Przeczytaj

bg‑azure

Izomeria

Izomeria to zjawisko polegające na różnej budowie cząsteczek związków chemicznych posiadających takie same wzory sumaryczne. Najczęściej z pojęciem izomerii spotykamy się w przypadku związków organicznych, które mogą tworzyć wiele izomerów różnego rodzaju. W zależności od tego, czym dokładnie różnią się cząsteczki izomerów, możemy wyszczególnić dwie główne grupy izomerii – izomerię konstytucyjną oraz stereoizomerięstereoizomeriastereoizomerię. Izomery konstytucyjne mogą różnić się między sobą kolejnością lub/i sposobem połączenia atomów w cząsteczkach.
W cząsteczkach stereoizomerów kolejność i sposób połączenia atomów są takie same. Cząsteczki te różnią się jednak sposobem rozmieszczenia atomów (lub określonych grup atomów) w przestrzeni.

bg‑azure

Diastereoizomeria typu $E$ / $Z$ i cis-trans – warunki występowania

Jednym z rodzajów stereoizomerii jest tzw. diastereoizomeria. Diastereoizomery różnią się konfiguracją (w uproszczeniu – rozmieszczeniem atomów w przestrzeni) przy przynajmniej jednym i jednocześnie nie przy wszystkich atomach węgla w cząsteczkach.

Do diastereoizomerów zaliczamy m.in. izomery typu $E$ / $Z$ , których szczególnym przypadkiem są izomery typu cis-trans.

Jednym z warunków występowania zjawiska izomerii typu E/Zizomeria typu E/Zizomerii typu E/Z (w tym również izomerii typu cis-transizomeria typu cis/transizomerii typu cis-trans) jest ograniczona rotacja atomów bądź grup atomów wokół wiązania węgiel‑węgiel w cząsteczce.

R1VK4MsdL3SXC1

Ilustracja przedstawiająca trzy cząsteczki, w których zozstały wyszczególnione dane wiązania i została określona możliwiść rotacji wokół owych wiązań. Pierwsza cząsteczka zbudowana jest z dwóch połączonych za pomocą wiązania pojednczego grup CH, z których każda podstawiona jest grupą metylową CH3 oraz atomem bromu. Wokół wiązania łączącego atomy węgla grup CH zaznaczono strzałkę, która wskazuje na swobodą rotację wzdłuż owego wiązania. Druga cząsteczka zbudwoana jest z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego grup CH, z których każda podstawiona jest grupą metylową CH3. Wokół wiązania podwójnego zaznaczono strzałkę, która jest przekreślona, co wskazuje na brak możliwości rotacji wokół owego wiązania. Ostatnia, trzecia cząsteczka zbudowana jest sześcioczłonowego pierścienia składającego się z połączonych za pomocą wiązań pojedynczych czterech grup metylenowych CH2 oraz dwóch sąsiadujących ze sobą grup CH, z których każda podstawiona jest grupą metylową CH3. Wokół wiązania pomiędzy atomami węgla grup CH zaznaczono przekreśloną strzałkę, która wskazuje na brak możliwości rotacji wokół tego wiązania. — W cząsteczce oznaczonej na powyższej grafice numerem 1. istnieje swoboda rotacji atomów (i grup atomów) wokół każdego z wiązań (na grafice zaznaczono możliwość obrotu wokół wiązania pomiędzy drugim i trzecim atomem węgla). W cząsteczkach oznaczonych numerami 2. i 3. możliwość rotacji atomów (i grup atomów) wokół wiązania węgiel‑węgiel jest zablokowana – w przypadku cząsteczki nr 2. przez wiązanie podwójne, a w przypadku cząsteczki nr 3. przez pierścień.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Z izomerią typu $E$ / $Z$ mamy do czynienia wówczas, gdy rozpatrywane cząsteczki różnią się położeniem atomów lub grup atomów w stosunku do płaszczyzny odniesienia. W przypadku alkenówalkenalkenów, płaszczyzną odniesienia jest płaszczyzna wiązania podwójnego.

Jednak nie wszystkie alkeny, pomimo obecności wiązania podwójnego w cząsteczkach, mogą tworzyć izomery typu $E$ / $Z$ . Kolejnym warunkiem do występowania izomerii typu $E$ / $Z$ w alkenach jest bowiem obecność w ich cząsteczkach, przy atomach węgla połączonych wiązaniem podwójnym, podstawników parami nieidentycznych. Warunek ten zilustrowano na poniższej grafice.

RpfrfUXyrnWOS1

Ilustracja przedstawiająca alken, który podstawiony jest przy pierwszym atomie węgla wiązania podwójnego podstawnikami A oraz D. Drugi atom węgla znajdujący się przy wiązaniu podwójnym związany jest podstawnikami E oraz G, gdzie A nie jest równe D ora E nie jest równe G. — Literami $A$ , $D$ , $E$ i $G$ oznaczono atomy (np. atomy wodoru, atomy fluorowców) bądź grupy atomów (np. grupy alkilowe) połączone bezpośrednio z atomami węgla, których orbitalom walencyjnym przypisujemy hybrydyzację typu $s p^{2} .$ Jeśli spełniony jest powyższy warunek, to dany alken może tworzyć izomery typu $E$ / $Z$ .
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 1

Zastanów się i odpowiedz na pytanie, czy propen może tworzyć izomery typu $E$ / $Z$ . Odpowiedź krótko uzasadnij.

R1dt2MgU6uyTP

Propen nie może tworzyć izomerów typu $E$ / $Z$ . Przy jednym z atomów węgla (przy wiązaniu podwójnym) w cząsteczce propenu znajdują się bowiem dwa identyczne podstawniki – są nimi atomy wodoru.

RduUCW63ZqMu6

Ilustracja przedstawiająca model kulkowo‑pręcikowy cząsteczki propenu, który to zbudowany jest z dwóch atomów węgla symbolizowanych przez duże, szare kulki, które połączone są wiązaniem podwójnym (dwa pręciki). Pierwszy atom węgla łączy się z dwoma atomami wodoru reprezentowanymi przez małe, białe kulki. Drugi atom węgla łączy się z atomem wodoru oraz z grupą metylową CH3. Przy pierwszym atomie węgla wskazano na podstawniki, to jest dwa atomy wodoru i podpisano: takie same podstawniki. — Model cząsteczki propenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jak już wspomniano, izomeria typu cis-trans jest szczególnym przypadkiem izomerii typu $E$ / $Z$ . Z izomerami typu cis-trans, w przypadku alkenów, mamy do czynienia wówczas, gdy przy każdym z atomów węgla, połączonych wiązaniem podwójnym, znajduje się jeden atom wodoru i podstawnik identyczny dla obydwu atomów węgla.

R1CbPYLOvNSnz1

Ilustacja przedstawiająca ogólny wzór strukturalny cząsteczki alkenu mogącego tworzyć izomery typu cis-trans. Wzór składa się z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego atomów węgla, z których każdy podstawiony jest dwoma podstawnikami oznaczonymi literami A oraz H. Literami A oznaczono atomy (np. atomy wodoru, atomy fluorowców), bądź grupy atomów (np. grupy alkilowe) połączone bezpośrednio z atomami węgla, których orbitalom walencyjnym przypisujemy hybrydyzację typu sp2. — Ogólny wzór strukturalny cząsteczki alkenu, mogącego tworzyć izomery typu *cis*-*trans*. Literami $A$ oznaczono atomy (np. atomy wodoru, atomy fluorowców) bądź grupy atomów (np. grupy alkilowe) połączone bezpośrednio z atomami węgla, których orbitalom walencyjnym przypisujemy hybrydyzację typu $s p^{2}$ .
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Rozpatrując izomerię typu $E$ / $Z$ i cis-trans dla alkenów, często posługujemy się sformułowaniami, takimi jak: alken jednopodstawiony, dwupodstawiony, trójpodstawiony lub czteropodstawiony. Z alkenem czteropodstawionym mamy do czynienia wówczas, gdy w jego cząsteczce, do atomów węgla połączonych wiązaniem podwójnym, nie jest przyłączony żaden atom wodoru. W przypadku cząsteczki alkenu trójpodstawionego, do atomów węgla, uczestniczących w tworzeniu wiązania podwójnego, przyłączone są trzy podstawniki inne niż atom wodoru, w cząsteczce alkenu dwupodstawionego – do wspomnianych atomów węgla przyłączone są dwa podstawniki inne niż atomy wodoru, a w cząsteczce alkenu jednopodstawowego – jeden podstawnik inny niż atom wodoru.

Zjawisko diastereoizomerii cis-trans dotyczy nie tylko alkenów, ale również cykloalkanów, w których cząsteczkach rotacja wokół pojedynczych wiązań węgiel‑węgiel w pierścieniu jest utrudniona. Dany cykloalkan (lub jego pochodna) może występować w postaci izomerów cis-trans wówczas, gdy w jego cząsteczce, do sąsiednich atomów węgla w pierścieniu, przyłączone są po dwa parami nieidentyczne podstawniki, przy czym jednym z nich w każdym przypadku jest atom wodoru.

Polecenie 2

Zastanów się i odpowiedz na pytanie, czy metylocyklopentan może tworzyć izomery typu cis-trans. Odpowiedź krótko uzasadnij.

R1dt2MgU6uyTP

Metylocyklopentan nie może tworzyć izomerów typu cis-trans. Tylko jeden z atomów węgla tworzących pierścień połączony jest z dwoma różnymi podstawnikami (z atomem wodoru i z grupą metylową). Przy sąsiednich do wspomnianego atomach węgla znajdują się po dwa takie same podstawniki (atomy wodoru).

R1Sqf3nYWK0lu

Ilustracja przedstawiająca model kulkowo‑pręcikowy cząsteczki metylocyklopentanu, w którym atomy węgla reprezentowane przez duże, szare kulki, atomy wodoru przez małe, białe, a wiązania pojedyncze przez pręciki łączące odpowiednie kulki. Cząsteczkę metylocyklopentanu stanowi pięcioczłonowy pierścień zbudowany z pięciu atomów węgla, z których cztery podstawione są każdy dwoma atomami wodoru, a jeden łączy się z grupą metylową CH3. — Modelu cząsteczki metylocyklopentanu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Izomery typu cis-trans – nazewnictwo

Pamiętaj, że w alkenach izomerię typu cis-trans powinniśmy rozpatrywać tylko w przypadku alkenów dwupodstawionych, w cząsteczkach których do każdego z atomów węgla, połączonych wiązaniem podwójnym, dołączony jest jeden atom wodoru i jeden podstawnik identyczny dla obydwu wspomnianych atomów węgla.

Cząsteczki alkenów będących izomerami typu cis-trans różnią się położeniem atomów lub grup atomów w stosunku do płaszczyzny wiązania podwójnego. W izomerach cis identyczne podstawniki są po tej samej stronie płaszczyzny wiązania, a w izomerach trans – po przeciwnych stronach.
Przykładem alkenu, który wykazuje tego typu izomerię, jest but- $2$ -en.

R3H61QoNgQO7f

Ilustracja interaktywna Ilustracja przedstawiająca izomery typu cis-trans na przykładzie cząsteczki but-

2

-enu. Kolorem pomarańczowym schematycznie zaznaczono płaszczyznę wiązania podwójnego, prostopadłą do płaszczyzny monitora. Po lewej stronie znajduje się izomer cis, w postaci wzoru półstrukturalnego, zaś poniżej w modelu kulkowo-pręcikowym. Cząsteczka cis-but-

2

-enu zbudowana jest z dwóch atomów węgla C połączonych za pomocą wiązania podwójnego. Od każdego z nich nad płaszczyznę wyznaczoną przez wiązanie podwójne odchodzi po jednej grupie metylowej

{CH}_{3}

, które zakreślone są niebieskim kolorem. Poniżej płaszczyzny od każdego z atomów węgla przy wiązaniu podwójnym odchodzi po jednym wiązaniu do atomu wodoru. Oba atomy wodoru zakreślone są różową linią. Zatem po tej samej stronie wiązania znajdują się takie same podstawniki. Poniżej przedstawiono model kulkowo-pręcikowy, w którym to atomy wodoru stanowią małe, białe kulki, a atomy węgla - duże, szare. Atomy są połączone tak samo, jak w przypadku opisanego już wzoru i rozmieszczone są analogicznie. Po prawej stronie ilustracji znajdują się z kolei wzór oraz model cząsteczki trans-but-

2

-enu zbudowanej z dwóch atomów węgla C połączonych za pomocą wiązania podwójnego. Od pierwszego z nich znajdującego się po lewej stronie nad płaszczyznę wyznaczoną przez wiązanie podwójne odchodzi atom wodoru, zaś pod płaszczyznę grupa metylowa

{CH}_{3}

. Od drugiego atomu węgla znajdującego się po prawej stronie nad płaszczyznę odchodzi grupa metylowa, zaś pod atom wodoru. Atomy wodoru zosały zakreślone różową linią, a podstawniki metylowe niebieską. Zatem takie same podstawniki znajdują się po przeciwnych stronach wiązania podwójnego. Poniżej przedstawiono model kulkowo-pręcikowy, w którym to atomy wodoru stanowią małe, białe kulki, a atomy węgla - duże, szare. 1. Izomer cis Identyczne podstawniki znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego., 2. Izomer trans Identyczne podstawniki znajdują się po przeciwnej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego.

Izomery typu cis-trans na przykładzie cząsteczki but-

2

-enu. Kolorem pomarańczowym schematycznie zaznaczono płaszczyznę wiązania podwójnego.

Cząsteczki cykloalkanów będących izomerami typu cis-trans różnią się położeniem atomów lub grup atomów w stosunku do płaszczyzny odniesienia, którą w tym przypadku stanowi „płaszczyzna” pierścienia. W izomerach cis, identyczne podstawniki znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny pierścienia, a w izomerach trans – po przeciwnych jej stronach.

Przykładem cykloalkanu, który wykazuje tego typu izomerię, jest $1$ , $2$ -dimetylocyklopropan.

RhlGO10giWZCB

Ilustracja interaktywna Ilustracja przedstawiająca zomery typu cis-trans na przykładzie cząsteczki

1

2

-dimetylocyklopropanu. Po lewej stronie znajdują się wzór półstrukturalny oraz model kulkowo-pręcikowy cząsteczki cis-

1

2

-dimetylocyklopropanu, zaś po prawej trans-

1

2

-dimetylocyklopropanu. Wzór cząsteczki cis-

1

2

-dimetylocyklopropanu składa się z trójczłonowego pierścienia, który reprezentowany jest przez trójkąt, którego jeden z boków znajduje się w płaszczyźnie monitora pozostałe dwa wychodzą przed prostopadle do niej. Wiązanie pojedyncze w pierścieniu znajdujące się w płaszczyźnie monitora i usytuowane poziomo łączy dwa atomy węgla. Każdy z nich podstawiony jest atomem wodoru oraz grupą metylową. Przy czym grupy metylowe zakreślone niebieską linią wychodzą ponad płaszczyznę pierścienia, a atomy wodoru zakreślone różową linią pod płaszczyznę. Poniżej przedstawiono model kulkowo-pręcikowy cząsteczki zbudowany analogicznie, atomy budujące strukturę reprezentowane są przez kulki. Przez małe, białe - atomy wodoru, a przez duże, szare - atomy węgla. Po prawej stronie ilustracji znajdują się wzór i model cząsteczki trans-

1

2

-dimetylocyklopropanu. Pierścień usytuowany jest w przestrzeni analogicznie do pierścienia opisanego dla poprzedniego izomeru cis. Jednak w tym przypadku rozmieszczenie podstawników jest inne. Dla izomeru trans przy pierwszym atomie węgla od lewej grupa metylowa wychodzi ponad płaszczyznę pierścienia, a atom wodoru pod. Z kolei przy drugim atomie węgla, to atom wodoru znajduje się nad płaszczyzną pierścienia, a grupa metylowa pod. Podstawniki metylowe są zakreślone niebieską linią, a atomy wodoru różową. Poniżej znajduje się modle kulkowo-pręcikowy, w którym została przedstawiona struktura, składający się z małych białych kulek - atomów wodoru oraz dużych, szarych - atomów węgla. 1. Izomer cis Identyczne podstawniki znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny pierścienia., 2. Izomer trans Identyczne podstawniki znajdują się po przeciwnej stronie płaszczyzny pierścienia.

Izomery typu cis-trans na przykładzie cząsteczki

1

2

-dimetylocyklopropanu

Zwróć uwagę, że podając nazwę odpowiedniego izomeru typu cis-trans, przed nazwą związku umieszczamy przedrostek cis- lub trans-.

bg‑azure

Izomery typu $E$ / $Z$ – nazewnictwo

Aby ustalić nazwę alkenu występującego w postaci izomerów typu $E$ / $Z$ , musimy określić tzw. „ważność” podstawników przy każdym atomie węgla biorącym udział w tworzeniu wiązania podwójnego.

W przypadku gdy podstawniki „ważniejsze” znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego, mamy do czynienia z izomerem typu Z (niem. zusammen = razem). Jeśli podstawniki „ważniejsze” znajdują się po przeciwnych stronach płaszczyzny wiązania podwójnego, rozpatrujemy izomer typu $E$ (niem. entgegen = osobno).

Do ustalenia wspomnianej „ważności” podstawników wykorzystujemy tzw. reguły pierwszeństwareguły pierwszeństwa podstawnikówreguły pierwszeństwa, zwane regułami Cahna–Ingolda–Preloga.

bg‑azure

Reguły pierwszeństwa podstawników

Atom o większej liczbie atomowej jest ważniejszy niż atom o mniejszej liczbie atomowej, np. $I > Br > Cl > O > N > C > H$ .

RIeI7IhGf70PF

Ilustracja przedstawiająca przykład izomerii typu E/zet na przykładzie dwa-jodobut-dwa-enu. Na różowo wyróżniono symbole pierwiastków, których liczby atomowe porównywano, zatem pierwiastków połączonych bezpośrednio z atomami węgla przy wiązaniu podwójnym. Z kolei kolorem niebieskim zaznaczono podstawniki „ważniejsze” przy każdym z atomów węgla połączonych wiązaniem podwójnym. Wiązania podwójne znajdują się w płaszczyźnie monitora i usytuowane są poziomo. Po lewej stronie znajduje się cząsteczka zbudowana z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego atomów węgla, z których atom znajdujący się po lewej stronie podstawiony jest atomem wodoru wychodzącym ponad płaszczyznę wiązania oraz atomem węgla grupy C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego znajdującej się pod płaszczyzną. Drugi atom węgla znajdujący się po prawej stronie łączy się z atomem węgla grupy metylowej wychodzącej ponad płaszczyznę wiązania oraz z atomem jodu znajdującym się pod płaszczyzną. W tym przypadku przy lewym atomie węgla zakreślono na niebiesko podstawnik metylowy, a przy prawym atom jodu. Zatem opisana cząsteczka to dwa zet-jodobut-dwa-en. Po prawej stronie ilustracji przedstawiono drugi izomer, w którym przy pierwszym od lewej atomie węgla atom wodoru znajduje się ponad płaszczyzną, a podstawnik metylowy pod. Z kolei przy drugim atomie węgla nad płaszczyzną wiązania znajduje się atom jodu, a podstawnik metylowy pod. Zatem przy pierwszym od lewej atomie węgla zakreślono na niebiesko podstawnik metylowy, a przy drugim atom jodu, znajdujące się po przeciwnych stronach płaszczyzny wiązania podwójnego. Zatem opisana cząsteczka to dwa E-jodobut-dwa-en. — Izomeria typu $E$ / $Z$ na przykładzie $2$ -jodobut- $2$ -enu. Na różowo wyróżniono symbole pierwiastków, których liczby atomowe porównywano. Kolorem niebieskim zaznaczono podstawniki „ważniejsze”, przy każdym z atomów węgla połączonych wiązaniem podwójnym.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zwróć uwagę, że podając nazwę odpowiedniego izomeru typu $E$ / $Z$ , przed nazwą związku umieszczamy zapisany w nawiasie deskryptor stereochemiczny ( $E$ lub $Z$ ) z odpowiadającym mu lokantem (numerem atomu węgla, którego deskryptor ten dotyczy).

2. W przypadku gdy atomy bezpośrednio przyłączone do atomów węgla połączonych wiązaniem podwójnym nie różnią się liczbą atomową, należy porównać liczby atomowe kolejnych atomów (aż do rozstrzygnięcia).

R1aEFxGDoboeD

Ilustracja przedstawiająca izomerię typu E/zet na przykładzie cztery-etylo-trzy-metylohept-trzy-enu. Na różowo wyróżniono symbole pierwiastków, których liczby atomowe porównywano. Kolorem niebieskim zaznaczono podstawniki „ważniejsze” przy każdym z atomów węgla połączonych wiązaniem podwójnym. Wiązania podwójne znajdują się w płaszczyźnie monitora i usytuowane są poziomo. Po lewej stronie znajduje się cząsteczka zbudowana z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego atomów węgla, z których atom znajdujący się po lewej stronie podstawiony jest grupą metylową wychodzącą ponad płaszczyznę wiązania z zaznaczonym na różowo atomem wodoru oraz z grupą etylową C H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego znajdującą się pod płaszczyzną, w której to atom węgla podstawiony trzema atomami wodoru zaznaczono na różowo. Drugi atom węgla znajdujący się po prawej stronie również łączy się z grupą etylową C H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego wychodzącą przed płaszczyznę wiązania podwójnego z zaznaczonym na różowo atomem wodoru grupy C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego. Ponadto omawiany drugi atom węgla przy wiązaniu podwójnym związany jest z podstawnikiem propylowym wychodzącym pod płaszczyznę z zaznaczonym na różowo atomem węgla podstawionym trzema atomami wodoru. W tym przypadku przy lewym atomie węgla zakreślono na niebiesko podstawnik etylowy, a przy prawym - propylowy. Zatem opisana cząsteczka to (trzy zet)-cztery-etylo-trzy-metylohept-trzy-en. Po prawej stronie ilustracji przedstawiono drugi izomer, w którym przy pierwszym od lewej atomie węgla również ponad płaszczyzną znajduje się grupa metylowa, a pod - grupa etylowa. Z kolei przy drugim atomie węgla nad płaszczyzną wiązania podwójnego znajduje się podstawnik propylowy, a pod - grupa etylowa. Na różowo zostały zaznaczone te same atomy, co w poprzednim izomerze. Zatem przy pierwszym od lewej atomie węgla zakreślono na niebiesko podstawnik etylowy, a przy drugim propylowy, znajdujące się po przeciwnych stronach płaszczyzny wiązania podwójnego. Zatem opisana cząsteczka to (trzy E)-cztery-etylo-trzy-metylohept-trzy-en. — Izomeria typu $E$ / $Z$ na przykładzie $4$ -etylo- $3$ -metylohept- $3$ -enu. Na różowo wyróżniono symbole pierwiastków, których liczby atomowe porównywano. Kolorem niebieskim zaznaczono podstawniki „ważniejsze”, przy każdym z atomów węgla połączonych wiązaniem podwójnym.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

3. W przypadku gdy atomy podstawnika połączone są wiązaniem wielokrotnym, należy rozpisać je na odpowiednią liczbę wiązań pojedynczych.

RS4zxjdd1YTs9

Ilustracja przedstawiająca przykładowe podstawniki, w których atomy połączone są wiązaniem wielokrotnym oraz odpowiadającą im interpretację zapisu podczas ustalania pierwszeństwa podstawników. I tak dla wzór podstawnika aldehydowego zbudowany jest z atomu węgla C zaznaczonego na czerwono połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu zaznaczonym na niebiesko oraz za pomocą wiązania pojedynczego z atomem wodoru. Zgodnie z interpretacją zapis dla grupy aldehydowej podczas ustalania pierwszeństwa podstawników jest następujący. Atom węgla zaznaczony na czerwono łączy się z atomem wodoru wiązaniem pojedynczym oraz również za pomocą wiązań pojedynczych z dwoma atomami tlenu oznaczonymi kolorem niebieskim, z których każdy łączy się z jednym atomem węgla oznaczonym również kolorem czerwonym. Kolejną grupą jest grupa karboksylowa zbudowana z atomu węgla zaznaczonego na czerwono połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu zaznaczonym na niebiesko oraz za pomocą wiązania pojedynczego z atomem tlenu zaznaczonym na zielono podstawionym atomem wodoru w kolorze czarnym. Poniżej przedstawiono zapis zgodny z interpretacją umożliwiający określenie pierwszeństwa podstawników. I tak atom węgla zaznaczony na czerwono łączy się za pomocą trzech wiązań pojedynczych z atomami tlenu. Pierwszy atom tlenu zaznaczony jest na zielono i łączy się z atomem wodoru, zaś dwa pozostałe atomy tlenu zaznaczone na niebiesko podstawione są każdy jednym atomem węgla zaznaczonym na czerwono. Ostatnim przykładem podstawnika jest grupa estrowa podstawiona grupą metylową. Zbudowana jest ona z atomu węgla zaznaczonego na czerwono połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu zaznaczonym na niebiesko oraz za pomocą wiązania pojedynczego z atomem tlenu zaznaczonym na zielono podstawionym atomem węgla również zaznaczonym na zielono i podstawionym trzema atomami wodoru. Poniżej przedstawiono zapis zgodny z interpretacją umożliwiający określenie pierwszeństwa podstawników. I tak atom węgla zaznaczony na czerwono łączy się za pomocą trzech wiązań pojedynczych z atomami tlenu. Pierwszy atom tlenu zaznaczony jest na zielono i łączy się z również zaznaczonym na zielono atomem węgla podstawionym trzema atomami wodoru, zaś dwa pozostałe atomy tlenu zaznaczone na niebiesko podstawione są każdy jednym atomem węgla zaznaczonym na czerwono. — Przykładowe podstawniki, w których atomy połączone są wiązaniem wielokrotnym.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

ROYKSFczq6tLQ

Ilustracja przedstawiająca izomerię typu E/zet na przykładzie trzy-(chlorometylideno)-cztery-metylopent-jeden-enu. Na różowo wyróżniono symbole pierwiastków, których liczby atomowe porównywano. Kolorem niebieskim zaznaczono podstawniki „ważniejsze”, przy każdym z atomów węgla połączonych wiązaniem podwójnym. Na żółto podświetlono łańcuch główny. Wiązania podwójne, względem których określana jest izomeria E/zet znajdują się w płaszczyźnie monitora i usytuowane są poziomo. Cząsteczka zbudowana jest z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego atomów węgla. Pierwszy od lewej atom węgla podstawiony jest atomem chloru zaznaczonym na różowo znajdującym się nad płaszczyzną oraz również zaznaczonym na różowo atomem wodoru pod płaszczyzną wiązania. Przy drugim atomie węgla nad płaszczyzną znajduje się podstawnik składający się z grupy C H połączonej za pomocą wiązania podwójnego z grupą C H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, w której atom węgla zaznaczono na różowo. Z kolei pod płaszczyzną omawiany atom węgla łączy się z grupą dwa-propylową składającą się z grupy C H podstawionej dwiema grupami metylowymi C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, w jednej z nich zaznaczono na różowo atom wodoru. Podstawniki znajdujące się nad płaszczyzną wiązania zakreślono niebieskimi liniami. Ponadto zaznaczono na żółto łańcuch główny, który obejmuje grupę metylenową, grupę C H, atom węgla oraz kolejną grupę C H i jedną ze związanych z nią grup metylowych. Zatem omawiana struktura to trzy zet-trzy-(chlorometylideno)-cztery-metylopent-jeden-en. Po prawej stronie znajduje się wzór cząsteczki drugiego izomeru zbudowanego z dwóch połączonych za pomocą wiązania podwójnego atomów węgla. Pierwszy od lewej atom węgla podstawiony jest atomem wodoru zaznaczonym na różowo znajdującym się nad płaszczyzną oraz również zaznaczonym na różowo atomem chloru pod płaszczyzną wiązania. Przy drugim atomie węgla nad płaszczyzną znajduje się podstawnik składający się z grupy C H połączonej za pomocą wiązania podwójnego z grupą C H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, w której atom węgla zaznaczono na różowo. Z kolei pod płaszczyzną omawiany atom węgla łączy się z grupą dwa-propylową składającą się z grupy C H podstawionej dwiema grupami metylowymi C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, w jednej z nich zaznaczono na różowo atom wodoru. Atom chloru oraz podstawnik, który składa się z grupy C H połączonej za pomocą wiązania podwójnego z grupą metylenową C H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego zostały zakreślone niebieskimi liniami. Ponadto zaznaczono na żółto łańcuch główny, który obejmuje grupę metylenową, grupę C H, atom węgla przy wiązaniu podwójnym oraz kolejną grupę C H i jedną ze związanych z nią grup metylowych. Zatem omawiana struktura to nawias, trzy E, zamknięcie nawiasu-trzy-(chlorometylideno)-cztery-metylopent-jeden-en. — Izomeria typu $E$ / $Z$ na przykładzie $3$ -(chlorometylideno)- $4$ -metylopent- $1$ -enu. Na różowo wyróżniono symbole pierwiastków, których liczby atomowe porównywano. Kolorem niebieskim zaznaczono podstawniki „ważniejsze”, przy każdym z atomów węgla połączonych wiązaniem podwójnym. Na żółto podświetlono łańcuch główny.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Stosując reguły pierwszeństwa podstawników, należy rozpisać atomy w rozpatrywanych powyżej wzorach podstawników w następujący sposób:

R1NLWpjPRvDEZ

Ilustracja przedstawiająca wzory strukturalne podstawników oraz zapis interpretacji podczas ustalania pierwszeństwa podstawników. Pierwszy podstawnik stanowi grupa CH połączona za pomocą wiązania podwójnego z grupą metylenową CH2 z zaznaczonym na niebiesko atomem węgla. Zgodnie z interpretacją podczas ustalania pierwszeństwa zapis dla podstawnika etenylowego (to jest winylowego) atom węgla związany jest z atomem wodoru oraz z dwoma atomami węgla zaznaczonymi na niebiesko, z których drugi podstawiony jest dwoma atomami wodoru i jednym atomem węgla zakreślonym fioletowym kółkiem. Druga przedstawiona na ilustracji grupa 2-propylowa składającą się z grupy CH podstawionej dwiema grupami metylowymi CH3. W obu grupach CH3 atomy węgla wyszczególniono odpowiednio pierwszy zielonym, a drugi czerwonym. Poniżej przedstawiono zapis interpretacji przeprowadzonej podczas ustalania pierwszeństwa, który stanowi atom węgla połączony z atomem wodoru oraz dwoma atomami węgla, pierwszy z nich zaznaczony jest na zielono, a drugi na czerwono. Każdy z nich łączy się z trzema czarnymi atomami wodoru. Jeden z atomów wodoru przy zielonym atomie węgla został zakreślony fioletowym kółkiem. — Wzory strukturalne podstawników oraz ich interpretacja zapisu w czasie ustalania pierwszeństwa podstawników
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Pamiętaj, że formalnie każdy izomer typu cis jest jest jednocześnie izomerem typu $Z$ , a każdy izomer typu trans – izomerem typu $E$ . Relacja ta nie jest jednak spełniona w drugą stronę – nie każdy izomer typu $Z$ jest jednocześnie izomerem typu cis i nie każdy izomer typu $E$ jest izomerem typu trans.

bg‑azure

Podsumowanie

Izomeria typu $E$ / $Z$ jest przykładem stereoizomerii – izomery różnią się rozmieszczeniem atomów (lub grup atomów) w przestrzeni.

Warunkiem występowania izomerii typu $E$ / $Z$ w alkenach jest obecność w ich cząsteczkach, przy atomach węgla połączonych wiązaniem podwójnym, podstawników parami nieidentycznych:

R5g0z8TQsHwGG1

W celu ustalenia nazwy alkenu występującego w postaci izomerów typu $E$ / $Z$ , należy określić tzw. „ważność” podstawników przy każdym atomie węgla biorącym udział w tworzeniu wiązania podwójnego, stosując do tego celu reguły pierwszeństwa (Cahna–Ingolda–Preloga).

W przypadku gdy podstawniki „ważniejsze” znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego, mamy do czynienia z izomerem typu $Z$ , a gdy znajdują się po przeciwnych stronach płaszczyzny wiązania podwójnego – z izomerem typu $E$ .

Szczególnym przypadkiem izomerii typu $E$ / $Z$ jest izomeria typu cis–trans. W alkenach, izomerię typu cis‑trans należy rozpatrywać tylko w przypadku alkenów dwupodstawionych, w cząsteczkach których do każdego z atomów węgla, połączonych wiązaniem podwójnym, dołączony jest jeden atom wodoru i jeden podstawnik identyczny dla obydwu wspomnianych atomów węgla.

R1XAh49Drmayr1

W cząsteczkach izomerów cis identyczne podstawniki są po tej samej stronie płaszczyzny wiązania, a w cząsteczkach izomerów trans – po przeciwnych stronach.

Słownik

alken

węglowodór zawierający w cząsteczce jedno podwójne wiązanie węgiel‑węgiel; ogólny wzór sumaryczny szeregu homologicznego alkenów ma postać $C_{n} H_{2 n}$

stereoizomeria

izomeria związana z różnym przestrzennym rozmieszczeniem atomów (lub grup atomów) w cząsteczkach związków chemicznych o tej samej konstytucji, a więc sposobie i kolejności powiązania atomów

izomeria typu cis/trans

specyficzny przypadek izomerii typu $E$ / $Z$ ; z izomerami typu cis-trans, w przypadku alkenów, mamy do czynienia wówczas, gdy przy każdym z atomów węgla, połączonych wiązaniem podwójnym, znajduje się jeden atom wodoru i podstawnik identyczny dla obydwu atomów węgla; w cząsteczkach izomerów cis identyczne podstawniki znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego, a w cząsteczkach izomerów trans – po przeciwnych stronach; izomery typu cis-trans mogą tworzyć również odpowiednie cykloalkany, w których jako płaszczyznę odniesienia stosuje się płaszczyznę pierścienia

izomeria typu E/Z

rodzaj diastereoizomerii obserwowanej w alkenach, w których cząsteczkach, przy atomach węgla połączonych wiązaniem podwójnym, znajdują się podstawniki parami nieidentyczne; ustalenie nazwy izomeru typu $E$ / $Z$ wymaga uprzedniego ustalenia pierwszeństwa podstawników według reguł Cahna, Ingolda i Preloga, a następnie określenia, czy ważniejsze podstawniki znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny wiązania podwójnego („zusammen” – wówczas jest to izomer $Z$ ), czy po przeciwnych stronach („entgegen” – wówczas jest to izomer $E$ )

reguły pierwszeństwa podstawników

zwane regułami Cahna, Ingolda i Preloga, używane w stereochemii, pozwalają na określenie pierwszeństwa („ważności”) podstawników i ustalenie nazwy izomeru:

atom o większej liczbie atomowej jest ważniejszy niż atom o mniejszej liczbie atomowej, np. $I > Br > O > C > H$ ;
jeżeli atomy bezpośrednio przyłączone do atomów węgla, połączonych wiązaniem podwójnym, nie różnią się liczbą atomową, należy porównać liczby atomowe kolejnych atomów (aż do rozstrzygnięcia);
każde wiązanie wielokrotne należy rozpisać na odpowiednią ilość wiązań pojedynczych

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

Wprowadzenie

Film samouczek

Izomeria

Diastereoizomeria typu $E$ / $Z$ i cis-trans – warunki występowania

Izomery typu cis-trans – nazewnictwo

Izomery typu $E$ / $Z$ – nazewnictwo

Reguły pierwszeństwa podstawników

Podsumowanie

Słownik

Bibliografia

Wprowadzenie

Film samouczek

Przeczytaj

Izomeria

Diastereoizomeria typu E/Z i cis-trans – warunki występowania

Izomery typu cis-trans – nazewnictwo

Izomery typu E/Z – nazewnictwo

Reguły pierwszeństwa podstawników

Podsumowanie

Słownik

Bibliografia

Diastereoizomeria typu $E$ / $Z$ i cis-trans – warunki występowania

Izomery typu $E$ / $Z$ – nazewnictwo