1. Lý do chọn đề tài
Tương tác không cộng hóa trị (non-covalent interaction) là một loại tương tác đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống. Chúng quyết định cấu trúc của chất lỏng, cấu trúc của các đại phân tử sinh học như ADN/ARN, protein, gây ra hiện tượng solvate hóa, sự hấp phụ vật lý trên các bề mặt, tham gia vào các quá trình sinh hóa của cơ thể sống. Trong số các tương tác không cộng hóa trị, liên kết hydro X-H..Y là tương tác tiêu biểu nhất bởi vai trò thiết yếu của chúng đối với các quá trình trong dung dịch, sự sắp xếp các phân tử trong tinh thể và tổng hợp siêu phân tử. Đặc biệt, sự tồn tại hàng trăm ngàn liên kết hydro kiểu C-H…O/N và N/O-HO/N được phát hiện trong các đại phân tử sinh học cho thấy tầm quan trọng to lớn của loại liên kết này.
Cho đến nay, liên kết hydro gồm hai loại cơ bản: liên kết hydro cổ điển hay liên kết hydro chuyển dời đỏ (Red-shifting Hydrogen Bond, RSHB) và liên kết hydro chuyển dời xanh (Blue-shifting Hydrogen Bond, BSHB). Khái niệm liên kết hydro chuyển dời đỏ được Pauling đưa ra đầu tiên và sau đó được nghiên cứu rộng rãi cả về lý thuyết và thực nghiệm. Nhìn chung, bản chất liên kết hydro chuyển dời đỏ do tương tác tĩnh điện quyết định với thuộc tính tiêu biểu là: độ dài liên kết X-H tăng và tần số dao động hóa trị tương ứng giảm khi phức hình thành. Trong khi đó, liên kết hydro chuyển dời xanh có những thuộc tính gần như trái ngược hoàn toàn với liên kết hydro chuyển dời đỏ, đó là khi liên kết hydro hình thành có sự rút ngắn độ dài liên kết X-H và tăng tần số dao động hóa trị. Loại liên kết mới này được phát hiện đầu tiên bởi Sandorfy và cộng sự vào năm 1980, khi nghiên cứu phổ hồng ngoại các tương tác trong dung dịch. Năm 1997, Boldeskul đã thông báo kết quả thực nghiệm về sự chuyển dời xanh của liên kết C-H/D trong phân tử haloform khi hình thành phức với các phần tử nhận proton khác nhau trong dung dịch. Những phát hiện này đòi hỏi các nhà khoa học phải đặt lại câu hỏi về vấn đề bản chất của liên kết hydro. Năm 1998, Hobza là người đặt nền móng nghiên cứu lý thuyết đầu tiên về loại liên kết hydro mới này. Loại liên kết hydro này về sau được công nhận với tên gọi là liên kết hydro chuyển dời xanh. Bằng chứng thực nghiệm đầu tiên trong pha khí về loại liên kết này được phát hiện vào năm 1999 khi nghiên cứu các phức giữa CHF3, CHC13 và C6H5F bằng cách đo phổ hồng ngoại. Kết quả thực nghiệm này phù hợp rất tốt với tính toán lý thuyết. Từ đây, nhiều nghiên cứu lý thuyết về liên kết hydro chuyển dời xanh bằng phương pháp hóa học lượng tử đã được thực hiện và rất nhiều công trình khoa học liên quan đã được công bố. Mặc dù những đặc trưng của liên kết hydro chuyển dời xanh rất rõ ràng, nhưng còn nhiều ý kiến tranh luận khác nhau về bản chất và liệu có sự khác nhau giữa hai loại BSHB và RSHB hay không. Nhiều giả thuyết và mô hình được đề nghị để giải thích sự khác nhau của hai loại liên kết hydro này, tuy nhiên đến nay chưa có cách giải thích nào phù hợp cho tất cả các phức sở hữu BSHB được biết. Nhìn chung, mỗi mô hình đều có ưu và nhược điểm, điểm chung giữa chúng là việc giải thích bản chất BSHB dựa trên tính
chất của phức đã được hình thành. Năm 2011, Roman Szostak khi nghiên cứu sự thay đổi tần số của nhóm X-H (V(XH)) trong phức của hơn 100 phần tử nhận proton (X = O, N, C, S, Se, P, Si, B, F, CI, Br) với CO2 đã chỉ ra rằng điện tích trên nguyên tử H của phần tử cho proton ban đầu có thể được áp dụng để dự đoán sự chuyển dời xanh, đỏ của liên kết hydro. Cụ thể, sự chuyển dời xanh được quan sát thấy khi điện tích dương trên nguyên tử H nhỏ và sự chuyển dời đỏ chiếm ưu thế khi điện tích trên H lớn. Đáng chú ý, một nghiên cứu mới được công bố gần đây về bản chất liên kết hydro chuyển dời xanh bằng phương pháp trường tự hợp liên kết cộng hóa trị (Valence Bond Self-Consistent Field – VBSCF) cho thấy bản chất sự chuyển dời xanh hay đỏ của liên kết X-H trong liên kết hydro là sự cạnh tranh giữa thuộc tính cộng hoá trị và thuộc tính ion của liên kết X-H trong phần tử cho proton. Các kết quả này cho thấy sự chuyển dời xanh hay đỏ của liên kết hydro phụ thuộc vào phần tử cho proton ban đầu.
Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu về liên kết hydro chuyển dời xanh đã bắt đầu từ năm 2002 và đang tiếp tục được triển khai. Hai nhóm nghiên cứu chính về vấn đề này ở Việt Nam gồm nhóm của PGS.TS. Nguyễn Thị Minh Huệ, trường Đại học Sư phạm Hà Nội và nhóm của PGS.TS. Nguyễn Tiến Trung – Trường Đại học Quy Nhơn. Các nghiên cứu trước đây của nhóm PGS. Nguyễn Tiến Trung đã chỉ ra sự chuyển dời xanh, đỏ của liên kết hydro phụ thuộc vào độ phân cực của liên kết X-H trong phần tửcho proton và độ bazơ pha khí của phần tử nhận proton Y. Tuy đã thu được một số kết quả bước đầu về mối liên hệ giữa độ phân cực liên kết X-H, độ bazơ của Y đến mức độ chuyển dời xanh của liên kết X-H khi phức hình thành, nhưng vấn đề về bản chất liên kết hydro chuyển dời xanh và phân loại liên kết hydro vẫn còn là câu hỏi và cần tiếp tục được nghiên cứu. Hay nói cách khác, cần có nhiều nghiên cứu hơn và hệ thống hơn để có thể đưa ra được mô hình tổng quát về việc giải thích bản chất liên kết hydro.
Như đã được đề cập ở trên, liên kết hydro X-H…O/N (X = C, N) gần đây đã được phát hiện trong các cấu trúc của sự sống, do đó việc hiểu bản chất của các liên kết hydro này có vai trò rất quan trọng. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết đã chỉ ra sự chuyển dời xanh của liên kết C-HO. Liên kết hydro N-HO chuyển dời xanh gần đây cũng được phát hiện trong các hệ phức với phần tử cho proton là HNO và HNS. Những nghiên cứu về loại liên kết hydro này hướng vào các phân tửgần với cấu trúc của protein, ADN, ARN là một hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm gần đây. Tuy vậy, bản chất chuyển dời xanh của cả liên kết hydro C-H…O và N-HO vẫn chưa rõ ràng. Vì vậy, việc tiếp tục nghiên cứu có hệ thống dựa vào các thuộc tính của monome ban đầu, tìm kiếm những hệ chất có mặt của hai kiểu liên kết hydro này để từ đó hiểu bản chất của chúng là cần thiết. Hơn nữa, cần nghiên cứu so sánh mức độ chuyển dời xanh của C-H và N-H khi phức hình thành, và độ bền của chúng trong các liên kết hydro (X-H…O/N (X = C, N)) với hy vọng từ đó sẽ giúp hiểu bản chất liên kết hydro chuyển dời xanh và phân loại liên kết hydro; hiểu các tương tác yếu khác trong ADN, ARN, protein và góp phần định hướng tổng hợp các loại thuốc phục vụ cho sự sống, sức khỏe con người.
