手性与手性中心

手性：一种拥有镜像孪生体的形状

在这一级阶梯前面，你已经见过立体异构体——连接方式完全相同、却仍因原子在三维空间中指向不同而有别的分子。现在我们要触及这个想法最深、最奇怪的一种版本。把你的两只手举起来，手掌朝向自己。它们的零件一模一样、接线也一模一样：一个拇指、四根手指、同样顺序的同样关节。可你的左手并不是你的右手。试着把一只手严丝合缝地叠在另一只之上，掌心对掌心、朝同一个方向，你会发现两个拇指落在了相反的两侧。它们互为镜像，无论怎么旋转、怎么平移，都永远无法重合。

这种性质——与自身镜像不可叠合——就是[[chirality|手性]]，词源来自希腊语的“手”。如果一个物体的镜像是一个真正不同、无法靠旋转变回原物的物体，那它就是手性的。你的手是手性的；螺丝、剪刀、向一个方向旋的海螺壳也都是。相反，一只普通的玻璃杯，或一个完美的球，是非手性的：它的镜像就是它自己，分辨不出来。这一整级阶梯的内容，都建立在区分这两种情形之上。

当一个手性分子和它的镜像是两个不同的分子时，这一对有一个专门的名字：[[enantiomer|对映异构体]]（也叫对映体）。对映异构体是一对立体异构体，它们彼此之间的关系，恰如你的两只手。从一开始就把这个区别记清楚：手性是单个分子所具有的性质；对映异构体则是这种性质所造就的那一对伙伴。

手性中心：一个连着四个不同伙伴的碳

分子的手性从何而来？最常见的来源，是单单一个碳原子。回想基础那一级所学：带四根单键的碳是 sp3 杂化、呈四面体的——它的四根键朝着一个三角锥的四个角张开，彼此约相隔 109.5 度，就像相机三脚架的三条腿再加一根直直向上的杆。现在假设连在这个碳上的四个基团彼此都不同。那么这个碳就是一个[[chirality-center|手性中心]]（也叫立体中心，旧书里称作不对称碳），它正是手性最常见的引擎。

为什么“四个不同的基团”就能做到这一点？拿那个四面体碳和它的镜像来比。当四个基团各不相同时，你可以把镜像版本反复交换、旋转一整天，也永远变不回原来的样子——这种排布是真正的左手式对右手式，正如你的两个掌心。可一旦四个基团中有两个变得相同，分子就获得了一种镜面对称，使镜像能够旋转回与原物重合。所以规则很干脆：sp3 碳上连着四个不同的基团，就构成一个手性中心；只要其中有任何重复，就不是。

Bromochlorofluoromethane, CHBrClF

        H                    H
        |                    |
   Br--C--Cl    |mirror|   Cl--C--Br
        |       |      |        |
        F                    F

  one molecule        its mirror image
  (the carbon: H, Br, Cl, F -- all four different
   => a stereocenter => the two are enantiomers)

一个连着四个不同基团（H、Br、Cl、F）的碳就是手性中心；该分子与其镜像互为不可叠合的对映异构体。

那个扼杀手性的对称面

下面是判断一个分子是否手性最可靠的单一检验，而且它根本不需要先找出手性中心。问自己：我能不能用一面想象中的镜子，把这个分子（在某种构象下）剖开，使得一半恰好是另一半的镜像？这样一刀剖出的面，就是一个[[plane-of-symmetry|对称面]]（一个内部镜面）。如果一个分子哪怕只有一个对称面，它就是非手性的——它的镜像会折叠回它自身。如果它一个都没有，它就是手性的。对称面，就是手性的刽子手。

这也正是为什么一个连着两个相同基团的碳永远不可能是手性中心：那两个相同的基团，恰好递给分子一个正好从它们之间剖过的镜面。这同样是一个著名例外背后的诚实原因。一个分子可以含有两个手性中心，却在整体上仍是非手性的，因为一个内部对称面使其一半成为另一半的镜像——两个中心相互抵消。这样的分子叫做[[meso-compound|内消旋化合物]]，它是一个干净的证明：真正的判据是那个镜面，而不是手性中心的个数。所以千万别只数手性中心就断言一个分子是手性的；永远要去检查那个内部的镜面。

实践中如何判定

面对一个真实的结构，你并不需要在脑子里一个原子一个原子地搭出镜像。下面这套简短而可靠的流程，能在这一级阶梯的水平上解决几乎所有情况。

扫视每一个 sp3 碳，对每一个都问：连着的四个基团是否都不同？每一个通过的碳就是一个候选手性中心——把它标出来。记住要追踪整条支链，而不是只看往外的第一个原子。
如果一个手性中心都没有，也没有别的手性来源，那这个分子几乎可以肯定是非手性的——到此为止。
如果恰好有一个手性中心，那这个分子就是手性的。孤零零的一个手性中心无法被抵消，所以它和它的镜像构成一对对映异构体。
如果有两个或更多手性中心，先别假定它是手性的——去找内部对称面。若找到一个，它就是内消旋化合物，分子是非手性的；若一个都没有，它才是手性的。

为什么一个几何上的小任性如此要紧

把手性当作化学家的一桩奇趣轻轻打发掉，是很容易的。可它绝不是。一对对映异构体拥有相同的键、相同的能量、相同的熔点、相同的普通谱图——在一个对称的世界里，它们可以互换。但生命所构筑于其上的世界并不对称。你的酶、受体和抗体本身就是手性的，由大自然只采用其中一种手性的氨基酸构成。一个手性受体去结合一个手性分子，就像一只右手去够一只手套：手性对得上的那只手套能顺利套上，镜像的那只则会跟你较劲。

于是，对一台机器而言毫无分别的两个对映异构体，对一具身体来说却可能天差地别。香芹酮分子的一个对映异构体闻起来是留兰香（绿薄荷）味；它的镜像孪生体闻起来却是葛缕子味——同样的原子、同样的键，两种不同的气味，只因为你鼻子里的手性受体能分辨左右手。正是在这里，手性不再抽象，而成了医药上的大事：一种药物是一把配着手性锁打磨出来的钥匙，而它的镜像也许是一把恰好配上另一把锁的钥匙，或者配不上任何锁，又或者配错了锁。接下来的几篇向导，会给你工具去命名你手里握着的是哪只手，并预测随之而来的后果。

在你继续往下之前，有一个诚实的提醒。对映异构体并非对一切都隐形——它们只是在面对非手性的影响时表现得一模一样。把一个手性分子放进一束平面偏振光里，它会把光的偏振面旋转一个角度，这种效应叫做旋光性，而两个对映异构体会把它转过相等的角度、方向却相反。这正是化学家在还看不见原子的年代里，最早探测到手性的方法，也是再过几篇向导就等着你的主题。