●　咖啡：溶剂萃取

洗漱完成，身体还香香的。一切都整理好后，你走出浴室来到厨房。早上的胃口还不错，美好的一天从一顿优质的早餐开始。

首先要为自己准备一杯咖啡。但你从来没有想到的是，无论你以哪种方式煮咖啡（用经典的摩卡咖啡壶，用意式浓缩咖啡壶，用那不勒斯咖啡壶，用美式咖啡机，用土耳其咖啡壶或其他任何方式），在这个过程中都会进行一个典型的化学实验操作：溶剂萃取。一般来说，溶剂萃取就是利用需要分离的组分与溶剂中其他物质（化学家称为基质）的溶解度不同，从中分离出这种（某些情况下为多种）组分。一些热带咖啡属植物的种子，经烘焙、研磨后就成了咖啡粉。就咖啡而言，基质就是咖啡粉，溶剂就是咖啡壶中加入的热水。你每天早上（并且还不只早上）喝得津津有味的饮料实际上就是一杯溶解有咖啡粉中水溶性物质的溶液。

众所周知，咖啡品种繁多，最常用的是阿拉比卡咖啡豆（coffea arabica）和罗布斯塔咖啡豆（coffea canephora），它们具有不同的化学特性和感官特征。因此，咖啡饮料的成分取决于混合咖啡的种类和制备方法。

●　咖啡的成分及其特点

无论所使用的混合咖啡的类型和制备方式如何，咖啡中始终存在有咖啡因。化学家用难懂的专业名称1,3,7-三甲基黄嘌呤来表示咖啡因，或者根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC，International Union of Pure and Applied Chemistry）的官方命名法，用更生僻的名称1,3,7-三甲基-1 H-嘌呤-2,6（3H,7H）-二酮来表示。

咖啡因是一种生物碱，也就是一种具有碱性特征（因为其化学结构中存在氨基）的物质，有特殊的生理作用。咖啡因除了存在于咖啡中，还存在于可可树、茶叶、可乐果、巴拉奎冬青和瓜拿纳树以及由它们制成的饮料中。茶叶和瓜拿纳树中分别含有茶素（theine）和瓜拿纳因子（Guaranine），这些特殊成分的作用与咖啡因相似。

咖啡因具有兴奋中枢神经的作用，可使人上瘾（咖啡因中毒）。咖啡因的分子结构（图7）与腺嘌呤（adenine）相似。腺嘌呤是存在于核酸，即DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）中的含氮碱基。腺嘌呤又与一种叫核糖（ribose）的分子相连，形成腺苷（adenosine）。腺苷是核苷（nucleoside）的一种，是核酸的重要成分。咖啡因可作为腺苷受体（位于细胞膜上）的竞争性拮抗剂。通过这种方式，可以促进特殊激素，如肾上腺素（adrenaline）和去甲肾上腺素（noradrenaline）的释放。这些激素会刺激交感神经系统，从而使心率加快、肌肉的血流量增加、基础代谢率提高，进而让身体处于兴奋状态，帮助提高反应力与注意力。这就是咖啡可以让你提神醒脑的原因。

图7　咖啡因的分子结构

过量摄入咖啡因对人体有害，甚至致命。人类服用咖啡因的半数致死量（median lethal dose， LD50）[27]约为150毫克/千克。这是一个很高的剂量，因为一杯咖啡只含有约85毫克咖啡因。因此一个70千克的人必须一次性喝下120多杯咖啡才能达到半数致死量！

我们说过，咖啡的咖啡因含量首先取决于所使用的咖啡类型。罗布斯塔品种的咖啡豆的平均咖啡因含量高于阿拉比卡品种的咖啡豆。而同样的混合配比，咖啡因的含量也会因制作方式的不同而有所差异。咖啡中咖啡因含量最小的是浓咖啡（约60毫克），因为少量的水只能萃取少量的咖啡因。相反，在淡咖啡中加的水较多，因此咖啡因的含量也就增加了（80～100毫克）。另外，在浓咖啡中，咖啡因之外的其他物质的浓度更高，从而使咖啡的香味更浓郁。如果是以盎格鲁-撒克逊人的方式制作咖啡，一杯200毫升的咖啡就含有约250毫克的咖啡因。

关于咖啡因以及咖啡潜在的危害大家众说纷纭。对于“咖啡是坏还是好”这个问题，我们很难有一个明确的答案[28]。但从目前所有已知的研究中可以得出：一天的摄入量控制在3杯以内，好处是大于坏处的，比如可以提高警觉性、集中注意力和增强记忆力，同时可以抗疲劳，抗偏头痛，或许还可以抗帕金森病和阿尔茨海默病（对于3杯的量只有比较敏感的人群会失眠，感到紧张、心悸）。只要保持在每天5杯以下，就可以明显降低血管梗塞、高血压和高胆固醇血症的发病率。如果超过这个量（6～10杯或更多），患心脏病的风险可能会增加，虽然没有确切的数据可以证实，但我们这样猜测也是合理的。此外，孕妇（特别是在怀孕中期）每天摄入超过6杯咖啡，可能会增加流产和新生儿体重不足的风险。

然而，抛开这些临床数据不谈，很多咖啡爱好者都会选择脱因咖啡，这是一种几乎不含咖啡因的咖啡（去除率达95%～97%）。为了达到脱因效果，我们同样得采用溶剂萃取法。1905年，为咖啡贸易股份公司（Kaffee-Handels-Aktien-Gesellschaft）工作的德国人路德维希·罗斯留斯（Ludwig Roselius），在不来梅（Brema）首次实现了咖啡脱因的操作。脱因后的咖啡产品随后被商业化，以公司名称的缩写HAG为商标名，至今该品牌仍在经营当中。在过去，我们使用氯化烃，如二氯甲烷（dichloromethane）作为提取咖啡因的溶剂，因为咖啡因可溶于这种溶剂，而其他赋予咖啡香味的成分则对此溶剂表现出不溶性。这样的工业技术能使最终的咖啡产品中没有明显的溶剂残留。但是，由于氯化烃通常具有毒性，一段时间之后人们就放弃了此方法。如今，几乎所有制备脱因咖啡的工艺都是利用超临界条件下的二氧化碳作为萃取溶剂。当二氧化碳在温度和压力下维持在所谓的临界值以上时，就会出现超临界状态。临界温度是指在该温度以上物质不能以液态存在的温度。在临界温度下液化气体所需的压力称为临界压力。二氧化碳的临界温度和临界压力分别为31.1℃和7.38兆帕。超临界条件下的流体具有独特的性质，一些类似于**（例如密度），而另一些则类似于气体（例如黏度）。此外，超临界二氧化碳还是一种极好的非极性溶剂，能够溶解（因此也可以萃取）咖啡因等有机化合物。萃取结束后，只要改变温度和压力，二氧化碳就会恢复为气体，并且不会在得到的脱因咖啡和萃取出的咖啡因中有任何的残留，而且这些咖啡因也可用于制药业。

但脱因咖啡真的比普通咖啡更好吗？医学界众说纷纭。一些研究表明，脱因咖啡与普通咖啡不同，不会增加心脏病风险，并且对脑细胞还有保护作用。但这些有益的作用也可能来自咖啡因之外的成分，比如咖啡中存在的抗氧化剂就可以改善血管内细胞的完整性和功能。但根据其他研究，脱因咖啡反而可能会引起心脏问题，因为不断饮用会导致血清低密度脂蛋白（low density lipoprotein， LDL），也就是所谓的“坏的胆固醇”增加。但由于咖啡因的保护性拮抗作用，这种情况不会发生在普通咖啡中。另外，考虑到高剂量的咖啡因会导致孕妇流产和新生儿体重不足，也有很多人建议孕妇使用脱因咖啡。我们在评估咖啡的优缺点（不管是否含有咖啡因）时，也存在类似的不确定性，这是因为有喝咖啡习惯的消费者通常也抽烟喝酒，所以就很难分辨出咖啡真正的效果。不过，最好的办法就是大家都理智一点，不要喝太多的咖啡。如前面所说，每天只要不超过3杯咖啡（不管是否含咖啡因），你的身体就不会面临重大的健康风险。

除了咖啡因，咖啡中还有许多其他物质。其中主要有咖啡酸（caffeic acid）、绿原酸（chlorogenic acid）、阿魏酸（ferulic acid）、奎宁酸（quinic acid）衍生物（在烘焙过程中形成）、葫芦巴碱（trigonelline）和烟酸（niacin）。这些物质具有抗氧化、抗糖尿病、抗胆固醇和抗甘油三酸酯的作用。

●　茶的特点、柠檬的添加、酸碱指示剂

如果你喜欢用茶代替咖啡作为早餐的饮料，你可能也会对茶的一些知识感兴趣。茶和咖啡一样，都含有咖啡因。有人称茶中的咖啡因为茶素，这其实只是一种语言上的自由选择。在化学中，我们只说咖啡因，因为这种物质最早就是在咖啡中发现的，后来才在茶叶和其他产品中发现。但茶叶中的其他物质使茶水中咖啡因的吸收速率比喝咖啡时慢。因此，喝茶时，咖啡因的作用在时间上更持久；而喝咖啡时，咖啡因的作用立竿见影，但很快就会消失。

茶叶中还含有大量的特殊物质——多酚（polyphenol）。多酚对细胞有抗氧化、抗衰老的作用，根据一些研究，甚至还有抗肿瘤的作用。另外还有一种物质叫茶氨酸（theanine），它具有镇静作用，因此可以缓和咖啡因的神经刺激作用。最后，茶叶中的精油成分除了具有令人愉悦的香气，还具有消毒和消化作用。

咖啡因的含量因茶而异。咖啡因含量最多的是红茶。它由茶（Camellia sinensis）的叶子经过长时间的加工（萎凋、摇青、揉捻、干燥）制成。这些过程中会有新的氧化物形成，使茶叶的颜色变深。其中有种氧化物叫作茶红素（thearubigins），可以使浸泡出来的红茶呈现出典型的橙红色。绿茶的加工步骤要少一点，且多酚含量较高。白茶由茶树的芽头制成，多酚含量更高。最后还有一种，叫作乌龙茶或青茶。“乌龙”一词字面意思为“黑龙”，它是一种主要产于中国的半发酵茶。

很多喝茶的人喜欢在里面加一点牛奶，但这种做法似乎并不可取。发表在《欧洲心脏病杂志》（European Heart Journal）[29]上的一项研究表明，牛奶的添加可能会使茶水中对血管有保护作用的抗氧化剂失效。因为牛奶中的蛋白质（也包括豆浆中的蛋白质）会与抗氧化分子结合，使其无法发挥作用。但在茶中加入柠檬似乎就没有任何禁忌。如果你曾经将柠檬汁挤进过红茶中，可能已经注意到了这种奇特的现象：加入柠檬汁后，茶的色泽会明显变浅。如果你之前碰巧观察到了这一点，你得知道你目睹的这种现象被化学家称为酸碱指示剂的颜色变化。

酸碱指示剂（acid-base indicator）是一种特殊的物质，它会根据所接触溶液的pH值而呈现不同的颜色。pH值由丹麦化学家索伦·索伦森（S?ren S?rensen）于1909年提出，用于表示溶液酸碱性程度。数学上定义pH值为溶液中存在的H3O+（水合氢离子）浓度的负对数。pH = 7的溶液是中性，也就是说H3O+的浓度和OH-（氢氧根离子）的浓度相等。如果pH＜7，则溶液呈酸性，即H3O+的浓度大于OH-的浓度。如果pH＞7，则溶液呈碱性，即H3O+的浓度低于OH-的浓度。许多酸碱指示剂都是从植物中提取出来的。我们前面提到的使茶叶呈现出特定淡红色的茶红素就是一种酸碱指示剂。柠檬汁含柠檬酸（citric acid）而呈酸性，因此柠檬汁的添加会降低茶的pH值。pH值降低会使茶红素的颜色发生变化（变色），茶水颜色变浅。

从植物提取的酸碱指示剂中，最常见的是从地衣植物中提取出的石蕊（litmus）。如果将不同的指示剂混合，就可得到通用指示剂。通用指示剂可以通过将混合物呈现出的颜色与先前校准的色标颜色进行比较，以此来估计溶液的pH值。另外，为了更精确地测量pH值，我们会使用一种特殊的仪器：pH计。它的工作原理就是特定电极的电势取决于它所浸泡的溶液的pH值。

●　糖：概述、单糖和多糖、光合作用、蜂蜜、旋光异构体

无论你喜欢喝咖啡还是喝茶，加点糖都能让两种饮料更好喝。我们口中的糖实际上是糖类[也叫碳水化合物（carbohydrate）]这个大家族的众多成员之一。很多人都知道普通食用糖的正确名称是蔗糖（sucrose），或者用更准确但也更复杂的名称4-O-（β-D吡喃半乳糖基）-D-吡喃葡萄糖[4-O- (β-D-Galactopyranosyl)-Dglucopyranose]表示。

蔗糖属于二糖（disaccharide），由一分子葡萄糖（glucose）和一分子果糖（fructose）通过糖苷键结合在一起，其分子结构见图8。而葡萄糖和果糖都是单糖（monosaccharide），因为它们的分子不能分解成更简单的糖。其他的单糖有：阿洛糖（allose）、半乳糖（galactose）、甘露糖（mannose）、山梨糖（sorbose），也有核糖和脱氧核糖（deoxyribose），它们分别是RNA和DNA的组成成分。除了名称以-糖（-ose）结尾，从分子结构上看，这些单糖也有相似之处。它们的分子结构中要么有一个醛基（aldehyde），要么有一个酮基（ketone）。醛基由一个碳原子、一个氢原子及一个双键氧原子组成。酮基比醛基少一个氢原子。具有醛基的单糖称为醛糖（aldose），具有酮基的单糖称为酮糖（ketose）。除了这些基团中的碳原子，单糖分子中还存在与氢原子和羟基（-OH）相连的其他碳原子。一般来说我们可以用通式CnH2nOn来表示单糖，其中n ≥ 3。通式中的H2nOn部分也可写成（H2O）n。大家都知道H2O是水的分子式，所以也就可以理解为什么糖类也叫碳水化合物了。

图8　蔗糖的分子结构

根据碳原子数目，单糖还可以分为丙糖（triose， 3个碳原子）、丁糖（throse， 4个碳原子）、戊糖（pentose， 5个碳原子）、己糖（hexose， 6个碳原子）等。比如葡萄糖就是己醛糖，因为它有醛基和6个碳原子（包括醛基的碳原子）；而果糖是己酮糖，它有酮基和6个碳原子（包括酮基的碳原子）；核糖和脱氧核糖则属于戊醛糖。

借助一些仪器，我们现在可以很容易就确定糖的分子结构，虽然这些结构现在都是已知的，但在过去，想要成功推测出这些分子结构对于化学家来说是一个智力大挑战。1884—1894年，德国化学家赫尔曼·埃米尔·费歇尔（Hermann Emil Fischer，1852—1919）首次确定了葡萄糖（后来还确定了其他糖的结构）的分子结构。费歇尔仅仅根据葡萄糖化学性质的研究，并运用可以奉为典范的逻辑推理，就能准确地指出分子内所有原子是如何结合的。这是人类鲜为人知的智慧结晶。正因为这些研究，费歇尔在1902年获得了诺贝尔化学奖。

单糖两两结合可以形成二糖，除此之外，多个单糖分子结合还可以形成长链分子[聚合物（polymer），见第三章第2节拓展：高分子化学]。这种由多个单糖聚合而成的化合物称为多糖（polysaccharide）。最重要的多糖肯定是淀粉（starch）、纤维素（cellulose）和糖原（glycogen）。淀粉是植物体内的储能物质；纤维素是构成植物支撑组织的基础；糖原则是包括人在内的动物的储能物质，主要存在于肝脏中。上述3种多糖都是由葡萄糖分子聚合而成的，但葡萄糖分子结合方式的不同决定了这3种多糖的性质存在很大的差异。

现在化学家已经可以在实验室制糖了。但我们所使用的和世界上存在的很大一部分糖都是由绿色植物通过一种叫作光合作用（Photosynthesis）的特殊化学反应合成的。利用太阳光和叶子的叶绿素（分子结构中心含有镁原子的复杂分子），植物能够通过以下反应将根部吸收的水分和空气中的二氧化碳转化为葡萄糖：

6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2

据估计，光合作用每年可将大气中约1.15×1014千克的碳转化为生物质[30]。上面的化学反应看起来简单，但它其实是一个极其复杂的过程，涉及许多物质的转化。

20世纪初，英国植物学家弗雷德里克·弗罗斯特·布莱克曼（Frederick Frost Blackman， 1866—1947）发现光合作用主要分两个阶段进行。在第一个阶段，叶绿素分子吸收阳光，被激发出高能电子，从而提供了将二磷酸腺苷（adenosine diphosphate， ADP）转化为三磷酸腺苷（adenosine triphosphate， ATP）以及产生还原型辅酶Ⅱ（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate， NADPH）分子所需的能量。同样在这一阶段，水分子的分解还会产生H+、氧气和填补叶绿素分子空穴的电子。在第二阶段，会经过一个被称为卡尔文-本森循环（Calvin-Benson Cycle）的特殊过程，该循环以美国化学家梅尔文·卡尔文（Melvin Calvin， 1911—1997， 1961年因对光合作用的研究而获得诺贝尔化学奖）和美国生物学家安德鲁·阿尔姆·本森（Andrew Alm Benson， 1917—2015）的名字命名。通过这个循环可将ATP和NADPH分子中积累的能量用于制造葡萄糖分子。然后，葡萄糖就可以合成我们在植物中发现的其他复杂的糖类，包括二糖和多糖。

光合作用不仅负责生产出我们星球上的所有生物质，而且还会制造氧气，就像我们在前面光合作用阶段看到的那样。虽然氧气是光合作用的副产品，却是我们生存的必需品。

我们再回到蔗糖，它主要是从甜菜或甘蔗中提取。我们通过特殊的工艺流程首先会得到原糖（raw sugar），但由于含有杂质，原糖颜色偏黄，然后再加工精炼成精糖或白糖。一段时间以来，优先选择原糖已成为人们的一种时尚。但实际上，与精糖相比，原糖没有任何优势。它们的分子结构是相同的，原糖中含有杂质，所以就多了一些矿物质盐和抗氧化分子，但它们的含量很少，并不会对健康有太大作用。

当我们食用蔗糖后，我们的身体会将其分解为单糖：葡萄糖和果糖。这个过程称为蔗糖的水解。我们也可以用酸（比如盐酸）来处理蔗糖的水溶液，这样也可以使蔗糖水解。在水解过程中，将葡萄糖和果糖分子连接在一起的糖苷键被破坏，水分子也会分解，以恢复每个单糖分子上的羟基。蔗糖的水解反应会表现出一种特殊的性质。在第一章第1节中我们提到过偏振光。如果我们将一束偏振光射入蔗糖水溶液中，光束就会从向右旋转的偏振面射出。溶液的旋光度取决于各种因素，如溶液的浓度、光源波长和温度。但无论在哪种情况下，光束的旋转方向都是向右的，因此我们说蔗糖溶液是右旋物质（dextro-rotatory substance）。如果我们进行蔗糖的酸水解，会惊讶地发现，得到的葡萄糖和果糖的混合物会将光的偏振平面向左旋转，也就是说得到的混合物是左旋物质（levo-rotatory substance，拉丁语laevus意为“左”）。所以我们将蔗糖水解得到的产物称为转化糖（invert sugar）。因为葡萄糖是右旋性物质，果糖是左旋性物质，但果糖的旋转力在绝对值上大于葡萄糖，所以这两种单糖（各占50%）的混合物总体呈现出左旋光性。转化糖的甜度比蔗糖更高，约高出蔗糖甜度的25%。所以转化糖常用来代替蔗糖生产果酱、蜜饯、水果糖浆及其他食品。转化糖也是蜂蜜的主要成分。蜜蜂会产生一种特殊的酶，恰巧就叫作转化酶（invertase），它可以水解从花朵中采集的蔗糖，从而产生转化糖。除转化糖外，蜂蜜中还含有许多其他物质，如微量元素（如铜、铁、碘、锰、硅、铬）和维生素（A、E、K、C及B族）。此外，还含有具有杀菌[如甲酸（formic acid）]和抗菌[如防御素-1（defensin-1）[31]]特性的酶和物质。这些物质能够使蜂蜜得以长期保存，这也是为什么蜂蜜曾经被用作治疗割伤和烧伤的抗菌剂。

●　西梅干和渗透作用

当你一口一口抿着咖啡（或茶）时，你的目光落在了洗碗槽旁的架子上。上面有一个装满水的杯子，里面还有前一天晚上妻子放进去的西梅（很容易能想到这是为什么）。你清楚地记得西梅干是干瘪发皱的，但现在却圆圆润润的。这是发生了什么事呢？原来这是化学家们都知道的渗透作用导致了干瘪的西梅干膨胀，而渗透现象在自然界中也极为常见。1748年，法国修道院院长、物理学家让·安托万·诺莱特（Jean-Antoine Nollet， 1700—1770）发现了这一现象。他用猪**膜将两个分别装有纯净水和另外一种溶液的容器分开。一段时间后，诺莱特观察到溶液的液面上升，而纯净水的液面下降。这说明有一部分的水会自行透过膜扩散到另一侧来稀释溶液。若是使用两种不同浓度的溶液也会得到这样的结果：水总是从低浓度向高浓度流动。为了解释所观察到的现象，我们可以假设水是在一定压力下被推着通过膜，到了某一程度，由于这个内部压力和两种**的液位差产生的静水压之间达到了平衡，所以就停止了流动。这种现象被称为渗透（osmosis）。因为在希腊语中?σμ??（osmós）是“推”的意思，推动水透过膜的压力称为渗透压（osmotic pressure）。要使渗透作用发生，所用的膜就必须具有半透性，即只能让溶剂分子通过，而不会允许溶质分子通过。许多来源于动植物的天然膜都具有此特性，当然，我们也可以人工制备。在实际过程中，它们就像一个有选择性的过滤器，允许一些分子通过，而另一些则不能。所以，正是渗透作用使西梅干膨胀起来。水果的表皮（以及单个细胞的膜）具有半透性，它允许水通过，去稀释由糖和其他物质浓缩组成的内部汁液。如果此时你把膨胀的西梅放在浓度很高的溶液中（糖、盐或其他溶液），过一段时间它就会瘪下去，因为此时水的流动方向是相反的，是从西梅内部流向外部溶液。将食品保存在盐水中（橄榄、凤尾鱼等）或高糖糖浆中（果酱、蜜饯等）的时候，也会发生这种情况。这种条件下食物能长期保存，因为浓缩的溶液（在高渗透压下）抑制了微生物的生长，使它们找不到维持生命机能的水。

渗透压遵循一个与气体状态方程（equation of state）非常相似的定律。渗透压取决于单位体积溶液中的溶质颗粒的数量，而且还受温度影响。浓度较高的溶液（因此渗透压也高）称为高渗溶液（hypertonic solution），浓度较低的溶液称为低渗溶液（hypotonic solution），当两种溶液的渗透压相同时，它们被称为等渗溶液（isotonic solution）。医学上使用的普通生理溶液（用于输液和其他用途）就与血浆等渗。这种溶液实际上是浓度为0.9%的氯化钠溶液。

渗透现象在自然界中非常普遍，如植物根部吸收养分、鱼鳃从水中吸收氧气、细胞之间的水交换、我们肾脏中的渗透过程、透析等许多现象都是渗透作用造成的。反渗透设备是渗透作用的一个特殊应用，我们将在第三章第1节里进行讨论。

拓展：立体化学

如果我们想对生命过程的化学打开一线希望，就必须在很大程度上诉诸立体化学的方法，我们必须从三维的角度思考[32]。

1963年诺贝尔化学奖获得者居里奥·纳塔和他的天才合作者马里奥·法里纳（Mario Farina， 1930—1994）就是这样表达立体化学的重要性的。

物质的化学、物理和生物特性是由分子结构决定的，而分子又由原子组成。原子结合在一起形成不同的三维形态，这种结合方式决定了所得物质性质上的巨大差异。立体化学研究分子的几何特性，以及这些特征如何反映在其化学行为中。

如果我们看着自己的双手，就会发现它们是彼此的镜像。如果我们把右手放在镜子前，我们看到它和左手是一样的，反之亦然。而且，右手和左手也不能相重合，这个我们很容易想到，就像我们试图把左手放进右手手套一样，或者反之。也有其他物质具有类似于手的性质，它们被称为手性物质［chiral material，该术语来源于希腊语χε?ρ（chéir），意为“手”］。手性是指某些物体不能与其镜像相重合。

另外，有一些分子也具有手性，也就是说它们可以以两种形式存在，彼此互为镜像。我们把分子互为镜像的物质定义为对映异构体（简称对映体，enantiomer）或旋光异构体（optical isomer）［一般我们把那些由相同原子组成，但结构不同的化合物互称为同分异构体（Isomer）］。

对映异构体的化学和物理性质几乎完全相同，但只有一种性质除外，就是它们对偏振光的作用不同。如果它们被偏振光击中，它们会使光的偏振平面向相反方向旋转。我们可以通过特殊仪器——偏振计（polarimeter）来显示这种差别，它可以测量偏振平面的旋转角度。这个角度叫作旋光度（rotatory power）。将光的偏振面向右旋转的对映异构体称为右旋体（dextro isomer），而向左旋转的对映异构体称为左旋体（levo isomer）。我们通常把能使光的偏振平面旋转的物质称为光学活性物质（optical active substance）。

法国化学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）是第一个意识到这种现象存在的人。1849年，只有26岁的他在研究葡萄酒生产过程中的副产品——酒石酸盐类时，发现这些盐类的水溶液没有光学活性，也就是说它对光的偏振平面没有影响。巴斯德用偏光镜观察这些盐的晶体，发现了两种互为镜像的晶体。他极度耐心地用镊子将互为镜像的晶体分离出来，并分别溶解。得到的结果是两份溶液分别将偏振光的平面旋转到相反的方向。巴斯德因此证明了酒石酸盐类中对映异构体的存在。含有互为镜像的两种晶体的溶液没有光学活性，称为外消旋混合物（racemic mixture）。

1874年，荷兰人雅可比·亨利克·范霍夫（Jacobus Henricus van’t Hoff， 1852—1911， 1901年诺贝尔化学奖得主）和法国人约瑟夫·勒贝尔（Joseph Le Bel， 1847—1930）通过假设碳原子的四面体几何结构解释了光学活性现象。要使分子具有光学活性，就必须具有手性中心（chiral center）。在有机分子中，典型的手性中心是所谓的不对称碳原子（asymmetric carbon atom），就是指具有四面体几何结构且与4个彼此不同的取代基相连的碳原子。只要交换两个取代基的位置，就可以得到一个不对称的碳原子，它是原来那个碳原子的镜像，它们俩不能重合。图9所示为具有不对称碳原子的手性分子（丙氨酸）。

图9　具有不对称碳原子的手性分子（丙氨酸）

上面两种结构表示丙氨酸的两种对映体，它们互为镜像，不能重合

1966年，英国人罗伯特·西德尼·卡恩（Robert Sidney Cahn， 1899—1981）和克里斯托夫·凯尔克·英戈尔德（Christopher Kelk Ingold， 1893—1970）与克罗地亚人弗拉迪米尔·普雷洛格（Vladimir Prelog， 1906—1998， 1975年诺贝尔化学奖获得者）共同制定了一系列规则，允许使用描述符号R（rectus，拉丁文“右”）或S（sinister，拉丁文“左”）来标记不对称碳原子。这样，就可以明确地表示它们的构型。对于糖类和其他具有生物化学意义的分子，如氨基酸，因为它们结构复杂，我们一般不用R/S法，而是用D/L构型标记法。前缀D和L的使用以甘油醛（它的对映体的两种构型分别称为D型和L型）的两种构型为标准，取决于分子的不对称碳原子的构型是否与甘油醛（glyceraldehyde）的对映体构型特征相似。

螺旋型分子也可以表现出手性。右手螺旋分子是左手螺旋分子的镜像，并且不能重合，反过来也是这样。许多具有重要生物学意义的分子，如蛋白质，都具有这种结构，因此可以以对映体的两种构型存在。在自然界中，右手螺旋分子链的存在明显更多。但如果我们仔细研究氨基酸（构成蛋白质的小分子单体），就会发现氨基酸普遍是左旋。大自然对某些对映体形式的偏爱是一个有待解决的大谜团，人们提出了各种假说，但仍然没有明确的答案。

对映异构体的发现及其在分子几何学方面的解释使人们认识到，可能存在着其他与对映异构体结构非常相似的分子。这些分子中的原子互相连接的次序相同，但在空间上的排列方式不同，一般称它们为立体异构体（stereoisomer）。立体化学（stereochemistry）从三维空间揭示分子的结构，是化学学科的一个重要分支。

随着对对映异构体研究的深入，人们发现有一些分子可能含有不止一个不对称碳原子。前面提到的范霍夫推导出了一个规则，根据这个规则，如果一个分子中存在有n个不对称碳原子，那么就会有2n种立体异构体。其中有一半，即2n-1个分子是对映异构体，而另一半则是非对映异构体（diastereoisomers）。非对映异构体和对映异构体都属于立体异构。与对映异构体不同，非对映异构体具有不同的化学和物理性质，且它们的构型也不是彼此的镜像。典型的例子就是含有醛基的六碳糖（己醛糖），如最常见的葡萄糖。它们的分子中含有4个不对称碳原子，因此它们以24（等于16）个立体异构体的构型存在，即8个对映异构体和8个非对映异构体（图10）。

图10　己醛糖分子的16种立体异构体

两个对映异构体之间的主要区别是它们能使偏振光的平面向相反方向旋转，但它们在生物学上同样也可以有很大的差异。其中一些对映异构体与我们鼻子里的神经末梢会发生不同的相互作用，这让我们可以通过气味来区分它们。例如，一种称为柠檬烯（limonene）的特殊碳氢化合物能以对映异构体的形式存在，有两种构型。其中S构型的柠檬烯具有强烈的柠檬气味，另一种R构型的柠檬烯具有强烈的橙子气味。

在二十世纪五六十年代，发生了一起由对映异构体的不同生物活性造成的悲剧：沙利度胺事件。沙利度胺（Thalidomide）是一种药物，它作为孕妇的镇静剂和抗恶心药在市场上销售，并以40种不同的商品名称卖到50个国家。不幸的是，很多服用该药的孕妇产出了患有严重肢体畸形的婴儿，且这一比例极高。新生儿要么没有肢体，要么是海豹肢（phocomelia，肢体骨头发育不完全）。因此，该药于1961年从市场上撤回。投放到市场的沙利度胺是两种对映异构体的外消旋混合物。深入的研究表明，虽然其中一种对映异构体是无害的，但另一种却具有高度致畸性，会让胎儿产生严重的畸形[33]。据估计，全世界约有10 000例因沙利度胺引起的胎儿畸形症，其中德国就有6000例。

在一些特殊的化学反应中，对映异构体会表现出不同的行为，这些反应被称为立体专一反应（stereospecific reaction）。

除了对映异构体和非对映异构体，还有其他类型的立体异构。以乙烷分子CH3—CH3为例，我们可以围绕两个碳原子之间的键进行旋转形成不同构象。需要特别提及的是，在乙烷的无数构象中有两种极端情况。

两个碳原子上的各个氢原子正好处在相互对应的位置上，这种结构称为重叠式构象。两个碳原子上相对应的氢原子之间的距离最大时则称为交叉式构象。这两种结构都是立体异构体，但我们还可以称它们为构象异构体（conformational isomer）或简称异象体（conformer）。图11所示为乙烷的构象异构体。

图11　乙烷的构象异构体

只有当碳原子之间存在允许自由旋转的单键时，这种同分异构现象才有可能发生。另一构象异构体的例子是环己烷（C6H12），它的异构体主要分为两种，分别称为“椅式”构象和“船式”构象（图12）。

图12　环己烷的“椅式”构象和“船式”构象

每个顶点代表一个碳原子，碳原子连接有两个氢原子（图中未表示出来）

如果两个碳原子之间是双键连接，则不能旋转。若两个碳原子上有相同的两个取代基，根据它们的相对位置，可以有两种不同的立体异构体。如果两个相同的取代基在双键的同一侧，则称为顺式异构体（cis-isomer），但如果在相反的一侧，则称为反式异构体（trans-isomer）。这种类型的立体异构被称为几何异构（geometric isomerism）或顺反异构（cis-trans isomerism），具有此特征的一般是含有双键的有机分子，即烯烃（alkene或olefin）及其衍生物，或者是不被允许围绕单键旋转的分子，如某些环链。对于几何异构体，典型的例子是1,4-丁烯二酸（1,4-butenedioic acid）。它的顺式异构体称为马来酸（maleic acid）（图13），反式异构体称为富马酸（fumaric acid）。这两种酸具有非常不同的性质，马来酸有毒，对我们的机体有害，而富马酸是很多生化反应中非常重要的中间体，通常存在于许多水果和蔬菜中。

图13　马来酸和富马酸