5.2 对映异构
5.2.1 手性和旋光性
1811年法国物理学家阿瑞洛在研究石英的光学性质时发现：天然的石英有两种晶体，一种使偏振光左旋，称“左旋石英”；另一种使偏振光右旋，称“右旋石英”。这两种石英不具有任何对称性，两者互为实物与镜像的关系，互相不能重叠，如同人的左、右手。1815年，法国物理学家拜奥特观察到蔗糖水溶液、酒石酸水溶液、松节油的酒精溶液、樟脑的酒精溶液等都具有旋光能力，他认为石英晶体对偏振光的旋转与有机溶液对偏振光的旋转是不同的。由石英产生的旋光性是由石英整体产生的，由有机物质产生的旋光性是由单个分子产生的，因此他推想旋光性应该和物质组成的不对称有关。1848年，法国科学家巴斯德在研究酒石酸盐时，首次用人工方法分开了酒石酸铵的两种晶体，这两种晶体互为实物与镜像关系，旋光性能相同，但旋光方向相反。由此他指出：如同晶体本身一样，构成晶体的分子互为镜像，相互不能重叠。
自然界的物质按对偏振光的作用表现不同，可分为旋光性与非旋光性两大类。为什么有些物质可使偏振光的振动面旋转？研究证明，物质的旋光性来自分子的手性。
人的左手和右手外形相似，但不能完全重合。如果把左手放到镜子前面，其镜像恰好与右手相同，左右手的关系实际上是实物与镜像的关系，互为对映但不能重合。我们将这种实物与其镜像不能重合的特征称为物质的手性。
5.2.2 手性分子
称为手性分子，没有手性的分子称为非手性分子。如乳酸分子、樟脑分子就是手性分子，而乙醇分子、丙酸分子等是非手性分子。以乳酸手性分子为例，图5-4为两种乳酸分子的模型，乳酸分子有两种构型，如同人的左右手一样，相似而又不能重合。
图5-4 两种乳酸分子的模型
自然界中一部分化合物具有旋光性，而大多数化合物则不具有旋光性，研究结果表明，物质是否具有旋光性与物质分子的结构有关，具有旋光性的物质分子都是手性分子。
判断一个化合物分子是否具有手性，关键要看该分子中是否存在对称因素，例如看其分子中是否存在对称面或对称中心等，如果在一个分子中找不到任何对称因素，则该分子就是手性分子，具有旋光性。若存在某种对称因素使该分子能与自己的镜像相重合，就不具有手性，无旋光性。
对称因素包括对称面、对称中心和对称轴，对称轴不能作为分子手性的判断依据，故应用较多的是对称面和对称中心。对称面是指把分子分成实物与镜像关系的假想平面；对称中心是设想分子中有一个点，从分子的任何一原子或基团向该点引一直线并延长出去，在距该点等距离处总会遇到相同的原子或基团，则这个点称为分子的对称中心。有对称面或对称中心的分子都是非手性分子。
5.2.3 手性碳原子
1874年，荷兰化学家范特霍夫和法国化学家勒贝尔分别提出了碳四面体学说：如果碳原子位于一个正四面体中心，那么与碳相连的四个原子或基团将占据四面体的四个顶点，它们若有旋光性应归结于不对称取代的碳原子。
C *abcd可有两种不同的排布方式：
它们代表两种不同的空间构型，两者互为镜像关系，正如人的左、右手关系。这种分子与其镜像的不重合性称为分子的手性或手征性，具有手性的分子称为手性分子。具有四个不同原子或基团的不对称碳原子称为手性碳或手性中心。手性碳原子或不对称碳原子，用C *表示。乳酸、丙氨酸和甘油醛等分子中都含有手性碳原子。
除碳原子外，还有一些元素（如N、S、P等）的共价键化合物也是四面体结构。当这些元素的原子所连基团互不相同，该原子也是手性原子。含有这些手性原子的分子也可能是手性分子。
5.2.4 对映体
1863年，德国有机化学家韦斯立森努斯对乳酸进行了一系列研究发现：肌肉乳酸（＋）和发酵乳酸（－）具有相同的组成，但旋光方向相反。因此，他断言：如果分子在构造上是相同的，然而性质不同的话，这种差别，应当是由原子在空间的不同排布所造成。
乳酸是具有旋光性的化合物，与手性碳原子相连的4个不同原子或原子团有两种不同的空间排列方式，即有两种不同的构型。将两种乳酸模型分子中的手性碳原子相互重合，再将连在该碳原子上的任何2个原子团，如甲基和羧基重合，而剩下的氢原子和羟基则不能重合。正如人的左右手关系一样，相似但又不能重合，互为实物和镜像。我们将这种彼此成实物和镜像关系，不能重合的一对立体异构体，称为对映异构体，简称对映体。产生对映体的现象称为对映异构现象。由于每个对映异构体都有旋光性，所以又称旋光异构体或光学异构体。一对对映体分为右旋体和左旋体，如（＋）-乳酸和（－）-乳酸。
5.2.5 外消旋体
通过实验我们知道，乳酸的来源不同其旋光度也不同，其中一种是在人体肌肉剧烈运动之后而产生的，它能使偏振光向右旋转，称为右旋乳酸；另一种是由葡萄糖的发酵而产生生的，它能使偏振光向左旋转，称为左旋乳酸；还有一种从酸奶中分离出的乳酸，不具有旋光性，比旋光度为零。
为什么从酸奶中分离出来的乳酸，没有旋光性，其比旋光度为零呢？这是因为从牛奶发酵得到的乳酸是右旋乳酸和左旋乳酸的等量混合物，它们的旋光度大小相等，方向相反，互相抵消，这是旋光性消失的原因。一对对映体在等量混合后，得到的没有旋光性的混合物称为外消旋体，用（±）或dl表示。如外消旋乳酸，可表示为：（±）-乳酸或dl-乳酸。