有机化学最酷实验，拿到了诺贝尔化学奖

2026年诺贝尔化学奖颁给了法国学者亨利·卡甘（Henri Kagan）与日本学者硖合宪三（Kenso Soai），理由是「发现不对称有机合成的非线性效应与自催化作用」（for the discovery of non-linear effects and autocatalysis in asymmetric organic synthesis）。值得一提的是卡甘也是2001年沃尔夫化学奖得主，他是历史上第64位沃尔夫奖+诺贝尔奖双料得主。自2018年起，每一年的自然科学类诺贝尔奖得主中至少都有一位沃尔夫奖得主。

2026年的诺贝尔化学奖回答了这样一个问题：在化学反应中，如何让互为镜像的分子通过反应保留其中一种作为最终产物？

什么是互为镜像？我们的左右手就是一个最直观的例子，左手和右手看起来没啥区别，但如果我们保持手掌朝下，再将左右手叠放，你就会发现左手和右手无论如何都无法完全重合。而当我们将手放在镜子前，镜中的双手又分别对应了另一只手的模样。

在有机化学中，很多分子可以存在两种互为镜像、却又无法完全重合的形式。具有这种性质的分子被称为手性分子（chiral molecules），而两个互为镜像的版本则被称为对映体（enantiomers）。

两种对映体的性质可能存在明显差异。比如，著名的手性分子香芹酮（carvone），它的一个镜像版本闻起来像薄荷，另一个则具有葛缕子这种香料的气味。原因在于，我们的鼻腔受体本身也是由手性结构构成的，因此能够区分两个看似相同的镜像分子。

药物中也有同样的情况。同一种药物分子的两个对映体，可能产生完全不同的生物学作用：一个可能具有我们需要的治疗效果，另一个可能没有作用，甚至可能带来危害。因此，化学家不仅希望制造某种分子，更希望能够有选择地制造其中一种对映体。这也是不对称合成和不对称催化如此重要的原因。

20世纪50年代，一位叫查尔斯·弗兰克（Charles Frank）的理论物理学家提出了一个化学反应理论模型，如果想得到特定的手性产物，反应应当满足以下条件：

• 存在手性催化剂和非对称反应。

• 一种对映体的形成以某种方式增强，而另一种被抑制。

• 化学反应中形成了催化剂。这被称为自催化，会引起自我强化效应，使反应中其中一种对映异构体的数量呈指数增长。

今年的诺贝尔化学奖研究分别用实验验证了第二个和第三个条件。

卡甘的研究首先揭示了，在不对称催化中，最终产物中两种对映体的比例并不一定与催化剂中的手性比例简单地呈线性关系。

卡甘的工作提出并验证了一个重要思想：如果多个手性配体可以同时与金属结合，就可能形成不同种类的催化剂。其中，有些催化剂互为对映体、表现相同，而另一种组合则可能具有明显不同的反应活性。这样一来，即使最初左右手性的催化剂只是按照一定比例混合，反应之后也可能产生比原始催化剂更强的手性偏好。这种现象被称为正非线性效应（positive nonlinear effect）。

换句话说，化学反应并不是简单地把原有的手性比例传递到产物中，而是可以对原有的手性偏差进行放大。实验表明，这种模型确实成立，因此我们可以利用这种效应提高反应的对映选择性。

图示取自《美国化学学会杂志》1986年，108卷，2353–2357页。当Kagan将不同比例的对映异构体混合在催化剂中时，正非线性效应便显现出来。

硖合宪三则是探索了一类被称为不对称自催化（asymmetric autocatalysis）的化学反应。所谓自催化，就是反应产生的产物本身，可以反过来充当这个反应的催化剂。研究从一个没有手性的起始体系出发。在最初的反应过程中，两种对映体之间可能出现一个极其微小的随机不平衡。这个不平衡甚至可以小到只相差几个分子。但关键就在于生成出来的手性产物又能够催化后续反应。于是，原本极其微小的偏差，就能够被一轮又一轮地放大。

硖合宪三进行了37次独立反应，其中19次最终偏向左手性产物，18次偏向右手性产物，没有一次得到完全相等的混合物。这说明，体系可以从一个没有预先指定「左」或「右」的状态出发，自发地打破左右对称性，最终偏向其中一种手性。在具体的实验中，从一个对映体纯度极低的催化体系开始，把第一次得到的产物再次作为催化剂，用于第二轮反应；然后再把第二轮的产物用于第三轮反应。经过这样的连续放大，最终可以得到对映体纯度超过99.5%的产物。

图︱Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

也就是说，一个一开始微乎其微的手性偏差，经过自催化过程，可以被放大到几乎纯粹只有一种手性的程度。

在发布会上，时任诺贝尔化学委员会评委，有机化学教授彼得·绍姆福伊（Peter Somfai）称不对称自催化反应「可能是有机化学领域最酷的实验」（This is probably the coolest experiment in organic chemistry）。

往期热门