分子手性的探讨

一 概述

手是不能与自身镜像相重叠的。在立体化学中，一个物体若与自身的镜像不能叠合，就叫做具有手性。碳原子在形成有机分子的时候，4个原子或基团可以通过4个共价键形成三维空间结构。当所连的4个原子或基团不同时，它会形成两种分子结构，此时的碳原子称为手性碳原子。由于是三维结构，不管它们如何旋转都不会重叠，就像我们的左手和右手那样，所以这样的分子又叫做手性分子。

二 如何判断分子的手性

1.模型分析法

要判断一个分子是否具有手性，最可靠的方法是确定这个分子结构及其镜像的模型，看是否重合，若能够完全重合，则实物与镜像所代表的两个分子为同一个分子。若不能完全重合，则该分子有手性，存在对映异构体。

2.对称分析法

一个分子是否能与其镜像叠合，与分子的对称性有关。考察分子的对称性也能判断它是否具有手性。考察分子的对称性，需要考虑的对称因素主要包括：对称面（镜面）、对称中心和交替对称轴（旋转反映轴）。对称面：假如有一个平面可以把分子切开成互为镜像的两半，这个平面就是分子的对称面。对称中心：在分子中取一点P，从分子中任何一个原子出发，向这个点作直线，从这个点将直线延长出去，若在与P点等距离处遇到相同的原子，则P点即为该分子的对称中心。交替对称轴：设想分子中有一直线，该分子以此直线为轴旋转360°/n（n=2，3，4…）后，再以一个垂直于此直线的平面进行反映，若得到的镜像与原分子完全重叠，则称其为n重交替对称轴。凡具有对称面或对称中心或交替对称轴的分子都与其镜像能够完全重合，因而无手性。一般地说，有机物分子只要既没有对称中心，又不存在对称面，就可以初步断定它是个手性分子。会有个别例外情况，但不是主要问题。

3.手性碳分析法

在有机物中，手性分子大多含有手性碳原子。我们可以通过分析手性碳原子来判断分子是否具有手性。具体讨论如下：

第一，含有一个手性C，饱和碳原子具有四面体结构。例如乳酸分子中含有一个手性C。它形成了两种分子结构，我们无论将它们如何放置，都不能使它们完全重叠。二者就像左手和右手一样，互为镜像。在立体化学中，我们称它们是一对对映异构体或对映体。实验发现，它们都具有旋光性，而且使偏振光的振动平面旋转的角度相同，但方向相反，用（-）-乳酸和（+）-乳酸表示。除了旋光方向相反外，两者物理、化学性质一致。比如它们的沸点和相对密度一样，在和非手性试剂作用时，它们的化学性质也一样。规律：连在手性碳原子上的4个原子或基团，在空间有两种排列方式，即两种构型，因此含有一个手性碳原子的化合物必有手性，存在2个对映体。

第二，含两个不同手性C，以2，3，4-三羟基丁醛为例。

Ⅰ和Ⅱ可以互相叠合，是同一种分子，因此不是手性分子。这种虽然含有手性碳原子但不是手性分子，因而也没有旋光性的化合物叫做内消旋体。酒石酸之所以有内消旋体是因为它的两个手性碳原子所连基团的构造完全相同。当这两个手性碳原子的构型相反时，它们在分子内可以互相对映，因此整个分子不再具有手性。规律：含两个相同手性碳原子的分子不一定有手性，它有3个旋光异构体（2个对映体，1个内消旋体）。

第四，含多个不同手性C。含n个不同手性C的分子一定具有手性，且有2的n次方个对映体。

4.含其他手性原子的分子手性分析

除C之外，还有一些元素如Si、N、S、P、As等的共价键化合物也是四面体结构，当这些元素的原子所连基团互不相同时，该原子也是手性原子。含有这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无手性。例子如下：

第一，取代丙二烯型手性分子。丙二烯分子中3个C由两个双键相连，这两个双键互相垂直，因此第一个C和与它相连的两个H所在的平面，与第三个C和与它相连的两个H所在的平面，正好互相垂直。当第一个C和第三个C分别连有不同基团时，整个分子就是一个手性分子。

第二，单键旋转受阻碍的联苯型手性分子。联苯分子中两个苯环通过一个单键相连。当苯环邻位上连有体积较大的取代基时，两个苯环之间单键的自由旋转受到阻碍，致使两个苯环不能处在同一个平面上。此时，如果两个苯环上的取代基分布不对称，整个分子就是一个手性分子。

三 手性与生活

人们使用的药物绝大多数具有手性，被称为手性药物。手性药物的“镜像”称为它的对映体，两者之间在药力、毒性等方面往往存在差别，有的甚至作用相反。20世纪60年代一种被称为反应停的手性药物（一种孕妇使用的镇定剂，已被禁用）上市后导致1.2万名婴儿的生理缺陷，因为反应停的对映体具有致畸性。因此，能够独立地获得手性分子的两种不同镜像形态极为重要。

四 手性与生命

手性是一种奇妙的东西！我们已发现的氨基酸有20多个种类，除了最简单的甘氨酸以外，其他氨基酸都有手性。也就是说，生命最基本的东西也有左右之分。人们让一束偏振光通过氨基酸，发现了一个令人震惊的事实，那就是除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量的右旋氨基酸之外，组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸！

探讨与研究手性，不仅造就了工业奇迹，也启发了我们对地球生命的新认识。

参考文献

[1]徐寿昌.有机化学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1999