相信很多人都幻想过一个镜像的平行宇宙，在那里，人的心脏在右边，DNA是左旋的，氨基酸是右旋的，S型的沙利度胺是安全的……从微观到宏观，从食品到药物，一切都和我们这个世界相反又相似着。

那疑问也接踵而至，为什么我们这个世界能利用的氨基酸仅是L型的？如果D和L互相交织编写出的蛋白质种类会更丰富吧？明明化学性质一样，一个构型的分子大量存在，高度不平衡的依据又是什么？

物理学家说对称是不需要解释的，于是他们发展出了自发性对称破缺，宇称不守恒等理论去解释不对称的原因。然而用原子以下尺度的理论去理解分子行为始终有些牵强，就像用神经学解读社会经济政治活动一样。

为了解释生命起源，早在1953年由米勒和尤里主导的原始汤实验（Miller-Urey experiment）就通过模拟地球早期的环境，证明了生命分子能自发地从无机物转变过来。

之后随着超分子化学的发展，分子间通过次级键的识别以及自组装，被认为是原始生命体自我复制，构建膜结构的方式。

然而在这两个环节中，始终缺少了一块解释组成生物大分子的大量小分子为什么是同手性的？而对这个关键问题的回答，始于1953年Frank提出的一个概念：不对称自催化，即生成的手性产物也是该反应的手性催化剂，使得这一对映体进行自我增殖。

第一个实例则由Soai于1990年发现：

他们在研究以(1S,2R)-DBNE作为手性催化剂的二异丙基锌和苯甲醛的不对称加成反应时，发现反应时长需要16小时，而同样的反应对3-吡啶甲醛仅仅需要1小时。

于是也不知促发了怎样的脑回路，他们认为反应加速的原因是吡啶产物能催化自身这反应，所以干脆用86% ee的目标产物替换了原来的手性试剂，结果打开了新世界的大门，果不其然得到了预期的结果，只不过产物最后的ee值比投入作为手性试剂的ee值少了不少，只有35%。

ee值：对映体过剩率(enantiomeric excess)，表示对映体混合物中一个异构体比另一个异构体多出来的量占总量的百分数。ee值越高，光学纯度也越高。

之后Soai他们在这条路上一路狂奔，起初发现的不对称自催化反应都得到了低于投入物的ee值的产物。直到1996年，他们报道了两例能维持自身ee值的反应：投入93% ee，得到93% ee；投入99.5% ee，得到98.2% ee的产物。

显而易见，接下来的问题是：是否存在投入低光学活性的手性物质，却得到高光学活性产物的反应呢？

在这之前，需要先了解一下不对称合成中的非线性效应：

一般来说，用光学纯的手性配体得到该反应能达到的最大ee值的产物，比如图中的90%。那么用50% ee的手性配体会得到45% ee的产物，而用消旋(ee = 0)的配体得到消旋的产物。

非线性效应则是用50% ee的手性配体能得到远高于(正向非线性效应)或远低于(负向非线性效应)它线性情况下45% ee的产物。如上图用60%ee的配体得到了85%ee的产物。正向非线性效应的应用在制药工业上能减少不少成本。

利用正向非线性效应，不对称自催化反应就可以实现空手套白狼，由一个低ee值的产物经过几轮反应最终得到高ee值的产物。

上图用初始8.9% ee 的手性物质，先得到43.3% ee的产物，再以此作为手性配体投入下一轮反应，经过6轮最终得到88.1% ee的高手性产物。

类似的例子Soai还报道了不少，然而最终让不对称自催化这个概念成为生物同手性起源的一个解释来自于他们把这个“空手套白狼”的过程玩到了极致，用0.00005% ee 的手性物质经过三轮反应得到>99.5% ee的产物。

同学们，0.00005% ee 是什么啊？是几乎没有光学活性的消旋品啊！那还不如直接拿消旋品去做实验吧？然后他们真做了：在37次实验中，分别得到18次R型和19次S型的产物。

一个新概念也由此诞生：自发性绝对不对称合成(Spontaneous absolute asymmetric synthesis)，即在无手性配体或手性环境下，自发地得到某一种对映异构体。

要知道，样品的绝对数量越小，两个对映异构体之间随机波动就越明显。假设一个只有8个分子容量的样品，那它生成4：4消旋品的概率并没有比3：5或者6：2高多少。

即便放大20多个数量级变成我们日常所说的消旋物，在微观层面仍有几万甚至几亿个分子的随机波动。而不对称自催化反应恰恰能放大这种波动，37次的实验也证明了两种对映异构体能被几乎等概率地放大其中一种。

回到我们最初的问题上，生物的同手性很有可能来自于这一机制：在最初生成的一批氨基酸中，L型比D型在局部多了几个，一旦有了自我复制的契机（偏振光，晶体，手性同位素异构体），L型氨基酸便疯狂增殖抑制D型。这一过程只要在某一处启动完成了原始积累，就不可逆地横扫了整个海洋，赢者通吃，最终演变成了我们现在熟知的世界。

而最奇妙的是，它是完全随机的，倘若第一个氨基酸是D型，第一个糖分子是L型，这都将会改写之后所有的进化史，而今天所有的药物也将会重新设计。

• Soai, K. et al. Acc. Chem. Res.,2014,47(12), pp 3643–3654
• Soai, K. et al. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990, 982−983.
• Biochim Biophys Acta. 1953,11(4), 459-63.
• Soai, K. et al. J. Am. Chem. Soc., 1996, 118 (2), pp 471–472
• Soai, K. et al. Chem. Commun., 1996, 1235-1236
• S. Tanji et al. Tetrahedron: Asymmetry 11 (2000) 4249–4253
• Soai, K. et al. Angew. Chem., Int. Ed. 1999, 38, 659−661

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：啃米

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