Цис- и транс- в реальности

Всем известно, что геометрическая изомерия (цис-транс-изомерия) возможна там, где есть двойная связь или цикл, сверху и снизу которого могут располагаться заместители: у алкенов, циклоалканов, алкадиенов, ненасыщенных жирных кислот. Включите воображение. Представьте себе, что двойная связь или цикл лежат в горизонтальной плоскости прямо перед вашими глазами. Тогда заместители могут смотреть вверх и вниз от этой плоскости. Вот несколько примеров, простых и не очень:

Интересно, цис- и транс- изомеры могут переходить друг в друга или это индивидуальные вещества, которые можно выделить?

Очевидно, для того, чтобы цис-бутен превратился в транс-бутен, пи-связь в молекуле должна быть разрушена. Для этого требуется энергия порядка 60 ккал/моль. А если в молекуле есть цикл, относительно которого располагаются заместители в цис- и транс- положениях, то очевидно, что разрушить цикл - это ещё более затратное действо. Другими словами, существует определенный энергетический барьер для такого процесса.

С другой стороны, два изомера обладают разными температурами кипения: транс-бутен кипит при 0,9 грС, а цис-бутен - при 3,7 грС, это и позволяет выделить два индивидуальных вещества.

Или вот, более яркие примеры различия температур кипения:

цис-1,2-дихлорэтен кипит при 60 грС, а транс-1,2-дихлрэтен - при 48 грС.

Конечно, разделить два вещества с разными температурами кипения нетрудно.

Иногда два геометрических изомера одного и того же вещества имеют настолько разные свойства, что даже обладают собственными названиями. Например, есть два изомера бутендиовой кислоты. Цис-изомер называется малеиновой кислотой, а транс-изомер - фумаровой кислотой:

Известно, что малеиновая кислота более сильная, чем фумаровая; малеиновая хорошо растворима в воде, а фумаровая - плохо; малеиновая токсична и не встречается в природных веществах, а фумаровая входит в состав некоторых лекарств и применяется в пищевой промышленности в качестве подкислителя.

Понятно, что химические свойства у изомеров одинаковые, однако, скорость реакции с одним и тем же реагентом обычно существенно различается. Например, что цис-бутен более энергично присоединяет галогены или галогеноводороды, в то время как транс-бутен более устойчив, стабилен.

Но это всё - простые примеры различий свойств двух изомеров. А вот кое-что действительно интересное: Цис-транс-изомеры различаются не только физическими и химическими свойствами, но и биологической активностью. Вот всем известный витамин А (ретиналь). Его цис-изомер участвует в синтезе вещества родопсина - зрительного пурпура, обеспечивающего светоощущение. А его транс-ретиналь не может участвовать в этом важном процессе. Другими словами, для нормальной биохимии нужен именно цис-изомер ретиналя.

Цис-ретиналь переходит в транс-изомер под действием света, а обратный процесс идёт под действием определённого фермента.

Вывод: цис-транс-изомеры - это разные вещества, которые можно выделить индивидуально.

Остаётся вопрос: откуда же они берутся?

Возвращаясь в школьную программу: когда мы составляем уравнения реакций получения алкенов из спиртов или галогенпроизводных алканов, то нужно понимать, что всегда получается смесь цис- и транс- изомеров. И в этом заключается недостаток обоих методов.

А вот если мы восстанавливаем алкин разными способами, то можно получить чистые изомеры:

Понятно?