手性分子

一、手性

类似左右手互为镜像与实物关系，彼此又不能重叠的现象称为手性(chirality)。

二、手性分子和对映体

手性化合物的立体结构通常用透视式表示。透视式的书写规则为：实线代表位于纸平面上的键，虚线和楔形线分别代表伸向纸平面后方的键和伸向纸平面前方的键。如果用透视式表示乳酸分子结构式[H3CCH(OH)COOH]则有b和c两种立体结构（图2-2）。
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乳酸分子b和c的关系正像人的左右手，互为镜像和实物关系，又不能重叠。它们是两个不同的化合物，互为对映异构体，简称对映体(enantiomer)。一对对映体是一对不能重叠的镜像异构体。

乳酸分子b和c都是手性分子。不能与其镜像重叠的分子称为手性分子(chiral molecule)。

乳酸分子中的C2原子所连的四个原子或基团(COOH、OH、CH3、H)各不相同。此类连有4个不同的原子或基团的碳原子称为不对称碳原子(asymmetric carbon atom),又称手性碳原子。不对称碳原子为手性中心，其所连的4个不同原子或基团在空间有2种不同的排列方式，即具有2种不同的构型。

前述的乳酸b和c就是构型不同乳酸的一对对映体。一对对映体有许多相同的性质：如熔点、沸点相同，在水和其他的普通溶剂里溶解度相同等，即它们的绝大多数物理性质是相同的。对映体的化学性质的情况也类似，除了与手性试剂相互作用显示其性质有差异外，其他绝大多数化学性质也是相同的。例如，乳酸的一对对映体分别与氢氧化钠溶液作用，两者的反应速度是相同的。

一对对映体绝大多数的物理性质和化学性质相同，但两者对平面偏振光的作用不同，另外两者在生理作用上有着显著的不同。学习对映异构现象应特别关注对映体结构和性质的差别。

三、分子中对称因素和判断对映体/手性分子

判断一个化合物分子是否存在对映体，即判断是否是手性分子，通常采用以下三种方法：

  1. 方法一，最直接的方法是建造一个分子和它镜像的模型，比较两者的结构，如果两者不能重合，则该分子存在对映体。反之，该分子就不具有手性，也无旋光性，无对映体。
  2. 方法二，通过观察化合物分子的对称性判断其是否具有手性，寻找目标分子的对称面和（或）对称中心。判断一个化合物对称性的间接方法是借助于观察分子的对称因素，如：对称面、对称中心及对称轴等。如果该分子有对称面或对称中心，通常该分子为非手性分子，无旋光性，也没有对映体。
  3. 方法三，寻找目标分子中的手性碳原子（或手性中心)。如果目标分子中存在一个手性碳原子，该分子具有手性，有一对对映体。如果目标分子中存在两个或两个以上的手性碳原子，需根据其结构具体分析其手性，可能有例外情况（见内消旋化合物）。
    无论选用哪种方法，答案应该是相同的。

如果没有手性碳原子也可能有手性：
联苯化合物分子中两个苯环是在同一平面上，为非手性分子。但当联苯分子中每个苯环相连碳的两个邻位氢原子被不同的较大的基团取代（如-CO2H,-NO2等）。取代基的空间位阻使两个苯环处于非共平面的稳定构象。这种稳定的分子构象包含了手性因素，产生互不重合的镜像异构体（对映体)，因此分子具有手性。
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丙二烯类化合物(C=C=C)的结构特点是与中心碳原子(sp杂化)相连的两个π键所处的平面彼此相互垂直(图2-10)。
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当两端双键碳原子各连有两个不同的取代基时，就产生了手性因素，存在着对映体。例如，下面的1,3-二氯丙二烯就是此种类型的化合物，存在一对对映体。image.png

四、非对映异构体

2,3,4-三羟基丁醛分子中含有2个不相同的手性碳原子，即这2手性碳分别所连的四个基团不完全对应相同。2,3,4三羟基丁醛存在四个立体异构体。下面是2,3,4-三羟基丁醛的四种立体异构体的Fischer投影式。
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异构体与b和异构体c与d分别互为对映体，它们是2,3,4-三羟基丁醛的两对对映体。异构体a与c是彼此不构成实物镜像关系的立体异构体，它们互为非对映异构体(diastereoisomer)。同样，异构体a与d，异构体b与c以及异构体b与d也都彼此互为非对映异构体。

两个含有多个手性碳原子的手性化合物，如果它们除一个手性碳原子的构型不同，其他结构完全相同，它们彼此互为差向异构体(epimer)，差向异构体是一种非对映异构体。

非对映异构体的沸点、溶解度等物理性质不相同。

五、手性分子的生物作用

一对对映体构型上的差异，有时会产生截然不同的生理作用。例如，多巴(dopa)分子中有一个手性碳，存在一对对映体（右旋多巴和左旋多巴）。左旋多巴被广泛使用于治疗帕金森病(Parkinson's disease)(中枢神经系统的一种慢性病)，然而右旋多巴却无此生理作用。 #药理
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化学物质一般是通过作用于细胞的专一特定部位受体，引起或改变细胞的反应，产生生物学效应。由于受体为具有手性的蛋白质，因此一对对映体只有其中一个对映体的结构与受体特定的立体结构相适合，即只有这个对映体才能与受体有效结合，产生相应的生理效应。图2-11显示一对对映体(1)和(2)分别与相同的手性受体（两个梯形图代表相同受体）之间的结合情况。其中对映体(1)与此受体的结构有互补关系，能与受体结合。对映体(2)与此受体的结构无互补关系，不能与其结合。
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六、手性分子的来源

人们熟知的由活细胞产生的生物催化剂一酶(enzyme)为手性生物分子。酶催化机体细胞中几乎每种反应，被酶催化而反应的化合物称为底物(substrate)，底物被酶催化转变为产物(product)。

在手性酶的作用下，非手性的底物可以转变为单一对映体的手性产物，所以天然的手性化合物通常以单一对映体的形式存在。

手性化合物还可通过化学合成得到，非手性分子通过化学反应可转化成为手性分子。例如，正丁烷氯化，可以得到手性的取代产物2-氯丁烷。

一般化学反应得到的手性化合物是外消旋体，无旋光性。通过在反应过程引入手性环境建立的立体选择性有机反应也能直接得到旋光性化合物。