对称性与群论
非真旋转轴(improper rotation axis, Sn)
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有些分子只有在你一口气做两件事时才看上去不变:先稍微转一下,紧接着把它凑到镜子前照一下。单做任何一步都不能复原,唯有合在一起才行。你绕之旋转的那条轴(动作里已内含穿过与之垂直平面的反射)就是非真旋转轴,记作 Sn。它是最微妙的对称元素,也是初学者最常漏掉的一个。
一个 Sn 操作的意思是:绕该轴转 360/n 度,再穿过与该轴垂直的平面作反射——这是单一、不可分割的一个操作。两个熟悉的元素其实只是 Sn 的特例。S1(转 360 度再反射)与一个普通镜面 sigma 完全相同;S2(转 180 度再反射)则与穿过中心 i 的反演完全相同。所以非真轴悄悄地把反射和反演都纳入了同一个家族。
这个冷僻的元素为何值得起个名字?因为它是判定手性的唯一干净准则。一个分子是手性的——与其镜像不可重合、能旋转偏振光——当且仅当它不具备任何阶的非真旋转轴(记住这也包括作为 S1 的 sigma 和作为 S2 的 i)。最漂亮的例子是甲烷状的 CH4(它沿平分 H-C-H 夹角的方向藏着若干 S4 轴),以及某些金属配合物中难以察觉的 S4。只要你能找到任何 Sn,分子就是非手性的;若你确实找不到,它就是手性的。这一条规则取代了大量关于"左右手"的含糊其辞。
四面体甲烷(CH4)有三条 S4 轴,每条都穿过碳原子、沿着平分相对 H-C-H 夹角的一条线。绕其中一条转 90 度再反射,能把四个氢映回自身——尽管单纯转 90 度本身做不到。
甲烷暗藏的 S4 轴——转 90 度,再反射。
Sn 是一个合成的动作,不是分开的两步——而且关键在于 S1 = sigma、S2 = i。手性检验是"不存在任何类型的非真轴",这条已经把镜面和反演中心都涵盖了。
又称
另见