Hóa học hữu cơ được xây dựng trên các nguyên lý quen thuộc về cách nguyên tử liên kết, cách liên kết hóa học hình thành và cấu trúc phân tử được tạo ra. Trong thời gian dài, những quy tắc này được xem như ranh giới cố định về những cấu trúc có thể tồn tại. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Đại học California, Los Angeles (UCLA) cho thấy một số giới hạn đó linh hoạt hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.

Thách thức quy tắc hơn 100 năm tuổi

Năm 2024, nhóm do nhà hóa học Neil Garg dẫn đầu đã bác bỏ quy tắc Bredt – nguyên lý tồn tại hơn một thế kỷ, cho rằng không thể có liên kết đôi carbon–carbon tại vị trí “bridgehead” (điểm nối vòng trong phân tử hai vòng cầu). Tiếp nối thành tựu này, phòng thí nghiệm của Garg tiếp tục tiến xa hơn khi tạo ra các phân tử dạng “lồng” có chứa liên kết đôi mang tên cubene và quadricyclene.

Liên kết đôi phá vỡ khuôn mẫu

Trong hầu hết phân tử hữu cơ, các nguyên tử nối với nhau bằng liên kết đôi sẽ sắp xếp trên cùng một mặt phẳng. Tuy nhiên, nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Chemistry cho thấy quy luật này không còn đúng với cubene và quadricyclene. Những phân tử này có cấu trúc ba chiều đặc biệt, mở rộng phạm vi hình dạng mà các nhà hóa học có thể tạo ra và gợi mở tiềm năng mới trong phát triển thuốc.

Theo Garg, nhiều thập kỷ trước, giới khoa học đã có cơ sở lý thuyết cho thấy có thể tổng hợp các phân tử alkene kiểu này. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của các quy tắc “kinh điển” về cấu trúc và liên kết, những phân tử như cubene và quadricyclene thường bị né tránh. Ông cho rằng phần lớn các quy tắc trong hóa học nên được xem như “hướng dẫn” thay vì giới hạn tuyệt đối.

Sắp xếp liên kết khác thường

Trong hóa học hữu cơ, phân tử thường có ba loại liên kết: đơn, đôi và ba. Liên kết đôi carbon (alkene) thường có bậc liên kết bằng 2 và cấu trúc phẳng. Tuy nhiên, với cubene và quadricyclene, do kiến trúc không gian ba chiều đặc biệt, bậc liên kết thực tế chỉ xấp xỉ 1,5 – khác biệt so với quan niệm truyền thống.

Hình minh họa: scitechdaily.com

Các nhà nghiên cứu cho biết những phân tử này có cấu trúc “siêu chóp hóa” (hyperpyramidalized), tức là các nguyên tử carbon không phẳng mà bị bẻ cong mạnh. Dù cực kỳ kém bền và chưa thể tách riêng để quan sát trực tiếp, bằng chứng thực nghiệm và mô phỏng máy tính cho thấy chúng tồn tại trong thời gian rất ngắn trong quá trình phản ứng.

Ý nghĩa đối với thiết kế thuốc

Khám phá này xuất hiện trong bối cảnh giới khoa học ngày càng chú trọng thiết kế các phân tử có cấu trúc ba chiều phức tạp cho ứng dụng y học. Nhiều loại thuốc hiện đại đòi hỏi khung phân tử cứng và không gian 3D chính xác để tương tác hiệu quả với mục tiêu sinh học.

Nhóm nghiên cứu tin rằng việc mở rộng “thư viện” phân tử với các cấu trúc bất thường như cubene và quadricyclene có thể hỗ trợ phát triển thế hệ thuốc mới.

Theo Garg, việc đặt câu hỏi và thử thách các quy tắc nền tảng là điều cần thiết để khoa học tiến bộ. Nếu không vượt qua giới hạn của kiến thức và trí tưởng tượng, con người khó có thể tạo ra những phát minh mới phục vụ xã hội.

(https://scitechdaily.com/)