Cis-trans-isomeeria

Cis-trans-isomeeria ehk tsiss-trans-isomeeria ehk vananenud väljendiga geomeetriline isomeeria on orgaanilises keemias stereoisomeeria vorm, mis johtub aatomite või aatomirühmade asetusest molekulis sisalduva kaksiksideme või tsüklitasandi suhtes.

Seega on tegu kaksiksideme või tsükli süsinikuaatomitega seotud asendusrühmade ehk substituentide ruumilise paiknemise erinevustega üksteise suhtes. Cis tähendab, et asendusrühmad on kaksiksideme või alitsüklilise ringi "samal poolel", ja trans tähendab "vastaspooltel". Ka anorgaanilistes kompleksühendites esineb cis-trans-isomeeria.

Kuigi enamikus ühendites langeb cis-isomeeria kokku Z-isomeeriaga ja trans-isomeeria E-isomeeriaga, ei tohi neid kasutada sünonüümidena, kuna esineb ühendeid, kus need isomeerid on erineva ehitusega. Cis- ja trans-deskriptorite kasutamine on ülevaatlik ja selge lihtsamate (kahe asendusrühmaga) ühendite korral. Kui kaksiksideme või tsükliga on seotud mitu asendusrühma, siis nende täpsemaks määratlemiseks kasutatakse deskriptoreid E (saksa keeles entgegen) ja Z (zusammen). Seejuures võrreldakse asendusrühmade vanemust: kui kaks kõige vanemat rühma on samal pool võrdlustasandit, siis on tegemist Z-isomeeriga, kui eri pooltel, siis E-isomeeriga.

Cis-trans-isomeeria võib esineda ka alitsüklilistes ühendites. Need on alifaatsed tsüklilised ühendid. Näiteks võib tuua 1,2-diklorotsükloheksaani. Sellel on kaks kõrvutist süsiniku aatomit seotud kumbki ühe vesiniku ja ühe kloori aatomiga. Kui kloori aatomid on piltlikult öeldes suunatud teineteisest eemale, siis on tegu trans-isomeeriga, aga kui teineteise suunas, siis cis-isomeeriga (vt juuresolevaid jooniseid).

Skelettvalemitega saab kujutada alkeenide ja tsükliliste ühendite cis- ja trans-isomeere. Lainelise joonega kujutatakse keemilist sidet siis, kui stereoisomeer ei ole teada või kui tegemist on isomeeride seguga (vt juuresolevaid jooniseid).

Cis-trans-isomeeria tuleneb asjaolust, et molekulis esineb nii kaksiksideme kui tsükli korral nendega seotud asendusrühmade ruumis vaba pöörlemise takistus, mis hoiab need rühmad üksteise suhtes fikseerituna.

Füüsikaliste omaduste erinevus 

Cis- ja trans-isomeerid enamasti erinevad füüsikalistelt ja keemilistelt omadustelt. Need erinevused tekivad üldiselt molekulide erinevast kujust või erinevast üldisest dipoolmomendist.

Need erinevused võivad olla vaevumärgatavad, näiteks sirge süsinikuahelaga alkeenidel. 2-penteeni cis-isomeeri keemistemperatuur on +37 °C, trans-isomeeril +36 °C. Erinevused on suuremad siis, kui mängu tulevad polaarsed sidemed. Näiteks 1,2-dikloroeteeni keemistemperatuur on +60,3 °C cis-isomeeril ja +47,5 °C trans-isomeeril. Selles aines ühinevad kahe polaarse süsiniku ja kloori aatomi vahelise sideme dipoolmomendid ja annavad kogu molekulile dipoolmomendi. Seetõttu tekivad sama aine molekulide vahele dipooljõud]], mille lagundamiseks kulub täiendavalt energiat ehk teisisõnu keemistemperatuur muutub kõrgemaks. Trans-isomeeril seda ei juhtu, sest kaks kloori sideme dipoolmomenti tühistavad teineteist vastastikku ja molekuli dipoolmoment tervikuna on null (siiski on molekulil olemas nullist erinev kvadrupoolmoment).

Buteendihappe kahe isomeeri omadused on sedavõrd erinevad, et neile on antud täielikult erinevad nimed: cis-isomeeri nimetatakse maleiinhappeks ja trans-isomeeri fumaarhappeks. Nende sulamistemperatuur on vastavalt +135 °C ja +287 °C, aga näiteks lahustuvus vees vastavalt 788 g/l ja 6,3 g/l. Needki erinevused põhjustab fumaarhappe polaarsus, mis tekitab molekulidevahelisi jõude ja tõstab niimoodi sulamistemperatuuri.

Sümmeetria on ka peamine põhjus, millega seletada oleiinhappe ja elaiinhappe omaduste erinevust. Cis-isomeeri oleiinhappe sulamistemperatuur on +13,4 °C, mistõttu see aine on toatemperatuuril vedelik, aga trans-isomeeri elaiinhappe sulamistemperatuur on +43 °C, mistõttu see on toatemperatuuril tahkis. Elaiinhappe molekul on suhteliselt sirge, aga oleiinhappe molekul kõver. Sellepärast saab elaiinhappe molekule nii-öelda tihedamalt kokku pakkida, mis tõstab sulamistemperatuuri.

Reeglina on trans-isomeerid vähem polaarsed ja rohkem sümmeetrilised ning kõrgema sulamistemperatuuriga kui cis-isomeerid. Inertsetes lahustites lahustuvad trans-isomeerid üldiselt vähem.

Paljudel juhtudel on trans-isomeer stabiilsem kui cis. Trans-isomeeri põlemisel eraldub vähem soojust, mistõttu nad on termokeemiliselt stabiilsemad. Eksisteerib siiski erandeid, näiteks 1,2-difluoroetüleen, 1,2-difluoroaseen FN=NF ning veel mitmed halogeene ja hapnikku sisaldavad etüleenid: nendel on cis-isomeer stabiilsem.

Looduslikele molekulidele on iseloomulik cis-konfiguratsioon, sünteetilistele molekulidele, vastupidi, trans-vorm. Organismid reeglina ei suuda hästi lõhustada trans-vorme. Seetõttu peetakse trans-rasvasid ebatervislikeks.

E- ja Z-deskriptorid 

E- ja Z-deskriptorid tuletatakse kindlate reeglite (Cahni-Ingoldi-Prelogi reeglid) alusel, kusjuures iga kaksiksidemega seotud asendusrühma korral arvestatakse tema vanemust. Kui kaks kõige vanemat rühma on samal pool kaksiksidet, siis on tegemist Z-isomeeriga, kui eri pooltel, siis E-isomeeriga.

Viited

Orgaaniline keemia