探索碳基分子构型：左旋和右旋分子的旋光性与手性

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并非所有类型的分子都具有左手和右手旋光性（在构型方面也称为“手性”）。一般来说，以碳为骨架的化合物容易发生旋光（或手性）。这与碳的四个价电子形成的四面体的构型有关。左旋分子和右旋分子的物理和化学性质并不完全相同。

碳原子的四个价电子为碳基分子的构型提供了多种可能性，手性只是其中之一。分子构型的不同不可避免地导致其物理和化学性质的差异。

注：旋光性强调分子与光相互作用的特征，而手性更多的是分子构型方面的几何特征。两者具有不同的含义，但对于某些分子（或大多数分子），这两个词描述相同的分子性质。本文主要讨论手性，即从构型的角度。

上图：理想状态下有机碳原子之间的键角关系。这种碳化合物结构的碳中心是对称的。但如果分子结构中加入了其他元素的原子，不同元素的电子作用不同，就会导致碳中心发生偏移，使整个分子变得不对称。

手性

手性是某些分子和离子的几何特征。手性分子/离子在其镜像上不可重叠。不对称碳中心的存在决定了有机和无机分子的手性。不同手性的两个分子彼此是对映体。

不同的手性会给有机分子带来不同的物理化学性质（L-左手性，D-右手性），例如：

上图：多种手性分子。顺时针：DNA、糖、氨基酸、酶、碳纳米管、布洛芬、青霉素。

手性对有机分子性质的影响

生物体中的许多活性分子都是手性的，并且倾向于具有相同的手性，包括天然存在的氨基酸和糖。地球生物中的氨基酸都是左旋性的，而糖类基本都是右旋性的。

生命分子具有手性并不奇怪，因为这些先进的有机分子具有丰富的侧链结构，很容易形成前面提到的“不对称碳中心”。但为什么组成生物的有机分子的手性如此一致，而不是混合或全部相反的手性呢？

上图：这是生物体选择单个手性分子的生化原理的简单易懂的说明。

生物学中有机分子同手性的起源是一个有争议的话题。大多数科学家认为，地球上的生命对叽叽喳喳的“选择”纯粹是随机的。在宇宙其他地方诞生的碳基生命形式在化学上应该可以选择任一手性。某种手性的主导地位是由生化分子中的对称性破坏引起的。

但也有人提出了另一种假说：地球形成早期环境中的氨基酸可能来自彗星尘埃。在彗星所经历的外太空环境中，圆偏振辐射（占恒星辐射的17%）可能会导致某种手性氨基酸被选择性破坏，从而产生选择偏差，最终导致地球上所有生命都使用单一的手性氨基酸。手。性有机分子是身体的基本组成部分。显然，地球上的生命选择了左旋氨基酸和右旋糖。例如，脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）中的核酸单位都是右旋的。 （注：大多数具有生物活性的DNA双螺旋结构是右旋的，包括A-DNA和B-DNA，但另一种类型的Z-DNA是左旋的）。

酶也是手性的，通常它们匹配的底物也有两种对映体（通俗地说，底物就是酶催化的东西）。酶可以比作手套。如果手套是右手的，那么如果某种底物与酶的手性相匹配，它就可以被酶“抓住”，从而快速高效地进行生化过程。底物对映体可能会结合不良或无法结合，因此相关的生化途径无法进行。酶的特性进一步限制了生物体利用不同手性分子的倾向。生化进化过程采用了更具反应性的手性。

手性无机分子在物理和化学性质上也有明显差异，这里不再详述。

总结

分子手性来自分子不对称性，这种不对称性在有机分子中很常见，但生物体往往只选择其中一种而不喜欢混合它们。这与生物学的起源和生化过程的对称性破缺有关。这造成了地球上自然生物体手性生物活性的广泛且巨大的差异。