Деякі молекули, такі як амінокислоти, існують як два варіанти, які є дзеркальним відображенням один одного. Однак живі організми містять лише одне з цих дзеркальних зображень. Те, як могла з'явитися хімічна асиметрія, така як ця, довгий час була загадкою для хіміків. Анрі Б. Каган і Кенсо Соаї були удостоєні Нобелівської премії з хімії 2026 року за відкриття рішення цієї головоломки.
Анрі Борис Каган (Henri B. Kagan) народився у 1930 році, Булонь-Біянкур, Франція. Наукова спеціалізація: органічна хімія, асиметричний каталіз, молекулярна хіральність. Університет: Université Paris-Sud, нині частина Université Paris-Saclay. Каган належить до провідних дослідників асиметричного органічного синтезу. Він закінчив Паризьку національну вищу школу хімії (École nationale supérieure de chimie de Paris), а докторський ступінь здобув у Колеж де Франс (Collège de France) у 1960 році. У 1967 році став викладачем Університету Paris-Sud, а в 1973 році — професором. Його дослідження нелінійних ефектів в асиметричному каталізі стали важливим внеском у розвиток сучасної органічної хімії. Анрі Борис Каган є членом Французької академії наук із 1991 року.
Кенсо Соаї (Kenso Soai) народився у 1950 році, Хіросіма, Японія. Наукова спеціалізація: органічний синтез, асиметричний каталіз, автокаталітичні реакції. Університет: Tokyo University of Science. Кенсо Соаї присвятив свою наукову діяльність дослідженню асиметричного органічного синтезу. У 1979 році здобув докторський ступінь у Токійському університеті. Після цього проходив постдокторську підготовку в Університеті Північної Кароліни (США). Згодом працював у Токійському університеті науки, де став професором. Його найвідоміше досягнення — відкриття автокаталітичної реакції, яка отримала назву реакції Соаї. Ця реакція стала надзвичайно важливим експериментальним інструментом для дослідження походження молекулярної хіральності та механізмів її посилення.
Щоб зрозуміти значення відкриття, потрібно познайомитися з одним цікавим явищем — хіральністю молекул.
Слово «хіральність» походить від грецького cheir — рука. Подивімося на свої руки: ліва і права мають однакову будову, але є дзеркальними відображеннями одна одної. Якщо покласти їх долонями одна до одної, вони повністю сумістяться. У хімії існують молекули з такою самою властивістю. Вони мають однаковий склад і послідовність хімічних зв’язків, але відрізняються просторовою конфігурацією. Такі молекули називають енантіомерами.
Наприклад, певна молекула може існувати у двох формах: L-форма (умовно «ліва») та D-форма (умовно «права»). Вони є дзеркальними відображеннями одна одної.
І ось найцікавіше: у живій природі спостерігається дуже виражена перевага однієї з таких форм.
Життя на Землі фактично побудоване на молекулярній хіральності:
- білки живих організмів складаються переважно з L-амінокислот;
- цукри, що входять до складу РНК і ДНК, належать до D-ряду.
Чому природа обрала саме такі форми? Це одне з фундаментальних питань походження життя.
Як розвивалася наука про хіральність?
1848 рік. Французький хімік і мікробіолог Луї Пастер досліджував кристали винної кислоти.
Він помітив, що вони можуть мати дві різні просторові форми, які є дзеркальними відображеннями одна одної. Пастер вручну розділив кристали на дві групи й показав, що їхні розчини по-різному обертають площину поляризації світла.
Це стало одним із перших експериментальних доказів молекулярної асиметрії.
Проте залишалося питання: чи можна не просто розділяти готові молекули, а цілеспрямовано створювати під час хімічної реакції лише одну їхню дзеркальну форму?
Звичайна хімічна реакція часто дає суміш двох енантіомерів у співвідношенні 50:50.
Саме цю проблему й допомогли розв'язати Каган і Соаї.
1986 рік. Анрі Каган продемонстрував явище, яке стало важливим етапом у розвитку асиметричного каталізу.
Уявімо, що ми хочемо отримати молекулу лише однієї дзеркальної форми. Для цього використовуємо спеціальний каталізатор — речовину, яка прискорює реакцію, але сама не витрачається в ній.
Каталізатор також може мати дві дзеркальні форми. Раніше вважалося, що якщо в каталізаторі переважає одна форма, то приблизно так само буде переважати відповідна форма продукту реакції. Каган показав, що це не обов'язково так!
Невелика перевага одного енантіомера каталізатора може призвести до значно більшої переваги відповідного енантіомера продукту.
Це називають нелінійним ефектом в асиметричному каталізі.
Наприклад, умовно:
- у каталізаторі 60% молекул однієї форми;
- у результаті реакції може утворитися 90% відповідної форми продукту.
Цифри тут ілюстративні, але саме такий принцип лежить в основі відкриття.
Чому це відбувається? Важливу роль можуть відігравати взаємодії між молекулами каталізатора, зокрема утворення комплексів із різними каталітичними властивостями.
Таким чином, Каган показав, що невеликий початковий молекулярний перекіс можна істотно посилити. Це відкрило нові можливості для керування просторовою будовою молекул.
Якщо дослідження Кагана продемонстрували можливість посилення молекулярної асиметрії, то Кенсо Соаї зробив наступний крок.
Він відкрив незвичайну хімічну реакцію, яку назвали реакцією Соаї (Soai reaction). Її особливість полягає в автокаталізі.
Що це означає? Зазвичай каталізатор — це окрема речовина, яка допомагає здійснити хімічну реакцію. Але в реакції Соаї продукт реакції сам стає каталізатором для утворення нових молекул такого самого типу!
Інакше кажучи:
- Спочатку утворюється невелика кількість молекул певної дзеркальної форми.
- Ці молекули починають каталізувати власне утворення.
- Утворюється ще більше молекул тієї самої форми.
- Процес продовжується, і перевага однієї форми зростає.
Це своєрідний хімічний механізм самопідсилення.
Важливі етапи дослідження:
- 1990 рік — Соаї повідомив про асиметричну автокаталітичну реакцію.
- 1995 рік — опубліковано ключову роботу про реакцію, у якій продукт мав більший енантіомерний надлишок, ніж початковий каталізатор.
- 2003 рік — продемонстровано надзвичайно сильне посилення початкової асиметрії, зокрема з використанням дуже слабкого початкового хірального впливу.
Реакція Соаї стала одним із найяскравіших експериментальних прикладів того, як хімічна система може сама посилювати переважання однієї молекулярної форми.
Практичне значення цих відкриттів
На перший погляд, ідеться про досить абстрактну проблему просторової будови молекул. Але для сучасної хімії та медицини вона має величезне значення.
Фармацевтика та виробництво ліків
можуть по-різному взаємодіяти
з організмом людини
Це, мабуть, найважливіше практичне застосування.
Дзеркальні форми однієї молекули можуть по-різному взаємодіяти з організмом людини.
Одна форма може:
- мати потрібну лікувальну дію;
- добре взаємодіяти з певним рецептором;
- засвоюватися організмом у передбачуваний спосіб.
Інша форма може бути менш ефективною, неактивною або мати небажані властивості.
Відомий історичний приклад — трагедія з препаратом талідомідом у 1950–1960-х роках, застосування якого призвело до народження тисяч дітей із тяжкими вадами розвитку. Цей випадок став одним із найвідоміших нагадувань про важливість дослідження стереохімії лікарських речовин.
Тут необхідне уточнення: історію талідоміду не можна зводити до простої формули «один енантіомер лікує, інший шкодить», оскільки форми препарату можуть взаємоперетворюватися в організмі.
Сучасна фармацевтика прагне отримувати потрібну молекулярну форму з максимально високою чистотою.
Методи асиметричного синтезу дають змогу:
- зменшити кількість небажаного енантіомера;
- скоротити кількість стадій очищення;
- підвищити ефективність виробництва;
- раціональніше використовувати хімічну сировину.
Харчова промисловість і парфумерія
можуть мати різний запах або по-різному
сприйматися рецепторами нюху
Хіральність впливає не лише на лікувальні властивості речовин.
Дзеркальні форми деяких молекул можуть мати різний запах або по-різному сприйматися рецепторами нюху.
Тому контроль просторової будови молекул важливий для:
- виробництва ароматизаторів;
- створення парфумерних композицій;
- синтезу смакових добавок;
- виробництва спеціальних харчових інгредієнтів.
для створення нових функціональних
матеріалів
Нові матеріали та тонкий органічний синтез
Контроль хіральності потрібний також для створення нових функціональних матеріалів, оптично активних сполук та спеціалізованих органічних речовин.
Важливо, що відкриття Кагана й Соаї — це не готові промислові рецепти для кожного препарату. Це фундаментальні принципи, які допомагають хімікам розробляти нові реакції та технології синтезу.
Чи допомагають ці відкриття пояснити виникнення життя?
Це одна з найбільш захопливих сторінок цієї історії.
Нагадаю: живі організми використовують переважно L-амінокислоти та D-цукри. Але звичайні хімічні процеси часто утворюють обидві дзеркальні форми в однаковій кількості.
Звідки ж узялася початкова перевага однієї форми?
Існує декілька наукових гіпотез:
- вплив поляризованого світла з космосу;
- хімічні процеси на поверхні мінералів;
- асиметричні фізичні або хімічні процеси;
- випадкове виникнення невеликого надлишку однієї форми з подальшим самопідсиленням.
Дослідження Кагана і Соаї показали, що останній механізм цілком можливий у хімічних системах.
Якщо з якихось причин виникла навіть невелика перевага однієї дзеркальної форми, автокаталіз може її посилити.
Це важливий крок до розуміння того, як могла виникнути молекулярна однорідність, характерна для живої природи.
Однак слід пам'ятати: реакція Соаї не доводить, що саме так виникла хіральність життя на Землі. Вона демонструє можливий хімічний механізм такого процесу.
На завершення
головна цінність досліджень Кагана й Соаї полягає в тому, що вони поєднали дві фундаментальні проблеми:
- Практичну: як навчитися синтезувати молекули з потрібною просторовою конфігурацією, що особливо важливо для створення лікарських препаратів.
- Фундаментальну: як із хімічної системи, у якій спочатку немає переваги жодної дзеркальної форми, може виникнути переважання лише однієї з них.
Каган продемонстрував, як посилити початкову асиметрію за допомогою нелінійних ефектів.
Соаї показав, як молекули можуть самі каталізувати утворення собі подібних і таким чином посилювати власну молекулярну форму.
Це особливо цікаво в контексті походження життя. Адже одним із найважливіших питань залишається: як нежива хімічна система поступово набула властивостей, характерних для живої матерії?
Дослідження лауреатів цікаві тим, що демонструють, як невелика молекулярна асиметрія за певних умов може перетворитися на значну перевагу однієї форми. Від розуміння цього механізму залежить не лише майбутнє органічного синтезу, а й наше розуміння хімічних передумов виникнення життя.
Джерела
- Nobel Prize in Chemistry 2026
- The 2026 Nobel Prize in Chemistry goes to … Headline Science
- They solved chemistry’s asymmetric mystery. The Royal Swedish Academy of Sciences.
Тамара БЄЛИХ, канд. техн. наук, математик
Засновник та видавець