안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
이중 결합을 가진 화합물에서 기하 이성질체가 발생하는 핵심적인 물리적 이유는 탄소 간 결합의 회전 가능 여부에 있습니다. 단일 결합은 탄소 원자들이 결합 축을 중심으로 팽이처럼 자유롭게 회전할 수 있어 결합된 원자들의 위치가 고정되지 않습니다. 반면 이중 결합은 결합 축을 따라 형성되는 시그마 결합 외에, 축의 위아래로 전자 구름이 겹쳐지며 형성되는 파이 결합을 추가로 포함합니다.
이 파이 결합이 존재하면 탄소 원자를 회전시키려 할 때 평행하게 겹쳐 있던 전자 궤도함수가 어긋나게 됩니다. 결합을 회전시키려면 이 강한 파이 결합을 완전히 끊어야 하는데, 일상적인 온도 조건에서는 그만큼의 에너지를 얻기 힘듭니다. 결과적으로 이중 결합은 회전이 엄격히 제한되는 평면적인 고정 구조를 갖게 됩니다.
이러한 회전의 제한성 때문에 결합된 원자들이 축의 어느 쪽에 위치하느냐에 따라 서로 다른 물질이 됩니다. 같은 종류의 원자단이 결합 축을 기준으로 같은 방향에 고정되면 시스 이성질체가 되고, 서로 엇갈려 반대 방향에 고정되면 트랜스 이성질체가 됩니다. 만약 이중 결합이 단일 결합처럼 자유롭게 회전할 수 있었다면 두 구조는 서로 끊임없이 바뀌어 별개의 화합물로 존재할 수 없었을 것입니다. 즉, 파이 결합에 의한 회전 장벽이 두 구조를 물리적으로 분리된 상태로 유지하는 결정적인 원인입니다.