Hai bàn tay có hình dạng và kích thước giống hệt nhau, trông như ảnh phản chiếu của nhau trong gương, nhưng dù xoay hay lật thế nào cũng không thể chồng khít hoàn toàn. Điều đáng ngạc nhiên là trong thế giới phân tử không thể nhìn thấy bằng mắt thường cũng tồn tại những cặp sinh đôi là ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khít như vậy. Khái niệm chỉ tính chất này chính là “tính đối quang (Chirality)”.
Nói một cách đơn giản, tính đối quang là “tính chất khiến một vật thể hay phân tử không thể chồng khít lên ảnh gương của chính nó”. Tên gọi này bắt nguồn từ kheir, từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “bàn tay”, và nhà vật lý người Anh, Huân tước Kelvin, là người đầu tiên sử dụng nó như một thuật ngữ khoa học. Dù có cùng loại nguyên tử và cùng thứ tự liên kết, nếu cách sắp xếp trong không gian bị đảo ngược như ảnh trong gương, hai phân tử vẫn có thể biểu hiện như những chất khác nhau.
Tài liệu này trình bày một cách dễ hiểu từ định nghĩa cơ bản về tính đối quang đến nguyên lý phân biệt các phân tử ảnh gương, những khác biệt về mùi và trong các hiện tượng sống, cùng lý do tính đối quang có vai trò quan trọng trong phát triển dược phẩm.
Tính đối quang: sự khác biệt do các phân tử ảnh gương tạo ra
Tính đối quang là gì?
Trường hợp phổ biến nhất khiến một phân tử có tính đối quang là khi một nguyên tử carbon liên kết với bốn nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau. Carbon như vậy được gọi là tâm đối quang hoặc carbon bất đối xứng. Khi cả bốn nhánh đều khác nhau, ảnh gương của cách sắp xếp đó sẽ là một phân tử khác không thể chồng khít lên phân tử ban đầu. Chẳng hạn, axit lactic tích tụ trong cơ khi vận động có carbon ở giữa liên kết với bốn nhóm khác nhau là hydro, nhóm hydroxyl, nhóm methyl và nhóm carboxyl, nên tồn tại thành cặp ảnh gương.
Một cặp phân tử là ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khít như vậy được gọi là các đồng phân đối quang. Những thuật ngữ thường dùng trong hóa học gồm có:
- Đồng phân đối quang (Enantiomer): Một cặp phân tử là ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khít.
- Tâm đối quang (Chiral Center): Nguyên tử liên kết với bốn nhóm nguyên tử khác nhau, tạo nên tính đối quang.
- Hỗn hợp racemic (Racemic Mixture): Hỗn hợp gồm hai đồng phân đối quang được trộn theo tỷ lệ 1 trên 1.
- Không đối quang (Achiral): Phân tử có thể chồng khít lên ảnh gương của chính nó, như nước hoặc carbon dioxide.
Cách phân biệt các phân tử ảnh gương
Các đồng phân đối quang có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khối lượng riêng và độ tan trong nước giống nhau. Vì thế, rất khó phân biệt chúng bằng các thí nghiệm thông thường. Sự khác biệt chỉ bộc lộ khi đối tượng tương tác với chúng cũng có tính định hướng.
(1) Khả năng làm quay ánh sáng phân cực
Khi cho ánh sáng phân cực, tức ánh sáng chỉ dao động theo một phương, đi qua dung dịch đồng phân đối quang, một dạng làm mặt phẳng phân cực quay sang phải, còn dạng kia làm nó quay sang trái với cùng một góc. Hiện tượng này được gọi là hoạt tính quang học; trong hỗn hợp racemic chứa hai phân tử với lượng bằng nhau, các tác dụng triệt tiêu lẫn nhau nên không làm quay ánh sáng phân cực.
(2) Thí nghiệm dùng nhíp của Pasteur
Năm 1848, khi quan sát tinh thể muối của axit tartaric dưới kính hiển vi, nhà hóa học người Pháp Louis Pasteur phát hiện có hai loại tinh thể là ảnh gương của nhau trộn lẫn trong đó. Ông dùng nhíp chọn và tách từng tinh thể, rồi xác nhận rằng dung dịch của mỗi loại làm ánh sáng phân cực quay theo những chiều ngược nhau. Đây là bằng chứng đầu tiên cho thấy bản thân phân tử có sự phân biệt trái và phải.
(3) Đặt tên bằng R và S
Ngày nay, các nhà hóa học xếp thứ tự ưu tiên cho những nhóm nguyên tử gắn với tâm đối quang, rồi ký hiệu R nếu cách sắp xếp theo chiều kim đồng hồ và S nếu ngược chiều kim đồng hồ. Với những phân tử đã được nghiên cứu từ lâu như axit amin và đường, cách ký hiệu cũ bằng L và D cũng được sử dụng song song.
Tính đối quang trong mùi hương và sự sống
Bản thân cơ thể chúng ta được cấu tạo từ những phân tử có tính đối quang, vì thế cơ thể tiếp nhận các đồng phân đối quang theo những cách khác nhau.
(1) Cùng một phân tử, khác mùi hương
Với phân tử carvone, một đồng phân đối quang có mùi bạc hà lục, còn đồng phân kia có mùi hạt caraway. Thành phần nguyên tử hoàn toàn giống nhau, nhưng thụ thể khứu giác trong mũi phù hợp với một dạng hình học hơn, giống như găng tay vừa với bàn tay, nên chúng ta cảm nhận thành những mùi khác nhau.
(2) Sự sống chỉ chọn một phía
Các axit amin cấu tạo nên protein của sinh vật trên Trái Đất gần như đều thuộc dạng L, còn đường tạo nên khung của DNA và RNA thuộc dạng D. Vì sao ngay từ đầu sự sống lại chỉ sử dụng một phía vẫn là một bí ẩn khoa học chưa được giải đáp hoàn toàn.
Phát triển dược phẩm và tính đối quang
Thuốc phát huy tác dụng bằng cách gắn khớp với enzyme hoặc thụ thể trong cơ thể, nên tính đối quang ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và độ an toàn của thuốc. Trường hợp cho thấy điều này một cách đau lòng nhất là thuốc an thần thalidomide được bán vào cuối thập niên 1950. Thuốc được dùng để giảm ốm nghén ở phụ nữ mang thai, nhưng sau đó hơn 1 vạn trẻ em trên toàn thế giới đã chào đời với dị tật tay chân. Người ta thường giải thích rằng một đồng phân đối quang có tác dụng an thần, còn đồng phân kia gây dị tật, nhưng trên thực tế hai dạng chuyển đổi qua lại trong cơ thể, nên ngay cả khi chỉ dùng một dạng cũng không thể tránh được nguy cơ.
Sau sự kiện này, việc thử nghiệm riêng từng đồng phân đối quang trong quá trình phát triển dược phẩm trở nên quan trọng, và Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ đã ban hành hướng dẫn liên quan vào năm 1992. Công nghệ chỉ tạo ra dạng mong muốn cũng có những bước tiến lớn.
- Tổng hợp bất đối xứng (Asymmetric Synthesis): Phương pháp tạo ra ưu thế một dạng đồng phân đối quang ngay từ đầu, là chủ đề của giải Nobel Hóa học năm 2001 (Knowles, Noyori, Sharpless).
- Xúc tác hữu cơ (Organocatalysis): Phương pháp dùng các phân tử hữu cơ nhỏ thay cho kim loại để tạo ra một dạng đồng phân đối quang, được trao giải Nobel Hóa học năm 2021 (List, MacMillan).
- Chuyển đổi đối quang (Chiral Switch): Chiến lược đưa một loại thuốc vốn được bán dưới dạng hỗn hợp racemic trở lại thị trường với thành phần chỉ chứa đồng phân có hiệu quả.
Tuy nhiên, không phải mọi loại thuốc đều cần được sản xuất chỉ với một dạng đồng phân. Thuốc giảm đau ibuprofen chủ yếu phát huy tác dụng ở dạng S, nhưng do một phần đáng kể dạng R chuyển thành dạng S trong cơ thể, thuốc vẫn được sử dụng rộng rãi dưới dạng hỗn hợp racemic. Vì vậy, điều quan trọng là phải kiểm tra riêng cách hai đồng phân đối quang hoạt động trong cơ thể đối với từng loại thuốc.
Tính đối quang cho thấy ngay cả khi được tạo nên từ cùng những thành phần, sự khác biệt về hướng sắp xếp vẫn có thể dẫn đến những kết quả hoàn toàn khác nhau. Xem xét không chỉ thành phần của phân tử mà cả hình dạng và cách nó được sắp đặt trong không gian chính là bước đầu tiên để hiểu sâu về tính chất của vật chất.
