分子手性的探討

一 概述

手是不能與自身鏡像相重疊的。在立體化學(xué)中，一個(gè)物體若與自身的鏡像不能疊合，就叫做具有手性。碳原子在形成有機(jī)分子的時(shí)候，4個(gè)原子或基團(tuán)可以通過4個(gè)共價(jià)鍵形成三維空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)所連的4個(gè)原子或基團(tuán)不同時(shí)，它會(huì)形成兩種分子結(jié)構(gòu)，此時(shí)的碳原子稱為手性碳原子。由于是三維結(jié)構(gòu)，不管它們?nèi)绾涡D(zhuǎn)都不會(huì)重疊，就像我們的左手和右手那樣，所以這樣的分子又叫做手性分子。

二 如何判斷分子的手性

1.模型分析法

要判斷一個(gè)分子是否具有手性，最可靠的方法是確定這個(gè)分子結(jié)構(gòu)及其鏡像的模型，看是否重合，若能夠完全重合，則實(shí)物與鏡像所代表的兩個(gè)分子為同一個(gè)分子。若不能完全重合，則該分子有手性，存在對(duì)映異構(gòu)體。

2.對(duì)稱分析法

一個(gè)分子是否能與其鏡像疊合，與分子的對(duì)稱性有關(guān)。考察分子的對(duì)稱性也能判斷它是否具有手性。考察分子的對(duì)稱性，需要考慮的對(duì)稱因素主要包括：對(duì)稱面（鏡面）、對(duì)稱中心和交替對(duì)稱軸（旋轉(zhuǎn)反映軸）。對(duì)稱面：假如有一個(gè)平面可以把分子切開成互為鏡像的兩半，這個(gè)平面就是分子的對(duì)稱面。對(duì)稱中心：在分子中取一點(diǎn)P，從分子中任何一個(gè)原子出發(fā)，向這個(gè)點(diǎn)作直線，從這個(gè)點(diǎn)將直線延長(zhǎng)出去，若在與P點(diǎn)等距離處遇到相同的原子，則P點(diǎn)即為該分子的對(duì)稱中心。交替對(duì)稱軸：設(shè)想分子中有一直線，該分子以此直線為軸旋轉(zhuǎn)360°/n（n=2，3，4…）后，再以一個(gè)垂直于此直線的平面進(jìn)行反映，若得到的鏡像與原分子完全重疊，則稱其為n重交替對(duì)稱軸。凡具有對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心或交替對(duì)稱軸的分子都與其鏡像能夠完全重合，因而無(wú)手性。一般地說，有機(jī)物分子只要既沒有對(duì)稱中心，又不存在對(duì)稱面，就可以初步斷定它是個(gè)手性分子。會(huì)有個(gè)別例外情況，但不是主要問題。

3.手性碳分析法

在有機(jī)物中，手性分子大多含有手性碳原子。我們可以通過分析手性碳原子來判斷分子是否具有手性。具體討論如下：

第一，含有一個(gè)手性C，飽和碳原子具有四面體結(jié)構(gòu)。例如乳酸分子中含有一個(gè)手性C。它形成了兩種分子結(jié)構(gòu)，我們無(wú)論將它們?nèi)绾畏胖?，都不能使它們完全重疊。二者就像左手和右手一樣，互為鏡像。在立體化學(xué)中，我們稱它們是一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體或?qū)τ丑w。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，它們都具有旋光性，而且使偏振光的振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)的角度相同，但方向相反，用（-）-乳酸和（+）-乳酸表示。除了旋光方向相反外，兩者物理、化學(xué)性質(zhì)一致。比如它們的沸點(diǎn)和相對(duì)密度一樣，在和非手性試劑作用時(shí)，它們的化學(xué)性質(zhì)也一樣。規(guī)律：連在手性碳原子上的4個(gè)原子或基團(tuán)，在空間有兩種排列方式，即兩種構(gòu)型，因此含有一個(gè)手性碳原子的化合物必有手性，存在2個(gè)對(duì)映體。

第二，含兩個(gè)不同手性C，以2，3，4-三羥基丁醛為例。

Ⅰ和Ⅱ可以互相疊合，是同一種分子，因此不是手性分子。這種雖然含有手性碳原子但不是手性分子，因而也沒有旋光性的化合物叫做內(nèi)消旋體。酒石酸之所以有內(nèi)消旋體是因?yàn)樗膬蓚€(gè)手性碳原子所連基團(tuán)的構(gòu)造完全相同。當(dāng)這兩個(gè)手性碳原子的構(gòu)型相反時(shí)，它們?cè)诜肿觾?nèi)可以互相對(duì)映，因此整個(gè)分子不再具有手性。規(guī)律：含兩個(gè)相同手性碳原子的分子不一定有手性，它有3個(gè)旋光異構(gòu)體（2個(gè)對(duì)映體，1個(gè)內(nèi)消旋體）。

第四，含多個(gè)不同手性C。含n個(gè)不同手性C的分子一定具有手性，且有2的n次方個(gè)對(duì)映體。

4.含其他手性原子的分子手性分析

除C之外，還有一些元素如Si、N、S、P、As等的共價(jià)鍵化合物也是四面體結(jié)構(gòu)，當(dāng)這些元素的原子所連基團(tuán)互不相同時(shí)，該原子也是手性原子。含有這些手性原子的分子也可能是手性分子。

5.不含手性原子的分子手性分析

含手性原子的分子不一定有手性，不含手性原子的分子也不一定無(wú)手性。例子如下：

第一，取代丙二烯型手性分子。丙二烯分子中3個(gè)C由兩個(gè)雙鍵相連，這兩個(gè)雙鍵互相垂直，因此第一個(gè)C和與它相連的兩個(gè)H所在的平面，與第三個(gè)C和與它相連的兩個(gè)H所在的平面，正好互相垂直。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)C和第三個(gè)C分別連有不同基團(tuán)時(shí)，整個(gè)分子就是一個(gè)手性分子。

第二，單鍵旋轉(zhuǎn)受阻礙的聯(lián)苯型手性分子。聯(lián)苯分子中兩個(gè)苯環(huán)通過一個(gè)單鍵相連。當(dāng)苯環(huán)鄰位上連有體積較大的取代基時(shí)，兩個(gè)苯環(huán)之間單鍵的自由旋轉(zhuǎn)受到阻礙，致使兩個(gè)苯環(huán)不能處在同一個(gè)平面上。此時(shí)，如果兩個(gè)苯環(huán)上的取代基分布不對(duì)稱，整個(gè)分子就是一個(gè)手性分子。

三 手性與生活

人們使用的藥物絕大多數(shù)具有手性，被稱為手性藥物。手性藥物的“鏡像”稱為它的對(duì)映體，兩者之間在藥力、毒性等方面往往存在差別，有的甚至作用相反。20世紀(jì)60年代一種被稱為反應(yīng)停的手性藥物（一種孕婦使用的鎮(zhèn)定劑，已被禁用）上市后導(dǎo)致1.2萬(wàn)名嬰兒的生理缺陷，因?yàn)榉磻?yīng)停的對(duì)映體具有致畸性。因此，能夠獨(dú)立地獲得手性分子的兩種不同鏡像形態(tài)極為重要。

四 手性與生命

手性是一種奇妙的東西！我們已發(fā)現(xiàn)的氨基酸有20多個(gè)種類，除了最簡(jiǎn)單的甘氨酸以外，其他氨基酸都有手性。也就是說，生命最基本的東西也有左右之分。人們讓一束偏振光通過氨基酸，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人震驚的事實(shí)，那就是除了少數(shù)動(dòng)物或昆蟲的特定器官內(nèi)含有少量的右旋氨基酸之外，組成地球生命體的幾乎都是左旋氨基酸，而沒有右旋氨基酸！

探討與研究手性，不僅造就了工業(yè)奇跡，也啟發(fā)了我們對(duì)地球生命的新認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐壽昌.有機(jī)化學(xué)（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1999