百頒給破解學(xué)謎詳解學(xué)家自發(fā)這兩為何位科年化諾獎(jiǎng)手性如何官方同題化學(xué)產(chǎn)生今年
發(fā)布時(shí)間：2026-10-18 17:49:16 來源：kiss電子煙購買 6677599 作者：綜合
澎湃新聞?dòng)浾?秦盛
10月7日，破解瑞典皇家科學(xué)院宣布，同手將2026年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予法國南巴黎大學(xué)的性何詳解亨利·卡根（Henri B。 Kagan）和日本東京理科大學(xué)的產(chǎn)生硤合憲三（Kenso Soai），以表彰他們“在不對(duì)稱有機(jī)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(xué)化學(xué)分子給化學(xué)家出了難題。有些化學(xué)反應(yīng)會(huì)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(jiǎng)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(shí)，兩位你總會(huì)得到兩種互為鏡像的科學(xué)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(xué)家開發(fā)新藥時(shí)，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(shí)甚至有害的副作用。這背後的原因，與生命最基本的化學(xué)特征有關(guān)：生命具有化學(xué)家所說的“同手性”（homochiral），這個(gè)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(jì)出隻生成其中一種鏡像分子的反應(yīng)，但如何在實(shí)踐中做到這一點(diǎn)，始終是個(gè)謎。當(dāng)他們開展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行能夠生成兩種鏡像分子的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，試管中得到的兩種產(chǎn)物永遠(yuǎn)各占一半。盡管如此，化學(xué)家仍竭力隻想合成其中一種鏡像分子。因?yàn)樵谘邪l(fā)作用於生命體的分子（例如藥物）時(shí)，往往隻有其中一種鏡像構(gòu)型能夠產(chǎn)生預(yù)期藥效。
卡根發(fā)現(xiàn)了一種調(diào)控化學(xué)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(rèn)為可能達(dá)到的水平。對(duì)於開發(fā)藥物、食用香料、香氛及新材料製造反應(yīng)的化學(xué)家而言，這一發(fā)現(xiàn)具有革命性意義。硤合憲三設(shè)計(jì)出了首個(gè)隻生成一種可能鏡像形式的化學(xué)反應(yīng)。除生命體自身外，此前從未有人實(shí)現(xiàn)過這一壯舉。
諾貝爾化學(xué)委員會(huì)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(gè)已有百餘年曆史的化學(xué)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(xué)反應(yīng)令人驚歎?！?/p>
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(xué)獎(jiǎng)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(jì)中葉。一切始於路易·巴斯德（Louis Pasteur）對(duì)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(shí)可以讓偏振光向右偏轉(zhuǎn)，可有時(shí)又完全不會(huì)對(duì)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(jìn)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(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這一實(shí)驗(yàn)讓化學(xué)家認(rèn)識(shí)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(duì)映體”（enantiomers）。
1857年，巴斯德作出了下一個(gè)重要觀察。他研究了細(xì)菌發(fā)酵酒石酸不同對(duì)映體時(shí)會(huì)發(fā)生什麼。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，細(xì)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(duì)映體，卻對(duì)它的鏡像分子毫無興趣，後者原封不動(dòng)地留了下來。由此，生命的化學(xué)過程在某種意義上具有手性的觀點(diǎn)首次出現(xiàn)。
認(rèn)識(shí)到生命分子隻選用兩種對(duì)映異構(gòu)體當(dāng)中的一種，又引出了下一個(gè)問題：在生命誕生之初，發(fā)生了什麼，造就了生命化學(xué)的這種單手性？化學(xué)家做生成手性分子的實(shí)驗(yàn)時(shí)，試管中得到的永遠(yuǎn)是兩種對(duì)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(xué)家認(rèn)為，手性化學(xué)是生命獨(dú)有的現(xiàn)象。然而，20世紀(jì)初，德國化學(xué)家威利·馬爾克瓦爾德（Willy Marckwald）首次成功實(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱反應(yīng)。這意味著，反應(yīng)生成的一種對(duì)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(jìn)化學(xué)反應(yīng)、而自身不被消耗的物質(zhì)。在這個(gè)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(xué)獎(jiǎng)的思想鏈條，其下一個(gè)重要環(huán)節(jié)形成於1953年。這一次，它來自一篇科學(xué)論文中提出的純理論推演。作者是布裏斯托大學(xué)的理論物理學(xué)家查爾斯·弗蘭克（Charles Frank）。有一位同事告訴他，化學(xué)家至今仍然搞不懂生命不對(duì)稱性的起源；這位同事認(rèn)為，如果能針對(duì)該問題給出數(shù)學(xué)層麵的解答，將會(huì)對(duì)化學(xué)家很有幫助。
為此，弗蘭克提出一套化學(xué)反應(yīng)模型，這套模型必須同時(shí)滿足三項(xiàng)條件：1、存在手性催化劑和不對(duì)稱反應(yīng)；2、一種鏡像形式的生成以某種方式受到促進(jìn)，而另一種的生成受到抑製；3、化學(xué)反應(yīng)能夠生成催化劑本身。這被稱為“自催化”，會(huì)產(chǎn)生自我增強(qiáng)效應(yīng)，使反應(yīng)中某一種對(duì)映體的數(shù)量呈指數(shù)增長。
滿足上述所有條件的化學(xué)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(jì)初就成功滿足了第一個(gè)條件，但研究人員直到後來才設(shè)計(jì)出具有顯著不對(duì)稱性的化學(xué)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(xué)獎(jiǎng)。2026年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)表彰的，則是對(duì)其餘兩個(gè)條件的實(shí)現(xiàn)。
卡根的突破：
微小的偏向可以被放大
20世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)在巴黎第十一大學(xué)工作的卡根是眾多致力於改良不對(duì)稱反應(yīng)的化學(xué)家之一，目標(biāo)是為藥品開發(fā)等製造盡可能純淨(jìng)的對(duì)映體。做到這一點(diǎn)的重要性，已在20世紀(jì)60年代初的沙利度胺（反應(yīng)停）事件中顯現(xiàn)——當(dāng)時(shí)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(dāng)研究人員分析所發(fā)生的一切時(shí)，他們意識(shí)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(duì)映體，他們通常也會(huì)在催化劑中使用盡可能純的一種對(duì)映體。不過，他們認(rèn)為，如果在催化劑中混合兩種互為鏡像的對(duì)映體，產(chǎn)物中也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的比例。換言之，他們認(rèn)為，催化劑的手性會(huì)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(huì)同時(shí)與多個(gè)分子相互作用，因此卡根假設(shè)在化學(xué)反應(yīng)中，催化劑中的金屬至少會(huì)結(jié)合兩個(gè)手性分子。如果將右手型和左手型對(duì)映體混合，就會(huì)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(huì)生成互為鏡像的產(chǎn)物，但左-右型催化劑又會(huì)如何參與反應(yīng)呢？
步驟1：催化劑當(dāng)中包含 75% 右旋對(duì)映異構(gòu)體，25% 左旋對(duì)映異構(gòu)體。步驟 2：兩種對(duì)映異構(gòu)體隨機(jī)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(xué)反應(yīng)；左?右型催化劑幾乎沒有催化活性。因此在實(shí)際情況中，化學(xué)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(dòng)。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(shì)，放大了反應(yīng)的不對(duì)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(gè)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(dāng)他嚐試用不同對(duì)映體組合構(gòu)成的催化劑推動(dòng)反應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)催化劑中對(duì)映體的比例與產(chǎn)物中對(duì)映體的比例，並不像其他化學(xué)家假設(shè)的那樣呈線性關(guān)係。相反，卡根將實(shí)驗(yàn)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(dòng)化學(xué)反應(yīng)的速度，遠(yuǎn)低於右-右型或左-左型催化劑。
實(shí)際上，這意味著他找到了一種能夠促進(jìn)產(chǎn)物中某一種對(duì)映體生成的方法。由此，他滿足了弗蘭克模型的第二個(gè)條件。1986年，他介紹了多達(dá)三種不同的不對(duì)稱反應(yīng)，它們都呈現(xiàn)出化學(xué)家所說的“非線性效應(yīng)”。這是一次曆史性的突破，許多化學(xué)家開始探索這一新現(xiàn)象，其中一位是東京理科大學(xué)的硤合憲三。
硤合憲三的探索：
讓產(chǎn)物推動(dòng)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(duì)稱化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)他仔細(xì)考察反應(yīng)催化劑與所生成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jì)一種反應(yīng)，讓催化劑通過自催化過程生成自身？
通過對(duì)許多不同分子進(jìn)行試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)。起初，5-嘧啶基烷醇的一種對(duì)映體的對(duì)映體過量值為2%，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，這一數(shù)值達(dá)到了87%。這個(gè)反應(yīng)具有自我增強(qiáng)作用，滿足了弗蘭克提出的全部條件，但尚未達(dá)到生命所具有的100%對(duì)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(xué)反應(yīng)：反應(yīng)先生成略微過量的某一種對(duì)映體，隨後，這種對(duì)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。
硤合憲三以催化劑某一對(duì)映異構(gòu)體微小的過量作為起點(diǎn)。這點(diǎn)微弱的優(yōu)勢(shì)，就足以讓該構(gòu)型迅速主導(dǎo)整個(gè)反應(yīng)。通過三次補(bǔ)加底物與試劑之後，產(chǎn)物當(dāng)中該對(duì)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(dá)到 99%；第三輪投料，產(chǎn)物純度大於 99.5%。
當(dāng)硤合憲三啟動(dòng)催化過程時(shí)，兩種對(duì)映體都會(huì)生成，但由於過程受到隨機(jī)性的支配，其中一種會(huì)略多一些。這一微小的過量，足以讓這種對(duì)映體主導(dǎo)整個(gè)化學(xué)反應(yīng)。最終，它可以占產(chǎn)物的99.99%。當(dāng)硤合憲三重複這一反應(yīng)時(shí)，也可能由另一種對(duì)映體占據(jù)主導(dǎo)地位；最終獲得哪一種對(duì)映體，取決於反應(yīng)開始時(shí)隨機(jī)發(fā)生的情況。
硤合反應(yīng)是一種人工設(shè)計(jì)的反應(yīng)，與生命的化學(xué)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(xué)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(biāo)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(xué)家設(shè)計(jì)新反應(yīng)時(shí)的重要工具。一個(gè)反應(yīng)具有非線性這一事實(shí)，可以為化學(xué)家提供有關(guān)反應(yīng)如何進(jìn)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(duì)映體純度更高的產(chǎn)物。對(duì)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(xué)品等企業(yè)而言，這一點(diǎn)都至關(guān)重要。在某些情況下，它對(duì)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(xué)獎(jiǎng)表彰的發(fā)現(xiàn)，化學(xué)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(xué)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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