隨著科學(xué)的發(fā)展與人類認(rèn)知水平的逐漸提高，人們漸漸發(fā)現(xiàn)這一熟知的世界并不是完全對(duì)稱的。

有一種說法叫“上帝是一個(gè)輕微的左撇子”，即構(gòu)成地球上有機(jī)體的氨基酸都是左旋的。氨基酸分子分為左手構(gòu)型和右手構(gòu)型，但是上帝在創(chuàng)造萬物的時(shí)候偏偏使用了左手構(gòu)型的部分。

自然界中，還存在著許多其他類似的現(xiàn)象，例如宇宙行星的自轉(zhuǎn)方向具有高度的一致性，人的心臟都長(zhǎng)在左邊，海螺表面的旋轉(zhuǎn)卻幾乎是全是右旋（圖1）。種種跡象表明這個(gè)世界并非完全對(duì)稱的，而這種不對(duì)稱性也正是產(chǎn)生手性的根本原因。

圖1 生活中的手性現(xiàn)象

什么是手性？手性用一句話概括就是指物質(zhì)的實(shí)體與其鏡像結(jié)構(gòu)相同但無法完全重合的性質(zhì)，比如我們的雙手，兩者互為鏡像卻無法完全重疊。

手性的發(fā)展已經(jīng)歷了一段豐富的歷史，在早期社會(huì)人類對(duì)手性的認(rèn)知主要來自手性物質(zhì)對(duì)光的一個(gè)偏轉(zhuǎn)作用。

如果有一束光，從A點(diǎn)照射到B點(diǎn)，那么AB方向就是光的傳播方向，但光除了傳播方向之外，還有一個(gè)振動(dòng)方向，這個(gè)振動(dòng)方向與傳播方向相垂直。

早在十九世紀(jì)初期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)存在著某些晶體物質(zhì)，當(dāng)光通過時(shí)，其會(huì)導(dǎo)致光的振動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種性質(zhì)被命名為“旋光性”。如果該物質(zhì)可使偏振光順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱為“右旋”，如果該物質(zhì)可使偏振光逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)則稱為“左旋”。當(dāng)左旋體與右旋體等量混合時(shí)則構(gòu)成“外消旋體”。

直到1893年，英國(guó)科學(xué)家Lord Kelvin首次使用手性（Chirality，取自希臘詞Cheir-，手的意思）來描述“物體與它的平面鏡的鏡像不能完全重合””的現(xiàn)象。在這期間，有一次非常著名的“史上最美化學(xué)實(shí)驗(yàn)”—巴斯德拆分，給手性領(lǐng)域的發(fā)展留下了濃墨重彩的一筆。

在當(dāng)時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)酒桶底部的殘留晶體（酒石結(jié)晶），在酸化后（酒石酸）其會(huì)發(fā)生旋光現(xiàn)象。但是當(dāng)人們重新在結(jié)晶母液中制備出酒石酸晶體時(shí)（在當(dāng)時(shí)被稱為葡萄酸，其實(shí)只是外消旋的酒石酸），卻并沒有這種性質(zhì)。葡萄酸和酒石酸二者的化學(xué)組成完全一致，然而卻有著不同的旋光性，這在當(dāng)時(shí)成了化學(xué)界的未解之謎。此時(shí)，剛拿到博士學(xué)位的路易斯·巴斯德聽說了這件事后，立即對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣。他選用葡萄酸銨鈉鹽和酒石酸銨鈉鹽作為自己的研究對(duì)象，力圖破解這一科學(xué)難題。

1848年，年輕的巴斯德很容易就猜想到，這二者的化學(xué)組成相同，那么一定是結(jié)晶形態(tài)的差異導(dǎo)致了他們具有不同的旋光性。他用顯微鏡觀察晶體結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的現(xiàn)象：酒石酸銨鈉鹽的晶體結(jié)構(gòu)都是不對(duì)稱的。

進(jìn)而巴斯德推測(cè)，無旋光性的葡萄酸銨鹽結(jié)晶應(yīng)該是完全對(duì)稱的。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻出乎意料，因?yàn)槠咸阉徜@鈉鹽的結(jié)晶居然也是不對(duì)稱。

但是通過二者晶體仔細(xì)對(duì)比，他發(fā)現(xiàn)酒石酸銨鈉鹽晶體的半晶面都是向右的，而葡萄酸銨鈉鹽的半晶面有一半向右，一半向左。

為了搞清楚這個(gè)問題，他在顯微鏡下用鑷子將兩種不同的晶體一顆一顆分開，并分別配成溶液。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含有半晶面向右晶體的溶液呈現(xiàn)出右旋光性，而半晶面向左的晶體溶液則呈現(xiàn)出左旋光性。

這時(shí)，真相已經(jīng)很明了了，這不僅僅是晶體的特性，更是晶體內(nèi)部分子的本質(zhì)特征。

換句話說，構(gòu)成兩種晶體的分子，即使化學(xué)組成相同，但在立體空間結(jié)構(gòu)上存在著本質(zhì)的差異。

并且，葡萄酸也不是新的物質(zhì)，只是由兩種不同的酒石酸1:1混在了一起得到的混合物而已。

巴斯德的發(fā)現(xiàn)正式揭開了手性最神秘的面紗，是對(duì)分子級(jí)別旋光異構(gòu)現(xiàn)象最直觀的證明，對(duì)后來的立體化學(xué)以及手性化學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

直到今天，這種方法也是手性拆分的一個(gè)常用手段。而這一從宏觀出發(fā)，并且簡(jiǎn)單直白地揭示分子層面手性信息的實(shí)驗(yàn)，也一直被評(píng)為“世界上最美化學(xué)實(shí)驗(yàn)”之一。

圖2 巴斯德（左）與酒石酸銨鹽晶體示意圖（右）

在人類努力想認(rèn)識(shí)手性的同時(shí)，手性也一直在向人類展示它神秘、至關(guān)重要且無處不在的特點(diǎn)。手性的研究與人類社會(huì)的發(fā)展是息息相關(guān)的，其中一個(gè)重要的領(lǐng)域就是手性藥物化學(xué)的發(fā)展。

上個(gè)世紀(jì)八十年代，一部日本電影《典子》的播出，讓人們認(rèn)識(shí)了一個(gè)身殘志堅(jiān)的女性形象。劇中的典子一出生就沒有雙臂，她的父親無情地拋棄了她和母親，她與母親相依為命，學(xué)會(huì)了用腳生活，用腳寫字，并最終當(dāng)上了政府職員。她的事跡感動(dòng)了無數(shù)人，但是人們不禁產(chǎn)生這樣一個(gè)疑問，典子的父母都是正常人，為什么典子一出生便沒有雙臂呢？這就與那個(gè)時(shí)代發(fā)生的一個(gè)著名的醫(yī)學(xué)事件“反應(yīng)停”有關(guān)。

“反應(yīng)?！笔且环N可以緩解孕婦在妊娠期間發(fā)生的惡心和嘔吐的藥物。它的主要有效成分叫做沙利度胺，在上個(gè)世紀(jì)五十年代被生產(chǎn)并投入多個(gè)國(guó)家市場(chǎng)。然而在這之后，全球誕生畸形嬰兒比例卻異常升高。原來，沙利度胺其實(shí)是有兩種構(gòu)型，其中右旋構(gòu)型具有鎮(zhèn)靜作用，也是起可以抑制妊娠反應(yīng)效果的主要成分。然而左旋的構(gòu)型，卻會(huì)在胎兒四肢發(fā)育過程中，和關(guān)鍵的兩種多肽相結(jié)合，使其失去作用，最終導(dǎo)致新生嬰兒的某些四肢缺失，造成手或腳直接長(zhǎng)在身體上，也俗稱“海豹畸形兒”。

圖3 “反應(yīng)停”沙利度胺與“海豹畸形兒”

此外，還有許許多多類似的藥物分子，如氯胺酮分子、青霉胺和乙胺丁醇等等。這些藥物雖然分子組成是一樣的，但由于構(gòu)型的不同卻導(dǎo)致了截然相反的作用。

目前，手性藥物占藥物總量比例已超過50%，并且它的表現(xiàn)用“翻手為云，覆手為雨”來形容也不遑多讓。這些例子大大提高了人們對(duì)手性的認(rèn)知，同樣也導(dǎo)致了人們對(duì)于手性識(shí)別以及手性拆分方面的研究熱情。

圖4 不同功能的手性藥物分子

隨著對(duì)手性化學(xué)的不斷發(fā)掘，科學(xué)家們漸漸發(fā)現(xiàn)手性有多種表達(dá)形式。如上文提到的各種手性藥物分子，其由于內(nèi)部含有手性碳原子而保留多種構(gòu)型形式。

所謂手性碳原子，就是指一個(gè)碳原子上連接有四個(gè)不同的基團(tuán)，例如常見的氨基酸分子，這類分子的本身與它的鏡像相同卻無法完全重合。這也是手性最基礎(chǔ)的表達(dá)形式，我們稱之為“點(diǎn)手性”，兩種不同的構(gòu)型也被叫做“對(duì)映異構(gòu)體”。

從分子層面講，手性還可以分為“軸手性”。此類分子內(nèi)部不具有立體手性中心，但是具有一個(gè)手性軸。當(dāng)軸上連接基團(tuán)滿足一定要求時(shí)，這一類的分子與它的鏡像對(duì)稱結(jié)構(gòu)也是不能重合的。

比如說我們常見的二苯基取代的或者二羥基取代的聯(lián)萘結(jié)構(gòu)，由于芳基之間的單鍵旋轉(zhuǎn)受阻而具有不對(duì)稱性。某些丙二烯化合物也會(huì)顯示出軸手性。當(dāng)丙二烯的兩端碳原子上各連有不同的取代基，分子不具備對(duì)稱面和對(duì)稱中心，那么就具有了手性。

還有少部分分子手性表現(xiàn)出螺旋手性的特質(zhì)，例如有機(jī)化學(xué)中的螺烯分子，其中苯環(huán)可以按順時(shí)針或逆時(shí)針方向螺旋疊加。

圖5 分子手性的不同種類

前文已經(jīng)提到，手性在生活中十分常見，因此手性的表達(dá)形式也遠(yuǎn)不止分子層次。我們按照尺度大小通常可以將手性分為四個(gè)層次。

圖6 不同尺度上的手性表達(dá)

除了藥物化學(xué)主要涉及原子或分子手性之外，近年來，對(duì)手性的研究已經(jīng)逐漸滲透入更高層次，如何實(shí)現(xiàn)有效的手性堆積、手性放大、手性傳遞、手性記憶和構(gòu)建手性開關(guān)是當(dāng)下關(guān)鍵的科學(xué)問題。

講了這么多手性的知識(shí)以及手性的重要性，那么要如何才能獲得手性呢？特別是在藥物生產(chǎn)的過程中，往往都是需要某一種純度異構(gòu)體，而另一種異構(gòu)體的存在則往往起到相反的作用。

“反應(yīng)?！笔录螅绾蔚玫絾我皇中缘墓鈱W(xué)異構(gòu)體就成了化學(xué)研究領(lǐng)域的熱門話題，同時(shí)也是化學(xué)家們面臨的巨大挑戰(zhàn)。就好比鉆石一樣，各式各樣的鉆石琳瑯滿目，但真正珍貴有價(jià)值的往往只是少部分最純凈的那一種。

那么，如何才能獲得我們真正需要的單一手性物質(zhì)呢？

一般來講有兩種思路：

圖7 兩種獲得手性的基本方法

那么，類似手性拆分柱里的填充物的一些更為宏觀的手性材料又是如何得到的呢？

這就不得不提及高層次手性，例如大分子手性或者超分子手性材料的重要意義了。

我們都知道，手性的東西很珍貴，有的價(jià)格甚至高于鉆石，且很難獲得。那么能不能有辦法，將一開始比較平庸的非手性原料“變成”具有手性特質(zhì)的材料呢？這有點(diǎn)類似于“點(diǎn)石成金”，無疑是所有相關(guān)領(lǐng)域的化學(xué)家們所喜聞樂見的。

因此，如何使用少部分手性的添加劑作為“手性源”，來誘導(dǎo)大部分非手性的主體使其產(chǎn)生手性，類似手性傳遞或放大過程，逐漸成為化學(xué)家們?cè)絹碓酵瞥绲难芯糠较颉?/span>

超分子手性體現(xiàn)的是有多個(gè)分子作為構(gòu)筑單元，通過分子間的一些作用力使它們?cè)谔囟ǖ目臻g中形成一個(gè)具有手性的組合結(jié)構(gòu)。這種有序的結(jié)構(gòu)通常以螺旋的形式表達(dá)出來，類似我們?nèi)梭w內(nèi)的DNA螺旋結(jié)構(gòu)。

手性超分子的構(gòu)筑單元可以是手性或非手性的無機(jī)分子、有機(jī)分子、高分子，甚至是生物大分子。通過超分子組裝的方法，利用一些非共價(jià)鍵的弱相互作用（π-π共軛堆積、氫鍵、金屬?配體絡(luò)合作用、酸堿作用、范德華力）可構(gòu)筑不同功能的超分子手性體系。

一般情況下，超分子組裝體手性不是由單一驅(qū)動(dòng)力構(gòu)筑的，而是由以上多種非共價(jià)鍵作用力協(xié)同作用得到的。這些非共價(jià)鍵作用力一般是可逆的，因而其構(gòu)筑的超分子組裝體結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)可逆性和可調(diào)控性，為組裝體結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)控制提供可能，也賦予了組裝體豐富多樣的結(jié)構(gòu)和功能。

超分子組裝體的優(yōu)勢(shì)還在于其不僅兼具了其各個(gè)組裝基元的性質(zhì), 而且其整體性能明顯高于各組裝基元性能的簡(jiǎn)單疊加。

近年來，借鑒超分子化學(xué)的組裝策略構(gòu)筑具有特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性質(zhì)的手性納米材料，已經(jīng)發(fā)展成為開發(fā)手性材料的有效途徑之一。

圖8 大分子手性，超分子手性以及手性誘導(dǎo)示意圖

物質(zhì)是人類社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)。經(jīng)過100多年的不懈努力，手性物質(zhì)的研究已經(jīng)進(jìn)入到了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。

化學(xué)家們已經(jīng)漸漸了解了手性物質(zhì)創(chuàng)造的規(guī)律，從采用手性源的不對(duì)稱合成到不對(duì)稱催化合成，從分子手性到大分子手性再到超分子手性，人們已經(jīng)發(fā)展了許許多多的手性試劑、手性催化劑、不對(duì)稱合成新反應(yīng)和新方法，并創(chuàng)造出了許許多多的手性物質(zhì)，其中包括手性藥物、手性農(nóng)藥、手性液晶材料等，極大地推動(dòng)了手性物質(zhì)化學(xué)的發(fā)展。