新鲜!化学也分左右手?

作者:肖溪树来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-09-17

随处可见的手性,它的水很深哦……

近日,被誉为中国“诺奖”的未来科学大奖尘埃落定,物质科学奖花落三位化学大家。在化学大师的研究方向上,数次出现“手性”的字眼,这倒让我们感到既熟悉又陌生。

未来科学大奖

未来科学大奖官网截图


熟悉的是,我们都有灵巧的双手,是它赋予了我们非凡的创造能力。然而。让我们感到陌生的是,在化学科学的前沿怎么也会有“手性”呢?

难道,化学也分左右手?

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手性分子(图片:百度百科)


手性是咋回事?

不知你注意没有,我们的左手和右手看上去差别不大,但是它们怎么都不会重合在一起。

在化学领域,人们把在化学结构上镜像对映而又不能完全重合的分子叫作手性分子。把这种互为实物和镜像关系的两个手性分子叫作对映异构体,简称对映体。

氨基酸作为一种手性分子,存在左旋和右旋的区别。但地球生物体内的氨基酸几乎都是左旋的,只有极少数生物体内存在右旋氨基酸。揭示氨基酸左旋之谜,有助于揭示地球生命的起源。

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丙氨酸对映体(图片:百度百科)

其实,在生物体内还存在许多的手性分子。例如,我们都十分熟悉的乳酸就属于手性分子。其右旋体和左旋体就是一对对映体,肌肉运动产生的乳酸为右旋体,而糖类发酵产生的乳酸为左旋体。

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乳酸对映体(图片:百度百科)

互为对映体的两种手性分子就像我们的左手和右手一样,不管它们怎样旋转都不会重合。凡是手性分子都具有旋光性,并且互为 对映体的旋光能力是一样的,只不过二者的旋光方向相反罢了。

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(网络图)

因此,看一个分子是不是手性分子,以及是左旋还是右旋,可以用一个“道具”来检验。这个“道具”就是旋光仪,能使平面偏振光旋转的为手性物质,否则就为非手性物质。

对于手性分子,按顺时针方向旋转的为右旋体,记作(+)或者D;按逆时针方向旋转的为左旋体,记作(-)或者L。


为何左右有别?

一种手性药物的药理作用往往与其立体构型密切相关,因此互为对映体的左旋体和右旋体通常存在很大的差异。

我们熟悉的维生素C就是一种手性分子,只有L-抗坏血酸效价最高,而D-抗坏血酸没有活性。我们通常所说的维生素C系指L-抗坏血酸。

长期以来,人们使用的手性化合物主要是从自然界中获取的。氯霉素是第一个用合成方法大规模生产的抗生素。天然来源的氯霉素为左旋体,是由氯链丝菌产生的一种具有抑制细菌生长作用的广谱抗菌素。

氯霉素

氯霉素对映体(图片:百度百科)

而合成品被称为合霉素,即是氯霉素左旋体与右旋体的混合物。由于左旋体具有抗菌活性,而右旋体则没有抗菌活性,所以合霉素的疗效只有天然品的一半。

D-型与L-型氨基酸对人来说具有不同的味觉,如D-缬氨酸呈甜味,而L-缬氨酸呈苦味。

天冬酰胺

天冬酰胺对映体(图片:百度百科)

居家必备的味精,是一种以谷氨酸钠为主要成分的鲜味剂。你知道吗?我们使用的L-谷氨酸钠,具有非常鲜美的味道。而D-谷氨酸钠就没有那么幸运了,其味道不是苦就是索然无味。

为什么互为对映体的手性分子在生理活性上具有如此大的差别呢?这是因为生物体提供的手性环境,能够精准识别对映体的旋光性,有选择地进行某些反应。

一种药物必须与受体的立体结构相匹配时,才能表现出应有的生理活性。这样一来,含有手性因素的对映体就会在体内表现出不同的药理活性、代谢过程以及毒性。


“海豹儿”,谁之罪?

互为镜像的两个手性分子看上去没什么区别,两种分子的物理性质也是相同的,然而它们的生物活性却可能存在天壤之别。

每个人都或多或少接触过药,药物中的许多品种就属于手性药物。手性药物的两个镜像对映体在药力和毒性等方面往往存在很大的差别,这一点必须引起我们的高度重视。

在这方面,我们有过深刻的教训。1957年,联邦德国药厂生产的一种叫做沙利度胺的药物正式投放欧洲市场。研究发现,该药物具有一定的镇静催眠作用,并能显著抑制孕妇的妊娠反应,因此又被称为“反应停”。

一时间,反应停被冠以“没有任何副作用的抗妊娠反应药物”,因此成为了“孕妇的理想选择”。此后,反应停迅速风靡欧洲、北美、非洲、澳洲等地,相继在51个国家获准销售。

然而,好景不长。随即而来的婴儿“海豹肢畸形”报告,集中地剑指“反应停”。大量的流行病学调查和动物实验也证明,沙利度胺是引起“海豹肢畸形”患儿的罪魁祸首。

震惊世界的“反应停”事件,导致了一万两千多名畸形儿的诞生,因此成为了20世纪最大的药物导致先天畸形的灾难性事件。

格兰泰公司首席执行官为曾经的错误公开道歉,并制作了名为“生病的孩子”铜像。

格兰泰公司首席执行官为曾经的错误公开道歉,并制作了名为“生病的孩子”铜像(图片:百度百科)

“反应停”之所以造成了如此严重的悲剧,源于它是一种典型的手性药物。并且,上市的“反应停”是由互为对映体的两种异构体组成的,其右旋体确实具有很好的镇静作用,然而人们并不知道其左旋体却具有强烈的致畸作用。

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“反应停”对映体(图片:百度百科)

“反应停事件”的教训是惨痛的,它让人们懂得了手性对于生命和健康的重要意义。


有为者,请留下!

用化学方法合成的手性化合物,往往得到的是对映体的等量混合物。而互为对映体的两种手性分子在人体内的生物活性又存在显著的差异。

把其中不作为或乱作为的对映体剔除出去,无疑可以提高药物的有效性和安全性。而一对对映体往往具有相同的物理性质,分离对映体谈何容易!并且,即便能分离出来也会造成资源的浪费,从而增加药物的成本。

那么,能不能按照我们的预期有选择地合成我们所需要的手性化合物呢?也就是说,我们只要有作为的左旋体或者右旋体,来作为药品的主要成分。

2001年诺贝尔化学奖就授予了在这方面做出杰出贡献的三位科学家。他们的贡献就在于开发出来了一种特殊的手性催化剂,能够获得人们所期待的对映体之一。

L-多巴被认为是治疗帕金森氏症的有效药物,它是根据诺贝尔奖得主的研究成果生产出来的。此前的化学合成法产生的是 L-型和 D-型的混合物,往往由于对映体的代谢不同而导致副作用。

一位诺奖得主曾提出“完美合成化学”的概念,其含义就是以100%的选择性和100%的收率,只生成需要的产物而没有废物产生。

手性催化合成无疑就是实现“完美合成化学”的重要途径之一,目前已经成为了化学合成领域最为活跃的研究领域之一。

我国科学家在这方面的研究已经取得了重要成果,发展了一系列新型、高效和有应用前景的手性催化剂体系。

比如,利用手性催化剂成功合成了抗癌药物紫杉醇和多烯紫杉醇,这种方法比从珍稀植物红豆杉中提取以及化学全合成方法成本更低廉,产品纯度也更高。随之,我国在抗肿瘤新药吉西他滨、抗组胺药西替利嗪和苯磺酸左旋氨氯地平等专利的转化方面,取得了显著的经济和社会效益。

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紫杉醇和多烯紫杉醇的结构(图片:百度文库)

值得一提的是,手性化学不仅可以让老百姓吃上放心、便宜的药物,而且也可以让我们用上用绿色工艺生产出来的精细化工和新型材料产品。未来,相信它一定还会有更广阔的发展和应用前景。


参考文献

【1】陈芳 胡喆.《2018未来科学大奖在京揭晓》,新华社,2018-09-09。

【2】“10000个科学难题”化学编委会.《10000个科学难题•化学卷》,科学出版社,2009年版。

【3】崔志萍 李小博.《手性合成的发展进程》,化工管理,2013年第7期。

【4】罗一鸣 主编.《有机化学》,化学工业出版社,2013年版。

【5】王敏 宋志国 等.《绿色化学化工技术》,化学工业出版社,2012年版。

【6】周其林.《手性与手性合成》,讲座课件。

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