诺奖解读｜不对称催化中的“反直觉”现象——聊聊非线性效应

2026 年诺贝尔化学奖授予 Henri B. Kagan 与 Kenso Soai，表彰二人在手性合成领域围绕非线性效应与不对称自催化做出的奠基性贡献。

而四十年前，正是一项"本该验证旧理论"的对照实验，撞破了旧理论的边界。

这一研究打破了早期手性催化领域的固有认知：它不仅为生命起源的手性起源假说提供了关键实验支撑，更发展成为一套简便实用的机理探针，被广泛运用于解析金属不对称催化体系的活性物种与分子聚集行为。

图 1　2026 年诺贝尔化学奖

一、非线性效应的发现

20 世纪 80 年代，不对称催化蓬勃发展，化学界逐渐形成一个被广泛接受的"常识"：手性催化剂的手性纯度会线性传递给产物。通俗地说，配体有多少 ee，产物就理应按比例得到多少 ee，二者是一条笔直的直线关系。

当时 Kagan 团队或许并未打算开辟一套全新理论，只是想拿已经成熟的 Sharpless 环氧化反应做一组对照实验：人为使用不同对映体纯度的酒石酸二乙酯（DET）手性配体，催化香叶醇环氧化，用以验证这套线性规律。

但实验数据完全出乎预料。

(+)-NLE｜不对称放大

香叶醇的 Sharpless 不对称环氧化中，使用部分消旋、ee 并不高的 DET 配体，产物 ee 显著高于线性公式预测值。

(-)-NLE｜不对称消减

几乎同一套催化体系用于硫醚不对称氧化时，结果截然相反：产物 ee 反而低于理论预测。

分子内羟醛反应｜同样偏离

脯氨酸催化的分子内羟醛反应中，同样观测到偏离直线的现象。

原本只是用来验证旧理论的对照实验，却意外撞破了旧理论的边界。1986 年，Kagan 等人把这三组反常结果整理发表在 JACS，正式提出"非线性效应（Non-linear Effect）"这一概念——即那篇里程碑式的原始论文 “Nonlinear Effects in Asymmetric Synthesis. Examples in Asymmetric Oxidations and Aldolization Reactions”（图2）。

值得一提的是，这项工作在发表之后很多年里，更多是作为机理解析工具被领域内小圈子熟知；不少教科书早期对 NLE 着墨不多。直到近年大量金属催化机理研究广泛使用这套探针，再到 2026 年诺奖授予该方向，这项四十年前的意外发现，才被更广泛的读者所知晓。

图 2　非线性效应：产物 ee 与配体 ee 的三种关系

二、偏离从哪里来

理想化的线性关系是：产物的对映体过量值（eeP）与手性配体的对映体过量值（eeaux）成正比。

eeP = eemax × eeaux

然而这个结论建立在一个前提之上：R、S 构型的催化物种互不干扰、独立工作。

偏离的根源，大多来自催化体系中不同手性物种的聚集：同手性配合物与异手性／杂手性配合物，在反应活性、稳定性和溶解度上并不相同。某些杂手性物种活性很差，相当于将一部分配体"封存"起来，从而改变溶液中实际参与催化的活性物种的手性纯度，最终导致产物 ee 被放大或衰减。

▍ 需要留意

NLE 本身只是一种可观测的实验现象。检测到非线性效应，并不能直接推断二聚体／多聚体就是催化循环中的活性物种；反之，即使观察到完全线性的关系，也不能排除体系中存在催化剂聚集行为。

基于大量实验，Kagan、Noyori、Ding 等研究者建立了 ML₂ 模型、(ML)₂ 二聚模型、ML 储库（reservoir）模型等经典框架，用于解释各类 NLE 现象，为后续大量金属不对称催化的机理解析奠定了理论基础。

三、NLE 用于廉价 3d 金属催化机制解析

过去，许多 NLE 经典案例集中于稀土、钛等催化体系。而锰、铁、钴、镍、铜、锌等第一过渡系（3d）金属储量丰富、成本低廉，是不对称催化的理想候选。但 3d 金属配合物溶液行为复杂，容易发生解离、二聚、寡聚、析出沉淀，活性物种的鉴定一直是机理解析的难点。

本课题组综述 · 发表于 Chinese Journal of Chemistry

Mechanistic Applications of Nonlinear Effects in First Row Transition Metal Catalytic Systems

系统梳理了近十年该方向的研究进展

综述从三个层面展开：

01 · 分类介绍 ML₂、(ML)₂、ML 储库模型及少数特殊杂化模型，解析各类模型下正、负非线性效应的来源；

02 · 汇总大量 Cu、Co、Ni、Zn、Fe 催化不对称反应实例，说明如何借助 NLE 信号判断真实活性物种是单体、二聚体还是寡聚聚集体；

03 · 重点提示该领域常见误区。

图 3　非线性效应模型

在储库效应下，聚集物种仅起"储存配体"的作用，本身并不进入催化循环；溶剂、浓度、溶解度以及沉淀析出等因素也可能诱导表观非线性，其来源不一定在催化循环内部。

仅凭 eeP–eeL 曲线推断机理风险很高，必须结合动力学、HRMS、EPR、X 射线单晶等多重证据相互佐证。

▍ 一个具体例子

在许多铜、钴催化的自由基不对称反应中，曾出现这样的情况：单晶结构显示为二聚体，但在反应溶液中它快速解离为单体；尽管观察到非线性效应，真正起催化作用的却是单体物种。这也提醒我们，解读 NLE 数据必须格外谨慎。

四、写在最后

四十年前，Kagan 提出非线性效应，刷新了人们对手性传递过程的认知。今年诺奖授予该方向，也再次启示我们：一条简单的 ee 关联曲线背后，蕴藏着丰富的分子聚集与反应机理信息。

NLE 兼具基础理论价值与合成实践指导意义。不对称放大现象表明，在某些场景下不必强求 100% 光学纯的手性配体，仍可获得高 ee 的目标产物；同时，它也为生命起源中的手性起源假说提供了重要的化学实验依据。

论文信息

文章Mechanistic Applications of Nonlinear Effects in First Row Transition Metal Catalytic Systems

作者朱晓韬，李亚军，鲍红丽*

单位中国科学院福建物质结构研究所，中国科学院大学

链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cjoc.202300056

欢迎感兴趣的同行阅读全文，进一步了解第一过渡系金属催化体系中非线性效应的研究现状与挑战。