手性、不对称性与光学活性

手性是由物体的三维取向所引起的。如果一个物体不能与其镜像重合，该物体就具有手性。该体与其镜像彼此是互为对映的，因此相互称为对映体。举一简单的例子，乳酸可以以形态1a和1b存在．二者互为镜像。当不存在外部手性环境时，两个对映体具有完全相同的化学和物理性质。这味着1a和1b有相同的熔点、溶解度、红外光谱、核磁共振谱及在色谱(气相和液相)上相同的保留的间。但有一种性质是彼此不同的，那就是它们旋转平面偏振光的能力，虽然在强度上一样，但方向相反。对映体的这个性质称为光学活性。能使平面偏振光按顺时针方向旋转的1b被指认为(+)-乳酸：而其对映体1a被指认为(-)―乳酸，在相同条件下1a能使平面偏振光按逆时针方向旋转相同的角度。于是，前者Ib称为右旋-乳酸，后者1a称为左旋-乳酸。如将等量的1a和1b即等量的两个对映体混合，由于其作用相互抵消，因此表现为不能使平面偏振光旋转，称为无光学活性。这种混合物又称为外消旋体(racemate)。因此，可把光学活性视为区别两个对映体的表征。绝大多数手性化合物是有光学活性的，但也有极少数手性化合物，虽是对映体纯的化合物，但光学活性很小或者为零。

　　上述乳酸的例子是分子中有一个不对称因素(在这里是指一个不对称碳原子)的情况，因此可能有两个对映体或更确切地是―对对映体，也可以说乳酸有两个立体异构体。在分子中含n个互异的不对称因素(大多数指不对称碳原子)时，该化合物就可能有2 n-1对对映体和2 n个立体异构体。例如丁醛糖8有两个不对称碳原子，因此有两对对映体，4个立体异构体(8a~8d)。其中8a和8b以及8c和8d互为对映体；但8a同8c及8d、8b同8c及8d不存在实物与镜像的关系，它们是非对映异构体(diastereoisomers)。当存在多个不对称碳原子时，关于立体异构体的情况有些复杂，这将在遇到具体情况时再做解释。

　　绝大多数手性化合物是由即sp3杂化态的碳中心引起的。多数不对称性是在sp2杂化态的碳中心转化为四面体碳(即由sp2杂化态转变为sp3杂化态)时形成的。该转化可在羰基、烯胺、亚胺和烯烃的官能团位点上发生。除了碳原子以外，还有不少其他元素的原子可形成手性。图1―5列举了一些元素原子的不对称性的形式。与碳原子不同的是，氮原子通常以3个共价键与三个基团连接。如果该三个基团为烷烃基时，可称为含三价氮的三级胺。由于与氮原子相连的三个基团和留存的一对孤对电子成假四面体排列，因此含有三个不同取代基的胺是具有手性的。然而在通常情况下，由于氮中心上的快速内翻转，这些对映体是无法分离的，因此，在一般情况下我们观察不到胺的光学活性。只有在通过生成季铵盐、N-氧化物或通过其他固定键合的途径，使这种翻转受阻时，手性氮化合物的对映体才能被分离开来。具体例子是Troger碱9，由于分子中的两个氮原子被一个亚甲基桥所固定，使三级胺的构型翻转受阻，此时对映体9a和9d可以分别由拆分得到。与胺相比，三价膦在室温下通常不会发生构型的翻转，因此可能制备到手性膦。手性膦化合物或含膦的手性化合物是极有价值的手性配体，在手性化合物的合成中起着极大的作用。对硫原子而言，由于孤对电子的存在，亚砜[图1-5（d）]可能存在两个对映体，它是构成手性硫化合物的主要形式。现在已有含手性亚砜的药物如(S)-奥美拉唑[(S)-omeprazole]等上市。