現(xiàn)代文明離不開化學、化學工程及化工產品，它們提供著各種各樣的高性能材料，支撐著高科技產品的發(fā)展，在解決能源、環(huán)境、材料和信息等領域的卡脖子問題等方面發(fā)揮著重要作用。中國工程院院士、清華大學化學工程系教授金涌表示，現(xiàn)代社會的經濟發(fā)展和全人類的衣、食、住、行都離不開化學和化工產品，化學與化學工程是高新科技的發(fā)端和支撐，其所支撐的泛化學工業(yè)在食品、制藥、醫(yī)用材料等人類健康支撐產業(yè)方面發(fā)揮著重大作用，是國民經濟的脊梁。

科協(xié)頻道推出“化學化工鑄造未來”專欄，介紹近年來化學化工領域的研究工作和科技成果，展示化學化工的科技魅力。

20 世紀 60 年代，一種名為“反應?！钡乃幬镌破鹨粓鲕幦淮蟛ā? 反應停(Thalidomide，沙利度胺)，1953 年由瑞士CIBA 公司首次合成用于治療癲癇病，另一家德國格蘭泰公司發(fā)現(xiàn)“反應?！本哂墟?zhèn)靜作用，可減輕孕婦的惡心、嘔吐癥狀，并且“不良反應少”。于是該藥物在20世紀50年代作為孕婦用藥在歐洲風靡一時。但 1960 年后，歐洲醫(yī)生發(fā)現(xiàn)畸形嬰兒的出生率明顯上升，人們懷疑這些畸形胎兒可能與孕婦服用“反應?！毕嚓P。后來的研究發(fā)現(xiàn)，“反應停”是一種手性藥物，里面暗藏著一對結構成鏡像對稱的“孿生兄弟”。這對“孿生兄弟”擁有完全相反的“兩副面孔”，右旋體“哥哥”具有很好的鎮(zhèn)靜作用，而左旋體“弟弟”卻具有強烈的致畸作用。孕婦吃下去的實際是左、右旋體的混合物，這才釀成了產下四肢短小如海豹的“海豹寶寶”的慘劇。到這一藥物下架時，它已導致15000名畸形胎兒出生，這是藥物發(fā)現(xiàn)史上的重大悲劇，也是藥物制備史上的重要轉折點。 “反應停事件”促使越來越多的科學家將目光投向了手性分子這類神秘的物質。如何才能避免“海豹寶寶”的慘劇再次上演? 手性分子究竟有哪些不為人知的秘密?發(fā)現(xiàn)手性這一現(xiàn)象并非始于“反應?！倍瞧鹪从趯ζ窆獾恼J識。1808年，法國科學家馬呂斯在觀察晶體時，發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，即光的振動方向垂直于光的傳播方向，而振動方向垂直于光傳播方向的某一固定方向的光稱之為偏振光。

1848 年，法國巴黎師范大學的年輕科學家巴斯德在研究葡萄酒釀造過程中產生的酒石酸的晶體時，發(fā)現(xiàn)在酒石酸鹽晶體中有的晶面向左，有的晶面向右。他用鑷子將兩種晶體分開，發(fā)現(xiàn)這兩種不同晶體的溶液，一個具有左旋光，另一個具有右旋光，而等量的混合物則無旋光。他發(fā)現(xiàn)物質的旋光性與分子內部結構有關，提出了對映異構體的概念。他認為這兩種酒石酸鹽晶體，就像手一樣對稱而不能相互重疊，從而引入了手性及手性分子的概念。

【資料圖】

人們在研究對映異構體時，發(fā)現(xiàn)由左旋和右旋兩種對映異構體的分子中，原子在空間的排列是不重合的實物和鏡像關系，與左手和右手互為不能重合的實物和鏡像關系類似，從而引入了手性及手性分子的概念。手性一詞來源于希臘語“手”(Cheiro)。

所謂手性，是指物體和它的鏡像不能重合的特征。所謂手性分子，顧名思義就是具有手性的分子，即構型與其鏡像不能重合的分子。兩個互為鏡像而不能重合的立體異構體，稱為對映異構體，簡稱對映體。對映體是具有相同分子式的化合物，由于原子在空間配置不同，從而產生同分異構現(xiàn)象。異構體都有旋光性，其中一個是左旋的，一個是右旋的，所以對映異構體又稱為旋光異構體。

在自然界中，手性是普遍存在的一種現(xiàn)象。大到星云，小到常見的螺螄殼和貝殼從雙子葉植物的兩片子葉，到纏繞的植物都是具有手性的。科學家還發(fā)現(xiàn)手性現(xiàn)象中絕大多數(shù)是右手螺旋，右手螺旋、左手螺旋的比例是20000∶1。

手性與生命的關系非常密切，手性體現(xiàn)在生命的產生和演變過程中，它是生命的本質屬性。糖類是組成生命體的基本物質之一，也是手性化合物，自然界存在的糖、淀粉和纖維素中的糖單元都為右旋的(D-構型)。地球上的一切生物大分子的基元材料a-氨基酸，絕大多數(shù)為左旋的(L-構型)，而由氨基酸組成的蛋白質是右旋的。核苷酸是右旋的，DNA分子的雙螺旋結構多數(shù)情況下也是右手的手性構型。與機體功能密切關聯(lián)的甾體激素、生物堿、信息素等有機小分子絕大多數(shù)也都是手性化合物。正因為構成生命蛋白質的氨基酸是手性的，作為藥物受體的蛋白質也是手性的，可想而知與之發(fā)生作用的藥物分子也應具有與之相互對應的手性結構作用于生物體內的藥物，其藥效多與它們和體內靶分子間的手性相關。在用于治療的藥物中，有許多是手性藥物。而手性藥物的不同對映異構體，在生理過程中會顯示出不同的藥效。尤其是當手性藥物的一種對映異構體對治療有效，而另一種對映異構體表現(xiàn)為有害性質時，情況更為嚴重。

手性化合物最早是從天然有機體中提取和發(fā)現(xiàn)的，從天然資源中提取仍然是手性化合物的重要來源，例如糖、氨基酸、萜類、甾體、生物堿等。許多手性純的藥用有效成分是直接從植物中提取的。例如，2015年獲得諾貝爾醫(yī)學或生理學獎的中國科學家屠呦呦教授，她發(fā)現(xiàn)的能治療瘧疾的青蒿素就是手性分子，是從青蒿植物中提取的。

歷經百年，科學家不斷地對手性分子進行探索與研究，并在實踐中愈發(fā)深刻地認識到手性分子在人類生存和發(fā)展過程中的重要作用。尤其是自1980年以來，在生命科學和材料科學領域不斷發(fā)展進步的有力推動下，手性物質的基礎研究和手性技術的開發(fā)與應用，逐漸成為當代化學研究的熱點和前沿。

關于手性分子和手性技術仍有諸多不解之謎。各種化學計量的拆分及手性源合成仍然是手性化合物制造的主流手段，而看似高效的手性催化技術在具體實施時仍然困難重重。現(xiàn)有的研究手段多是采用篩選和碰運氣，并未真正從理論上做到可預測。許多問題亟待人類去探究和解決。比如，能否在掌握療效和毒副作用的基礎上，對已知立體結構的手性藥物進行開發(fā)，從而獲得另一種新藥?如何能夠大幅提高手性物質的利用效率，從而避免浪費和污染?為何在天然狀態(tài)下蛋白質幾乎都是由左旋氨基酸構成，而糖類大多都是右旋的?生命為什么會青睞這種手性?手性現(xiàn)象是生物進化過程中的偶然性，還是另有不為人知的科學必然性?

點擊視頻，了解手性視頻來源：《探索化學化工未來世界：值得為之付出一生.2》

整理自《探索化學化工未來世界：值得為之付出一生.2》，金涌主編，北京：清華大學出版社，2022年4月。

編輯排版| 弢弢

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