手性

jay1958 2018-08-15

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品質(zhì)源于技術(shù) 服務(wù)源于態(tài)度

這是阿什卡微信公眾號的第549篇原創(chuàng)文章

首發(fā)于2018年8月15日

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對標(biāo)題望文生義想歪的，請蹲墻角背誦木蘭辭：

當(dāng)窗理云鬢，對鏡貼花黃。

鏡中不是你，火伴皆驚忙。

我們對鏡梳妝，都默認(rèn)鏡中的像是自己，只是鏡像與我們左右相反而已。但是，如果放在微觀層面，從分子角度去看，它的鏡像真就不是它自己。也就是說，由同樣元素構(gòu)成的分子，小d的鏡像結(jié)構(gòu)小b，不是同一個東西。

說到d和b，聰明的你一定理解了：原來“手性”就是像左右手一樣，互為鏡像，但不是彼此。恭喜你，又理解了一個重要概念?，F(xiàn)在你一定想到了下面的事實：

兩個邊長相等的正方體，既可以互為鏡像，又可以互相疊合。你就是我，我就是你，可以相互替代。那么它們就沒有“手性”。

但左右手不行。就算兩手尺寸一模一樣，也做不到左右手疊合。你是你，我是我，無法相互替代。左手無論怎么轉(zhuǎn)方向，也看得出是左手。這就是“手性”。

分子的手性也是這樣。同樣的元素，組成互為鏡像的結(jié)構(gòu)，冷不丁看上去一模一樣。但它們卻是完全不同的分子。

分子的鏡像結(jié)構(gòu)，就像左右手一樣好理解，仔細(xì)比起來，結(jié)構(gòu)“方向”總是不同的。所以拎得清。但是，生物學(xué)家告訴我們，有的碳原子也是有“手性”的。這就怪了，每個碳原子都是一樣的，怎么還分手性、非手性的碳原子？

說起來，這全拜它撩來的首飾掛件所賜。

地球上的生物，都是“碳基”的。那么，生物分子中，最常見的手性分子，自然是以碳為中心的那些妖艷賤貨。

碳長袖善舞，它有4個單鍵，可以掛4個基團(tuán)。只要有兩個基團(tuán)是一樣的，它就可以和自身鏡像疊合。

可以疊合的，就不是手性的。于是生物學(xué)家說，這個中心碳原子就不是手性碳原子。

那么你很自然地就會想到：如果這4個基團(tuán)互不相同，當(dāng)然其鏡像就沒法疊合了。沒法疊合，這個中心碳原子，就是手性碳原子了。

是的。它和其鏡像分子的物質(zhì)構(gòu)成相同，但結(jié)構(gòu)不同。這就是所謂的“同分異構(gòu)體”。又因為它們互成鏡像，所以也叫“對映異構(gòu)體”。

一對對映異構(gòu)體，看上去就像孿生兄弟。在非手性的環(huán)境中，它們的物理化學(xué)性質(zhì)一模一樣，很難認(rèn)出誰是誰。但是，在手性環(huán)境中，它們就原形畢露，性質(zhì)有別了。

那么，手性環(huán)境是個啥東西？

這次不舉栗子，請舉起雙手，仔細(xì)看看它們的物理化學(xué)性質(zhì)，能看出啥差別嗎？當(dāng)然看不出來。

現(xiàn)在給你訂制一只符合人體工學(xué)的右手手套。你給右手戴上，很順利。但是，給左手戴上，就別扭了。你會發(fā)現(xiàn)，兩只似乎一模一樣的手，戴同一只手套，居然開始出現(xiàn)明顯差異了！

這只右手手套，就類似于手性環(huán)境。

在物理上，“對映異構(gòu)體”有個奇妙的特性，可以讓偏振光（在某一角度振動的光波）偏轉(zhuǎn)，而且反向?qū)ΨQ：小d讓光左旋，小b就讓光右旋。所以手性常常被昵稱“旋光性”。能做到這一點，是因為偏振光有向左、向右的可能性，所以形成了一個手性環(huán)境。而非偏振光呢，360度全方位任性發(fā)散，無所謂左偏右偏，自然不構(gòu)成手性環(huán)境，也就無法區(qū)分對映異構(gòu)體。

在化學(xué)上，讓對映異構(gòu)體現(xiàn)形的手性環(huán)境就更多了。為啥呢？因為化學(xué)反應(yīng)需要不同分子的相互作用，而實現(xiàn)這種作用，需要分子之間的特定空間定位。比如正規(guī)的握手，雙方伸出右手，手心對手心，互相握住，這就是握手的空間定位。但是，如果你伸右手，我伸左手，這握起來就別扭，因為空間定位無法實現(xiàn)“互握”。

所以，我們可以理解這個事實：來了個分子小p，要跟小d和小b這對手性分子互撩。如果它和小d契合，那么就和小b不契合。

你開車用右手換擋很麻利，但用左手換擋就抓狂。同樣是手和檔，空間定位不匹配，右手常干的事兒，左手就不方便。是吧。

生物環(huán)境本身就是化學(xué)環(huán)境，所以完全是手性環(huán)境。在生物體內(nèi)，經(jīng)?？梢钥吹叫被吸收利用，登上人生巔峰，而小b卻完全無法利用，慘遭排泄落入茅坑的悲慘現(xiàn)象。

性質(zhì)大相徑庭，不管長得有多像，也必須把它們區(qū)分開，以免張冠李戴。畢竟大便當(dāng)飯、小便當(dāng)飯，都很悲催。

那么，怎么區(qū)分孿生兄弟呢？最起碼的，當(dāng)然是起不同的名字。所以，手性分子需要一個命名系統(tǒng)。

最早的命名系統(tǒng)，我們管它叫“對標(biāo)規(guī)則”。是德國有機(jī)化學(xué)家Emil Fischer提出的。他定義了一雙“標(biāo)準(zhǔn)左右手”：甘油醛的一對“對映異構(gòu)體”。按其旋光性，定義了D-構(gòu)型（右手）、L-構(gòu)型（左手）。然后，把甘油醛當(dāng)成參照物，別的對映異構(gòu)體要想起名，就拿來跟甘油醛對照一下，結(jié)構(gòu)長得像D-構(gòu)型的，就是D字輩的；像L-構(gòu)型的，就是L字輩的。沒得商量。

看上去挺方便是吧？但實際操作起來就難了。

基團(tuán)種類繁多，長啥樣的都有。很多基團(tuán)興沖沖跑來，甘油醛的基團(tuán)一比，既不像D，又不像L，沒法論姿排輩，所以這個命名系統(tǒng)越來越不招人待見。它太主觀了?，F(xiàn)在，只是在對糖類、氨基酸命名時，還有人在用。所以說制定啥政策，關(guān)鍵要看它是不是“可操作、效果好”，而不是看它字面上有多“正確”。

為了搞個普世規(guī)則，英格爾德和普瑞羅格等人呼吁改革，提出了“順序規(guī)則”，受到廣大生物學(xué)家的歡迎。所謂“順序”規(guī)則，簡單講就是按照原子序數(shù)給4個基團(tuán)排名，把排名前三位的基團(tuán)ABC用箭頭由大到小連成一個圓，排名最低的那個基團(tuán)D呢，放在這個圓的后面。這時再來看這個圓，如果箭頭的方向是順時針，D就是R構(gòu)型（右手），逆時針呢，D就是S構(gòu)型（左手）。