研究进展 · XAFS应用
XAFS如何解读手性放大？从诺贝尔化学奖谈锌中心结构
手性偏向为什么能被放大？从Soai反应的Zn K边XAFS研究出发，看局域结构表征如何帮助理解反应，并将实验思路带到RapidXAFS平台。
2026年诺贝尔化学奖授予Henri B. Kagan和Kenso Soai，表彰他们在不对称有机合成中发现非线性效应与自催化的贡献。[1] 两位科学家的研究，让人们进一步理解：化学反应中的微小手性偏向，怎样发展为显著的选择性。
对于研究者而言，这个问题还可以继续往下追问：参与反应的催化物种究竟以什么结构存在？当溶剂、浓度和反应进程改变时，这些结构是否也在变化？
Soai反应是一类能够放大微小手性偏向的不对称自催化反应。[4] X射线吸收精细结构谱（XAFS）已被用于这一体系的研究，从锌中心的局域环境出发，为理解反应中的物种提供结构线索。[2]
01 从微小偏向到手性放大
一些分子存在两种互为镜像、却不能完全重合的形式，如同我们的左手与右手。这两种形式称为对映体。它们在手性环境中的行为可能不同，因此，怎样控制产物的手性，是不对称合成的重要问题。
“手性放大”可以理解为：起初只有一点点比例优势的一种形式，经过特定反应过程，优势变得更明显。Kagan研究的非线性效应揭示，催化体系与产物的手性偏向不一定呈简单的比例关系；Soai研究的不对称自催化则展示了产物参与催化并放大手性偏向的过程。[1]
在经典Soai体系中，二异丙基锌与嘧啶-5-甲醛类底物发生加成，形成产物相关的含锌醇盐物种。这些物种进一步参与催化后续反应，使最初微小的对映体比例差异得到放大。[4] 具体催化物种及其作用机制，需要结合底物与反应条件讨论。[5]
02 XAFS与Soai反应已有直接联系
2009年发表于Journal of Physics: Conference Series的一项研究，专门讨论了连续管式流动反应器在Soai反应XAFS测量中的可能性与局限。[2]
研究者搭建了用于有机金属反应的时间分辨原位XAFS装置，并以Soai反应形成的产物开展Zn K边测量。得到的XANES谱与二聚、三聚或其他低聚醇盐物种的存在相容。这提供了结构线索，但并未仅凭谱图唯一确定一种活性结构。
这项研究也记录了实际测量中的困难：悬浮颗粒会让体系变得不均匀，残余空气和水分可能造成二异丙基锌分解，并在池壁形成沉积。被光束测到的物种，未必就是希望研究的目标物种。
因此，原位实验既要关注谱图本身，也要确认反应池里发生了什么。密封、样品均匀性和沉积情况，都可能影响结构解释。[2]
03 XAFS回答结构问题 手性分析回答比例问题
XAFS具有元素选择性。选择Zn K边，就可以围绕锌的局域环境开展观察：XANES反映电子态与局域几何环境相关的变化；EXAFS结合合适的模型，可为近邻原子、配位数与键长分析提供约束。
对于含锌反应体系，一个可行的研究思路是比较起始物、参比和不同反应状态的样品，寻找随条件改变而出现的谱学差异，再与核磁、动力学及计算结果相互印证。这里的实验设计是从文献出发的研究建议，不是上述论文已经完成的全部工作。
同时，常规XAFS不能单独判定产物的“左手／右手”比例，也不能替代手性色谱对对映体比例的测定。将金属结构信息与手性分析放在一起，才更有机会解释：什么条件改变了催化物种，又怎样影响了反应结果。
04 在实验室里怎样开展这类研究
从Soai反应延伸到其他含金属的不对称催化体系，可以先把课题转化为可比较的实验：改变溶剂后，金属局域环境是否变化？不同反应阶段是否出现新的物种？反应后样品与工作状态下的结构是否一致？
实验可以从参比和静态对照开始，确认样品是否具有足够的吸收信号、谱学特征是否能够区分。再根据反应快慢，选择不同阶段的密封样品测量，或进一步设计原位采集。
如果反应本身在采集一张谱的过程中已经明显变化，就必须重新评估时间分辨率与信噪比。对于空气和水分敏感的有机锌体系，还需匹配惰性气氛、密封转移以及相容的窗口和接液材料，避免测量过程改变研究对象。
05 东方谱学RapidXAFS 将锌中心结构研究带入实验室
东方谱学RapidXAFS可用于研究这类反应体系中锌中心的局域结构，通过Zn K边XANES、EXAFS开展参比对照、配位环境分析及不同反应状态的结构比较。[3] 仪器承担结构表征；化学反应本身还需配备相应的反应装置与条件。
面向不对称催化与有机金属反应课题，研究团队可以从自己的科学问题出发，利用RapidXAFS比较不同溶剂、配方和处理条件下的样品，再与手性分析及反应性能建立对应关系。
对于希望进一步开展原位跟踪的用户，东方谱学可结合具体体系，评估反应池、惰性气氛和采集方案。通过浓度、液层厚度、窗口材料及采集时间的匹配，在信号质量与反应时间尺度满足要求时开展原位测量。Soai类体系的密封和化学相容性需单独验证，不宜直接套用通用反应池。
从“反应表现发生了变化”，走到“金属中心的结构如何变化”，XAFS提供了一个可以通过实验检验的观察角度。
如果您正在研究锌基催化、金属配位变化或不对称反应，欢迎与东方谱学交流样品组成、目标吸收边和反应条件，共同设计RapidXAFS测试方案。
咨询电话：400 801 9538
官网：https://www.rapid-xas.com/
参考资料
[1] American Chemical Society. ACS president comments on award of 2026 Nobel Prize in Chemistry. 2026-10-07.
https://www.acs.org/pressroom/newsreleases/2026/october/acs-president-comments-on-award-of-2026-nobel-prize-in-chemistry.html
[2] Continuous tubular flow reactor for XAFS studies of organometallic reactions: Possibilities and limitations for studies of the Soai reaction. Journal of Physics: Conference Series, 2009, 190, 012156. DOI: 10.1088/1742-6596/190/1/012156.
https://doi.org/10.1088/1742-6596/190/1/012156
[3] 东方谱学产品与选型、XAFS可测范围及原位配套资料。
https://www.rapid-xas.com/products/
https://www.rapid-xas.com/elements/
https://www.rapid-xas.com/products/in-situ/
[4] Soai, K., Shibata, T., Morioka, H. & Choji, K. Asymmetric autocatalysis and amplification of enantiomeric excess of a chiral molecule. Nature, 1995, 378, 767–768.
https://doi.org/10.1038/378767a0
[5] Mechanistic analysis and kinetic profiling of Soai’s asymmetric autocatalysis for pyridyl and pyrimidyl substrates. Nature Communications, 2025.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62591-3
说明：图1—3为原理与实验设计示意，不是论文实测数据；图4为东方谱学设备实拍。文献[2]用于介绍已有研究，不代表其使用东方谱学设备。