分子的手性與旋光性

分子的手性和旋光性【摘要】長(zhǎng)久以來(lái)，分子的手性和旋光性都受到了人們的密切關(guān)注。這些性質(zhì)既帶給了人們便利，也給人們?cè)斐闪藗?。本文講述了手性和旋光性的基本信息，詳細(xì)闡述了它們的判斷方法，著重說(shuō)明了它們的應(yīng)用領(lǐng)域和對(duì)人類(lèi)生活的影響,文章的最后還提出了一些手性分子的合成方法?！娟P(guān)鍵詞】手性；旋光性；判斷方法；應(yīng)用；合成1.分子的手性分子手性的概念手性分子，是化學(xué)中結(jié)構(gòu)上鏡像對(duì)稱(chēng)而又不能完全重合的分子。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(guò)4根共價(jià)鍵形成三維的空間結(jié)構(gòu)。由于相連的原子或基團(tuán)不同，它會(huì)形成兩種分子結(jié)構(gòu)。這兩種分子擁有完全一樣的物理和化學(xué)性質(zhì)。但是從分子的組成形狀來(lái)看，它們依然是兩種分子。這種情形就像鏡子里和鏡子外的物體那樣，看上去互為對(duì)應(yīng)，可是由于是三維結(jié)構(gòu)，它們不管怎樣旋轉(zhuǎn)都不會(huì)重合，就如同人們的左手和右手。這兩種分子具有手性，所以叫手性分子。由于這兩種分子互為同分異構(gòu)體，所以這種異構(gòu)的形式稱(chēng)為手性異構(gòu)，有R型和S型兩類(lèi)。發(fā)展歷史在偏振光發(fā)現(xiàn)之后，人們很快認(rèn)識(shí)到某些物質(zhì)能使偏振光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋光現(xiàn)象。1848年法國(guó)巴黎師范大學(xué)年輕的化學(xué)家Pastenr通過(guò)細(xì)心研究發(fā)現(xiàn)了酒石酸鈉銨的晶體及水溶液的旋光現(xiàn)象，從而得出物質(zhì)的旋光性與分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，提出了對(duì)應(yīng)異構(gòu)體的概念。人們?cè)谘芯繉?duì)應(yīng)異構(gòu)體時(shí)發(fā)現(xiàn)，在左旋和右旋兩種對(duì)應(yīng)異構(gòu)體的分子中，原子在空間的排列是不重合的實(shí)物和鏡像關(guān)系，這與左受和右手互為不能重合的實(shí)物和鏡像關(guān)系類(lèi)似，從而引入了手性及手性分子的概念。1.3分子手性的判斷方法物質(zhì)分子凡在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱(chēng)面和對(duì)稱(chēng)中心的，就不具有手性。反之，在結(jié)構(gòu)上既不具有對(duì)稱(chēng)面，也不具有對(duì)稱(chēng)中心的，這種分子就有手性。具有手性的分子稱(chēng)為手性分子。對(duì)稱(chēng)軸這種軸是通過(guò)物體或分子的一條直線，以這條直線為軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，得到的物體或分子的形象和原來(lái)的形象完全相同，這種軸稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)軸。n指繞軸一周，有n個(gè)形象與原形象相同。&C2軸 厲C3軸對(duì)稱(chēng)面某一平面將分子分為兩半，就像一面鏡子，實(shí)物（一半）與鏡象（另一半）彼此可以重疊，則該平面是對(duì)稱(chēng)面（用b表示）。如1,1—二氯乙烷（E）—1,2—二氯乙烯具有對(duì)稱(chēng)面，是非手性分子，沒(méi)有對(duì)映異構(gòu)體（如圖1所示）。圖1對(duì)稱(chēng)中心分子中有一中心點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)所畫(huà)的直線都以等距離達(dá)到相同的基團(tuán)，則該中心點(diǎn)是對(duì)稱(chēng)中心（用i表示）。如苯和反一1,3—二甲基丁烷具有對(duì)稱(chēng)中心i,不具有手性，沒(méi)有對(duì)映異構(gòu)體（如圖2所示）。2.分子的旋光性分子旋光性的概念分子的旋光性就是當(dāng)光通過(guò)含有某物質(zhì)的溶液時(shí)，使經(jīng)過(guò)此物質(zhì)的偏振光平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。它可通過(guò)存在鏡像形式的物質(zhì)顯示出來(lái)，這是由于物質(zhì)內(nèi)存在不對(duì)稱(chēng)碳原子或整個(gè)分子不對(duì)稱(chēng)的結(jié)果。由于這種不對(duì)稱(chēng)性，物質(zhì)對(duì)偏振光平面有不同的折射率，因此表現(xiàn)出向左或向右的旋光性。利用旋光性可以對(duì)物質(zhì)（如某些糖類(lèi)）進(jìn)行定性或定量分析。2.2發(fā)展歷史1815年，法國(guó)物理學(xué)家畢奧發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面偏振光通過(guò)石英晶體時(shí)，偏振面會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。也就是說(shuō)，光以波浪形進(jìn)入一個(gè)平面，而以波浪形從另一個(gè)平面射出。

外消旋酒石酸酒石酸1844年，巴斯德發(fā)現(xiàn)酒石酸和外消旋酸(2,3-二羥基丁二酸)雖然具有相同的化學(xué)成分，但酒石酸能使偏振光的振動(dòng)平面轉(zhuǎn)動(dòng)，而外消旋酸卻不能。通過(guò)在顯微鏡下觀察這兩組鹽的晶體，他發(fā)現(xiàn)二者都是不對(duì)稱(chēng)的。不過(guò)外消旋酸鹽晶體具有兩種形式的不對(duì)稱(chēng)性：一半晶體與酒石酸鹽晶體的形狀相同，而另一半則為鏡像。也就是說(shuō)，外消旋酸鹽的晶體，有一半是左旋的，一半是右旋的。外消旋酒石酸酒石酸1863年，德國(guó)化學(xué)家維斯利采努斯發(fā)現(xiàn)，乳酸(酸牛奶中的酸)能形成鏡像化合物。他進(jìn)一步證明，除了對(duì)偏振光所產(chǎn)生的作用不同外，這兩種乳酸的其他性質(zhì)完全一樣。1874年，范托夫和勒貝爾各自獨(dú)立地提出了關(guān)于碳的價(jià)鍵的新理論，從而解答了鏡像分子的構(gòu)成問(wèn)題。2.3旋光性的判斷方法當(dāng)普通光通過(guò)一個(gè)偏振的透鏡或尼科爾棱鏡(Nicolprism)時(shí)，一部分光就被擋住了，只有振動(dòng)方向與棱鏡鏡軸平行的光才能通過(guò)。這種只在一個(gè)平面上振動(dòng)的光稱(chēng)為平面偏振光，簡(jiǎn)稱(chēng)偏振光。偏振光的振動(dòng)面化學(xué)上習(xí)慣稱(chēng)為偏振面。當(dāng)平面偏振光通過(guò)手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，向右旋轉(zhuǎn)稱(chēng)為右旋物質(zhì)(+)；向左旋轉(zhuǎn)稱(chēng)為左旋物質(zhì)(－)。手性化合物都具有旋光性，螺旋型分子都是手性分子，旋光方向與螺旋方向一致，匝數(shù)越多旋光度越大，螺距小者旋光度大，分子旋光度是螺旋旋光度的代數(shù)和。一個(gè)分子擁有的手性碳原子不同時(shí)，有一個(gè)手性碳就意味著有一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體，有兩個(gè)手性碳就意味著有兩對(duì)，即2*2個(gè)；那么有n個(gè)手性碳那么他的旋光異構(gòu)體(或?qū)τ钞悩?gòu)體)數(shù)目為2*n,對(duì)映異構(gòu)體的對(duì)數(shù)為2*n—l。3.分子手性的應(yīng)用分子手性廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、新材料及精細(xì)化學(xué)品合成等領(lǐng)域。分子手性在醫(yī)藥中的應(yīng)用20世紀(jì)60年代的“反應(yīng)停(Thalidomide)事件”就是其中之一。反應(yīng)?；瘜W(xué)名為肽胺哌啶酮，有R-肽胺哌啶酮和S-肽胺哌啶酮2種對(duì)映異構(gòu)體,R構(gòu)型對(duì)映體具有鎮(zhèn)靜功效,可用來(lái)緩解孕婦的妊娠反應(yīng),而S構(gòu)型對(duì)映體則是導(dǎo)致嬰兒畸形的禍根。1959?1962年初，西德有孕婦因服用反應(yīng)停而導(dǎo)致2000-3000名畸形嬰兒出生，英國(guó)至少也有500名。有文獻(xiàn)報(bào)道,1956?1961年間,反應(yīng)停導(dǎo)致有6000?8000個(gè)類(lèi)似“海豹”的胎兒沒(méi)有胳膊和手,此事在全世界引起軒然大波。不管怎樣,反應(yīng)停消旋體的上市銷(xiāo)售,給人類(lèi)帶來(lái)了一場(chǎng)嚴(yán)重的、無(wú)法補(bǔ)救的災(zāi)難性后果,這也是20世紀(jì)60年代藥物不良反應(yīng)的最大丑聞。觀察手性藥物市場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)逐年穩(wěn)定而迅速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在1993年，手性藥物的全球銷(xiāo)售額僅330億美元；1994年為452億美元；1998年達(dá)到867億美元；1999年為963億美元；2000年為1330億美元。至2003年，手性藥物市場(chǎng)每年以8%的速度增長(zhǎng)。手性藥物不同對(duì)映體的藥理作用名稱(chēng)藥物治療作用有效對(duì)映體的構(gòu)型及作用另一對(duì)映體的構(gòu)型與作用乙胺丁醇抗結(jié)核SS構(gòu)型，抗結(jié)核菌，活性:200XRRRR構(gòu)型，導(dǎo)致失明心德安心臟病S構(gòu)型，B-受體阻斷劑，活性100XRR構(gòu)型,影響或抑制性欲作用氯霉素抗菌RR構(gòu)型,抗菌，活性:(50 ?100)XSSSS構(gòu)型抗菌活性低奈普森消炎鎮(zhèn)痛s-(+)-構(gòu)型活性35XR-(-)構(gòu)型酮咯酸消炎鎮(zhèn)痛S-構(gòu)型活性（60?230）XR依托唑啉利尿S構(gòu)型利尿R構(gòu)型抑尿氟苯丙胺減肥s-(+)-構(gòu)型減肥R-(-)-構(gòu)型減肥作用低，且產(chǎn)生頭暈、催眠等苯并嗎啡烷鎮(zhèn)痛(-)-苯并嗎啡烷功效類(lèi)似嗎啡，無(wú)成癮性(+)-構(gòu)型功效為嗎啡的1/6,且有高成癮性Captopril抗高血壓抑制ACE活性S-構(gòu)型為100XR-構(gòu)型分子手性在農(nóng)藥中的應(yīng)用有些化合物的一種對(duì)映體是高效的殺蟲(chóng)劑、殺螨劑、殺菌劑和除草劑，而另一種卻是低效的，甚至無(wú)效或效果相反的。例如，芳氧基丙酸類(lèi)除草劑Fluazi-fop-butyl,只有R型是有效的；而除草劑Metolachlor的四種異構(gòu)體中只有兩種異構(gòu)體有活性，另外兩種異構(gòu)體則無(wú)活性。殺蟲(chóng)劑Asana的4個(gè)對(duì)映體中，只有一個(gè)是強(qiáng)力殺蟲(chóng)劑，另三個(gè)則對(duì)植物有毒。殺菌劑Paclobutrazol,RR型有高殺菌作用，低植物生長(zhǎng)控制作用，而SS型有低殺菌作用、高植物生長(zhǎng)控制作用。過(guò)去，人們只將價(jià)值昂貴的農(nóng)藥(如菊酯類(lèi))拆分出不同的光學(xué)異構(gòu)體，然后把無(wú)效體轉(zhuǎn)化為有效體；而迄今，世界上已有的650種農(nóng)藥中，有173種已實(shí)現(xiàn)商品化，另有22種手性農(nóng)藥正在開(kāi)發(fā)之中，手性農(nóng)藥占全球市場(chǎng)的35%。目前，手性農(nóng)藥主要有以下化合物：擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)、有機(jī)磷類(lèi)殺蟲(chóng)劑；三唑類(lèi)、酰胺類(lèi)殺菌劑；芳基苯氧基丙酸酯類(lèi)、咪唑啉酮類(lèi)、環(huán)己二酮類(lèi)、酰胺類(lèi)除草劑等。分子手性在新材料中的應(yīng)用手性二氧化硅材料尤其是功能化的手性二氧化硅由于其一系列優(yōu)良的性能而在多個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。到目前為止，其在載藥系統(tǒng)、手性識(shí)別、分離和催化等領(lǐng)域的應(yīng)用已開(kāi)始被關(guān)注。手性納米二氧化硅的功能化和雜化的手性二氧化硅材料因?yàn)橥瑫r(shí)具有無(wú)機(jī)材料的性質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度高和有機(jī)材料的可修飾性、多功能性，已經(jīng)逐漸成為此領(lǐng)域新的熱點(diǎn)。4.如何進(jìn)行手性合成手性合成的概念和發(fā)展史手性合成就是通過(guò)底物分子的非手性部分與試劑作用后轉(zhuǎn)變成手性部分，得到不等量的立體異構(gòu)體的反應(yīng)。手性合成是近代有機(jī)合成中一個(gè)很活躍的領(lǐng)域，研究工作一直很有進(jìn)展。1968年諾爾斯首先應(yīng)用手性催化劑催化烯烴的氫化反應(yīng)，第一次實(shí)現(xiàn)了用少量手性催化劑控制氫化反應(yīng)的對(duì)應(yīng)選擇性。1980年，野一良治等發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)能夠適用于各種雙鍵化合物氫化的有效手性催化劑，現(xiàn)在這類(lèi)手性催化劑已被廣泛地應(yīng)用于手性藥物及其中間體的合成。1980年夏普萊斯發(fā)現(xiàn)用鈦和酒石酸二乙脂形成的手性催化劑可以有效的催化烯丙醇化合物的環(huán)氧反應(yīng)，選擇性非常高。后來(lái)，他又發(fā)現(xiàn)了催化不對(duì)稱(chēng)烯雙烴基化反應(yīng)。2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的授予者威廉?諾爾斯、野依良治巴里?夏普雷斯為合成具有新特性的分子和物質(zhì)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。4.2手性合成的方法關(guān)于手性合成的方法大體可分為四種：偏振光照射法，生物化學(xué)法，手性溶劑和手性催化劑法，反應(yīng)物的手性中心誘導(dǎo)法。這四種方法都是在手性因素的影響下利用立體選擇反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)手性合成的，只是手性因素有所不同。4.2.1從天然產(chǎn)物中提取在某些生物體中含有具備生理活性的天然產(chǎn)物，可用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ崛《玫绞中曰衔?，某些手性藥物是從?dòng)植物中提取的氨基酸、萜類(lèi)化合物和生物堿。如:具有極強(qiáng)抗癌活性的紫彬醇最初是從紫彬樹(shù)樹(shù)皮中發(fā)現(xiàn)和提取的。外消旋體拆分法通過(guò)拆分外消旋體得到手性藥物是最常用的方法。目前報(bào)道的拆分方法有機(jī)械拆分法、化學(xué)拆分法、微生物拆分法和晶種結(jié)晶法等。其中化學(xué)拆分法是最常用和最基本的有效方法。生物合成生物催化的不對(duì)稱(chēng)合成是以微生物和酶作為催化劑、立體選擇性控制合成手性化合物的方法。用酶作為催化劑是人們所熟悉的，它的高反應(yīng)活性和高度的立體選擇性一直是人們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。手性試劑法手性試劑和前手性底物作用生成光學(xué)活性產(chǎn)