立體化學與手性

對稱面

在腦海裡把一隻蝴蝶倒過來,讓一片想象的玻璃從它正中豎直切下。左翅是右翅的鏡像——玻璃把蝴蝶分成互為反射的兩半。這片想象的分隔鏡就是對稱面,而在分子內部找到(或找不到)一個對稱面,是判斷分子是否手性最可靠的辦法。

對稱面是一個想象的平面,它把物體切成兩半,每一半都恰好是另一半的鏡像反射。擁有這種內部平面的分子是非手性的:這個平面本身就保證了分子能與自己的鏡像重疊,因為兩半本來就互為鏡像。要找它,就設法把分子一分為二,使一側的每個原子在平面正對面都有一個匹配的原子。若能做到,分子就是非手性的;若不存在這樣的平面(也沒有任何其他非真對稱元素),分子就是手性的。

這一個概念是立體化學的主力判據。它解釋了為什麼一個有兩個立體中心的分子仍可能沒有旋光性——著名的 meso 化合物之所以非手性,正是因為內部的對稱鏡面讓一半的手性抵消了另一半。當你拿不準一個複雜分子是否手性時,畫出最對稱的構象並尋找對稱面,幾乎總比數立體中心更快也更可靠。

meso-2,3-二溴丁烷 CH3-CHBr-CHBr-CH3,一個 Br 朝上、一個朝下,在兩個中心碳之間有一個對稱鏡面:上半部分恰好反射成下半部分。這個平面使它儘管有兩個立體中心卻仍是非手性的。

內部對稱鏡面迫使分子成為非手性的,即便存在立體中心。

對稱面足以證明分子非手性,但它的缺失並非全部故事:嚴格地說,手性要求不存在任何非真旋轉軸(其中鏡面和反演中心是特例)。不過對於你遇到的幾乎所有分子,對稱面判據就足以定論。

又稱
mirror planeinternal mirror planesigma plane镜面对称镜面