Кралската шведска академия на науките реши да присъди нобеловата награда за химия за 2025 г. на Анри Каган (Henri Kagan) и Кенсо Соай (Kenso Soai) "за откриването на нелинейни ефекти и автокатализа в асиметричния органичен синтез".
Тазгодишните лауреати са разработили химични реакции, при която се образува само един от потенциалните огледални варианти на химичните вещества - свойство, наречно хомохиралност. Освен самия живот, никой друг не е постигал това постижение.
Благодарение на Анри Каган и Кенсо Соай, сега знаем как може да се появи хомохиралността. Техните открития са били решаващи за химиците, които проектират реакции за производството на фармацевтични продукти.
Нобеловата награда за химия за 2026 г. е резултат от дълга верига от идеи, чието първо звено е изковано в средата на 19 век. Всичко започва с изследването на Луи Пастьор на вещество, важно за производството на вино: винената киселина.
Винената киселина разкри, че молекулите могат да бъдат огледални
Когато колегите на Пастьор му казали, че винената киселина понякога пречупва поляризираната светлина надясно, но друг път изобщо не ѝ влияе, той решава да разбере в какво се състои загадката.
Пастьор отглеждал кристали винена киселина и ги изследвал под микроскопа си – и открил, че съществуват в два варианта, всеки от които е огледален образ на другия. С помощта на пинсети той ги разделял и разтварял поотделно. Когато изпращал поляризирана светлина през течностите, едната пречупвала светлината надясно, а другата - наляво. Ако комбинирал течностите, светлината не се променяла.
Този експеримент даде на химиците прозрението, че някои вещества се срещат в два огледални варианта. В крайна сметка тези вещества започнали да се наричат хирални, а двете молекули, които са огледални образи една на друга, - енантиомери (фигура 2).
Фигура 2. Илюстрация на хиралността. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Хомохиралността на живота озадачава изследователите
Пастьор прави следващото важно наблюдение през 1857 г., когато изследва какво се случва, когато бактериите ферментират различните енантиомери на винената киселина. Оказва се, че бактериите доброволно ферментират енантиомера, който се намира в гроздето и който пречупва светлината надясно. Бактериите обаче не се интересуват от молекулата на огледалния образ. Тя остава недокосната. Така идеята, че химията на живота е по някакъв начин хирална, за първи път вижда бял свят. По-късно, когато изследователите започват да изучават градивните елементи на живота, те откриват, че естествено срещащите се аминокиселини винаги пречупват поляризираната светлина наляво, докато захарите, намиращи се в ДНК спиралата, правят обратното, пречупвайки светлината надясно.
Прозрението, че молекулите на живота съдържат само един от два възможни енантиомера, доведе до следващия въпрос: какво се случи в зората на живота, което направи химията на живота хомохирална? Когато химиците експериментират с реакции, които образуват хирални молекули, те винаги получаватравномерна смес от двата енантиомера в епруветките си. И така, защо живите организми използват само един огледален образ на аминокиселините? Как изобщо може да възникне хомохиралност?
Някои химици твърдят, че хиралната химия е уникална за живота. В началото на 1900 г. обаче немският химик Вили Марквалд провежда първата успешна асиметрична реакция (фигура 3). Това означава, че е създаден повече от единия енантиомер, отколкото от другия. Ключът е, че Марквалд използва катализатор - вещество, което задвижва химични реакции, без да се изразходва. В тази реакция катализаторът е хирален, така че той ускорява образуването на единия огледален образ, а не на другия. Разликата е много малка, но самото му съществуване е пробив.
Фигура 3. Илюстрация: Асиметрична реакция. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Следващото важно звено във веригата от идеи за Нобеловата награда за химия за 2026 г. е създадено през 1953 г. То се състои от чисто теоретични разсъждения, представени в научна статия.
Неравномерната хиралност на живота получава математическо обяснение
Въведението на статията е изпълнено с известна изненада. Авторът ѝ - Чарлз Франк от университета в Бристъл - е бил теоретичен физик, който описва как колега го е информирал, че химиците все още не разбират как е възникнала асиметрията на живота. Според този колега, математическо решение на проблема би било полезно за химиците. В отговор Франк представя модел за химична реакция, при която трябва да бъдат изпълнени три условия:
- Да има хирален катализатор и асиметрична реакция.
- Да направи така, че образуването на единия огледален образ по някакъв начин да се засилва, а другият да се забавя.
- Химичната реакция да образува самия катализатор. Това се нарича автокатализа и причинява самоусилващ се ефект, в резултат на което броят на един от енантиомерите в реакцията нараства експоненциално.
Химична реакция, която отговаря на всички тези условия, може да доведе до хомохиралност. Моделът на Франк се разпространява широко сред химиците, превръщайки се в своеобразен химически пъзел, който университетските преподаватели могат да представят на своите студенти - как тези условия биха могли да бъдат преведени в химическата реалност?
Както е описано по-горе, Марквалд успява да изпълни първото условие в началото на ХХ век, но едва по-късно изследователите успяват да проектират химични реакции, които са смислено асиметрични. Пионерите в тази област са удостоени с Нобелова награда за химия през 2001 и 2021 г.
Нобеловата награда за химия за 2026 г. е присъдена за изпълнението на двете оставащи условия. Започваме с простата и гениална идея, която кара Анри Каган през 1986 г. да постави отметка до второто условие в модела на Франк.
Каган подхожда нестандартно
Каган, който е работил в Университета Париж-Юг, е бил един от всички химици, работещи за усъвършенстване на асиметричните реакции в началото на 80-те години на миналия век. Целта е била да се произвеждат възможно най-чисти енантиомери, например във фармацевтичното производство. Важността на постигането на това е показана от скандала с талидомида в началото на 60-те години на миналия век, когато хиляди деца са били засегнати от вродени дефекти, причинени от успокоителното средство талидомид. Когато изследователите анализират случилото се, разбират, че огледалният образ на активното вещество е причинил вредата.
За да се предизвикат асиметрични реакции, изследователите често използват катализатори с два компонента: метален атом, който функционира като двигател в реакцията, и хирално вещество, което осигурява асиметрията на реакцията.
Тъй като изследователите са се стремели да получат чисти енантиомери в продукта, те обикновено са използвали енантиомер, който е възможно най-чист в катализатора. Те обаче са предполагали, че ако комбинират два огледални енантиомера в катализатора, продуктът ще има еквивалентни пропорции. С други думи, те са вярвали, че хиралността на катализатора се предава на хиралността на продукта и че съществува линейна връзка между двете вещества.
Каган започва да поставя под въпрос това предположение. Като опитен химик, той отделя време да помисли по-подробно за самия катализатор. Никой всъщност не знаел как работи - по време на химическата реакция металният атом и хиралната молекула очевидно взаимодействали, но въпросът бил как се е случило това.
Металните атоми обикновено взаимодействат с няколко молекули едновременно. Затова Каган предполагаожил, че металът на катализатора привлича поне две от хиралните молекули по време на химическата реакция. Ако десният и левият енантиомер бъдат комбинирани, ще има три форми на катализатора, които може да се видят на фигура 4: дясно-дясно, ляво-дясно и ляво-ляво.
Катализаторите, които са дясно-десни и ляво-леви, биха създали продукти, които са огледални образи един на друг - но как би реагирал ляво-десният катализатор?
Фигура 4. Илюстрация: Каган открива нов феномен. Той започва да се пита какво би станало, ако комбинира леви и десни енантиомери в катализатора. Така осъзнава, че може да засили асиметрията на реакцията.
1. Например, може да се комбинират 75% десни енантиомери и 25% леви енантиомери в катализатора.
2. Двата енантиомера ще се свържат на случаен принцип с металния йон. Резултатът ще бъде три различни катализатора в съотношенията, показани на кръговата диаграма.
3. Само два от катализаторите работят ефективно. Така на практика химичната реакция ще се осъществява от 90% десни и 10% леви форми. Катализаторът от тип "ляв-десен" почти не действа. Това означава, че десният катализатор има предимство, като по този начин засилва асиметрията на реакцията.
Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Каган успява да засили асиметрията
Фигура 5. Диаграма, взета от J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 2353–2357. Когато Каган комбинира различни пропорции на енантиомери в катализатора, се появяват ефектите, показани на фигура 4. Допълнителното количество на един от енантиомерите в реакционния продукт е по-голям от излишъка в катализатора. Когато нанася резултатите си на графика, получава нелинеен ефект.
Каган разбира, че ляво-десният катализатор се държи различно от другите два. Когато тества провеждането на реакция с различни комбинации от енантиомери в катализатора, връзката с пропорциите в продукта не е линейна, както са предполагали другите химици. Вместо това, графиката, която Каган получава, когато нанесе резултатите си, е извита (фигура 5). Причината е, че ляво-десният катализатор задвижва химическата реакция много по-бавно от катализаторите, които са дясен-десен или ляв-ляв (фигура 4).
На практика това означава, че Каган е открил метод за усилване на образуването на един от енантиомерите в продукта (фигура 4). По този начин той е изпълнил второто условие в модела на Франк. През 1986 г. той описва не по-малко от три различни асиметрични реакции, които показват това, което химиците наричат нелинейни ефекти. Това е исторически пробив и много химици започват да изследват това ново явление. Един от тях е Кенсо Соай от Токийския университет на науките, който създава последното звено във веригата от идеи за Нобеловата награда за химия за 2026 г.
Методът на проба-грешка носи резултати за Соай
Кенсо Соай изследва асиметрична химична реакция, която има основен нелинеен ефект. Когато изследва структурите на катализатора на реакцията и образувания продукт, той осъзнава, че те имат значителни сходства. Това му дава идея - може би би могъл да проектира реакция, при която катализаторът се образува сам в автокаталитичен процес?
По това време - в началото на 90-те години на миналия век - има няколко известни примера за автокаталитични реакции, но нито една от тях не е асиметрична. Експериментирайки с много различни молекули, Соай успява да открие хирално вещество - 5-пиримидил алканол - което може да се самосъздаде. В публикация от 1995 г. той описва този революционен експеримент. Кенсо Соай започва с двупроцентен излишък на един енантиомер на 5-пиримидил алканол и завършва с излишък от 87%. Реакцията е самоусилваща се и отговаря на всички критерии на Франк, но не постига 100%-та енантиомерна чистота на молекулите в живите същества.
Елегантната реакция на Соай решава пъзела
В продължение на още осем години Соай продължава търсенето си на най-добрия автокаталитичен процес. През 2003 г. той най-накрая успява да представи химическа реакция, която образува излишък от енантиомер, който след това образува копия на себе си (фигура 6). Това е първият път, когато някой успешно създава хиралност от нехирална комбинация от молекули от зората на живота.
Фигура 6. Илюстрация на реакцията на Соай. Соай проектира реакция, която образува хирален катализатор, който след това се самообразува. По този начин той е първият химик, създал хиралност от нехирална комбинация от молекули. Самоусилващ се процес. В един експеримент Соай започва с малък излишък от един от енантиомерите на катализатора. Това е достатъчно, за да поеме бързо реакцията. След като Соай добавя още субстрат и реагент три пъти, енантиомерът съставлява повече от 99,5% от продукта.
1. Реакцията започва с нехирален разтвор.
2. Образуват се хирални катализатори. Те задвижват собственото си образуване.
3. Когато субстратът и реагентът са изчерпани, се добавят още.
→ Образуват се леви катализатори
→ Образуват се десни катализатори
4. Този процес се повтаря три пъти. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Реакцията на Соай се смята за един от най-елегантните химични експерименти, провеждани някога. Когато Соай започва каталитичния процес, и двата енантиомера са създадени, но тъй като случайността управлява процеса, се образува малко повече от един от тях. Това малко количество в повече е достатъчно, за да може енантиомерът да поеме контрола над цялата химическа реакция. В крайна сметка той може да стигне до състав 99,99% от продукта. Когато Соай повтаря реакцията, другият енантиомер може да поеме контрола; енантиомерът, който получава накрая, зависи от това какво се случва случайно в началото на реакцията (фигура 6).
Химиците се сдобиват с нови, прецизни инструменти
Реакцията на Соай е изкуствена, различна от химията на живота, но тя събужда огромен ентусиазъм у химиците, които искат да разберат произхода на живота. По целия свят изследователи се опитват да повторят постижението на Соай, но с цел да произведат хомохирални аминокиселини и захари.
Нелинейните ефекти, открити от Каган, са се превърнали във важен инструмент за химиците за проектиране на нови реакции. Фактът, че една реакция е нелинейна, предоставя на химиците информация за това как тя протича. Тази информация може да се използва за оптимизиране на реакцията, така че те да могат да получат възможно най-чистите енантиомери на продукта. Това е жизненоважно за всяка компания, която произвежда вещества, предназначени за взаимодействие с живи същества, като фармацевтични продукти, аромати, аромати и селскостопански химикали. В някои случаи това е важно и при производството на нови материали.
Благодарение на откритията, за които сега се връчва Нобелова награда за химия за 2026 г., химиците са се сдобили с фундаментално нови инструменти за употреба в ежедневната си работа, но преди всичко тези открития са допринесли за разрешаването на една от най-големите мистерии на химията: как може да се създаде хомохиралност – подобна на тази, която се среща във всички живи същества.
Източник: They solved chemistry’s asymmetric mystery , Popular information. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach 2026. Wed. 7 Oct 2026.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
1000-годишен амулет, открит в Русия, съчетава християнски светец с Горгона Медуза
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Необикновена космическа експлозия, случваща се веднъж на хилядолетие
Памет на водата или как ни промиват мозъка