現(xiàn)代文明離不開化學(xué)、化學(xué)工程及化工產(chǎn)品，它們提供著各種各樣的高性能材料，支撐著高科技產(chǎn)品的發(fā)展，在解決能源、環(huán)境、材料和信息等領(lǐng)域的卡脖子問題等方面發(fā)揮著重要作用。中國工程院院士、清華大學(xué)化學(xué)工程系教授金涌表示，現(xiàn)代社會的經(jīng)濟發(fā)展和全人類的衣、食、住、行都離不開化學(xué)和化工產(chǎn)品，化學(xué)與化學(xué)工程是高新科技的發(fā)端和支撐，其所支撐的泛化學(xué)工業(yè)在食品、制藥、醫(yī)用材料等人類健康支撐產(chǎn)業(yè)方面發(fā)揮著重大作用，是國民經(jīng)濟的脊梁。

科協(xié)頻道推出“化學(xué)化工鑄造未來”專欄，介紹近年來化學(xué)化工領(lǐng)域的研究工作和科技成果，展示化學(xué)化工的科技魅力。

20 世紀 60 年代，一種名為“反應(yīng)?！钡乃幬镌破鹨粓鲕幦淮蟛?。 反應(yīng)停(Thalidomide，沙利度胺)，1953 年由瑞士CIBA 公司首次合成用于治療癲癇病，另一家德國格蘭泰公司發(fā)現(xiàn)“反應(yīng)停”具有鎮(zhèn)靜作用，可減輕孕婦的惡心、嘔吐癥狀，并且“不良反應(yīng)少”。于是該藥物在20世紀50年代作為孕婦用藥在歐洲風靡一時。但 1960 年后，歐洲醫(yī)生發(fā)現(xiàn)畸形嬰兒的出生率明顯上升，人們懷疑這些畸形胎兒可能與孕婦服用“反應(yīng)?！毕嚓P(guān)。后來的研究發(fā)現(xiàn)，“反應(yīng)?！笔且环N手性藥物，里面暗藏著一對結(jié)構(gòu)成鏡像對稱的“孿生兄弟”。這對“孿生兄弟”擁有完全相反的“兩副面孔”，右旋體“哥哥”具有很好的鎮(zhèn)靜作用，而左旋體“弟弟”卻具有強烈的致畸作用。孕婦吃下去的實際是左、右旋體的混合物，這才釀成了產(chǎn)下四肢短小如海豹的“海豹寶寶”的慘劇。到這一藥物下架時，它已導(dǎo)致15000名畸形胎兒出生，這是藥物發(fā)現(xiàn)史上的重大悲劇，也是藥物制備史上的重要轉(zhuǎn)折點。 “反應(yīng)停事件”促使越來越多的科學(xué)家將目光投向了手性分子這類神秘的物質(zhì)。如何才能避免“海豹寶寶”的慘劇再次上演? 手性分子究竟有哪些不為人知的秘密?發(fā)現(xiàn)手性這一現(xiàn)象并非始于“反應(yīng)?！倍瞧鹪从趯ζ窆獾恼J識。1808年，法國科學(xué)家馬呂斯在觀察晶體時，發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，即光的振動方向垂直于光的傳播方向，而振動方向垂直于光傳播方向的某一固定方向的光稱之為偏振光。

1848 年，法國巴黎師范大學(xué)的年輕科學(xué)家巴斯德在研究葡萄酒釀造過程中產(chǎn)生的酒石酸的晶體時，發(fā)現(xiàn)在酒石酸鹽晶體中有的晶面向左，有的晶面向右。他用鑷子將兩種晶體分開，發(fā)現(xiàn)這兩種不同晶體的溶液，一個具有左旋光，另一個具有右旋光，而等量的混合物則無旋光。他發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的旋光性與分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，提出了對映異構(gòu)體的概念。他認為這兩種酒石酸鹽晶體，就像手一樣對稱而不能相互重疊，從而引入了手性及手性分子的概念。

【資料圖】

人們在研究對映異構(gòu)體時，發(fā)現(xiàn)由左旋和右旋兩種對映異構(gòu)體的分子中，原子在空間的排列是不重合的實物和鏡像關(guān)系，與左手和右手互為不能重合的實物和鏡像關(guān)系類似，從而引入了手性及手性分子的概念。手性一詞來源于希臘語“手”(Cheiro)。

所謂手性，是指物體和它的鏡像不能重合的特征。所謂手性分子，顧名思義就是具有手性的分子，即構(gòu)型與其鏡像不能重合的分子。兩個互為鏡像而不能重合的立體異構(gòu)體，稱為對映異構(gòu)體，簡稱對映體。對映體是具有相同分子式的化合物，由于原子在空間配置不同，從而產(chǎn)生同分異構(gòu)現(xiàn)象。異構(gòu)體都有旋光性，其中一個是左旋的，一個是右旋的，所以對映異構(gòu)體又稱為旋光異構(gòu)體。

在自然界中，手性是普遍存在的一種現(xiàn)象。大到星云，小到常見的螺螄殼和貝殼從雙子葉植物的兩片子葉，到纏繞的植物都是具有手性的?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)手性現(xiàn)象中絕大多數(shù)是右手螺旋，右手螺旋、左手螺旋的比例是20000∶1。

手性與生命的關(guān)系非常密切，手性體現(xiàn)在生命的產(chǎn)生和演變過程中，它是生命的本質(zhì)屬性。糖類是組成生命體的基本物質(zhì)之一，也是手性化合物，自然界存在的糖、淀粉和纖維素中的糖單元都為右旋的(D-構(gòu)型)。地球上的一切生物大分子的基元材料a-氨基酸，絕大多數(shù)為左旋的(L-構(gòu)型)，而由氨基酸組成的蛋白質(zhì)是右旋的。核苷酸是右旋的，DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)多數(shù)情況下也是右手的手性構(gòu)型。與機體功能密切關(guān)聯(lián)的甾體激素、生物堿、信息素等有機小分子絕大多數(shù)也都是手性化合物。正因為構(gòu)成生命蛋白質(zhì)的氨基酸是手性的，作為藥物受體的蛋白質(zhì)也是手性的，可想而知與之發(fā)生作用的藥物分子也應(yīng)具有與之相互對應(yīng)的手性結(jié)構(gòu)作用于生物體內(nèi)的藥物，其藥效多與它們和體內(nèi)靶分子間的手性相關(guān)。在用于治療的藥物中，有許多是手性藥物。而手性藥物的不同對映異構(gòu)體，在生理過程中會顯示出不同的藥效。尤其是當手性藥物的一種對映異構(gòu)體對治療有效，而另一種對映異構(gòu)體表現(xiàn)為有害性質(zhì)時，情況更為嚴重。

手性化合物最早是從天然有機體中提取和發(fā)現(xiàn)的，從天然資源中提取仍然是手性化合物的重要來源，例如糖、氨基酸、萜類、甾體、生物堿等。許多手性純的藥用有效成分是直接從植物中提取的。例如，2015年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎的中國科學(xué)家屠呦呦教授，她發(fā)現(xiàn)的能治療瘧疾的青蒿素就是手性分子，是從青蒿植物中提取的。

歷經(jīng)百年，科學(xué)家不斷地對手性分子進行探索與研究，并在實踐中愈發(fā)深刻地認識到手性分子在人類生存和發(fā)展過程中的重要作用。尤其是自1980年以來，在生命科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)展進步的有力推動下，手性物質(zhì)的基礎(chǔ)研究和手性技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，逐漸成為當代化學(xué)研究的熱點和前沿。

關(guān)于手性分子和手性技術(shù)仍有諸多不解之謎。各種化學(xué)計量的拆分及手性源合成仍然是手性化合物制造的主流手段，而看似高效的手性催化技術(shù)在具體實施時仍然困難重重?，F(xiàn)有的研究手段多是采用篩選和碰運氣，并未真正從理論上做到可預(yù)測。許多問題亟待人類去探究和解決。比如，能否在掌握療效和毒副作用的基礎(chǔ)上，對已知立體結(jié)構(gòu)的手性藥物進行開發(fā)，從而獲得另一種新藥?如何能夠大幅提高手性物質(zhì)的利用效率，從而避免浪費和污染?為何在天然狀態(tài)下蛋白質(zhì)幾乎都是由左旋氨基酸構(gòu)成，而糖類大多都是右旋的?生命為什么會青睞這種手性?手性現(xiàn)象是生物進化過程中的偶然性，還是另有不為人知的科學(xué)必然性?

點擊視頻，了解手性視頻來源：《探索化學(xué)化工未來世界：值得為之付出一生.2》

整理自《探索化學(xué)化工未來世界：值得為之付出一生.2》，金涌主編，北京：清華大學(xué)出版社，2022年4月。

編輯排版| 弢弢

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