旋光性19世紀(jì)后半葉,化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種特別奇妙的同分異構(gòu)現(xiàn)象,后來證明,這種現(xiàn)象在生命化學(xué)中是極其重要的.這一發(fā)現(xiàn)是,某些有機(jī)化合物對通過它們的光束具有一種奇異的不對稱效應(yīng).
旋光性從普通光束的一個(gè)截面可以看出,構(gòu)成該光束的無數(shù)波在所有平面呈上下、左右和斜向振動(dòng).這類光稱為非偏振光.但是,當(dāng)光束通過透明物質(zhì)的晶體（如冰洲石）時(shí),就會(huì)發(fā)生折射,使出射光變成偏振光.這仿佛是該晶體的原子點(diǎn)陣只允許某些波動(dòng)面通過（就像柵欄
只允許行人側(cè)身擠過,但卻不能讓人大搖大擺地正面穿過一樣）.有些裝置,如蘇格蘭物理學(xué)家尼科耳于1829年發(fā)明的尼科耳棱鏡,只允許光在一個(gè)平面通過.目前,這種棱鏡在大多數(shù)場合已由其他材料,如偏振片（一組鑲在硝化纖維中的、晶軸平行排列的硫酸奎寧與碘的復(fù)合物晶體）所代替.第一個(gè)偏振片是蘭德于1932年制作的.
正如法國物理學(xué)家馬呂于1808年所首先發(fā)現(xiàn)的那樣,反射光往往是部分平面偏振光（他利用牛頓關(guān)于光粒子極點(diǎn)的論點(diǎn)——這一點(diǎn)牛頓錯(cuò)了,但這個(gè)名字卻沿用至今——?jiǎng)?chuàng)立了偏振這一術(shù)語）.因此,配戴偏振片太陽鏡,可以使從建筑物和汽車窗玻璃甚至從公路路面反射到眼睛的強(qiáng)烈陽光減弱到柔和的程度.
光波正常情況下在所有平面振動(dòng)（上圖）.尼科耳棱鏡（下圖）只允許在一個(gè)平面內(nèi)振動(dòng)的光通過其余的光都被反射掉.因此,透射光為平面偏振光
1815年,法國物理學(xué)家畢奧發(fā)現(xiàn),當(dāng)平面偏振光通過石英晶體時(shí),偏振面會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng).也就是說,光以波浪形進(jìn)入一個(gè)平面,而以波浪形從另一個(gè)平面射出.具有這種作用的物質(zhì)就叫做旋光性物質(zhì).有些石英晶體能使振動(dòng)平面按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)（右旋）,而有些石英晶體能使
其按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)（左旋）.畢奧還發(fā)現(xiàn),有些有機(jī)化合物,例如樟腦和酒石酸,也具有同樣的作用.他認(rèn)為,光束轉(zhuǎn)動(dòng)的原因,很可能是由分子中原子排列的某種不對稱性造成的.但是,在以后的幾十年間,這種見解依然只是一種純理論的推測.
1844年,巴斯德（當(dāng)時(shí)他只有22歲）被這個(gè)有趣的問題給迷住了.他研究了兩種物質(zhì)：酒石酸和外消旋酸.二者雖然具有相同的化學(xué)成分,但酒石酸能使偏振光的振動(dòng)平面轉(zhuǎn)動(dòng),而外消旋酸卻不能.巴斯德猜想,或許能夠證明,酒石酸鹽的晶體是不對稱的,而外消旋酸鹽的晶體是對稱的.出乎他的意料,通過在顯微鏡下觀察這兩組鹽的晶體,他卻發(fā)現(xiàn)二者都是不對稱的.不過,外消旋酸鹽晶體具有兩種形式的不對稱性：一半晶體與酒石酸鹽晶體的形狀相同,而另一半則為鏡像.也就說,外消旋酸鹽的晶體,有一半是左旋的,一半是右旋的.
巴斯德煞費(fèi)苦心地將左旋的和右旋的外消旋酸鹽晶體分開,然后分別制成溶液,并讓光束通過每一種溶液.果然,與酒石酸晶體有著相同不對稱性的晶體,其溶液像酒石酸鹽那樣使偏振光的振動(dòng)面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),而轉(zhuǎn)動(dòng)角度也相同.這些晶體就是酒石酸鹽.另一組晶體的溶液則使偏振光的振動(dòng)面向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同.由此可見,原外消旋酸鹽之所以沒有顯示出旋光性,是因?yàn)檫@兩種對立的傾向互相抵消了.
接著,巴斯德又在這兩種溶液中加入氫離子,使這兩類外消旋酸鹽再變?yōu)橥庀?（順便說一句,鹽是酸分子中1個(gè)或數(shù)個(gè)氫離子被鉀或鈉這類帶正電的離子取代后生成的化合物）.他發(fā)現(xiàn),這兩類外消旋酸都具有旋光性,其中一類使偏振光轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與酒石酸相同（因?yàn)樗褪蔷剖幔?而另一類使偏振光轉(zhuǎn)動(dòng)的方向則與之相反.
以后又發(fā)現(xiàn)了許多對這樣的鏡像化合物即對映體（源于希臘語,意為“相反的形狀”）.1863年,德國化學(xué)家維斯利采努斯發(fā)現(xiàn),乳酸（酸牛奶中的酸）能形成這樣的化合物.他進(jìn)一步證明,除了對偏
振光所產(chǎn)生的作用不同外,這兩種乳酸的其他性質(zhì)完全一樣.后來證實(shí),這一點(diǎn)對于各種鏡像化合物是普遍成立的.
直到1874年,即畢奧死后的第12年,才最后找到答案.兩位年輕的化學(xué)家——一位是名叫范托夫的22歲的荷蘭人,另一位是名叫勒貝爾的27歲的法國人——各自獨(dú)立地提出了關(guān)于碳的價(jià)鍵的新理論,從而解答了鏡像分子的構(gòu)成問題.（自此以后,范托夫畢生從事溶液中的物質(zhì)性狀的研究,并證明了支配液體性狀的定律類似于支配氣體性狀的定律.由于這項(xiàng)成就,他于1901年成為第一個(gè)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的人.）
凱庫勒把碳原子的4個(gè)價(jià)鍵統(tǒng)統(tǒng)畫在同一個(gè)平面內(nèi),這并不一定是因?yàn)樘兼I確實(shí)是這樣排列的,而只是因?yàn)榘阉鼈儺嬙谝粡埰秸沟募埳媳容^簡便而已.范托夫和勒貝爾則提出了一個(gè)三維模型.在這個(gè)模型中,他們將4個(gè)價(jià)鍵分配在兩個(gè)互相垂直的平面內(nèi),每個(gè)平面各有兩個(gè)價(jià)鍵.描繪這一模型的最好辦法,是設(shè)想4個(gè)價(jià)鍵中的任意3個(gè)價(jià)鍵作為腿支撐著碳原子,而第4個(gè)價(jià)鍵則指向正上方.如果假定碳原子位于正四面體（4個(gè)面都是正三角形的幾何圖形）的中心,那么,這4個(gè)價(jià)鍵就指向該正四面體的4個(gè)頂點(diǎn).因此,這個(gè)模型被稱之為碳原子的正四面體模型.
現(xiàn)在讓我們把2個(gè)氫原子、1個(gè)氯原子和1個(gè)溴原子連接在這4個(gè)價(jià)鍵上.不論我們把哪個(gè)原子與哪個(gè)價(jià)鍵連接,總是得到同樣的排列.讀者不妨親自動(dòng)手試試看.首先,將4根牙簽以適當(dāng)?shù)慕嵌炔迦胍粔K軟糖（代表碳原子）中,這樣就有了4個(gè)價(jià)鍵,然后將2顆黑橄欖（代表氫原子）、1顆綠橄欖（代表氯原子）和1顆櫻桃（代表溴原子）任意插在牙簽的另一端.如果你讓這個(gè)結(jié)構(gòu)的3條腿站立在桌面上,而上方所指的是一顆黑橄欖,那么,3條腿上的東西按順時(shí)針方向依次是黑橄欖、綠橄欖和櫻桃.現(xiàn)在你可以將綠橄欖和櫻桃的位置交換一下,那么順序就變?yōu)楹陂蠙?、櫻桃和綠橄欖了.如果你想恢復(fù)到原來的順序,你只需將這個(gè)結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)一下,即使原來作腿的那顆黑橄欖指向空中,而使原來指向空中的黑橄欖立于桌面.這樣,3條腿的順序就又是黑橄欖、綠橄欖和櫻桃了.
換句話說,如果同碳原子的4個(gè)價(jià)鍵連接的4個(gè)原子（或原子團(tuán)）中至少有兩個(gè)是完全相同的話,那么,就只能有一種排列方式.（顯然,若所連接的原子或原子團(tuán)有3個(gè)或所有4個(gè)都是相同的.當(dāng)然也是這種情形.）
然而,當(dāng)連接在碳鍵上的4個(gè)原子（或原子團(tuán)）都不相同時(shí),情況就會(huì)發(fā)生變化.這時(shí)就能夠有兩種不同的排列方式——一個(gè)是另一個(gè)的鏡像.例如,如果你在朝上的腿上插一顆櫻桃,在3條立著的腿上分別插上黑橄欖、綠橄欖和洋蔥片.如果你將黑橄欖和綠橄欖調(diào)換一下位置,那么按順時(shí)針方向的順序則依次為綠橄欖、黑橄欖和洋蔥片.在這種情形下,無論怎樣旋轉(zhuǎn)這個(gè)結(jié)構(gòu),都不能使恢復(fù)到調(diào)換前的順序,即黑橄欖、綠橄欖和洋蔥片.可見,當(dāng)碳鍵所連接的4個(gè)原子（或原子團(tuán)）都不相同時(shí),總是得到兩種不同的、互為鏡像的結(jié)構(gòu).讀者不妨試試看.
范托夫和勒貝爾就這樣揭開了旋光性物質(zhì)不對稱性的秘密.原來使光向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡像物質(zhì)的碳原子,其價(jià)鍵連接著4個(gè)不同的原子或原子團(tuán).這4個(gè)原子或原子團(tuán)有兩種可能的排列方式,一種使偏振光右旋,另一種使偏振光左旋.越來越多的證據(jù)有力地支持了范托夫和勒貝爾的碳原子正四面體模型.到1885年,他們的理論已得到普遍承認(rèn)（這要部分歸功于維斯利采努斯的熱情支持）.
三維結(jié)構(gòu)的概念還被應(yīng)用于碳原子以外的其他原子.德國化學(xué)家邁爾成功地將這一概念應(yīng)用于氮原子,而英國化學(xué)家波普則將其應(yīng)用于硫、硒和錫原子.德國血統(tǒng)的瑞士化學(xué)家韋爾納將其應(yīng)用到更多的元素.他還于 19世紀(jì) 90年代著手創(chuàng)立一種坐標(biāo)理論,即通過認(rèn)真研究某一中心原子周圍的原子和原子團(tuán)的分布,來解釋復(fù)雜的無機(jī)物的結(jié)構(gòu).由于這項(xiàng)成就,韋爾納獲得了1913年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).巴斯德將分離的兩種外消旋酸分別命名為d酒石酸（右旋的）和l酒石酸（左旋的）,并且為它們寫出了鏡像結(jié)構(gòu)式.然而,哪一個(gè)是真正的右旋化合物,哪一個(gè)是左旋化合物,當(dāng)時(shí)尚沒有辦進(jìn)分清.
為了向化學(xué)家們提供用以區(qū)分右旋物質(zhì)和左旋物質(zhì)的參照物或?qū)Ρ葮?biāo)準(zhǔn),德國化學(xué)家E．費(fèi)歇爾選擇了食糖的近親,即稱之為甘油醛的簡單化合物.它是當(dāng)時(shí)研究得最為透徹的旋光性化合物之一.他任意地將它的一種形態(tài)規(guī)定為是左旋的,稱之為L甘油醛,而將它的鏡像化合物規(guī)定為是右旋的,稱之為D甘油醛.
任何一種化合物,只要能用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)方法證明（這是一項(xiàng)相當(dāng)細(xì)致的工作）它具有與L甘油醛類似的結(jié)構(gòu),那么,不管它對偏振光的作用是左旋的還是右旋的,都被認(rèn)為屬于L系列,并在它的名稱前冠以L.后來發(fā)現(xiàn),過去認(rèn)為是左旋形態(tài)的酒石酸原來屬于D系列,而不屬于L系列.現(xiàn)在,凡在結(jié)構(gòu)上屬于D系列而使光向左轉(zhuǎn)動(dòng)的化合物,我們就在它的名稱前面冠以D（－）；同樣,有些化合物則要冠以D（＋）、L（＋）和L（－）.
現(xiàn)在看來,潛心研究旋光性的細(xì)節(jié)具有重要意義,決不是在好奇心的驅(qū)使下所做的徒勞無益的工作.說來也巧,活機(jī)體中幾乎所有的化合物都含有不對稱的碳原子.而且,活機(jī)體總是只利用化合物的兩種鏡像形態(tài)中的一種.另外,類似的化合物一般屬于同一種系列.例如,在活組織中發(fā)現(xiàn)的所有單糖實(shí)際上都屬于D系列,而所有的氨基酸（組成蛋白質(zhì)的基本單位）屬于L系列.