立體化學術語“手性”及其應用范圍

摘 要：“手性”是當今化學和藥學領域出現頻率較高的術語，在立體化學中 “手性”起先是用以表達分子結構的幾何屬性，但現在它和它的衍生詞語已在更大的范圍內獲得了應用。文章對這些詞義從基本概念到合理的應用擴展，以及中文名的表達作一簡要的討論。

關鍵詞：立體化學，手性，術語

“手性”這一術語，自20世紀60年代中期引入有機立體化學以后，基本上局限于化學學術領域內交流使用。80年代起藥物學家開始關注手性藥物中的有效活性成分。過去手性藥物一般是以外消旋體（racemate）狀態上市，隨著研究的深入，藥物學家發現組成的外消旋體中， 通常只有一個對映異構體是有效的，另一個是無效的或效用很低，極端情況下效用相反甚至有毒害副作用。這就導致了1992年美國食品藥品監督管理局（FDA）作出了新的規定：提倡單一異構體上市，也不排斥外消旋體的藥物，但必須申報組成外消旋體中的一對對映異構體的各自藥理和毒性。在2006年FDA批準的小分子藥物中80%是手性的，而其中75%已是單一的對映異構體。由于藥物是涉及千家萬戶的事，“手性”和其相關的專業詞語不僅成為化學界和制藥行業的熱門用語，而且也開始出現在一般公眾面前。立體化學中，“手性”是核心概念的術語，它的概念擴展，使國際純粹與應用化學聯合會（以下簡稱IUPAC） 1996年推薦的 “立體化學基本術語”[2]比以前有很多變革。

正像其他新詞語一樣，“手性”和其相關專業詞語在普及使用中也帶來了一些概念模糊和混淆的地方，為此本文擬從“手性”的基本概念出發，對“手性”和其相關術語的應用作一討論，也以此對第二版“化學名詞”相應條目的修訂作一說明。[1]

一手性和不對稱

“手性”英文為chirality，它的詞根來自希臘文的“手”(cheir)。任何一個物體與它的鏡像不重疊，如同人的左右手不能重疊互為鏡像，這樣的物體是“手性的”(chiral)；如果與它的鏡像等同重疊，則稱它為“無手性的”(achiral)。在立體化學中“手性”是分子結構的幾何屬性， 立體異構體是由某一個“構造異構體”中原子或基團在空間排列不同而成，在給定構型和構象的分子結構中，如果它的排列與其鏡像不重疊，組成一對對映異構體，則這一分子結構就具有“手性”， 分子手性是存在一對對映異構體的必要和充分條件。因此，在有機立體化學中，“手性” 的概念是十分明確的，專門描述分子的結構特性。

在立體化學中，相當長一段時期化學界采用“不對稱”這一詞語來說明分子具有“手性”的特征，其實這是不全面的。如手性分子反-1，2-環己二醇（圖1）具有對稱因素，因此若再稱其為“不對稱”的，容易引起概念混亂。從分子模型的自身對稱因素可以分析分子是否“手性”(見表1)：

具有對稱面和對稱中心的對稱因素（也即S1 和S2對稱）的分子是無手性的分子，它們比較普通的，屬于S1和S2對稱。具有旋轉反映軸對稱因素，即Sn旋轉反映軸的對稱分子也是無手性的，如圖1，化合物1具S4旋轉反映軸，是無手性的。而手性分子則是可能具有旋轉軸對稱因素，如圖1的化合物反-1，2-環己二醇2和3，彼此之間互為鏡像，不能重疊，但它們是各具有C2對稱軸的一對對映異構體，因此它們是有對稱因素的手性分子。具有C2對稱軸是一類很重要的手性分子，如右旋或左旋酒石酸分子結構中都具有C2對稱軸。 由此說明，“不對稱”分子是“手性”分子， 但“手性”分子不一定是“不對稱”分子。

二 手性和旋光性化合物；單一手性化合物和外消旋體

19世紀初，科學家發現偏振光通過一些天然產物或其溶液后偏振面能發生旋轉，隨后的研究則證實這些產物的分子結構中存在 “非對稱”(dissymmetry)因素，存在著與其本身不能重疊的對映異構體，即上文提到的分子“手性”。由于這樣的認識有個過程，早年甚至現在還稱這樣的化合物為有“光學活性”（optical activity）化合物，因為它僅涉及偏振光旋轉的現象，所以筆者建議改稱“旋光性”化合物，應更為確切一些。需要指出的是，旋光性化合物都是具有手性的化合物，但反之則不然。外消旋體（如RS-苯丙氨酸）由手性分子的一對對映異構體組成，旋光度為零。而且旋光度隨著所用偏振光的波長、溫度、溶劑或pH值的變化，有可能從正值通過零點變成負值，也就是在某一測量條件下手性分子的旋光度有可能為零。此外，若干單一手性分子組成的物質有時觀察不到旋光性，稱為“偶然退化”(accidental degeneracy)現象；一些手性分子如不同烷基組成的飽和烷烴類化合物幾乎不能測到其比旋度，甚至在一段波長范圍內都觀察不到旋光現象，這種分子稱為“隱手性的”(cryptochiral)。

化合物的“旋光性”也不能與分子具有“手性”完全等同起來，前者是化合物的物理表觀現象，后者則描述分子的結構特征。1996年IUPAC推薦的“立體化學基本術語”中， “手性” 定義為剛性物體（或原子和基團的空間排列）與其鏡像不能重疊的幾何性質。即物體不存在第二類對稱因素（包括對稱中心、對稱面和旋轉反映軸對稱因素），而沒有述及與“旋光性”的任何關系。因此，“光學異構體” “光學拆分”這類過去常用詞語也逐步被淘汰。有些有機化學教科書如第6版的《March’s 高等有機化學》（March’s Advanced Organic Chemistry ）[3]中，仍把 “旋光性” 和 “手性”絕對等同起來，這是不恰當的。

當提到某一手性分子時，還要指明是其中哪一個對映異構體，或兩者1∶1的混合物，或其他比例的混合物。如從天然氨基酸中分得的苯丙氨酸能引起偏振光偏振面左旋（數值為負），其手性中心的構型可命名為S－或L-(-)-苯丙氨酸；而它的對映異構體則旋光值為正，命名為R－或D-(+)-苯丙氨酸。一般有機合成獲得的是1∶1的混合物，為外消旋體的苯丙氨酸，可表示為 RS-，或rac-苯丙氨酸。

基于上述情況，文獻上又出現了單一手性的（single chiral）、手性純的（chiralpure）、單一對映異構體的（singleenantiomer form）等限制詞，用以明確表示手性分子中的一個對映異構體，但按照IUPAC的推薦用詞則以“對映純”（enantiomerically pure /enantiopure）表達更為確切。目前文獻上常出現的用“同手性的”（homochiral）來表示“對映純”化合物不是很確切，它的原義是對映異構體分子間有相同手性表達的意義(即所有分子間有相同R或S構型符號) 。

一對對映異構體1∶1的混合物稱為外消旋體，在單一對映異構體與外消旋體之間則較多地被稱作非外消旋體。在早期，非外消旋體中一對映異構體的量度由“光學純度”（optical purity，簡稱op，見下公式）表示，此值為測得樣品的比旋光與單一對映異構體比旋光之比。目前這一表達方式已逐步被其他方式所取代，但因習慣，文獻中“optical purity”仍在繼續使用，筆者建議其中文用詞改稱“旋光純度”較為確切。

op=［α］測得值/［α］最大值

旋光度的測定現在仍是判斷手性分子的重要方法，但不是唯一手段。由于測量手段的進步，通過色譜或核磁共振等技術可直接獲得較為精確的一對對映異構體比例，現在較多采用的手段則為“對映異構體過量”（enantiomer excess，簡稱ee，見下公式）。在一般情況下ee值應與op值一致，但有時并不相同。

ee=R-S/R+S=R-S

在上述旋光純度和對映異構體過量的表示中一個共同點是都將外消旋體不恰當地全部作為非所需物質，沒有直接反映出對映異構體的組成，如 ee＝90%的非外消旋體其實是含有95%的一個對映異構體和5%的另一對映異構體，因此近年來不斷有學者提出對映異構體組成以對映異構體比例（enantiomeric ratio， 簡稱 er）來表達。[4]這一建議正在逐步為有機化學界所接受。

三 “手性”其他衍生詞的應用

“手性”以及“手性的”這樣的詞語正越來越多地出現，在具體使用時要注意到上面提到的實際情況，進一步明確其含義。

“手性”用于手性化合物、手性分子后，在化學界還衍生了許多的新詞語，其中用于化學物質的如有機合成過程中的手性源(chiral pool)、手性試劑（chiral reagent）、手性催化劑（chiral catalyst）、手性中間體（chiral intermediate）、手性元（chiron）等，有用于色譜的手性固定相（chiral stationary phase），以及本文開始時提到的手性藥物（chiral drug）。它們的提出和使用因涉及物質的結構，故基本上是合適的，但是像手性化合物一樣，僅表明所敘述的化學物質具有手性特性，而未涉及對映異構體的組成狀況。當然，實際上使用這些詞匯時意味著這是對映純的或者是高對映異構體含量的物質，如提到手性中間體（chiral intermediate）時即指單一對映異構體（對映純）的中間體，或對映異構體純度近100%的中間體。

然而在不少書籍或論文中將“手性”用于描述一些化學行為或過程，如“手性色譜” “手性催化”“手性合成”等，事實上，這不是很恰當。如以“手性合成”為例，有機合成界多年來一直應用“不對稱合成”（asymmetric synthesis）一詞，“不對稱合成”按照產物分類也稱“立體選擇性合成”，其定義為在一個底物上新形成一個或多個手性元素的反應（或系列反應）時，得到不等量的立體異構體產物，可分為“對映選擇性合成”或“非對映選擇性合成”[5]，因此，稱為“手性合成”（chiral synthesis）顯然不是很妥當。國際主流的化學刊物現在已杜絕此類詞。有些不恰當立體化學術語還有待在今后使用中逐步解決。

總之，在當前“手性”流行、普及之際，我們應從立體化學“手性”的基本定義出發，更好地把握它的正確使用。

參 考 文 獻

[1] 何煦昌.有機立體化學中若干術語和命名的討論. 化學研究與應用， 2000， 12(3)：242-248. [2]Moss G P. Basic terminology of stereochemistry （IUPAC Recommendations 1996）.Pure Appl. Chem，1996， 68： 2193-2222.

[3]Smith M B， March J.March’s Advanced Organic Chemistry，Reactions，Mechanisms， and Structure， 6th Edition， WileyInterscince， Hoboken， NJ，2007： 137.

[4]Gawley R E. Do the Terms “%ee” and “%de” Make Sense as Expresions of Stereoisomer Composition or Stereoselectivity?J. Org. Chem， 2006， 71：2411-2416.

[5]何煦昌.不對稱有機合成和反映的分類.合成化學，2002（5）： 377-384.

何煦昌：中國科學院上海藥物研究所，201203

吳毓林：中國科學院上海有機化學研究所，200032