宇宙是非對稱的，如果把構成太陽系的全部物體置于一面跟隨著它們的鏡子面前，鏡子中的影像不能和實體重合。.….生命由非對稱作用所主幸。
我能預見，所有生物物種在其結構上、在其外部形態上，究其本源都是宇宙非對稱性的産物。
——法國化學家 巴斯頓
手性是自然界的基本特性，從天文學到地球科學，從化學到生物學，幾乎處處都有手性的身影。本文將從化學的角度出發，談一談手性在化學上的發展曆程，手性化學又是如何走上進階之路的。
何爲“手性”？
“手性”一詞來源于希臘文，最早是由大名鼎鼎的開爾文勳爵引入科學領域的，用以描述不能同自身鏡像完全重合的空間結構。如果某物體與其鏡像不同，則其被稱爲“手性的”，其鏡像不能與原物體重合，就如同左手和右手互爲鏡像而無法疊合，手性物體與其鏡像被稱爲對映體。
圖1. 手性化合物
“反應停”悲劇
反應停的學名叫沙利度胺，是一種具有中樞抑制作用的藥物。60多年前，沙利度胺作爲抗妊娠嘔吐反應藥物在歐洲和日本廣泛使用，曾作爲一種“沒有任何副作用的抗妊娠反應藥物”，成爲“孕婦的理想選擇”。然而幾年之後，有醫生發現歐洲新生兒畸形比率異常升高，這一現象引起大多數人重視。通過流行病學調查，發現新生兒畸形的發生率與沙利度胺有一定的相關性，進一步的毒理學研究顯示，沙利度胺對靈長類動物有很強的致畸性。于是，“孕婦的理想選擇”成爲了畸形幼兒母親們噩夢般的回憶。
後來的研究發現，沙利度胺有兩種對映異構體，其中的R構型是安全的，而S構型有致畸型作用。此前沒有人會意識到，同一種分子的不同構型會對人體産生不同影響。于是，“手性”成爲了藥物化學分子在給人使用前必須面對的問題。
圖2. A爲沙利度胺的對映體，B爲沙利度胺在英國銷售的商品包裝
立體異構
立體異構和手性的概念在現代有機化學中起著重要的作用，這些概念有助于人們理解衆多有機分子結構和化學反應機理。與同分異構體（相同分子式而有不同的原子排列的化合物）和同位素（質子數相同而中子數不同的化合物）相反，立體異構現象通常有相同的原子連接順序、相同的結構、相同原子數量和元素類型。
化合物原子的空間排列，關系到有機化合物周圍的空間不同的原子和分子的位置。如果原子在任何三維方向上移動一個角度，有機分子的空間排列就會彼此不同。這爲不同分子開辟了非常廣泛的可能性，每個分子在三維空間中都有其獨特的原子位置。
要判斷立體異構體是否爲手性化合物，也就是對映體，一個簡單的方法就是旋轉180°后能否重叠。如下圖中，a分子爲溴氯氟甲烷，將其鏡中結構旋轉180°后，与其自身不能重叠，所以a分子是手性化合物。b分子爲二氯氟甲烷，將其鏡中結構旋轉180°后，与其自身完全相同，可以重叠，所以b分子不是手性化合物。
圖3. 手性和非手性分子比較
手性中心
一個分子中，連有4個不同原子或基團（包括未成鍵的電子對）的四面體原子即爲手性中心，又稱不對稱中心，常以*號標出。同一個手性化合物經常會有多個手性中心，例如下圖中的赤藓醇B。赤藓醇B是一種“大環”抗生素紅黴素的前體，具有10個立體中心。對映異構體是所有10個立體中心都被反轉的分子，它一共擁有1024個（2^10）立體異構體，其中1022個是非對映異構體，2個是對映異構體。
圖4. 赤藓醇B
手性催化合成
2001年度諾貝爾化學獎授予了美國化學家諾爾斯（W.S.knowles）和夏普萊斯（K.B.Sharpless）、以及日本化學家野依良治（R.Noyori），以表彰他們對“手性催化反應”的發展做出的傑出貢獻。他們開辟了一個全新的領域，通過手性催化得到手性産物。手性催化最近30年發展十分迅速，在工業上的成功應用案例也十分成熟，尤其是在醫藥工業等領域，極大的促進了社會發展進步。例如：
- 20世紀70年代中期 , 美國孟山都公司成功運用Knowles的不對稱催化氫化技術，工業合成了治療神經系統帕金森病的藥物——左旋多巴（L-Dopa）。
- 20世紀90年代，日本住友公司運用不對稱催化環丙烷化反應開發了一種重要的新型農藥——二肽抑制劑（Ciclastatin）。
- 20世紀90年代，Boots等公司運用不對稱催化羰基化反應，通過利用手性催化劑[Pd(TPTS)3]開發出一種消炎鎮痛解熱新藥布洛芬。布洛芬現爲發熱鎮痛常用藥物。
圖5. 2001年諾貝爾化學獎得主
前沿研究
不對稱催化現今仍是有機化學研究的前沿領域之一，國內現今很多大學的導師都是這個研究方向。通過谷歌學術搜索中英文關鍵詞“手性”和“不對稱催化”發現，關于手性的中英文文獻超過298萬篇，關于不對稱催化的中英文文獻超過260萬篇。這些還不包括“對映選擇性合成”等關鍵詞的搜索。因此，關于手性化學的研究仍然是熱門的研究方向。近年來，更出現了以手性金屬有機絡合物爲催化劑和以微生物及酶爲催化劑的不對稱催化技術，相信未來一定會有更新的研究成果，造福人類社會。
圖6. 關鍵詞“手性”學術檢索
圖7. 關鍵詞“不對稱催化”學術檢索
寫在最後
在推動人類文明和社會進步方面，化學在曆史上功不可沒，在今後仍將起作不可替代的作用。1998年，美國化學會組織了由著名化學家組成的專家組，探討了未來25年化學新進展，發表了題爲“化學的黃金時代”的文章，該文指出“未來的25年將成爲化學的黃金時代，在這個時代，化學家揭示出更多的生物學秘密，創造出更爲奇妙的材料，並通過與環境友好的食物生産與能源開發，來滿足人類生活的需要和正常的經濟運轉。”
手性化學上一次發展的小高峰正是在這個“化學黃金時代”內，相信隨著科學的進步，未來還會出現一個大高峰。
資料參考：
- Vargesson N. Thalidomide-induced teratogenesis: history and mechanisms. Birth Defects Res C Embryo Today. 2015;105(2):140–156. doi:10.1002/bdrc.21096.
- 李紅利. Chiral Catalysis and the 2001 Nobel Prize in Chemistry. 手性催化反應與2001年諾貝爾獎[J]. 河南師範大學學報(自然科學版), 2002, 030(002):60-63.
- LibreTexts: 手性和對映異構體.
- 維基百科：手性、對映體、不對稱催化.