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被偷走的诺奖,25年后物归原主

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Henri B. Kagan和硖合宪三的获奖海报

10月7日,76岁的硖合宪三(Kenso Soai)出门在家附近买东西时,接到了获诺贝尔化学奖的电话。

“这是我人生中最激动人心的日子之一。”硖合回顾了多年来与世界各地“科学上的朋友”一起探索同手性起源所带来的快乐,“非常高兴能与著名的有机化学家Henri Kagan教授分享这一奖项。”

2026年诺贝尔化学奖授予Henri B. Kagan和硖合宪三,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。截至发稿,诺奖官网还未更新95岁的法国化学家Kagan接到电话的消息,某种程度上,这通电话已经迟到了25年。

2001年10月10日,诺贝尔化学奖公布当天,Kagan正坐火车前往伦敦参加会议,学生Gilbert Balavoine在车站接他。当年诺奖同样颁给不对称催化领域,获奖的是William Knowles、野依良治和Barry Sharpless,但几个月前,被视为诺奖风向标的沃尔夫化学奖刚刚颁给野依、Sharpless和Kagan三人。


Henri B. Kagan如今已经95岁

Balavoine记得,老师隐藏起苦涩,对他说:“这样一来,我就不会被记者纠缠了!”

Kagan坦承,自己当时确实失望。之后很多次他受邀去国外参加会议讲座,介绍主讲人的海报上会写:Henri Kagan教授,“本该获得2001年诺贝尔奖的人”。

而今,Kagan终于获奖,但今年的诺奖并非对他25年后的补偿,而是在奖励另一条思想链。Kagan发现,一个原本微小的分子“左右手”差异可以在化学反应中被非线性地放大,使一种镜像形式的分子占更大比例;硖合则让这个占优势的分子开始催化自身的生成。


图为手性分子

诺贝尔化学委员会主席Heiner Linke称,他们为“同手性如何能够自发产生”这个困扰化学界一个多世纪的问题提供了一种答案。

“那样不会让我着迷”

所谓“手性”,可以通过伸出双手来理解。人的左右手互为镜像却无法完全重合,一些分子同样具有两种组成相同、空间排列互为镜像而不能重合的形式,称为对映体。

比如典型的手性分子香芹酮(carvone),两个镜像分子由完全相同的原子组成,只是空间排列不同,一种闻起来像留兰香薄荷,另一种更接近欧洲黑麦面包里葛缕子的辛香。人的鼻子能分清它们,是因为负责识别气味的受体本身也是具有手性的蛋白质。

科学家们有时会开玩笑说,“上帝似乎是个左撇子”。组成蛋白质的20种标准氨基酸中,甘氨酸没有手性,其余手性氨基酸在蛋白质里几乎统一采用L构型;组成DNA和RNA骨架的糖,则采用D构型。

这种生命关键分子高度偏向同一种镜像形式的现象,被称作同手性(homochirality)。


手性(上)与同手性(下)

问题在于,如果没有任何外部因素偏爱左边或右边,从非手性原料出发的普通化学反应通常没有理由只选择一边,两个镜像通常会等量出现。

那么,生命最初为什么会站到其中一边?这个问题至今没有确定答案。即使在最开始,某一边因为偶然只多出了一点点,这个微小优势为什么没有在后续反应中被抹平,反而可能越来越大,最终变成近乎统一的选择?

Kagan首先证明,化学体系并不会简单照抄最初的手性比例,偏差可以在反应中被非线性放大,而Kagan也是一个很少沿着直线前进的人。

Kagan回忆,自己小时候“不算一个好学生”。他最初在高中读文科,发现完全不适合自己,转入理科之后,才开始对数学、物理和化学产生浓厚兴趣。巴黎国立高等化学学校的入学考试,他第一次没有考上,第二次才成功。毕业以后,他原本也没打算进入学术界,而是准备成为工程师,到工业界工作。

一次偶然改变了方向。1954年,Kagan大学毕业,本要去服兵役,却因为体重不足被“缓召”。这意味着未来一年随时可能被征召,工业界的求职计划也陷入不确定。为了“不浪费时间”,他决定先去读个博。

有人建议他去法兰西公学院,他甚至不知道那是什么,“以为就是一所普通的学院”。导师Jean Jacques手把手教他结晶、格氏反应和出了名难控制的Reformatsky反应。


Reformatsky反应

Kagan记得Jacques有一个很老派的实验室诀窍:法兰西公学院对面有家印刷厂,会把从锌印版上刮下的锌屑扔掉,Jacques就去把这些废料捡回来,因为它们用来启动Reformatsky反应“好得出奇”。

这种对实验细节和异常结果的敏感,后来成了Kagan非常鲜明的研究性格。Jacques也给了Kagan研究上的自由。博士期间,Kagan想到一个关于类固醇骨架伪对称性的问题,导师告诉他:“这是你的想法,你可以自己发表。”后来Kagan也把类似的自由传递给学生,他始终只带规模不大的团队,认为博士和博士后结束以后,年轻研究者应该被鼓励离开,发展自己的研究方向。

1968年10月,Kagan在巴黎南郊的Orsay建立实验室。他一直希望同时探索多个主题,方向跨度很大:圆偏振光光化学、铕在核磁共振中的应用、稀土有机化学、石墨插层试剂,以及不对称合成中的非线性效应。

很多课题并不是按既定规划推进,而是在偶然的机缘中,因为一项技术或一个结果突然引起他的注意,才逐渐变成具体的问题。

在一次Kagan与法国石油研究院化学研究负责人Lucien Sajus的讨论中,两人想到,能否把当时刚出现不久的Wilkinson催化剂与一种手性膦结合起来。1971年,Kagan团队设计出了手性双膦配体DIOP。

2001年诺奖奖励的正是用手性催化剂优先制造一种对映体的革命。获奖者野依良治在诺奖演讲中回顾,DIOP作为“重大突破”,其铑配合物一度将脱氢氨基酸的不对称氢化推进到约80% ee(对映体过量值,衡量两种“镜像分子”中哪种占优,两边各一半时ee为0%,如果几乎只剩一种,ee就接近100%)的水平。


催化剂与产物对映体过量值之间的非线性关系

学生Balavoine因此问他:发现DIOP以后,是否后悔没有集中火力做一个方向,组建一支围绕自己的大团队继续发展、深入?

Kagan回答得很简短:“不,那样不会让我着迷。(Non, cela ne m’aurait pas passionné.)”

1980年代初,化学家们已经能够利用手性催化剂,让反应优先生成一种对映体。通常认为,如果在催化剂中混合两种互为镜像的对映体,产物中两种对映体也会有相应的比例。换句话说,他们认为,催化剂的手性会传递给产物,而且二者之间存在着线性关系。

Kagan开始怀疑这种“常识”。

诺奖委员会用一个简化的例子解释他的思路:假设催化剂中的手性组分有75%是“右手”、25%是“左手”,如果一个金属中心同时结合两个这样的分子,就会随机形成三种组合——“右—右”约占56%,“左—右”约38%,“左—左”约6%。

“左—右”的混合组合催化效率很低,相当一部分左右手分子因此被成对“扣”在一个几乎不工作的体系里,真正高效推动反应的主要是“右—右”和“左—左”。在有效工作的催化体系中,最初75∶25的差别,可以被放大到接近90∶10。


Kagan非线性手性放大机制示意图

Kagan把催化剂和产物的ee画在坐标纸上,得到的不是预想中的直线,而是一条曲线:催化剂的手性偏向并不会按固定比例传递给产物,有时会被放大,有时也会被削弱。这便是非线性效应(NLE)。1986年,他报告了三种不同的不对称反应。

Balavoine回忆,实验室一旦出现看似荒谬的异常数据,Kagan总会问,那究竟是实验假象,还是真有一个此前没人见过的现象?他的口头禅是:“如果这是真的,错过它就太可惜了!”

“在黑暗里打开汽车前灯”

1953年,英国理论物理学家Charles Frank曾试图解释,生命的同手性怎样可能从一个起初几乎左右对称的世界中产生。如果微小的手性偏差要不断扩大,体系需要形成一种自我强化机制:一种镜像的优势能够被增强,另一种受到抑制;更关键的是,反应生成的产物本身还要能够成为催化剂,“自催化”会使反应中某一种对映体的数量呈指数增长。

在论文最后,Frank轻描淡写地说:“在实验室中证明它,或许并非不可能。”

Kagan的非线性效应,意味着找到一种方法能够增强产物中某一种对映体的生成。在东京理科大学,硖合宪三正在补上最后一块拼图。

硖合从小就对自然科学感兴趣,但很长时间都没想好具体研究什么。上大学后,他专门去听各种课程和讲座,直到大二下学期,才最终选择了化学专业。读博士时,他跟随向山光昭研究不对称合成,曾为了优化一个反应,把条件一路试到−123℃。他认为正是那段密集而彻底的实验训练,让自己真正“体得”了不对称烷基化反应的诀窍。

也是在那时,他开始对同手性的起源感兴趣,但在当时的他看来,让一个没有预先手性指令的体系自发选择一边,仍然只是一个“遥远的梦想”。


图为另一名获奖者硖合宪三

1990年,硖合设计出一种反应,让手性产物本身成为催化剂,继续制造与自己具有同样构型的产物。这是第一个真正的不对称自催化反应,但结果并不理想。一开始使用的催化剂有86% ee,产物却只有35% ee,它的确会复制自己,但过程中手性优势反而不断变弱。

硖合继续给分子换上不同取代基、尝试不同条件。当时没人知道,高对映选择性的不对称自催化反应究竟是否存在,他形容那几年“就像在黑暗里打开汽车前灯,一边照着脚下探索,一边往前走”。

有一天,硖合翻看一本按官能团分类排列的试剂目录,5-溴嘧啶突然进入视线。他想到,可以把它转化成嘧啶-5-基烷醇,再拿来尝试不对称自催化,实验结果显示产物ee高得异常。

“既然是不对称自催化,”硖合回忆,“即使从极其微小的ee开始,也有可能逐次放大。”意识到这种可能的瞬间,他“整个人一下绷紧了”。

1995年,硖合与合作者在《Nature》正式报告了能够同时实现自催化和手性放大的反应。他从ee仅为2%的嘧啶-5-基烷醇出发,最终得到87% ee的产物。到1999年前后,已经能把反应推进到超过99.5% ee,但起点究竟可以小到什么程度?

2003年,硖合团队从仅有0.00005% ee的初始不平衡出发,把一次反应的产物继续作为下一轮催化剂,经过三轮连续的不对称自催化,ee被放大到超过99.5%。同年,他们报告了自发绝对不对称合成。在没有外加手性因素的条件下,反应最初总体上仍然接近左右各半,但分子层面的统计涨落会随机制造出一丝微不可察的不平衡。


硖合不对称自催化反应及连续手性放大过程

37次实验中,18次最终偏向R构型,19次偏向S构型,最终得到哪一种,取决于反应开始时的偶然情况。这是自生命诞生以来,人类首次成功地从非手性分子的组合中创造出手性。

最酷的实验

2003年,理论化学家Kurt Mislow把这套反应称为“Soai reaction”,硖合反应。在诺奖发布会上,评委Peter Somfai盛赞“这大概是有机化学里最酷的实验”。

“硖合”是日本非常罕见的姓氏,据日本姓氏数据库估算全国只有约20至30人,主要分布在硖合本人出生的广岛一带。一个原本连大多数日本人都未必见过的姓氏,就这样成为了全世界有机化学家都认得的反应名称。硖合在2019年刊发的自述《感动的瞬间》里写道,一个反应能够以自己的名字被广泛引用,是“望外の光栄(远远超出自己预想的荣誉)”。

硖合最珍视的是一次次偶然相遇:这项研究中有过许多个需要跨越的“threshold(门槛、阈界)”,很多时候回头看,如果当时没有遇见某个人,那个门槛也许就跨不过去。研究的关键,是研究者和合作者之间的组合,那些相遇让他觉得“命运般而令人感动”。

Kagan也有类似的感受。这位1930年出生的科学家,在2013年法国化学期刊《L’Actualité Chimique》刊发的长篇对谈中,回顾自己已经完整经历了现代科研信息工具的几轮革命。

“每当重要的技术进步和概念进步出现时,我都很清楚它们的重要性。”最早出国办会议,和同行协调日程都很困难;后来有了传真,沟通简单迅速起来;再后来电脑和互联网又让工作变得更高效。过去实验室里必须摆着厚厚的科学词典、百科全书和成套期刊,如今信息随手可得。

Kagan记得导师Jacques特别强调,做文献检索时,“一定要始终保持好奇心,注意旁边那一页(la page d’à côté)的重要性”。本来去图书馆寻找一篇论文,翻开期刊,却可能瞥见一旁一篇完全在预期之外的文章,一个未被关注的问题由此进入视野。

Kagan觉得现在的学生和年轻研究人员受到的训练,是找到自己正在寻找的东西,他们非常清楚应该去哪儿获得信息。“这非常高效,但处在课题边缘和边界上的信息,会从他们眼前溜走。”


图为Henri B. Kagan

站在2026年的当下,问题已经演变得更尖锐。推荐算法和AI,正让寻找答案变得前所未有地便捷。但对于研究者来说,真正困难的往往是发现一个此前根本没有意识到的问题。

过去实验室的图书馆也是公共空间,不仅放文献,也是研究人员偶然碰面、争论和交流的地方,有人从国际会议回来,会专门向所有人讲自己听到了什么。如今,人与人更多坐在各自的屏幕前,但Kagan始终认为,围绕尚未完成的研究展开的seminar和讨论,这些人与人的连结,仍会是实验室最核心的部分。

提到科研评价,Kagan直言:“我们都被卷入了追求论文数量和质量的竞赛。”数量容易衡量,于是期刊影响因子、平均引用等指标又被拿来替代“质量”。他担心,这种压力最终会改变研究人员的行为,尤其改变他们选择什么问题,以及这些问题还能保留多少原创性。

“研究的意义之一,就是走向未知,并且留意那些没有预料到的东西。”Kagan表示,实验室里曾有一些成绩非常优秀的学生,却总希望事先预测实验结果,“显然,这不是找到原创性东西、开辟新路的方式”。

最后谈及化学的未来,Kagan表示:“化学是一门基础科学,同时位于许多其他科学学科的交界处。我无法想象它会消失,那是不可能的。”随着计算机越来越强大,理论化学还会继续发展,而合成化学也始终会回应社会的重要需求。“化学就是生命,而生命本身含有极其丰富的化学。”

有机化学研究正在不断推动人类重新认识生命起源和自身。生命的同手性形成于约35亿至40亿年前,最初那一点偏差,究竟从哪里来?

硖合和合作者先后证明,宇宙和地球环境中的圆偏振光,石英、辰砂等手性矿物,甚至同位素造成的极细微差异,都能够给反应一个初始方向。甚至石膏这种整体晶体结构并不手性的矿物,它互为镜像的解理表面,也可以分别诱导相反构型的产物。后续的不对称自催化,再把这种最初很小的差别放大。

不过硖合反应本身高度人工化,依赖二烷基锌等对水和空气敏感的试剂,与早期地球可能存在的水环境并不相同。诺奖委员会把Kagan和硖合的成果定位为一次重要的“概念验证”:从几乎没有方向的微小偏置,到高度统一的手性选择,化学上确实存在一条可以自我强化的放大路径。

生命如何从化学中出现,或许至今仍是科学史里巨大的悬而未决的“旁边一页”,我们已经看见了一些字,却还远远没有读完。

作者 |笛苇

编辑 | 向现

值班主编 | 张来

排版 | 阿车

责任编辑:戴丽丽_NN4994

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