手性基本科学问题
手性催化的重要科学基础
项目名称：手性催化的重要科学基础首席科学家：丁奎岭中国科学院上海有机化学研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：上海市科委一、研究内容本项目结合国家经济建设和社会发展重大战略需求，特别是针对我国手性药物、农药、精细化学品以及材料等相关领域的可持续发展问题，从合成化学中的手性催化这一具有重大挑战性基础科学问题和前沿研究方向入手，突出源头创新，围绕手性催化的效率和选择性等核心问题，设计和发展新型手性催化体系，提出发展手性催化剂的新概念和新方法，利用化学、物理和理论计算等方法揭示反应历程，探索催化过程中手性传递、诱导与放大的科学规律，从化学角度为认识自然界手性均一性成因提供科学依据，为光学活性手性物质的制备提供先进方法学，为我国手性医药、农药和手性功能材料等方面的发展提供科学基础和技术支撑。
根据项目的上述总体设想，围绕手性催化过程中手性诱导、传递和放大的规律性探索，拟重点解决以下重要科学问题，并提出相应的解决策略：(1)手性催化的立体选择性问题：通过探索催化剂对底物分子作用的模式，认识配体和催化剂的电子和立体效应的影响规律；(2)手性催化的效率问题：通过深入认识催化剂的活化、毒化的内在机制和外部环境因素；(3)催化剂结构的创新性问题：通过探索和总结配体的骨架、配位原子、中心金属以及底物等的立体、电子效应对手性诱导影响的规律；(4)受限环境中手性诱导的规律性问题：通过探索环境的尺寸、形状效应以及催化剂的孔道限阈作用、催化剂—底物之间的氢键、电荷转移、π-π堆积等弱相互作用对手性诱导影响的规律；(5)手性诱导过程中多因素控制的复杂性问题：通过综合上述科学规律的认识，探索综合运用多中心活化、多手征因素控制和微环境效应，提出新概念、发展新方法，指导手性催化剂的设计。
为解决上述科学问题和实现本项目提出的科学目标，在研究过程中，我们将重视课题组人员和科学研究内容之间的相互交叉，紧紧围绕手性催化的选择性和效率问题，以发展新型手性配体、新型催化剂和催化新反应为切入点，加强均相手性催化与多相手性催化研究的交叉与合作，同时在研究内容中将特别重视催化过程中手性传递、诱导与放大的科学规律探索和总结，在研究方法上注重实验与理论结合，并尝试以新的思路和策略，注重新概念、新方法的提升以及在研究工作中对催化剂设计的指导作用，以期实现在原理、概念和方法层次上的创新，同时运用项目发展的新型手性催化剂、催化新反应、新概念和新方法等进行重要生理活性手性化合物和手性药物关键中间体的合成。
神奇的手性现象与不对称催化 - 科普园地
神奇的手性现象与不对称催化不知道大家有没有注意到生活中的一个有趣现象，就是无论你怎么摆姿势，都无法将自己的左手和右手重合。
而当你拿一面镜子时就会发现，左手在镜子里的像刚好跟你的右手重合。
我们把这种有趣的现象就叫做手性，即一个物体不能跟自己的镜像重合，我们就说这个物体具有手性。
在自然界中手性现象广泛存在。
例如喇叭花的缠绕方向是手性的，把右旋的喇叭花强行左旋缠绕，它也会自动恢复右旋；动物中的海螺同样是右旋世家，出现左旋海螺的概率是百万分之一；同样，组成我们生命体基本单位的氨基酸同样具有手性，除了极少数生物体内存在右旋氨基酸外，组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸；另外供给人体能量的葡萄糖都是右旋的，绝大多数生物遗传的物质基础DNA也是以右旋方式相互缠绕成的双螺旋结构等等许多例子，由此可见手性是许多物体的一项重要特点。
在化学领域中，手性现象同样广泛存在，而有机分子的手性通常是由不对称碳引起的。
在一个有机分子中，碳原子通过共价键能与四个其它原子或基团相连。
当相连的四个原子或基团互不相同时，就会产生手性，我们称该有机分子为手性分子。
两个互为镜像的手性分子构成一对对映异构体。
互为对映异构体两个手性分子在原子组成上完全一致，许多宏观物理性质如熔点、沸点、溶解性等，甚至许多微观化学反应性能也完全相同。
我们通常是通过手性分子的光学特征对其识别。
例如，如果手性分子所配成的溶液能使平面偏振光按顺时针方向旋转，我们称这个对映体为右旋体，记作（+）或者D；相反能使平面偏振光按逆时针方向旋转的对映体，称之为左旋体，记作（-）或者L。
当等量的对映体分子混合在一起时，不会引起平面偏振光的旋转，我们称之为外消旋体。
手性分子的右旋体和左旋体在生物体内的生理生化性质有时差不多，有时却差别极大。
上世纪60年代前后，很多妊娠妇女通过服用沙利度胺（Thalidomide，反应停）来镇痛和止咳，治疗效果很好。
但是随即而来的是，不少妇女生下的婴儿都是短肢畸形的怪胎。
05-立体化学基础：手性分子2
旋光投影式
对映异构体的结构可以用模型、透视式(立体 结构式) 或费歇尔(Fischer)投影式表示。
(一) 三维模型
28
(二) 立体结构式
透视式是书写立体结构式常见的方法之一。 应注意它的书写方法，通常实线 “” 代表位 于纸平面上的键；虚线 “ ” (或“ ”) 代表 伸向纸平面后方的键，楔形线 “ ” 代表伸 向纸平面前方的键。
17
H
CH3
CH3
H
CH3
H
H
存在对称面的分子
18
四、判断对映体的方法
1. 最直接的方法是建造一个分子及其镜像的模 型。如果两者能重合，说明分子无手性，没有对映 异构现象；如果两者不能重合，则为手性分子，有 对映异构 现象，存在对映体。
2. 考察分子有无对称面。如果分子有对称面， 则该分子与其镜像就能重合，没有对映异构现象。
23
能使偏振光振动平面向右旋转的物质称右 旋体，能使偏振光振动平面向左旋转的物质称 左旋体。 旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋 光度，以“”表示。
顺时针 右旋，以 “ d ” 或 “ + ” 表示。 其旋光方向 逆时针 左旋，以“ l ” 或 “ ” 表示。
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为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大 小，一般用比旋光度(specific rotation)来表示。
相同？
OH H H Cl CO2H CO2H HO Cl
CO2H H H CO2H
H
C C
CO2H OH H HO
CO2H H Cl CO2H
H
Cl CO2H
(1)
(2)
(3)
(4)
43
第四节
外消旋体
手性化学对人体健康的影响及其机制
手性化学对人体健康的影响及其机制当我们提到手性化学时，可能很多人并不太熟悉这个词汇。
但是手性化学的研究对于人类的健康和疾病治疗有着非常重要的意义。
那么，手性化学是什么？它对人体健康有哪些影响？本文将为你详细解答。
一、手性化学的概念及研究背景手性化学，也称为不对称合成化学，是化学中的一个分支学科。
在手性化学中，我们探讨的是手性分子，即具有镜像对称性但不重合能够重合的分子。
例如，在衣柜里的两只手套是左右对称的，但不可能将一只手套完全重合到另一只手套上。
手性分子在人类生命的方方面面有着广泛的应用，比如说药物合成、生物大分子的结构与功能等。
而这种手性分子对于人类健康的影响，也逐渐引起了科学家的注意。
二、手性分子对于人体健康的影响在自然界中，绝大多数的有机化合物都是手性的。
举个例子，我们可以想象一下我们平常喝的咖啡因。
由于咖啡因是一种手性分子，其左旋和右旋异构体对于人体的刺激作用是不同的。
左旋咖啡因具有镇静作用，而右旋咖啡因则会让人变得兴奋。
在生物分子中，手性分子对于人体的吸收、代谢及自然排泄也有着非常重要的作用。
研究发现，许多药物分子都是手性的，而它们的左右旋异构体对于人体的作用也是不同的。
比如，众所周知的止痛药吗啡，其两个异构体的镇痛效果差异很大，左旋异构体是有效的药物成分，而右旋异构体则无效。
此外，发现对于一些手性分子，在人体内只有其中一个异构体是有益的，而其他的异构体可能会产生毒副作用。
比如，一些手性氨基酸对于人体健康有着非常重要的作用，但是不同的手性异构体可能会对人体产生不同的影响，其中有些甚至会引起疾病。
三、手性化学对于药物研究与开发的重要性由于手性分子对于人体健康的影响非常重要，实际上有很多药物研发的难点就在于如何制备出单一的手性异构体。
现有的一些药物原料制备工艺往往无法将两种手性异构体分开，进而影响了药物的治疗效果。
即使药物本身很有效，如果其镜像异构体也被包括在治疗剂量之中，就有可能导致毒副作用等问题。
05-立体化学基础：手性分子
如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜 (起偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有 与棱镜晶轴方向平行的光才能通过。这样，透 过棱晶的光就只能在一个方向上振动。
平面偏振光
只在一个平面上振动的光，称为平面偏振 光，简称偏振光或偏光。
21
亮
乙 醇
α
暗 亮
乳 酸
22
结论： 物质有两类： （1）旋光性物质 ——能使偏振光振动面 旋转的性质，叫做旋光性；具有旋光性的物 质，叫做旋光性物质。 （2）非旋光性物质 ——不具有旋光性的 物质，叫做 非旋光性物质。
26
旋光仪(polarimeter)
27
第二节
费歇尔投影式
对映异构体的结构可以用模型、透视式(立 体结构式) 或费歇尔(Fischer)投影式表示。
(一) 三维模型
28
(二) 立体结构式
透视式是书写立体结构式常见的方法之一。 应注意它的书写方法，通常实线 “” 代表位 于纸平面上的键；虚线 “ ” (或 “ ”) 代表 伸向纸平面后方的键，楔形线 “ ” 代表伸 向纸平面前方的键。
一对对映体有相同的物理性质
除了与手性试剂反应外,对映体的化学性质也相同
两者还有十分重要的不同性质：
对偏振光的作用不同; 生理作用上有着显著的不同
13
对映异构体的性质
COOH CH 3 C OH
(S)-(+)-乳酸 mp 53oC []15D = +3.82 pKa=3.76
COOH H HO
COOH H OH HO H CH2OH CHO H HO C C OH H HO H H OH HOH
H OH
CH2OH
CHO CH2OH
分子的手性教学资源开发和教学设计
分子的手性教学资源开发和教学设计作者：***来源：《化学教学》2022年第04期摘要：分析研究分子的手性的教学价值和教学现状，整理总结常见的具有实用价值的手性教学资源。
在课堂上通过绘制俄罗斯方块、搭建手性分子模型、握手和十指相扣等体验性活动，展示多张生活中的手性物体图片，播放最前沿手性催化剂研究的报道，激发学生的科学探究热情，培养学生的化学学科核心素养，为分子的手性的教学提供参考。
关键词：手性; 分子; 教学资源; 教学设计文章编号： 10056629（2022）04004406中图分类号： G633.8文献标识码： B1 分子的手性教学价值和意义手性是自然界的基本属性，从化学到生物学，从医学到物理学，从天文学到地球科学，手性无处不在。
分子的手性是中学化学和大学化学重要的教学内容，是有机化学中立体化学的核心内容之一，是有机合成和药物研发中的重要概念和关键因素。
在教学中，分子的手性可以发展学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知和科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
同时，由于手性的普遍性、趣味性和易懂性，使得手性在学科教学外还具有特殊的教学价值和意义：能够引导学生感受自然科学之美，激发学生的求知欲，培养学生的学习兴趣。
2 分子的手性教学资源开发和教学设计背景2.1 课程标准和教材中分子的手性相关内容分析2003年版课标仅一次提到手性内容：“了解‘手性分子’在生命科学等方面的应用”[1]。
2017年版课标（以下称“新课标”）则多次提到手性内容[2]，手性的教学贯穿《物质结构与性质》和《有机化学基础》两个模块，明显提高了对分子的手性的教学要求。
人民教育出版社2020年出版的教材[3，4]（以下称“新教材”）中介绍分子手性的内容与2004年版教材[5，6]大体上一致，在《物质结构与性质》第三章第二节正文中新增了石英螺旋链和石英晶体的手性[7]。
值得注意的是2004年版《物质结构与性质》封面图片是两只手掌握着两个手性分子。
自然界中 手性原则 的起源是什么
自然界中手性原则的起源是什么
这是2005年美国SCIENCE杂志社公布的125个科学前沿问题中第57个问题，根据刘泰祥用“系统相对论”研究方法创建的“一元二态物理”，简答如下：
自然界中手性原则起源于地球引力场和地磁场。
人们是在地表和近地空间中获得“手性原则”这个认识的。
在这个环境中，所有研究对象（物体）都处于地球场（引力场和地磁场，二者处于相互协变状态）之中，物体的表面场强都小于地球场强，因此都没有外场，物体的场域边界位于其临界场中。
根据系统相对论的最大作用原理，在地磁场的诱导下，物体的场函数发生协变，使物体场与地球场始终处于完全匹配状态（即二者之间耦合引力最强）。
换言之，近地空间中的所有物体，其场函数都已被地球场所协变，而不是它们自身所固有的本征场函数。
由于引力场具有不可屏蔽的性质，因此在近地空间中的一切实验，都是以地球场函数为观测背景，对被地球场所协变的物体场的一种观测。
这就是所谓“自然界中手性原则的起源”，当然这里所说的“自然界”是指近地空间。
由此可见，当把从近地空间实验中所获得的带有地球场函数烙印的经验和知识直接推广到近地空间之外区域时，我们就已经掉入了“手性原则”的陷阱之中，不觉
中物理学已经偏离了正确的发展道路。
这是导致当前基础物理理论纷乱现状的总根源。
有机合成中的手性识别技术
有机合成中的手性识别技术有机合成是一门重要的化学科学，广泛应用于药物合成、农药合成、材料合成等许多领域。
其中一个关键的问题是手性识别技术，因为许多有机化合物具有手性，而手性对于化学反应的影响非常重要。
本文将从手性的概念入手，介绍有机合成中的手性识别技术及其应用。
一、手性的概念手性是描述分子非对称性的概念，指的是分子或物体无法与其镜像完全重合。
根据手性的性质，分子可分为两种类型：手性分子和非手性分子。
手性分子又可进一步分为左旋体和右旋体，它们的镜像不能通过旋转或平移可以重合。
手性非常常见，例如天然界中的氨基酸和糖类都是手性的，而非手性分子则是它们的酸或醇对应的化合物。
二、手性识别技术的重要性手性对化学反应的影响非常大，同分异构体的手性化合物在性质上可能截然不同，有时候仅仅一个手性原因就能导致药物的疗效差异。
因此，在药物合成、农药合成等领域，正确识别手性非常重要。
此外，手性的药物合成需要合成目标化合物的特异性，避免对身体造成不必要的副作用。
因此，手性识别技术的发展对于有机合成具有重要的意义。
三、手性识别技术的发展1. 光学方法光学方法是目前应用最广泛的手性识别技术之一。
通过测量分子对圆偏振光的旋光性质，可以精确地确定分子的手性。
常用的光学方法包括旋光度测定法、紫外光旋光谱法、红外光旋光谱法等。
这些方法简单易行，无需特殊仪器设备，非常适合实验室的手性分析。
2. 核磁共振（NMR）方法核磁共振方法是另一种常用的手性识别技术。
通过分析手性分子在核磁共振光谱中的差异，可以确定分子的手性。
这种方法对于分析液态样品非常有效，尤其适用于手性药物的合成研究。
3. 色谱法色谱法是一种常见的手性分析方法，主要通过将手性分子分离到不同的键合相上，再进行特异性的检测。
常用的色谱方法包括高效液相色谱法（HPLC）和气相色谱法（GC）。
色谱法具有高灵敏度和高分辨率的特点，广泛应用于药物合成和农药合成等领域。
四、手性识别技术的应用1. 药物合成中的手性识别药物合成中的手性识别技术是有机合成中最为重要的应用之一。
手性概念的提出
手性概念的提出
手性概念最早是由法国科学家路易斯. 帕斯图尔于1824年提出的。
他在研究结晶物质时发现，有些结晶物质的镜像能够使得左右对称，而有些则不能。
他将这种现象称为“手性”（chirality），并提出了手性分子的概念。
帕斯图尔通过观察结晶物质在偏光下的旋光性质，发现它们能够使光线发生旋光现象，而其镜像物质则会产生相反方向的旋光。
这种旋光性质在二十世纪初被利用于判断化学物质的结构和性质。
后来，随着化学研究的深入，人们发现很多化合物都是手性的，例如氨基酸、糖类等有机分子。
这些手性分子具有非对称的结构，无法与其镜像重叠。
由于手性分子的存在，使得化学研究和应用领域出现了许多新的问题和挑战。
手性概念的提出对化学、生物学、医药和材料科学等领域有着重要影响。
在生物学中，手性分子在生物体内的代谢、药物作用、蛋白质结构等方面起着关键作用。
在医药领域，手性药物的研究和合成也成为重要的研究方向。
在材料科学中，手性分子的配位或组装能够产生新的功能材料。
总的来说，手性概念的引入为许多领域的研究提供了新的角度和思路，对于理解和利用手性分子的特殊性质具有重要意义。
超分子手性
0.5
0.0 400 500 600 700 800 Wavelength /nm
1. 可以通过界面的静电相互 作用形成复合膜
2. 在膜中TPPS进行p-p堆积 形成J-Aggregate
3. 复合膜具有CD信号
1. 基于静电作用的组装
1. 尽管TPPS和两亲分子均是非手性的，我们总是能够获得有 手性的有序膜.
De Rossi, et al. Angew. Chem. 1996, 35, 760
在晶体， 液晶以及聚集体溶液中均发现了非手性 分子可以形成手性的高级结构， 别现象，分子结构与高级结构的手性之间没有明 确的关系？
气液界面的组装
Langmuir monolayer
LB films
分子取向, 分子排列,相互作用的调控
Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ Ag+
Ag+
Ag+
Ag+
Ag+
Transfer
NpImC17-Ag(I) LB Film
NpImC 17 NpImC 17 NpImC 17 NpImC 17 NpImC 17 NpImC 17 NpImC 17
Pure Water
Transfer
NpImC17 LB Film
Ar
Ar
HN N AgNO3
*
N
N Ag *
n
Surface Pressure (mN/m)
Langmuir, 1997, 13, 4807-4809.
50
40
30
b
c
20
a
d
10
0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
生物手性的机制和意义研究
生物手性的机制和意义研究手性，指的是化学中的同分异构体，其分子构象和空间排列方式不同。
生物世界中常见的手性分子有两种，即D型和L型，其分子结构完全一样，只是空间排列方式不同。
生物体中的分子，如蛋白质、核酸、糖类和荷尔蒙等，都具有手性。
然而，为什么生物体中的分子往往只具有一种手性呢？这个问题一直困扰着科学家们。
本文就来探讨一下生物手性的机制和意义。
生物手性的机制1. 生命起源假说一个常见的生命起源假说是，生命最初起源于海底热泉附近的微小气泡，气泡中的分子具有较高的存在概率和浓度。
而从富集的分子中，手性分子便具有了更高的存在机会，因为手性分子的结构相对稳定，不容易被分解。
2. 优势选择规律生物体中分子手性的优势选择来源于某些生物过程的化学选择性。
有一些生物过程，如酶的作用、离子流通和荷尔蒙等的结合过程，对于特定的立体异构体选择性更强。
3. 蛋白质生物合成生物体中的蛋白质分子是由一系列氨基酸分子串成的。
氨基酸存在两种手性，分别是左旋D型和右旋L型。
而生物体只能合成L型氨基酸，这是因为生物体内部仅有的酶只能催化L型氨基酸的合成，而D型氨基酸则无法合成。
生物手性的意义1. 相生相消生物体中，手性的物质相生相消具有重要的生理作用。
例如，一些生物过程中，当一个D型手性分子和一个L型手性分子结合时，它们可能会形成一个更大的分子。
相反的，当两个相同手性的分子相遇时，它们会很快分离开来。
这种“相生相消”的现象在一些代谢和荷尔蒙信号传递等生物过程中起到了关键作用。
2. 生物特异性生物体内的多种生物分子，例如蛋白质和核酸，均是L型手性。
这是因为生物体内部将其它外来物质与己有物质区分开来的能力较弱，使得有可能将反向手性的分子吸附到生物分子表面，导致生理的畸形变化，从而造成疾病的发生。
3. 药物合成药物的作用机理往往与药物的手性密切相关。
例如，仅有一种手性的安定剂络合物可治疗心脏病，而另一种手性的络合物则无法发挥治疗作用。
有机化学基础知识点整理手性识别和手性分离的方法
有机化学基础知识点整理手性识别和手性分离的方法手性识别和手性分离是有机化学中的重要基础知识点。
在有机化学的领域中，分子的手性性质非常重要。
本文将整理手性识别和手性分离的基本概念及方法，帮助读者更好地理解和应用手性化合物。
一、手性的定义和意义手性（Chirality）是物质的一个重要性质，它指的是一种物质和其镜像异构体之间不能通过旋转和平移相互重合。
简单来说，手性是指有“左右之分”的物质。
手性分子在光学活性和生物活性中发挥着重要的作用。
二、手性识别的基本方法1. 光学方法光学方法是最常用的手性识别方法之一。
通过光学活性物质和手性分子相互作用，可以观察到光学旋光现象。
其中，旋光度（[α]）是描述光学旋光现象的参数，它可以用来确定手性分子的绝对构型。
光学旋光仪是常用的光学实验仪器，可精确测量旋光度。
2. 核磁共振方法核磁共振（NMR）技术在手性分析中也有重要应用。
通过核磁共振谱图的对比分析，可以得出手性分子的绝对构型信息。
特别是在核磁共振手性对应（NMR enantiodifferentiation）技术的发展下，可以对手性分子进行直接判断。
3. 色谱法色谱法也是一种常用的手性识别方法。
手性分析的色谱技术主要包括气相色谱法（GC）和液相色谱法（LC）。
在手性色谱中，通过手性固定相和手性样品之间的相互作用，实现对手性分子的识别。
三、手性分离的基本方法1. 晶体学方法晶体学方法是手性分离和手性识别的重要手段。
通过晶体生长过程中手性关键因素的调节，可以实现手性分子的分离。
手性晶体学方法具有高分离效率、高拆分选择性的优点。
2. 液-液萃取液-液萃取是一种常用的手性分离方法。
通过液体萃取剂与手性物质之间的配位或溶解、分配等作用，实现手性物质的分离和富集。
3. 手性催化方法手性催化方法是手性分离的重要手段之一。
通过有手性特异性的手性催化剂对手性底物进行催化反应，可以控制手性产物的生成，从而实现手性分离。
四、手性识别和手性分离的应用手性识别和手性分离在药物合成、生物活性研究、食品质量检测等领域具有广泛应用。
有机化学基础知识点手性识别与手性催化剂
有机化学基础知识点手性识别与手性催化剂有机化学基础知识点：手性识别与手性催化剂在有机化学领域，手性（chirality）是一个极为重要的概念。
手性分子是非对称的分子，它们存在两种互为镜像的异构体，即左手和右手，被称为对映体。
这两种对映体具有相同的化学式，但却不能通过旋转或平移相互重叠。
因此，手性对于有机分子的性质和反应具有重要影响。
本文将深入探讨有机化学中的手性识别和手性催化剂，以及它们的应用。
**手性的基本概念**手性是由于分子内部的不对称性而产生的。
最常见的手性分子包括氨基酸、葡萄糖和脱氧核糖。
这些分子具有手性中心，也称为不对称碳原子，其四个取代基围绕着碳原子排列不同，形成两种不同的立体异构体。
手性分子的两种对映体，被称为R型和S型，可以通过CIP规则（Cahn-Ingold-Prelog规则）进行命名。
这些规则基于对手性中心周围的取代基进行优先级排序，从而确定对映体的名字。
**手性识别**手性识别是指分辨和区分手性分子的过程。
这一领域的研究在许多领域中都具有重要应用，包括制药、化学工业和生物学。
以下是一些常见的手性识别方法：1. **手性色谱分析**：手性分子可以通过手性色谱分析分离。
这种分析方法利用手性固定相和手性分子之间的相互作用，以区分对映体。
2. **核磁共振（NMR）**：在核磁共振光谱中，手性分子的对映体通常会显示出不同的峰值。
这可以帮助确定化合物的手性性质。
3. **偏振光**：手性分子会旋转偏振光的平面，这种现象被称为旋光性。
测量旋光性可以用于手性分子的识别。
**手性催化剂**手性催化剂是具有手性性质的化合物，用于催化手性选择性反应。
它们在有机合成中具有重要应用，尤其是合成手性药物和精细化工产品。
以下是一些常见的手性催化剂：1. **手性配体**：手性配体是与过渡金属配合并形成手性催化剂的关键组成部分。
它们可以控制反应的手性选择性，使合成更具效率。
2. **不对称合成催化**：手性催化剂广泛用于不对称合成反应，例如不对称氢化、不对称氧化和不对称还原。
手性分子产生的原因与性质
手性分子产生的原因与性质手性分子是现代化学中一个非常重要的概念。
它们存在于生物、医药、材料科学等众多领域中，并且对于我们的生活产生了深远的影响。
本文将探讨手性分子产生的原因以及它们的性质。
手性是一个描述物体的性质的概念。
在化学中，手性描述的是分子结构中存在着手性中心的分子，也被称为不对称碳原子。
手性中心是指四个不同取代基固定在一个碳原子上。
由于这个碳原子与四个不同的基团连接，它就具有了非对称性。
当一个分子中存在手性碳原子时，分子的整体结构就会具有手性，并展现出两种不同的空间构型，即左旋和右旋。
那么手性分子为什么会存在呢？首先，手性分子的产生与生命的起源密切相关。
在宇宙的早期，有机分子的合成和演化是生命起源的关键过程。
在所有地球的生命形式中，包括人类、动植物等，是由手性分子构成的。
这也是因为手性分子具有对于生命活动至关重要的生化反应。
其次，对于一个手性分子的产生，可以归结于对称性的破缺。
手性分子的不对称性来源于它们的分子结构。
当四个取代基围绕手性中心排列不对称时，分子就会产生手性。
这是因为无机化合物的合成往往会在某些特定条件下发生，例如温度、光照等。
这种不对称性的产生可以通过对称破缺反应，例如手性催化剂的使用，将对称性的化合物转化为手性化合物。
手性分子的性质具有很大的差异。
首先，手性分子之间的反应活性往往不同。
由于手性分子的不对称性，它们在空间上的排列和立体结构的影响，使得它们与其他分子的相互作用存在很大的差异。
因此，在化学反应中，手性分子可能会形成多个异构体，而这些异构体在生物活性和化学性质上可能具有差异。
其次，手性分子在生物体内的影响也是非常显著的。
在医学上，大多数药物都是由手性分子构成的。
以左旋肾上腺素和右旋肾上腺素为例，它们具有不同的生理效应。
左旋肾上腺素能够收缩血管，提高血压，而右旋肾上腺素则具有相反的作用。
这种不同的生理效应源于手性分子对于不同生物体内部的反应的选择性。
手性分子还具有其他有趣的性质。
《有机化合物的结构》手性与对映体
《有机化合物的结构》手性与对映体有机化合物的结构：手性与对映体在有机化学的广袤世界中，有机化合物的结构就像是一座神秘而又精巧的迷宫，其中手性与对映体的概念更是充满了奇妙与挑战。
首先，让我们来理解一下什么是手性。
想象一下，你的双手，它们看起来非常相似，但却无法完全重叠。
这就是手性的一个简单例子。
在有机化合物中，如果一个分子与其镜像不能重合，就像我们的双手一样，那么这个分子就具有手性。
手性分子通常都有一个或多个手性中心。
手性中心可以是碳原子，也可以是其他原子，但在有机化合物中，最常见的手性中心是碳原子。
当一个碳原子连接着四个不同的原子或基团时，这个碳原子就是手性中心。
比如说，乳酸分子。
它有两种结构，一种是左旋乳酸，另一种是右旋乳酸。
这两种乳酸分子的化学式相同，但它们的空间结构不同，就像我们的左手和右手。
这种具有相同化学式，但结构不同，并且互为镜像关系的分子，被称为对映体。
对映体在性质上有很多相似之处，但也有一些关键的差异。
在物理性质方面，比如熔点、沸点、溶解度等，对映体通常是相似的。
然而，在化学性质上，当它们与手性环境相互作用时，就会表现出明显的不同。
这是为什么呢？让我们想象一下一个手性的酶，它就像一把钥匙，而手性分子就像一把锁。
如果是左旋的分子，可能正好能与这把“钥匙”完美匹配，从而发生反应。
但右旋的分子可能因为无法与“钥匙”匹配，而无法发生反应，或者反应的速率和程度都不同。
在生物体内，手性和对映体的概念至关重要。
许多生物大分子，如蛋白质、核酸等，都是手性的。
而且，生物体内的化学反应往往具有高度的特异性和选择性，对映体的不同可能会导致截然不同的生理效应。
比如，药物分子常常是手性的。
一种药物的对映体可能具有良好的治疗效果，而另一种对映体可能不仅没有疗效，甚至还可能产生副作用。
沙利度胺就是一个典型的例子。
它的一种对映体可以缓解孕妇的孕吐症状，但另一种对映体却会导致胎儿畸形。
手性和对映体的研究在化学合成、药物研发、农业化学等领域都有着极其重要的意义。
手性化合物立体结构鉴定中的若干关键共性科学问题探讨
No.6
王煦鑫等：手性化合物立体结构鉴定中的若干关键共性科学问题探讨
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Fig. 2 Two stable conformers of compound 2
Fig. 3 1H NMR(A) and 13C NMR(B) spectra of compound 2
在计算过程中，若使用 HperChem 软件，可以先不定义二面角 N2—C1—C1′—N2′为变量［14］，先计 算（Sa，S）-2a 或（Ra，S）-2b 的稳定构象 . 若使用 Conflex（Barista）软件，则没有这种选择，在构象分析与计 算时，同时得到（Sa，S）-2a 与（Ra，S）-2b 的构象并保存在同一个输出文件中 . 在后期的构象分析中，需要 手动将构象（Sa，S）-2a 与（Ra，S）-2b 区分开，并分别用于后期的数据处理 . 在新版的 Gaussian 16 软件中 也有二面角的选项 . 因此，使用 HyperChem 或者 Gaussian 16 软件均可方便地分析得到（Sa，S）-2a 和 （Ra，S）-2b 的构象 .
计算所选用的力场是一个关键问题，不同的力场得到的分子能量会有所差异 . 如果分子结构比较 简单，如 2-丁醇，无论采用何种力场计算，都能得到一致的稳定低能量构象 . 但手性分子结构通常比 2-丁醇复杂得多，而且分子中的环系结构也比较复杂，会出现局部刚性很大的环结构 . 因此，在构象分 析过程中必然导致 3 种主要结果：（1）不同起始结构的分子得到的稳定构象不同，这种情况在含有多个 —OH 结构的分子中更易出现；（2）最稳定的（能量最低）和较为稳定的构象结构未被找到，导致计算结 果错误；（3）不同力场计算得到的结果在分子力场水平上出现较大差异。在实际计算工作中还会出现 其它问题 .
手性化学的研究方法和应用
手性化学的研究方法和应用手性是现代化学中的一个重要概念，指分子或离子的镜像对称性不同。
手性化学的研究方法和应用十分广泛，本文将从理论和应用两个方面探讨手性化学的研究方法和应用。
一、手性化学的理论基础手性化学的理论基础主要有两个方面：一是对称性理论，即对称轴和对称面的概念；二是量子化学理论，包括分子轨道、能量、双平衡等。
对称性理论是手性化学的重要基础。
通过对分子中的对称轴和对称面进行研究，可以得出分子是否拥有手性。
手性分子的镜像对称体可以是一个非常不同的分子，因此手性是一个十分重要的概念。
此外，对称性理论还可以帮助化学家在实验室中进行手性化学反应的设计，从而提高反应效率和产物纯度。
量子化学理论也是手性化学的核心。
通过分子轨道、能量、双平衡等指标的研究，可以得出手性分子的各种性质和特点。
例如，分子轨道可以反映出分子中电子的分布情况，从而确定反应的类型和机理。
能量和双平衡可以用来预测反应速率和化学平衡，帮助化学家设计更加高效的手性化学反应路线。
二、手性化学的研究方法手性化学的研究方法主要有三个方面：一是合成手性化合物的方法；二是手性化合物的分离和纯化方法；三是手性化合物的鉴定方法。
1、合成手性化合物的方法目前，合成手性化合物的方法有许多种。
最常用的方法之一是光学活性合成，利用旋光性质的分子分离手性体。
此外，还有手性催化合成、酶促合成等方法。
这些方法不仅可以合成单一手性体，还可以合成手性混合物和手性纯合物。
2、手性化合物的分离和纯化方法手性化合物的分离和纯化方法有多种，如色谱法、薄层色谱法、毛细管电泳法等。
其中，色谱法是最常用的方法之一，包括高效液相色谱法、气相色谱法和逆相色谱法等。
这些方法可以对手性化合物进行有效的分离和纯化，并能够获得单一手性体和手性纯合物。
3、手性化合物的鉴定方法手性化合物的鉴定方法主要包括光学旋转、圆二色性、红外光谱、核磁共振等。
光学旋转和圆二色性是最常用的方法之一，可以直观地观察手性化合物的旋光和圆二色性值。
手性基本科学问题
手性识别
虽然产生这种手性的确切 机理、起源和过程仍是科学上 的未解之谜，但有一点是明确 的：这些分子的作用以至于生 命过程均与手性有关。 对映体的不同生理性质是 由于它们的分子的立体结构在 生物体内引起不同的分子识别 造成的这个现象称为“手性识 别”。这种识别可比喻为手与 手套的关系，右手能套进右手 套，而左手就套不进右手套。
生物分子手性同一性
在生命的产生、演变、进化这样漫长 的过程中，自然界造就了许多分子， 手性分子占去了很大的比例。构成蛋 白质的氨基酸都是 L 型氨基酸，多糖 和核酸的单糖是 D 型糖。人们甚至发 现，1969年坠落在澳大利亚默奇森的 陨石中的氨基酸也主要是L 型的。
DNA
手性的起源：萨拉姆规则
有人将上述现象归之于对称性自发破缺，并比喻为萨 拉姆 (Abdus Salam, 1979年诺贝尔物理奖获得者) 设宴请 客。吃饭前，服务员将餐具布置于圆桌，各碟子间和相邻 碟子间的筷子都严格等距离。入席时客人坐在碟子后，距 两边筷子等距。假定所有客人无偏爱某只手拿筷子的习惯， 因此未开桌前该圆桌体系是左右对称的。突然某人先拿起 左(或右)边筷子，结果左右对称性打破了。这一过程迅速 影响全桌，最后人人都拿左(或右)边筷子，结果左右对称 性打破了。 自发对称性破缺具有随机性，无法解释地球上各个蛋 白质和核酸都具有同一手性的事实。看来必须存在一种不 对称驱动力，才有可能解决这一难题。
化学所公众开放日
化学改善生存环境
手性与手性药物
范青华
中国科学院化学研究所 分子识别与选择性合成室 2005年9月17日
手性是自然界的基本属性
宇宙是非对称的，如果把构成太阳系的全部物体 置于一面跟随着它们的镜子面前，镜子中的影像 不能和实体重合。……生命由非对称作用所主宰。 我能预见，所有生物物种在其结构上、在其外部 形态上，究其本源都是宇宙非对称性的产物。
《Science》125个最具挑战性的科学问题：为什么生命需要手性？
《Science》125个最具挑战性的科学问题：为什么生命需要手性？何为“手性”？双手是我们身体上再熟悉不过的部分，但是你足够了解吗？伸出我们的双手，仔细观察，你发现了什么？可能很多人会回答：双手一模一样。
是的，一样，但是又不一样。
左手和右手互为镜像，也就是左手照镜子的话，出现的影像跟右手完全一样，反之亦然，但是我们永远无法将双手重合，也就是说双手并不对称。
这，就是手性，chirality。
互为镜像，却无法重合的双手手性是自然界的本质属性，大到宇宙星云，小到路边植物，都能发现手性物质的踪迹。
根据不同的命名规则（命名规则较为复杂，本文不做详解）可以分为L构型和D构型或者R构型和S构型，用来区别左手性（左旋）或者右手性（右旋），而这两种构型不同的物质互为对映异构体。
当把相同量的对映异构体混在一起，就成了外消旋体。
自然界中的手性现象“手性”从何而来？一直以来都有科学家在研究手性的起源，并且提出了诸多假设，主流说法有两种：生命学说和非生命学说。
--- 假设：生命学说和非生命学说生命学说认为手性源于生命，不对称分子必须且完全是通过生物体内有立体选择性的酶促反应产生的，没有生命体，手性物质也就无从谈起。
而非生命学说则认为手性分子产生于生命起源之前，由于“手性性质的力”作用于消旋或具有潜在手性的有机底物时，通过绝对的不对称合成或降解过程产生手性分子。
--- 实验的角度直到1953年英国化学家F. C. Frank提出了不对称自催化的概念，科学家们才真正开始从实验的角度去探索手性的起源。
该理论认为：生成的手性产物也是该反应的手性催化剂，使得这一对映体进行自我增殖。
1995年，日本化学家Kenso Soai 在《Nature》杂志上报道了一个令人震惊的反应：在嘧啶-3-醛与异丙基锌反应生成产物醇的过程中，如果加入少量低手性值的产物，生成的产物的两种对映异构体将出现明显的不对称过量，甚至远高于加入的产物的手性值。
这也就是后来著名的Soai 反应。
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• 手性与材料和信息科学：手性液晶显示、手性传感、手性 分离等；
• 手性技术与国民经济：巨大的手性药物和手性化学品市场， 年>亿美元，预计>亿美元。国内手性化学品、手性药物及 原料药销售额估计在亿，仅占医药工业销售额亿的左右。
• 手性技术壁垒：手性药物安全规则与加入后手性技术的知 识产权问题。
手性与手性药物化合物的活性关系
在许多情况下，化合物的一对对映体在生物体内的药理 活性、代谢过程、代谢速率及毒性等存在显著的差异。这就 可能存在四种不同的情况：
1. 一对对映体中的两个化合物都有等同的或近乎等同的 定性和定量的药理活性；
2. 只有一种对映体具有所要求的药理活性，而另一种对 映体则没有显著的药理作用；
手套与左右手的相互关系
H2N
H
H
NH2
PhH 2C
COOH
(S)-Phenylalanine Bitter taste
“苦”
HOOC
CH2Ph
(R)-Phenylalanine Sweet taste
“甜”
手性药物
严格地来说，手性药物是指药物的分子 结构中存在手性因素而言。但通常，手 性药物是指由具有药理活性的手性化合 物组成的药物，其中只含有效对映体或 者以含有效的对映体为主。
年月发生于大西 洋的阿尔贝托飓 风，其螺旋具有 手性特征。
在植物学中，手性也是一个 重要的形态特征。绝大部分 攀缘植物是沿着主干往右缠 绕的，但也有少部分是往左 缠绕的，如香忍冬。
左手性紫藤
右手性多花紫藤
长瓣兜兰：花两侧长瓣的螺旋是左右对称的， 右侧是左旋，左侧是右旋
年月日，英国《自然》周刊发表加拿 大科学家杰森（. ）和巴雷特（. ）研 究某植物花柱手性的论文，指出两个 等位基因中的一个控制花柱的左右， 其中向右是显性的。
在平面上，直线运动和旋转运动 相结合就产生螺旋线，而在空间 就产生螺旋面。螺旋线和螺旋面 不存在双侧对称，它们旋转的方 向不是往左就是向右。
在贝类中较普遍的方向 是往右旋转，但也有些 种类的贝壳，如大西洋 海边熠熠发光的海螺一 般是往左旋转。
有机手性分子
有机分子中的碳原子如果连有 四个不同的原子（或基团）， 由于具有不同的空间排列形式， 存在 一对立体异构体，称为镜 像异构体。就象左手和 右手一 样，看起来相似，但不能重叠， 称为有机分子的手性。
自发对称性破缺具有随机性，无法解释地球上各个蛋 白质和核酸都具有同一手性的事实。看来必须存在一种不 对称驱动力，才有可能解决这一难题。
手性与环境：手性技术与手性产品符合绿色化学原则
在农药使用上，手性农药的使用 可以达到减少剂量，提高药效的 作用；并且减少不良和无效对映 体的可能造成的环境污染。如除 草剂以消旋体的形式问世以来， 每年以万多吨的产量投放市场， 年后以手性的替代消旋体，使用 量减少了％，这相当于每年少向 环境中排放千多吨化学物质。
()乳酸 ()
()乳酸 ()
有机分子手征性的发现
年，法国化学家巴斯顿 （, ～）发现酒石酸两种不 同的存在形式：
左旋酒石酸 右旋酒石酸
图：巴斯顿把酒石酸晶体分 开成两个镜像异构体
手性()的重要性
• 手性与生命现象：氨基酸、糖、蛋白质、都是手性的；
• 手性与人类健康：“反应停”事件与手性药物指导原则， 药物中近具有手性，开发中的有以上是手性的；
生物分子手性同一性
在生命的产生、演变、进化这样漫长 的过程中，自然界造就了许多分子， 手性分子占去了很大的比例。构成蛋 白质的氨基酸都是 型氨基酸，多糖和 核酸的单糖是 型糖。人们甚至发现， 年坠落在澳大利亚默奇森的陨石中的 氨基酸也主要是 型的。
手性的起源：萨拉姆规则
有人将上述现象归之于对称性自发破缺，并比喻为萨 拉姆 ( , 年诺贝尔物理奖获得者) 设宴请客。吃饭前，服务 员将餐具布置于圆桌，各碟子间和相邻碟子间的筷子都严 格等距离。入席时客人坐在碟子后，距两边筷子等距。假 定所有客人无偏爱某只手拿筷子的习惯，因此未开桌前该 圆桌体系是左右对称的。突然某人先拿起左(或右)边筷子， 结果左右对称性打破了。这一过程迅速影响全桌，最后人 人都拿左(或右)边筷子，结果左右对称性打破了。
3. 各种对映体具有定量上不同的活性; 4. 两种对映体具有定量上等同，但定性上不同的活性。
O
OH
N OO
O NH
T h alid om id e
(R)-form, 镇 静 剂 (S)-form, 严 重 致 畸
化学所公众开放日化学改善生存环境
手性与手性药物
分子识别与选择性合成室
手性是自然界的基本属性
宇宙是非对称的，如果把构成太阳系的全部物体 置于一面跟随着它们的镜子面前，镜子中的影像 不能和实体重合。……生命由非对称作用所主宰。 我能预见，所有生物物种在其结构上、在其外部 形态上，究其本源都是宇宙非对称性的产物。
法国化学家巴斯顿
手性
手性是三维物体的基本 属性。如果一个物体不 能与其镜像重合，该物 体就称为手性物体。
手性()这个词来源于希 腊字“手”()。
手是手性的 — 右手与左 手成镜像。
从天文学到地球科学，从化 学到生物学，几乎处处都有 手性显身影。
太阳系的所有天 体（包括小行星） 都是按照右旋方 向旋转的，称为 右手定则。
Me O O Cl
N
(S )-M e to la c h lo r
手性与人类健康: “反应停”悲剧
O
N OO
O NH
()
O
O N H
()
N OO
反应停: 五十年恩怨
沙利度胺的异构体可导致严重的致畸性
图：沙利度胺的另一个对映体可 导致 严重的致畸性。
年～年，造成数万名婴儿严 重畸形。
进一步研究表明，其致畸作用 是由沙利度胺其中的一个异构 体（异构体）引起的，而构型 即使大剂量使用，也不会引起 致畸作用。
手性识别
虽然产生这种手性的确切 机理、起源和过程仍是科学上 的未解之谜，但有一点是明确 的：这些分子的作用以至于生 命过程均与手性有关。
对映体的不同生理性质是 由于它们的分子的立体结构在 生物体内引起不同的分子识别 造成的这个现象称为“手性识 别”。这种识别可比喻为手与 手套的关系，右手能套进右手 套，而左手就套不进右手套。