Đồng phân quang học khác gì so với các dạng đồng phân lập thể khác?

Đồng phân quang học là các phân tử có khả năng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực phẳng do sở hữu tính bất đối xứng. Trong khi các đồng phân hình học (cis-trans) hoặc đồng phân lập thể không đối quang có tính chất vật lý khác nhau, các đối phân quang học có toàn bộ tính chất vật lý vô hướng giống hệt nhau và chỉ khác nhau ở hướng quay cực ánh sáng và cách tương tác với môi trường bất đối xứng.

Tại sao hỗn hợp racemic không có hoạt tính quay cực?

Hỗn hợp racemic chứa hai đối phân đối quang với tỷ lệ số mol tương đương 1:1. Do mỗi đối phân làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực cùng một góc nhưng theo hai hướng ngược chiều nhau, tác dụng quay cực của hai dạng phân tử tự triệt tiêu lẫn nhau hoàn toàn, khiến dung dịch không thể hiện hoạt tính quay cực đo được.

Vì sao ngành dược phẩm bắt buộc phải kiểm soát chặt chẽ đồng phân quang học của thuốc?

Các thụ thể sinh học, enzyme và protein trong cơ thể người đều có cấu trúc bất đối xứng ba chiều nên tương tác chọn lọc với từng đối phân. Một đối phân có thể mang lại hiệu quả điều trị mong muốn (eutomer), trong khi đối phân kia có thể hoàn toàn bất hoạt hoặc gây độc tính nghiêm trọng (distomer), như trường hợp thảm họa thalidomide gây dị tật thai nhi.

Đồng phân quang học (optical isomer) là gì?

Đồng phân quang học (optical isomer) là các đồng phân lập thể có cùng công thức phân tử và cấu tạo liên kết nhưng khác nhau về khả năng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực phẳng khi ánh sáng truyền qua dung dịch hoặc môi trường chứa chúng. Dạng đồng phân quang học phổ biến nhất là các đối phân, tức là những cặp phân tử có cấu trúc không gian là ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khít lên nhau. Theo khuyến nghị của Liên minh Quốc tế về Hóa học Thuần túy và Ứng dụng (IUPAC), đồng phân quang học được xem là thuật ngữ lịch sử, và hóa học lập thể hiện đại ưu tiên sử dụng danh pháp chính xác là đối phân (enantiomer) hoặc đồng phân không đối quang (diastereomer). Bài viết này trình bày bản chất vật lý của hoạt tính quang học, điều kiện cấu trúc bất đối xứng, hệ thống danh pháp chuẩn hóa, ý nghĩa quyết định trong công nghệ dược phẩm và các phương pháp tổng hợp chọn lọc đối phân.

Bản chất vật lý và cơ chế hoạt tính quang học

Ánh sáng tự nhiên là bức xạ điện từ có vector điện trường dao động theo mọi phương vuông góc với phương truyền sóng. Khi ánh sáng tự nhiên đi qua một lăng kính phân cực nicol hoặc bộ lọc phân cực đặc thù, chỉ những dao động điện trường nằm trong một mặt phẳng duy nhất được truyền qua, tạo thành chùm ánh sáng phân cực phẳng. Một chất được gọi là có hoạt tính quang học (optical activity) nếu nó có khả năng làm quay mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực phẳng này đi một góc xác định khi chùm tia đi qua mẫu chất.

Tùy thuộc vào chiều quay của mặt phẳng phân cực khi người quan sát nhìn ngược chiều tia sáng, các chất quang hoạt được phân thành hai dạng:

Dạng quay phải (dextrorotatory): Làm quay mặt phẳng phân cực theo chiều kim đồng hồ, theo quy ước được ký hiệu bằng dấu cộng (+) hoặc tiền tố d-.
Dạng quay trái (levorotatory): Làm quay mặt phẳng phân cực ngược chiều kim đồng hồ, theo quy ước được ký hiệu bằng dấu trừ (-) hoặc tiền tố l-.

Để so sánh khả năng quay cực giữa các chất khác nhau độc lập với nồng độ và kích thước cuvet đo, Jean-Baptiste Biot đã thiết lập đại lượng góc quay cực riêng, được định nghĩa bởi biểu thức toán học:

[\alpha]_\lambda^T = \frac{\alpha}{l \cdot c}

Trong phương trình trên, đại lượng $[\alpha]_\lambda^T$ là góc quay cực riêng đo tại nhiệt độ $T$ với bước sóng ánh sáng $\lambda$ (thường sử dụng vạch D của đèn natri), $\alpha$ là góc quay cực đo được trên máy phân cực kế, $l$ là chiều dài của ống đo mẫu chất lỏng tính bằng decimet (dm), và $c$ biểu thị nồng độ khối lượng của chất tan trong dung môi tính bằng gam trên mililit (g/mL). Hai đối phân của cùng một hợp chất luôn làm quay mặt phẳng phân cực những góc có độ lớn tuyệt đối bằng nhau nhưng mang dấu đối lập nhau khi đo trong cùng điều kiện nhiệt độ, dung môi và bước sóng.

Điều kiện cấu trúc: Tính bất đối xứng phân tử

Cơ sở vi mô của hoạt tính quang học là tính bất đối xứng phân tử (chirality). Một phân tử được xem là có tính bất đối xứng nếu nó không thể chồng khít hoàn toàn lên ảnh gương của chính nó qua bất kỳ phép tịnh tiến hoặc phép quay không gian nào. Thuộc tính này tương tự như mối quan hệ giữa bàn tay trái và bàn tay phải của con người.

Điều kiện cấu trúc phổ biến nhất dẫn đến tính bất đối xứng trong hóa học hữu cơ là sự hiện diện của ít nhất một nguyên tử carbon bất đối xứng (carbon chiral / stereocenter). Đây là nguyên tử carbon lai hóa sp3 liên kết đồng thời với bốn nguyên tử hoặc bốn nhóm nguyên tử hoàn toàn khác biệt nhau về mặt hóa học. Khi đó, sự sắp xếp không gian của bốn nhóm thế xung quanh nguyên tử carbon tứ diện tạo ra hai cách bố trí cấu hình không thể hoán đổi cho nhau trừ khi bẻ gãy các liên kết hóa học.

Về mặt hình học đối xứng phân tử, một hợp chất sở hữu hoạt tính quang học khi và chỉ khi phân tử của nó không chứa bất kỳ trục quay - phản chiếu $S_n$ nào (yếu tố đối xứng loại hai). Các trường hợp của trục quay - phản chiếu bao gồm:

Mặt phẳng đối xứng ( $\sigma = S_1$ ): Một mặt phẳng tưởng tượng chia phân tử thành hai nửa là ảnh gương phản chiếu của nhau.
Tâm đối xứng ( $i = S_2$ ): Một điểm tưởng tượng trong phân tử mà từ bất kỳ nguyên tử nào, khi kẻ đoạn thẳng qua điểm đó một khoảng bằng nhau về phía đối diện đều gặp một nguyên tử đồng nhất.
Trục quay - phản chiếu bậc cao ( $S_n$ với n chẵn): Phép quay một góc quanh trục kết hợp với phép phản xạ qua mặt phẳng vuông góc với trục đó; sự hiện diện của trục này khiến phân tử trùng khít với ảnh gương dù không có mặt phẳng hay tâm đối xứng.

Năm 1996 Liên minh Quốc tế về Hóa học Thuần túy và Ứng dụng (IUPAC) đã công bố bản khuyến nghị chính thức về thuật ngữ hóa học lập thể do Moss làm đại diện biên soạn, chuẩn hóa định nghĩa về các dạng đồng phân lập thể. Theo Khuyến nghị IUPAC năm 1996, đối phân (enantiomers) được định nghĩa chuẩn xác là cặp thực thể phân tử là ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khít lên nhau. Ngược lại, những đồng phân lập thể không phải là ảnh gương của nhau được gọi là đồng phân không đối quang (diastereomers). Các diastereomer có tính chất vật lý và hóa học hoàn toàn khác nhau (điểm nóng chảy, độ tan, phổ nhiễu xạ), trong khi các enantiomer có toàn bộ tính chất vật lý vô hướng giống hệt nhau và chỉ khác nhau ở hướng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực và cách tương tác với các môi trường bất đối xứng.

Quy tắc gọi tên và hệ danh pháp

Để mô tả chính xác cấu trúc không gian và tính chất quang học của các đồng phân, hóa học hiện đại sử dụng ba hệ thống danh pháp bổ trợ lẫn nhau:

Thứ nhất là danh pháp thực nghiệm (+)/(-). Danh pháp này chỉ thuần túy phản ánh chiều quay đo được trên máy phân cực kế trong phòng thí nghiệm. Ký hiệu này không cho biết cấu trúc không gian tuyệt đối của phân tử vì một phân tử có cấu hình không gian xác định có thể quay phải trong dung môi này nhưng lại quay trái trong dung môi khác hoặc khi thay đổi nhiệt độ.

Thứ hai là danh pháp cấu hình tương đối D/L theo Emil Fischer. Hệ thống này so sánh cấu hình của phân tử với chất chuẩn glyceraldehyde, được sử dụng phổ biến trong hóa học sinh học để định danh các loại đường đơn và amino acid tự nhiên. Tuy nhiên, ký hiệu D/L không đồng nhất với chiều quay cực (+)/(-).

Thứ ba là danh pháp cấu hình tuyệt đối R/S theo quy tắc Cahn - Ingold - Prelog (CIP). Đây là hệ danh pháp khách quan và chuẩn mực nhất được IUPAC công nhận để mô tả cấu trúc không gian ba chiều của từng tâm bất đối xứng:

Xác định độ ưu tiên của bốn nhóm thế: Sắp xếp độ ưu tiên của các nhóm thế liên kết trực tiếp với tâm carbon bất đối theo số hiệu nguyên tử giảm dần. Nhóm có số hiệu nguyên tử lớn nhất nhận độ ưu tiên cao nhất, nhóm có số hiệu nhỏ nhất nhận độ ưu tiên thấp nhất.
Quan sát phân tử từ hướng đối diện nhóm ưu tiên thấp nhất: Định vị góc nhìn sao cho nhóm thế có độ ưu tiên thấp nhất nằm ở phía sau xa người quan sát.
Xác định chiều quay của ba nhóm thế còn lại: Theo dõi đường đi từ nhóm có độ ưu tiên cao nhất qua nhóm thứ hai đến nhóm thứ ba. Nếu chiều đi cùng chiều kim đồng hồ, tâm bất đối mang cấu hình R (rectus). Nếu chiều đi ngược chiều kim đồng hồ, tâm bất đối mang cấu hình S (sinister).

Khi hai đối phân đối quang tồn tại cùng nhau với tỷ lệ số mol tương đương trong một dung dịch, hỗn hợp đó được gọi là hỗn hợp racemic (racemate). Do góc quay cực của mỗi đối phân bằng nhau về độ lớn nhưng ngược chiều, góc quay cực của từng phân tử triệt tiêu lẫn nhau hoàn toàn, khiến hỗn hợp racemic không thể hiện hoạt tính quang học đo được.

Ý nghĩa sinh học và ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm

Trong môi trường hóa học đối xứng thông thường, hai đối phân enantiomer có độ bền nhiệt động học, khả năng phản ứng và các tính chất hóa học giống hệt nhau. Tuy nhiên, khi đi vào cơ thể sống, hai đối phân thể hiện hành vi sinh học hoàn toàn khác biệt. Phần lớn các thụ thể tế bào, enzyme, kênh ion và cấu trúc DNA trong cơ thể sinh vật đều được cấu tạo từ các đơn phân bất đối xứng (ngoại trừ glycine, các amino acid cấu tạo nên protein đều thuộc dạng đồng phân cấu hình L). Do đó, vị trí gắn kết của cơ chất trên protein hoạt động như một ổ khóa bất đối xứng ba chiều, chỉ tương thích hình học với một đối phân xác định theo mô hình tương tác ba điểm của Easson và Stedman.

Năm 2011 Brooks và cộng sự đã công bố tổng quan chuyên sâu trên tạp chí Current Topics in Medicinal Chemistry khẳng định vai trò quyết định của tính bất đối xứng phân tử trong thiết kế và phát triển thuốc hiện đại. Trong dược lý học phân tử:

Eutomer: Là đối phân có ái lực cao với thụ thể đích và tạo ra hiệu quả điều trị mong muốn.
Distomer: Là đối phân có ái lực thấp với thụ thể đích, không mang lại hiệu quả trị liệu hoặc thậm chí gây ra độc tính nguy hiểm.

Một thảm kịch lịch sử nổi tiếng minh chứng cho sự khác biệt sinh học giữa các đồng phân quang học là thảm họa thalidomide. Vào giữa thế kỷ trước, thuốc thalidomide được kê đơn dưới dạng hỗn hợp racemic để điều trị chứng ốm nghén cho phụ nữ mang thai. Sau đó các nhà khoa học phát hiện rằng đối phân R mang tác dụng an thần và chống nôn mong muốn, trong khi đối phân S có hoạt tính gây quái thai (teratogen) dẫn đến dị tật bẩm sinh nghiêm trọng ở thai nhi thông qua cơ chế gắn kết với protein cereblon và làm thoái hóa protein phát triển mầm chi. Đáng chú ý là trong cơ thể người, hai đối phân này có thể chuyển hóa qua lại lẫn nhau qua hiện tượng racemate hóa in vivo.

Trong nhóm thuốc giảm đau chống viêm không steroid, ibuprofen là ví dụ tiêu biểu về sự khác biệt hoạt tính: dạng S-ibuprofen có hoạt lực ức chế enzyme cyclooxygenase mạnh hơn gấp nhiều lần so với dạng R-ibuprofen. Các cơ quan quản lý dược phẩm quốc tế đều yêu cầu thẩm định riêng biệt độc tính, dược động học và dược lực học của từng đối phân trước khi phê duyệt lưu hành một thuốc bất đối xứng mới.

Phương pháp tách chiết và tổng hợp bất đối xứng

Do tầm quan trọng sống còn của việc thu nhận các phân tử tinh khiết quang học, các nhà hóa học đã phát triển hai nhóm kỹ thuật chính để thu nhận đơn đối phân:

Thứ nhất là phương pháp phân giải hỗn hợp racemic (chiral resolution). Các kỹ thuật kinh điển bao gồm việc cho hỗn hợp racemic phản ứng với một tác nhân tinh khiết quang học để chuyển hai đối phân thành hai đồng phân không đối quang (diastereomer). Vì các diastereomer có độ tan khác biệt, chúng có thể được phân tách dễ dàng bằng phương pháp kết tinh phân đoạn, sau đó giải phóng tác nhân bất đối để thu lại từng đối phân tinh khiết. Ngoài ra, kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu năng cao sử dụng pha tĩnh bất đối xứng (chiral HPLC) cho phép tách riêng từng đối phân dựa trên sự khác biệt về năng lượng tương tác liên phân tử với chất nền của cột sắc ký.

Thứ hai là phương pháp tổng hợp bất đối xứng xúc tác (catalytic asymmetric synthesis). Thay vì tạo ra hỗn hợp racemic rồi tách lọc tốn kém, các nhà khoa học sử dụng các chất xúc tác bất đối xứng để điều khiển phản ứng hóa học chỉ tạo ra duy nhất một đối phân mong muốn. Năm 2002 Ault đã tổng kết ý nghĩa to lớn của giải Nobel Hóa học năm 2001, giải thưởng được trao cho William S. Knowles, Ryoji Noyori và K. Barry Sharpless vì những phát minh mang tính cách mạng trong lĩnh vực xúc tác hydro hóa và oxy hóa bất đối xứng. Các phức chất xúc tác chứa phối tử bất đối xứng cho phép tạo ra các hợp chất hữu cơ có độ tinh khiết quang học gần như tuyệt đối với hiệu suất cao.

Bảng dưới đây so sánh các phương pháp chủ yếu nhằm thu nhận hợp chất tinh khiết quang học:

Phương pháp thu nhận	Nguyên lý công nghệ	Ưu điểm nổi bật	Hạn chế chính
Kết tinh phân đoạn qua muối diastereomer	Chuyển enantiomer thành diastereomer bằng tác nhân bất đối rồi tách theo độ tan	Quy trình đơn giản, thiết bị phổ thông	Hiệu suất lý thuyết tối đa thấp, tốn nhiều dung môi
Sắc ký cột pha tĩnh bất đối (Chiral HPLC)	Phân tách dựa trên ái lực khác biệt với pha tĩnh chiral	Độ tinh khiết quang học rất cao, phân tích định lượng chuẩn	Chi phí cột sắc ký đắt đỏ, khó áp dụng quy mô sản xuất lớn
Phân giải bằng xúc tác sinh học (Enzyme resolution)	Sử dụng enzyme chọn lọc quang học để chuyển hóa duy nhất một đối phân	Thân thiện môi trường, tính chọn lọc cao ở điều kiện êm dịu	Phụ thuộc vào tính đặc hiệu hẹp của từng loại enzyme
Tổng hợp bất đối xứng xúc tác hóa học	Sử dụng phức chất kim loại bất đối để điều khiển phản ứng lập thể	Tạo trực tiếp đối phân mong muốn, hiệu suất nguyên tử cao	Yêu cầu tổng hợp phối tử phức tạp, kiểm soát phản ứng khắt khe

Ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu và kiểm soát đồng phân quang học giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực kiểm nghiệm và sản xuất dược phẩm. Quy chuẩn kiểm nghiệm thuốc theo tiêu chuẩn Dược điển yêu cầu bắt buộc phải đo góc quay cực riêng và sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như sắc ký lỏng hiệu năng cao pha tĩnh bất đối để kiểm soát độ tinh khiết quang học của nguyên liệu hóa dược và thành phẩm thuốc lưu hành trên thị trường.

Các chương trình đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về hóa học và dược học trong nước đang đẩy mạnh các hướng nghiên cứu về tổng hợp hữu cơ bất đối xứng, chiết xuất các hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học cao từ nguồn dược liệu phong phú, và phát triển các quy trình chuyển giao công nghệ sản xuất hoạt chất tinh khiết quang học phục vụ ngành công nghiệp hóa dược nội địa.