Зеркальные молекулы. Тайна, калечившая детей, привела к Нобелевке по химии

Нобелевский комитет объявил лауреатов по химии 2026 года. Награду получат француз Анри Б. Каган и японец Кенсо Соай — за решение загадки, над которой химики бились больше века. Эти учёные объяснили, почему жизнь использует только «левую» или только «правую» версию молекул, и научились воспроизводить этот процесс в пробирке.

Открытие напрямую влияет на создание лекарств и имеет огромное значение для химиков, работающих на фармацевтическом производстве.

Молекулы-близнецы

Многие молекулы существуют в двух вариантах, которые являются зеркальным отражением друг друга. Это как левая и правая рука: они одинаковые, но не совпадающие. Химики называют такие молекулы хиральными, а их зеркальные пары — энантиомерами.

Представьте, что вы мастер по изготовлению ключей. Вы делаете ключ по заказу, и у вас всегда получаются два зеркальных варианта. Но только один подходит к замку. Второй не подходит и может даже сломать его. Именно такую проблему решают химики, когда создают лекарства.

Жизнь устроена асимметрично. Все аминокислоты в наших клетках — «левые». Все сахара в ДНК — «правые». Но почему жизнь выбрала только одну сторону? И можно ли создать реакцию, которая производила бы только одну версию молекулы?

Ответ на этот вопрос искали с середины XIX века. Луи Пастер изучал винную кислоту — вещество, важное для виноделия. Он вырастил кристаллы и рассмотрел их под микроскопом. Учёный увидел, что они существуют в двух вариантах, каждый из которых является зеркальным отражением другого. Пинцетом Пастер разделил их и растворил отдельно. Один раствор искривлял свет вправо, другой — влево. Смешанный — не влиял на свет.

Так родилось понятие хиральности. В начале XX века немецкий химик Вилли Марквальд провёл первую успешную асимметричную реакцию. Он использовал хиральный катализатор, чтобы получить больше одного энантиомера, чем другого. Разница была крошечной, но само её существование стало прорывом.

Нелинейный эффект Кагана

Анри Каган был одним из химиков, работавших над усовершенствованием асимметричных реакций. В 1980-х учёные стремились получать как можно более чистые энантиомеры для фармацевтики. Важность этого показал скандал с талидомидом в начале 1960-х, когда тысячи детей пострадали от врождённых дефектов, вызванных приёмом этого препарата (в нём присутствовали зеркальные версии молекул).

Для асимметричных реакций обычно использовали катализаторы из двух компонентов. «Мотором» реакции выступал атом металла, а хиральное вещество обеспечивало асимметрию. Химики считали, что если смешать «левые» и «правые» энантиомеры в катализаторе, продукт получится симметричным.

Каган усомнился в этом. Он предположил, что металл притягивает минимум две хиральные молекулы. Значит, возможны три формы катализатора: «правый-правый», «левый-правый» и «левый-левый».

«Правый-правый» и «левый-левый» создают зеркальные продукты. А что делает «левый-правый»? Каган выяснил: он работает намного медленнее. Это означало, что зависимость между составом катализатора и образовавшегося продукта нелинейна. График получается кривым.

На практике это дало метод усиления одного энантиомера. В 1986 году Каган описал три разные асимметричные реакции с нелинейными эффектами. Это был исторический прорыв. Многие химики начали исследовать это явление. Одним из них был Кенсо Соай.

Реакция Соая

Кенсо Соай из Токийского университета изучал асимметричную реакцию с большим нелинейным эффектом. Он заметил, что структуры катализатора и продукта похожи. И у него возникла идея: а что если создать реакцию, в которой катализатор создаёт сам себя?

Соай экспериментировал с разными молекулами, пока не нашёл 5-пиримидил алканол — хиральное вещество, способное создавать себя. В публикации 1995 года он описал революционный эксперимент. Японский химик начал с двухпроцентного избытка одного энантиомера, а закончил с 87%.

В 2003 году он представил реакцию, которая формировала избыток энантиомера, а затем создавала его копии. Это был первый случай, когда кто-либо создал хиральность из нехиральных молекул... со времён зарождения жизни.

Реакция Соая считается одним из самых элегантных химических экспериментов. Когда Соай запускал процесс, создавались оба энантиомера, но из-за случайности одного из них образовывалось чуть больше. Этого крошечного избытка хватало, чтобы он захватил всю реакцию. В итоге он мог составлять 99,99% получаемого в реакции продукта.

Когда Соай повторял реакцию, мог победить другой энантиомер. Результат зависел от воли случая в самом начале этого процесса.

Почему это важно

Открытия Кагана и Соая напрямую касаются производства лекарств. Трагический пример из прошлого – уже упомянутый талидомид. В 1960-х беременным прописывали его как успокоительное средство. Но оказалось, что в нём могли присутствовать оба энантиомера, и в то время, как один лечил, другой вызывал тяжёлые дефекты у новорожденных. Когда это выяснилось, тысячи детей уже пострадали.

Сегодня фармацевтические компании обязаны производить только чистые энантиомеры. Методы Кагана и Соая позволяют это делать. Нелинейные эффекты стали важным инструментом для химиков. Информация о том, что реакция нелинейна, помогает оптимизировать её и получать максимально чистые энантиомеры. Это критически важно для всех, кто производит вещества, взаимодействующие с живыми организмами: это не только лекарства, но и ароматизаторы, пестициды и пр.

Так что Нобелевская премия по химии 2026 года — это награда за решение одной из главных загадок этой науки. Теперь у химиков есть инструменты, которые позволяют создавать молекулы с нужной «рукой». А значит — делать лекарства безопаснее.