探索手性分子基礎：走進(jìn)手性分子的奇妙世界

手性：一個(gè)物體若與其鏡像不能重合，稱(chēng)這個(gè)物體具有手性；也叫手征性。

不能與自身鏡像重合的分子稱(chēng)為手性分子。一個(gè)分子是否具有手性與其對稱(chēng)性有關(guān)：

對稱(chēng)面：

若有一個(gè)平面把分子分成兩半，這兩半是實(shí)物與鏡像的關(guān)系，則此平面是分子的對稱(chēng)面。用σ表示。

對稱(chēng)中心：

若分子中有一點(diǎn)，從分子中的任一原子或基團出發(fā)，向該點(diǎn)引一直線(xiàn)，若在距該點(diǎn)等距離處，有一相同的原子或基團，這點(diǎn)是對稱(chēng)中心，用i表示。

凡是分子中具有對稱(chēng)面或對稱(chēng)中心的分子是非手性分子；反之分子具有手性。

凡是手性分子必有互為鏡像的兩種構型，互為鏡像的兩種構型的異構體叫做一對對映體。這種立體異構稱(chēng)為對映異構。

注意:要把一種構型轉變成它的對映異構體，必須斷裂分子中的化學(xué)鍵，然后對調兩個(gè)基團的位置。

手性碳原子:連有四個(gè)不同基團的碳原子。

注:

1.若分子中僅有一個(gè)手性碳原子，則該分子為手性分子，就存在一對對映異構體。

2.有些分子不含手性碳原子，但其仍為手性分子。

3.有的分子中含有多個(gè)手性碳原子，但其不是手性分子。（如下圖）

內消旋體：

內消旋體是指分子內具有2個(gè)或多個(gè)非對稱(chēng)中心，但又有其他對稱(chēng)因素，如對稱(chēng)面存在，因而使整個(gè)分子不具有旋光性的化合物。

外消旋體：

外消旋體是一種具有旋光性(見(jiàn)旋光異構)的手性分子(見(jiàn)手征性)與其對映體的等摩爾混合物。

內消旋體與外消旋體的異同:

1)二者都無(wú)旋光性；

2)內消旋體是純的非手性物質(zhì)，而外消旋體是對對映體的等量混合物；

3)內消旋體不可拆分，而外消旋體可拆分。

一對對映體，它們的一般物理性質(zhì)(如:熔沸點(diǎn)、密度、折光率、在非手溶劑中的溶解度以及光譜性質(zhì))相同但它們對偏振光的作用不同。

1、偏振光：

偏振光是指光波的電場(chǎng)在傳播方向上的振動(dòng)被限制在一個(gè)平面內，且該平面與光的傳播方向垂直。這種現象使得光波在垂直于傳播方向的截面上，其電場(chǎng)端點(diǎn)的軌跡形成一條直線(xiàn)、一個(gè)圓或一個(gè)橢圓。

2、旋光性：

能使偏振光發(fā)生偏轉的性質(zhì)，稱(chēng)為旋光性；具有這種性質(zhì)的物質(zhì)，稱(chēng)為旋光性物質(zhì)(光活性物質(zhì))；反之為非光活性物質(zhì)。使偏振光振動(dòng)方向旋轉的角度稱(chēng)為旋光度，用α表示。使偏振光振動(dòng)方向向左旋稱(chēng)為左旋體，用“一”表示；向右旋的稱(chēng)為右旋體，用“+”表示。

注:

①凡是手性分子，都有旋光性；非手性分子無(wú)旋光性。

②一對對映體對偏振光的作用正好相反，一個(gè)使偏振光左旋，一個(gè)使之右旋，旋光度數值相等。

3、旋光性的測量：

用旋光儀進(jìn)行測量

旋光儀主要由一個(gè)光源、兩個(gè)尼克爾棱鏡和一個(gè)盛測試樣品的盛液管組成。尼克爾棱鏡是由兩塊方解石直角棱鏡沿斜面用加拿大樹(shù)脂粘合而成。當一束單色光照射到尼克爾棱鏡時(shí)，分解為兩束相互垂直的平面偏振光，一束折射率為1.658的尋常光，一束折射率為1.486的非尋常光，這兩束光線(xiàn)到達加拿大樹(shù)脂粘合面時(shí)，折射率大的尋常光被全反射到底面上的墨色涂層被吸收，而折射率小的非尋常光則通過(guò)棱鏡，這樣就獲得了一束單一的平面偏振光。

4、比旋光度的計算：

物理意義:1mL含1g旋光性物質(zhì)的溶液，在1dm長(cháng)的盛樣管中，利用一定波長(cháng)的入射光(鈉單色光，D，λ=586.3nm)測得的旋光度。

比旋光度與入射光的波長(cháng)、溫度和溶劑有關(guān)，常將[α]寫(xiě)作[α]_λ^t葡萄糖:[α]_D²⁵ =+ 52.5。

在不用水做溶劑時(shí)，需注明溶劑的名稱(chēng):

(5%乙醇)酒石酸在5%的乙醇溶液中其比旋光度為[α]_D²⁵=+ 3.79°（5%乙醇）。

1、手性碳:常用“*”表示

含有一個(gè)手性碳原子的化合物，一定是手性分子。有一對對映體，其中一個(gè)是左旋，一個(gè)是右旋。如乳酸:

[α]_D¹⁵ =+ 3.8^。 [α]_D¹⁵=-3.8^。

外消旋體:等量的左、右旋體的混合物

注意:

①外消旋體沒(méi)有旋光性；

②外消旋體與其左、右旋體的物理性質(zhì)不同；

③一般的物理方法不能分離外消旋體。

2、構型的表示方法

1）球棒模型

2）透視型（或傘形式）

“楔前虛后實(shí)平面”

3)菲舍爾(Fischer)投影式

投影規則:

①手性碳放在紙面上，

②伸向紙面前方的鍵放在橫鍵上，伸向紙面后方的鍵放在豎鍵上(橫前豎后)；

③主鏈豎著(zhù)寫(xiě)，命名時(shí)編號小的碳在最上方。

3、構型的標記

1)D-L標記法--相對構型標記

注:D、L與左右旋無(wú)關(guān)，D、L表示相對構型而左、右旋通過(guò)旋光儀測定結果。

2)R-S標記法--絕對構型標記法取代基的優(yōu)先次序規則:

取代基按其第一個(gè)原子的原子序數大小排列，原子序數大者為“較優(yōu)”基團。若為同位素，則質(zhì)量重的定為“較優(yōu)”基團.

           I>Br>CI>F>OH>NH2>CH3>D>H

②如果兩個(gè)基團的第一個(gè)原子相同，則比較與之相連的第二個(gè)原子，以此類(lèi)推。

            -CH₂CH_3 >CH3

③含有雙鍵或叁鍵基團，可以分解為連有兩個(gè)或三個(gè)相同原子。

標記方法：

若a>b>c>d，d在離視線(xiàn)最遠處；

若a>b>c為“順”—R型

若a>b>c為“逆”—S型

含有兩個(gè)不同手性碳原子的化合物

2-羥基-3-氯丁二酸(氯代蘋(píng)果酸）

表：氯代蘋(píng)果酸的物理性質(zhì)

含有兩個(gè)相同手性碳原子的化合物

2,3-二羥基丁二酸(酒石酸)是內消旋體

表：酒石酸的物理性質(zhì)

總之，手性分子是一個(gè)充滿(mǎn)奇妙和未知的世界。它們不僅構成了生命的基礎，還推動(dòng)了化學(xué)、生物學(xué)和藥學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。未來(lái)，隨著(zhù)科技的進(jìn)步和研究的深入，我們相信會(huì )有更多關(guān)于手性分子的奇妙發(fā)現等待我們去探索。