奇妙的“手性”分子

世界上有些物體具有這樣的結(jié)構(gòu)，它不能與它的鏡像重疊。人的兩只手就具有這種結(jié)構(gòu)，咱們的左手是不能與右手重疊的，所以具有這種性質(zhì)的物體就稱為具有“手性”，它們兩者互為對映體。如果這種手性體現(xiàn)在分子上，就被稱為手性分子，并呈現(xiàn)很有趣的性能。

手性分子是一對具有相同的組成而互相不能重疊的分子，它們可以使圓偏振光有相同角度、相反方向的偏轉(zhuǎn)，所以我們將能夠使圓偏振光向右偏轉(zhuǎn)的化合物叫做右旋體，向左偏轉(zhuǎn)的叫作左旋體。對映體有各種不同的表示方法，如D、L和R、S等。

對映體的特殊性在生物體中體現(xiàn)得最為明顯。味精是谷氨酸鈉，它是L對映體，如果是D對映體的谷氨酸鈉，它就絕對沒有鮮味了。R－天門冬酰胺是甜的，而S－天門冬酰胺就是苦的。許多香料都是手性的，一個對映體是香的，另一個可能是臭的，例如龍涎香就是這樣。在藥品中對映體的作用更為突出，一種對映體具有藥效，另一種可能沒有藥效，而且對人體有其他副作用，甚至是有毒的。例如一種嗎啡類藥物，左旋體具有很強(qiáng)的止痛作用而不會成癮，但右旋體止痛效果不好卻能叫人上癮。R－巴比妥酸是很有效的麻醉劑，它的S－對映體卻會使人發(fā)生痙攣。更嚴(yán)重的是20世紀(jì)60年代德國發(fā)明了一種叫反應(yīng)停的藥，用來治療孕婦的妊娠反應(yīng)，這種藥物很有效，很快在日本得到推廣，然而幾年之后，這些國家出現(xiàn)了很多畸胎，追究到最后，禍根就在反應(yīng)停這種藥物上，原來它的R體有鎮(zhèn)靜作用并無使胎兒致畸的副作用，但其S體卻沒有藥效只有致畸的壞作用。這起造成幾千例畸胎的大悲劇給藥物研究人員一個嚴(yán)重的教訓(xùn)，此后規(guī)定，凡是藥物的結(jié)構(gòu)具有手性，必須將兩個對映體分別進(jìn)行“三致”試驗，即明確不能使人致畸、致癌、致殘后才能上市。

兩個對映體為什么會有這種天壤之別的性能呢？這要從生物體的組成說起。原來生物體是由多種高分子化合物，如蛋白質(zhì)、多糖和核酸組成的，而這些物質(zhì)又是由氨基酸、單糖組成。這兩類基本化合物都是手性物質(zhì)。地球上的氨基酸都是L構(gòu)型的，糖則都是D構(gòu)型的，所以生物體是由手性的物質(zhì)構(gòu)成的。生物體內(nèi)可以與外來的手性化合物相互作用的部分叫作受體，構(gòu)成受體的分子當(dāng)然也是手性的，這兩者如能夠很好結(jié)合就能發(fā)生作用，這就像戴五指手套一樣，左手只有戴上左手的手套才舒服，右手的手套是不適合左手的。

生物體中為什么只有單一的對映體呢？這是牽涉生命起源的問題，至今還沒有完全弄清楚。但是大概有兩種學(xué)說，一種認(rèn)為是偶然發(fā)生的。另一種學(xué)說認(rèn)為是某種外來因素起的作用，最近找到的根據(jù)是某種從太空來的偏振光“催化”了某一種對映體的優(yōu)先生成，一旦一種對映體占多數(shù)后，就逐漸抑制了另一種對映體的發(fā)展，經(jīng)過上億年的進(jìn)化，最后只存在一種對映體，從而使地球上的生物體具有單一的手性。據(jù)元素周期律，外星人也不外乎由碳、氫、氧、氮等幾種主要元素構(gòu)成，那么他們很可能與地球人十分相像，可是由于某種原因，構(gòu)成他們的蛋白質(zhì)和糖的構(gòu)型可能與地球人相反，由此我們可以設(shè)計這樣一個科幻故事：有一天外星人來到地球作客，發(fā)生了奇怪的現(xiàn)象，他們可以和我們一樣喝水、品酒，但對美味的食品卻大多不欣賞，即使出于禮貌勉強(qiáng)吃下去也不能消化、吸收，最后只能吃黃油。水、酒（乙醇）、黃油都不是手性的，所以外星人和地球人一樣可以消化、吸收。其他食品，如面包、米飯、魚、肉都是由D－糖和L－氨基酸組成的，不適合外星人人體中的L－糖和D－氨基酸組成的蛋白質(zhì)，所以才出了這樣的麻煩。外星人商量趕緊發(fā)動飛船回家，不然恐怕都要餓死在地球上。幸好好客的地球人已經(jīng)掌握了很高的手性技術(shù)，很快制造、培養(yǎng)出了由L－糖和D－氨基酸組成的適合他們的食品，使得外星人能夠繼續(xù)在地球上作客。

上面是一個科幻故事，現(xiàn)在我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到那樣的水平，但手性技術(shù)正在迅速發(fā)展中。我們用一般的化學(xué)方法合成出來的手性化合物都是兩個對映體同時存在的混合物?，F(xiàn)在大都采用化學(xué)的方法將這兩種對映體分開，這種方法十分繁瑣。目前正研究一些新的分離方法，以便可以更有效、更方便地將對映體進(jìn)行分離。另一方面，一百多年來，科學(xué)家一直在探索可以直接合成出某一種人們需要的對映體，這種合成方法被稱為“不對稱合成”。20世紀(jì)70年代以來，這方面的研究已經(jīng)取得了很大的突破，可以利用一些手性催化劑或試劑直接得到純度幾乎100%的對映體，避免了產(chǎn)生一半無用對映體在資源上的浪費(fèi)和分離的費(fèi)用。

上面已經(jīng)提到，由于生物體是由手性物質(zhì)構(gòu)成，所以外來的手性物質(zhì)對生物體有不同的作用。近年來，手性物質(zhì)正向非生物領(lǐng)域擴(kuò)展，例如液晶顯示就需要手性添加劑，一種更有效的鐵電性液晶本身就是手性化合物。人們期望手性化合物能在光、電、磁材料上發(fā)揮作用，這樣就可以開發(fā)出新的材料。手性科學(xué)是一個還遠(yuǎn)未充分了解的領(lǐng)域，它正等待著更多有志者參與探索。