Isomería geométrica (cis/trans)

Química

Conceptos clave

Los isómeros geométricos (cis-trans) son estereoisómeros: misma fórmula molecular y misma conectividad, pero distinta disposición espacial alrededor de un doble enlace $\text{C=C}$ .
La rotación está impedida porque el enlace $\pi$ (solapamiento lateral de orbitales $p$ ) se rompería al girar — hace falta demasiada energía.
Condición necesaria: cada uno de los dos carbonos del $\text{C=C}$ debe llevar dos grupos diferentes. Si un carbono tiene dos grupos iguales, no hay isomería cis-trans.
Son compuestos distintos con propiedades distintas: no se interconvierten a temperatura ambiente.

cis — los dos grupos de referencia (los de mayor prioridad, o los iguales) quedan en el mismo lado del doble enlace.
trans — los dos grupos de referencia quedan en lados opuestos del doble enlace.
Notación E/Z (para cuatro grupos distintos): se asigna prioridad CIP (mayor número atómico primero). Si los dos grupos prioritarios quedan juntos → Z (zusammen); si quedan opuestos → E (entgegen). En muchos alquenos simétricos, cis = Z y trans = E.

Polaridad: en el isómero trans simétrico, los dipolos de los grupos opuestos se cancelan → apolar. En el cis, los dipolos apuntan al mismo lado → no se cancelan → polar.
Punto de ebullición — normalmente mayor en el cis: la polaridad añade fuerzas dipolo-dipolo además de las de London.
- cis-but-2-eno: $P_\text{eb} \approx 3{,}7\ °\text{C}$ ; trans-but-2-eno: $P_\text{eb} \approx 0{,}9\ °\text{C}$ .
Punto de fusión — normalmente mayor en el trans: la geometría lineal y simétrica del trans permite un mejor empaquetamiento en el sólido cristalino.
- trans-but-2-eno: $P_\text{fus} \approx -106\ °\text{C}$ ; cis-but-2-eno: $P_\text{fus} \approx -139\ °\text{C}$ .

Problema: ¿Cuáles de estos alquenos presentan isomería cis-trans? (a) $\text{CH}_2\text{=CH-CH}_2\text{-CH}_3$ (but-1-eno); (b) $\text{CH}_3\text{-CH=CH-CH}_3$ (but-2-eno); (c) $\text{CH}_3\text{-CH=C(CH}_3\text{)-CH}_3$ (2-metilbut-2-eno).
(a) Carbono terminal lleva dos $\text{H}$ iguales → No hay isomería cis-trans.
(b) Ambos carbonos del $\text{C=C}$ : $\text{CH}_3$ y $\text{H}$ en cada uno (distintos) → Sí, existen cis y trans-but-2-eno.
(c) Carbono derecho lleva dos $\text{CH}_3$ iguales → No hay isomería cis-trans.

Error frecuente: revisar solo un carbono del doble enlace — hay que comprobar ambos por separado.
Error frecuente: confundir punto de ebullición con punto de fusión — responden a factores distintos (polaridad vs. empaquetamiento).
El punto de ebullición más alto suele ser el del isómero cis (más polar); el punto de fusión más alto suele ser el del trans (mejor empaque cristalino).
Punto clave de justificación: mencionar explícitamente que los dipolos se cancelan (trans, apolar) o no (cis, polar) y nombrar la fuerza dipolo-dipolo.

Conceptos clave

Los isómeros geométricos (cis-trans) son estereoisómeros: misma fórmula molecular y misma conectividad, pero distinta disposición espacial alrededor de un doble enlace $\text{C=C}$ .
La rotación está impedida porque el enlace $\pi$ (solapamiento lateral de orbitales $p$ ) se rompería al girar — hace falta demasiada energía.
Condición necesaria: cada uno de los dos carbonos del $\text{C=C}$ debe llevar dos grupos diferentes. Si un carbono tiene dos grupos iguales, no hay isomería cis-trans.
Son compuestos distintos con propiedades distintas: no se interconvierten a temperatura ambiente.

Cis, trans y notación E/Z

cis — los dos grupos de referencia (los de mayor prioridad, o los iguales) quedan en el mismo lado del doble enlace.
trans — los dos grupos de referencia quedan en lados opuestos del doble enlace.
Notación E/Z (para cuatro grupos distintos): se asigna prioridad CIP (mayor número atómico primero). Si los dos grupos prioritarios quedan juntos → Z (zusammen); si quedan opuestos → E (entgegen). En muchos alquenos simétricos, cis = Z y trans = E.

Propiedades: polaridad y temperatura

Polaridad: en el isómero trans simétrico, los dipolos de los grupos opuestos se cancelan → apolar. En el cis, los dipolos apuntan al mismo lado → no se cancelan → polar.
Punto de ebullición — normalmente mayor en el cis: la polaridad añade fuerzas dipolo-dipolo además de las de London.
- cis-but-2-eno: $P_\text{eb} \approx 3{,}7\ °\text{C}$ ; trans-but-2-eno: $P_\text{eb} \approx 0{,}9\ °\text{C}$ .
Punto de fusión — normalmente mayor en el trans: la geometría lineal y simétrica del trans permite un mejor empaquetamiento en el sólido cristalino.
- trans-but-2-eno: $P_\text{fus} \approx -106\ °\text{C}$ ; cis-but-2-eno: $P_\text{fus} \approx -139\ °\text{C}$ .

Ejemplo resuelto

Problema: ¿Cuáles de estos alquenos presentan isomería cis-trans? (a) $\text{CH}_2\text{=CH-CH}_2\text{-CH}_3$ (but-1-eno); (b) $\text{CH}_3\text{-CH=CH-CH}_3$ (but-2-eno); (c) $\text{CH}_3\text{-CH=C(CH}_3\text{)-CH}_3$ (2-metilbut-2-eno).
(a) Carbono terminal lleva dos $\text{H}$ iguales → No hay isomería cis-trans.
(b) Ambos carbonos del $\text{C=C}$ : $\text{CH}_3$ y $\text{H}$ en cada uno (distintos) → Sí, existen cis y trans-but-2-eno.
(c) Carbono derecho lleva dos $\text{CH}_3$ iguales → No hay isomería cis-trans.

En el examen IB

Error frecuente: revisar solo un carbono del doble enlace — hay que comprobar ambos por separado.
Error frecuente: confundir punto de ebullición con punto de fusión — responden a factores distintos (polaridad vs. empaquetamiento).
El punto de ebullición más alto suele ser el del isómero cis (más polar); el punto de fusión más alto suele ser el del trans (mejor empaque cristalino).
Punto clave de justificación: mencionar explícitamente que los dipolos se cancelan (trans, apolar) o no (cis, polar) y nombrar la fuerza dipolo-dipolo.