Izomeria węglowodorów. Izomeria cis‑trans.

bg‑gold

Izomeria typu $E$ / $Z$ i cis-trans

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.

Podczas omawiania izomerii E/Z (lub cis‑trans) alkeny opisujemy jako: jednopodstawione, dwupodstawione, trójpodstawione lub czteropodstawione. Oznacza to, ile atomów wodoru przy węglach podwójnie związanych zostało zastąpionych innymi grupami:

jednopodstawiony – jeden wodór zastąpiony,
dwupodstawiony – dwa wodory zastąpione,
trójpodstawiony – trzy wodory zastąpione,
czteropodstawiony – żaden wodór nie jest przy tych węglach obecny.

Izomeria cis‑trans występuje nie tylko w alkenach, ale też w cykloalkanach. W pierścieniach obrót wokół wiązań C–C jest ograniczony, dlatego związki te mogą tworzyć izomery cis (podstawniki po tej samej stronie pierścienia) i trans (po przeciwnych stronach). Zjawisko to pojawia się, gdy przy dwóch sąsiednich atomach węgla w pierścieniu znajdują się różne podstawniki, z których jednym zawsze 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‑gold

Nazewnictwo izomerów typu cis-trans

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-dwa-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-dwa-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 C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, 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-dwa-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 C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego. 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 jeden,dwa-dimetylocyklopropanu. Po lewej stronie znajdują się wzór półstrukturalny oraz model kulkowo‑pręcikowy cząsteczki cis-jeden,dwa-dimetylocyklopropanu, zaś po prawej trans-jeden,dwa-dimetylocyklopropanu. Wzór cząsteczki cis-jeden,dwa-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-jeden,dwa-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‑gold

Nazewnictwo izomerów typu $E$ / $Z$

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.

Polecenie 3

Zapoznaj się z poniższym filmem dotyczącym izomerii geometrycznej w cząsteczkach alkenów, a następnie rozwiąż zadania.

R1PI8xqZ1IO38

Film samouczek pt. Izomeria typu E/Z i cis‑trans
Źródło: GroMar Sp. z o. o., Piotr Dzwoniarek, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

R1Aym3MIl7Ojm

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R18jarafNVdKA

Ćwiczenie 2

RBBA2r3UbRb5x

R1DrJ48EL9uo4

RFImdm6VSfEHD

Ilustracja przedstawiająca dwa wzory cząsteczek 1,2-dichlorocyklopentanu o różnej geometrii. Pierwszą z nich stanowi cis-1,2-dichlorocyklopentan, który to zbudowany jest z pięciowęglowego pierścienia nasyconego, w którym dwa sąsiadujące ze sobą atomy węgla podstawione są atomami chloru (każdy jednym) tak, że znajdują się one po tej samej stronie pierścienia (tutaj na rysunku zaznaczono to zgodnie z zasadami dla tworzenia wzorów taflowych, to jest pierścień znajduje się w płaszczyźnie, przez dwa sąsiadujące atomy węgla przechodzą pionowe odcinki, przy każdym końcu odcinka nad płaszczyzną znajduje się atom wodoru, a przy końcu poniżej płaszczyzny atom chloru). Drugi izomer trans zbudowany jest również z pięciowęglowego pierścienia nasyconego, w którym sąsiadujące atomy podstawione są atomami chloru, które znajdują się po przeciwnych stronach płaszczyzny, w której narysowany jest pierścień, to znaczy na dole dwóch odcinków znajdują się odpowiednio atom wodoru i atom chloru, zaś przy górnym końcu odcinka przy pierwszym atomie węgla znajduje się atom chloru, zaś przy drugim atom wodoru. Rozmieszczenie atomów chloru można również zaznaczyć, posługując się wiązaniami w kształcie klina pełnego (to jest wychodzącego przed płaszczyznę) oraz klina wypełnionego przerywaną linią (wychodzącego za płaszczyznę). W przypadku izomeru cis oba atomy chloru połączone byłby takimi samymi wiązaniami (to znaczy dwoma pełnymi klinami lub dwoma klinami wypełnionymi przerywaną linią). Dla izomeru trans jeden atom chloru znajdowałby się przed płaszczyzną, a drugi za, co oznaczono jako jeden klin pełny i jeden klin wypełniony przerywaną linią. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 4

Czy wiesz, na czym polega izomeria geometryczna w związkach organicznych? Czy potrafisz nazwać dwa izomery geometryczne 1,2‑dibromoetenu? Zapoznaj się z animacją, a następnie sprawdź swoją wiedzę i rozwiąż poniższe zadania.

R1KaIg3ajjSQP1

Animacja pt. „Izomeria geometryczna w związkach organicznych”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., Dominika Kruszewska, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 3

Nazwij poniższe związki, uwzględniając izomerię geometryczną.

Nazwij opisane związki, uwzględniając izomerię geometryczną.

RzMlIb87fwE8f

Na ilustracji są cztery wzory. Wzór A: dwa atomy węgla połączone wiązaniem podwójnym. Atom węgla leżący po lewej stronie łączy się u góry z C 2 H 5 , na dole z H. Drugi atom węgla łączy się u góry z H, na dole z grupą metylową. Wzór B: dwa połączone atomy węgla połączone wiązaniem podwójnym. Każdy z nich łączy się u góry z atomem chloru, na dole z atomem wodoru. Wzór C: dwa połączone atomy węgla połączone wiązaniem podwójnym. Atom węgla leżący po lewej stronie łączy się u góry i na dole z atomem wodoru. Kolejny atom węgla łączy się u góry i na dole z atomem bromu. Wzór D: romb łączy się po prawej stronie u góry i na dole na wierzchołkach z atomem chloru. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1PQNxIiv6sp3

RFYBP07RVrgsd

Ćwiczenie 4

Narysuj wzory półstrukturalne związków odpowiadających podanym nazwom.

a) cis-3‑metyloheks‑3-en

b) trans-1,6‑dijodoheks‑3-en

c) cis-4,4,-dimetylopent‑2-en

RXlKJx5QPc9eG

Ćwiczenie 4

R1Z7l77iGfOBS

Rw5ysC3ijVdXO

Ćwiczenie 5

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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 $E$ )

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

alken

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

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

Izomeria węglowodorów. Rodzaje izomerii.

Paliwa kopalne i ich przetwarzanie

Izomeria typu $E$ / $Z$ i cis-trans

Nazewnictwo izomerów typu cis-trans

Nazewnictwo izomerów typu $E$ / $Z$

Reguły pierwszeństwa podstawników

Notatnik

Izomeria węglowodorów. Rodzaje izomerii.

Paliwa kopalne i ich przetwarzanie

Izomeria węglowodorów. Izomeria cis‑trans.

Izomeria typu E/Z i cis-trans

Nazewnictwo izomerów typu cis-trans

Nazewnictwo izomerów typu E/Z

Reguły pierwszeństwa podstawników

Notatnik

Izomeria typu $E$ / $Z$ i cis-trans

Nazewnictwo izomerów typu $E$ / $Z$