對稱性與手性(symmetry and chirality)
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你的左右手互為鏡像,卻永遠無法完全對齊——無論你怎麼扭轉一隻,它都不會嚴絲合縫地疊在另一隻上。分子也能有同樣的性質:一個手性分子和它的鏡像是兩個截然不同、不可重合的形式(稱為對映體),就像一隻左手套和一隻右手套。令人驚嘆的是,單憑對稱性,用一項乾淨俐落的檢驗,就能告訴你一個分子是否具有這種「左右手之分」。
規則在此,而且是精確的:一個分子是手性的,當且僅當它不具備任何階的非真旋轉軸(Sn)。由於鏡面不過是 S1、對稱中心不過是 S2,這條規則自動排除了任何帶有任何鏡面或任何反演中心的分子。所以實際操作中,你就掃一遍分子,看有沒有任何 sigma、任何 i、以及任何更高階的 Sn(尤其是容易漏掉的 S4)。只要找到一個,分子就是非手性的;一個都找不到,它就是手性的,而它那兩個鏡像形式會把平面偏振光朝相反方向旋轉。
在無機化學裡,這不只是立體化學的一個腳註。帶雙齒(螯合)配體的八面體金屬配合物,比如三(乙二胺)合鈷(III),即 [Co(en)3]3+,會以左旋和右旋兩種螺旋槳形式出現(標記為 lambda 與 delta),正是因為它們屬於一個沒有非真軸的點群(D3)。阿爾弗雷德·維爾納(Alfred Werner)曾把這類配合物拆分成它們的兩種鏡像形式,藉此證明金屬配合物是三維的——這一里程碑式的論證完全建立在這條對稱規則之上。
[Co(en)3]3+(鈷周圍三個乙二胺螯合)是手性的:它只有真旋轉軸(點群 D3),沒有任何 Sn、sigma 或 i,所以它的左旋與右旋螺旋槳形式無法重合。
[Co(en)3]3+ 是手性的——沒有非真軸意味著左右兩種形式不同。
正確的檢驗是「沒有非真軸 Sn」,而不僅是「沒有不對稱碳」或「沒有鏡面」。一個分子可能既無鏡面也無對稱中心,卻因為有更高階的 Sn(比如 S4)而仍是非手性的——所以一定要明確檢查 Sn。