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百頒給破解學謎詳解學家自發(fā)這兩為何位科年化諾獎手性如何官方同題化學產(chǎn)生今年

發(fā)布時間：2026-10-23 12:45:55 來源：kiss電子煙購買 6677599 作者：知識

　　澎湃新聞記者 秦盛

　　10月7日，破解瑞典皇家科學院宣布，同手將2026年諾貝爾化學獎授予法國南巴黎大學的性何詳解亨利·卡根（Henri B。 Kagan）和日本東京理科大學的產(chǎn)生硤合憲三（Kenso Soai），以表彰他們“在不對稱有機合成中發(fā)現(xiàn)非線性效應(yīng)與自催化作用”。百年頒

　　生命中的化學化學分子給化學家出了難題。有些化學反應(yīng)會生成兩種不同的謎題分子，它們互為鏡像，官方就像人的今年左右手。設(shè)想你是諾獎一名按客戶要求配製鑰匙的鎖匠。問題在於，為何每次製作鑰匙時，兩位你總會得到兩種互為鏡像的科學版本，但其中隻有一種能夠打開鎖。破解如果客戶嚐試用另一種鑰匙開鎖，同手甚至可能損壞鎖。不幸的是，這兩種鑰匙很難區(qū)分，因此客戶拿到的總是兩種鑰匙的混合。

　　化學家開發(fā)新藥時，也麵臨類似的挑戰(zhàn)。許多藥物分子存在兩種互為鏡像、卻無法完全重合的形式：一種具有治療作用，另一種則可能產(chǎn)生不必要、有時甚至有害的副作用。這背後的原因，與生命最基本的化學特征有關(guān)：生命具有化學家所說的“同手性”（homochiral），這個詞源自希臘語中的“相同”和“手”。構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸幾乎全部采用同一種手性，而糖類等其他生物分子也表現(xiàn)出明顯的手性偏好。

　　幾十年來，研究人員知道從理論上說，可以設(shè)計出隻生成其中一種鏡像分子的反應(yīng)，但如何在實踐中做到這一點，始終是個謎。當他們開展實驗，進行能夠生成兩種鏡像分子的化學反應(yīng)時，試管中得到的兩種產(chǎn)物永遠各占一半。盡管如此，化學家仍竭力隻想合成其中一種鏡像分子。因為在研發(fā)作用於生命體的分子（例如藥物）時，往往隻有其中一種鏡像構(gòu)型能夠產(chǎn)生預期藥效。

　　卡根發(fā)現(xiàn)了一種調(diào)控化學反應(yīng)的新方法，使其中一種鏡像分子的過量程度，能夠超過此前人們認為可能達到的水平。對於開發(fā)藥物、食用香料、香氛及新材料製造反應(yīng)的化學家而言，這一發(fā)現(xiàn)具有革命性意義。硤合憲三設(shè)計出了首個隻生成一種可能鏡像形式的化學反應(yīng)。除生命體自身外，此前從未有人實現(xiàn)過這一壯舉。

　　諾貝爾化學委員會主席海納·林克（Heiner Linke）表示：“同手性如何能夠自發(fā)產(chǎn)生，是一個已有百餘年曆史的化學謎題，亨利·卡根和硤合憲三為它提供了解答。他們開發(fā)的化學反應(yīng)令人驚歎。”

　　從酒石酸開始：

　　生命為何偏向一種鏡像分子？

　　2026年諾貝爾化學獎的成果，源於一條漫長的思想鏈條，而它的第一環(huán)形成於19世紀中葉。一切始於路易·巴斯德（Louis Pasteur）對一種在葡萄酒生產(chǎn)中十分重要的物質(zhì)——酒石酸（tartaric acid）的研究。

　　路易·巴斯德的同行提出，酒石酸有時可以讓偏振光向右偏轉(zhuǎn)，可有時又完全不會對偏振光產(chǎn)生任何作用，這勾起了巴斯德的好奇心。他培養(yǎng)酒石酸晶體，放到顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)晶體存在兩種互為鏡像的形態(tài)。他用鑷子把兩種晶體分離開，再分別進行溶解。把偏振光穿過兩份溶液，一份溶液使光向右偏轉(zhuǎn)，另一份使光向左偏轉(zhuǎn)；如果把兩份溶液混合在一起，偏振光就不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這一實驗讓化學家認識到，某些物質(zhì)存在兩種互為鏡像的形式。後來，這些物質(zhì)被稱為手性物質(zhì)，而互為鏡像的兩種分子則被稱為“對映體”（enantiomers）。

　　1857年，巴斯德作出了下一個重要觀察。他研究了細菌發(fā)酵酒石酸不同對映體時會發(fā)生什麼。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，細菌很容易發(fā)酵葡萄中存在的、能使偏振光向右旋轉(zhuǎn)的那種對映體，卻對它的鏡像分子毫無興趣，後者原封不動地留了下來。由此，生命的化學過程在某種意義上具有手性的觀點首次出現(xiàn)。

　　認識到生命分子隻選用兩種對映異構(gòu)體當中的一種，又引出了下一個問題：在生命誕生之初，發(fā)生了什麼，造就了生命化學的這種單手性？化學家做生成手性分子的實驗時，試管中得到的永遠是兩種對映異構(gòu)體的等量混合物。那生命體為什麼隻選用氨基酸的其中一種鏡像分子？同手性到底該如何產(chǎn)生？

　　一些化學家認為，手性化學是生命獨有的現(xiàn)象。然而，20世紀初，德國化學家威利·馬爾克瓦爾德（Willy Marckwald）首次成功實現(xiàn)了不對稱反應(yīng)。這意味著，反應(yīng)生成的一種對映體多於另一種。關(guān)鍵在於，馬爾克瓦爾德使用了一種催化劑——一種能促進化學反應(yīng)、而自身不被消耗的物質(zhì)。在這個反應(yīng)中，催化劑具有手性，因此它更有利於生成某一種鏡像形式，而不是另一種。

　　通往2026年諾貝爾化學獎的思想鏈條，其下一個重要環(huán)節(jié)形成於1953年。這一次，它來自一篇科學論文中提出的純理論推演。作者是布裏斯托大學的理論物理學家查爾斯·弗蘭克（Charles Frank）。有一位同事告訴他，化學家至今仍然搞不懂生命不對稱性的起源；這位同事認為，如果能針對該問題給出數(shù)學層麵的解答，將會對化學家很有幫助。

　　為此，弗蘭克提出一套化學反應(yīng)模型，這套模型必須同時滿足三項條件：1、存在手性催化劑和不對稱反應(yīng)；2、一種鏡像形式的生成以某種方式受到促進，而另一種的生成受到抑製；3、化學反應(yīng)能夠生成催化劑本身。這被稱為“自催化”，會產(chǎn)生自我增強效應(yīng)，使反應(yīng)中某一種對映體的數(shù)量呈指數(shù)增長。

　　滿足上述所有條件的化學反應(yīng)，可以產(chǎn)生同手性。如前所述，馬爾克瓦爾德在20世紀初就成功滿足了第一個條件，但研究人員直到後來才設(shè)計出具有顯著不對稱性的化學反應(yīng)。這一領(lǐng)域的先驅(qū)分別獲得了2001年和2021年的諾貝爾化學獎。2026年諾貝爾化學獎表彰的，則是對其餘兩個條件的實現(xiàn)。

　　卡根的突破：

　　微小的偏向可以被放大

　　20世紀80年代初，當時在巴黎第十一大學工作的卡根是眾多致力於改良不對稱反應(yīng)的化學家之一，目標是為藥品開發(fā)等製造盡可能純淨的對映體。做到這一點的重要性，已在20世紀60年代初的沙利度胺（反應(yīng)停）事件中顯現(xiàn)——當時成千上萬的兒童因一種鎮(zhèn)靜劑沙利度胺而患上出生缺陷。當研究人員分析所發(fā)生的一切時，他們意識到，造成傷害的正是該活性物質(zhì)的鏡像。

　　由於研究人員希望在產(chǎn)物中得到純的對映體，他們通常也會在催化劑中使用盡可能純的一種對映體。不過，他們認為，如果在催化劑中混合兩種互為鏡像的對映體，產(chǎn)物中也會出現(xiàn)相應(yīng)的比例。換言之，他們認為，催化劑的手性會傳遞給產(chǎn)物，兩者之間存在著線性關(guān)係。

　　卡根質(zhì)疑這一假設(shè)。由於金屬原子通常會同時與多個分子相互作用，因此卡根假設(shè)在化學反應(yīng)中，催化劑中的金屬至少會結(jié)合兩個手性分子。如果將右手型和左手型對映體混合，就會出現(xiàn)圖4所示的三種催化劑形式：右-右、左-右和左-左。右-右型和左-左型催化劑會生成互為鏡像的產(chǎn)物，但左-右型催化劑又會如何參與反應(yīng)呢？

　　步驟1：催化劑當中包含 75% 右旋對映異構(gòu)體，25% 左旋對映異構(gòu)體。步驟 2：兩種對映異構(gòu)體隨機結(jié)合到金屬離子上，生成三種不同催化劑，占比見餅狀圖：左?左占 6%，左?右占 38%，右?右占 56%。步驟 3：隻有右?右、左?左兩種催化劑可以高效參與化學反應(yīng)；左?右型催化劑幾乎沒有催化活性。因此在實際情況中，化學反應(yīng)主要由占比 90% 的右?右催化劑、10% 的左?左催化劑驅(qū)動。左?右型催化劑幾乎無法發(fā)揮作用，這使得右?右催化劑占據(jù)優(yōu)勢，放大了反應(yīng)的不對稱性。最終產(chǎn)物餅圖：右旋 90%，左旋 10%。

　　這一推理讓卡根找到了一個意外的關(guān)鍵因素：左-右型催化劑的行為與另外兩種不同。當他嚐試用不同對映體組合構(gòu)成的催化劑推動反應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)催化劑中對映體的比例與產(chǎn)物中對映體的比例，並不像其他化學家假設(shè)的那樣呈線性關(guān)係。相反，卡根將實驗結(jié)果繪製出來後，得到的是一條曲線。原因在於，左-右型催化劑推動化學反應(yīng)的速度，遠低於右-右型或左-左型催化劑。

　　實際上，這意味著他找到了一種能夠促進產(chǎn)物中某一種對映體生成的方法。由此，他滿足了弗蘭克模型的第二個條件。1986年，他介紹了多達三種不同的不對稱反應(yīng)，它們都呈現(xiàn)出化學家所說的“非線性效應(yīng)”。這是一次曆史性的突破，許多化學家開始探索這一新現(xiàn)象，其中一位是東京理科大學的硤合憲三。

　　硤合憲三的探索：

　　讓產(chǎn)物推動自身生成

　　硤合憲三研究了一種具有顯著非線性效應(yīng)的不對稱化學反應(yīng)。當他仔細考察反應(yīng)催化劑與所生成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)兩者有很大的相似之處。這啟發(fā)了他：或許可以設(shè)計一種反應(yīng)，讓催化劑通過自催化過程生成自身？

　　通過對許多不同分子進行試驗，硤合憲三成功找到了一種能夠催化生成自身的手性物質(zhì)——5-嘧啶基烷醇。在1995年發(fā)表的一篇論文中，他介紹了這一革命性實驗。起初，5-嘧啶基烷醇的一種對映體的對映體過量值為2%，反應(yīng)結(jié)束時，這一數(shù)值達到了87%。這個反應(yīng)具有自我增強作用，滿足了弗蘭克提出的全部條件，但尚未達到生命所具有的100%對映體純度。

　　此後又過了八年，硤合憲三繼續(xù)尋找理想的自催化過程。2003年，他終於展示出一種化學反應(yīng)：反應(yīng)先生成略微過量的某一種對映體，隨後，這種對映體又促成更多自身副本的生成。這是自生命誕生以來，人類首次成功從非手性的分子組合中創(chuàng)造出手性。

　　足以讓該構(gòu)型迅速主導整個反應(yīng)。通過三次補加底物與試劑之後，產(chǎn)物當中該對映異構(gòu)體占比超過 99.5%。圖示流程：第一輪反應(yīng)起始 0.00005%，結(jié)束 57%；第二輪投料之後達到 99%；第三輪投料，產(chǎn)物純度大於 99.5%。

　　當硤合憲三啟動催化過程時，兩種對映體都會生成，但由於過程受到隨機性的支配，其中一種會略多一些。這一微小的過量，足以讓這種對映體主導整個化學反應(yīng)。最終，它可以占產(chǎn)物的99.99%。當硤合憲三重複這一反應(yīng)時，也可能由另一種對映體占據(jù)主導地位；最終獲得哪一種對映體，取決於反應(yīng)開始時隨機發(fā)生的情況。

　　硤合反應(yīng)是一種人工設(shè)計的反應(yīng)，與生命的化學過程不同，但它重新激發(fā)了那些希望理解生命起源的化學家的熱情。如今，世界各地的研究人員都在嚐試重複硤合憲三的成就，不過，他們的目標是生成具有同手性的氨基酸和糖。

　　卡根發(fā)現(xiàn)的非線性效應(yīng)，已經(jīng)成為化學家設(shè)計新反應(yīng)時的重要工具。一個反應(yīng)具有非線性這一事實，可以為化學家提供有關(guān)反應(yīng)如何進行的信息。他們可以利用這些信息優(yōu)化反應(yīng)，盡可能獲得對映體純度更高的產(chǎn)物。對於所有製造需要與生物體相互作用的物質(zhì)——例如藥物、食用香料、香氛及農(nóng)用化學品等企業(yè)而言，這一點都至關(guān)重要。在某些情況下，它對於新材料的生產(chǎn)也很重要。

　　憑借這些獲得2026年諾貝爾化學獎表彰的發(fā)現(xiàn)，化學家在日常工作中獲得了新的基礎(chǔ)性工具。更重要的是，這些發(fā)現(xiàn)幫助解答了化學中最大的謎題之一：像所有生物體中所呈現(xiàn)的那種同手性，究竟如何產(chǎn)生。

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