官方详解今年诺贝尔化学奖为何颁给这两位科学家
官方详解今年诺贝尔化学奖为何颁给这两位科学家
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南巴黎大学的亨利·卡根（Henri B. Kagan）和日本东京理科大学的硖合宪三（Kenso Soai），以表彰他们“在不对称有机合成中发现非线性效应与自催化作用”。
有些化学反应会生成两种不同的分子，它们互为镜像。几十年来，研究人员知道从理论上说，可以设计出只生成其中一种镜像分子的反应，但如何在实践中做到这一点，始终是个谜。
卡根发现了一种调控化学反应的新方法，使其中一种镜像分子的过量程度，能够超过此前人们认为可能达到的水平。对于开发药物、食用香料、香氛及新材料制造反应的化学家而言，这一发现具有革命性意义。硖合宪三设计出了首个只生成一种可能镜像形式的化学反应。除生命体自身外，此前从未有人实现过这一壮举。
诺贝尔化学委员会主席海纳·林克（Heiner Linke）表示：“同手性如何能够自发产生，是一个已有百余年历史的化学谜题，亨利·卡根和硤合宪三为它提供了解答。他们开发的化学反应令人惊叹。”
从酒石酸开始：生命为何偏向一种镜像分子？
生命中的分子给化学家出了难题。设想你是一名按客户要求配制钥匙的锁匠。问题在于，每次制作钥匙时，你总会得到两种互为镜像的版本，但其中只有一种能够打开锁。如果客户尝试用另一种钥匙开锁，甚至可能损坏锁。不幸的是，这两种钥匙很难区分，因此客户拿到的总是两种钥匙的混合。
化学家开发新药时，也面临类似的挑战。许多药物分子存在两种互为镜像、却无法完全重合的形式：一种具有治疗作用，另一种则可能产生不必要、有时甚至有害的副作用。这背后的原因，与生命最基本的化学特征有关：生命具有化学家所说的“同手性”（homochiral），这个词源自希腊语中的“相同”和“手”。
2026年诺贝尔化学奖的成果，源于一条漫长的思想链条，而它的第一环形成于19世纪中叶。一切始于路易·巴斯德对一种在葡萄酒生产中十分重要的物质——酒石酸（tartaric acid）的研究。
路易·巴斯德的同行提出，酒石酸有时可以让偏振光向右偏转，可有时又完全不会对偏振光产生任何作用，这勾起了巴斯德的好奇心。他培养酒石酸晶体，放到显微镜下观察，发现晶体存在两种互为镜像的形态。他用镊子把两种晶体分离开，再分别进行溶解。把偏振光穿过两份溶液，一份溶液使光向右偏转，另一份使光向左偏转；如果把两份溶液混合在一起，偏振光就不会发生偏转。这一实验让化学家认识到，某些物质存在两种互为镜像的形式。后来，这些物质被称为手性物质，而互为镜像的两种分子则被称为“对映体”（enantiomers）。
1857年，巴斯德作出了下一个重要观察。他研究了细菌发酵酒石酸不同对映体时会发生什么。结果发现，细菌很容易发酵葡萄中存在的、能使偏振光向右旋转的那种对映体，却对它的镜像分子毫无兴趣，后者原封不动地留了下来。由此，生命的化学过程在某种意义上具有手性的观点首次出现。
认识到生命分子只选用两种对映异构体当中的一种，又引出了下一个问题：在生命诞生之初，发生了什么，造就了生命化学的这种单手性？化学家做生成手性分子的实验时，试管中得到的永远是两种对映异构体的等量混合物。那生命体为什么只选用氨基酸的其中一种镜像分子？同手性到底该如何产生？
一些化学家认为，手性化学是生命独有的现象。然而，20世纪初，德国化学家威利·马尔克瓦尔德首次成功实现了不对称反应。这意味着，反应生成的一种对映体多于另一种。关键在于，马尔克瓦尔德使用了一种催化剂——一种能促进化学反应、而自身不被消耗的物质。在这个反应中，催化剂具有手性，因此它更有利于生成某一种镜像形式，而不是另一种。
通往2026年诺贝尔化学奖的思想链条，其下一个重要环节形成于1953年。这一次，它来自一篇科学论文中提出的纯理论推演。作者是布里斯托大学的理论物理学家查尔斯·弗兰克。有一位同事告诉他，化学家至今仍然搞不懂生命不对称性的起源；这位同事认为，如果能针对该问题给出数学层面的解答，将会对化学家很有帮助。为此，弗兰克提出一套化学反应模型，这套模型必须同时满足三项条件：1、存在手性催化剂和不对称反应；2、一种镜像形式的生成以某种方式受到促进，而另一种的生成受到抑制；3、化学反应能够生成催化剂本身。这被称为“自催化”，会产生自我增强效应，使反应中某一种对映体的数量呈指数增长。
满足上述所有条件的化学反应，可以产生同手性。如前所述，马尔克瓦尔德在20世纪初就成功满足了第一个条件，但研究人员直到后来才设计出具有显著不对称性的化学反应。这一领域的先驱分别获得了2001年和2021年的诺贝尔化学奖。2026年诺贝尔化学奖表彰的，则是对其余两个条件的实现。
卡根的突破：微小的偏向可以被放大
20世纪80年代初，当时在巴黎第十一大学工作的卡根是众多致力于改良不对称反应的化学家之一。目标是为制药生产等制造尽可能纯净的对映体。做到这一点的重要性，已在20世纪60年代初的沙利度胺（反应停）事件中显现——当时成千上万的儿童因一种镇静剂沙利度胺而患上出生缺陷。当研究人员分析所发生的一切时，他们意识到，造成伤害的正是该活性物质的镜像。
由于研究人员希望在产物中得到纯的对映体，他们通常也会在催化剂中使用尽可能纯的一种对映体。不过，他们认为，如果在催化剂中混合两种互为镜像的对映体，产物中也会出现相应的比例。换言之，他们认为，催化剂的手性会传递给产物，两者之间存在着线性关系。
卡根开始质疑这一假设。金属原子通常会同时与多个分子相互作用。因此，卡根假设，在化学反应中，催化剂中的金属至少会结合两个手性分子。如果将右手型和左手型对映体混合，就会出现图4所示的三种催化剂形式：右-右、左-右和左-左。右-右型和左-左型催化剂会生成互为镜像的产物，但左-右型催化剂又会如何参与反应呢？