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掌性(chirality)


2020-07-12


对掌性(chirality),又称手性,是由希腊语的手这个字发展出来的,这些分子的特徵是他们在镜子里反映出来的镜像和他们本身是不一样、无法重合的分子。

若我们把右手拿去照镜子,在镜子里出现的镜像不会是右手而是左手,而右手和左手是无法重合的。所以左手和右手都是掌性化合物(chiral molecule),如图一。左右手是一组异构物称为镜像异构物(enantiomers)。而有掌性分子就有非掌性分子(achiral molecule),他们的镜像和本身是可以重叠的!像是椅子、球……等,如图二。

掌性(chirality)

图一、掌性为左右手无法重叠

掌性(chirality)

图二、非掌性

而通常掌性分子里都有掌性中心(chiral center)。掌性中心是在一个掌性分子中,接上四个不同基团的碳原子,所以这个碳一定是 \(sp^3\) 混成轨域(\(sp\) 及 \(sp^2\) 混成轨域的碳一定有一个切穿本身的平面,故他们一定不会是掌性中心的碳)。

若分子中只有一个掌性中心的话,那此分子必定为掌性分子,但有两个以上的掌性中心就可能不是掌性分子。通常分子里没有掌性中心的话通常是非掌性分子,但也有例外。有一些方法可以判断他是不是掌性分子。如果在分子里面可以找到一个对称平面的话,不管他有没有掌性中心,这个分子就一定是非掌性分子,如图三。但若没有对称平面也不一定就是掌性分子。

掌性(chirality)

图三、虽然这个分子有掌性中心(*的碳)但他有对称平面!而他的镜像可以完全重叠,故为非掌性分子。

有些分子会有不同的组态,通常我们会画最稳定的组态来检测他们是不是掌性分子。像是 cis-1,2-dibromocyclohexane ,他有椅式构型(chair form),如图四-A,也可以画成环状的,如图四-B。画成环状时分子为非掌性,但画成椅式构型的时候却是掌性,但我们知道这两种椅式构型会非常快速的互相转变,这两种镜像组态有相同的能量。分子和镜像组态平衡,故我们不把cis-1,2-dibromocyclohexane 当成掌性分子。我们通常用最对称的组态来判断他是否为掌性分子。

掌性(chirality)

图四-A 椅型为掌性

掌性(chirality)

图四-B 有对称面,非掌性

有时候我们画出来的构型也会影响我们的判断,像是联苯(biphenyl)或累积二烯烃(allenes)。他们都没有掌性中心但他们都是掌性分子。若我们可以画出她的费雪投影图(Ficher Projection)的话就可以比较简单的来判断分子是不是掌性分子了!

掌性(chirality)

图五-A

掌性(chirality)

图五-B

例如图五-A的 penta-2,3-diene,虽然看起来很像是对称的分子,但他其实在空间中氢的分布是像图五-B,一个氢和甲基跟纸的平面相同,而另外一个和甲基则是突出纸面的,所以他们没有对称平面,而且镜像也不相同,是掌性分子。

对掌性对生物来说也占了很重要的地位,通常组态不同的化合物在性质上都一样,只有旋光度的不同,但在生物体中有许多胺基酸,这些天然的分子通常都只有同一个掌性,要启动他们的生物活性时,要和酵素结合,但若组态不同的话就无法结合,或结合成不同的生物错体,有截然不同的功能。若药物分子有不同组态时可能会影响药物的药性和毒性,像是(R)-沙利窦迈是孕妇镇静安眠药,但(S)-沙利窦迈却会造成胎儿畸形,所以分离或纯化不同组态的分子是很重要的。

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