Химия в зеркале

Француз Анри Каган занялся асимметрическим синтезом, когда эта область химии делала первые шаги. Японец Кэнсо Сои пришел к той же проблеме десятилетия спустя и обнаружил реакцию, в ходе которой первоначальное преимущество одной зеркальной формы увеличивается как бы само собой.

В Стокгольме Нобелевский комитет соединил эти две работы в одной формулировке: премия присуждена «за открытие нелинейных эффектов и автокатализа в асимметрическом органическом синтезе».

Многие органические молекулы существуют в двух формах, которые относятся друг к другу как предмет и его зеркальное отражение: совместить их невозможно, как невозможно совместить левую и правую перчатки. Это свойство называется хиральностью, а сами формы — энантиомерами. Если синтез идет в ахиральных условиях, две формы обычно получаются в равных количествах.

Но в живой природе хиральность устроена иначе. Белки земных организмов построены почти исключительно из аминокислот одной хиральности; строительные блоки ДНК и РНК также имеют строго определенную пространственную конфигурацию. Почему на заре жизни одна из двух химически равноправных форм получила подавляющее преимущество — один из фундаментальных вопросов науки. Загадку загадал сам себе еще Луи Пастер, разбирая под микроскопом кристаллы виноградной кислоты: одни оказались зеркальным отражением других.

Для практической химии вопрос хиральности чрезвычайно важен. Два энантиомера одного вещества могут совершенно по-разному взаимодействовать с биологическими молекулами. При производстве лекарства мало получить нужное соединение — должен быть синтезирован конкретный энантиомер.

Анри Борис Каган родился в 1930 году в Булонь-Бийанкуре под Парижем. Он учился в Сорбонне и Высшей национальной школе химии Парижа, в 1960 году защитил докторскую диссертацию, подготовленную в Коллеж-де-Франс, а затем создал собственную исследовательскую группу в Орсе. Каган стал одним из пионеров асимметрического катализа — методов, позволяющих направить реакцию преимущественно к одному энантиомеру.

В 1986 году его группа обнаружила явление, противоречившее тогдашним ожиданиям химиков. Предполагалось, что хиральность катализатора и продукта связаны линейно: если один энантиомер составляет 75% катализатора, его преимущество должно примерно так же отразиться на продукте. Оказалось, что реакция способна не просто передавать, а дополнительно перекашивать исходную асимметрию.

Причина заключалась во взаимодействии компонентов катализатора. Они образуют комплексы «правый—правый», «левый—левый» и «правый—левый», но смешанный комплекс ведет реакцию гораздо медленнее двух однородных. Тем самым значительная часть энантиомера, находящегося в меньшинстве, оказывается связанной в малоактивном смешанном комплексе. Исходное соотношение 75:25 может дать продукт с соотношением энантиомеров примерно 90:10 — небольшая первоначальная асимметрия в ходе реакции заметно усиливается. Каган назвал это нелинейным эффектом.

Признание пришло к нему необычайно поздно. В 2001 году Нобелевскую премию за асимметрический катализ получили Уильям Ноулз, Редзи Ноёри и Барри Шарплесс; отсутствие Кагана среди лауреатов вызвало споры. Теперь, в 95 лет, он стал третьим по возрасту нобелевским лауреатом в истории: старше него в момент присуждения премии были только физик Артур Эшкин, получивший ее в 96 лет, и 97-летний химик Джон Гуденаф.

Кэнсо Сои родился в 1950 году в Хиросиме. Он окончил Токийский университет, там же в 1979 году получил докторскую степень, затем два года работал в США у известного специалиста по стереохимии Эрнеста Элиэла. В 1981 году Сои пришел в Токийский университет, где прошел путь от преподавателя до профессора.

Если Каган показал, как первоначальное преимущество одного энантиомера может усиливаться, то Сои нашел механизм, способный многократно воспроизводить такое усиление. В 1995 году его группа открыла асимметрический автокатализ: продукт реакции сам становится катализатором для новых молекул того же продукта.

Работает это так. Если в исходной смеси возникает хотя бы ничтожный избыток одного энантиомера, его молекулы ускоряют образование новых молекул той же хиральности. Те тоже становятся катализаторами, и процесс повторяется. Возникает положительная обратная связь: небольшой первоначальный дисбаланс на каждом следующем этапе увеличивается. В дальнейших опытах группа Сои добилась практически полного преобладания одной зеркальной формы, а в 2003 году продемонстрировала реакцию, в которой образовывался только один энантиомер.

Здесь две научные биографии и сходятся. Каган обнаружил, что асимметрическая реакция способна усиливать небольшое преимущество одного энантиомера. Сои показал систему, где продукт сам ускоряет собственное образование и тем самым многократно усиливает первоначальную асимметрию. Вместе эти открытия предложили химически правдоподобный механизм, посредством которого ничтожный первоначальный дисбаланс между двумя зеркальными формами может перерасти в гомохиральность.

Это не окончательный ответ на загадку происхождения хиральности жизни, и Сои специально это подчеркивает.

Пастер в XIX веке обнаружил фундаментальную асимметрию живого мира, а работы Кагана и Сои показали, как такая асимметрия в принципе может возникнуть и самопроизвольно усилиться.