导 读
当地时间10月7日,瑞典皇家科学院宣布,将2026年诺贝尔化学奖授予法国化学家亨利·卡冈(Henri B. Kagan)和日本化学家硖合宪三(Kenso Soai),以表彰他们“发现不对称有机合成中的非线性效应和自催化现象”。 卡冈1930年出生于法国,长期任教于巴黎第十一大学(今巴黎萨克雷大学),今年已95岁;硖合宪三1950年出生,是东京理科大学教授。
一图看懂:这个奖在讲什么
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01
分子也有左右手
许多分子像人的左右手一样,有两种互为镜像却无法重合的形态,称为对映体。
它们的成分和连接方式完全相同,在生物体内的表现却可能天差地别:一种是良药,另一种可能无效甚至有毒。
上世纪六十年代的“反应停”悲剧,就与此有关。
因此,现代制药和精细化工的一项核心任务,是只制造两种镜像分子中的一种,这就是不对称合成。
2001年的诺贝尔化学奖颁给了诺尔斯、野依良治和夏普莱斯,表彰的正是手性催化;2021年的化学奖又授予不对称有机催化。
今年的奖沿着这条主线往更深处走了一步,它关心的不再只是“怎样造出单一手性的分子”,而是“手性在化学反应中如何传递、放大,乃至自我复制”。
别混淆 · 两条线
2001年的化学奖表彰的是手性催化:只制造两种镜像分子中的一种。
今年的奖关心的不再只是“怎样造出单一手性的分子”,而是“手性如何传递、放大,乃至自我复制”。
卡冈:不够纯,反而做出了很纯的产物
卡冈是这个领域公认的奠基人之一。
1971年,他从廉价的天然酒石酸出发,设计出名为DIOP的双膦配体,用它与铑配合催化氢化反应,得到了当时罕见的高选择性。
这个配体有两点开创性:两个磷原子同时“咬住”金属,使催化剂的空间结构稳定可控;分子本身具有二重对称性,大大减少了反应可能走的岔路。
此后几十年里问世的著名手性配体,大多沿用了这一思路。
也正因如此,2001年诺奖名单中没有卡冈,曾在化学界引发不小的争议和惋惜,同年他获得了沃尔夫化学奖。
而这次获奖的工作,是他1986年发表的另一项发现。
此前人们默认一条朴素的规则:催化剂有多“纯”,产物就有多“纯”。
如果催化剂中左手型占七成、右手型占三成,产物的手性纯度也应按比例打折,两者呈一条直线关系。
卡冈的团队在实验中发现,事实并非如此,产物的纯度可以明显高于、也可以低于这条直线,他把这种偏离称为“非线性效应”。
原因在于,催化剂分子在溶液中并不是各自为战,而是会相互结合。
当一个左手型和一个右手型配对,往往形成一种稳定而“懒惰”的组合,把少数派连同等量的多数派一起“锁”了起来,剩下真正干活的几乎全是多数派,于是不够纯的催化剂反而做出了很纯的产物,这就是不对称放大。
卡冈还建立了描述这一现象的数学模型。
这项发现的价值有两重:在实用上,它说明不必使用昂贵的高纯度手性原料,也能得到高纯度的产品;在方法上,它成了化学家探查催化剂真实结构的一把标尺,只要测一测这条曲线是否弯曲,就能判断反应中起作用的是单个分子还是聚集体。
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要留意 · 两重价值
实用上:不必使用昂贵的高纯度手性原料,也能得到高纯度的产品。
方法上:只要测一测这条曲线是否弯曲,就能判断反应中起作用的是单个分子还是聚集体。
硖合宪三:让产物自己复制自己
硖合宪三的贡献则把“放大”推到了极致。
1995年,他在《自然》杂志上报道了一个后来以他名字命名的反应:某种含嘧啶环的醛与二异丙基锌反应,生成的手性醇本身就是催化这一反应的催化剂,而且只催化生成与自己手性相同的分子。
这就是不对称自催化,产物在复制自己。
更惊人的是它的放大能力,起始时两种手性的差别即使小到几乎测不出来,经过几轮反应,也能被放大到接近百分之百的单一手性。
硖合此后证明,圆偏振光、石英晶体,甚至仅仅因碳、氢同位素不同而产生的极微弱手性,都足以触发这一过程,决定最终产物的方向。
这直接触及一个困扰科学界一百多年的问题:地球上的生命为什么只用左手型氨基酸和右手型糖?
早在1953年,物理学家弗兰克就从理论上提出,如果存在一种能自我复制并抑制其镜像的化学体系,微小的偶然偏差就可以演变为一边倒的结局。
硖合反应是这一设想迄今最有力的实验印证,它表明从近乎对称的起点自发走向单一手性,在化学上是完全可行的。
两位获奖者的工作合在一起,把手性从一种需要小心维持的性质,变成了一种可以被放大和繁殖的性质,既改变了化学家设计催化反应的方式,也为理解生命起源提供了一块实验基石。
华人学者的名字,又一次被提起
每年化学奖揭晓前,华人学者的名字总会被提起。
而在今年获奖的手性催化方向上,中国学者的积累同样深厚:周其林发展的手性螺环催化剂效率长期居于世界前列,冯小明、丁奎岭等人的工作也有广泛的国际影响;在更大的范围内,张涛等人提出的单原子催化已成为国际研究热点。
诺贝尔奖奖励的往往是三四十年前的工作,卡冈为这项发现等了整整四十年,用获奖名单衡量一个国家今天的科研水平,本来就不准确。
这个奖值得尊重,中国科学家将来获奖也值得高兴,但中国科技的发展有实验室里的数据和生产线上的产品为证,并不需要靠一枚奖章来认可。
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