对称性与手性(symmetry and chirality)
/ ky-RAL-it-ee /
你的左右手互为镜像,却永远无法完全对齐——无论你怎么扭转一只,它都不会严丝合缝地叠在另一只上。分子也能有同样的性质:一个手性分子和它的镜像是两个截然不同、不可重合的形式(称为对映体),就像一只左手套和一只右手套。令人惊叹的是,单凭对称性,用一项干净利落的检验,就能告诉你一个分子是否具有这种"左右手之分"。
规则在此,而且是精确的:一个分子是手性的,当且仅当它不具备任何阶的非真旋转轴(Sn)。由于镜面不过是 S1、对称中心不过是 S2,这条规则自动排除了任何带有任何镜面或任何反演中心的分子。所以实际操作中,你就扫一遍分子,看有没有任何 sigma、任何 i、以及任何更高阶的 Sn(尤其是容易漏掉的 S4)。只要找到一个,分子就是非手性的;一个都找不到,它就是手性的,而它那两个镜像形式会把平面偏振光朝相反方向旋转。
在无机化学里,这不只是立体化学的一个脚注。带双齿(螯合)配体的八面体金属配合物,比如三(乙二胺)合钴(III),即 [Co(en)3]3+,会以左旋和右旋两种螺旋桨形式出现(标记为 lambda 与 delta),正是因为它们属于一个没有非真轴的点群(D3)。阿尔弗雷德·维尔纳(Alfred Werner)曾把这类配合物拆分成它们的两种镜像形式,借此证明金属配合物是三维的——这一里程碑式的论证完全建立在这条对称规则之上。
[Co(en)3]3+(钴周围三个乙二胺螯合)是手性的:它只有真旋转轴(点群 D3),没有任何 Sn、sigma 或 i,所以它的左旋与右旋螺旋桨形式无法重合。
[Co(en)3]3+ 是手性的——没有非真轴意味着左右两种形式不同。
正确的检验是"没有非真轴 Sn",而不仅是"没有不对称碳"或"没有镜面"。一个分子可能既无镜面也无对称中心,却因为有更高阶的 Sn(比如 S4)而仍是非手性的——所以一定要明确检查 Sn。