分子的手性與旋光性

分子的手性和旋光性【摘要】長久以來，分子的手性和旋光性都受到了人們的密切關注。這些性質既帶給了人們便利，也給人們造成了傷害。本文講述了手性和旋光性的基本信息，詳細闡述了它們的判斷方法，著重說明了它們的應用領域和對人類生活的影響,文章的最后還提出了一些手性分子的合成方法?！娟P鍵詞】手性；旋光性；判斷方法；應用；合成1.分子的手性分子手性的概念手性分子，是化學中結構上鏡像對稱而又不能完全重合的分子。碳原子在形成有機分子的時候，4個原子或基團可以通過4根共價鍵形成三維的空間結構。由于相連的原子或基團不同，它會形成兩種分子結構。這兩種分子擁有完全一樣的物理和化學性質。但是從分子的組成形狀來看，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，看上去互為對應，可是由于是三維結構，它們不管怎樣旋轉都不會重合，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體，所以這種異構的形式稱為手性異構，有R型和S型兩類。發(fā)展歷史在偏振光發(fā)現(xiàn)之后，人們很快認識到某些物質能使偏振光的偏振面發(fā)生偏轉，產(chǎn)生旋光現(xiàn)象。1848年法國巴黎師范大學年輕的化學家Pastenr通過細心研究發(fā)現(xiàn)了酒石酸鈉銨的晶體及水溶液的旋光現(xiàn)象，從而得出物質的旋光性與分子內(nèi)部結構有關，提出了對應異構體的概念。人們在研究對應異構體時發(fā)現(xiàn)，在左旋和右旋兩種對應異構體的分子中，原子在空間的排列是不重合的實物和鏡像關系，這與左受和右手互為不能重合的實物和鏡像關系類似，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分子凡在結構上具有對稱面和對稱中心的，就不具有手性。反之，在結構上既不具有對稱面，也不具有對稱中心的，這種分子就有手性。具有手性的分子稱為手性分子。對稱軸這種軸是通過物體或分子的一條直線，以這條直線為軸旋轉一定的角度，得到的物體或分子的形象和原來的形象完全相同，這種軸稱為對稱軸。n指繞軸一周，有n個形象與原形象相同。&C2軸 厲C3軸對稱面某一平面將分子分為兩半，就像一面鏡子，實物（一半）與鏡象（另一半）彼此可以重疊，則該平面是對稱面（用b表示）。如1,1—二氯乙烷（E）—1,2—二氯乙烯具有對稱面，是非手性分子，沒有對映異構體（如圖1所示）。圖1對稱中心分子中有一中心點，通過該點所畫的直線都以等距離達到相同的基團，則該中心點是對稱中心（用i表示）。如苯和反一1,3—二甲基丁烷具有對稱中心i,不具有手性，沒有對映異構體（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光通過含有某物質的溶液時，使經(jīng)過此物質的偏振光平面發(fā)生旋轉的現(xiàn)象。它可通過存在鏡像形式的物質顯示出來，這是由于物質內(nèi)存在不對稱碳原子或整個分子不對稱的結果。由于這種不對稱性，物質對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。利用旋光性可以對物質（如某些糖類）進行定性或定量分析。2.2發(fā)展歷史1815年，法國物理學家畢奧發(fā)現(xiàn)，當平面偏振光通過石英晶體時，偏振面會轉動。也就是說，光以波浪形進入一個平面，而以波浪形從另一個平面射出。

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成分，但酒石酸能使偏振光的振動平面轉動，而外消旋酸卻不能。通過在顯微鏡下觀察這兩組鹽的晶體，他發(fā)現(xiàn)二者都是不對稱的。不過外消旋酸鹽晶體具有兩種形式的不對稱性：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，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，德國化學家維斯利采努斯發(fā)現(xiàn)，乳酸(酸牛奶中的酸)能形成鏡像化合物。他進一步證明，除了對偏振光所產(chǎn)生的作用不同外，這兩種乳酸的其他性質完全一樣。1874年，范托夫和勒貝爾各自獨立地提出了關于碳的價鍵的新理論，從而解答了鏡像分子的構成問題。2.3旋光性的判斷方法當普通光通過一個偏振的透鏡或尼科爾棱鏡(Nicolprism)時，一部分光就被擋住了，只有振動方向與棱鏡鏡軸平行的光才能通過。這種只在一個平面上振動的光稱為平面偏振光，簡稱偏振光。偏振光的振動面化學上習慣稱為偏振面。當平面偏振光通過手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋轉了一個角度，向右旋轉稱為右旋物質(+)；向左旋轉稱為左旋物質(－)。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。一個分子擁有的手性碳原子不同時，有一個手性碳就意味著有一對對映異構體，有兩個手性碳就意味著有兩對，即2*2個；那么有n個手性碳那么他的旋光異構體(或對映異構體)數(shù)目為2*n,對映異構體的對數(shù)為2*n—l。3.分子手性的應用分子手性廣泛應用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、新材料及精細化學品合成等領域。分子手性在醫(yī)藥中的應用20世紀60年代的“反應停(Thalidomide)事件”就是其中之一。反應?；瘜W名為肽胺哌啶酮，有R-肽胺哌啶酮和S-肽胺哌啶酮2種對映異構體,R構型對映體具有鎮(zhèn)靜功效,可用來緩解孕婦的妊娠反應,而S構型對映體則是導致嬰兒畸形的禍根。1959?1962年初，西德有孕婦因服用反應停而導致2000-3000名畸形嬰兒出生，英國至少也有500名。有文獻報道,1956?1961年間,反應停導致有6000?8000個類似“海豹”的胎兒沒有胳膊和手,此事在全世界引起軒然大波。不管怎樣,反應停消旋體的上市銷售,給人類帶來了一場嚴重的、無法補救的災難性后果,這也是20世紀60年代藥物不良反應的最大丑聞。觀察手性藥物市場，可以發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)逐年穩(wěn)定而迅速增長態(tài)勢。在1993年，手性藥物的全球銷售額僅330億美元；1994年為452億美元；1998年達到867億美元；1999年為963億美元；2000年為1330億美元。至2003年，手性藥物市場每年以8%的速度增長。手性藥物不同對映體的藥理作用名稱藥物治療作用有效對映體的構型及作用另一對映體的構型與作用乙胺丁醇抗結核SS構型，抗結核菌，活性:200XRRRR構型，導致失明心德安心臟病S構型，B-受體阻斷劑，活性100XRR構型,影響或抑制性欲作用氯霉素抗菌RR構型,抗菌，活性:(50 ?100)XSSSS構型抗菌活性低奈普森消炎鎮(zhèn)痛s-(+)-構型活性35XR-(-)構型酮咯酸消炎鎮(zhèn)痛S-構型活性（60?230）XR依托唑啉利尿S構型利尿R構型抑尿氟苯丙胺減肥s-(+)-構型減肥R-(-)-構型減肥作用低，且產(chǎn)生頭暈、催眠等苯并嗎啡烷鎮(zhèn)痛(-)-苯并嗎啡烷功效類似嗎啡，無成癮性(+)-構型功效為嗎啡的1/6,且有高成癮性Captopril抗高血壓抑制ACE活性S-構型為100XR-構型分子手性在農(nóng)藥中的應用有些化合物的一種對映體是高效的殺蟲劑、殺螨劑、殺菌劑和除草劑，而另一種卻是低效的，甚至無效或效果相反的。例如，芳氧基丙酸類除草劑Fluazi-fop-butyl,只有R型是有效的；而除草劑Metolachlor的四種異構體中只有兩種異構體有活性，另外兩種異構體則無活性。殺蟲劑Asana的4個對映體中，只有一個是強力殺蟲劑，另三個則對植物有毒。殺菌劑Paclobutrazol,RR型有高殺菌作用，低植物生長控制作用，而SS型有低殺菌作用、高植物生長控制作用。過去，人們只將價值昂貴的農(nóng)藥(如菊酯類)拆分出不同的光學異構體，然后把無效體轉化為有效體；而迄今，世界上已有的650種農(nóng)藥中，有173種已實現(xiàn)商品化，另有22種手性農(nóng)藥正在開發(fā)之中，手性農(nóng)藥占全球市場的35%。目前，手性農(nóng)藥主要有以下化合物：擬除蟲菊酯類、有機磷類殺蟲劑；三唑類、酰胺類殺菌劑；芳基苯氧基丙酸酯類、咪唑啉酮類、環(huán)己二酮類、酰胺類除草劑等。分子手性在新材料中的應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)良的性能而在多個領域有著廣闊的應用前景。到目前為止，其在載藥系統(tǒng)、手性識別、分離和催化等領域的應用已開始被關注。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為同時具有無機材料的性質穩(wěn)定、強度高和有機材料的可修飾性、多功能性，已經(jīng)逐漸成為此領域新的熱點。4.如何進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底物分子的非手性部分與試劑作用后轉變成手性部分，得到不等量的立體異構體的反應。手性合成是近代有機合成中一個很活躍的領域，研究工作一直很有進展。1968年諾爾斯首先應用手性催化劑催化烯烴的氫化反應，第一次實現(xiàn)了用少量手性催化劑控制氫化反應的對應選擇性。1980年，野一良治等發(fā)現(xiàn)了一類能夠適用于各種雙鍵化合物氫化的有效手性催化劑，現(xiàn)在這類手性催化劑已被廣泛地應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，選擇性非常高。后來，他又發(fā)現(xiàn)了催化不對稱烯雙烴基化反應。2001年諾貝爾化學獎的授予者威廉?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開創(chuàng)了一個全新的研究領域。4.2手性合成的方法關于手性合成的方法大體可分為四種：偏振光照射法，生物化學法，手性溶劑和手性催化劑法，反應物的手性中心誘導法。這四種方法都是在手性因素的影響下利用立體選擇反應而實現(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?shù)姆椒ㄌ崛《玫绞中曰衔?，某些手性藥物是從動植物中提取的氨基酸、萜類化合物和生物堿。如:具有極強抗癌活性的紫彬醇最初是從紫彬樹樹皮中發(fā)現(xiàn)和提取的。外消旋體拆分法通過拆分外消旋體得到手性藥物是最常用的方法。目前報道的拆分方法有機械拆分法、化學拆分法、微生物拆分法和晶種結晶法等。其中化學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稱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，它的高反應活性和高度的立體選擇性一直是人們夢寐以求的目標。手性試劑法手性試劑和前手性底物作用生成光學活性產(chǎn)