手性化合物

手性化合物

手性化合物(chiral compounds)是指分子量、分子結構相同,但左右排列相反,如實物與其鏡中的映體。人的左右手、結構相同,大姆至小指的次序也相同,但順序不同,左手是由左向右,右手則是由右向左,所以叫做“手性”。也就是指一對分子。由於它們像人的兩隻手一樣彼此不能重合,又稱為手性化合物。

基本信息

簡介

手性化合物手性化合物
手性是指當我們伸出雙手,雙手手心向上時,可以看出左右手是對稱的,但是將雙只手疊合,無論如何也不能全部重疊,總有一部分是不能重合在一起的;如果我們將左手置於一面平面鏡前,手心對著鏡子,可以看到鏡子裡的左手的像和右手手心對著自己一樣,即左手的像和右手可以完全重疊。象這樣左手和右手看來如同物與像,但又不能疊合在一起,互相成為“鏡像”關係,就稱之為“手性”。

有機化合物是含碳的化合物,一個碳原子的最外層上有四個電子,若以單鍵成鍵時,可以形成四個共價單鍵,共價鍵指向四面體的頂點,當碳原子連線的四個基團各不相同時,與這個碳原子相連線的四個基團有兩種空間連線方式,這兩種方式如同左右手,互為“鏡像”,也是不能完全疊合在一起的,因此,這樣的分子叫做“手性分子”。這種構成手性關係的分子之間,把一方叫做另一方的“對映異構體”。許多有機化合物分子都有“對映異構體”,即是具有“手性”。

構成生物體的許多有機化合物都有“手性”。如α-胺基酸,在碳連線有一個羧基、一個氨基、一個烴基和一個氫原子(或一個不同於前邊的烴基)*,這時你想將其中三個相同顏色的球重疊,但是餘下的那個顏色的球總不能重疊。由這些手性胺基酸組成的蛋白質也就與“手性”有密切的關係,因此,生命生理活動中的許多現象與“手性”密不可分。

檢驗方法

手性化合物手性化合物
手性物質具有一特殊性質——鏇光性,將純淨的手性物質的晶體,或是將純淨的手性物質配成一定濃度的溶液,用平面偏振光1照射,通過手性物質的偏振光平面會發生一定角度的鏇轉,這稱為鏇光性

這種偏振光的平面鏇轉可左可右,以順時針方向鏇轉的對映體,稱為右鏇分子,用“+”或“d”表示;以逆時針方向鏇轉的對映體,稱為左鏇分子,用“-”或“l”;如果將互為對映體的手性物質等物質的量混合後,以偏振光照射,而偏振光不發生鏇轉,稱為外消鏇體或外消鏇混合物,外消鏇體是由於左鏇分子和右鏇分子發生的偏振光鏇轉相互抵消,而使通過的偏振光的鏇轉不能被檢出。因此,利用鏇光性可以檢驗物質的手性,但要注意物質的純度。

另外,許多物質分子中並不是只有一個決定手性的碳原子,在分子內也會存在互為對映體的碳原子,這樣的分子如果用偏振光照射,偏振光也不會發生鏇轉,稱之為內消鏇體,因為是分子內部的互為對映鏡像原子對偏振光的鏇轉相互抵消,而使偏振光的鏇轉不被檢出。

性質意義

手性物質是互成鏡像,從物質的空間結構上看,對映體之間雖然不能重疊,但分子的組成是相同的,那么,許多物理化學性質也是相同的。

人的左右手是相互對稱的,看上去相同,但不能重疊,這只是從外觀上講,在功能上,左右手可以做許多相同的事,但是左右手也各式各的偏好和專長,即左手能做的,右手不擅長做,甚至不能做,反之亦然。

那手性物質也與我們的手的結構和功能上可以類比,手性物質的對映體之間有許多相同的理化性質,如熔點、溶解度、發生相同類型的化學反應等等,但也有一些理化性同有極大的差異,如鏇光性氣味、與手性物質相互作用產生不同的產物,特別是許多與生物體密切相關的生化反應中,均和物質的手性相關聯,就是因為生命活動的生化反應與有機物的手性相關性,目前對物質的手性、物質的手性反應以及物質的手性合成和分離等,對人類來講具有不可輕視的重大意義。

實例

兩種對映體之間有不同的氣味或味道

(S)-天冬醯胺,味甜(R)-天冬醯胺,味苦
(S)-香芹酮,芫荽香味(R)-香芹酮,留蘭香
(S)-薴烯,檸檬香味(R)-薴烯,桔子香味
在食品工業中,選擇調味品時,就應關注不同對映體的手性,選擇不同手性的對映體,保障食品的品質和口味。

兩種對映體的不同信息活性

舞毒蛾的性引誘素disparlure是舞毒蛾的性信息素,其中一種對映體在極低濃度下就能對舞毒蛾起到性吸引的作用,而另一對映體即使在極高濃度下也沒有性吸引的活性作用。類似的還有一種更奇特的性信息素——日本麗金龜性信息素,當(R,Z)-信息素僅摻雜2%的對映體,混合物的活性只有光學純信息素的1/3。這種信息素只要含有少到0.5%的(S,Z)-對映體,對雄性昆蟲的吸引就會下降。還有一種名為olean的昆蟲信息素,其中一種對映體能吸引雄性果蠅,另一種對映體則只能吸引雌性果蠅。對於這些昆蟲的信息活性物質對映體的使用,可以在農業和林業上誘捕有害蟲。

兩種對映體的生理活性不同

天然的(-)-尼古丁毒性比(+)-尼古丁大得多。在60年代曾流行一時的孕婦服用的反應停的對映體混合物,發現會對胎兒造成肢體先天性治殘,可能是其中一種對映體有治療作用,而另一種對映體有害。這樣,有一種對映體有益,另一種對映體無用,甚至於有害處就值得我們關注。在醫療醫藥的使用中,需要把握對映體對人體生理的影響,特別當有些工業合成的對映體混合物作為食品增加劑時,更加要關注手性物質對人體生理的影響,不能有害,特別不能造成對人體的永久性致殘損傷。另外,對於酶的專一性也是與“手性”密切相關的,因為構成酶的基本單元是胺基酸,構成生物的二十餘種胺基酸(除甘氨酸外)均為“手性分子”,這些分子就構成特定空間結構的蛋白質——酶,對生物體內的生化反應就會有特定的專一性。

意義

由於手性物質的不同對映體對生物體的生理活性不同,那分離和合成出純淨的對映體就是人類夢昧以求的事業。但是大自然並沒有給予我們現成的恩賜,只給我們人類一些提示——純淨的手性物質在大自然中含量有限,甚至極其稀有,人類知道了它們的用途,大量需要時,就得由人工合成,而工業合成的對映體,得到的是兩種對映體的1:1混合物,即是外消鏇體,由於對映體之間理化性質的相近,使我們要真正得到純淨的一種對映體,對我們人類來說還有不少的合成和分離上的難題需要解決。當一種對映體有益的生理活性被發現,並開始使用,就需要大量生產,而在工業合成中,不能得到單一的對映體,一方面,有一半沒有生理活性將成為廢物,浪費原料、增加產品成本,難實現規模化生產,另一方面,若是有一半在生理活性方面有害,使用時就得不償失。

“手性分子”對生命生理活動有其特殊的活性,以期今後能找出對癌症和一些目前難症的藥品,也期望“手性分子”合成和分離的大工業化,能製造出利於細菌利用的“手性分子”作為高分子聚合物的單體,用以合成易降解高分子合化物,減少環境污染。

因此,2001年度的諾貝爾化學獎給予三位手性合成作出貢獻的科學家,就是他們提出了合成純粹對映體的科學方案。

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