立體化學(xué)術(shù)語“手性”及其應(yīng)用范圍

摘 要：“手性”是當(dāng)今化學(xué)和藥學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)頻率較高的術(shù)語，在立體化學(xué)中 “手性”起先是用以表達(dá)分子結(jié)構(gòu)的幾何屬性，但現(xiàn)在它和它的衍生詞語已在更大的范圍內(nèi)獲得了應(yīng)用。文章對(duì)這些詞義從基本概念到合理的應(yīng)用擴(kuò)展，以及中文名的表達(dá)作一簡要的討論。

關(guān)鍵詞：立體化學(xué)，手性，術(shù)語

“手性”這一術(shù)語，自20世紀(jì)60年代中期引入有機(jī)立體化學(xué)以后，基本上局限于化學(xué)學(xué)術(shù)領(lǐng)域內(nèi)交流使用。80年代起藥物學(xué)家開始關(guān)注手性藥物中的有效活性成分。過去手性藥物一般是以外消旋體（racemate）狀態(tài)上市，隨著研究的深入，藥物學(xué)家發(fā)現(xiàn)組成的外消旋體中， 通常只有一個(gè)對(duì)映異構(gòu)體是有效的，另一個(gè)是無效的或效用很低，極端情況下效用相反甚至有毒害副作用。這就導(dǎo)致了1992年美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）作出了新的規(guī)定：提倡單一異構(gòu)體上市，也不排斥外消旋體的藥物，但必須申報(bào)組成外消旋體中的一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體的各自藥理和毒性。在2006年FDA批準(zhǔn)的小分子藥物中80%是手性的，而其中75%已是單一的對(duì)映異構(gòu)體。由于藥物是涉及千家萬戶的事，“手性”和其相關(guān)的專業(yè)詞語不僅成為化學(xué)界和制藥行業(yè)的熱門用語，而且也開始出現(xiàn)在一般公眾面前。立體化學(xué)中，“手性”是核心概念的術(shù)語，它的概念擴(kuò)展，使國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（以下簡稱IUPAC） 1996年推薦的 “立體化學(xué)基本術(shù)語”[2]比以前有很多變革。

正像其他新詞語一樣，“手性”和其相關(guān)專業(yè)詞語在普及使用中也帶來了一些概念模糊和混淆的地方，為此本文擬從“手性”的基本概念出發(fā)，對(duì)“手性”和其相關(guān)術(shù)語的應(yīng)用作一討論，也以此對(duì)第二版“化學(xué)名詞”相應(yīng)條目的修訂作一說明。[1]

一手性和不對(duì)稱

“手性”英文為chirality，它的詞根來自希臘文的“手”(cheir)。任何一個(gè)物體與它的鏡像不重疊，如同人的左右手不能重疊互為鏡像，這樣的物體是“手性的”(chiral)；如果與它的鏡像等同重疊，則稱它為“無手性的”(achiral)。在立體化學(xué)中“手性”是分子結(jié)構(gòu)的幾何屬性， 立體異構(gòu)體是由某一個(gè)“構(gòu)造異構(gòu)體”中原子或基團(tuán)在空間排列不同而成，在給定構(gòu)型和構(gòu)象的分子結(jié)構(gòu)中，如果它的排列與其鏡像不重疊，組成一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體，則這一分子結(jié)構(gòu)就具有“手性”， 分子手性是存在一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體的必要和充分條件。因此，在有機(jī)立體化學(xué)中，“手性” 的概念是十分明確的，專門描述分子的結(jié)構(gòu)特性。

在立體化學(xué)中，相當(dāng)長一段時(shí)期化學(xué)界采用“不對(duì)稱”這一詞語來說明分子具有“手性”的特征，其實(shí)這是不全面的。如手性分子反-1，2-環(huán)己二醇（圖1）具有對(duì)稱因素，因此若再稱其為“不對(duì)稱”的，容易引起概念混亂。從分子模型的自身對(duì)稱因素可以分析分子是否“手性”(見表1)：

具有對(duì)稱面和對(duì)稱中心的對(duì)稱因素（也即S1 和S2對(duì)稱）的分子是無手性的分子，它們比較普通的，屬于S1和S2對(duì)稱。具有旋轉(zhuǎn)反映軸對(duì)稱因素，即Sn旋轉(zhuǎn)反映軸的對(duì)稱分子也是無手性的，如圖1，化合物1具S4旋轉(zhuǎn)反映軸，是無手性的。而手性分子則是可能具有旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱因素，如圖1的化合物反-1，2-環(huán)己二醇2和3，彼此之間互為鏡像，不能重疊，但它們是各具有C2對(duì)稱軸的一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體，因此它們是有對(duì)稱因素的手性分子。具有C2對(duì)稱軸是一類很重要的手性分子，如右旋或左旋酒石酸分子結(jié)構(gòu)中都具有C2對(duì)稱軸。 由此說明，“不對(duì)稱”分子是“手性”分子， 但“手性”分子不一定是“不對(duì)稱”分子。

二 手性和旋光性化合物；單一手性化合物和外消旋體

19世紀(jì)初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)偏振光通過一些天然產(chǎn)物或其溶液后偏振面能發(fā)生旋轉(zhuǎn)，隨后的研究則證實(shí)這些產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)中存在 “非對(duì)稱”(dissymmetry)因素，存在著與其本身不能重疊的對(duì)映異構(gòu)體，即上文提到的分子“手性”。由于這樣的認(rèn)識(shí)有個(gè)過程，早年甚至現(xiàn)在還稱這樣的化合物為有“光學(xué)活性”（optical activity）化合物，因?yàn)樗鼉H涉及偏振光旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，所以筆者建議改稱“旋光性”化合物，應(yīng)更為確切一些。需要指出的是，旋光性化合物都是具有手性的化合物，但反之則不然。外消旋體（如RS-苯丙氨酸）由手性分子的一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體組成，旋光度為零。而且旋光度隨著所用偏振光的波長、溫度、溶劑或pH值的變化，有可能從正值通過零點(diǎn)變成負(fù)值，也就是在某一測量條件下手性分子的旋光度有可能為零。此外，若干單一手性分子組成的物質(zhì)有時(shí)觀察不到旋光性，稱為“偶然退化”(accidental degeneracy)現(xiàn)象；一些手性分子如不同烷基組成的飽和烷烴類化合物幾乎不能測到其比旋度，甚至在一段波長范圍內(nèi)都觀察不到旋光現(xiàn)象，這種分子稱為“隱手性的”(cryptochiral)。

化合物的“旋光性”也不能與分子具有“手性”完全等同起來，前者是化合物的物理表觀現(xiàn)象，后者則描述分子的結(jié)構(gòu)特征。1996年IUPAC推薦的“立體化學(xué)基本術(shù)語”中， “手性” 定義為剛性物體（或原子和基團(tuán)的空間排列）與其鏡像不能重疊的幾何性質(zhì)。即物體不存在第二類對(duì)稱因素（包括對(duì)稱中心、對(duì)稱面和旋轉(zhuǎn)反映軸對(duì)稱因素），而沒有述及與“旋光性”的任何關(guān)系。因此，“光學(xué)異構(gòu)體” “光學(xué)拆分”這類過去常用詞語也逐步被淘汰。有些有機(jī)化學(xué)教科書如第6版的《March’s 高等有機(jī)化學(xué)》（March’s Advanced Organic Chemistry ）[3]中，仍把 “旋光性” 和 “手性”絕對(duì)等同起來，這是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

當(dāng)提到某一手性分子時(shí)，還要指明是其中哪一個(gè)對(duì)映異構(gòu)體，或兩者1∶1的混合物，或其他比例的混合物。如從天然氨基酸中分得的苯丙氨酸能引起偏振光偏振面左旋（數(shù)值為負(fù)），其手性中心的構(gòu)型可命名為S－或L-(-)-苯丙氨酸；而它的對(duì)映異構(gòu)體則旋光值為正，命名為R－或D-(+)-苯丙氨酸。一般有機(jī)合成獲得的是1∶1的混合物，為外消旋體的苯丙氨酸，可表示為 RS-，或rac-苯丙氨酸。

基于上述情況，文獻(xiàn)上又出現(xiàn)了單一手性的（single chiral）、手性純的（chiralpure）、單一對(duì)映異構(gòu)體的（singleenantiomer form）等限制詞，用以明確表示手性分子中的一個(gè)對(duì)映異構(gòu)體，但按照IUPAC的推薦用詞則以“對(duì)映純”（enantiomerically pure /enantiopure）表達(dá)更為確切。目前文獻(xiàn)上常出現(xiàn)的用“同手性的”（homochiral）來表示“對(duì)映純”化合物不是很確切，它的原義是對(duì)映異構(gòu)體分子間有相同手性表達(dá)的意義(即所有分子間有相同R或S構(gòu)型符號(hào)) 。

一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體1∶1的混合物稱為外消旋體，在單一對(duì)映異構(gòu)體與外消旋體之間則較多地被稱作非外消旋體。在早期，非外消旋體中一對(duì)映異構(gòu)體的量度由“光學(xué)純度”（optical purity，簡稱op，見下公式）表示，此值為測得樣品的比旋光與單一對(duì)映異構(gòu)體比旋光之比。目前這一表達(dá)方式已逐步被其他方式所取代，但因習(xí)慣，文獻(xiàn)中“optical purity”仍在繼續(xù)使用，筆者建議其中文用詞改稱“旋光純度”較為確切。

op=［α］測得值/［α］最大值

旋光度的測定現(xiàn)在仍是判斷手性分子的重要方法，但不是唯一手段。由于測量手段的進(jìn)步，通過色譜或核磁共振等技術(shù)可直接獲得較為精確的一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體比例，現(xiàn)在較多采用的手段則為“對(duì)映異構(gòu)體過量”（enantiomer excess，簡稱ee，見下公式）。在一般情況下ee值應(yīng)與op值一致，但有時(shí)并不相同。

ee=R-S/R+S=R-S

在上述旋光純度和對(duì)映異構(gòu)體過量的表示中一個(gè)共同點(diǎn)是都將外消旋體不恰當(dāng)?shù)厝孔鳛榉撬栉镔|(zhì)，沒有直接反映出對(duì)映異構(gòu)體的組成，如 ee＝90%的非外消旋體其實(shí)是含有95%的一個(gè)對(duì)映異構(gòu)體和5%的另一對(duì)映異構(gòu)體，因此近年來不斷有學(xué)者提出對(duì)映異構(gòu)體組成以對(duì)映異構(gòu)體比例（enantiomeric ratio， 簡稱 er）來表達(dá)。[4]這一建議正在逐步為有機(jī)化學(xué)界所接受。

三 “手性”其他衍生詞的應(yīng)用

“手性”以及“手性的”這樣的詞語正越來越多地出現(xiàn)，在具體使用時(shí)要注意到上面提到的實(shí)際情況，進(jìn)一步明確其含義。

“手性”用于手性化合物、手性分子后，在化學(xué)界還衍生了許多的新詞語，其中用于化學(xué)物質(zhì)的如有機(jī)合成過程中的手性源(chiral pool)、手性試劑（chiral reagent）、手性催化劑（chiral catalyst）、手性中間體（chiral intermediate）、手性元（chiron）等，有用于色譜的手性固定相（chiral stationary phase），以及本文開始時(shí)提到的手性藥物（chiral drug）。它們的提出和使用因涉及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，故基本上是合適的，但是像手性化合物一樣，僅表明所敘述的化學(xué)物質(zhì)具有手性特性，而未涉及對(duì)映異構(gòu)體的組成狀況。當(dāng)然，實(shí)際上使用這些詞匯時(shí)意味著這是對(duì)映純的或者是高對(duì)映異構(gòu)體含量的物質(zhì)，如提到手性中間體（chiral intermediate）時(shí)即指單一對(duì)映異構(gòu)體（對(duì)映純）的中間體，或?qū)τ钞悩?gòu)體純度近100%的中間體。

然而在不少書籍或論文中將“手性”用于描述一些化學(xué)行為或過程，如“手性色譜” “手性催化”“手性合成”等，事實(shí)上，這不是很恰當(dāng)。如以“手性合成”為例，有機(jī)合成界多年來一直應(yīng)用“不對(duì)稱合成”（asymmetric synthesis）一詞，“不對(duì)稱合成”按照產(chǎn)物分類也稱“立體選擇性合成”，其定義為在一個(gè)底物上新形成一個(gè)或多個(gè)手性元素的反應(yīng)（或系列反應(yīng)）時(shí)，得到不等量的立體異構(gòu)體產(chǎn)物，可分為“對(duì)映選擇性合成”或“非對(duì)映選擇性合成”[5]，因此，稱為“手性合成”（chiral synthesis）顯然不是很妥當(dāng)。國際主流的化學(xué)刊物現(xiàn)在已杜絕此類詞。有些不恰當(dāng)立體化學(xué)術(shù)語還有待在今后使用中逐步解決。

總之，在當(dāng)前“手性”流行、普及之際，我們應(yīng)從立體化學(xué)“手性”的基本定義出發(fā)，更好地把握它的正確使用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 何煦昌.有機(jī)立體化學(xué)中若干術(shù)語和命名的討論. 化學(xué)研究與應(yīng)用， 2000， 12(3)：242-248. [2]Moss G P. Basic terminology of stereochemistry （IUPAC Recommendations 1996）.Pure Appl. Chem，1996， 68： 2193-2222.

[3]Smith M B， March J.March’s Advanced Organic Chemistry，Reactions，Mechanisms， and Structure， 6th Edition， WileyInterscince， Hoboken， NJ，2007： 137.

[4]Gawley R E. Do the Terms “%ee” and “%de” Make Sense as Expresions of Stereoisomer Composition or Stereoselectivity?J. Org. Chem， 2006， 71：2411-2416.

[5]何煦昌.不對(duì)稱有機(jī)合成和反映的分類.合成化學(xué)，2002（5）： 377-384.

何煦昌：中國科學(xué)院上海藥物研究所，201203

吳毓林：中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所，200032