更新时间：2024-07-29 10:52
手性分子是指与其镜像不相同不能互相重合的具有一定构型或构象的分子。手性一词来源于希腊语“手”（Cheiro），由Cahn等提出用“手性”表达旋光性分子和其镜影不能相叠的立体形象的关系。手性等于左右手的关系，彼此不能互相重合。所有的手性分子都具有光学活性，同时所有具有光学活性的化合物的分子，都是手性分子。手性分子包括不具有任何对称因素的不对称分子和具有简单对称轴而不具有其他对称因素的非对称分子。
在偏振光发现之后，人们很快认识到某些物质能使偏振光的偏振面发生偏转，产生旋光现象。1848年法国巴黎师范大学年轻的化学家Pasteur细心研究了酒石酸钠铵的晶体及水溶液的旋光现象，从而得出物质的旋光性与分子内部结构有关，提出了对映异构体的概念。人们在研究对映异构体时，由左旋和右旋两种对映异构体的分子中，原子在空间的排列是不重合的实物和镜象关系，这与左手和右手互为不能重合的实物和镜象关系类似，从而引入了手性及手性分子的概念。所谓手性，是指物体和它的镜象不能重合的特征。所谓手性分子，顾名思义为具有手性的分子。即构型与其镜象不能重合的分子。手性分子都存在对映异构现象，一对对映异构体在性质上的表现为：在手性条件下具有手性。例如，在偏振光这一手性条件下，一对对映异构体的物理常数比旋光度大小相等而方向相反。又例如，某一化学反应，如果在手性试剂、手性催化剂、手性溶剂等手性条件下进行，则可能生成或主要生成单一的对映异构体。更重要的是，一对对映异构体在生理活性上往往是各自不同的。
手性是宇宙间的普遍特征，体现在生命的产生和演变过程中。例如，自然界存在的糖以及核酸、淀粉、纤维素中的糖单元，都为D-构型；地球上的一切生物大分子的基元材料α-氨基酸，绝大多数为L-构型；蛋白质和DNA的螺旋构象是右旋的；而且人们还发现，海螺的螺纹和缠绕植物也都是右旋的。面对这充满手性的自然界，人们不断发现，生物体内存在着手性环境。作用于生物体内的药物及农药，其药效作用多与它们和体内靶分子间的手性匹配和手性相关。因此，手性药物和手性农药的研究就尤为重要。在用于治疗的药物中，有许多是手性药物。而手性药物的不同对映异构体，在生理过程中会显示出不同的药效。尤其是当手性药物的一种对映异构体对治疗有效，而另一种对映异构体表现为有害性质时，情况更为严重。
20世纪60年代的“反应停悲剧”就是一个突出的例子。之后的研究发现，消旋体“反应停”中，只有它的(R)-异构体有镇静作用，而它的(S)-异构体则是具有致畸作用的。惨痛的教训使人们认识到，手性药物必须对它的两个异构体进行分别考察，慎重对待。一些药物的另一对映异构体，表现有不良作用的例子还很多。
手性农药的重要性和药物情况类似，也往往是一种农药的另一对映异构体对农作物有着有用的或有害的作用。例如，芳香基丙酸类除草剂，只有(R)-异构体是有效的。又如杀虫剂asana，是含两个不同手性中心的手性分子，存在四个构型异构体，但真正有强力杀虫作用的只有一种异构体，其余三种不但没有杀虫作用，而且对植物有毒。杀菌剂paclobutrazol，也是含有两个不同手性中心的手性分子，有四个构型异构体，组成两对对映异构体。但其中一对的作用相反，(R,R)-异构体具有高杀菌、低生长控制作用；而(S,S)-异构体则为低杀菌、高生长控制作用。另外，除虫菊酯中不同异构体生物活性差异的例子更多。
手性识别与分离的技术发展迅速，其中色谱法、传感器法和光谱法等具有适用性好、应用范围广、灵敏度高、检测速度快等优点，在分离识别和纯化手性化合物中受到研究者的极大关注。
色谱法
色谱法可满足各种条件下对映体拆分和测定的要求，能够快速对手性样品进行定性、定量分析和制备拆分。目前，高效液相色谱、气相色谱、超临界流体色谱、模拟移动床色谱和毛细管电泳等在手性研究中得到了广泛应用。其 中，高效液相色谱法（HPLC）进行手性药物对映体的光学拆分已成为药学研究中的一大热点，开发一些新型、具有不对称中心的手性固定相成为发展手性色谱技术的前沿领域之一。在手性固定相材料中，手性选择剂和手性分子间形成非对映异构体络合物，但由于不同对映体分子间存在空间结构的差异，直接影响两者的结合和络合物的稳定性。根据这些差异有望实现对手性底物的拆分。以环糊精衍生物、多糖衍生物和蛋白质等为手性选择剂的手性固定相材料备受研究者的关注，它们对许多手性药物对映体表现出良好的分离性能，已有许多填充手性固定相的色谱柱实现商品化，广泛应用在制药工业、化学品和食品等行业中。
手性传感器识别法
手性传感器识别法具有简单快捷、高效灵敏和选择性高的特点。电化学传感器主要通过主体选择性键合客体分子引起传感器的电信号变化而实现手性识别；荧光传感器基于对映体分子和手性选择剂形成缔合物的荧光差异来实现识别。在压电传感器中，手性选择膜镀在石英晶体上，当手性分子与手性膜发生作用时，会引起石英晶体的质量和振动频率改变，故称为石英晶体微天平，QCM技术始于20世纪60年代初期，因具有灵敏度高、检测限低（达到纳克级）、快速、容易实现在线分析检测的特点，在手性化合物的识别和检测方面得到很好的应用。
光谱法
采用紫外光谱、荧光光谱、红外光谱和圆二色光谱等考察手性选择剂和手性底物的混合溶液在光谱上的细微变化，辅助以化学计量学分析或其他光谱联用也可用于手性识别研究。
手性分子R/S构型的命名方法，由Cahn-In-gold-Prelong提出，故简称CIP法。因该法较D/L法具有显著的优点，故一经刊出，便很快得到广泛采用，并于1970年由IUPAC正式推荐使用。
用CIP法命名手性分子的R/S构型时，一般分两步进行，首先定出手性元素（手性中心，手性轴和手性面等）上所连四个基团的大小顺序，然后通过分子模型（或想象）所建立起来的三度空间的分子形象，根据CIP法的规则判定为R或S构型。
虽说用模型组建起分子后加以命名是件容易的事，但模型不可能常在手边。若运用想像，又很容易出错，特别是对结构较复杂的化合物更是如此。近些年来，为了解决上述不便，寻找一种既简便快速又准确无误且不用分子模型的方法，对各种用二度空间的分子形象如费歇投影式、楔形式、扭曼投影式和透视式等加以R/S命名，种种方法相继问世。这些方法，虽说各有大小不同程度的方便之处，但大都存在着不够简便或局限性大的缺点，因而适用范围狭窄，而不能成为一种通用的方法。手模型法主要是把手掌当作手性元素（手性中心、手性轴或手性面等），把拇指、食指、中指指尖和手腕分别代表手性元素上所连四个不同的原子或基团，将三个手指头握成一定的形态，与手腕一起构成近乎正四面体模型，然后按CIP法命名。
用手作模型来标定R/S构型，首先由Thoman提出，后经Garrett、Beauchamp、李光熹和Maltern等加以改进。但Garrett规定把最小基团（forth priority group）记在手腕上、最大基团（first priority group）记在拇指上；Beauchamp规定把最小基团记在手腕上；Maltern把最大基团记在中指上，次大基团（second priority group）记在食指上、再次大基团（thirdpriority group）记在拇指上；李光熹则规定，最小基团在横向键时，用手腕和食指标记横向基团、最小基团在竖向键时，则以手腕和食指标记竖向基团。以上种种规定，仅对某些构型式标定R/S型有点方便，但总的说来，它使得几乎和真模型一样好用的手模型变得僵化，使用起来有很大的局限性，只能用于部分手性分子构型式的命名，尤其在某些化合物构型的命名时，还要经过改写结构式等手续，存在诸多不便。
手性技术是建立在科学基础之上的。因此，手性技术的发展首先应该是有关基础的发展。这些基础首先是有机立体化学理论的建立，其次是消旋体拆分方法的完善，第三是手性合成的创新，另外还有其他一些相关的研究。
消旋体的拆分，是手性技术的一个重要方面。在由非手性物质合成手性物质时，往往得到的是由一对等量对映异构体组成的消旋体。或者在由含一个手性碳化合物转变成为另一种含一个手性碳化合物时，由于反应过程中经过碳正离子、游离基等活性中间体步骤，结果都会发生完全或部分的消旋化。如果要得到其中一种具有生理活性的对映异构体，就必须通过消旋体的拆分。消旋体拆分的方法很多，经典的主要有:晶体的机械拆分法、诱导结晶拆分法、表面优先吸附法、生物化学法以及化学拆分法。这些方法的最大缺陷是有一半无用的对映异构体可能浪费掉，对环境保护及对经济效益都是不利的。如果能进一步完善，则是十分有意的。
手性技术的另一个重要方面就是手性合成。所谓手性合成，就是通过化学反应,由非手性化合物合成得到手性化合物。如果反应在合适的手性条件下进行，则可生成不等量甚至单一的对映异构体。
手性合成是手性技术中非常活跃的领域，特别是手性催化反应。Knowles、Sharpless和Noyori三位诺贝尔奖得主，经过十余年不断研究，发现了一系列手性催化氢化反应和手性催化氧化反应。他们用过渡金属催化的氢化和氧化反应，不但使手性合成进入了新的发展阶段，而且已被应用于工业化的生产。
用过渡金属催化的手性氢化，是Knowles最早成功和最广泛研究的手性合成反应，它的成功带动了多种学科的发展。至今已有1000余个手性膦配体合成得到，而且人们对于手性氢化的机理、产生手性诱导的因素以及过渡金属的作用等诸方面都进行了深入的研究。用过渡金属催化的手性氧化，是Sharpless历经十年努力才实现的催化性反应，成为了目前广泛应用的手性合成反应之一。
作为生命的基本结构单元，氨基酸也有手性之分。也就是说，生命最基本的东西也有左右之分。
组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸
我们已经发现的氨基酸有20多个种类，除了最简单的甘氨酸以外，其它氨基酸都有另一种手性对映体。那么，是不是所有的氨基酸都是手性的呢？答案是肯定的，检验手性的最好方法就是，让一束偏振光通过它，使偏振光发生左旋的是左旋氨基酸，反之则是右旋氨基酸。通过这种方法的检验，人们发现了一个令人震惊的事实，那就是除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量的右旋氨基酸之外，组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。
人是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害。
在手性药物未被人们认识以前，欧洲一些医生曾给孕妇服用没有经过拆分的消旋体药物作为镇痛药或止咳药，很多孕妇服用后，生出了无头或缺腿的先天畸形儿，有的胎儿没有胳膊，手长在肩膀上，模样非常恐怖。仅仅4年时间，世界范围内诞生了1.2万多名畸形的“海豹婴儿”。这就是被称为“反应停”的惨剧。后来经过研究发现，反应停的R体有镇静作用，但是S-对映体对胚胎有很强的致畸作用。
正是有了60年代的这个教训，所以现在的药物在研制成功后，都要经过严格的生物活性和毒性试验，以避免其中所含的另一种手性分子对人体的危害。
在化学合成中，这两种分子出现的比例是相等的，所以对于医药公司来说，他们每生产一公斤药物，还要费尽周折，把另一半分离出来。如果无法为它们找到使用价值的话，它们就只能是废物。在环境保护法规日益严厉的时代，这些废品也不能被随意处置，考虑到可能对公众健康产生的危害，这些工业垃圾的处理也是一笔不小的开支。
因此，医药公司急切地寻找一种方法来解决这个问题，比如，他想要左旋分子，那么他就得想办法把另一半右旋分子转化成左旋分子。这个令人头痛的问题已经得到了解决。科学家用一种叫做“不对称催化合成”的方法解决了这一问题。这个方法可以广泛地应用于制药、香精和甜味剂等化学行业，给工业生产一下子带来了巨大的好处，这项研究也获得了2001年度的诺贝尔化学奖。毫无疑问，这个成果具有重要意义。
21世纪第一顶诺贝尔化学奖的王冠，为美国科学家W. S.诺尔斯（Willian S. Knowles）、K.B.夏普雷斯（K.BarrySharpless）和日本名古屋大学教授野依良治（Ryoji Noyori）摘取。这三位2001年诺贝尔化学奖得主，在手性催化氢化反应和手性催化氧化反应方面进行了长期的探索，作出了卓越的贡献。历时100多年，人们对手性分子的认识在不断地深入和完善，尤其是对于手性分子在自然界存在之普遍和对人类生活健康的重要作用，认识愈来愈深刻。特别从1980年以来的20余年间，随着生命科学研究和材料科学研究的有力推动，建立在手性分子研究基础上的手性技术蓬勃兴起，迅猛发展，成为了当代化学的热点和前沿。