分子也有“左右之分”，今年诺贝尔化学奖为何研究“偏心”？

2026 年 10 月 7 日，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予亨利·B·卡甘（Henri B. Kagan）和硖合宪三（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。他们的研究到底是什么意思，又有什么意义呢？让我们从左手和右手讲起。

左手？右手？事关重大

伸出你的两只手。它们看起来几乎一模一样，都是五根手指。但是它们只是互为镜像，每个人都能看得出来，它们是“反着的”。

手性分子示例 图片来自wiki

分子世界里，也有关系就像“左手”和“右手”的分子。有些分子由完全相同的原子组成，原子的连接顺序也完全一样，仅仅因为三维空间中的排列不同，就形成了互为镜像、却无法完全重合的两种结构。化学家把这种现象称为手性，把这两个互为镜像的分子称为对映体。

生物中有很多分子具有手性，高度“讲究左右”。比如组成蛋白质的氨基酸几乎都采用同一种手性系列，核酸中的糖也具有高度统一的手性，蛋白质几乎统一选择 L-氨基酸，而核酸中的糖则统一选择 D-糖。人体里的酶、受体和蛋白质同样具有精细的三维结构，面对两个看起来互为镜像的分子时，它们可能作出完全不同的反应，也会给机体带来不同的影响。

就像一只为左手量身定制的手套，即使材料、大小都完全相同，戴在右手上肯定会别扭。对于许多用作药物的功能性手性分子而言，“左右”做对了没有，往往直接关系到药效，甚至安全性。这在制药中尤其重要。

比如治疗帕金森病的重要药物左旋多巴（L-DOPA）就是一个典型例子。多巴分子也有互为镜像的两种形式，但人体对它们并非一视同仁，L-DOPA 能够被人体的相关转运和酶系统识别，并在脑内转化为多巴胺，从而发挥治疗作用；它的对映体 D-DOPA 则不能产生同样的治疗效果。而萘普生（naproxen，常见抗炎止痛药），它的一对对映体中一种具有抗炎疗效，而另一种则可能给患者带来健康风险。

而合成这些手性分子的时候，往往比较难以控制到底合成哪种对映体，常规合成出来的往往两种对映体含量相当。麻烦还不止于此，由于对映体物理性质几乎完全一致，因此很难用常规、低成本的方法直接分开。所以，与其先把“左手”和“右手”一起制造出来，再费力拆开，化学家更希望从反应一开始，就尽量只制造需要的那一种。

而这就是不对称合成要解决的问题。

向左走，向右走？化学家想说了算

我们在中学化学里学过催化剂。普通催化剂最重要的任务，是让一个反应更容易发生。但在不对称合成中，化学家对催化剂提出了更高的要求：不仅要让反应发生，还要尽可能把反应推向其中一种手性产物。

可以把它想象成一个岔路口。原料本来既可以往左走，也可以往右走，而一个好的手性催化剂，就像在其中一条路上打开了绿色通道，让更多分子走向同一个方向。

为了描述这种偏向有多明显，化学家会比较两种对映体的比例。如果左右各占一半，说明反应完全没有偏好；如果达到 99∶1，就说明反应几乎已经只选择了一边。

按照直觉，催化剂自己有多“偏”，产物大概也就跟着偏多少。但法国化学家卡甘发现，真实的分子世界并没有这么听话。20 世纪 80 年代，卡甘和同事研究不对称催化时发现，催化剂的手性程度与最终产物的手性程度，并不总是简单地成正比。

如果把两者画成一张图，最简单的情况应该是一条直线：催化剂多偏一点，产物也多偏一点。但实验中，这条线却可能明显弯曲。有时催化剂只有一定程度的手性偏向，产物却表现出更强的手性选择；也有一些体系恰恰相反。这种现象被称为非线性效应。

为什么会这样？因为催化剂分子并不一定都是单打独斗。它们可能彼此结合，形成不同的分子组合，而这些组合的数量、稳定性和催化能力并不相同。于是，一点点微小的组成变化，就可能引起比预想更大的结果。

卡甘的工作让化学家意识到：在手性催化中，输入和输出之间并不一定是简单的直线关系。微小的差异，有可能被分子之间的相互作用进一步放大。

那么，这种放大有没有可能走得更远？一个最初几乎可以忽略的左右差异，能不能在化学反应中自己越变越大？

另辟蹊径，我造我自己？

真正令人惊讶的答案，来自日本化学家硖合宪三。

1995 年，硖合宪三团队报道了一类非常特殊的不对称自催化反应。所谓自催化，其实并不难理解。普通催化反应中，原料 A 和 B 生成产物 C，需要另一个催化剂 D 在旁边帮忙；而在自催化反应中，生成的产物 C 自己就能充当催化剂，帮助原料继续生成更多的 C。

更神奇的是，硖合宪三发现的反应还会“认左右”。假设反应刚开始时，两种手性产物几乎一样多，只是“左手”碰巧比“右手”多了一丁点。多出来的左手产物会帮助产生更多左手产物；新产生的左手产物又继续参与催化，于是左手的优势越来越明显。

硖合宪三团队最初的实验已经证明，较小的手性偏差可以通过连续的自催化过程被明显放大。此后的研究更显示，在特定体系中，即使最初的手性差异小到几乎难以察觉，经过多轮不对称自催化，也可以最终得到高度偏向一种手性的产物。

这件事之所以让化学家兴奋，是因为它展示了一种非常特别的可能：一个体系不需要从一开始就拥有巨大的优势，只需要存在一点点偏心，在合适的反馈机制下，这种偏心就可能越来越大。

生命最初的问题

卡甘和硖合宪三的工作首先改变了化学家理解和控制不对称反应的方式，但它还把人们带回了一个更加古老的问题：生命为什么也如此“偏心”？

今天地球上的生命具有显著的“同手性”。比如，生命合成蛋白质时使用的氨基酸几乎都属于同一种手性系列。可在生命出现以前，最初的地球化学环境为什么会逐渐偏向其中一边？

图片由AI生成

科学家至今没有最终答案。硖合宪三反应也不能证明几十亿年前的生命就是沿着这条道路产生同手性的。但它用真实的化学实验展示了一件此前难以想象的事情：一个极其微弱的初始手性差异，确实可能通过自催化和非线性过程不断被放大，最终让整个体系明显倒向一边。

从这个意义上说，卡甘和硖合宪三研究的并不只是如何更好地合成一种分子。他们让我们看到，在微观的化学世界里，微小差异如何经过分子之间的相互作用和反馈，最终变成清晰而稳定的趋势。

来源：科普中国

编辑：毅大约的确如此

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号