在有机化学的早期,
化学家们明白分子是由原子构成的,
由化学键相互连接。
但是,分子的三维形状
却鲜为人知,因为他们不能被直接观察到。
分子用简单的连接图表示,
就像你现在看到的这样。
19世纪中期,精明的化学家们明白
这样的扁平模型不能解释
他们观察到的很多现象。
但是化学理论没能提供一个令人满意的解释
来说明分子的三维结构。
在1874年,化学家范特霍夫发表了这个伟大的假说:
一个饱和碳原子的四根键
指向一个四面体的角。
25多年之后,
量子革命才从理论上证实了他的假说。
但是范特霍夫用旋光效应来支撑他的理论。
他注意到只有具有中心碳原子
并连接到四个不同原子或原子团的化合物
才能旋转平面偏振光。
很明显,这类化合物有独特的性质。
仔细观察这里的两个分子。
每一个都具有四面体形的中心碳原子
分别连接四个不同的原子:
溴,氯,氟和氢。
我们很可能会得出结论,这两个分子
是一样的,如果我们只考虑它们的组成成分。
但是,我们来看看能否通过完全重叠两个分子
来证明它们真的是一样的。
我们可以随意旋转和翻转这两个分子。
但值得注意的是,
不管我们怎样移动这些分子,
完全重叠都是不可能完成的。
现在看看你的手。
注意你的两只手有着相同的部分:
拇指,手指,手掌,等等。
像我们研究的两个分子一样,
你的两只手是同样的成分组成的。
更进一步,你两只手上各部分间的距离也是相同的。
食指临近中指,
中指靠着无名指,以此类推。
我们所假设的分子也是这样的。
它们的所有内部距离
都是相同的。尽管它们有很多共同点,
你的手,和我们的分子,
显然不是相同的。
试试把你的手重叠到一起。
就像我们之前的分子一样
你会发现它们不能完全重叠。
现在,把你的手掌相对。
晃动你的两只食指。
你会发现你的左手好像
在通过镜子看你的右手。
换言之,你的两只手是镜面图像。
我们的分子也是一样的。
我们把它们转过来,所以一个看着另一个
就像镜子里一样。你的手,和分子,
拥有同样的一种空间特性,叫做手征,
也叫手性。
手性就是指我们刚刚描述过的特性:
一个手性物体和它的镜像并不同。
手性物体在化学和日常生活中都和特殊。
螺丝钉,打个比方,就是手性的。
所以我们才需要区分左手和右手螺钉。
不管你信不信,某些种类的光
也像手性螺丝一样。
在每一束线性的平面偏振光中
都有左手和右手部分
共同旋转来产生平面偏振。
手性分子,当放在这样的光束中时,
对两个手性部分产生不同的反应。
作为结果,光的一部分相对另一部分
被暂时减缓。对光线的影响
就是相对初始平面的平面旋转,
也被称作旋光。
范特霍夫和后来的化学家认识到
四面体碳的手性可以解释这个奇妙的现象。
手性也导致了其他很多化学
和日常生活中的奇妙影响。
人类喜欢对称
所以如果你看看周围,你会发现
人类制造的手性物体非常罕见。
但是手性分子确实哪里都有。
很多独立的现象类似旋光,
钉家具,
和拍手,
都包含着这个引人入胜的空间特性。