Cis-trans-Isomerie

Definition und Benennung

Die cis-trans-Isomerie, auch (Z)-(E)-Isomerie genannt, ist eine Form der Konfigurationsisomerie. Dabei unterscheiden sich Moleküle nur darin, ob zwei Substituenten auf derselben oder auf verschiedenen Seiten einer Referenzebene liegen. Diese Ebene kann beispielsweise durch eine Doppelbindung oder ein Ringsystem festgelegt sein. Cis- und trans-Isomere können unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften besitzen, etwa verschiedene Schmelztemperaturen, Siedetemperaturen und Bindungsenthalpien. Anders als Konformere lassen sie sich nur durch einen Bindungsbruch ineinander umwandeln.

Zwei Substituenten sind cis-konfiguriert, wenn sie sich auf derselben Seite der Referenzebene befinden. Sie sind trans-konfiguriert, wenn sie auf entgegengesetzten Seiten liegen.

Bei mehr als zwei Substituenten kann die traditionelle cis-trans-Bezeichnung mehrdeutig werden. Dann muss ein Referenzsubstituent angegeben oder die von der IUPAC definierte (Z)-(E)-Notation verwendet werden. Dazu betrachtet man die vicinalen, also an benachbarten Atomen sitzenden Substituenten, die nach der Cahn-Ingold-Prelog-Konvention, kurz CIP-Konvention, jeweils die höhere Priorität haben. Liegen die beiden prioritären Substituenten auf derselben Seite, handelt es sich um eine (Z)-Anordnung („zusammen“). Liegen sie auf entgegengesetzten Seiten, liegt eine (E)-Anordnung („entgegen“) vor. cis, trans, (Z) und (E) heißen Deskriptoren und werden dem systematischen Namen einer Substanz vorangestellt.

Isomerie an Doppelbindungen

An einer Doppelbindung tritt cis-trans-Isomerie auf, wenn beide beteiligten Atome unterschiedliche Substituenten tragen. Als Referenzebene dient eine Ebene, welche die Achse der Doppelbindung enthält und zugleich senkrecht zu der Ebene steht, in der die σ-Bindungen zu den Substituenten liegen.

Ein klassisches Beispiel ist das Isomerenpaar Butendisäure: cis-Butendisäure heißt Maleinsäure, trans-Butendisäure Fumarsäure. Bei Maleinsäure befinden sich die beiden Carboxylgruppen auf derselben Seite der Referenzebene; bei Fumarsäure liegen sie auf entgegengesetzten Seiten. Hier entspricht cis zugleich (Z) und trans zugleich (E). Maleinsäure kann beim Erhitzen zum Anhydrid cyclokondensieren. Fumarsäure kann dies nicht, weil ihre trans-ständigen COOH-Gruppen dafür zu weit voneinander entfernt sind. Auch die Schmelzpunkte der beiden Verbindungen unterscheiden sich um etwa 150 °C.

Trägt jedes der beiden Kohlenstoffatome einer Doppelbindung jeweils ein Wasserstoffatom und einen größeren Substituenten, ist die Zuordnung von cis und trans eindeutig. Bei mehr Substituenten muss die (E/Z)-Nomenklatur mit der durch Sequenzregeln bestimmten Prioritätenfolge verwendet werden. cis darf dabei nicht grundsätzlich mit (Z) und trans nicht grundsätzlich mit (E) gleichgesetzt werden. Beim Furylfuramid stehen die namensgebenden Furyl-Substituenten im (Z)-Isomer trans zueinander. Der Grund ist, dass nach der CIP-Konvention das C-Atom der Carbonsäureamidgruppe wegen seiner Bindungspartner in der zweiten Sphäre, O und N, eine höhere Priorität besitzt als das C-Atom des Furanrings mit C und O in der zweiten Sphäre.

Ist die cis-trans-Konfiguration nicht festgelegt, wird die betreffende Bindung in der Strukturformel als Wellenlinie gezeichnet. Bei einer Doppelbindung mit drei Substituenten soll sie bevorzugt auf der Seite mit nur einem Substituenten liegen und nicht zwischen der Doppelbindung und einem weiteren Stereozentrum. Liegt sie auf der Seite mit zwei Substituenten, sollten möglichst beide Bindungen gewellt dargestellt werden. Eine gekreuzte Doppelbindung zur Kennzeichnung einer unspezifizierten Konfiguration soll nach den IUPAC-Empfehlungen nicht verwendet werden.

s-cis- und s-trans-Konformationen

Bei zwei konjugierten Doppelbindungen, beispielsweise in 1,3-Butadien, sind eine s-cis- und eine s-trans-Konformation möglich. Durch Rotation um die Einfachbindung zwischen den Doppelbindungen können diese auf derselben Seite oder einander gegenüber stehen. Das „s“ bezeichnet die Sigma-Bindung zwischen den Doppelbindungen. Es macht deutlich, dass s-cis und s-trans keine verschiedenen Isomere, sondern nur verschiedene Konformationen derselben Verbindung sind.

Manche Ringstrukturen erlauben nur eine dieser Konformationen. Cyclopentadien und Cyclohexa-1,3-dien können wegen der fehlenden freien Rotation um die betreffende Einfachbindung ausschließlich s-cis vorliegen. Bei 1,2,3,5,6,7-Hexahydronaphthalin ist aufgrund der Ringstruktur dagegen nur die s-trans-Konformation möglich.

Isomerie in Ringsystemen

Cis-trans-Isomerie kommt auch bei cyclischen Verbindungen vor, darunter substituierte Monocyclen und Bicyclen. Nach den IUPAC-Regeln werden die kursiv geschriebenen Vorsilben „cis-“ und „trans-“ dem Namen eines Ringsystems vorangestellt. Für die alphabetische Einordnung berücksichtigt man sie nur bei ansonsten gleichen Namen.

Beim monocyclischen 1,2-Dimethylcyclopentan können die beiden Methylgruppen auf derselben Seite der Molekülebene liegen, was der cis-Form entspricht, oder auf entgegengesetzten Seiten, was die trans-Form ergibt.

Bei Sechsringen wie 1,2-Dimethylcyclohexan ist die Zuordnung weniger leicht zu erkennen, weil solche Moleküle nicht als ebene Ringe betrachtet werden sollten. Sie liegen meist in der energetisch bevorzugten Sesselkonformation vor; durch Ringinversion entstehen jeweils zwei Sesselkonformationen. Beim trans-1,2-Dimethylcyclohexan befinden sich beide Methylgruppen entweder äquatorial oder axial. In den cis-Formen steht jeweils eine Methylgruppe äquatorial und die andere axial. Auch axiale Wasserstoffatome sind zueinander trans-positioniert; Gleiches gilt für äquatoriale Wasserstoffatome, ist dort aber schwerer zu erkennen.

Decalin ist ein Beispiel für eine bicyclische Verbindung. Seine beiden Sechsringe können unterschiedlich miteinander verknüpft sein: Liegen die beiden Wasserstoffatome an den Verknüpfungsstellen auf derselben Seite des Moleküls, handelt es sich um cis-Decalin; liegen sie auf entgegengesetzten Seiten, um trans-Decalin.

Umwandlung der Formen

Die Umwandlung zwischen cis- und trans-Isomeren an einer Doppelbindung heißt cis-trans-Interkonversion. Dafür muss die π-Bindung vorübergehend aufgehoben werden. Dies geschieht meist photochemisch oder bei höheren Temperaturen.

Bei der photochemischen Interkonversion erfolgt zunächst eine elektronische Anregung in den Singulett-Spinzustand. Die nicht verdrillte Molekülstruktur ist dabei sterisch und energetisch benachteiligt. Danach kommt es zur Spinumkehr des aus dem HOMO angeregten Elektrons, das sich nun in einem SOMO, einem einfach besetzten Molekülorbital, befindet, in den Triplett-Zustand. Dieser steht im Gleichgewicht mit der cis-trans-Rekombination. Bei erhöhter Reaktionstemperatur entsteht das thermodynamische Transprodukt. Cis-trans-Umwandlungen sind unter anderem ein zentraler Bestandteil des Sehvorgangs beim Retinal.

Auch die Peptidbindung zwischen dem N-Terminus von L-Prolin und dem C-Terminus einer anderen Aminosäure kann in Peptiden als cis- oder trans-Konfiguration vorliegen, weil sie einen gewissen Doppelbindungscharakter besitzt. Der Wechsel zwischen beiden Formen verläuft langsam, kann aber durch das Enzym Peptidyl-Prolyl-cis-trans-Isomerase, kurz PPIase, katalysiert werden.