পাঠ ৪ / ২০অনুচ্ছেদ ২.৬ (খ), ২.৬.১–২.৬.২

জ্যামিতিক (সিস-ট্রান্স) সমাণুতা (3D)Geometric (cis–trans) isomerism in 3D

এই পাঠের আগে পড়ো (read first): পাঠ ৩ — গাঠনিক সমাণুতা ও সমাণুর সংখ্যা নির্ণয়

দুটি বোতল, দুটিতেই লেখা “C₂H₂Cl₂, ClCH=CHCl”। একটি তরল ফোটে 60.3 °C-এ, অন্যটি 47.5 °C-এ — সংকেত এক, পরমাণুগুলো একই ক্রমে যুক্ত, তবু দুটি আলাদা যৌগ। রহস্যটা লুকিয়ে আছে দ্বিবন্ধনে (double bond)। নিচের মডেলে নিজে পরীক্ষা করো: ইথিনের (ethene) একটি কার্বন ধরে মোচড় দাও, ছেড়ে দাও; তারপর ইথেনের (ethane) সঙ্গে তুলনা করো।

ডান দিকের কার্বনটিকে C–C অক্ষের (axis) চারদিকে মোচড় দাও, তারপর ছেড়ে দাও। দ্বিবন্ধন (double bond) আর একক বন্ধনে (single bond) কী তফাত?

3D লোড হচ্ছে…

C=C: একটি σ + একটি π বন্ধননীল-লাল লোব = দুই C-এর অসংকরিত p অরবিটাল (p orbital); হালকা নীল = π মেঘ

মোচড় (twist): 0° — ছেড়ে দিলে কী হয় দেখো

মোচড়াতে লাগা শক্তি (energy to twist), kJ/mol — আনুমানিক (approximate): ≈ 0 (সর্বোচ্চ ছুঁয়েছ: 0)
p–p অধিক্রমণ (overlap): 100%
ঘরের তাপে সিস→ট্রান্স হতে (half-life): ≈ 10²⁵ বছর

দুটি p অরবিটাল সমান্তরাল (parallel) — পাশাপাশি অধিক্রমণে (side-on overlap) অণুর তলের ওপরে-নিচে π মেঘ। স্লাইডার টেনে মোচড় দাও।

মডেল: E ≈ E_π·sin²θ, E_π ≈ 265 kJ/mol (বিউট-2-ইনের মাপা সিস-ট্রান্স বাধা 260–270, আনুমানিক)। ইথেন: E = ½·12·(1 − cos 3θ)। অর্ধায়ু (half-life) আরেনিয়াস (Arrhenius) সমীকরণ থেকে, শুধু মাত্রা (order of magnitude)।

একক বন্ধন (single bond) স্বাধীনভাবে ঘোরে, দ্বিবন্ধন ঘোরে না। তাহলে দ্বিবন্ধনের দুই কার্বনে যদি দুটি করে ভিন্ন মূলক (group) থাকে, কী হয়? এই পাঠে ধাপে ধাপে:

স্টেরিও সমাণুতা (stereoisomerism) — গাঠনিক সমাণুর (structural isomer) সঙ্গে তফাত
দ্বিবন্ধন কেন ঘোরে না — সীমিত আবর্তন (restricted rotation)
জ্যামিতিক সমাণুতার শর্ত (conditions) — abC=Cab, abC=Cde, আর বলয় (ring)
নামকরণ: সিস (cis), ট্রান্স (trans) — আর IUPAC-এর E/Z
ভৌত ধর্ম (physical properties): ডাইপোল ভ্রামক, স্ফুটনাঙ্ক, গলনাঙ্ক, দ্রাব্যতা
স্থায়িত্ব (stability) ও রাসায়নিক পার্থক্য: হাইড্রোজেনেশন তাপ, ম্যালেয়িক অ্যানহাইড্রাইড
এবার নিজে করে দেখো — 3D সিমুলেশন (simulation)

ধাপ ১: স্টেরিও সমাণুতা

আগের পাঠে দেখেছ, একই আণবিক সংকেতের (molecular formula) ভিন্ন যৌগকে সমাণু (isomer) বলে। এতক্ষণ যত সমাণু দেখেছ — শিকল, অবস্থান, কার্যকরী মূলক, মেটামারিজম, টটোমারিজম — সবগুলোতে পরমাণুগুলো ভিন্ন ক্রমে যুক্ত (different connectivity)। এরা গাঠনিক সমাণু (structural isomers)।

কিন্তু দুটি অণুতে কে কার সঙ্গে যুক্ত তা হুবহু এক হলেও পরমাণুগুলো ত্রিমাত্রিক স্থানে (3D space) ভিন্নভাবে সাজানো থাকতে পারে। এদের বলে স্টেরিও সমাণু (stereoisomers); গ্রিক stereos মানে “ত্রিমাত্রিক”। অণুর পরমাণুগুলোর এই নির্দিষ্ট ত্রিমাত্রিক বিন্যাসকে বলে কনফিগারেশন (configuration)। স্টেরিও সমাণুতা দুই প্রকার:

জ্যামিতিক বা সিস-ট্রান্স সমাণুতা (geometric / cis–trans isomerism) — এই পাঠ
আলোক সমাণুতা (optical isomerism) — পরের পাঠ

বিউট-1-ইন আর বিউট-2-ইনে পরমাণুগুলো ভিন্ন ক্রমে যুক্ত (দ্বিবন্ধনের অবস্থান আলাদা) — এরা গাঠনিক সমাণু (structural isomers)। কিন্তু সিস- আর ট্রান্স-বিউট-2-ইনে কে কার সঙ্গে যুক্ত তা হুবহু এক; পার্থক্য শুধু CH₃ দুটি দ্বিবন্ধনের একই পাশে, না বিপরীত পাশে — এরা স্টেরিও সমাণু (stereoisomers)।

নিজে যাচাই করো

নিচের কোন জোড়াটি স্টেরিও সমাণু (গাঠনিক নয়)?

ধাপ ২: দ্বিবন্ধন কেন ঘোরে না

রসায়ন প্রথম পত্রের সংকরণ (hybridisation) পাঠে দেখেছ: ইথিনের প্রতিটি কার্বন sp² সংকরিত। তিনটি sp² অরবিটাল একই সমতলে 120° কোণে σ বন্ধন বানায়, আর প্রতিটি কার্বনের একটি অসংকরিত 2p অরবিটাল (unhybridised p orbital) ওই সমতলের ওপরে-নিচে খাড়া থাকে। দুটি p অরবিটাল পাশাপাশি অধিক্রমণ (side-on overlap) করে π বন্ধন বানায়।

σ বন্ধন দুই নিউক্লিয়াসের সংযোগ-অক্ষ বরাবর, অক্ষ ঘিরে প্রতিসম (cylindrically symmetric)। একটি কার্বন ঘোরালেও অধিক্রমণ বদলায় না — তাই একক বন্ধনে স্বাধীন আবর্তন (free rotation)।
π বন্ধন টিকে থাকে শুধু যতক্ষণ দুটি p অরবিটাল সমান্তরাল (parallel)। একটি কার্বনকে θ কোণে মোচড়ালে অধিক্রমণ কমে cos θ অনুপাতে; 90°-তে p অরবিটাল দুটি লম্ব, অধিক্রমণ শূন্য — π বন্ধন ভেঙে যায়।

σ বন্ধন দুই নিউক্লিয়াসের সংযোগ-অক্ষ বরাবর, তাই একটি কার্বন ঘোরালেও অধিক্রমণ একই থাকে (ক)। π বন্ধন হয় দুটি সমান্তরাল p অরবিটালের পাশাপাশি অধিক্রমণে (খ) — একটি কার্বন 90° ঘোরালে p অরবিটাল দুটি লম্ব হয়ে যায়, অধিক্রমণ শূন্য, π বন্ধন ভাঙে (গ)।

মোচড়াতে কত শক্তি লাগে? একটি সরল মডেল (approximate):

E(\theta) \approx E_{\pi}\,\sin^2\theta, \qquad E_{\pi} \approx 265\ \text{kJ mol}^{-1}

বিউট-2-ইনের সিস → ট্রান্স রূপান্তরের মাপা সক্রিয়ণ শক্তি (activation energy) প্রায় 260–270 kJ mol⁻¹ — প্রায় পুরো একটি π বন্ধনের শক্তি। তুলনা করো:

	ইথেন C–C (σ)	বিউট-2-ইন C=C (σ + π)
ঘোরার বাধা (rotation barrier)	≈ 12 kJ mol⁻¹	≈ 265 kJ mol⁻¹
25 °C-এ কতবার ঘোরে / কত সময় লাগে	সেকেন্ডে ≈ 10¹¹ বার	অর্ধায়ু (half-life) ≈ 10²⁵ বছর

শেষ সারির সংখ্যাগুলো আরেনিয়াস সমীকরণ (Arrhenius equation) $k = A\,e^{-E_a/RT}$ থেকে আনুমানিক হিসাব; 25 °C-এ $RT \approx 2.5\ \text{kJ mol}^{-1}$ — বাধার তুলনায় নগণ্য। মহাবিশ্বের বয়স মাত্র ≈ 1.4 × 10¹⁰ বছর! তাই ঘরের তাপমাত্রায় সিস আর ট্রান্স কখনো নিজে নিজে একটি আরেকটিতে বদলায় না; এরা আলাদা বোতলে রাখা যায় এমন আলাদা যৌগ। (প্রায় 400–500 °C তাপে, অতিবেগুনি আলোয় (UV light) বা অনুঘটকে (catalyst) রূপান্তর ঘটানো যায়।)

নিজে যাচাই করো

ঘরের তাপমাত্রায় সিস-বিউট-2-ইন নিজে থেকে ট্রান্স-বিউট-2-ইনে বদলায় না কেন?

ধাপ ৩: জ্যামিতিক সমাণুতার শর্ত

দ্বিবন্ধন ঘোরে না — শুধু এটুকুতেই সমাণু হয় না। দ্বিবন্ধনের দুই কার্বনের (ধরো C1 ও C2) প্রতিটিতে দুটি করে মূলক থাকে। সংজ্ঞা: কার্বন-কার্বন দ্বিবন্ধনের অক্ষ বরাবর মুক্ত আবর্তন সম্ভব না হওয়ায় যেসব যৌগের দুটি ভিন্ন কনফিগারেশন হয়, তাদের জ্যামিতিক সমাণু বলে। এর শর্ত:

দ্বিবন্ধনের প্রতিটি কার্বনে দুটি ভিন্ন (different) মূলক থাকতে হবে। সাধারণ সংকেতে abC=Cab বা abC=Cde (যেখানে a ≠ b এবং d ≠ e)।
কোনো একটি কার্বনে দুটি একই মূলক থাকলেই (যেমন =CH₂ বা =C(CH₃)₂) জ্যামিতিক সমাণু হয় না — মূলক দুটি অদলবদল করে পাওয়া অণুটিকে উল্টে দিলেই আগেরটির ওপর হুবহু বসে যায়।

নিচে নিজে মূলক বসিয়ে দেখো কখন সমাণু হয়:

প্রতিটি বাক্সে ট্যাপ করে মূলক (group) বদলাও: H → CH₃ → C₂H₅ → Cl → COOH। অথবা নিচের একটি যৌগ বেছে নাও।

হ্যাঁ — জ্যামিতিক সমাণু (geometric isomers) আছে। C1-এ দুটি ভিন্ন মূলক (CH₃, H), C2-তেও দুটি ভিন্ন মূলক (CH₃, H) — তাই C2-এর মূলক দুটি অদলবদল করলে সত্যিই নতুন একটি অণু হয়, যাকে উল্টে-পাল্টে প্রথমটির ওপর বসানো যায় না। তুমি যেটি বানিয়েছ সেটি সিস (cis): একই মূলক দ্বিবন্ধনের একই পাশে।

যৌগ	C1-এ	C2-তে	জ্যামিতিক সমাণু?
বিউট-2-ইন, CH₃CH=CHCH₃	CH₃, H	CH₃, H	হ্যাঁ
পেন্ট-2-ইন, CH₃CH=CHCH₂CH₃	CH₃, H	C₂H₅, H	হ্যাঁ
1,2-ডাইক্লোরোইথিন, ClCH=CHCl	Cl, H	Cl, H	হ্যাঁ
বিউটিনডাইওয়িক এসিড, HOOC–CH=CH–COOH	COOH, H	COOH, H	হ্যাঁ (ম্যালেয়িক / ফিউমারিক)
বিউট-1-ইন, CH₂=CHCH₂CH₃	H, H	C₂H₅, H	না
2-মিথাইলপ্রোপিন, (CH₃)₂C=CH₂	CH₃, CH₃	H, H	না

বলয়ে (ring)। বলয়ের C–C σ বন্ধনও ঘোরানো যায় না — ঘোরাতে গেলে বলয় ভাঙতে হয়। তাই বলয়ের অন্তত দুটি কার্বনের প্রতিটিতে দুটি ভিন্ন মূলক থাকলে, দ্বিবন্ধন ছাড়াই সিস-ট্রান্স সমাণু হয়:

1,2-ডাইমিথাইলসাইক্লোপ্রোপেন (1,2-dimethylcyclopropane): বলয়ের (ring) তলটি যেন একটি মেঝে। C1 আর C2 — দুটিতেই দুটি ভিন্ন মূলক (CH₃ ও H)। CH₃ দুটি মেঝের একই পাশে = সিস, বিপরীত পাশে = ট্রান্স। বলয়ের C–C বন্ধন ঘোরাতে গেলে বলয় ভাঙতে হয়, তাই এরাও আলাদা যৌগ — দ্বিবন্ধন ছাড়াই।

মনে রাখো, “সব চাক্রিক যৌগ” নয়: সাইক্লোহেক্সেন, মিথাইলসাইক্লোপ্রোপেন বা 1,1-ডাইমিথাইলসাইক্লোপ্রোপেনে এমন দুটি কার্বন নেই, তাই সমাণুও নেই।

নিজে যাচাই করো

নিচের কোনটি জ্যামিতিক সমাণুতা দেখায়?

ধাপ ৪: নামকরণ — সিস আর ট্রান্স

দুই কার্বনে একই রকম একটি মূলক থাকলে (যেমন দুটি CH₃, বা দুটি H):

সিস (cis) — লাতিন cis = একই পাশে: একই মূলক দুটি দ্বিবন্ধনের একই পাশে। যেমন সিস-বিউট-2-ইন (cis-but-2-ene)।
ট্রান্স (trans) — লাতিন trans = অপর পাশে: একই মূলক দুটি বিপরীত পাশে। যেমন ট্রান্স-বিউট-2-ইন।

বিউটিনডাইওয়িক এসিডের সিস-রূপের প্রচলিত নাম ম্যালেয়িক এসিড (maleic acid), ট্রান্স-রূপের ফিউমারিক এসিড (fumaric acid)। নাম লেখার সময় আধুনিক IUPAC রূপ আগে, বোর্ডের পুরোনো রূপ পরে: সিস-বিউট-2-ইন (বোর্ডের প্রত্যাশিত উত্তর: সিস-বিউটিন-2)।

আরও জানো (extension) — E/Z পদ্ধতি: দুই কার্বনে কোনো মূলক না মিললে (যেমন BrClC=CH(CH₃)) “একই মূলক” খুঁজে পাওয়া যায় না, তাই সিস/ট্রান্স খাটে না। IUPAC তখন প্রতিটি কার্বনের দুটি মূলকের মধ্যে অগ্রাধিকার (priority) ঠিক করে — যে পরমাণু সরাসরি যুক্ত তার পারমাণবিক সংখ্যা যত বেশি, অগ্রাধিকার তত বেশি (Br > Cl > C > H; সমান হলে পরের পরমাণুগুলো দেখা হয়: COOH > C₆H₅ > C₂H₅ > CH₃)। দুই কার্বনের উচ্চ-অগ্রাধিকারের মূলক একই পাশে হলে Z (জার্মান zusammen, একসঙ্গে), বিপরীত পাশে হলে E (entgegen, বিপরীত)। সিস-বিউট-2-ইন = (Z)-বিউট-2-ইন, ফিউমারিক এসিড = (E)-বিউটিনডাইওয়িক এসিড। বোর্ড পরীক্ষায় E/Z আসে না।

নিজে যাচাই করো

ফিউমারিক এসিডে দুটি –COOH মূলক কোথায় থাকে?

ধাপ ৫: ভৌত ধর্ম — ডাইপোল, স্ফুটনাঙ্ক, গলনাঙ্ক

সিস আর ট্রান্স আলাদা যৌগ, তাই এদের ভৌত ধর্মও আলাদা। আসল মাপা মান (CRC Handbook, NIST; চাপ 1 atm):

যৌগ	স্ফুটনাঙ্ক (b.p.) সিস / ট্রান্স	গলনাঙ্ক (m.p.) সিস / ট্রান্স	ডাইপোল ভ্রামক (μ) সিস / ট্রান্স
বিউট-2-ইন	3.7 / 0.9 °C	−138.9 / −105.5 °C	0.25 / 0 D
1,2-ডাইক্লোরোইথিন	60.3 / 47.5 °C	−80 / −50 °C	1.90 / 0 D
বিউটিনডাইওয়িক এসিড	ফোটার আগেই ভাঙে	135 (ম্যালেয়িক) / 287 (ফিউমারিক) °C	—
সিনামিক এসিড, C₆H₅CH=CHCOOH	—	68 / 133 °C	—

স্ফুটনাঙ্ক — সিস সাধারণত বেশি, কারণ ডাইপোল। পোলারিটি (polarity) পাঠে দেখেছ, প্রতিটি পোলার বন্ধনের একটি বন্ধন ডাইপোল (bond dipole) আছে, আর অণুর মোট ডাইপোল ভ্রামক হলো এগুলোর ভেক্টর যোগফল (vector sum)। সিস-রূপে দুটি C–Cl ডাইপোল একই দিকে হেলে যোগ হয়; ট্রান্স-রূপে সমান ও বিপরীত — কাটাকাটি হয়ে শূন্য। নিজে দেখো:

কমলা তীর = বন্ধন ডাইপোল (bond dipole), δ− প্রান্তের দিকে। সিস ↔ ট্রান্স বদলে দেখো তীর দুটির যোগফল (vector sum) কী হয়।

লব্ধি ডাইপোল (net dipole), μ: 1.90 D (মাপা: 1.9 D)
অণুটি: পোলার (polar)

সিস: দুটি Cl একই দিকে, তাই তীর দুটির খাড়া অংশ যোগ হয় → অণুর একটি নিট ডাইপোল (1.9 D)। পোলার অণুগুলো একে অন্যকে ডাইপোল-ডাইপোল আকর্ষণে (dipole–dipole attraction) টানে, তাই স্ফুটনাঙ্ক বেশি: 60.3 °C।

তীরের দৈর্ঘ্য মডেলের: একটি “কার্যকর” C–Cl ভ্রামক (effective moment) এমনভাবে নেওয়া যাতে সিস-রূপের যোগফল মাপা মানের (1.9 D) সমান হয়। ট্রান্স-রূপে যোগফল যেকোনো মানেই শূন্য — সেটা প্রতিসাম্যের (symmetry) ফল, মডেলের নয়।

পোলার সিস অণুগুলোর মধ্যে তরলে ডাইপোল-ডাইপোল আকর্ষণ (dipole–dipole attraction) থাকে, অপোলার ট্রান্সে শুধু দুর্বল লন্ডন বল (London dispersion forces)। তাই সিসকে ফোটাতে বেশি তাপ লাগে।

গলনাঙ্ক — ট্রান্স সাধারণত বেশি, কারণ প্রতিসাম্য। গলনাঙ্ক ঠিক করে কেলাস জালিকা (crystal lattice) কত শক্ত। প্রতিসম (symmetric), সোজা ট্রান্স অণু কেলাসে ঘনভাবে (closely packed) সাজতে পারে; বাঁকা সিস অণু পারে না। ফিউমারিক এসিডে আরেকটি কারণ যোগ হয়: দুটি COOH-ই পাশের অণুর সঙ্গে আন্তঃআণবিক H-বন্ধন (intermolecular H-bond) করে লম্বা শিকল বানায়, অথচ ম্যালেয়িক এসিডে একটি H-বন্ধন অণুর ভেতরেই (intramolecular) আটকে যায়। ফলে গলনাঙ্কে প্রায় 150 °C তফাত।

দ্রাব্যতা (solubility)। একই কারণে কেলাস দুর্বল আর অণু পোলার বলে সিস-রূপ সাধারণত পানিতে বেশি দ্রবণীয়: ম্যালেয়িক এসিড ≈ 48 g, ফিউমারিক ≈ 0.7 g প্রতি 100 mL পানিতে (আনুমানিক)। ঘনত্ব (density) আর প্রতিসরাঙ্কেও (refractive index) সিস সাধারণত একটু বেশি — তবে এগুলো সব প্রবণতা (trend), অলঙ্ঘ্য নিয়ম নয়।

নিজে যাচাই করো

সিস-1,2-ডাইক্লোরোইথিনের স্ফুটনাঙ্ক (60.3 °C) ট্রান্স-রূপের (47.5 °C) চেয়ে বেশি কেন?

ধাপ ৬: স্থায়িত্ব ও রাসায়নিক পার্থক্য

কোনটি বেশি স্থায়ী? দুটি সমাণুকে একই যৌগে বদলে দিয়ে নির্গত তাপ মাপলেই বোঝা যায়। সিস ও ট্রান্স-বিউট-2-ইন দুটিই H₂ নিয়ে একই বিউটেন হয়:

\ce{CH3CH=CHCH3 + H2 ->[\text{Ni}] CH3CH2CH2CH3}

তিনটি অ্যালকিন H₂ নিয়ে একই বিউটেন হয়। যে অ্যালকিন বেশি তাপ ছাড়ে, সে শুরু করেছিল বেশি উঁচু শক্তিতে — অর্থাৎ কম স্থায়ী। সিস-বিউট-2-ইন ট্রান্সের চেয়ে 119.7 − 115.5 = 4.2 kJ/mol বেশি তাপ ছাড়ে: ট্রান্স বেশি স্থায়ী (more stable)। কারণ সিস-রূপে দুটি CH₃ একই পাশে গাদাগাদি (steric strain)। (গ্যাসীয় অবস্থা, NIST; অক্ষের মাঝখান কাটা — পার্থক্যগুলো বড় করে দেখানো।)

সিস-রূপ 4.2 kJ mol⁻¹ বেশি তাপ ছাড়ে, অর্থাৎ শুরুতে সেটি বেশি শক্তিতে ছিল — ট্রান্স বেশি স্থায়ী। কারণ সিস-রূপে দুটি CH₃ একই পাশে গাদাগাদি করে, তাদের ইলেকট্রন মেঘে ঠেলাঠেলি (steric strain) হয়। একই কারণে সিস-রূপের দহন তাপও (heat of combustion) বেশি।

ম্যালেয়িক বনাম ফিউমারিক — অ্যানহাইড্রাইড পরীক্ষা। দুটি এসিডকে ≈ 140–160 °C-এ গরম করলে:

সিস-রূপে (ম্যালেয়িক এসিড) দুটি –COOH একই পাশে, খুব কাছে: একটির –OH আর অন্যটির H মিলে এক অণু পানি বেরিয়ে যায়, পাঁচ সদস্যের বলয় (five-membered ring) বন্ধ হয়। ট্রান্স-রূপে (ফিউমারিক এসিড) –COOH দুটি দ্বিবন্ধনের দুই পাশে — দ্বিবন্ধন না ঘুরলে তারা কখনো কাছে আসতে পারে না। এই পরীক্ষা দিয়ে দুটি সমাণু চেনা যায়।

\ce{\underset{\text{maleic acid}}{HOOC-CH=CH-COOH} ->[\Delta] \underset{\text{maleic anhydride}}{C4H2O3} + H2O}

শুধু সিস-রূপে দুটি –COOH কাছাকাছি (একই পাশে), তাই এক অণু পানি বের করে পাঁচ সদস্যের বলয় বানাতে পারে। ফিউমারিক এসিড এভাবে অ্যানহাইড্রাইড বানায় না; গরম করলে ≈ 200 °C-এ ঊর্ধ্বপাতিত হয় (sublimes)। এই পরীক্ষাই প্রমাণ করে কোনটি সিস। কাছাকাছি COOH থেকে আরেকটি পার্থক্যও আসে: ম্যালেয়িক এসিডের pKa₁ = 1.92 (ফিউমারিকের 3.02) — প্রথম H⁺ চলে যাওয়ার পর অণুর ভেতরের H-বন্ধন অ্যানায়নটিকে স্থিতিশীল করে।

নিজে যাচাই করো

একটি অজানা বিউটিনডাইওয়িক এসিড গরম করলে পানি হারিয়ে অ্যানহাইড্রাইড দেয়। এটি কোনটি?

জীবনে সিস-ট্রান্স — চোখের দৃষ্টি। আমাদের রেটিনার রড কোষে (rod cell) রোডপসিন (rhodopsin) নামের প্রোটিনে 11-সিস-রেটিন্যাল (11-cis-retinal) অণু বসানো থাকে। দৃশ্যমান আলোর একটি ফোটন (≈ 500 nm, প্রায় 240 kJ mol⁻¹ — একটি π বন্ধন মোচড়ানোর মতো শক্তি!) শোষণ করলে C11=C12 দ্বিবন্ধনটি মুহূর্তে ঘুরে সব-ট্রান্স-রেটিন্যাল (all-trans-retinal) হয়ে যায়। আকৃতি বদলে যাওয়ায় প্রোটিনের গঠন বদলায়, স্নায়ুতে সংকেত যায় — আমরা দেখতে পাই। পরে এনজাইম আবার একে সিস-রূপে ফিরিয়ে আনে। ট্রান্স ফ্যাট (trans fat): প্রাকৃতিক তেলের দ্বিবন্ধন প্রায় সবই সিস; কারখানায় আংশিক হাইড্রোজেনেশনে (ডালডা জাতীয় বনস্পতি) কিছু ট্রান্স দ্বিবন্ধন তৈরি হয়, যা হৃদ্‌রোগের ঝুঁকি বাড়ায় বলে WHO এগুলো খাদ্য থেকে বাদ দিতে বলেছে।

ধাপ ৭: এবার নিজে করে দেখো

নিচের 3D ল্যাবে ৯টি অণু আছে — বিউট-2-ইন, পেন্ট-2-ইন, 1,2-ডাইক্লোরোইথিন, বিউটিনডাইওয়িক এসিড, সিনামিক এসিড, 1,2-ডাইমিথাইলসাইক্লোপ্রোপেন, বিউট-1-ইন, 2-মিথাইলপ্রোপিন আর সাইক্লোহেক্সিন।

রূপ বদলাও: “সিস / ট্রান্স” বোতামে অণুর অন্য রূপ বানাও; যার সমাণু নেই, সেখানে “C2 অদলবদল” করে “উল্টে দাও” — দেখবে আগের অণুটিই।
মোচড়াও (twist): স্লাইডারে C2-কে C=C অক্ষ ঘিরে ঘোরাও — নীল π মেঘ আর π বন্ধনের নীল কাঠি মিলিয়ে যায়, শক্তির মিটার চড়ে। 90°-এর আগে ছাড়লে ফিরে আসে, পরে ছাড়লে অন্য সমাণু হয়ে যায়।
মাপো (measure): “দূরত্ব মাপো” চালু করে যেকোনো দুটি পরমাণুতে ট্যাপ করো — দূরত্ব Å-এ দেখাবে।
গরম করো: বিউটিনডাইওয়িক এসিডের দুটি রূপকে গরম করে দেখো কোনটি অ্যানহাইড্রাইড বানায়।
প্রতিটি অণুর ডাইপোল, স্ফুটনাঙ্ক, গলনাঙ্ক পর্যবেক্ষণ খাতায় (observation notebook) জমা হবে; ছয়টি চ্যালেঞ্জ শেষ করো।

3D সিস-ট্রান্স ল্যাব

Cis–trans isomers in 3D — twist, measure, heat

↗

3D লোড হচ্ছে…

সিস-বিউট-2-ইনcis-but-2-ene · CH₃CH=CHCH₃

CHπ

টেনে ঘোরাও (drag) · দুই আঙুলে জুম (pinch)

রূপ (isomer):

C2-কে মোচড়াও (twist C2): 0°

π ভাঙতে লাগছে ≈ 0 kJ/mol (আনুমানিক)RT ≈ 2.5

জ্যামিতিক সমাণু (geometric isomers)?: আছে — দুই দ্বিবন্ধনী কার্বনের প্রতিটিতে দুটি ভিন্ন মূলক।
ডাইপোল ভ্রামক (μ): 0.25 D
স্ফুটনাঙ্ক (b.p.): 3.7 °C
গলনাঙ্ক (m.p.): -138.9 °C
হাইড্রোজেনেশন তাপ (ΔH, H₂): -119.7 kJ/mol

তথ্য: CRC Handbook, NIST WebBook (1 atm)। “—” = তালিকায় নেই বা প্রযোজ্য নয় (এসিড দুটি ফোটার আগেই ভাঙে)। 3D জ্যামিতি আদর্শ কোণ আর গড় বন্ধন দৈর্ঘ্যের মডেল।

১. ফিউমারিক এসিডের গলনাঙ্ক (287 °C) ম্যালেয়িক এসিডের (135 °C) চেয়ে প্রায় 150 °C বেশি কেন?

২. 1 mol সিস- আর 1 mol ট্রান্স-বিউট-2-ইনকে H₂ দিয়ে বিউটেন বানালে কোনটি বেশি তাপ ছাড়বে?

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6

৮টি অণুর মধ্যে দুটির জ্যামিতিক সমাণু নেই। খুঁজে বের করো, আর প্রমাণ করো: “C2 অদলবদল” বা 180° মোচড় দিয়ে দেখাও যে নতুন অণুটি আসলে আগেরটিই। (0/2)
1,2-ডাইক্লোরোইথিনের যে সমাণুর ডাইপোল ভ্রামক (dipole moment) শূন্য, সেটি বানাও।
বিউটিনডাইওয়িক এসিডের দুটি রূপই খুলে গলনাঙ্ক দেখো, তারপর নিচের প্রথম প্রশ্নের উত্তর দাও: ফিউমারিক এসিড প্রায় 150 °C বেশিতে গলে কেন?
কোন বিউটিনডাইওয়িক এসিড অ্যানহাইড্রাইড বানায়? দুটিকেই “গরম করো”, আর “মাপো” দিয়ে দুই রূপেই COOH-কার্বন দুটির দূরত্ব মাপো। (0/3)
বিউট-2-ইনের দুটি রূপের তথ্য দেখো, তারপর নিচের দ্বিতীয় প্রশ্নে বলো: হাইড্রোজেনেশনে কোনটি বেশি তাপ ছাড়ে?
সাইক্লোহেক্সিন খোলো। এর C=C ঘিরে কি সিস-ট্রান্স সমাণু হয়? “ট্রান্স বানাও” চেষ্টা করো।

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

একটি অণু খুললেই তার তথ্য এখানে জমা হবে।

বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের এই অংশে কয়েকটি ভুল ও অস্পষ্টতা আছে:

বইয়ে সিস-রূপের স্ফুটনাঙ্ক বেশি হওয়ার কারণ বলা হয়েছে “দ্বিবন্ধনের দুই পাশে শিকল বেঁকে (bent) কম প্রসারিত হয়, তাই অণুগুলো ঘনিষ্ঠ হয়”। প্রচলিত ও সঠিক ব্যাখ্যা হলো সিস-রূপের নিট ডাইপোল ভ্রামক: সিস-1,2-ডাইক্লোরোইথিন 1.90 D, ট্রান্স 0 D (CRC; Morrison–Boyd)। পরীক্ষায় ডাইপোলের যুক্তি লিখো।
একই পাতায় মিথানলের ডাই-ইলেকট্রিক ধ্রুবক (dielectric constant) 30 লেখা → 25 °C-এ আসল মান 32.7 (CRC)। পানির 80 মোটামুটি ঠিক (25 °C-এ 78.4)।
রেটিনার বাক্সে “rhodospin” ছাপা → সঠিক বানান rhodopsin (রোডপসিন)।
শর্তে লেখা “চাক্রিক জৈবযৌগসমূহ জ্যামিতিক সমাণুতা প্রদর্শন করে” — সব বলয় নয়। বলয়ের অন্তত দুটি কার্বনের প্রতিটিতে দুটি ভিন্ন মূলক থাকতে হবে (সাইক্লোহেক্সেন, মিথাইলসাইক্লোপ্রোপেনে সমাণু নেই)।
বিলোপন বিক্রিয়ার অংশে (সেজেফ নিয়মের উদাহরণ) লেখা “সিস্-বিউটিন-1 কম উৎপাদ হয়” → বিউট-1-ইনের কোনো সিস-ট্রান্স রূপ নেই (C1-এ দুটি H)। কম উৎপাদ বলতে বোঝানো হয়েছে সিস-বিউট-2-ইন আর বিউট-1-ইন।
MCQ-2.8 (“জ্যামিতিক সমাণুতার শর্ত কোনটি? — প্রতিস্থাপিত অ্যালকিন”) অসম্পূর্ণ: 2-মিথাইলপ্রোপিনও প্রতিস্থাপিত অ্যালকিন, কিন্তু সমাণু নেই। আসল শর্ত — প্রতিটি দ্বিবন্ধনী কার্বনে দুটি ভিন্ন মূলক।
“সিসের ঘনত্ব, দ্রাব্যতা, প্রতিসরাঙ্ক বেশি; ট্রান্সের গলনাঙ্ক বেশি” — এগুলো সাধারণ প্রবণতা, সব যৌগে খাটে না (যেমন সিস-1,2-ডাইমিথাইলসাইক্লোপ্রোপেনের গলনাঙ্ক −140.9 °C, ট্রান্সের −149.6 °C)। বইয়ের দেওয়া 4 °C ও 1 °C হলো 3.7 ও 0.9 °C-এর পূর্ণসংখ্যা রূপ — ঠিক আছে।

ঘরে বসে পরীক্ষা: টুথপিক দিয়ে মোচড় পরীক্ষা

মাটি বা ময়দার খামির (clay / dough) দিয়ে লিচুর আকারের দুটি বল বানাও — এরা দুটি কার্বন।
একটি টুথপিক দিয়ে বল দুটি জোড়া দাও (σ বন্ধনের মডেল)। একটি বল স্থির রেখে অন্যটি ঘোরাও — সহজেই ঘোরে।
এবার পাশাপাশি দুটি সমান্তরাল টুথপিক দিয়ে জোড়া দাও (σ + π-এর মডেল)। ঘোরানোর চেষ্টা করো — একটি টুথপিক না খুলে বা না ভেঙে ঘোরানো যায় না।
প্রতিটি বলে দুটি করে রঙিন পিন বা ছোট কাগজের পতাকা গাঁথো: প্রতিটি বলে একটি লাল, একটি সাদা। দুটি লাল একই পাশে = “সিস”, বিপরীত পাশে = “ট্রান্স”। টুথপিক না খুলে একটিকে আরেকটিতে বদলানোর চেষ্টা করো।
এবার একটি বলের দুটি পিনই সাদা করো। “সিস” আর “ট্রান্স” কি আলাদা থাকে? পুরো মডেলটি উল্টে দেখো।

নিরাপত্তা: টুথপিক আর পিনের সূচালো মাথা চোখ থেকে দূরে রাখো; ছোট বাচ্চাদের নাগালে পিন রেখো না। খেলার পর ময়দার খামির খাবে না।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. জ্যামিতিক সমাণুতা কাকে বলে? এর শর্ত লেখো। বিউট-2-ইন জ্যামিতিক সমাণুতা দেখায় কিন্তু বিউট-1-ইন দেখায় না কেন? (খ)

কার্বন-কার্বন দ্বিবন্ধনের (বা বলয়ের) অক্ষ বরাবর মুক্ত আবর্তন সম্ভব না হওয়ায় একই গঠনের যৌগের যে দুটি ভিন্ন ত্রিমাত্রিক বিন্যাস (কনফিগারেশন) হয়, তাকে জ্যামিতিক বা সিস-ট্রান্স সমাণুতা বলে।

শর্ত: (১) অণুতে C=C দ্বিবন্ধন বা বলয় থাকতে হবে, যাতে আবর্তন বাধাপ্রাপ্ত; (২) দ্বিবন্ধনের প্রতিটি কার্বনে দুটি ভিন্ন মূলক থাকতে হবে (abC=Cab বা abC=Cde)।

বিউট-2-ইন CH₃CH=CHCH₃: C2-তে (CH₃, H), C3-তে (CH₃, H) — দুটিতেই ভিন্ন মূলক, তাই সিস (CH₃ দুটি একই পাশে) ও ট্রান্স (বিপরীত পাশে) দুটি রূপ। বিউট-1-ইন CH₂=CHCH₂CH₃: C1-এ দুটিই H; C2-এর মূলক অদলবদল করলে যে অণু পাওয়া যায়, সেটি উল্টে দিলে আগেরটির সঙ্গে হুবহু মিলে যায় — একটিই যৌগ।

২. C₄H₈ সংকেতের যৌগ X ওজোনোলাইসিসে শুধু ইথান্যাল দেয়, Y দেয় মিথান্যাল ও প্রোপান্যাল, আর Z দেয় মিথান্যাল ও প্রোপানোন। কোনটি জ্যামিতিক সমাণুতা দেখায়? C₄H₈-এর মোট কতটি সমাণু? (সৃজনশীল ঘ)

ওজোনোলাইসিসে C=C ভেঙে দুই প্রান্ত দুটি কার্বনিল যৌগ হয়:

X → শুধু CH₃CHO (দুই অণু) ⇒ X = CH₃CH=CHCH₃, বিউট-2-ইন।
Y → HCHO + CH₃CH₂CHO ⇒ Y = CH₂=CHCH₂CH₃, বিউট-1-ইন।
Z → HCHO + CH₃COCH₃ ⇒ Z = (CH₃)₂C=CH₂, 2-মিথাইলপ্রোপিন।

শুধু X জ্যামিতিক সমাণুতা দেখায় (দুই দ্বিবন্ধনী কার্বনেই CH₃ ও H)। Y-এর C1-এ দুটি H, Z-এর C1-এ দুটি CH₃ আর C2-এ দুটি H — সমাণু নেই।

C₄H₈-এর মুক্ত-শিকল অ্যালকিন গাঠনিক সমাণু ৩টি (X, Y, Z); X-এর সিস ও ট্রান্স ধরলে ৪টি। বলয়ী সাইক্লোবিউটেন ও মিথাইলসাইক্লোপ্রোপেন যোগ করলে মোট ৬টি। (প্রশ্নে কোন শ্রেণি চাওয়া হয়েছে খেয়াল করো।)

৩. সিস-বিউট-2-ইনের স্ফুটনাঙ্ক 3.7 °C, ট্রান্সের 0.9 °C; কিন্তু গলনাঙ্ক সিসের −138.9 °C, ট্রান্সের −105.5 °C। ব্যাখ্যা করো।

স্ফুটনাঙ্ক: সিস-রূপে দুটি C–CH₃ বন্ধন ডাইপোল একই দিকে হেলে যোগ হয়, নিট ডাইপোল ভ্রামক 0.25 D; ট্রান্সে সমান ও বিপরীত, কাটাকাটি হয়ে 0। তরলে সিস অণুগুলোর মধ্যে বাড়তি ডাইপোল-ডাইপোল আকর্ষণ থাকে, তাই ফোটাতে একটু বেশি শক্তি লাগে।

গলনাঙ্ক: কঠিন অবস্থায় যে অণু কেলাসে যত ঘন ও সুশৃঙ্খলভাবে সাজে, তার জালিকা তত শক্ত। প্রতিসম, সোজা ট্রান্স অণু ঘনভাবে সাজে; বাঁকা সিস অণু পারে না। তাই ট্রান্সের গলনাঙ্ক বেশি — এখানে প্রায় 33 °C তফাত।

৪. ম্যালেয়িক এসিড ও ফিউমারিক এসিডকে কীভাবে পৃথকভাবে শনাক্ত করবে? সমীকরণ দাও।

দুটিকে ≈ 140–160 °C-এ উত্তপ্ত করো। ম্যালেয়িক এসিড (সিস) এক অণু পানি হারিয়ে ম্যালেয়িক অ্যানহাইড্রাইড দেয়:

\ce{HOOC-CH=CH-COOH ->[\Delta] C4H2O3 + H2O}

ফিউমারিক এসিড (ট্রান্স) অ্যানহাইড্রাইড দেয় না, কারণ –COOH দুটি দ্বিবন্ধনের বিপরীত পাশে, ≈ 3.9 Å দূরে; C=C না ঘুরলে কাছে আসা অসম্ভব (ঘোরাতে ≈ 265 kJ/mol লাগে)। এ ছাড়া গলনাঙ্কেও চেনা যায়: ম্যালেয়িক 135 °C, ফিউমারিক 287 °C (বন্ধ নলে)।

৫. অরবিটাল চিত্রের সাহায্যে ব্যাখ্যা করো: দ্বিবন্ধনযুক্ত কার্বনদ্বয় তাদের অক্ষ বরাবর ঘুরতে পারে না।

C=C-এর প্রতিটি কার্বন sp² সংকরিত। তিনটি sp² অরবিটাল একই সমতলে 120° কোণে তিনটি σ বন্ধন বানায় (একটি C–C, দুটি C–a/C–b)। প্রতিটি কার্বনের একটি অসংকরিত 2p_z অরবিটাল ওই সমতলের লম্বভাবে থাকে; দুটি 2p_z পাশাপাশি অধিক্রমণ করে সমতলের ওপরে-নিচে π বন্ধন বানায় (ধাপ ২-এর চিত্র খ)।

একটি কার্বনকে C–C অক্ষ ঘিরে ঘোরালে তার 2p_z অন্যটির সঙ্গে আর সমান্তরাল থাকে না; অধিক্রমণ cos θ অনুপাতে কমে, 90°-তে শূন্য — π বন্ধন ভেঙে যায় (চিত্র গ)। এর জন্য ≈ 265 kJ mol⁻¹ লাগে, যা ঘরের তাপমাত্রার তাপীয় শক্তির (RT ≈ 2.5 kJ mol⁻¹) প্রায় ১০০ গুণ। তাই কার্বনদ্বয় ঘুরতে পারে না, a ও b মূলক দুটি ভিন্ন হলে দুটি স্থায়ী বিন্যাস (সিস ও ট্রান্স) পাওয়া যায়।

৬. সিস- ও ট্রান্স-বিউট-2-ইনের হাইড্রোজেনেশন তাপ যথাক্রমে −119.7 ও −115.5 kJ mol⁻¹। কোনটি বেশি স্থায়ী এবং কত? 2 mol সিস-বিউট-2-ইন হাইড্রোজেনেশনে ট্রান্সের চেয়ে কত বেশি তাপ ছাড়বে?

দুটি থেকেই একই বিউটেন হয়, তাই কম তাপ ছাড়া যৌগটি শুরুতে কম শক্তিতে ছিল: ট্রান্স বেশি স্থায়ী, পার্থক্য 119.7 − 115.5 = 4.2 kJ mol⁻¹। কারণ সিস-রূপে দুটি CH₃ একই পাশে গাদাগাদি করে (steric strain)।

2 mol-এ বাড়তি তাপ = 2 × 4.2 = 8.4 kJ।