硤合反応（そあいはんのう、Soai reaction）は、生成物由来の触媒が、自分と同じ立体配置の分子の生成を促す不斉自己触媒反応です。鏡像関係にある2種類の分子のわずかな偏りを、反応によって大きくできる点が特徴です。硤合憲三氏らは1995年の論文で、この不斉増幅を報告しました。

この記事では反応の仕組みを説明し、chematicで分子のR/Sを判別します。混合比を変えたときの変化は、不斉増幅のシミュレーションで試せます。

硤合反応の仕組み：生成物が次の反応を促す

出発物質はピリミジン-5-カルバルデヒド類、試薬はジイソプロピル亜鉛です。付加反応で生じる亜鉛アルコキシドが触媒として働き、後処理によってピリミジルアルコールが得られます。この生成物由来の触媒が、同じ立体配置の生成物をさらに作る反応を助けます。Athavale氏らの構造・反応機構の研究

生成物が次の生成を促す仕組みが「自己触媒」です。硤合反応では生成物の量が増えるのに加え、2種類の鏡像異性体のうち、多い側の割合も高まります。この割合の偏りが拡大する現象を「不斉増幅」と呼びます。

生命の分子の「左右」と2026年ノーベル化学賞

生命に関わる分子には、右手と左手のような鏡像の一方に偏る性質があります。この性質がホモキラリティーです。硤合反応は、小さな偏りを化学反応が増幅する過程を実験で示し、その起源を考える手掛かりになりました。東京大学の研究紹介

2026年のノーベル化学賞は、Henri B. Kagan氏と硤合憲三（そあい・けんそう）氏の、不斉有機合成における非線形効果と自己触媒作用の発見に贈られました。ACSの受賞発表と東京理科大学の発表で確認できます。

以下では、構造の入門例として乳酸を使い、chematic 1.1.4で立体化学を計算します。不斉増幅の原理は、混合比を操作できるFrankモデルで可視化します。

R/Sとは：同じ分子式でも立体配置は異なる

右手と左手は鏡に映した関係にあり、向きを変えてもぴったり重なりません。分子にも、このような関係にある「鏡像異性体」があります。

乳酸の2つの鏡像異性体を、構造を文字で表すSMILESで読み込みます。原子の並びを保ったまま@と@@を入れ替えた例です。

import chematic

smiles = ["C[C@H](O)C(=O)O", "C[C@@H](O)C(=O)O"]
molecules = [chematic.from_smiles(s) for s in smiles]
for mol in molecules:
    label = mol.cip_stereo(mode="accurate")[0]["descriptor"]
    print(label, mol.formula, f"{mol.rdkit_mw:.3f}")
S C3H6O3 90.078
R C3H6O3 90.078

分子式と平均分子量は同じで、立体配置のラベルがSとRに分かれました。R/Sは、原子・置換基の優先順位に基づくCIP規則で付ける記号です。光を回転させる方向の+・−とは別の記号です。IUPACのR/Sの定義、旋光性の定義

S体：C[C@H](O)C(=O)O R体：C[C@@H](O)C(=O)O
chematicが描いたS体の乳酸 chematicが描いたR体の乳酸

図は同じ公開版のmol.svg()で生成しました。SMILESの@・@@は原子の記載順に対する配置を表し、R/Sは読み込んだ構造から求めています。OpenSMILESの立体化学の仕様で、この記法を確認できます。

不斉の偏りを表すee：51:49は2% ee

2つの鏡像異性体のうち、片方がどれだけ多いかを表すのがエナンチオマー過剰率、略してeeです。モル数をそれぞれR、Sとすると、大きさは次の式で求められます。IUPACの定義

ee (%) = 100 × |R − S| / (R + S)

51:49なら2% ee、90:10なら80% eeです。50:50は0% eeで、両者を等モル含むラセミ体です。

Kagan氏らは1986年の論文で、触媒に用いるキラル成分のeeと生成物のeeが比例しない非線形効果を報告しました。硤合反応では不斉自己触媒反応によって、初期の小さなeeが増幅します。

ここまでの乳酸は、R/Sとeeを説明するための構造例です。

不斉増幅をシミュレーションする：51:49と50:50を比較

下のミニアプリで、最初のRの割合を動かしてください。青線は選んだ条件、破線は同じ初期比率で追加の交差阻害を0にした場合です。グラフはRが多い側を正、Sが多い側を負とする「符号付きee」を表示します。

Frankモデルの計算例。51:49と49:51は逆向きに増幅し、50:50は0% eeを保つ。

まず「50:50を試す」を押すと、線は0%にとどまります。最初から左右が等しい、この決定論的な計算では対称性を保ちます。49:51にすると、今度はSが多い側へ偏りが増幅します。δを0にすれば、初期のeeが保たれます。

ここで動かしているのは、Frankが1953年に示した考え方に基づく、無次元化したモデルです。RとSは一般的な鏡像異性体を表します。硤合反応の実測値への当てはめではなく、増幅が生まれる条件を調べるための計算です。Frankの原論文と、式の形を確認したDeck氏らの補足資料9.1節、式26・27（プレプリント）を参照しています。

dR/dτ = R × {1 − R − (1 + δ)S}
dS/dτ = S × {1 − S − (1 + δ)R}

RとSは尺度をそろえた濃度、τは無次元時間です。初期の合計濃度を1にしています。式のR・Sの正の項が増加を、二次の負の項が自己阻害と交差阻害を表します。δは、相手への阻害が自己阻害よりどれだけ強いかを決める値です。

初期比率51:49、δ = 1、τ = 20では、符号付きeeは99.9871%になりました。同じ初期比率でもδ = 0なら2.0000%です。この値は上の式を刻み幅0.01の4次Runge–Kutta法で解いた結果で、刻み幅を半分にした計算とも照合しています。時間の単位は秒や分への換算を置いていません。計算データをCSVで開く

立体化学を化合物データの比較にも使う

この話は、化合物一覧の類似度を計算するときにも役立ちます。先ほどの乳酸2分子について、構造の特徴をビット列にするMorganフィンガープリントを比較します。

a, b = molecules
print(a.rdkit_ecfp_config(2, 2048) == b.rdkit_ecfp_config(2, 2048))
print(
    a.rdkit_ecfp_config(2, 2048, include_chirality=True)
    == b.rdkit_ecfp_config(2, 2048, include_chirality=True)
)
True
False

この組では、立体化学を含めない指紋は一致し、含める指紋は異なりました。骨格の似方を見るのか、立体配置も特徴に含めるのかを、作業に合わせて選べます。指紋の設定は半径2、2,048ビットです。

手元で同じ計算を動かす

chirality.pyを保存し、次を実行すると、乳酸の構造図、計算結果のJSON、モデルのCSVを出力します。

python -m pip install "chematic==1.1.4"
python chirality.py

構造計算は公開Python版chematic 1.1.4、増幅の計算はスクリプト内のFrankモデルが担当します。2026年10月15日にmacOS arm64・Python 3.13.6で実行しました。全実行結果とパッケージ・コードの記録も掲載しています。