Carbene là một trong những thành phần dễ thích nghi nhất trong hóa học hữu cơ, nhưng cũng có thể nóng lên rất nguy hiểm. Do tính dễ bùng nổ trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học thường tránh sử dụng những phân tử nhạy cảm này.

Carbene là chất trung gian hóa học linh hoạt, dễ thích nghi nhất trong hóa học hữu cơ vì các trung tâm carbon hóa trị hai có hoạt tính cao. Nhưng các tiền chất carbene điển hình như các hợp chất diazo thường nhạy cảm và phân hủy bằng cách phát  nổ.

Trong một nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Science, các nhà khoa học từ Đại học Bang Ohio đã giới thiệu một phương pháp mới an toàn, biến những phân tử năng lượng cao, tồn tại trong thời gian ngắn này thành những phân tử ổn định hơn.

David Nagib, đồng tác giả của nghiên cứu và là GS hóa học và sinh hóa tại bang Ohio cho biết: “Carbenes có một lượng năng lượng đáng kinh ngạc trong phân tử. Giá trị của Carbenes là nguồn năng lượng có thể tạo ra các chất hóa học mà không thể làm theo bất kỳ cách nào khác."

Thực tế, các thành viên của Phòng thí nghiệm Nagib chuyên khai thác những thuốc thử có năng lượng hóa học lớn như vậy và đã góp phần phát triển rất nhiều chất và quy trình mới mà nếu làm khác đi không thể đạt được trên phương diện hóa học.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã tạo ra chất xúc tác từ những kim loại rẻ tiền, có nhiều trên Trái đất như sắt, đồng và coban, kết hợp lại để tạo điều kiện thuận lợi cho phương pháp khai thác carbene mới.

Nhóm nhà hóa học đã phát triển một quy trình tương đối an toàn để tạo ra carbenes từ aldehyde, một lớp cơ chất phong phú và dễ dàng đa dạng hóa. Trình tự bao gồm các phản ứng liên tiếp của aldehyde với pivaloyl clorua và kẽm, sau đó là hoạt hóa bằng xúc tác, sử dụng sắt, coban hoặc đồng.

Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc chuyển đổi sức mạnh phản ứng hóa học của cacbene để tạo ra những phân tử có giá trị trên quy mô lớn hơn và nhanh hơn nhiều so với những phương pháp tiếp cận tiêu chuẩn. Nagib ví sự phát triển này giống như thời điểm các kỹ sư phát hiện ra phương pháp sử dụng thép thay cho gạch và vữa để xây dựng những tòa nhà chọc trời.

Ví dụ, một đặc điểm phân tử mà các nhà hóa học rất khó tạo ra là cyclopropane, một vòng nhỏ, căng của những liên kết hóa học xoắn trong một số loại thuốc. Gần đây hơn, cyclopropane được sử dụng như một thành phần chính trong viên thuốc uống kháng virus Paxlovid. Được sử dụng để điều trị Covid-19 , viên uống làm giảm mức độ nghiêm trọng của bệnh bằng cách ngăn virus nhân lên chứ không tiêu diệt hoàn toàn.

Mặc dù chưa tạo ra cyclopropane với số lượng lớn, GS Nagib cho biết ông tin rằng phương pháp mới trong phòng thí nghiệm có thể được áp dụng để sản xuất loại thuốc này nhanh hơn và ở quy mô lớn hơn. Ông nói: “Phương pháp mới của chúng tôi cho phép tiếp cận hiệu quả hơn với hàng chục loại cyclopropan để đưa vào tất cả những loại thuốc điều trị bệnh.

Mặc dù nghiên cứu của nhóm có những ứng dụng tiềm năng bên ngoài lĩnh vực dược phẩm như hóa chất nông nghiệp, Nagib cho biết ông đam mê nhất là công cụ của nhóm nghiên cứu có thể tăng tốc độ khám phá các loại thuốc mới cần thiết. “Về kỹ thuật, có thể áp dụng các phương pháp của chúng tôi cho bất cứ loại phân tử nào.“Nhưng trong phòng thí nghiệm này, chúng tôi quan tâm nhiều hơn đến khả năng phát triển các loại thuốc mới mạnh hơn.”

Nagib dự đoán, sử dụng quy trình mà nhóm nghiên cứu của ông đã phát triển, một loại thuốc thử hóa học hiện cần 10 hoặc 12 bước để tạo ra, (bằng chất trung gian nổ) có thể được thực hiện trong 4 hoặc 5 bước, giảm gần 75% thời gian chế tạo.

GS Nagib tin tưởng rằng, nghiên cứu này sẽ giúp các nhà hóa học khác thực hiện công việc nhanh và hiệu quả hơn, tạo nên những phần tử quan trọng tốt hơn.