本文来自微信公众号： NASA爱好者 ，作者：Vger
有些化学反应会同时生成两种分子，它们互为镜像，就像人的左手和右手。几十年来，化学家们知道理论上可以设计出只生成其中一种的反应，但实际该怎么做，一直是个谜。
今年的诺贝尔化学奖授予亨利·B·卡根（Henri B.Kagan）和硤合宪三（Kenso Soai），表彰他们“发现了不对称有机合成中的非线性效应和自催化现象”。他们给出了答案，而这对设计药物生产等应用反应的化学家来说意义重大。
为什么镜像分子这么麻烦？
想象你是一位定制钥匙的锁匠。可无论怎么做，你总会同时做出两把互为镜像的钥匙，只有一把能开锁，用另一把去开，还可能损坏锁。更糟的是，这两把钥匙几乎无法区分，客户只能全部拿走。
研发药物时，化学家面对的正是这样的难题。许多药物分子有两种互为镜像的形态：一种具有治疗作用，另一种却可能带来不必要、有时甚至有害的副作用。
根源在于生命本身的化学特性：生命是“同手性”的（homochiral，源自希腊语“相同”和“手”）。就像双手一样，氨基酸也有两种镜像形态，但我们细胞里的蛋白质只用其中一种。构成DNA的糖分子同样如此，两种镜像形态中，生命只选了一种。
生命的同手性是如何出现的？这个问题困扰了化学家很久。今年的两位获奖者，正是在这条漫长的思想链上，补上了最后的关键环节。
故事要从巴斯德和葡萄酒说起
这条思想链的第一环，要追溯到19世纪中叶。路易·巴斯德当时在研究酿酒中的重要物质：酒石酸。同事们说，酒石酸有时会使偏振光向右偏转，有时却对光毫无影响，这引起了他的兴趣。
他培养出酒石酸晶体，在显微镜下观察，发现它们有两种形态，互为镜像。他用镊子把两种晶体分开，分别溶解，再让偏振光穿过溶液：一种使光向右偏，另一种使光向左偏；把两种溶液混合，光就不受影响了。
这个实验让化学家意识到，有些物质存在两种镜像形态。这类物质后来被称为“手性”物质，互为镜像的两种分子则叫“对映体”。
1857年，巴斯德又发现，细菌发酵酒石酸时，只乐于“享用”葡萄中存在的、使光右偏的那种对映体，对镜像分子则毫无兴趣。生命的化学是手性的，这个想法由此诞生。后来研究者发现，天然氨基酸总是使偏振光左偏，而DNA中的糖则相反，使光右偏。
那么，生命诞生之初究竟发生了什么，使生命化学变得“只用一只手”？化学家在试管里做手性分子的反应时，得到的总是两种对映体的等量混合物。同手性到底是怎么出现的？
通往答案的三道门槛
20世纪初，德国化学家威利·马尔克瓦尔德完成了第一个成功的不对称反应，即其中一种对映体生成得比另一种更多。关键在于他用了催化剂，也就是推动反应却不被消耗的物质。这个催化剂本身有手性，因此会偏向生成某一种镜像分子。差别虽然很小，但它的出现本身就是一次突破。
图源：瑞典皇家科学院
1953年，布里斯托大学的理论物理学家查尔斯·弗兰克发表了一篇纯理论论文。他听同事说化学家还不理解生命的不对称性从何而来，如果有数学解答会很有帮助，于是提出了一个模型。要产生同手性，化学反应必须满足三个条件：
•存在手性催化剂，并且反应是不对称的；
•其中一种镜像分子的生成被促进，另一种被抑制；
•反应能生成催化剂本身，这叫“自催化”，会产生自我强化的效应，使其中一种对映体的数量呈指数增长。
弗兰克的模型在化学界广为流传，成了大学老师留给学生的一道化学谜题：怎样把这些条件变成化学现实？此前，马尔克瓦尔德已经满足了第一个条件，后来的先驱们在让反应真正具备显著不对称性上也有贡献，他们分别在2001年和2021年获得了诺贝尔化学奖。而今年的奖项，表彰的是剩下两个条件的实现。
卡根：跳出常规的思考
20世纪80年代初，在巴黎第十一大学（当时的巴黎南大学）工作的卡根，和许多化学家一样致力于改进不对称反应，目标是得到尽可能纯的对映体，例如用于药物生产。20世纪60年代初的沙利度胺事件已经表明了这件事的重要性：这种镇静剂导致成千上万名儿童出生缺陷，研究者分析后发现，造成伤害的是活性成分的镜像分子。
图源：瑞典皇家科学院
为了推动不对称反应，研究者常用双组分催化剂：金属原子充当反应的“发动机”，手性分子则确保反应是不对称的。因为想要纯的对映体产物，大家通常也使用尽可能纯的对映体来做催化剂。他们还默认：如果催化剂里混入两种镜像分子，产物中的比例也会同样对应，也就是说，催化剂的手性与产物的手性呈线性关系。
卡根对这个假设产生了怀疑。他决定更仔细地思考催化剂本身。当时没人真正知道它是怎么工作的：反应中金属原子和手性分子显然会相互作用，但具体如何作用？他推测，金属通常会同时与多个分子相互作用，所以应该至少吸引两个手性分子。如果左右两种对映体混在一起，催化剂就会有三种形式：右右型、左右型和左左型。
右右型和左左型会生成互为镜像的产物，但左右型会怎么样呢？
结果，左右型催化剂的表现和另外两种不同，它驱动反应的速度要慢得多。当卡根用不同比例的对映体做催化剂实验时，催化剂和产物中比例的关系并不是线性的，画出来的图是一条曲线。这意味着，他找到了一种放大产物中某一种对映体生成量的方法，满足了弗兰克模型的第二个条件。
1986年，他一口气描述了三个表现出这种“非线性效应”的不对称反应。这是一次历史性的突破，许多化学家开始探索这个新现象，其中一位是东京理科大学的硤合宪三。
硤合宪三：靠反复尝试找到“会复制自己”的分子
硤合宪三研究的是一个具有明显非线性效应的不对称反应。当他仔细观察这个反应的催化剂和生成产物的结构时，发现两者非常相似。这启发了他：能不能设计一个反应，让催化剂通过自催化过程自己生成自己？
图源：瑞典皇家科学院
20世纪90年代初，已知的自催化反应有好几个，但没有一个是不对称的。硤合宪三试了许多不同的分子，终于找到一种手性物质，5-嘧啶基烷醇，它能自己制造自己。他在1995年发表的论文中描述了这个革命性的实验：起始时，其中一种对映体只多出2%，最终多出了87%。反应是自我强化的，满足了弗兰克的全部标准，但还没有达到生命那样100%的对映体纯度。
此后八年，他继续寻找终极的自催化过程。2003年，他终于展示了这样一个反应：先生成某种对映体的少量过剩，随后这种对映体不断复制自己。这是自生命诞生以来，人类第一次从非手性的分子组合中成功创造出手性。
化学界最优雅的实验之一
硤合反应被认为是迄今最优雅的化学实验之一。反应开始时，两种对映体都会生成，但由于过程由偶然性支配，其中一种会稍微多一点。这一点点过剩就足以让它接管整个反应，最终在产物中可占到99.99%。当硤合宪三重复这个实验，也可能是另一种对映体接管，最后得到哪一种，取决于反应开始时的偶然事件。
除了生命本身，此前没有人做到过这一点：设计出只生成一种镜像分子的化学反应。
给化学家的新工具，也给生命起源研究的新线索
硤合反应是人工的，与生命的化学不同，但它点燃了想要理解生命起源的化学家的热情。世界各地的研究者正尝试重现硤合的成就，目标是制造同手性的氨基酸和糖。
卡根发现的非线性效应，已经成为化学家设计新反应时的重要工具。反应是否呈非线性，能提供反应如何进行的信息，这些信息可用于优化反应，从而获得尽可能纯的对映体产物。这对每一家生产要与生命体相互作用的物质的企业都至关重要，比如药品、香精香料和农用化学品，有时在新材料的生产中也很重要。
凭借这些获奖发现，化学家获得了日常工作中的基础新工具，更重要的是，它们帮助解开了化学领域最大的谜题之一：生命体中那样的同手性，是怎样产生的。
获奖者简介
亨利·B·卡根（Henri B.Kagan）：1930年出生于法国布洛涅-比扬古，1960年获法国法兰西学院博士学位，法国巴黎南大学（现巴黎-萨克雷大学相关机构）荣休教授。
硤合宪三（Kenso Soai）：1950年出生于日本广岛，1979年获东京大学博士学位，东京理科大学荣休教授。
参考
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2026/popular-information/
