ایزومری هندسی سیس و ترانس در آلکن‌ها؛ شرایط تشکیل و روش تشخیص

ایزومر هندسی را از ایزومر ساختاری جدا کن

ایزومرها فرمول مولکولی یکسان دارند، اما آرایش اتم‌هایشان یکسان نیست. در ایزومرهای ساختاری، چگونگی اتصال اتم‌ها فرق می‌کند؛ برای نمونه زنجیر کربنی می‌تواند مستقیم یا شاخه‌دار باشد. در ایزومرهای هندسی، ترتیب اتصال اتم‌ها ثابت است و تفاوت فقط به جایگاه فضایی گروه‌ها در دو سوی یک بخش کم‌چرخش مولکول مربوط می‌شود.

پس برای مقایسه دو شکل، نخست پیوندها را دنبال کن. اگر هر اتم در هر دو شکل به همان اتم‌های قبلی متصل است ولی گروه‌ها در دو سوی پیوند دوگانه آرایش متفاوتی دارند، با نامزدهای ایزومری هندسی روبه‌رو هستیم. اگر برای تبدیل یک شکل به شکل دیگر لازم باشد پیوندها شکسته و با ترتیب دیگری ساخته شوند، تفاوت ساختاری است، نه هندسی.

• فرمول مولکولی ایزومرها یکسان است
• در ایزومر هندسی، ترتیب اتصال اتم‌ها تغییر نمی‌کند
• تفاوت سیس و ترانس، آرایش فضایی گروه‌هاست
• ایزومری زنجیری یا موضعی را با سیس–ترانس یکی ندان

محدودیت چرخش پیوند دوگانه دو آرایش را حفظ می‌کند

پیوند دوگانه کربن–کربن از یک پیوند سیگما و یک پیوند پی تشکیل شده است. پیوند پی از هم‌پوشانی جانبی اوربیتال‌های p به وجود می‌آید. اگر یکی از کربن‌ها آزادانه حول محور C=C بچرخد، موازی‌بودن این اوربیتال‌ها از بین می‌رود و هم‌پوشانی پی گسسته می‌شود؛ بنابراین در شرایط معمول، چرخش آزاد مانند پیوند یگانه رخ نمی‌دهد.

همین مانع چرخشی باعث می‌شود دو آرایش فضایی قابل تمایز باقی بمانند. در مقابل، رسم دو حالت متفاوت برای یک پیوند یگانه معمولاً دو ایزومر هندسی تازه نمی‌سازد، زیرا با چرخش حول همان پیوند می‌توان حالت‌ها را به یکدیگر تبدیل کرد. پس وجود یک بخش محدودکننده چرخش لازم است، اما به‌تنهایی برای نام‌گذاری سیس و ترانس کافی نیست.

• C=C شامل یک σ و یک π است
• چرخش حول پیوند دوگانه به گسستن هم‌پوشانی π نیاز دارد
• آرایش‌های دو سوی C=C در دمای معمول حفظ می‌شوند
• چرخش ساده حول پیوند یگانه معمولاً ایزومر سیس–ترانس نمی‌سازد

شرط اصلی را روی هر کربن پیوند دوگانه بررسی کن

برای تشکیل دو ایزومر هندسی، هر یک از دو اتم کربن پیوند دوگانه باید به دو گروه متفاوت متصل باشد. این شرط را برای دو کربن جداگانه بیازما: گروه بالایی و پایینی کربن سمت چپ را مقایسه کن، سپس همین کار را برای کربن سمت راست انجام بده. اگر حتی روی یکی از کربن‌ها دو گروه یکسان باشند، جابه‌جایی ظاهری آن‌ها آرایش تازه‌ای نمی‌سازد و سیس–ترانس نداریم.

برای نمونه در بوت-۲-ئن، هر کربن پیوند دوگانه به یک H و یک CH₃ متصل است؛ پس شرط برقرار است. اما در پروپن، CH₃–CH=CH₂، کربن انتهایی CH₂ دو هیدروژن یکسان دارد و شرط رد می‌شود. در ۲-متیل‌پروپن نیز یکی از کربن‌های دوگانه دو گروه CH₃ یکسان دارد؛ بنابراین آن هم ایزومر هندسی ندارد.

• کربن اول C=C: دو جانشین باید متفاوت باشند
• کربن دوم C=C: دو جانشین باید متفاوت باشند
• دو H روی یک کربن، شرط را رد می‌کند
• دو گروه آلکیلی یکسان روی یک کربن نیز شرط را رد می‌کند

سیس و ترانس را با گروه‌های مشترک نام‌گذاری کن

در آلکن ساده‌ای مانند بوت-۲-ئن، روی هر کربن پیوند دوگانه یک گروه CH₃ و یک H وجود دارد. اگر دو گروه مشابه CH₃ در یک سوی پیوند دوگانه رسم شوند، ایزومر سیس است؛ اگر در دو سوی مخالف باشند، ایزومر ترانس نام دارد. می‌توان همین نتیجه را با جایگاه دو H نیز کنترل کرد.

واژه‌های «یک سو» و «دو سوی مخالف» به صفحه تقریبی اطراف C=C اشاره دارند، نه سمت چپ و راست فرمول روی کاغذ. چرخاندن کل برگه یا کل مولکول نام ایزومر را عوض نمی‌کند. همچنین روش ساده سیس–ترانس زمانی روشن است که بتوان یک جفت گروه مشابه را روی دو کربن مقایسه کرد؛ برای آلکن‌های پیچیده‌تر، نام‌گذاری کامل E/Z به قواعد اولویت نیاز دارد و نباید بدون تعیین اولویت‌ها حدس زده شود.

• گروه‌های مشابه در یک سو: سیس
• گروه‌های مشابه در دو سوی مخالف: ترانس
• چرخاندن کل رسم، هویت مولکول را تغییر نمی‌دهد
• برای ساختارهای پیچیده، سیس–ترانس را بی‌دلیل به جای E/Z به کار نبر

روش چهارمرحله‌ای تشخیص را اجرا کن

گام اول، پیوند C=C را پیدا کن و گروه‌های متصل به هر کربن آن را آشکار بنویس؛ فرمول فشرده را در صورت نیاز باز کن تا هیدروژن‌های پنهان دیده شوند. گام دوم، دو جانشین کربن اول را مقایسه کن. گام سوم، دو جانشین کربن دوم را مقایسه کن. فقط اگر پاسخ هر دو مقایسه «متفاوت» بود، امکان دو آرایش هندسی وجود دارد.

در گام چهارم، اسکلت و ترتیب اتصال را ثابت نگه دار و فقط جایگاه فضایی گروه‌ها را در دو سوی C=C رسم کن. سپس بررسی کن که دو رسم با چرخاندن کل صفحه بر هم منطبق نشوند. این الگوریتم از حفظ‌کردن فهرست آلکن‌ها مطمئن‌تر است و برای فرمول‌های ساختاری، نیمه‌گسترده و مدل‌های فضایی کاربرد دارد.

• ۱) C=C و چهار جانشین آن را مشخص کن
• ۲) دو گروه روی کربن اول را مقایسه کن
• ۳) دو گروه روی کربن دوم را مقایسه کن
• ۴) در صورت برقرار بودن شرط، دو آرایش را بدون تغییر اتصال‌ها رسم کن

مثال حل‌شده: بوت-۱-ئن و بوت-۲-ئن را مقایسه کن

دو آلکن با فرمول مولکولی C₄H₈ را در نظر بگیر. در بوت-۱-ئن با ساختار CH₂=CH–CH₂–CH₃، کربن اول پیوند دوگانه دو H یکسان دارد؛ پس بررسی همان کربن کافی است تا نتیجه بگیریم بوت-۱-ئن ایزومری سیس–ترانس ندارد.

در بوت-۲-ئن با ساختار CH₃–CH=CH–CH₃، هر کربن C=C به یک H و یک CH₃ متصل است. اگر دو CH₃ در یک سوی C=C باشند، سیس-بوت-۲-ئن و اگر در دو سوی مخالف باشند، ترانس-بوت-۲-ئن ساخته می‌شود. این دو ساختار ترتیب اتصال یکسان دارند، اما بدون گسستن پیوند π به یکدیگر تبدیل نمی‌شوند؛ بنابراین دو ایزومر هندسی‌اند.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: از میان سه ساختار CHCl=CHCl، CH₂=CCl₂ و CH₃–CH=C(CH₃)₂ مشخص کن کدام‌یک ایزومری هندسی دارد. در CHCl=CHCl هر کربن پیوند دوگانه به H و Cl، یعنی دو گروه متفاوت، متصل است؛ پس دو آرایش سیس و ترانس ممکن است.

در CH₂=CCl₂، کربن سمت چپ دو H یکسان و کربن سمت راست دو Cl یکسان دارد؛ پس شرط برقرار نیست. در CH₃–CH=C(CH₃)₂ نیز کربن سمت راست دو گروه CH₃ یکسان دارد و ایزومری هندسی تشکیل نمی‌شود. نتیجه را همیشه با بررسی جداگانه هر دو کربن بگیر؛ دیدن پیوند دوگانه یا چهار گروه در کل مولکول، به‌تنهایی دلیل کافی نیست.

• وجود C=C شرط لازم است، نه شرط کافی
• هر کربن دوگانه را مستقل بررسی کن
• گروه‌های پنهان، به‌ویژه H، را هنگام مقایسه بنویس
• در رسم دو ایزومر، اتصال اتم‌ها را تغییر نده
• سیس و ترانس با چرخش کل مولکول به هم تبدیل نمی‌شوند
• پاسخ را با یافتن هر گروه تکراری روی یک کربن کنترل کن