诺贝尔化学奖揭晓,什么是“手性合成”?

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北京时间10月7日17时45分许,2026年诺贝尔化学奖在瑞典皇家科学院揭晓。法国科学家亨利·B·卡甘(Henri B. Kagan)和日本科学家硖合宪三(Kenso Soai)分享这一奖项,以表彰他们“在不对称有机合成中发现非线性效应和自催化现象”。

不对称有机合成也叫“手性合成”。在这一领域,卡甘发现了一种操控化学反应的新方法,让产物中某一种镜像分子的比例超出此前认为不可能的极限,为制药、香料和新材料的研发带来革命;硖合宪三则设计出第一个完全不借助手性物质、只生成单一镜像分子的化学反应,以他姓氏命名的“Soai反应”被认为是“有史以来最壮观的化学实验之一”。

发现不对称催化里的非线性效应

要理解两位科学家的贡献,首先要理解一个概念:手性。

很多分子像我们的左右手,长得一模一样,互为镜像,却永远无法完全重合。这就是化学中的“手性”,一对镜像分子互为“对映体”。

麻烦的是,生命是个“左撇子”。组成人体蛋白质的氨基酸几乎全是“左手型”,而DNA里的糖全是“右手型”。在化工和制药中,只制造“一只手”是刚需。

但在实验室里,从无手性原料出发合成手性分子时,化学家长期以来只能得到两种对映体等量的混合物,如何让反应“偏袒”其中一种,是有机合成的核心难题。

卡甘的核心贡献,是发现不对称催化里的非线性效应。过去化学家默认,催化剂的手性纯度,会线性等比例传递给产物。但卡甘证实,在很多手性催化体系,产物的手性纯度并非跟着催化剂简单线性变化。

1986年,卡甘和同事在《美国化学会志》上发表论文,用三类不对称反应证明:有时产物比催化剂更纯(正非线性效应),有时反而更稀(负非线性效应)。

多数情况下,异手性配合物反应活性更低,相当于把少数派“锁”进了仓库,让多数派的优势被放大;反过来也可能出现负效应。卡甘还建立了定量理论模型,证明非线性效应是揭示催化机理的强大工具。

后来日本化学家野依良治团队给出了一个经典例证:使用手性纯度仅15%的催化剂,最终得到纯度 98%的产物,直观展示了卡甘提出的非线性放大效应。

从1986年的发现到今天的诺奖,卡甘等了40年。卡甘于1930年生于法国,1960年获博士学位,上世纪60年代中期曾赴哈佛大学与有机化学大师伍德沃德共事,2001年曾获沃尔夫化学奖。

“有史以来最壮观的化学实验之一”

另一位获奖者硖合宪三则把手性“放大”推到了极限。

1990年,他首次发现一种“自催化”反应,也就是产物化学反应生成的手性产物,反过来可以充当催化剂,催化合成更多自身分子,反应一旦开始,就像雪球一样越滚越快。但当时产物纯度会逐轮衰减,未实现手性放大。

1995年,他改用一种嘧啶醛做底物,从纯度仅5%的产物出发,让它自己催化自己,五轮之后纯度达到90%。这个反应从此以他的姓氏命名——“Soai反应”。

更惊人的是后来的实验,从0.00005%的微弱优势出发,三轮反应后产物纯度超过99.5%,手性被放大了63万倍。

不加任何手性原料,“雪球”还能不能滚起来?硖合宪三证明了可以。在一组37次重复实验中,18次滚向“左手”,19次滚向“右手”,完全随机。这在化学原理上完成了理论物理学家弗兰克1953年提出的设想:一个分子催化自己的生成、抑制对手的产生,就能把微小的随机偏差放大成压倒性的单一手性。

硖合宪三1950年生于东京,1979年获东京大学博士学位,长期任教于东京理科大学,2020年退休。从1995年关键突破到获奖,他等了31年。

不对称催化是诺奖常客。2001年,诺贝尔化学奖授予金属不对称催化;2021年,授予不对称有机催化。加上今年,这个领域已三度折桂。

但前两次奖的是“怎么做出一只手”,这一次奖的是对手性本身的理解——微小的手性差异如何被传递和放大。

南方+记者 吴雅楠

编辑 胡冰
校对 蒙骏鸿
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