【教学拓展】2026年诺贝尔化学奖与高中化学教学和备考启示

化学家长期以来一直困惑，同手性是如何形成的。亨利·卡甘和硤合宪三被授予2026年诺贝尔化学奖，正是因为他们为这一谜题找到了答案。亨利·卡甘发现了一种调控化学反应的新方法，能让反应生成的某一种镜像分子的过量程度超过此前的理论预期。他的发现对研发药物、香精、香料和新材料生产反应的化学家而言，具有革命性意义。

硤合宪三设计出了首个仅能生成某一种潜在镜像分子的化学反应。除生命系统本身之外，此前从未有人实现过这一成就。硤合反应（Soai reaction）是有史以来最引人瞩目的化学实验之一。

一、谜题的开端（19世纪）

2026年诺贝尔化学奖的成果源自一条漫长的思想链条，这一链条的第一个环节形成于19世纪中期。一切始于路易·巴斯德对酒石酸晶体的研究。他发现分子存在两种互为镜像的“对映体”。更关键的是，他发现细菌只“消耗”其中一种镜像分子，首次将化学与生命的同手性（homochirality）联系起来。巴斯德研究的大部分对象，都是通过显微镜观察的。当他的同事提出，酒石酸有时会使偏振光向右偏转，有时却完全不影响光线时，他的好奇心被激发了。他培养了酒石酸晶体，在显微镜下观察后发现，这些晶体存在两种变体，二者互为镜像。他用镊子将两类晶体分开，分别溶解在液体中。当他让偏振光穿过这些溶液时，一种溶液使光线向右偏转，另一种则使光线向左偏转。如果将两种溶液混合，光线则完全不发生偏转。

这一实验让化学家认识到，有些物质存在两种镜像变体。最终，这类物质被称为手性（chiral）物质，而互为镜像的两种分子则被称为对映异构体（enantiomers）。

巴斯德在1857年又有了一项重要观察，当时他正在研究细菌发酵酒石酸不同对映异构体的过程。结果发现，细菌很容易发酵葡萄中天然存在的、能使光线右偏的对映异构体，但对镜像分子完全不感兴趣，这类分子始终未被分解。由此，生命化学具有某种手性的观点首次被提出。后来，当研究者开始研究生命的构成单元时，发现天然存在的氨基酸总是使偏振光左偏，而DNA螺旋中的糖则恰恰相反，会使光线右偏。

既然已知生命分子仅包含两种可能对映异构体中的一种，下一个问题随之而来：生命起源阶段发生了什么，让生命的化学体系呈现出“单手性”？当化学家尝试合成手性分子的反应时，试管里得到的总是两种对映异构体的等量混合物。那么，为什么生命体只使用氨基酸的其中一种镜像结构？同手性究竟是如何产生的？

二、生命的不对称得到解释

部分化学家提出，手性化学是生命独有的特性。但在20世纪初，德国化学家威利·马克瓦尔德（Willy Marckwald）首次成功实现了不对称（asymmetric）反应。这意味着反应生成的某一种对映异构体比另一种更多。关键在于，马克瓦尔德使用了一种催化剂（catalyst）——这类物质能推动化学反应，但自身不会被消耗。在这个反应中，催化剂本身具有手性，因此会优先促进某一种镜像分子的生成，而非另一种。虽然两种对映异构体生成量的差异非常小，但这一现象的存在本身就是一项突破。

布里斯托大学的查尔斯·弗兰克（Charles Frank），是一名理论物理学家，有同事告诉他，化学家至今仍不理解生命的不对称性是如何产生的。据这位同事说，为这一问题提供数学层面的解决方案，会对化学家大有帮助。作为回应，弗兰克提出了一个化学反应模型，该模型需要满足三个条件：

1.存在手性催化剂与不对称反应。

2.某一种镜像分子的生成过程以某种方式被强化，另一种则被抑制。

3.化学反应能生成催化剂本身。这就是所谓的自催化（autocatalysis），会产生自我强化效应，使反应体系中某一种对映异构体的数量呈指数级增长。

满足所有这些条件的化学反应，最终可以产生同手性。弗兰克的模型在化学家群体中广泛传播，成了一道经典的化学谜题：大学讲师可以把它抛给学生——如何将这些条件转化为现实的化学反应？

如前文所述，马克瓦尔德在20世纪初就成功满足了第一个条件，但直到很久之后，研究者才设计出具有实际意义的不对称反应。该领域的先驱曾获得2001年诺贝尔化学奖（威廉·诺尔斯、野依良治和巴里·夏普莱斯，表彰他们在催化不对称合成领域的开创性贡献。）与2021年诺贝尔化学奖（威廉·诺尔斯、野依良治和巴里·夏普莱斯，表彰他们在催化不对称合成领域的开创性贡献。）。

2026年诺贝尔化学奖表彰的是对剩余两个条件的实现。我们先从那个简单而巧妙的思路说起，正是这个思路，让亨利·卡甘在1986年实现了弗兰克模型中的第二个条件。

卡甘是20世纪80年代初致力于优化不对称反应的众多化学家之一。当时的研究目标是生成尽可能纯的对映异构体，以满足药物制造等领域的需求。20世纪60年代初的沙利度胺丑闻已经证明了实现这一目标的重要性：当时数千名儿童出现了由镇静剂沙利度胺导致的先天缺陷。研究者分析事件原因后发现，造成伤害的正是药物活性成分的镜像异构体。为了推动不对称反应，研究者通常使用双组分催化剂：一个金属原子作为反应的“动力源”，另一个手性物质确保反应具有不对称性。由于研究者的目标是在产物中获得纯的对映异构体，他们通常会在催化剂中使用尽可能纯的单一对映异构体。但此前他们一直假设，如果在催化剂中混合两种镜像对映异构体，产物中两种对映异构体的比例也会与催化剂中的相同。换言之，他们认为催化剂的手性会传递给产物，二者之间存在线性关系。

卡甘开始质疑这一假设。作为经验丰富的化学家，他花时间更细致地思考了催化剂本身的作用机制。实际上，没人真正知道催化剂是如何工作的——化学反应过程中，金属原子和手性分子显然会发生相互作用，但问题是这种作用是如何发生的。

金属原子通常会同时与多个分子发生相互作用。因此卡甘假设，反应过程中催化剂的金属原子至少会结合两个手性分子。如果将左右两种对映异构体混合，就会形成三种形式的催化剂，如图所示：右-右型、左-右型、左-左型。

右-右型和左-左型催化剂会生成互为镜像的产物——但左-右型催化剂会如何反应呢？

当卡甘在催化剂中混合不同比例的对映异构体时，就出现了如图所示的效应。反应产物中某一种对映异构体的过量程度，高于催化剂中的对应过量程度。他将实验结果绘制成图后，发现了一种非线性效应。

这一推导让卡甘发现了意料之外的关键现象：左-右型催化剂的行为与另外两种截然不同。当他用催化剂中不同比例的对映异构体组合推动反应时，产物的异构体比例关系并不像其他化学家假设的那样是线性的。相反，卡甘将实验结果绘成的图是弯曲的。原因在于，左-右型催化剂推动化学反应的速度，远慢于右-右型和左-左型催化剂。实际意义在于，他找到了一种方法，可以提升产物中某一种对映异构体的生成比例。由此他实现了弗兰克模型中的第二个条件。1986年，他发表了至少三种不同的不对称反应，这些反应都表现出化学家所称的非线性效应（non-linear effects）。这是一项历史性突破，许多化学家开始探索这一新现象。其中就包括东京理科大学的硤合宪三，他最终为2026年诺贝尔化学奖的思想链条补上了最后一环。

硤合宪三研究的是一种具有显著非线性效应的不对称化学反应。当他仔细分析反应的催化剂结构与生成的产物结构时，发现二者存在高度相似性。这给他带来了一个思路：或许他可以设计出一种反应，让催化剂通过自催化过程自行生成？

当时是20世纪90年代初，学界已经发现了若干自催化反应的案例，但没有一个是不对称的。通过对多种不同分子的实验，硤合宪三成功找到了一种手性物质——5-嘧啶基烷醇（5-pyrimidyl alkanol），这种物质可以通过反应自行生成。在1995年发表的一篇论文中，他描述了这一革命性实验。实验初始时，他加入的5-嘧啶基烷醇中，某一种对映异构体仅过量2%，但最终产物中该对映异构体的过量程度达到了87%。这个反应具有自我强化特性，完全满足弗兰克提出的所有标准，但尚未达到生命系统100%的对映异构体纯度。

硤合宪三又用了8年时间，持续寻找最理想的自催化过程。2003年，他终于展示了一种化学反应，反应会生成过量的某一种对映异构体，而这种异构体又能生成自身的拷贝。这是自生命起源以来，人类首次成功从非手性的分子组合中创造出手性。

硤合反应示意图

硤合反应（Soai reaction）被认为是有史以来最精巧的化学实验之一。当硤合宪三启动催化过程时，两种对映异构体都会生成，但由于过程受随机因素影响，其中一种的生成量会略高一点。这种微小的过量就足以让该种对映异构体主导整个化学反应。最终，这种异构体可以占到产物的99.99%。当硤合宪三重复这一反应时，另一种对映异构体也可能反过来主导反应；最终得到哪种对映异构体，取决于反应启动阶段的随机情况。硤合反应是人工反应，与生命的化学过程不同，但它重新点燃了化学家探索生命起源的热情。目前，全球各地的研究者都在尝试复现硤合宪三的成果，目标是生成同手性的氨基酸和糖。