出品：科普中国
制作：中国科学院化学研究所鲁闻生
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左氧氟沙星滴眼液、左乙拉西坦片、左旋氨氯地平片、右兰索拉唑胶囊……，相信不少人见过这种药名上有“左右”的药物。我们知道许多东西要区分左右，如左右手、左右胳膊等等，难道药物也有左右之别？
其实药物命名上的左右是一个与“旋转”有关的话题，现实中，其“旋转”的方向还是很重要的，甚至重要到性命攸关的程度。
手性和对映体
将您的手心朝上伸开双手，然后慢慢地将双手靠拢，直至一只手在另一只手的上面。没错，你的双手现在就是图1的样子，左右手无法叠合在一起。
图1 左手和右手不能叠合
而当你将左手的手心贴到镜子上，你会发现左手在镜子里的像与右手是一样的（请忽略指纹等细节的不同），你的右手与左手在镜中的像可以完全重叠在一起。实际上，你的右手正是你的左手在镜中的像，反之亦然（图2）。
图2 左右手互为镜像
一个物体如果不能与其自身的镜像叠合，我们就称此物体具有手性。手性在自然界是广泛存在的，如螺旋的贝壳，人的左右手等等。手性一词在化学医药领域运用得更加普遍，在立体化学中，不能与镜像叠合的分子叫做手性分子，而能叠合的则叫做非手性分子。分子的手性通常是由不对称碳引起的，即一个碳上的4个基团互不相同。我们知道，碳元素是生命组成中不可或缺的元素，碳原子在形成有机分子的时候，可以通过4根共价键与4个原子或基团形成三维的空间结构，由于相连的原子或基团不同，它会形成两种分子结构。
分子中原子的连接次序和连接方式是分子的构造，而原子的空间排列方式则是分子的构型。构造一定的分子，可能有不止一种构型。凡是手性分子，必有互为镜像的构型。互为镜像的两种构型的异构体叫做对映体。因此，一对对映体的构造是相同的，只是立体结构不同，它们是立体异构体。
对于异构体的命名，常用的是D-L标记法和R-S标记法。R是拉丁文Rectus的缩写，“右”的意思；S是拉丁文Sinister的缩写，“左”的意思。
图3 乳酸对映体
旋光性：左旋与右旋物质的关键特质
一对对映体的熔点、沸点、相对密度、折光率、在一般溶剂中的溶解度等性质基本相同，但是它们分子结构上的差异，在性质上必然会有所反映，而偏振光则是这种差异的试金石。
光作为一种电磁波，其振动方向与光的前进方向垂直，而且在各个不同方向均有振动。让普通光通过一个尼克尔（Nicol）棱镜，则通过棱镜的光就只能在一个方向上振动，这种光就叫做偏振光。当偏振光通过某种介质时，如果介质能使其振动方向发生旋转，则这种物质被称为旋光性物质。而这种能旋转偏振光的振动方向的性质被称作旋光性。
图4 偏振光的形成和偏转
能够将偏振光的振动方向向右旋转的物质，叫做右旋物质，与之相对应的是左旋物质。凡是手性分子，都具有旋光性，而非手性分子则没有旋光性。对于旋光性，通常用“+”表示右旋；用“-”表示左旋。
旋光性的认识历程
旋光性的发现，实际上是很久以前的事情。1812年，法国物理学家让·巴蒂斯特·毕奥（Jean-Baptiste Biot）开始将自己的研究方向转向光学，特别是偏振光领域。1815年，他发现一些物质能使偏振光的振动平面发生旋转[1]。尽管他发现了这一现象，但对于引起这一现象的内在原因，却始终无法给出合理的解释。
让·巴蒂斯特·毕奥（图片来源于网络）
1848年，法国微生物学家、化学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）在研究酒石酸盐晶体时发现其包含有两种分子式相同的晶体，对偏振光不产生旋转。但将两种晶体单独分开后，则分别产生左旋和右旋。路易斯·巴斯德认为，酒石酸溶液不具有光学活性的原因是因为它同时具有左旋和右旋的光学特性，两者互相消弭[2]。
路易斯·巴斯德（图片来源于网络）
1875年，荷兰化学家雅各布斯·亨里克斯·范霍夫（Jacobus Henricus van 't Hoff，首位诺贝尔化学奖获得者）发表了《空间化学》一文[3]，首次提出了“不对称碳原子”概念，以及碳的正四面体构型假说，即一个碳原子连接4个不同的原子或基团，初步解决了物质的旋光性与结构的关系，这项研究结果立刻在化学界引起了巨大的反响。随后，这些研究成果在制糖工业、分析化学、制药领域中显示出了重要性。
雅各布斯·亨里克斯·范霍夫（图片来源于网络）
手性药物研发的惨痛教训
上世纪五十年代，联邦德国Chemie Grünenthal制药公司研究了一种名为沙利度胺（Thalidomide）的药物[4]，他们发现该药物具有一定的镇静作用，能够显著抑制孕妇的妊娠反应（止吐等反应）。该药随后被推向市场，并被大量使用。但仅仅几年，人们就发现，母亲在怀孕期间服用了沙利度胺后，出生的婴儿四肢畸形、心脏畸形、肾脏畸形或严重脑损伤的概率显著升高，这类婴儿因形似海豹而被称为“海豹胎儿”，显然是沙利度胺导致了胎儿异常。1961年，沙利度胺因为强烈致畸作用而被禁止给孕妇使用。进一步研究显示，沙利度胺的R构型分子具有一定的镇静疗效，而S构型分子具有强烈致畸作用。
图5 Thalidomide分子的两种手性异构体
沙利度胺事件使药物的手性受到制药界的广泛重视，手性药物的研发也逐渐成为医药行业的热门领域。分子层次上的“左旋”和“右旋”正在不断地影响着医药行业以及人们的健康。
[1] S. Bassiri, C. H. Papas, N. Engheta, Electromagnetic wave propagation through a dielectric-chiral interface and through a chiral slab, J. Opt. Soc. Am. A, 1988, 5 (9), 1450-1459.
[2] H. D. Flack, Louis Pasteur's discovery of molecular chirality and spontaneous resolution in 1848, together with a complete review of his crystallographic and chemical work, Acta Crystallographica, Section A, 2009, 65, 371–389.
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