「分子有手性是因为分子内有手性碳」，这种说法正确吗？你怎么看分子的手性和手性分子的关系？ 第1页

其他回答基本都举了反例，那我来讲讲故事。

我记得我高中的时候这块内容不是重点，手性碳很好理解，老师也知道内消旋的例子。后来在一个喷高中化学伪科学帖子的指路下，才知道近几年经常有人问这个问题是因为2017年课标改了。

看完一圈后才知道，原来是我过时了，追不上高中化学群魔乱舞的速度了。上面这图来自《高中新旧课程标准教学要求比较》^[1]，知道内消旋的例子就应该知道“凡含有手性碳原子的物质一定具有光学活性”这句话是错的。

现在定义的“手性”指的是一个物体不能与自己的镜像相重合。^[2]

这个概念来自物理学中的旋光性——物体具有旋光性，则其结构不能具有空间反演不变的性质。

对于小分子而言基本可以理解成分子即使经过旋转或平移后也无法和自己的镜像重合则有旋光性。^[3]

“凡含有手性碳原子的物质一定具有光学活性”这个说法的反例就是下面的内消旋。实验证明这个分子没有光学活性，但是有手性碳。

而“分子有手性的原因是因为分子内有手性碳”的反例就是下面这种螺旋式的结构，实验证明有光学活性，因为没法和镜像重合所以有手性，但没有手性碳。

下面就讲讲有机化学里怎么生出“手性碳”这个怪胎的。

1801年，法国人阿雨Rene Just Hauy 和阿拉果Francois Arago 发现了石英的旋光性。

1815年，法国人毕奥Jean-Baptiste Biot 发现了天然有机物非晶态下的旋光性，包括樟脑、松节油、蔗糖和酒石酸。毕奥之后提出了“molecular rotatory polarization”分子螺旋极化理论。

1820年，英国人约翰·赫歇尔John Herschel 提出毕奥观察到的现象是因为一些分子对称性缺失。不过这篇文章知道的人不多。

以上几位通常会出现在物理教材和晶体学专著中，还没化学什么事。而他们通过实验观察和理论推导得出的解释现在看来也是正确的。

1848年法国化学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur，提出巴氏杀菌法的那位）研究了酒石酸盐的晶体及水溶液的旋光现象，从而得出物质的旋光性与分子内部结构有关的结论，并提出了对映异构体的概念。他这方面最有名的实验就是在显微镜下手工分离两种酒石酸盐晶体

阿雨的学生的Delafosse是巴斯德的矿物学讲师，巴斯德从中了解了对阿雨对旋光性的理解。不过巴斯德的年代分子结构的研究非常有限，他根据自己和阿雨对石英旋光性的理解，在不知道约翰·赫歇尔的对称性缺失理论的情况下，他也认为对称性在旋光中发挥了重要作用，所以他使用的是“不对称(dissymmetry)”这个词描述旋光现象。但因为当时分子内部结构不清楚，巴斯德之后不再研究这个领域了。

几十年后，李比希的学生们构建了有机结构理论，但他们认为分子是平面的，比如下面这个平面甲烷模型。这样的分子肯定有一个对称面，所以他们也解释不了旋光性问题。

1874年凯库勒的学生荷兰人范特霍夫 van' t Hoff 和法国人 Joseph Achille Lebel 各自提出了碳四面体理论，并解释了不对称碳原子的问题，这段邢大本上也有。

van' t Hoff 和 Joseph Achille Lebel的出发点不同，前者是为了完善凯库勒的理论，后者是解释巴斯德的研究结果，但都得到了相近的结论。不过要注意丙二烯衍生物这个没有手性碳但是有手性的例子是范特霍夫提出的，所以“分子有手性是因为分子内有手性碳”这种说法1874年提出手性碳概念的人都知道是错的。

凯库勒学建筑学出身，而范特霍夫物理非常好（因为Kolbe等人的反对，范特霍夫两年没找到教职，后来去研究物化了），他们对于旋光和对称性的理解是正确的。

范特霍夫他们的推理逻辑是：酒石酸等分子因为含有手性碳，所以对称性缺失（不对称），因此有旋光性（光学活性）。两个概念根本不是一回事。

但理解不了晶体学、光学和对称性理论的有机化学家，渐渐的把手性碳和旋光性直接挂钩。1894年，Lord Kelvin （就是威廉·汤姆逊）提出“手性chirality”的概念后，这个领域的概念更混乱了。

对称性缺失、不对称、手性、光学活性、旋光性这几个概念，不同的人有不同的解释，产生了巨大的混乱。

• 一种理解是有手性碳的分子不一定是手性分子，手性分子一定有光学活性（看起来很奇怪的表述，但一般情况下是正确的，极端的结构手性分子也不一定有光学活性）。
• 一种理解是有手性碳的分子是手性分子，手性分子一定有光学活性（这是不知道内消旋的）。
• 一种理解是有手性碳的分子是手性分子，但手性分子不一定有光学活性（比如内消旋）。
• 反过来，有人还认为分子有手性的原因是分子内有手性碳。
• 还有更复杂的问题，比如外消旋的结晶算不算分子没有光学活性？

忘记之前在哪本稗官野史上看到的故事。一个有机化学家和晶体学家合作研究一种有机铵盐的结晶，这个化合物没有手性碳，但结晶有旋光性。有机化学家大为不解，他把疑惑和晶体学家讨论后，晶体学家震惊于20世纪还有现代学科对“手性”持这种浅薄无知的理论，解释完旋光性起源后发评论建议说化学系应该在基础课中补充对称性的知识。

其实有机化学家也没那么的无知，只是有的人知道手性碳和手性的具体关系，有的被名词绕晕了。而化学领域正视这个问题，想要厘清这些概念，要到上世纪八十年代的一篇JACS。

摘要指出

立体异构与局部手性之间的传统联系，如“不对称碳原子”或“手性元素”，是现代立体化学概念混乱的根源。分子片段必须从两个不同的方面来看待：它们作为立体单元的特性和它们的局部对称性。第一种是依赖于键连接性（结构）的，建立在图论和置换群论之上，而第二种是独立于结构的，建立在对称群理论之上。虽然这两个方面在原则上是不同的，并且目的不同，但它们在规则四面体中心的情况下碰巧重叠了。正是由于这个原因，手性和立体生成性的概念在有机立体化学中联系最为密切，在有机立体化学中，手性中心起着主导作用。本文阐明了立体化学的概念，揭示了立体化学术语的新含义，并对自范特霍夫时代以来引入立体化学的一些概念作了事实上的处理。为了完成立体化学理论的分析，我们提出了一种新的前手性处理方法。建立了一个理论框架，根据对称性将前手性的三类中的一类归属于任何非手性分子模型。

国内一些教材讲手性喜欢从对称性群讲起大概就是从这篇JACS学的。

而资料中指出明确不鼓励使用“手性碳”概念的教材是90年代出版的Modern physical organic chemistry 。

手性碳概念的混乱概念厘清要到上世纪末，国内教材补充局部不对称-整体不对称关系和对称性群的时间更晚。所以，高中老师认为手性碳和手性相关，甚至和旋光性相关也很正常，他们学的时候可能就是这么表述的。

其实一般人对手性的理解有问题也无所谓了，知道高中化学不靠谱就好了。前段时间有人科普浓硫酸、溴灼伤应该有水冲，还有评论说是“乱科普”那高中教材说“应该先用抹布擦”“先用苯濯洗”，这就是太把高中化学看得太重了。

现在大一很多化学教材中有介绍对称性问题的章节，化学竞赛好像也考对称性了，这个内容说不定再过几年就结合晶体的对称性进高中课标了。

本回答还参考了：

1. Joseph, Gal. ChemInform Abstract: Molecular Chirality: Language, History, and Significance. Cheminform, 2015.
2. Busch K W , Busch M A . Chiral Analysis. Elsevier Science, 2006.

参考

1. ^ 《高中新旧课程标准教学要求比较 数学》,作者:方勇,出版社:华东师范大学出版社
2. ^ https://baike.baidu.com/item/手性/9237045?fr=aladdin
3. ^ 这个说法等价于结构中没有Sn轴，则具有手性。其中S₁相当于一个镜面反射(一般记为σ)，而S₂相当于一个中心对称一般记为i) 。更进一步的表述是“所有的手性分子可被归于下列五个点群中的一个: Cn、Dn、T、O或I”。当面这两个表述除了炫耀自己学过分子点群外，意义不大，但国内真有大学教材是这样故弄玄虚的，所以这个概念被妖魔化也不奇怪。