左右的区别都有啥？谁能答对诺奖给他！

2026年诺贝尔化学奖得主（图片来源·：诺贝尔奖官网）

而卡甘教授也以96岁高龄跻身获得诺奖时年龄最大的前三名，在此，课代表再次提醒读者，想要获得诺奖，一定要坚持活着。

那么，两位科学家在化学领域做了哪些贡献？

什么是“手性”？

左右手镜面对称无法重合
（图片来源：青岛能源所原创）

许多生命分子都有手性，但是它们的“左右”比较混乱，为了统一，我们这里不用“左右”来称呼它们，而是用规定更严格的“R/S”来称呼它们。区别它们最简单有效的方法就是让一束偏振光通过手性化合物溶液，能够使偏振光发生左旋的便是左旋分子，反之则是右旋分子。为了更方便的描述手性分子，根据分子构型的不同，化学家用R（拉丁文Rectus，中文含义为“右”）与S（拉丁文Sinister，中文含义为“左”）代表不同的手性。

我们知道，大多数要用到手的任务，只要左手能做，右手也一定能做（除了挠右胳膊肘这种）。所以容易理解的是，R型分子和S型分子，它们的分子式完全一致，基本物理和化学性质也一致。例如熔点、沸点、密度、红外光谱、核磁共振都相同，但是，旋光性不一样。

在进行有机合成实验时，你会有一半概率得到R型，一半概率得到S型。这看似很讲道理。

但让人一直都很费解的是，生物体似乎有方法能够严格区分R和S。

一方面，生物可以从没有手性的前体物质中，选择性地只合成R或者S，而不是像人类实验结果一样出现50-50的概率；另一方面，生物化学中经常出现只有R或S中的一种才能发生反应的场景——比如酶和受体，它们只与特定构型的分子结合。

这种手性差异在药物上体现得尤为明显。20世纪60年代发生过一场惨剧：数千名孕妇服用了沙利度胺药物（也就是著名的“反应停”）后，分娩出了出生缺陷的婴儿。事后发现，这正是沙利度胺异构体酿成的大祸。

因此，化学家们一直在追寻两个问题的答案：首先，生物到底是怎么只挑一种手性物质合成的？然后，我们能不能也学会这个方法，从而高效地获得某些手性物质？

三把金钥匙

在生物体内，构成蛋白质的氨基酸几乎全是L型（左旋），构成DNA、RNA 的糖几乎全是D型（右旋）。这就是同手性（homochirality）——生命只选用一种手性的零件来搭建自己，这种性质一度被认为是生命独有的。

生命中的大多数分子都是同手性的。（注：在生物化学里常用L和D来区分手性分子，与有机化学中常用的R和S有所区别）

之前学界一直有一种共识，那就是催化剂的手性会影响产物的手性，如果催化剂是R的，那么产物也一定是R的。而金属离子本身是没有手性的，它在反应体系中的手性，取决于它结合的配体。因此，如果配体里有四分之一的R，就会形成四分之一的R催化剂，产物一定也是有四分之一的R。这种产物与配体成比例的现象，被称为线性。

1953年，理论物理学家查尔斯·弗兰克（Charles Frank）提出了一个与催化剂相关的化学反应模型，这个模型后来被证明是理解非线性效应的关键。该模型认为，如果一个化学反应能同时满足三个条件，那么它就能像生命一样创造同手性：

形象地理解，条件1就是一个引子，它至少能创造出第一个不对称的镜像分子；条件2引入了选择性，也就是说后续反应出现了明显的倾向性。条件3则是“快速放大器”，单一镜像产物作为催化剂，可以催化出更多单一镜像产物，更多产物又催化出更更多产物，这样一来，整个反应就快速呈现一边倒的态势。

1904年，德国化学家威利·马克瓦尔德（Willy Marckwald）完成了第一个成功的不对称反应。在这个反应中，催化剂的RS各占一半，但最终的产物里R比S多了不少。也就是说，他实现了条件1。但为什么能实现，人们最初其实并不知道。

马克瓦尔德实验中的不对称催化现象（图片来源·：诺贝尔奖官网）

或左或右，但不能既左又右

卡甘是一名法国化学家，在经历了20世纪欧洲的沙利度胺事件后，他致力于合成单一镜像的化合物。

卡甘他把目光聚焦到了有机实验中经常使用的金属催化剂上。他注意到，如果一颗金属离子只能结合一个配体，那么线性结果是不可避免的。但是，如果金属离子能结合两个手性物质作为配体呢？

如果同时吸引了两个R型分子，产物肯定是R的。同理，同时吸引两个S分子就会得到S产物。如果同时吸引了一个R和一个S，那么R和S会打架，导致反应失败。

想到这里，卡甘的眼镜泛起了白色的反光，卡甘，他悟了！

你没懂？没事，下面跟上课代表的思路，我们用数学的方式，来理解一下卡甘的点子。

假设最初的配体中，R占1/4，S占3/4。也就是说，催化剂配体的RS比值是1:3。

考虑一颗金属催化剂结合两个配体的场景，我们可以得到：同时结合两个R的概率是1/16（约6%），同时结合两个S的概率是9/16（约56%），同时结合RS的概率是6/16（约38%）。

根据上述论述，结合两个R，产物就是R；结合两个S，产物就是S；而结合RS时，催化失败，没有产物。

因此产物中的RS比值就是6%：56%，大约是1:9。

还记得我们之前提到过的线性理论吗？线性理论认为，催化剂配体中的RS比值是1:3，产物就一定是1:3。

但在卡甘设想的场景中，产物中的RS比值是1:9。也就是说，生成R的反应被抑制，而生成S的反应被加强了。

至此，我们复习一下条件2：其中一个镜像的形成被增强，而另一个镜像的形成则被抑制。

完美解决。

卡甘实验的原理图。过程的数学描述详见上文。（图片来源·：诺贝尔奖官网）

化学反应中的蝴蝶效应

硖合宪三最初研究了一种具有显著非线性效应的不对称化学反应。当他仔细研究反应催化剂和生成物的结构时，他发现它们之间存在显著的相似性。这激发了他的一个想法：或许他可以设计一种反应，使催化剂在自催化过程中自我形成。这就是上述条件3的内涵。

如果说卡甘的成就来自他的灵光一闪，那么硖合宪三则是主打一个“大力出奇迹”。他一次次地尝试不同的化合物，它们都符合同一个特征：催化剂的结构与产物类似。

经历无数次失败之后，硖合宪三在1995年找到了他梦寐以求的第一个反应：嘧啶-5-甲醛与二异丙基锌的烷基化反应，生成的产物（某种嘧啶基醇类）是这一反应的催化剂。

在起始的反应物中，R只比S多了1%，经过自催化反应后，产物中R的占比接近94%。

该反应具有自我增强的特性，并满足了弗兰克的所有标准，但并未达到100%的纯度。

在接下来的八年里，硖合宪三继续探索终极自催化过程。2003年，他终于成功展示了一种化学反应，该反应生成过量的对映异构体，而这些对映体随后又会自我复制。

当反应启动时，两种对映异构体都会生成，但由于反应过程受偶然因素支配，其中一种对映异构体的生成量略多一些。哪怕只多出了一点点，差异就会通过自催化效应迅速放大，从而导致单一镜像的压倒性合成。

根据实验室结果统计，在37次RS反应物各占一半的独立实验中，19次得到S，18次得到R。这也验证了，产生R还是S取决于反应最初那一点点的随机性。

在人工控制的实验中，让初始状态下R比S多出0.00005%，最终的产物无一例外全是R。

从某种意义上来说，硖合宪三完成了只有生命才能完成的壮举：从几乎完全对称的手性分子组合中创造出非对称的手性分子。

结语

卡甘发现的非线性效应已成为化学家设计新反应的重要工具。这对于所有生产与生物体相互作用物质（例如药品、香精、香料和农用化学品）的行业都至关重要。

而硖合宪三发现的硖合反应，是人类化学史上最壮观的化学反应之一。这一反应首次实现了从几乎无手性的反应体系里创造出高纯度的手性物质，并且极大地推动了人类探索生命起源以及生命早期的生物化学过程。

天才的思路和不懈的坚持，正是本次诺贝尔化学奖的一体两面，也正是这两种品质推动着人类的科学事业不断进步。