Геометрическая изомерия (цис–транс изомерия) является важной формой стереоизомерии, характерной для непредельных соединений, в частности алкенов. Она возникает вследствие ограниченной вращаемости вокруг двойной углерод–углеродной связи, что приводит к различной пространственной ориентации заместителей, присоединённых к углеродным атомам двойной связи.
Двойная связь C=C образована одной σ-связью и одной π-связью. σ-связь обеспечивает прочное соединение двух углеродов, тогда как π-связь создаётся за счёт бокового перекрытия р-орбиталей. Это перекрытие фиксирует положение атомов и препятствует свободному вращению вокруг C=C, в отличие от одинарной σ-связи в алканах. Если к каждому атому двойной связи присоединены разные группы, возможны два различных расположения этих групп в пространстве, формирующие цис- и транс-изомеры.
Цис-изомер характеризуется тем, что заместители одинаковой природы находятся по одну сторону от двойной связи. Это приводит к большей полярности молекулы и увеличенной плотности упаковки молекул.
Транс-изомер имеет заместители по разные стороны от двойной связи, что снижает полярность молекулы и изменяет физические свойства, например температуру плавления и кипения. Транс-изомеры обычно более стабильны, чем цис-изомеры, за счёт меньшего стерического напряжения между заместителями.
Для малых алкенов, например 2-бутена, различие проявляется наглядно:
Стандартизированное обозначение (E/Z) применяется в современной номенклатуре IUPAC, где E (entgegen) указывает на противоположное расположение приоритетных заместителей, а Z (zusammen) — на их расположение по одну сторону.
Геометрическая изомерия влияет на реакционную способность алкенов. Цис-изомеры, как правило, более подвержены реакциям присоединения, особенно тех, где участвует электрофильное взаимодействие, из-за локального увеличения плотности электронов. Транс-изомеры более устойчивы к стерическим эффектам, что делает их предпочтительными в реакциях, требующих минимального напряжения.
В циклоалкенах цис–транс изомерия ограничена возможностями кольца. Например, циклопропен и циклобутен практически не проявляют транс-изомерии из-за невозможности пространственно разместить заместители по разные стороны кольца. Для более крупных колец (циклопентен, циклогексен) изомерия возможна и стабилизируется за счёт пространственного расположения атомов и напряжения кольца.
Геометрическая изомерия алкенов является фундаментальным аспектом стереохимии органических соединений, оказывая влияние на физические, химические и биологические свойства молекул.