∫ SJ Maths Chemistry
← UP PGT Chemistry
Organic Chemistry कार्बनिक रसायन (Organic Chemistry)

Geometrical Isomerism ज्यामितीय समावयवता (Geometrical Isomerism)

Geometrical isomerism is a form of stereoisomerism arising from restricted rotation about carbon-carbon double bonds, cyclic structures, or carbon-nitrogen double bonds. It results in differing spatial arrangements of substituents, designated as cis-trans or E-Z configurations. ज्यामितीय समावयवता त्रिविम समावयवता (Stereoisomerism) का एक प्रकार है, जो कार्बन-कार्बन द्वि-आबंध, चक्रीय संरचनाओं या कार्बन-नाइट्रोजन द्वि-आबंध के चारों ओर प्रतिबंधित घूर्णन (Restricted Rotation) के कारण उत्पन्न होती है। इसके परिणामस्वरूप प्रतिस्थापियों (Substituents) की स्थानिक व्यवस्था भिन्न होती है, जिसे सिस-ट्रांस (cis-trans) या E-Z विन्यास के रूप में निर्दिष्ट किया जाता है।

UP PGT Chemistry Subject Code 02 B.Sc. / M.Sc. Level

Stereochemical Basis and Restricted Rotation त्रिविम रासायनिक आधार और प्रतिबंधित घूर्णन

  • Geometrical isomerism arises due to the presence of a restricted rotation axis, typically a π-bond in alkenes or a C-C single bond in cycloalkanes.
  • The π-bond prevents free rotation because twisting requires breaking or significantly weakening the lateral overlap of p-orbitals.
  • To exhibit geometrical isomerism, each doubly bonded carbon atom must be attached to two different groups (a ≠ b and c ≠ d).
  • ज्यामितीय समावयवता एक प्रतिबंधित घूर्णन अक्ष की उपस्थिति के कारण उत्पन्न होती है, जो आमतौर पर एल्कीन में π-आबंध या साइक्लोएल्केन में C-C एकल आबंध होता है।
  • π-आबंध मुक्त घूर्णन को रोकता है क्योंकि घूर्णन के लिए p-कक्षकों के पार्श्व अतिव्यापन (Lateral overlap) को तोड़ने या काफी कमजोर करने की आवश्यकता होती है।
  • ज्यामितीय समावयवता प्रदर्शित करने के लिए, प्रत्येक द्वि-आबंधित कार्बन परमाणु दो अलग-अलग समूहों से जुड़ा होना चाहिए (a ≠ b और c ≠ d)।

Cis-Trans and E-Z Nomenclature Systems सिस-ट्रांस और E-Z नामकरण पद्धतियां

  • The cis isomer places identical or high-priority groups on the same side of the reference plane, while the trans isomer places them on opposite sides.
  • The E-Z system (Entgegen-Zusammen) based on Cahn-Ingold-Prelog (CIP) priority rules must be used when all four substituents on the double bond are different.
  • Priority is assigned based on atomic number (higher atomic number gets higher priority); 'Z' denotes higher priority groups on the same side, and 'E' on opposite sides.
  • सिस (cis) समावयवी समान या उच्च प्राथमिकता वाले समूहों को संदर्भ तल के एक ही तरफ रखता है, जबकि ट्रांस (trans) समावयवी उन्हें विपरीत दिशाओं में रखता है।
  • जब द्वि-आबंध पर चारों प्रतिस्थापी अलग-अलग हों, तो Cahn-Ingold-Prelog (CIP) प्राथमिकता नियमों पर आधारित E-Z प्रणाली (Entgegen-Zusammen) का उपयोग किया जाना चाहिए।
  • प्राथमिकता परमाणु क्रमांक के आधार पर निर्धारित की जाती है (उच्च परमाणु क्रमांक को उच्च प्राथमिकता मिलती है); 'Z' उच्च प्राथमिकता वाले समूहों को एक ही तरफ और 'E' विपरीत दिशाओं में दर्शाता है।

Physicochemical Properties of Isomers समावयवियों के भौतिक-रासायनिक गुण

  • Cis-isomers generally possess a higher dipole moment due to vector addition of bond dipoles, whereas symmetrical trans-isomers often have a net dipole moment of zero.
  • Trans-isomers exhibit higher melting points and crystal lattice stability due to better packing efficiency in the solid state.
  • Cis-isomers typically have lower boiling points and higher solubility in polar solvents compared to their trans counterparts.
  • सिस-समावयवियों का द्विध्रुव आघूर्ण (Dipole moment) आमतौर पर आबंध द्विध्रुवों के सदिश योग के कारण अधिक होता है, जबकि सममित ट्रांस-समावयवियों का नेट द्विध्रुव आघूर्ण अक्सर शून्य होता है।
  • ठोस अवस्था में बेहतर पैकिंग दक्षता के कारण ट्रांस-समावयवी उच्च गलनांक और क्रिस्टल जालक स्थिरता प्रदर्शित करते हैं।
  • सिस-समावयवियों का क्वथनांक आमतौर पर कम होता है और ध्रुवीय विलायकों में उनकी घुलनशीलता ट्रांस-समावयवियों की तुलना में अधिक होती है।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Number of Geometrical Isomers (Symmetrical Polyene, n is even) ज्यामितीय समावयवियों की संख्या (सममित पॉलीईन, n सम है)
N = 2n-1 + 2(n/2)-1
Conditions: Symmetrical polyenes with an even number (n) of double bonds
शर्तें: सम द्वि-आबंधों (n) वाली सममित पॉलीईन
इकाइयाँ: कोई इकाई नहीं
Number of Geometrical Isomers (Symmetrical Polyene, n is odd) ज्यामितीय समावयवियों की संख्या (सममित पॉलीईन, n विषम है)
N = 2n-1 + 2(n-1)/2
Conditions: Symmetrical polyenes with an odd number (n) of double bonds
शर्तें: विषम द्वि-आबंधों (n) वाली सममित पॉलीईन
इकाइयाँ: कोई इकाई नहीं
Dipole Moment Calculation द्विध्रुव आघूर्ण गणना (Dipole Moment Calculation)
μ = q × d
Conditions: Applied to calculate the net dipole moment of cis and trans isomers
शर्तें: सिस और ट्रांस समावयवियों के नेट द्विध्रुव आघूर्ण की गणना के लिए प्रयुक्त
इकाइयाँ: Debye (D)
Number of Geometrical Isomers (Unsymmetrical Polyene) ज्यामितीय समावयवियों की संख्या (असममित पॉलीईन)
N = 2n
Conditions: Compounds with n distinct double bonds and unsymmetrical ends
शर्तें: n भिन्न द्वि-आबंधों और असममित सिरों वाले यौगिक
इकाइयाँ: कोई इकाई नहीं
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद Alkenes with two different substituents on each carbon always show cis-trans isomerism.प्रत्येक कार्बन पर दो अलग-अलग प्रतिस्थापियों वाले एल्कीन हमेशा सिस-ट्रांस समावयवता दिखाते हैं।

Observation: Cycloalkenes with ring sizes smaller than eight carbons (e.g., cyclohexene) cannot accommodate a trans double bond. — Ring strain and geometric constraints make trans-cycloalkenes too unstable or geometrically impossible to exist at room temperature. प्रेक्षण: आठ कार्बन से छोटे वलय आकार वाले साइक्लोएल्कीन (जैसे साइक्लोहेक्सीन) ट्रांस द्वि-आबंध को समायोजित नहीं कर सकते। वलय तनाव और ज्यामितीय बाधाएं ट्रांस-साइक्लोएल्कीन को कमरे के तापमान पर अस्थिर बनाती हैं।

Exceptionअपवाद Trans isomers always have lower dipole moments than cis isomers.ट्रांस समावयवियों का द्विध्रुव आघूर्ण हमेशा सिस समावयवियों से कम होता है।

Observation: Unsymmetrical 1,2-disubstituted alkenes where electronegative substituents have specific orientations can show non-zero dipole moments for trans forms. — Vector cancellation is incomplete when substituents are structurally non-identical or possess large localized group moments. प्रेक्षण: असममित 1,2-प्रतिस्थापित एल्कीन जहां विद्युत ऋणात्मक प्रतिस्थापियों का विशिष्ट अभिविन्यास होता है, ट्रांस रूपों के लिए गैर-शून्य द्विध्रुव आघूर्ण दिखा सकते हैं।

Exceptionअपवाद Compounds with restricted rotation require carbon-carbon double bonds.प्रतिबंधित घूर्णन वाले यौगिकों के लिए कार्बन-कार्बन द्वि-आबंध आवश्यक हैं।

Observation: Oximes (C=N-OH), diazo compounds (-N=N-), and alicyclic rings also exhibit geometrical isomerism. — The lone pair on nitrogen or the rigid cyclic framework similarly restricts rotational freedom around the bond axis. प्रेक्षण: ऑक्सिम (C=N-OH), डायजो यौगिक (-N=N-), और एलीसाइक्लिक वलय भी ज्यामितीय समावयवता प्रदर्शित करते हैं।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
CIP Priority MnemonicCIP प्राथमिकता याद रखने की विधि
Atomic Number → Mass Number → Lone Pair

Application: Always determine priority by highest atomic number first; if atoms are identical, move down the chain to the next atom with the highest atomic number. अनुप्रयोग: हमेशा उच्चतम परमाणु क्रमांक के आधार पर प्राथमिकता निर्धारित करें; यदि परमाणु समान हैं, तो श्रृंखला में अगले परमाणु पर जाएं।

Dipole Moment Shortcutद्विध्रुव आघूर्ण शॉर्टकट
μcis > μtrans (for symmetric 1,2-disubstituted alkenes)

Application: Quickly identify polarity questions by checking symmetry; trans-1,2-dichloroethene has μ = 0 D. अनुप्रयोग: समरूपता की जांच करके ध्रुवीयता के प्रश्नों को हल करें; ट्रांस-1,2-डाइक्लोरोएथीन के लिए μ = 0 D होता है।

Isomer Count Formula Selectorसमावयवी गणना सूत्र चयन
Unsymmetric: 2n | Symmetric (even n): 2n-1 + 2(n/2)-1

Application: Check if the terminal groups of the polyene are identical before selecting the formula for calculating total geometrical isomers. अनुप्रयोग: सूत्र चुनने से पहले जांचें कि क्या पॉलीईन के अंतिम समूह समान हैं।

⚖️ Comparison between Cis and Trans Isomers ⚖️ सिस और ट्रांस समावयवियों के बीच तुलना
ParameterपैरामीटरCis Isomerसिस समावयवीTrans Isomerट्रांस समावयवी
Spatial Arrangementस्थानिक व्यवस्थाSimilar groups on the same sideसमान समूह एक ही तरफSimilar groups on opposite sidesसमान समूह विपरीत दिशाओं में
Dipole Momentद्विध्रुव आघूर्णGenerally higher (μ > 0)सामान्यतः उच्च (μ > 0)Generally lower or zero (μ = 0)सामान्यतः कम या शून्य (μ = 0)
Melting PointगलनांकLower due to poor crystal packingखराब क्रिस्टल पैकिंग के कारण कमHigher due to symmetrical packingसममित पैकिंग के कारण उच्च
Stabilityस्थायित्वLess stable due to steric crowdingत्रिविम बाधा के कारण कम स्थिरMore stable due to minimal steric hindranceन्यूनतम त्रिविम बाधा के कारण अधिक स्थिर
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • Restricted rotation around the C=C bond is essential for geometrical isomerism.
  • Cycloalkanes like 1,2-dimethylcyclopropane show cis-trans isomerism due to restricted ring rotation.
  • Fumaric acid is the trans isomer of maleic acid and has a higher melting point.
  • Maleic acid readily forms a cyclic anhydride on heating, whereas fumaric acid does not.
  • Oximes show geometrical isomerism where syn and anti terms replace cis and trans.
  • E-Z nomenclature relies strictly on CIP priority rules assigned to substituents.
  • C=C आबंध के चारों ओर प्रतिबंधित घूर्णन ज्यामितीय समावयवता के लिए आवश्यक है।
  • 1,2-डाइमिथाइलसाइक्लोप्रोपेन जैसे साइक्लोएल्केन प्रतिबंधित वलय घूर्णन के कारण सिस-ट्रांस समावयवता दिखाते हैं।
  • फ्यूमेरिक अम्ल, मैलिक अम्ल का ट्रांस समावयवी है और इसका गलनांक उच्च होता है।
  • मैलिक अम्ल गर्म करने पर चक्रीय एनहाइड्राइड बनाता है, जबकि फ्यूमेरिक अम्ल नहीं बनाता।
  • ऑक्सिम ज्यामितीय समावयवता दिखाते हैं जहां सिस और ट्रांस के स्थान पर सिन (syn) और एंटी (anti) शब्दों का प्रयोग होता है।
  • E-Z नामकरण पूरी तरह से प्रतिस्थापियों को दी गई CIP प्राथमिकता नियमों पर निर्भर करता है।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Assuming all alkenes with two substituents show geometrical isomerism (both substituents on the same carbon must be different).
  • Confusing optical isomerism with geometrical isomerism; geometrical isomers are achiral unless an alternative chiral center is present.
  • Forgetting that cycloalkanes with two substituents on the same carbon atom cannot show cis-trans isomerism.
  • Applying cis-trans nomenclature to systems with three identical groups on the double bond carbons.
  • यह मान लेना कि दो प्रतिस्थापियों वाले सभी एल्कीन ज्यामितीय समावयवता दिखाते हैं (एक ही कार्बन पर दोनों प्रतिस्थापी अलग होने चाहिए)।
  • प्रकाशिक समावयवता (Optical isomerism) को ज्यामितीय समावयवता के साथ भ्रमित करना।
  • यह भूल जाना कि एक ही कार्बन परमाणु पर दो प्रतिस्थापियों वाले साइक्लोएल्केन सिस-ट्रांस समावयवता नहीं दिखा सकते।
  • द्वि-आबंधित कार्बन पर तीन समान समूहों वाले सिस्टम पर सिस-ट्रांस नामकरण लागू करना।