為什麼來自生命物質的同分異構體都是右旋的?

人工合成時,左旋和右旋的物質總是各佔一半,生物只消化右旋糖 ……………………………………………
我是根據書上的表述問的,看答主的回答,可能是我理解錯了,書上是先提了「糖」,然後有後面的陳述,但是它的確說人工合成的是各佔一半( @松鼠會老孫),附上課本照片 課本為高等教育出版社出版,《大學物理學》下


生命物質中,氨基酸多為左旋的,所以都是右旋的說法錯;有些物質有變旋現象,不同條件下可能呈左旋,可能呈右旋,比如麻黃鹼。所以,題目表述得有問題。
人工合成並非左旋與右旋都是各佔一半,要不然那麼多研究不對稱合成的大師們都要瘋了,所以還是說題目表述得有問題。
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其實很明白題主問的什麼意思,那就是為什麼生物體可以比較容易地進行不對稱選擇,直接合成出其中一種異構體。那就從頭開始咯:
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1、關於旋光性
旋光性是物質的一種表觀特性,所謂偏振光在晶體中振動平面發生旋轉的特性——但這種現象和我們的生活太遠了,所以當有機化學老師介紹旋光性的時候,依稀記得很多人的表情是這樣的:


是的,這麼不直接的概念讓人抓狂,所幸的是化學一向只需要記概念,不需要搞清原理一樣能做實驗。不過我們還是可以先舉個栗子,哦不是栗子,是舉個螺絲:

對,舉個螺絲嘛,就是像右邊那個一樣,把它豎起來;現在我們要開始抽個象了,假如摩擦力突然消失了,我們會發現什麼現象呢?對咯,螺絲上的螺母會向下滑落,一直滑倒底端。但螺母在滑落的時候不是那麼沒節操地一褪到底,而是欲說還休,慢慢旋轉著往下落——怎麼看出來的呢,聽我的,爬到頂上,這時就可以看到了,螺母的六個角不斷變換位置,像圖上的螺母,本仙斗膽賭出節操,預測從上面鳥瞰時,看到的是順時針轉動。什麼時候逆時針轉動呢,鏡子里就是。

對,舉個螺絲嘛,就是像右邊那個一樣,把它豎起來;現在我們要開始抽個象了,假如摩擦力突然消失了,我們會發現什麼現象呢?對咯,螺絲上的螺母會向下滑落,一直滑倒底端。但螺母在滑落的時候不是那麼沒節操地一褪到底,而是欲說還休,慢慢旋轉著往下落——怎麼看出來的呢,聽我的,爬到頂上,這時就可以看到了,螺母的六個角不斷變換位置,像圖上的螺母,本仙斗膽賭出節操,預測從上面鳥瞰時,看到的是順時針轉動。什麼時候逆時針轉動呢,鏡子里就是。
現在大家應該知道什麼是旋光現象了吧?光就是那個螺母,而物質就是就是那根螺絲。
假如,我們的螺母不是六角,而是圓的,特別完美的圓會怎樣呢,從上面看時,就會看不出來螺母的旋轉,不要矯情說仔細看還是看得出來,體會一下理論上的「完美」!我們知道光是電磁波,一束正常的電磁波是在所有平面上均有振動,那麼就是一束截面為圓形的光斑了,那麼如果物質具有旋光性,也是看不出來的;如果我們用一個窄縫把光濾成一個方向,變成截面為棍型的光時,那麼它在旋轉時,我們就能看出來了;對不起,那個窄縫不文雅,我們換個詞叫偏振光柵,它的作用就像圖上的那樣:

現在關於旋光什麼的,應該都搞清楚了吧。

現在關於旋光什麼的,應該都搞清楚了吧。
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2、旋光性與物質結構
如果螺絲上沒有螺紋,那麼可以想像,沒有摩擦了之後,螺母掉下來就沒有那麼多前戲了,不旋轉直接滑落——事實上我們可以這麼理解,因為沒有螺紋的螺絲此時是對稱的,螺母順時針還是逆時針旋轉的動力相互抵消。所以,旋光性也是這樣,只要分子具有對稱面,那麼就沒有旋光性了(內消旋);
那麼還有一種情況,因為我們看到的光是好多好多束電磁波,我們看到的晶體也是好多好多分子(我能體會摩爾老先生看到這一段時深深的怒火),所以我們想像一下,如果螺絲與螺母的數量無窮多,螺絲可能左旋也可能右旋,統計結果就是兩者幾乎一樣多,那麼最終螺母的旋轉也是左右均衡,宏觀上也看不出來,因此也就顯得沒有旋光性了(外消旋);
那麼只有一種情況我們可以看得出旋光,那就是一個方向的螺絲明顯更多時。
綜合這些特點我們發現,其實形成旋光的本質是物質不具有對稱面,如果分子自己有不對稱面,那麼就會因為左旋和右旋相互抵消而不顯示旋光性;同時,要想宏觀能看出旋光了,兩種異構體的數目還要有很大差異。
為了表述物質的這種不對稱性,人們人為地採用了兩類系統,一種叫DL分類法(費歇爾式),一種叫RS分類法(系統命名)——但是,除非是學習化學這個專業,否則真心沒有必要搞清楚這些分類是幹什麼用的,因為它們跟物質實際是左旋還是右旋扯不上關係,只是為了方便研究者交流。這麼說吧,比如右旋的螺絲,用DL系統去劃分可能是D型,也可能是L型;同樣用RS系統分類時,也不一定是哪個。而且,DL和RS之間也沒有對應性,不過對於有機化學專業而言,區分這些不是什麼難事,就跟區分自己的手是左手還是右手一樣,所以不對稱分子又叫手性分子——我們人的兩隻手看上去一樣,但永遠無法重合,它們互為鏡像。
然而無論對誰而言,都不能事先預測出某種物質是左旋還是右旋,這都是需要用實驗去測定的。
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3、人工不對稱合成
很多年以來,人工合成的物質都是消旋體,內消旋就不說了,自身就對稱;但為什麼明明不對稱的分子卻總是合成出來一樣多呢?很簡單,因為在對稱的環境中,它們內能完全一樣,它們這些分子中的原子連接的順序完全相同,所以鍵能也就完全一樣,對比一下乳酸的兩個對映體:

不注意看,它們好像是一樣的,但注意一下,它們並不能重合。它們原子間的連接是完全一樣的,不同的只是中心原子的碳與周邊四個基團的連接順序不同。

不注意看,它們好像是一樣的,但注意一下,它們並不能重合。它們原子間的連接是完全一樣的,不同的只是中心原子的碳與周邊四個基團的連接順序不同。
因此,常規的合成方法,得到的產物一定是外消旋的,除非,製造一個不對稱的環境(手性環境),讓兩個對映體的能量不同不就可以了嗎?需要越過更高能壘的那個對映體產量自然就會低了,這便是現在不對稱合成的原理。題主說人工合成總是左旋右旋佔一半,那是過去時了,現代有機合成領域如果合成的不是全新化合物卻還只合成外消旋體在業內都有點張不開口。
最完美的不對稱合成思路是,設計一種不對稱的催化劑,使得一種構型可以參與反應,而另一種構型卻因為結構不匹配以至於反應幾乎不能發生,也就是說,其中一種對映體與催化劑之間形成中間體的能壘無窮高——wait,這不就是生物體內環境么?
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4、為什麼生物體有很好的不對稱選擇性?
其實簡單來說就是酶的原因,因為體內的反應幾乎都要靠酶來催化,酶是蛋白質或多肽,是不對稱的分子,那麼在這種條件下,不同的對映體當然就顯示出完全不同的反應特徵了。所以說,人體絕對不可能對稱,因為構成我們的分子們就不對稱——那麼為什麼我們不能像一個巨大的外消旋體一樣,選擇一樣多的異構體,好比吸收糖分時,吸收一樣數量的D型糖和L型糖,沒有偏好?
所以這應該就是題主所問的關鍵,好問題!要回答這個問題,我們先問一下為什麼在中國要靠右行駛?都靠右走了,左邊留給誰?
當然這是玩笑啦,其實這個問題還可以用螺絲的例子來對照,為什麼日常生活中的螺絲都是右旋的?當我們需要擰松一顆螺絲時,一般都是下意識地向左擰(逆時針),而要緊固時也是想也不想地向右(順時針)——如果日常生活中的螺絲是外消旋體,就是說左旋和右旋各一半,那麼隨便取一顆螺絲,那麼它有一半的可能是左旋或右旋,所以我們也就只有一半的可能第一次就蒙對——如果這是在拆炸彈的話。。。所以最終的結果我們也看到啦,右旋螺絲佔據了絕大多數。
可見,如果生物體內所有物質都是外消旋,我們可以想像一下,比如吃葡萄糖,我們吃的是D葡萄糖和L葡萄糖,到了體內,它們要各自尋找各自的通道,經過各自的途徑代謝,這其中這些酶與相應的底物選型配合時,是不是要做很多無用功?不僅葡萄糖,所有的物質都是這麼搞——於是,我們好像感覺我們體內還住了一個人,我想如果我背著一個鏡子每天這麼吃喝拉撒,大概就是這樣的趕腳,因為鏡子里的那位代謝的物質都是我的對映異構體。。。其實,說得直白一點,生物進化是非常吝嗇而又講究效率的,外消旋體比起不對稱來說實在是太不經濟了,所以最終必然是,其中一種對映體佔了上風,並將另一種淘汰出去。但是,由於旋光與構型並無對應性,所以結果我們現在看到了,生物體內的糖多為右旋而氨基酸則多為左旋,完全是進化的結果。
現在很多商家介紹自己的產品常會說某旋的產品如何如何,從結論來說當然確實也沒錯,但宣傳的角度是有問題的,旋光只是自然界一個很尋常的現象,向哪邊旋從現在已有的知識來看,只是生物偶然選擇的結果,談不上什麼優越性。
如果有興趣,還可以繼續關注一下自然界海螺的旋轉方向,因為進化,也是一種方向呈現了壓倒性優勢,其實和生物體內對構型的選擇殊途同歸。
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最後,介於有評論表示本回答太雞無力了,所以再貼一個比較專業的鏈接,以供想鑽研的人士來閱讀,同時也聲明一下,本回答並未涉及生物體手性的起源,只是用進化論說明了不對稱相比於外消旋對生物體的好處,進化論不是萬能的,不能無限延伸解讀:
http://www.chem.pku.edu.cn/bianj/paper/05/1.pdf
這是從北大卞江老師的課件上扒來的,如果有商業用途請聯繫原作者,在文章中有很多對於手性起源的猜想。
所以,左旋還是右旋?


最近剛剛在寫課程小論文,就直接貼上來了;第一次回答,水平有限,請諸位大神多多指正。

長期以對於手性(homochirality/handedness)起源來存在著兩類觀點,


一是把它歸因於地球上或自然界中某種不對稱的驅動力,

二是把它歸因於非線性化學動力學的對稱性自發破缺現象。


實質上,上述兩類原因相輔相成,由於通過常見的不對稱驅動力,對系統產生的擾動及其微小,對映體過剩(e.e.)十分有限,需要一种放大機制來促成單一手性,而遠離平衡態的非線性化學過程恰好提供了這一動力,不對此催化擴增現象已被研究者所,手性放大也是目前不對稱催化領域的支柱;而通過非線性化學動力學過程實現對稱性破缺,需要奇宇稱的環境條件(即存在空間反演不對稱的場),在遠離平衡態的情況下微小的漲落可以被極盡地放大,而不對稱推動力則提供了此類漲落的可能。

[1-3]

常見的外場條件:


電場磁場(Magnetic and Electric Fields)
磁手性場(Magneto-Chiral Fields)
重力場渦流(Gravitational Fields and Vortex Motion)
偏振光(Polarized Photons)
極化電子中子(Electrons and Neutrons)


可以證明在許多條件下單一的電場、磁場、重力場、渦流都是不具有手征性的系統或者是偽手征性(false
chirality)的。

[4]

簡單介紹一下已被實驗所證實的由外場誘導的絕對不對稱合成。

磁手征性場(Magneto-Chiral Fields)


1982年Wagnière與Meier預言當磁場與非偏振的光束平行或反平行時,處於溶液中的手性分子會有不同的吸光度,這一手性與磁性在光學性質上輕微的關聯被命名為磁手二色性(magnetochiral
dichroism),並由Rikken和Raupach於1997觀測到。


並且已被實驗所證實,在實驗中使用鈦藍寶石激光器於692nm處使用非偏振模式下照射處於磁場中的處於容器中的M
K3Cr(ox)3溶液,10攝氏度下,並等待數分鐘後,關停激發激光,用543.7nm激光測定旋光度;實驗觀測得微小依賴磁場強度的對映體過量。


[5-7]


偏振光、電子、中子(Polarized Photons, Electrons, and
Neutrons)


圓偏振光(CPL)是真手征性的,這一點毋庸置疑,且已經被實驗所精確證實,而且圓偏振光也最常被認為是生命分子同手性起源的動力。


電子類似於光子,其為自旋量子數s=1/2,ms=±1/2;值得注意的是,靜止狀態下的電子不具有手征性,運動且自旋的電子則會表現出真手征性。

不同自旋的原子核由於β衰變宇稱不守恆,導致某一自旋態的電子多於另一態的,故可在宏觀上生成極化電子流,這也被認為是同手性的根本起源,在生命形成中扮演了重要角色,這種同手性起源的機理也被稱為Vester-Ulbricht假說。

已經有實驗證明極化電子流可以引起外消旋體系發生對映體過量,當左極化的電子照射外消旋的亮氨酸溶液時,D構型比L構型的分解更多,當用右極化的電子照射時,可得到相反的結果;值得注意的是,由極化電子所引起的對映體過量值是極小的,甚至已經接近實驗誤差,但確實是存在的。

從理論上,也已經證明極化電子與不同構型手性分子作用存在差異。

但是,究竟是自旋極化電子本身具有誘導手性的能力,還是其韌至輻射所產生的偏振光具有能力,一直存在爭議。直到最近Dreiling等人通過極化電子與溴樟腦作用,探明自旋極化電子本身就具有推動手性反應的能力。

類似的,中子也擁有自旋量子數s=1/2,ms=±1/2,不再贅述。有學者已經理論上證明:偏振的中子束,由於其自身磁場與手性分子間互相作用,可以引起極小但非零的光學活性。

類似的,中子也擁有自旋量子數s=1/2,ms=±1/2,不再贅述。有學者已經理論上證明:偏振的中子束,由於其自身磁場與手性分子間互相作用,可以引起極小但非零的光學活性。

[8-12]

以下是個人的一些想法:單一手性或同手性是生命起源的必要條件,而不對稱的物理外場是生命體中單一手性來源的根本原因;如此,對映體過量現象很有可能不僅僅存在於地球上,而是全宇宙普遍存在的(請百度 Murchison meteorite)。如果沒有最初幾秒時的自發對稱破損,物質則不會沉澱,更不會有生命這種複雜自組織機體的存在。


[1]
Córdova, Armando; Engqvist, Magnus; Ibrahem, Ismail;
Casas, Jesús; Sundén, Henrik. Plausible origins of homochirality in the amino
acid catalyzed neogenesis of carbohydrates. Chem. Commun. 2005: 2047–2049.

[2]
Kondepudi, D. K.Nelson, G. W. Chiral Symmetry-Breaking
In Non-Equilibrium Systems. Physical Review Letters.
,1983, 50: 1023-1026

[3]
丁達夫,徐京華.生命系統的對稱性破缺.中國科學B輯, 1984,1: 618-629

[4]
Laurence D. Barron,etc. Absolute Asymmetric Synthesis under Physical Fields:
Facts and Fictions Chemical Reviews, 1998, Vol. 98, No. 7 2391

[5] Wagnière, G.
Meier, A. Chem. Phys. Lett. 93,78–81
(1982).

[6] Rikken, G. L. J. A.
Raupach, E. Nature 390, 493–494
(1997)

[7] Rikken, G. L. J. A.
Raupach, E. Nature 405, 932–935
(2000).

[8] Inoue, Y.Chem.
Rev.1992, 92, 741 -770.

[9]王建英,羅遼復. 極化電子和手性分子的相互作用 中國科學B輯 1985 第十期 ;

[10] Harris, R. A.; Stodolsky, L. J. Chem. Phys. 1979, 70, 2789 -2791.
[11] L. V. Ulbricht and F. Vester, Tetrahedro n 18, 629 (1962) .
[12] Dreiling JM, Gay ,T. Chirally sensitive electron-induced molecular breakup and the vester-ulbricht hypothesis. J.Phys Rev Lett. 2014 Sep 12;113(11):118103. Epub 2014 Sep 12.


請樓主不要用不權威的教材作為參考資料!建議使用英文版,一般情況下某特定學科在亞馬遜銷量最高的,基本為本學科的權威教材。
來自生命物質是左右均有,比如氨基酸左旋,葡萄糖右旋等。但注意一點,左旋或右旋是由大小基團在空間的排列確定的,但基團大小是按照IUPAC命名規則人為規定的,雖然考慮了元素周期表順序,但並非絕對。另外旋光值是按照測量結果定正負,和左旋右旋無聯繫,例如構型R的化合物既可以是正也可以是負。
此教材太多錯誤,僅貼出來的這一段就有:
1「他們稱為同分異構體」;應為「對應消旋體」;
2「人工合成左右旋各一半」;那我等天天在做啥;
3「來自生命的都是右旋,生物只消化右旋糖」;讓核糖,果糖情何以堪!


答案請參考為什麼幾乎只有左手手性的分子才能構成生命?構成人體的所有手性分子全部變為其旋光異構體(例如左手性變為右手性),人可能存活嗎?


靜態磁場與偏振光的相互作用會影響光化學反應過程,使有機分子的某種對應體形成得多一些、另一種形成得少一些。由於地球上以偏振光為主,這一現象在地球也就特別明顯,這使地球生物體主要分子都是左旋氨基酸和右旋糖。

2000年的報道。


一般手段合成帶有手性分子的,大多為各一半。不對稱合成方法合成出來的,EE值輕鬆大於90%。
現在有的農藥有效成分其實是對映異構體的其中一種,但不對稱合成成本高且另一種無害,則使用一般合成方法。但在醫藥行業,其中一種是副作用的,則必須使用不對稱合成。
這個坑不小,本人能力太淺,填不來


為什麼來自生命物質的同分異構體都是右旋的?


題主的意思是為什麼有生物親和性一般是右旋的吧。。???


不是因為方向不同的話找不到足夠的食物容易餓死嗎?古代有篇科幻小說叫做《技術故障》,說的是某人在高能設備附近發生了空間跳躍翻轉,變成了一個手性逆轉的人,迅速營養不良。


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