L' isomeria cis-trans si verifica quando tra due atomi, anche se non direttamente legati, esiste impedimento alla libera rotazione. Se i sostituenti su ciascuno dei due atomi sono diversi, si hanno due configurazioni possibili; i due casi fondamentali in cui si ha questo tipo di isomeria sono costituiti da sistemi con doppi legami e da sistemi ciclici
Doppi legami
1) Doppi legami carbonio-carbonio.
Il caso del doppio legame carbonio-carbonio è sufficientemente esemplificato dagli alcheni non ramificati a quattro o più atomi di carbonio come ad esempio il 2-butene.
La barriera di interconversione tra i due isomeri cis e trans corrisponde all'energia torsionale necessaria per annullare l'interazione π tra i due atomi legati con doppio legame. Negli alcheni tale valore si aggira per lo più intorno a 40-45 kcal/mol e tale valore, se confrontato con quello di 3-7 kcal/mol, caratteristico delle rotazioni intorno al legame semplice rende ragione del motivo per il quale il doppio legame sia spesso considerato sede di stereoisomeria configurazionale, mentre il legame semplice genera solo isomeri conformazionali.
La presenza di più doppi legami fa aumentare il numero di stereoisomeri possibili. Infatti se n è il numero di doppi legami il numero di stereoisomeri è pari a 2n a meno che due o più doppi legami siano identicamente sostituiti.
2) Stabilità relativa e interconversione. In genere non esiste molta differenza nel contenuto di energia libera degli isomeri cis-trans tuttavia, studi basati sul calore di combustione e sul calore di idrogenazione hanno mostrato una differenza nel contenuto energetico a vantaggio dell'isomero trans. Per riscaldamento è spesso possibile interconvertire le due configurazioni fino a una composizione di una miscela all' equilibrio determinata dalla differenza di stabilità dei due isomeri.
3) Doppi legami carbonio-azoto. Anche il doppio legame carbonio-azoto può essere sede di isomeria cis-trans. La classe di composti contenente un doppio legame carbonio-azoto più studiata è costituita dalle ossime, ovvero da quei composti chimici caratterizzati dalla presenza nella molecola del gruppo funzionale >C=NOH
4) Doppi legami azoto-azoto. Esempi di isomeri cis-trans con legami azoto-azoto sono gli azocomposti rappresentabili dalla formula R-N=N-R' , gli azossicomposti e i diazotati contenenti il gruppo R-N=N-
Sistemi ciclici
Nei sistemi ciclici l'impedimento alla rotazione è determinato dallo stesso scheletro σ dell'anello. Perciò è sufficiente che almeno due atomi siano diversamente sostituiti perché si abbia un caso di isomeria cis-trans
tuttavia lo studio della stereoisomeria di questi sistemi è complicata dal fatto che, nella larghissima maggioranza, essi sono anche dei sistemi chirali.
Fanno eccezione i sistemi carbociclici a numero pari di atomi di carbonio, che siano sostituiti in due posizioni opposte. In tali composti esiste solo isomeria cis-trans. Anche negli anelli condensati esiste stereoisomeria tutte le volte che gli atomi che si trovano nella giunzione dell'anello sono tetraedrici. L'esempio più comune è quello della decalina (decaidronaftalene) : fin dal 1925 è noto che esistono due configurazioni della decalina come mostrato in figura:
