Зеркальная ассиметрия жизни и нужные молекулы для «фармы»: за что дали Нобелевскую премию по химии 2026 года

Сегодня Нобелевский комитет объявил лауреатов третьей «естественнонаучной» нобелевской премии. В этот раз – по химии, и в 2026 году химики рады: эта премия досталась «традиционным» химикам. Более того, в третий раз за XXI век Нобелевская премия будет вручена за работы в области ассиметрического органического синтеза. Лауреатами стали Анри Б. Каган (Франция) и Кенсо Соаи (Япония) «за открытие нелинейных эффектов и автокатализа в асимметрическом органическом синтезе».

Напомним, что в 2001 году за работы по ассиметричному катализу премию получили Барри Шарплесс (потом он получит и вторую «нобелевку» по химии), Рёдзи Ноёри и Уильям Ноулз, а в 2021 году за работы по ассиметричному органокатализу премии удостоились Дэвид Макмиллан и Беньямин Лист. Так что же такого сделали Каган и Соаи, что Нобелевский комитет снова разыграл асимметричную карту? Давайте разбираться.

Хиральность аминокислот © Wikimedia Commons

---

Начнем с того, что многие органические (и не только) молекулы хиральны. Слово «хиральность» – от греческого χείρ – «рука» – означает, что молекула, как и кисть руки, несовместима со своим зеркальным отражением. Это явление открыл еще Пастер, увидев, что кристаллы винной кислоты существуют в двух вариантах, которые являются зеркальным отражением друг друга. С помощью пинцета он разделил их и растворил по отдельности. Когда он пропускал поляризованный свет через эти жидкости, одна из них вращала плоскость поляризации света вправо, а другая — влево. Если он смешивал жидкости, вращения не происходило.

Якоб Хендрик Вант-Гофф © Wikimedia Commons

---

Как такое возможно, стало ясно после того, как самый первый нобелевский лауреат по химии, Якоб Хендрик Вант-Гофф предложил тетраэдрическую модель атома углерода, из которой как раз и следовало, что если у атома углерода четыре разных заместителя, то вещество будет существовать в двух несовместимых друг с другом зеркальных отражениях. Такие формы называются энантиомерами.

Эта, казалось бы, абстрактная особенность имеет колоссальное значение для жизни. Все белки в наших клетках построены из аминокислот, которые существуют только в одной из двух возможных зеркальных форм. То же самое касается сахаров в ДНК и РНК. Живая природа использует исключительно «левые» аминокислоты и «правые» сахара. Это явление называется гомохиральностью (от греческих слов «одинаковый» и «рука»).

Однако здесь возникает фундаментальная загадка, которая волновала химиков более века. Если синтезировать аминокислоты в лаборатории без какого-либо катализатора, то всегда образуется рацемат — смесь, в которой «левых» и «правых» молекул строго поровну. Откуда же жизнь взяла только одну форму? Что заставило химическую эволюцию сделать выбор в пользу одного зеркального отражения? Именно за решение этой вековой тайны была присуждена Нобелевская премия по химии 2026 года. Но не только. Давайте обо всем по порядку.

Ещё в 1953 году физик Фредерик Чарльз Франк предложил теоретическую модель, описывающую, как из исходной смеси, где «левых» и «правых» молекул почти поровну, может самопроизвольно возникнуть преобладание одной формы. Модель Франка требовала выполнения трех условий:

• существует хиральный катализатор и асимметричная реакция.

• формирование одного зеркального отражения каким-то образом усиливается, а другого — ослабляется.

• Химическая реакция приводит к образованию самого катализатора. Это явление называется автокатализом и приводит к самоподдерживающемуся эффекту, в результате которого количество одного из энантиомеров в реакции растет в геометрической прогрессии.

Долгое время это построение было чистой теорией – и неудивительно: Франк был физиком-теоретиком. Но тут на сцену один за другим вышли наши сегодняшние лауреаты.

Первый шаг: нелинейный эффект Анри Кагана

До 1986 года в химии существовало твёрдое убеждение: если вы хотите получить продукт с высокой чистотой одной из зеркальных форм, вам нужен хиралльный катализатор, который сам обладает стопроцентной чистотой. Считалось, что чистота продукта напрямую и линейно зависит от чистоты катализатора. Если катализатор чист лишь наполовину, то и продукт будет наполовину «грязным» с точки зрения хиральности.

Для проведения асимметричных реакций исследователи часто использовали катализаторы, состоящие из двух компонентов: атома металла, который выступал в роли движущей силы реакции, и хирального вещества, которое обеспечивало асимметрию реакции.

Асимметричный катализ © Nobelprize.org

---

Анри Каган, однако, обнаружил нечто удивительное.

Он начал сомневаться в предположении о линейной зависимости хиральной чистоты продукта от хиральной чистоты катализатора. Будучи опытным химиком, он уделил время более подробному изучению самого катализатора. На самом деле никто не знал, как он работает: во время химической реакции атом металла и хиральная молекула явно взаимодействуют, но вопрос в том, как именно это происходит.

Обычно атомы металлов взаимодействуют с несколькими молекулами одновременно. Поэтому Каган предположил, что во время химической реакции металл катализатора соединялся как минимум с двумя хиральными молекулами. Если бы это были правый и левый энантиомеры, то образовались бы три формы катализатора: правая-правая, левая-правая и левая-левая. Оказалось, что гомохиральные комплексы – «левый-левый» или «правый-правый» – весьма эффективные катализаторы, а вот гетерохиральный «правый-левый» почти не катализирует реакцию.

Каталитические комплексы по Кагану © Nobelprize.org

---

В результате возникает эффект, который Каган назвал нелинейным. Если у вас есть катализатор, чистота которого составляет, скажем, всего 10%, это вовсе не значит, что продукт получится с чистотой 10%. Благодаря тому, что «неправильные» комплексы катализатора оказываются неактивными, «правильные» комплексы чисто статистически получают преимущество!

Продукт может получиться с чистотой 90% и даже выше! Химики называют это положительным нелинейным эффектом (+NLE). Это как если бы у вас был грязный фильтр, который, тем не менее, пропускает только чистую воду.

График нелинейной зависимости энантиомерной пропорции продукта от катализатора по Кагану © Nobelprize.org

---

Это открытие перевернуло представления о хиральном катализе. Оно показало, что стереохимическая чистота может усиливаться в ходе реакции. Каган не только обнаружил явление, но и предложил механистическое объяснение, основанное на образовании димерных и более сложных комплексов катализатора. Этот принцип стал фундаментальным инструментом для понимания и конструирования асимметрических каталитических процессов.

Второй шаг: реакция Соаи и хиральный автокатализ

Если Каган показал, как можно усиливать чистоту с помощью внешнего катализатора, то Кенсо Соаи сделал следующий, ещё более поразительный шаг. Он задался вопросом: может ли реакция сама себя катализировать, причём делать это с усилением хиральной чистоты?

Уже в 1990 году он нашел реакцию присоединения диалкилцинков к пиридин-3-карбальдегиду, и она была аутокаталитической и энантиоселективной, но энантиомерная чистота продукта оказалась ниже, чем у использованного катализатора. То есть, выполнялось два критерия Франка из трех.

Пять лет спустя Соаи опубликовал работу, в которой описал реакцию, где продукт снова выступал катализатором собственного образования. Речь шла о присоединении диизопропилцинка к пиримидин-5-карбальдегиду. Продуктом этой реакции является спирт, который может существовать в двух зеркальных формах. И этот самый спирт катализирует дальнейшее образование самого себя.

Представьте себе, что вы запускаете реакцию, в которой изначально присутствует лишь крошечный избыток «левого» спирта. Этот «левый» спирт начинает катализировать образование новых молекул спирта, и преимущественно — «левых». В следующем цикле реакции уже образовавшиеся «левые» молекулы снова катализируют процесс, и доля «левых» молекул растёт как снежный ком. Это явление и есть асимметрический автокатализ. И в этой реакции уже выполняются все три критерия Франка.

Реакция Соаи © Nobelprize.org

---

Самое впечатляющее проявление этого эффекта было обнаружено в 2003 году. Соаи показал, что если начать реакцию с катализатором, чистота которого составляет ничтожные 0,00005%, то после всего трёх последовательных циклов реакции чистота продукта превышает 99,5%. Произошло усиление стереоизомерного соотношения в 630 000 раз! Эта реакция, получившая название реакции Соаи, стала первым в истории химии примером абсолютного асимметрического синтеза — процесса, в котором из полностью ахиральных (нехиральных) исходных веществ самопроизвольно образуется хиральный продукт с высоким избытком одного энантиомера.

Почему это так важно?

Открытия Кагана и Соаи имеют два огромных следствия.

Во-первых, они дают ключ к разгадке происхождения гомохиральности жизни. Реакция Соаи стала первым экспериментальным подтверждением того, что такая модель может работать в реальной пробирке. Это не значит, что жизнь зародилась именно так, но это доказывает, что принципиальная возможность самопроизвольного возникновения гомохиральности существует.

Во-вторых, эти открытия имеют колоссальное практическое значение для фармацевтики. Многие лекарства хиральны, и часто только один из двух энантиомеров обладает нужным лечебным действием, в то время как другой может быть бесполезен или даже вреден. Например, пресловутый талидомид — трагический пример лекарства, где один энантиомер был эффективен, а другой вызывал уродства у плода. Поэтому химики-технологи стремятся производить только «правильный» энантиомер. Нелинейные эффекты и автокатализ позволяют разрабатывать более эффективные и дешёвые способы получения энантиомерно чистых веществ, не требуя при этом дорогостоящих и абсолютно чистых катализаторов.

Нобелевская премия по химии 2026 года будет вручена, с одной стороны, за потенциальное решение одной из самых красивых и глубоких загадок природы. Анри Каган и Кенсо Соаи показали, что химические реакции могут не просто идти в заданном направлении, но и самоорганизовываться, усиливая крошечные различия до почти абсолютной чистоты. Они превратили теоретическую модель в лабораторную реальность, доказав, что гомохиральность жизни могла возникнуть не как счастливая случайность, а как закономерный результат химической эволюции. Однако, с другой стороны, их работа — это не только торжество фундаментальной науки, но и мощный инструмент для создания новых лекарств и материалов будущего.

Автор: Алексей Паевский