Izomeria cis−trans to w rzeczywistości bardzo trudny temat dla początkującej osoby, nawet dla takiej średniozaawansowanej. Doskonale wiem, że często nawet olimpijczycy nie rozumieją istoty izomerii, a ich zrozumienie tematu opiera się w rzeczywistości na tym, że potrafią rozpoznać i narysować izomery cis, trans , ale nie do końca rozumieją czemu tak jest^[1]. Ambitnie podejmę się wytłumaczenia tego idąc o krok dalej od tego co z reguły serwuje nam szkolna przeciętność. 

1. Co to jest rotacja ?

Rotacja to po prostu obrót − obraca się jakaś grupa atomów wzdłuż wiązania chemicznego. Czemu nas to interesuje? Zobaczmy na poniższy schemat gdzie została przedstawiona cząsteczka 1,2 − dichloroetanu (oznacza to, że jest to etan, w którym do pierwszego i drugiego atomu węgla został podłączony atom chloru) :

Dopiero zaczynam nagrywanie tego typu filmów, więc wiem, że to nie jest jeszcze super rewelacyjnie zrobione, ale mam zamiar szybko te braki nadrobić i zrobić potem te filmiki jeszcze raz, dużo lepiej. To co zostało przedstawione na filmiku postaram się także zobrazować na rysunku :

W rzeczywistości te związki są identyczne, rotacja wokół wiązania pojedynczego prowadzi do uzyskania takich samych związków^[2]. Dlaczego tak jest ? Wynika to z symetrii wiązania pojedynczego (sigma) :

Jak widzisz, nałożenie orbitali s prowadzi do powstania jajka. Mówimy, że wiązanie sigma ma cylindryczny kształt (czy też symetrię cylindryczną). Zawsze staram się to porównać do sytuacji, w której pchamy np. po stole białą kulę do bilarda. Nieważne jak ją sobie przechylimy, pokulamy, ona ciągle wygląda tak samo, ponieważ jest symetryczna. Tutaj jest analogicznie^[2].

2. Rotacja w przypadku wiązania podwójnego

Zobaczmy czy taka sama rotacja będzie możliwa w przypadku, gdy w cząsteczce pojawi się wiązanie podwójne pomiędzy atomami węgla, czyli C=C. Zobaczmy jak będzie wyglądać obraz orbitalowy dla cząsteczki analizowanej przed chwilą oraz jej pochodnej, w której usunęliśmy dwa atomy wodoru kosztem wprowadzenia wiązania C=C.

Już od razu przyznaję, że powyższy obrazek jeszcze nie sprawi, że doznacie olśnienia, ale z pomocą wideo jest już większa szansa, dlatego koniecznie zapraszam :

Próba rotacji wokół wiązania C=C wiąże się z jego rozerwaniem. A zrywanie i tworzenie wiązań chemicznych to mi już tak trochę pachnie reakcją chemiczną, więc nie ma tutaj mowy o swobodnej rotacji (swobodnie, czyli cząsteczki same z siebie przechodzą jedna w drugą).

3. Izomery cis−trans

Widzimy, że dwa związki, które zostały pokazane wyżej nie są takie same, więc musimy je jakoś nazwać, aby je odróżnić. Czyli niestety wiąże się to z kolejnymi nazwami, które będzie trzeba zapamiętać.

Co bardzo ważne, aby ocenić czy mamy izomer cis czy trans, w cząsteczce nie musi być akurat dwóch atomów wodoru, wystarczą dwa dowolne, takie same podstawniki ! Zatem w powyższym przykładzie izomerię można ocenić na podstawie względnego położenia atomów wodoru, ale także patrząc na atomy chloru.

Uwaga, w trzecim przypadku wciąż można wyróżnić dwa izomery, bo nic się nie zmienia i dalej rotacja wokół wiązania podwójnego jest niemożliwa^[3]. Jeśli natomiast dwa podstawniki przyłączone do jednego węgla są takie same, to nie ma wtedy żadnej izomerii.

Izomery cis i trans to kompletnie inne związki, w takim sensie, że wykazują różne właściwości fizyczne i chemiczne!

Ważna właściwość izomerów cis i trans!

4. Izomeria cis−trans w związkach cyklicznych

To jeszcze nie koniec! Jest też możliwość, żeby mówić o izomerii cis trans, gdy nie ma wiązania podwójnego! Takie wrażenia fundują nam związki cykliczne, które są płaskie^[4] , więc mają swoją stronę górną i dolną. Tak samo jak moneta, która ma orła i reszkę, czyli też stronę górną i dolną.

W takim razie, jeśli wrzucimy tam jakieś podstawniki, to będzie to miało znaczenie, czy dostawimy je po tej samej stronie, czy przeciwnej! Zobaczmy :

Podstawniki te nie muszą być obok siebie, mają być po prostu dołączone do pierścienia:

Perspektywa narysowania pękania wiązań w przypadku próby rotacji na związkach cyklicznych sprawia, że trzęsę się ze strachu, jednak obiektywnie trzeba przyznać, że jest to już znacznie łatwiejsze do samodzielnego wyobrażenia sobie. Robisz w myślach tą samą rotację, co przy okazji 1,2−dichloroetenu i widzisz jak niszczy się Twój pierścień (= rotacja jest niemożliwa!). 

Na koniec jeszcze chciałbym zaznaczyć jedną kwestię z zakresu nomenklatury − używanie terminu izomeria geometryczna w odniesieniu do izomerii cis/trans jest nieprawidłowe zgodnie z IUPAC.

---

^[1] Nie ma w tym nic złego, o ile zdamy sobie sprawę, że danego tematu (nawet pozornie łatwego) po prostu nie rozumiemy. Czasem wydaje nam się, że jeśli potrafimy rozwiązywać zadania, to rozumiemy zagadnienie. Łatwo to zweryfikować, wystarczy wytłumaczyć koledze czy koleżance np. izomerię cis/trans. Jeśli na zadane pytanie  “czemu akurat w alkenach, gdy jest wiązanie podwójne tak jest?” nie potrafisz odpowiedzieć, tylko przechodzisz do robienia zadań, to właśnie się zdiagnozowałeś.

^[2] W rzeczywistości sprawa jest znacznie bardziej skomplikowana. Zauważ, że atomy chloru są znacznie większe niż atomy wodoru, więc najbardziej uprzywilejowane ułożenie cząsteczki w przestrzeni jest takie, kiedy te dwa chlory są jak najdalej od siebie! W rzeczywistości rotacja o dowolny kąt daje inny izomer konformacyjny, z których niektóre są trwalsze, a inne znacznie mniej. Spokojnie jednak, izomeria konformacyjna nie pojawia się nawet na Olimpiadzie, więc póki co to pomijamy. Na maturze będziemy przyjmować, że rotacja wokół wiązania pojedynczego daje te same związki.

Samo istnienie konformerów może się wydawać mega mocne, w końcu nawet tak prosty związek jak ClCH₂CH₂Cl będzie miał olbrzymią ilość różnych izomerów! Generalnie, te konformery z reguły są nie do rozdzielenia, bo wzajemna przemiana jednego izomeru konformacyjnego w drugi (i inne) zachodzi tak szybko, że nie da się ,,wyizolować” tylko jednego z nich.

^[3] Mowa tutaj o izomerii E/Z , która swoją drogą powinna być od razu uczona, ponieważ jest bardziej uniwersalna niż cis/trans. Samo cis/trans też jest powszechnie używane i wygodne, ale po prostu jak sam widzisz, nie zawsze będzie ,,działać”.

^[4] Chyba już nawet nie musisz tu patrzeć, żeby się domyśleć, co chcę powiedzieć… Tak, oczywiście związki cykliczne są płaskie w maturalnym uproszczeniu, w rzeczywistości są one trochę powyginane, ale nam nie przeszkadza to w stwierdzeniu, że wciąż mamy jakąś stronę górną i dolną.