问题

在一个没有手性的世界里如何可以产生手性物质?

回答
在一个本应不存在手性的世界里,要“产生”出手性物质,这本身就是一个充满悖论的挑战。我们得先理解,手性之所以重要,是因为它涉及分子在三维空间中的取向,即使它们由相同的原子组成,排列方式不同也可能导致截然不同的性质。在“无手性”的世界里,我们可以有两种理解方向:

方向一:世界本身存在某种“限制”,使得分子只能以非手性的方式形成。

在这种假设下,我们首先要解决的问题是:是什么样的“限制”?

空间几何的本质扭曲: 想象一个世界,其空间本身就不是我们熟悉的欧几里得三维空间。也许空间是二维的,或者是一种我们难以想象的、内在就强制所有几何结构对称的拓扑结构。在这种空间里,无论原子如何组合,都无法形成那种“左手”或“右手”的区分。任何尝试性的、可能导致手性的连接方式,都会被空间的内在规则“纠正”回对称的、非手性的状态。
基本相互作用的改写: 另一种可能性是,在这个世界里,构成物质的基本粒子(比如电子、质子、中子)之间的基本相互作用(电磁力、强核力、弱核力)发生了根本性的改变。如果弱核力(在我们的世界中是导致一些衰变过程出现手性的关键)或者其他力的行为方式与我们所知不同,它可能就不再区分分子的“左”和“右”。

那么,在这种“无手性”规则下,我们如何“产生”手性?

这需要我们从“产生”这个词的含义出发,寻找一个“漏洞”或者“例外”。

外部引入的手性源(如果可能的话): 如果我们能从“外部”——一个我们无法解释但实际存在的、具有手性的“地方”——引入一个手性“种子”或“模板”,那么理论上,它可以用来指导物质的形成。但这又回到了“为什么那个外部世界有手性”的问题,或者我们如何“接触”到那个外部。
“意外”的复杂性突破: 即使最基础的相互作用都被设定为非手性的,但当分子变得足够复杂,且反应条件极其精妙时,是否会涌现出某种我们尚未预料到的、类似手性的“结构”?这就像在只有直线和圆的几何世界里,试图通过某种特殊的组合方式“画”出一条曲线。这种“曲线”可能不是真正意义上的手性,但它在某种程度上表现出了“方向性”或“不对称性”,足以被视为一种“近似”的手性。
动态的“欺骗”: 设想一种情况,虽然不存在静态的手性分子,但某些反应过程在进行过程中,其过渡态(反应中间状态)可能是短暂地、非对称的。如果这种不对称性足够明显,并且能够影响后续的反应,那么虽然最终产物是非手性的,但整个“过程”却带有了某种“方向”的印记。这更像是在一个永远直线行驶的列车上,在某个短暂的瞬间,它的轮子稍微偏离了直线,尽管它很快又回到直线。

方向二:我们对“手性”的定义和探测方式在这个世界不适用。

这更像是哲学层面的思考。

感官的局限: 我们定义手性,很大程度上是因为我们的感官(比如视觉)能够感知到这种空间差异。在一个无法感知这种差异的世界里,即使存在手性物质,我们可能也根本无法“看见”或“感受到”它。就如同生活在二维平面上的生物,无法理解“上下”这个维度。
测量工具的“对称性”: 我们用来识别手性的方法,比如旋光仪,是基于手性物质与偏振光相互作用时发生的旋转。如果在这个世界,所有的光都是非偏振的,或者与物质的相互作用总是保持对称,那么我们现有的测量手段就失效了。

如何在这样的世界里“制造”出我们所理解的手性物质?

既然世界本身限制了手性的出现,那么“制造”就意味着要突破这些限制。

1. 寻找“对称性的裂痕”: 即使基本规律是“无手性”的,我们也要深入挖掘,是否存在那些“例外”情况。例如,是否存在某些特殊的高能物理过程,其发生的条件极其苛刻,在那个瞬间,或许能够产生短暂的、非对称的量子涨落,足以充当手性“诱因”。
2. 复杂化学反应中的“意外”: 假设我们可以在这个世界进行复杂的化学合成。我们不会一开始就期望得到手性产物。但如果能设计出极其复杂的、多步骤的反应路径,并在其中引入一些我们认为“不重要”的、但可能具有微妙不对称性的中间步骤(即使这个不对称性是在微观尺度上,并且最终会被“纠正”),然后仔细观察最终产物的性质。或许,通过大量的实验和数据分析,我们能发现某种“宏观”上与“普通”非手性物质不同的性质,而这种性质,恰恰是来源于那些微不足道的、短暂的不对称性。
3. “模仿”手性: 如果直接产生手性分子是不可能的,我们可以尝试“模仿”手性的某些宏观表现。比如,制造出具有特定方向性(非对称性)的宏观结构。这些结构本身不是手性分子,但它们在运动或与其他物体互动时,会表现出与手性物体相似的、具有方向性的行为。这就像是用一系列直线段“拼凑”出一个看起来像曲线的图形。
4. 引入“纠缠”的维度: 考虑一种情境,分子本身在微观上仍然是“无手性”的,但它可能通过某种我们无法理解的方式,与其他“纠缠”在一起的事物形成了某种“关联”。这种关联,可能在更宏观的尺度上,呈现出手性的表现。例如,一个分子本身没有左右之分,但它被“锁定”在一个天然形成的、具有特定螺旋结构的晶格中,那么这个晶格本身就带来了方向性,从而“赋予”了嵌入其中的分子一种“表观手性”。

总而言之,在一个没有手性的世界里“产生”手性物质,更像是在一个被严格规则限制的沙盒里,寻找规则的边界,或者利用规则的“死角”来创造出我们所认识的“手性”。这需要极高的智慧、耐心,以及对“无手性”世界运作机制的深刻洞察,去发现那些潜在的、可能孕育出不对称性的微小“火花”。

网友意见

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自然界中的手性对称性破缺(Chiral Symmetry Breaking, CSB)有以下几种可能性:

起因:
1. 偏振光/地磁场效应

不对称的圆偏振光可使一部分光催化的去对称化反应生成不等量的对映异构体而产生一定的ee值,或者使等量的对映异构体产生假光活性。同样,地磁场也存在内禀的手性,有报道称地磁场对化学反应可能存在一定的影响,例如DNA的右旋与地磁场方向可能存在一定联系。

2. 统计涨落效应/耗散效应

地球初始条件下的左右旋体可能是相同的,但在某些局部的小(相对的小,比如国家的面积)区域内ee值统计地涨落而不等于0,在此基础上,通过上述的手性放大效应而进一步扩大不对称程度。

同样地,由于混沌效应,初始的微扰可能会逐步放大,形成更显著的不对称效果。但微扰的放大有赖于下文中的自发拆分效应。

3. 弱相互作用的宇称不守恒

(1) Vester-Ulbricht Mechanism

β衰变同样存在内禀的不对称性,在电子流减速时,将产生与圆偏振韧致辐射,和圆偏振光类似,可催化不对称的化学反应进行。但是该报道结果并未完全证实该机理。

(2) Y Mechanism/Salam hypothesis

在1991年,Salam提出由于受到相互作用的影响,电子互相耦合形成Cooper对,在低温下形成BE凝聚,产生了包括D-氨基酸向L-氨基酸转变在内的二级相变。而该过程甚至是在地球形成前就已经发生。

由于电弱力的不对称性,甚至可以认为,所有的原子都是手性的。但是由于这个力太小,对于氨基酸来说,受该影响而产生的ee值仅有。所以同样依赖于下文的手性放大效应。

放大:

4. 自发拆分效应——手性放大效应/立体选择结晶效应

在配位化学中,某ee值较低甚至0的化合物在反应后ee值大幅度上升。有报道称cis-的制备过程中,加入微量不对称晶种,可获得大量高纯度的单一光学异构体,如果不加入晶种而进行绝对不对称合成(原料不存在手性),产物的ee值和旋光方向是不能确定的,但是在某些例子中可以具有很好的纯度。

同样,某些催化剂的ee值可在产物中得到放大效果,甚至是不加入手性试剂即可产生ee值,但需要其他的不对称的物理条件,例如圆偏振光和搅拌方向(的立体选择性结晶) (←万恶的玄学来源之一)

自发拆分效应的原理可能是基于超分子(溶液中/晶体表面)的不对称自组装-自催化效应,进而产生了手性记忆和放大效应,扩大了不对称程度。

归根结底,手性(以至于对称性)的自发性破缺可能是能量最低原理的一种自然的选择。

也许只是偶然,让我们的心脏长在了左边。

Ref.

[1] 从混沌到有序——人与自然的新对话,I.普利高津,I.斯唐热,曾庆宏,沈小峰译,上海译文出版社,1987

[2] 生命是什么,埃尔温.薛定谔,上海人民出版社,1973

[3] 手性氨基酸分子的温度诱导相变——自发对称性破缺与复原,王文清、闵玮、龚龙,物理化学学报,2005

[4] 遗传密码及生物分子手性起源的研究,丁翔. [博士论文],1993

[5] 配位化学中的手性对称性破缺——推荐一个趣味盎然的综合化学实验,章慧、方雪明、丁冬冬、陈雷奇、吴振奕,[会议论文] 2009

[6] 配位化学中的镜面对称性破缺———纪念配位化学创始人维尔纳首次拆分八面体Co(Ⅲ)络合物100 周年,章慧、林丽榕,大学化学,2011,26 (6):8-12

====================完全不知道分割线怎么用的萌新>_<========================

另外根据隔壁的大新闻,最近合成了镜像的L-DNA(

nature.com/nchem/journa

),经试验,D/L-DNA工作互不干扰,独立工作。也即,形成完全镜像的世界也是有可能的。

好像出现了更大的新闻。。

Poeppelmeier最近证实了外消旋体(等量手性分子混合物)仍具有旋光性。。

Citation Results : Nature.com

也就是说,哪怕是1:1的对映异构体混合物,在晶体水平上也可以显示出手性,这也可能是手性破缺的来源之一。

同样,晶体水平的不对称性可以在很多无机晶体上体现出来,而不依赖于自由状态下的分子结构本身的不对称性(等等)。而这些无机矿物的不对称化表面对某些表面催化反应可能产生一定的立体选择性。

关于从粒子物理学角度讨论的自发对称性破缺与Higgs机制,请见

自发对称性破缺与Higgs机制

(↑看不懂不要问我= =我看不懂所以才扔了个链接(跑

=========================莫名其妙的分割线===============================

下面的回答变得奇怪了起来。。。

我只想说。。。















想歪的自觉去面壁→_→

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