差向异构体

定义

国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)给差向异构体的定义是：它们属于非对映异构体，双方分子各自含有两个或更多四面体立体中心，而两种分子只在其中一个立体中心上构型相反^[1]。就中文表述而言，在含多个手性中心的立体异构体中，若一对非对映体仅有一个手性中心构型不同、其余手性中心构型相同，它们便互为差向异构体^[2]。

按构型差异所在位置，这类异构体还有进一步称呼。若构型相反的手性原子位于链末端，双方称为端基差向异构体；其余情形通常用 Cn 差向异构体表示，其中 n 是构型不同的中心在链上的位置编号^[2]。

糖类是常见实例。与 D-葡萄糖互为差向异构体的有 D-甘露糖(C2)、D-阿洛糖(C3)和 D-半乳糖(C4)^[2]。β-D-吡喃葡萄糖与 β-D-吡喃甘露糖的差别只在 C2 位，该位羟基因而分别呈平伏和直立取向；α-D-吡喃葡萄糖与 β-D-吡喃葡萄糖的差别位于异头碳，两者既是端基差向异构体，也属于异头物^[3]。

原理

立体异构的根源在于手性中心上四个不同取代基的空间排布方式。同一个中心若排布方式互换，构型就发生翻转，教材中常用 R/S 或 D/L 等标记来描述这种差别^[4]。由于只有一个中心被翻转，差向异构体之间不构成镜像关系，这使它们区别于对映体^[4]。

flowchart TD

A[比较两种立体异构体的手性中心构型] --> B[仅一个中心相反: 差向异构体]

A --> C[全部中心相反: 对映异构体]

A --> D[部分中心相反但不止一个: 其他非对映异构体]

某手性中心的构型经化学反应转变为相反构型，这一过程称为差向异构化，所生成的两种非对映体即差向异构体^[5]。该转变可在酸、碱或加热条件下发生，也可由生物体内的酶催化^[6]。糖类中的例子很典型：在碱溶液中，葡萄糖与羰基相邻的碳上氢原子可发生烯醇化并移位，氢原子回到相反一侧时便生成 C2 差向异构体甘露糖；L-异亮氨酸也只在 α-碳上改变构型，部分转变为 D-别异亮氨酸^[5]。

端基差向异构多见于糖类，两个异头物的差异出现在环状半缩醛或半缩酮碳上。以哈沃斯透视式表示时，1 号碳上的羟基与 5 号碳上的羟甲基若分处平面两侧即定义为 α 型，同侧则为 β 型，两种形式之间的相互转化称为变旋现象^[7]。

发展历程

1874 年，范特霍夫与勒贝尔在同年先后发表了关于碳原子四面体构型的设想，提出当碳连接四个互不相同的基团时，可形成两种不能互相重合的镜像形式，即不对称碳原子。该概念解释了手性中心的立体异构与旋光性来源^[8][9]。

此后，差向异构的关系在糖化学与氨基酸化学中被反复使用。1996 年 IUPAC 发布的立体化学基本术语推荐文件对 epimers 一词给出了正式定义^[1]。中文术语「差向异构体」亦被收入 1991 年公布的《化学名词》等名词出版物^[10]。

20 世纪后期以来，异构酶催化的差向异构反应进入工业应用，多种糖类差向异构酶被用于制备稀有糖和功能性糖^[6][11]。与此同时，化石中氨基酸的差向异构程度也被用来估算样品年代与所经历的温度^[12][13]。

应用

在糖类生物制造中，差向异构酶是重要工具。纤维二糖差向异构酶能够直接催化乳糖生成乳果糖，反应中还会产生少量副产物依匹乳糖^[6]。D-阿洛酮糖3-差向异构酶可将 D-果糖转化为 D-阿洛酮糖，把该酶与葡萄糖异构酶融合表达后，还能以价格较低的 D-葡萄糖为起点合成 D-阿洛酮糖^[11]。在甘露醇生产中，也有工艺先用钼酸盐催化葡萄糖发生差向异构化，使部分葡萄糖转变为甘露糖^[14]。

药物领域同样关注这类异构体。多柔比星与表柔比星互为差向异构体，两者均被用作临床药物，而哌甲酯的赤式异构体可转化为苏式异构体，泰索芬辛在体内会差向异构化为布索芬辛，这一转化并不符合用药预期^[3]。甘草酸存在 α 和 β 两种差向异构体，两者在理化性质、药理作用与临床疗效上有差别，大鼠实验显示 α 型转化为甘草次酸的速度快于 β 型^[15]。

在分析与年代测定中也有相应用途。差向异构体的分离和含量测定常用高效液相色谱、非水毛细管电泳等方法，例如苦杏仁苷差向异构体的测定和麻黄碱类差向异构体的分离^[10]。地质与考古研究利用异亮氨酸向别异亮氨酸的差向异构化，为年代较老的骨骼、牙齿样品提供年代线索，而天冬氨酸等只含一个手性中心的氨基酸发生的则是消旋化^[12][13]。

局限

差向异构体这一概念只适用于手性中心不少于两个的分子。若分子仅有一个手性中心，两种相反构型的分子互为对映体，一般不称差向异构体，它们之间的转变也不叫差向异构化，而属于消旋化作用^[2]。

差向异构体不是互为镜像的关系，因此在性质和活性上往往存在差异，分离与质量控制需要区别对待^[2]。当转化并非实验设计所需时，差向异构化会成为副反应，使目标产物的有效成分减少，或在体内改变药物的作用；肽合成中就可能出现这类副反应，需要借助试剂选择和保护基优化来抑制^[10]。

以氨基酸差向异构化推算年代的可靠性受多种因素限制。样品经历的温度历史、所属生物类群、含水量以及埋藏环境都会影响反应速率，骨骼样品因孔隙多、易受淋滤与污染干扰，其测定结果曾与独立年代学方法相差较大^[16][17]。

端基差向异构体的稳定性也有限。α 型和 β 型异头物在溶液中会经变旋现象相互转化并趋向平衡，因此难以长期保持单一形式^[7]。

参见

• 非对映异构体 —— 差向异构体是它的一个特例，区别仅限定在单个手性中心。

• 对映异构体 —— 所有手性中心构型都相反的镜像异构体，与差向异构体不同。

• 手性 —— 分子与其镜像不能重合的性质，是差向异构现象的基础。

• 端基差向异构体 —— 构型差异位于链末端异头碳时的特殊情形。

• 差向异构酶 —— 催化一种差向异构体转变为另一种的酶。

• 变旋现象 —— 端基差向异构体在溶液中互相转化所引起的旋光度变化。