生物化学的教学中，旋光异构体，与对映异构体，二个概念很容易混淆。对此，一些教材没有很好的解释，而一些网站，如“化学自习室”，有较好的解释。

    毫无疑问，旋光异构，是由分子不对称引起的，是立体异构的一种反映。

    物质使偏振光的振动方向发生旋转的性质称为旋光性(optical activity) 。具有旋光性的物质称为旋光性物质。旋光性物质使偏振光的振动平面旋转的角度，称为旋光度，用α表示。

    从面对光线入射方向观察，使偏振光的振动方向顺时针旋转的物质称右旋体，用“+”表示，使偏振光的振动方向逆时针旋转的物质，称左旋体，用“-”表示。一定温度、一定波长的入射光，通过一个1分米长盛满浓度为 1g•ml^-1旋光性物质的盛液管时所测得的旋光度，称比旋光度，用[α]^t_λ表示。

    如果分子中含对称面或对称中心，则分子与其镜像可以完全重合，这种分子为非手性分子(achiral)；分子中不含对称面也不含对称中心时，分子与镜像不能重合，为手性分子(chiral)。非手性分子没有旋光性。凡是有手性的分子都有旋光性。分子具有手性，是引起分子旋光性的根本原因。

注意：

“手性”，不等同于“手性碳原子”

分子中有无手性碳原子，不是判断分子有无旋光性的绝对依据。分子有旋光性的绝对依据，是其具有手性。有些化合物，虽然不含有手性碳原子，但由于它有手性，也可以是光学活性物质。

    在丙二烯型化合物分子中，中间的双键碳原子是sp杂化的，两端的双键碳原子为sp²杂化，分子中的两个π键相互垂直。当两端的双键碳原子上各连有不同的原子或基团时，则整个分子没有对称面和对称中心，而具有手性。

    在联苯型化合物分子中，当苯环的邻位上各连有两个不同的较大基团时，两个苯环绕单键旋转就要受到阻碍，以致于它们不能处在同一平面上，而必须互成一定的角度，整个分子就没有对称面或对称中心，就具有手性。

   [例题] 指出下列说法正确与否（正确的打“√”，错误的打“×”）。

(1) 具有手性的分子混合后一定可观察到旋光性。（  ）

(2) 旋光性物质的分子中必定有手性碳。（  ）

(3) 含手性碳原子的分子不一定有手性。（  ）

(4) 非对映异构体具有完全相同的物理性质。（  ）

(5) 无手性的化合物可以有手性中心。（  ）

(6) 在立体化学中S表示D构型，R表示L构型。（  ）

    [解] (3) (5) 正确；(1) (2) (4) (6) 错误。

    早在1840年前后，巴斯德等人注意到某些化合物对偏振光具有旋光作用。如有两种形式的石英晶体和氯酸钾、溴酸钠等一些无机盐晶体以及樟脑、酒石酸、糖类等有机物。但发现无机盐溶于水时，旋光现象便消失，而其余的物质在溶液中仍具有旋光性。这表明无机盐类具有的旋光性是由它们的晶体结构所引起的，而不是分子本身固有的性质，当结晶形态一旦发生变化，它们的旋光性也随着消失。那些溶解于溶剂中而仍然具有旋光性的物质，表明它们的旋光性和分子本身的结构有关。

    根据巴斯德提出的一般原理，认为只要物质的内部结构（或分子结构）具有不对称性，也就是在构成物质的原子或离子之间，存在着不对称的排列状态，就会产生旋光现象。所以，上述的无机盐晶体是由离子之间排列的不对称引起旋光性，而大部分有机化合物是由分子中的碳原子，当和四个不同的原子或基团相结合时，使得在碳原子周围形成了不对称的排列，使碳原子具有的四面体型结构出现了不对称性，从而导致分子的不对称引起旋光性。

    由于晶体或分子的不对称，它们在空间就出现有两种排列的方式，它们之间呈现出犹如实物和镜象的关系[图2]，两者相互不能叠合[图3]。

    因此，它们也称为手性分子。

    分子有手性，便有对映异构现象。而它们的旋光性恰好相等，但方向相反，这称为旋光异构现象。

    关于偏振面被旋光性物质旋转的角度称为旋光度，通常以“α”表示。

    偏振面被旋转的方向，顺时针的称为右旋，逆时针的称为左旋。右旋一般用（＋）或d表示；左旋一般用（-）或l表示。

    （＋）或（-）等符号，通常往加在化合物的名称前面，并用短横线相连，以资标明（务请注意，d、l有时也用于表示构型，这是造成教学难点的一个重要原因）。

    例如：

    这里大写英文字母D和L表示构型，+或-表示旋光方向。

    上面图中，右旋乳酸的旋光度是“负”的，或者说是“左"的。而左旋乳酸的旋光度是“正”的，或者说是“右"的。

    有教材指出：如果分子不能与其镜像完全重叠，该分子就具有旋光性。这种实物与其镜像不能完全重叠的性质，称为分子的手征性，简称手性。具有手性的分子叫做手性分子，手性分子都具有旋光性。

    判断一个分子是否具有手性，一般可考察它是否有对称面或对称中心等对称因素。判断一个化合物是否有旋光性，要看该化合物是否为手性分子。如果是手性分子，则该化合物一定有旋光性。如果是非手性分子，则没有旋光性。分子的手性是化合物产生旋光性充分和必要条件。

    判断一个分子是否具有手性最简便方法是考察其是否具有手性碳原子。与四个不同基团相连的碳原子称为手性碳原子。

    多数旋光性物质分子中存在手性碳原子，但含手性碳原子的分子不一定都具有手性，不含手性碳原子的分子也不一定不具手性。

    分子的构型可用D/L或R/S标记法确定。

    用D/L标记法确定分子的构型时，将费歇尔投影式中手性碳原子横线上的两个原子或基团中较大这者在右侧的构型叫做D-构型，在左侧的叫做L-构型。用R/S标记法确定分子的构型时，按次序规则将手性碳原子上的四个原子或基团排序，将排在最后的原子或基团放在离眼睛最远的位置，按先后次序观察其余三个原子或基团的排序走向，顺时针排列的叫做R-构型，逆时针排列的叫做S-构型。

    D/L标记法在糖类和氨基酸构型的标记仍普遍采用，对于含多个手性碳原子的其它类化合物，一般采用R/S标记法。

    1. 相对构型表示法（D, L表示法）Relative configuration

    2. 绝对构型表示法（R, S表示法）Absolute configuration

    结论：当最小基团处于横键位置时，其余三个基团从大到小的顺序若为逆时针，其构型为R；反之，构型为S。

    当最小基团处于竖键位置时，其余三个基团从大到小的顺序若为顺时针，其构型为R；反之，构型为S。

    当分子中含有n个不相同的手性碳原子时，理论上有2ⁿ个对映异构体 ，它们可以组成2^n-1对外消旋体。如果分子中含有相同的手性碳原子，其对映异构体的数目小于2ⁿ个。例如，2，3-二氯戊烷有四个旋光异构体。

    上述构型异构体组成两对对映体，Ⅰ与Ⅱ，Ⅲ与Ⅳ，分别组成两个外消旋体。在四个构型异构体中，Ⅰ与Ⅲ、Ⅳ或Ⅱ与Ⅲ、Ⅳ，各化合物不呈镜象关系，这种分子构型间不呈镜象关系的旋光异构体称为非对映异构体，简称非对映体。除旋光性外，对映体的物理、化学性质都相同。对于非对映体来说，它们分子中的原子或基团间的相对距离及相互影响都不同，因此，非对映体间的物理、化学性质不同。

    2，3-二羟基丁二酸（俗名酒石酸）有三个旋光异构体，Ⅰ和Ⅱ是一对对映体；Ⅲ和Ⅳ也呈镜象关系，但如果把Ⅲ在纸面上旋转180°后即得到Ⅳ，它们是同一个物质。Ⅰ或Ⅱ与Ⅲ是非对映体。Ⅰ和Ⅱ等量混合可以组成外消旋体。Ⅲ由于分子内存在对称面，无旋光活性，称为内消旋体，用meso-或i-表示。

内消旋体和外消旋体是两个不同的概念。

虽然两者都不显旋光性，但前者是纯净化合物，后者是等量对映体的混合物，它可以用化学方法或其它方法分离成纯净的左旋体和右旋体。

构型（D/L或R/S）和旋光方向（＋或－）是两个不同的概念，两者没有必然的联系，例如D-（+）-甘油醛和D-（-）-乳酸。D/L和R/S分别为两套不同的构型标记方法，它们之间也没有必然的联系。

    （1）将旋光仪接于220V交流电源。开启电源开关，约5分钟后钠光灯发光正常，就可开始工作。

    （2）检查旋光仪零位是否准确，即在旋光仪未放试管或放进充满蒸馏水的试管时，观察零度时视场亮度是否一致。如不一致，说明有零位误差，应在测量读数中减去或加上该偏差值。或放松度盘盖背面四只螺钉，微微转动度盘盖校正之（只能校正0.5°左右的误差，严重的应送制造厂检修）。

    （3）选取长度适宜的试管，注满待测试液，装上橡皮圈，旋上螺帽，直至不漏水为止。螺帽不宜旋得太紧，否则护片玻璃会引起应力，影响读数正确性。然后将试管两头残余溶液揩干，以免影响观察清晰度及测定精度。

    （4）测定旋光读数：转动度盘、检偏镜、在视场中觅得亮度一致的位置，再从度盘上读数。读数是正的为右旋物质，读数是负的为左旋物质。

    （5）采用双游标读数法可按下列公式求得结果：

     Q=(A+b)/2

    式中：A和B分别为两游标窗读数值。如果A=B，而且度盘转到任意位置都符合等式，则说明旋光仪没有偏心差（一般出厂前旋光仪均作过校正），可以不用对项读数法。

    （6）旋光度和温度也有关系。对大多数物质，用λ=5893A°（钠光）测定，当温度升高1℃时，旋光度约减少0.3%。对于要求较高的测定工作，最好能在20℃±2℃的条件下进行。

    图一：1.光源 2.毛玻璃 3.聚光镜 4.滤色镜 5.起偏镜 6.半波片 7.试管 8.检偏镜　9.物、目镜组 10.调焦手轮 11.读数放大镜 12.度盘及游标 13.度盘转动手轮

    从光源（1）射出的光线，通过聚光镜（3）、滤色镜（4）经起偏镜（5）成为平面偏振光，在半波片（6）处产生三分视场。通过检偏镜（8）及物、目镜组（9）可以观察到如图二所示的三种情况。转动检偏镜，只有在零度时（旋光仪出厂前调整好）视场中三部分亮度一致（如图二b）。

    图二　a.大于（或小于）零度的视场 b.零度视场 c.小于（或大于）零度视场

    当放进存有被测溶液的试管后由于溶液具有旋光性，使平面偏振光旋转了一个角度，零度视场便发生了变化（如图二a或c）。转动检偏镜一定角度，能再次出现亮度一致的视场。这个转角就是溶液的旋光度，它的数值可通过放大镜（10）从度盘（11）上读出。

    测得溶液的旋光度后，就可以求出物质的比旋度。根据比旋度的大小，就能确定该物质的纯度和含量了。

    为便于操作，旋光仪的光学系统以倾斜20°安装在基座上。光源采用20瓦钠光灯（波长λ=589.3 nm）。钠光灯的限流器安装在基座底部，毋需外接限流器。旋光仪的偏振器均为聚乙烯醇人造偏振片。三分视界是采用劳伦特石英板装置（半波片）。转动起偏镜可调整三分视场的影荫角（旋光仪出厂时调整在3°左右）。

    旋光仪采用双游标读数，以消除度盘偏心差。度盘分360格，每格1°，游标分20格，等于度盘19格，用游标直接读数到0.05°（如图四）。度盘和检偏镜固为一体，借手轮（1）能作粗、细转动。游标窗前方装有两块4倍的放大镜，供读数时用。