他们揭示了化学如何选中分子的某一种镜像形式,并把它放大。
- 许多分子有左手型和右手型两种镜像形式,而生命只用其中一种。
- 卡甘(Henri B. Kagan)发现,左右不匹配的催化剂组合工作缓慢,所以占多数的那种形式会比预期赢得更多。
- 硖合宪三(Kenso Soai)造出了一种能复制自身的分子,把偶然出现的微小失衡变成几乎纯净的产物。
之前的难题
许多分子,比如氨基酸,有两种互为镜像的形式,就像左手和右手。生物只用其中一种,可普通的实验室反应总是生成两者等量的混合物。
化学家原本认为,产物纯度会随催化剂纯度直线上升,所以不纯的催化剂永远不可能超过这条直线。1953年,物理学家查尔斯·弗兰克(Charles Frank)描述了从几乎对半的混合物走向单一手性的数学原理。但当时没有人展示过真正能做到这一点的反应。
原理
以硖合反应为例。一种锌化合物与一种叫嘧啶醛的环状分子反应,生成一种醇。这种醇有左手型和右手型,每一种都会加快生成更多与自己同型的分子。按照一种主流解释(建立在卡甘的想法之上),同手性的分子组队后工作得很快,而左右混搭的组合效率很低,还会把占少数的那种形式拖住。另一种对立的解释认为原因在别处,化学家仍在争论哪种解释正确。
在硖合宪三1995年的工作中,起始时一种形式过量5%,一轮后升至55%,两轮后升至87%,五轮后约为90%。在后来的一次测试中,起始过量仅为0.00005%,三轮后就超过了99.5%。
如果完全不刻意制造失衡,就由随机的偶然性决定起点偏向哪一边。在37次这样的实验中,一种形式胜出18次,另一种胜出19次。
会卡住对手的复印机
想象一个房间里摆满了复印机,它们只能“复印”出新的复印机。左手型复印机印出左手型复印机,右手型的印出右手型的;而每当一台左手型和一台右手型配成一对,它们就会互相卡住、停止工作。一开始只要左手型比右手型多一两台,卡住就会先把右手型的机器耗尽,于是左手型占领了整个房间。这个比喻的不贴切之处在于,分子并不会做选择:这种“占领”来自反应速度和偶然性,而且化学家至今仍在争论这种“卡住”在原子层面究竟是怎么发生的。
- 它首次在实验室里演示了弗兰克1953年的模型,展示了单一手性的化学如何从几乎对半的混合物中产生。
- 硖合反应把两种形式之间的比例放大了63万倍,从0.00005%的过量提升到99.5%以上。
- 卡甘的非线性效应如今是化学家用来弄清催化剂如何起作用、并对其进行调整的重要工具。
- 这一效应有实际用途:默克(Merck)的化学家在合成一种候选药物时,用纯度70%的起始原料制成试剂,得到了纯度95%的产物。
- 药物、风味物质、香料和农用化学品的生产商都需要单一的镜像形式,诺贝尔委员会表示,这些思想为此类反应的设计提供了指导。
10秒
他们展示了偏向“左手型”分子的微小倾斜如何像滚雪球一样,变成几乎全是左手型,而生命的化学正是这个样子。
讲给孩子听
有些微小的“积木”分左手版和右手版,就像手套一样。生物只用其中一种。这些科学家找到了一种办法,让手套能复制自己,于是多出来的几只左手手套,变成了一大堆左手手套。
30秒
许多分子有左手和右手两种镜像版本,而生命只用其中一种。实验室反应通常生成两者各占一半的混合物。亨利·卡甘发现,由左右两种部件混搭而成的催化剂工作缓慢,于是占多数的那个版本得到了增强。之后,硖合宪三造出了一种能复制自身的分子,让微小的随机领先变成几乎纯净的一批产物。
2分钟
你的两只手互为镜像,许多分子也是如此。生命很挑剔:你的蛋白质只用一种手性的氨基酸。化学家一直无法解释这是怎么发生的,因为普通反应会生成等量的混合物。想象一个房间,里面摆满了能复印出自己的复印机,每当一台左手型和一台右手型配成一对,它们就会互相卡住。一开始只要多几台左手型,卡住就会把右手型的机器淘汰掉,直到左手型占满整个房间。卡甘在1986年找到了“卡住”这一环:由左右两种部件混合构成的催化剂工作缓慢,于是占多数的那种手性赢得比预期更多。硖合宪三找到了“复制”这一环:一种能加快自身生成的分子。在一次实验中,0.00005%的领先在三轮内增长到99.5%以上。这证明简单的化学反应能够自行打破平衡。至于生命本身是如何做到的,仍是一个悬而未决的问题。
- 手性
- 拥有一个无法与原物完全重合的镜像,就像左手和右手。
- 对映异构体
- 手性分子的两种镜像形式。
- 均一手性
- 全部是同一种手性。这个词源自希腊语,意思是“同一只手”。生命中的氨基酸和糖都是均一手性的。
- 外消旋混合物
- 两种镜像形式各占一半的混合物,普通反应生成的就是这种。
- 对映体过量(ee)
- 一种形式比另一种多出多少,用百分比表示。
- 催化剂
- 能加快反应、自身却不被消耗的物质。
- 自催化
- 产物能加快自身进一步生成的反应。
- 非线性效应
- 产物纯度不随催化剂纯度直线上升的情况。
- 不对称合成
- 有意让一种镜像形式多于另一种的合成。
Sources, reader versions and the quiz are on the English page.