Нобелевскую премию по химии 2026 года получили Анри Каган и Кэнсо Соаи. Их работы раскрыли, как едва заметное преимущество одной пространственной формы молекулы может многократно усилиться. Это объясняет не только современный синтез лекарств, но и более фундаментальный вопрос: почему молекулы живых организмов почти всегда существуют в одной из двух возможных конфигураций.

В центре этой истории хиральность. Молекулы с одинаковым набором атомов и связями могут иметь два разных пространственных строения — энантиомеры. Один нельзя превратить в другой простым поворотом в пространстве.

Для живого организма разница между энантиомерами существенна. Ферменты и клеточные рецепторы распознают молекулы по трёхмерной форме, поэтому два варианта одного вещества действуют на организм совершенно по-разному. При создании лекарств химикам нередко нужно получить именно один энантиомер и минимизировать количество второго.

Возникает более сложный вопрос: если обе конфигурации образуются в одной реакции, откуда берётся сильное преимущество одной из них?

Анри Каган исследовал асимметрический катализ. Катализатор ускоряет реакцию и помогает ей чаще создавать один энантиомер вместо другого. Логично было бы ожидать простую зависимость: небольшой перевес одной формы катализатора даст примерно такой же перевес в получившихся молекулах. Опыты показали иное.

Молекулы катализатора объединяются в комплексы, причём разные сочетания работают с разной эффективностью. Небольшой избыток одного энантиомера катализатора иногда даёт намного более сильное преобладание соответствующего энантиомера нового вещества. Химики называют это нелинейным эффектом: изменение на входе и результат реакции растут не в одинаковой пропорции.

Кэнсо Соаи обнаружил механизм, усиливающий первоначальную асимметрию ещё сильнее. В 1995 году его группа описала реакцию между пиримидиновым альдегидом и диизопропилцинком. Образуется хиральный пиримидильный спирт — вещество, способное существовать в двух конфигурациях.

Главное начинается после появления первых молекул пиримидильного спирта. Они сами ускоряют образование новых молекул того же вещества. Такой процесс называют автокатализом: рождающееся вещество затем помогает реакции идти дальше.

Автокатализ Соаи оказался асимметрическим. Если одной конфигурации пиримидильного спирта в смеси сначала больше хотя бы немного, её молекулы эффективнее помогают появляться новым молекулам той же конфигурации. Перевес растёт при каждом следующем цикле.

Масштаб усиления виден по цифрам. В поздних опытах исследователи начинали с избытком около 0,00005%. Две конфигурации присутствовали практически поровну. После нескольких циклов доля преобладающей конфигурации выросла настолько, что превысила 99,5%.

Для запуска процесса хватает очень слабого первоначального воздействия. Нужное направление удавалось задавать хиральными кристаллами, циркулярно поляризованным светом и небольшими различиями в изотопном составе. В некоторых экспериментах никакого предпочтения заранее не задавали: небольшая случайная разница возникала среди первых молекул, после чего автокатализ самостоятельно её увеличивал.

Здесь химия Соаи выходит за пределы синтеза и касается происхождения жизни. Многие ключевые биологические молекулы существуют в организмах почти исключительно в одной конфигурации. Белки строятся в основном из аминокислот одной конфигурации, природные сахара предпочитают другую. Такое преобладание называют гомохиральностью.

Почему химия ранней Земли пришла к гомохиральности, неизвестно. Нобелевский комитет подчёркивает, что открытия Кагана и Соаи показывают принципиально возможный путь: сначала возникает совсем небольшая асимметрия, а химическая реакция затем самостоятельно её усиливает. Реакция Соаи не доказывает, что именно этот процесс определил устройство молекул жизни, но впервые наглядно показала, как почти равная смесь переходит к подавляющему преобладанию одной конфигурации.

Анри Каган родился во Франции в 1930 году и занимался асимметрическим синтезом. Его исследования помогли химикам понять, почему состав катализатора не всегда напрямую определяет соотношение энантиомеров и как взаимодействие между молекулами меняет результат реакции. В 2001 году Каган получил премию Вольфа по химии.

Кэнсо Соаи родился в Хиросиме в 1950 году. Его работы сосредоточены на асимметрическом синтезе, автокатализе и происхождении молекулярной асимметрии. Открытый его группой процесс вошёл в химическую литературу как реакция Соаи и стал одним из главных экспериментальных примеров того, как чрезвычайно слабое различие может самостоятельно усиливаться в химической системе.