醫(yī)用化學(xué):第三節(jié)　對映異構(gòu)

同分異構(gòu)現(xiàn)象在有機(jī)化合物中十分普遍，它包括構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)兩大類：

對映異構(gòu)是立體異構(gòu)中的一類，表現(xiàn)在各個(gè)對映異構(gòu)體對平面偏振光的作用不同。

一、平面偏振光和物質(zhì)的旋旋光性

（一)偏振光和偏振光的振動(dòng)面

光波是電磁波，是橫波。其特點(diǎn)之一是光的振動(dòng)方向垂直于其傳播方向。普通光源所產(chǎn)生的光線是由多種波長的光波組成，它們都在垂直于其傳播方向的各個(gè)不同的平面上振動(dòng)。圖17-1（左)表示普通的單色光束朝我們的眼睛直射過來時(shí)的橫截面。光波的振動(dòng)平面可以有無數(shù)，但都與其前進(jìn)方向相垂直。

圖17-1　平面偏振光的形成

圖17-2　兩個(gè)尼科耳棱晶平行放置（上)或重直放置（下)時(shí)的情況

當(dāng)一束單色光通過尼科目棱晶（由方解石晶體加工制成，圖17-1中)時(shí)，由于尼科耳棱晶只能使與其晶軸相平行的平面內(nèi)振動(dòng)的光線通過，因而通過尼科耳棱晶的光線，就只在一個(gè)平面上振動(dòng)。這種光線叫做平面偏振光，簡稱偏振光（圖17-1右)。偏振光的振動(dòng)方向與其傳播方向所構(gòu)成的平面，叫做偏振光的振動(dòng)面。

當(dāng)普通光線通過尼科耳棱晶成為偏振光后，再使偏振光通過另一個(gè)尼科耳棱晶時(shí)，則在第二個(gè)尼科耳棱晶后面可以觀察到：如果兩個(gè)尼科耳棱晶平行放置（晶體相互平行)時(shí)，光線的亮度最大（圖17-2上)；如兩個(gè)棱晶成其他角度時(shí)，則光線的亮度發(fā)生不同程度的減弱，接近90°時(shí)較暗，接近0°時(shí)較明亮。

（二)旋光性物質(zhì)和物質(zhì)的旋光性

自然界中有許多物質(zhì)對偏振光的振動(dòng)面不發(fā)生影響，例如水、乙醇、丙酮、甘油及氯化鈉等；還有另外一些物質(zhì)卻能使偏振光的振動(dòng)面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如某種乳酸及葡萄糖的溶液。能使偏振光的振動(dòng)面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的物質(zhì)具旋光性，叫做旋光性物質(zhì)；不能使偏振光的振動(dòng)面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的物質(zhì)叫做非旋光性物質(zhì)，它們沒有旋光性。

當(dāng)偏振光通過旋光性物質(zhì)的溶液時(shí)，可以觀察到有些物質(zhì)能使偏振光的振動(dòng)面向左旋轉(zhuǎn)（逆時(shí)針方向)一定的角度（圖17-3)，這種物質(zhì)叫做左旋體，具有左旋性，以“-”表示；另一些物質(zhì)則使偏振光的振動(dòng)面向右旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針方向)一定的角度，叫做右旋體，它們具有右旋性，以“+”表示。以前也曾用“l(fā)、d”表示左右旋。

圖17-3　左旋體使偏振光的振動(dòng)面向左旋轉(zhuǎn)

（三)旋光度和比旋光度

如將兩個(gè)尼科耳棱晶平行放置，并在兩個(gè)棱晶之間放一種溶液（圖17-4)，在第一個(gè)棱晶（起偏振器)前放置單色可見光源，并在第二個(gè)棱晶（檢偏振器)后進(jìn)行觀察�？梢园l(fā)現(xiàn)，如在管中放置水、乙醇或丙醇時(shí)，并不影響光的亮度。但如果把葡萄糖或某種乳酸的溶液放于管內(nèi)，則光的亮度就減弱以至變暗。這是由于水、乙醇等是非旋光性物質(zhì)，不影響偏振光的振動(dòng)面；而葡萄糖等是旋光性物質(zhì)，它們能使偏振光的振動(dòng)面向右或左偏轉(zhuǎn)一定的角度。要達(dá)到最大的亮度，必須把檢測振器向右或向左轉(zhuǎn)動(dòng)同一角度。旋光性物質(zhì)的溶液使偏振光的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度，叫做旋光度，以α表示。

圖17-4　旋光性測定示意圖

一種物質(zhì)的旋光性，主要決定于該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。但在測定物質(zhì)的旋光度時(shí)，還受到測定條件的明顯的影響。影響旋光度的因素包括溶液濃度、液層厚度（即盛液管的長度)、所用光線（單色光)的波長、溫度以及溶劑等。因此，同一種旋光性物質(zhì)在不同條件下測定α值時(shí)，所得的結(jié)果也不一樣。但如固定實(shí)驗(yàn)條件，則測得的物質(zhì)的旋光度即為常數(shù)，它能反映該旋光性物質(zhì)的本性，叫做比旋光度，以[α]表示。比旋光度與測得的旋光度（α)有以下的關(guān)系：

式中：λ——測定時(shí)所用單色光的波長，通常用鈉光的D線（λ=589nm)

c——溶液濃度（g·ml^-1)

l——盛液管的長度（dm)

當(dāng)c和l都等于1時(shí)，則[α]= α。因此，物質(zhì)的比旋光度就是濃度為1g·ml-1的溶液，放在1dm長的管中測得的旋光度。所用溶劑須寫在比旋光度值后面的括號中。因?yàn)榧词乖谄渌麠l件都相同時(shí)，改變?nèi)軇┮矔?huì)使[α]值發(fā)生變化。

比旋光度是旋光性物質(zhì)的一種物理常數(shù)。如像每種物質(zhì)都有一定的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、折射率、密度一樣，各種旋光性物質(zhì)都有其比旋光度。

二、化合物的旋旋光性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

（一)三種乳酸

自然界中有許多種旋旋光性物質(zhì)。例如，人體中肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生乳酸，

其[α]20D為+3.82°(水)；由左旋乳酸桿菌使乳酸發(fā)酵得另一種乳酸，[α]20D是-3.82°(水)。這兩種乳酸的構(gòu)造式都是，它們的性質(zhì)除旋

旋光性不同（旋光方向相反，比旋亮度的絕對值相同)外，其他物理、化學(xué)性質(zhì)都一樣（表17-1)。這兩種乳酸的分子結(jié)構(gòu)可用球棒模型表示（圖17-5)。

表17-1三種乳酸性質(zhì)的比較

圖17-5　(+)-乳酸及(-)-乳酸的球棒模型

從模型可以看出，左旋乳酸與右旋乳酸的分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系有如物體與其鏡象的關(guān)系，但二者不能重合，好比人的左手與右手、左腳與右腳一樣。（+)-乳酸與（-)-乳酸的構(gòu)造式相同而構(gòu)型不同，所以屬于立體異構(gòu)中的構(gòu)型異構(gòu)。這兩個(gè)構(gòu)型異構(gòu)體互呈物體與其鏡象關(guān)系，能對映而不能重合，故把它們叫做對映體。這種立體異構(gòu)屬于對映異構(gòu)。

一個(gè)物質(zhì)可能有兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)具有旋光性的異構(gòu)體。如果某物質(zhì)只有兩個(gè)具有旋光性的異構(gòu)體，它們一定是對映體。如果某物質(zhì)有不止兩個(gè)具有旋光性的異構(gòu)體，則各異構(gòu)體之間并不都是對映體的關(guān)系，這將在后討論。

除了上述的（+)-用（-)-乳酸外，人工合成法所得的乳酸沒有旋光性，即[α]20D=0。這種乳酸叫做外消旋乳酸，用（±)-乳酸表示（表17-1)。（±)乳酸是由等物質(zhì)的量的（+)-及（-)-乳酸組成的。

由此可見，乳酸有三種：（+)-、（-)-、及（±)-乳酸。

（二)、分子的手性和手性分子

如m.f1411.cn將一個(gè)物體放在平面鏡前使之成像“取”出，則物體與其鏡象是否相同，即能否重合呢？這自然只有兩種可能，即可以重合或不能重合。如果是人的一只手，則與其鏡象不能重合（圖17-6)。因?yàn)樽笫值溺R象是右手，它們相互是不可能重合的。物體與其鏡象不能重合的例子很多，例如螺絲釘（圖17-7)、人的耳朵等。

圖17-6　左：左、右手不能重合

右：左手的鏡象是右手

圖17-7　物體與其鏡象不能重合（α)右旋彈簧與左旋彈簧；（b)蝸牛殼；(c)左螺紋與右螺紋螺絲釘

上述情況在有機(jī)化合物中也存在。許多分子能與其鏡象重合，例如甲烷、乙醇、乙醚、丙酮等。但也有許多分子與其鏡象不能重合，例如（+)-乳酸及（-)-乳酸的分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系好比人的左手與右手的關(guān)系，因此把這種分子叫做手性分子，它們具有手性。凡是手性分子都有旋光性。如果一個(gè)分子與其鏡象等同，即能重合，則叫做非手性分子，非手性分子沒有旋光性。

一個(gè)物質(zhì)的分子是否具有手性是由它的分子結(jié)構(gòu)決定的。最常見的手性分子是含手性碳原子的分子。所謂手性碳原子是指連有四個(gè)不同的原子或原子團(tuán)的碳原子，這種碳原子常以星號“*”標(biāo)示。例如乳酸分子中有三個(gè)碳，但只有C-2才是手性碳原子，它連接的是-H，-OH，-CH3及-COOH這四個(gè)原子或原子團(tuán)。手性碳原子也叫做不對稱碳原子。

凡是含有手性碳原子的分子都有對映異構(gòu)體，但是含手性碳原子的分子不一定是手性分子（見本節(jié)四)。

三、含一個(gè)手性碳原子的分子

含一個(gè)手性碳原子的化合物有一對對映異構(gòu)體。

（一)外消旋體

兩個(gè)對映體的等物質(zhì)的量混合物的比旋亮度為零。這種混合物叫做外消旋體。與各對映體相比較，外消旋體無旋旋光性外，其理化性質(zhì)也不同，它的生理或藥理作用與各對映體往往有明顯的差異。

除了用特殊方法外，用通�；瘜W(xué)合成的具手性碳原子的化合物，基本上是外消旋體。要想從外消旋體得到旋光純的異構(gòu)體，要采用特定的方法把左旋體與右旋體分開，這個(gè)過程叫做拆分。

（二)對映異構(gòu)體的構(gòu)型

1．

為了方便起見，對映異構(gòu)體的構(gòu)型通常采用費(fèi)歇爾投影式來表示，即把手性碳原子所連的四個(gè)原子或原子團(tuán)按規(guī)定的方法投影到紙上。這種方法包括：（1)手性碳原子寫在紙平面上，或用一個(gè)“+”字形的交叉點(diǎn)代表這個(gè)手性碳，四端分別連四個(gè)不同的原子或原子團(tuán)；（2)以垂直與手性碳相連的是伸向紙平面手后方的兩個(gè)原子或原子團(tuán)，以水平線與手性碳原相連的是伸向紙平面前方的兩上原子或原子團(tuán)；（3)通常把碳鏈放在垂直線上，并把命名時(shí)編號最小的碳原子放在上端。費(fèi)歇爾投影式是以兩維式來表示含手性碳原子的分子的三維結(jié)構(gòu)。

2．相對構(gòu)型與絕對構(gòu)型

物質(zhì)分子中各原子或原子團(tuán)在空間的實(shí)際排布叫做這種分子的絕對構(gòu)型�，F(xiàn)在已能用X射線衍射等方法測定了許多化合物分子的絕對構(gòu)型，但在1951年以前還沒有解決這個(gè)問題。1906年，羅沙諾夫建議把（+)-及（-)-甘油醛作為其他旋光性異構(gòu)體物質(zhì)的構(gòu)型的比較標(biāo)準(zhǔn)，并人為地規(guī)定，在費(fèi)歇爾投影式中，手性碳上的OH排在橫線右邊的為右旋甘油醛（Ⅰ)，作為D型，手性碳上的OH排在橫線左邊的為左旋甘油醛（Ⅱ)，作為L型。D-及L-分別表示它們的構(gòu)型。應(yīng)注意，D及L僅表示其構(gòu)型，與其旋光性（+)、（-)無關(guān)。當(dāng)一個(gè)旋光性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，只要手性碳上的任何一個(gè)鍵都未斷裂，則這個(gè)手性碳的構(gòu)型就沒有改變。這樣，許多其他物質(zhì)分子的構(gòu)型都可以通過直接或間接的化學(xué)轉(zhuǎn)變，與D型或L型甘油醛相聯(lián)系，其條件是相當(dāng)于甘油分子的手性碳上的每一個(gè)鍵，在轉(zhuǎn)變過程中都不發(fā)生斷裂。如果該物質(zhì)與D型甘油醛相聯(lián)系時(shí)，其分子的構(gòu)型即為D型，如與L型甘油醛相關(guān)聯(lián)時(shí)，它的分子構(gòu)型則屬于L型。用這種方法確定的構(gòu)型是相對于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)——甘油醛而來的，所以叫做相對構(gòu)型。

羅沙諾夫所作的上述規(guī)定為確定其他一些物質(zhì)分子的構(gòu)型帶來方便，但這畢竟是人為規(guī)定的。直到1951年才有人證明D-（+)-甘油醛的真正構(gòu)型與羅沙諾夫的規(guī)定是一致的。這樣一來，無論是甘油醛還是與它們相關(guān)聯(lián)的各旋光性物質(zhì)的相對構(gòu)型也都是絕對構(gòu)型了�，F(xiàn)在已有許多旋光性物質(zhì)用不同的方法確定了絕對構(gòu)型。關(guān)于D型和L型的概念目前在一些化合物如糖類及α氨基酸中仍然應(yīng)用。

現(xiàn)在認(rèn)為，構(gòu)型與旋光性之間沒有必然的聯(lián)系。物質(zhì)的旋光性仍須通過實(shí)驗(yàn)測定。

（三)、對映異構(gòu)體的系統(tǒng)命名法

對映異構(gòu)體的系統(tǒng)命名法即IUPAC命名法。這是根據(jù)物質(zhì)分子的絕對構(gòu)型或其費(fèi)歇爾投影式來命名的，故無須與其他化合物聯(lián)系比較。

含一個(gè)手性碳的分子C*abcd命名時(shí)，首先把手性碳所連的四個(gè)原子或原子團(tuán)按照次序規(guī)定排列其優(yōu)先順序，如a＞b＞c＞d其次，將此排列次序中排在最后的原子或原子團(tuán)（即d)放在距觀察者最遠(yuǎn)的地方。這時(shí)，其他三個(gè)原子或原子團(tuán)就向著觀察者（圖17-8)。然后，再觀察從最優(yōu)先基a開始到b再到c的次序，如果是順時(shí)針方向排列的（圖17-8左)，這個(gè)分子的構(gòu)型即用“R”標(biāo)示（R取自拉丁方Rectus，右)；如果a→b→c是逆時(shí)針方向排列的（圖17-8右)，則此分子的構(gòu)型用“S”標(biāo)示（S取自拉丁方Sinister，左)。

圖17-8　R及S構(gòu)型

例１.

優(yōu)先順序

-CL>-OCH₃>-CH₃>-H

例2.

-NH₂>C₆H₅>-C₂H₅>-CH₈

用構(gòu)型的費(fèi)歇爾投影式，同樣可以確定一個(gè)分子是R還是S構(gòu)型。先要確定C*abcd中，a、b、c及d的優(yōu)先順序，如a＞b＞c＞d。在費(fèi)歇爾投影式中，如最小基d連在垂直方向，即C*-d鍵伸向紙平面的后方，則當(dāng)a→b→c為順時(shí)針方向時(shí)，此分子為R型；如a→b→c為逆時(shí)針方向時(shí)，則是S型。如最小基d連在水平方向，即C*-d鍵伸向紙平面的前方，則當(dāng)a→b→c為順時(shí)針方向時(shí)，此分子為S型；如a→b→c為逆時(shí)針方向時(shí)，為R型（圖17-9)。

圖17-9　用費(fèi)歇爾投影式確定R/S構(gòu)型

例1.

例2.

要把R/S構(gòu)型與D/L構(gòu)型分開，不能認(rèn)為D型的分子即R型的，或L型的分子即S型的。例如：

四、含兩個(gè)手性碳原子的分子

在有機(jī)化合物中，隨著手性碳原子數(shù)目的增加，對映異構(gòu)現(xiàn)象也愈雜。

（一)含兩個(gè)不同的手性碳原子的分子

這類分子中，兩個(gè)手性碳不同，即一個(gè)手性碳上所連的四個(gè)原子或原子團(tuán)與另一個(gè)手性 碳上所連的不同或不完全相同。這種分子有四種具有旋旋光性的異構(gòu)體，例如，2-羥基-3-氯丁二酸。它的C-2上連的

是-H，-OH，--COOH及-CHCLCOOH，C-3上連的是-H，CL，-COOH及-CHOHCOOH，這是兩個(gè)不同的手性碳。它們的費(fèi)歇爾投影式如下：

Ⅰ與Ⅱ是一對對映體，Ⅲ與Ⅳ是另一對對映體。Ⅰ（或Ⅱ)與Ⅲ（或Ⅳ)雖是具有旋光性的異構(gòu)體，但并不是對映體，而是非對映異構(gòu)體（非對映體)。非對映體之間不僅旋光性不同，理化性質(zhì)也有一定的差異（表17-2)。

表17－2　2-羥基-3-氯丁二酸的一些物理性質(zhì)

任何含兩個(gè)不同的手性碳原子的分子都有四個(gè)立體異構(gòu)體，即兩對對映體。

含兩個(gè)或兩個(gè)以上手性碳的分子中，每個(gè)手性碳的構(gòu)型都須用R/S標(biāo)示，寫在化合物名稱之前，并標(biāo)以該手性碳的位次。例如，Ⅰ為（2S，3S)-2-羥基-3-氯丁二酸。

（二)含兩個(gè)相同的手性碳原子的分子

這類分子中，兩個(gè)手性碳相同。例如，酒石酸的

C-2與C-3都是手性碳，且各連有-H，-OH，-COOH及-CHOHCOOH，這是兩個(gè)相同的手性碳原子。它們的費(fèi)歇爾投影式如下：

Ⅴ與Ⅵ是一對對映體。Ⅶ的兩個(gè)費(fèi)歇爾投影式是等同的。因?yàn)閷⑷魏我粋�(gè)在紙平面上旋轉(zhuǎn)180°即得另一個(gè)。Ⅶ雖有兩個(gè)手性碳原子，卻不具旋光性。這是由于這個(gè)分子是對稱的，它有一個(gè)對稱面，即垂直于C（2)-C（3)鍵的平面。這種異構(gòu)體叫做內(nèi)消旋體，用meso-或i-表示。

內(nèi)消旋酒石酸與外消旋酒石酸雖然都不具旋光性，但它們有本質(zhì)上的不同。內(nèi)消旋體是純物質(zhì)，不能拆分；外消旋體則能拆分為左旋體及右旋體。內(nèi)消旋體的性質(zhì)與左旋體或右旋體也有差異（表17-3)。

表17－3　幾種酒石酸的性質(zhì)

含n個(gè)不同的手性碳原子的分子有2n個(gè)立體異構(gòu)體，成為2n-1對對映體。

五、光學(xué)活性物質(zhì)在醫(yī)學(xué)上的意義

在生物體中存在的許多化合物都是手性的。例如，在生物體中普遍存在的α-氨基酸主要是L-型，從天然產(chǎn)物中得到的單糖多為D-型。生物體對某一物質(zhì)的要求常嚴(yán)格地限定為某個(gè)單一的構(gòu)型。所以與生物物質(zhì)有關(guān)的合成物質(zhì)，如果有旋旋光性的異構(gòu)體，也往往只有其中之一具較強(qiáng)的生理效應(yīng)，其對映體或是無m.f1411.cn/job/活性或活性很小，有些甚至產(chǎn)生相反的生理作用。例如；作為血漿代用品的葡萄糖酐一定要用右旋糖酐，因?yàn)槠渥笮�體會(huì)給病人帶來較大的危害；右旋的維生素C具有抗壞血病作用，而其對映體無效。左旋腎上腺素的升高血壓作用是右旋體的20倍；左旋氯霉素是抗生素，但右旋氯霉素幾乎無抗生作用。

由于旋光性物質(zhì)的左、右旋體還可能有不同類型的生理作用，所以在臨床醫(yī)學(xué)上有不同的應(yīng)用。例如，右旋四咪唑?yàn)榭挂钟羲帲�其左旋體則是治療癌癥的輔助藥物；右旋苯丙胺是精神興奮藥，其左旋體則具抑制食欲作用。

臨床醫(yī)學(xué)還須考慮對映體之一的毒副作用。例如，（R)-（+)-反應(yīng)停是鎮(zhèn)靜劑，用于各種麻瘋反應(yīng)，而其對映體（S)-（-)-反應(yīng)停則有致畸作用。