Z izomerią geometryczną mamy do czynienia wówczas, gdy spełnione są dwa warunki:
1. w cząsteczce występuje wiązanie podwójne lub pierścień
2. obecne są różne podstawniki przy każdym atomie węgla połączonym wiązaniem podwójnym lub przy każdym z
dwóch atomów węgla w pierścieniu.
Poniżej przedstawiono ogólne przykłady związków które są izomerami geometrycznymi:
a
a
b
a
a
a
a
c
a
c
a
d
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
b
b
a
b
b
c
b
a
b
d
b
c
I
II
III
IV
V
VI
a
a
a
b
a
a
a
c
a
c a
d
b
b
b
a
b
c
b
a
b
d
b
c
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Natomiast związki przedstawione poniżej ogólnymi wzorami nie są izomerami geometrycznymi:
a
a
a
a
a
a
a
b
a
b
a
a
b
a
C
C
C
C
C
C
C
C
a
a
a
b
a
b
a
c
a
a
a
b
a
b
XIII
XIV
XV
XVI
XVII
XVIII
XIX
W celu określenia względnego, przestrzennego położenia podstawników używa się terminów cis- i trans-, które
wymienia się przed nazwa właściwą związku.
Dwa identyczne atomy lub grupy znajdują się względem siebie w położeniu cis gdy leżą po tej samej stronie
wiązania podwójnego lub płaszczyzny pierścienia, natomiast w położeniu trans gdy znajdują się po przeciwnych
stronach.
Izomerami cis są związki: I, III, VII, IX, ponieważ podstawniki "a" znajdują się po tej samej stronie; izomerami trans są związki: II, IV, VIII, X, ponieważ podstawniki "a" znajdują się po przeciwnych stronach. Natomiast połączeniom
V, VI, XI i XII pomimo, że są izomerami geometrycznymi nie można przypisać względnej konfiguracji cis i trans.
Bardziej ogólną metodą opisania struktury izomerów geometrycznych jest określenie ich konfiguracji bezwzględnej
Z (niem. zusammen = razem) i E (niem. entgagen = przeciwnie). Ta metoda, oparta na regułach pierwszeństwa
podstawników Cohna, Ingolda i Preloga, pozwala określić konfigurację wszystkich związków od I do XII i jest
zalecana przez IUPAC.
W celu określenia położenia przestrzennego podstawników, należy dla każdej pary podstawników leżących przy
tym samym atomie węgla określić ich kolejność według metod pierwszeństwa. Następnie, gdy podstawniki o takim
samym pierwszeństwie, będą znajdować się po tej samej stronie wiązania podwójnego lub płaszczyzny pierścienia
wówczas mamy do czynienia z izomerem Z w przeciwnym razie z izomerem E.
W celu określenia związków I - XII załóżmy, że pierwszeństwo podstawników maleje w następującym szeregu: a >
b > c > d. Na tej podstawie izomerami Z są związki: I, III, V, VII, IX, XI, a izomerami E są połączenia: II, IV, VI, VIII, X, XII.
Poniżej przedstawiono związki, których nazwy zwyczajowe jednoznacznie określają ich stereochemię.
H
COOH H
COOH
H3C
COOH
H
COOH
H
COOH
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
HOOC
H
H
COOH
H
COOH
HOOC
CH3
H
CH3
kwas fumarowy kwas maleinowy
kwas cytrakonowy kwas mezakonowy kwas izokrotonowy
H
CH
H
(CH2)7
CH3
3
CH3 (CH2)7
H
C
C
C
C
C
C
HOOC
H
H
(CH2)7
COOH
H
(CH2)7
COOH
kwas krotonowy
kwas elaidynowy
kwas oleinowy
Określ konfigurację Z i E oraz cis i trans (gdy to jest możliwe) dla następujących związków:
a)
1
2
H3C
H
C
C
2
H
CH3 1
W powyższym związku, najpierw określamy pierwszeństwo każdej z dwóch grup lężących przy atomach węgla
połaczonych wiązaniem podwójnym. Łatwo zauważymy, że grupa CH3 ma pierwszeństwo przed atomem wodoru.
Ponieważ grupy mające pierwszeństwo w każdej z dwóch par leżą po przeciwnych stronach stąd wnosimy, że jest
to izomer E. Związek nazwiemy jako ( E)-but-2-en. Jednocześnie, ponieważ dwie takie same grupy (np. CH3
znajdują się po przeciwnych stronach wiązania podwójnego, dlatego możemy określić ten związek jako izomer
trans i nazwać go: trans-but-2-en.
b)
1
1
H3C
COOH
C
C
H
CH3
2
2
W przypadku tego związku, określamy pierwszeństwo dwóch par podstawników: CH3, H oraz COOH i CH3.
Zauważmy, że w przypadku pierwszej pary grupa CH3 ma pierwszeństwo przed atomem wodoru, natomiast w
drugiej parze grupa COOH ma pierwszeństwo przed grupą CH3. Grupy o tym samym priorytecie znajdują się po tej
samej stronie wiązania podwójnego, dlatego mamy do czynienia z izomerem Z. W przypadku określania
konfiguracji względnej, dwie identyczne grupy (w naszym przypadku CH3) znajdują się po przeciwnych stronach
wiązania podwójnego, zatem mamy do czynienia z izomerem trans. Wynika stąd, że nie ma bezpośredniej zależności pomiędzy konfiguracją względną ( cis i trans) i bezwzględną ( Z i E), dlatego uogólnienie, że cis
odpowiada izomerowi Z, a izomer trans izomerowi E jest błędne.
c)
1
2
CH2
Cl
C
C
H
Br
2
1
Określając pierwszeństwo podstawników przy każdym z atomów węgla, który tworzy wiązanie podwójne widzimy,
że grupa benzylowa (CH2C6H5) ma pierwszeństwo przed atomem wodoru, a atom bromu ma pierwszeństwo przed
atomem chloru. Podstawniki o tym samym pierwszeństwie znajdują się po przeciwnych stronach wiązania
podwójnego, dla tego mamy do czynienia z izomerem E. Ponieważ żadna grupa nie powtarza się zatem nie
możemy określić konfiguracji względnej ( cis i trans) powyższego związku.
Zadanie
Określ konfigurację Z i E oraz cis i trans (gdy to jest możliwe) dla następujących związków:
CH2
CH2
H
COOH
H
H
H
Cl
Br
Cl
H2C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H3C
CH3
Cl
CN
Cl
CN
I
Br
H
CH2
CH2
CH2
Cl
CH3
C
N
N
H
C
H3C
CH2
CH3
O
HC
C
CH
H
H
2
CH3
C
H
C
C
C
C
H
O
CH3
H
C
C
CH
CH3
CH2
C
C
2
CH
C
CH
H
2
C
H
H
H
CH
3C
CH3
3
C
C
H
H