把左手手套戴到右手上,形状再像也不合适。分子也有这样的“左右手”:它们互为镜像,却不能重合。生命体系往往只偏爱其中一种,但普通化学反应常会把两种都造出来。怎样让反应选对一边,又怎样从几乎没有差别的起点形成单一方向,是药物合成和生命起源研究共同面对的问题。
2026年诺贝尔化学奖授予Henri B. Kagan和Kenso Soai,表彰他们在不对称有机合成中发现非线性效应与自催化。两人的工作前后相隔多年:Kagan说明微小的手性优势可以被催化体系放大;Soai进一步让产物催化自身,把偶然出现的微弱偏向滚成接近单一的结果。
一条直线为什么弯了?
先解释“不对称催化”:化学家使用催化剂,让反应优先生成某一种镜像分子,从而减少分离浪费,提高药物等产品的纯度。过去容易形成一种直觉:催化剂有多偏向某一只“手”,产物大概也就偏向多少。
Kagan在1986年发现,事情并不总按比例发展。催化剂的手性纯度与产物的手性偏向之间,可以出现弯曲的关系;产物的对映体过量——也就是一种镜像形式比另一种多出的程度——甚至能高于催化剂本身。
这就是“非线性效应”。它不只是把结果做得更偏,还能反过来透露催化剂如何协同工作。换句话说,化学家看到那条曲线,就多了一扇观察反应内部机制的窗口。
据量子位报道,Kagan早在1971年便开发了手性配体DIOP。配体可以理解为围在催化中心周围、影响其反应选择的分子部件。2001年,不对称催化获得诺贝尔化学奖时,Kagan落选并引发争议。《世界报》和Nature记载,法国科学界曾公开表达不满,法国科研部长还致信诺贝尔基金会抗议。25年后,这位据量子位报道已95岁的化学家终于获奖。
让领先者复制自己
Kagan解决了“怎样放大优势”的一部分问题,Soai则把自我放大推得更远。
自催化,是产物反过来促进自身继续生成。不对称自催化则更特殊:某一种镜像产物稍微领先,就会帮助更多同类出现;新生成的产物又继续催化。它像一场差距极小的比赛,领先者不仅跑在前面,还会不断增加自己的队员。
Soai在1995年发表了首个不对称自催化反应相关成果。据量子位报道,最初仅2%的对映体优势,最终被放大到87%。这说明微小的“左右手”差异确实可以通过自催化迅速扩大。
2003年,他又展示了更关键的一步:反应可从非手性原料——本身没有左右手之分的原料——出发,由极微小的随机不对称形成高度同手性的产物。据量子位报道,初始优势可以低至0.00005%;三次加料后超过99.5%,最高达到99.99%。重复实验时,最终胜出的方向并不固定,开局的随机波动可能决定整锅反应偏向哪一边。
这里需要把措辞收紧:诺奖官方称该反应形成了一种镜像形式,另一报道给出的最高值则是99.99%。因此,更准确的说法是“接近单一对映体”,而不是绝对纯。
为什么这项奖跨过了两个领域?
第一条线通向制造。互为镜像的分子可能在生物体内产生不同效果。不对称催化让化学家更有能力控制生成哪一种镜像形式,因此成为现代药物和精细化工的重要基础。诺奖官方称,两人的发现对设计药物制造反应具有决定性影响。
第二条线通向生命起源。生命中的许多分子呈现“同手性”——同一类分子主要采用一种镜像形式。Soai反应给出了一种可在实验室观察的化学模型:不需要一开始就有压倒性优势,一点随机偏差也可能在自催化中被持续放大。它没有直接还原生命如何诞生,却说明了化学上的单一方向可以自发形成。
局限与未知
- 这些反应提供的是同手性形成的化学模型,不能单独证明早期生命实际走过同一条路径。
- 供稿没有披露两类反应在具体药物生产中的品种、规模和成本数据,不能据此量化产业影响。
- 2003年结果的公开表述存在口径差异;现有数字支持“高度同手性”或“接近单一”,不宜写成绝对100%。