Isomer

In der Chemie sind Isomere Moleküle oder mehratomige Ionen mit identischer Summenformel – also gleicher Anzahl an Atomen jedes Elements – aber unterschiedlicher räumlicher Anordnung der Atome. ^{[ 1 ]} Isomerie bezeichnet die Existenz oder Möglichkeit von Isomeren.

Isomere weisen nicht zwangsläufig ähnliche chemische oder physikalische Eigenschaften auf . Man unterscheidet zwei Hauptformen der Isomerie: die Strukturisomerie (oder Konstitutionsisomerie), bei der sich die Bindungen zwischen den Atomen unterscheiden, und die Stereoisomerie (oder Raumisomerie), bei der die Bindungen gleich sind, sich aber die relative Position der Atome unterscheidet.

Isomere Beziehungen bilden eine Hierarchie . Zwei chemische Verbindungen können dasselbe Konstitutionsisomer sein, sich aber bei genauerer Analyse als Stereoisomere voneinander erweisen. Zwei Moleküle, die dasselbe Stereoisomer sind, können unterschiedliche Konformationen aufweisen oder verschiedene Isotopologe sein . Die Tiefe der Analyse hängt vom jeweiligen Forschungsgebiet bzw. den relevanten chemischen und physikalischen Eigenschaften ab.

Das englische Wort „isomer“ ( / ˈ aɪ s əm ər / ) ist eine Rückbildung von „isomeric“, ^{[ 2 ]} das über das Deutsche isomerisch ^{[ 3 ]} aus dem Schwedischen isomerisk entlehnt wurde ; welches wiederum aus dem Griechischen ἰσόμερoς isómeros stammt , mit den Wurzeln isos = „gleich“, méros = „Teil“. ^{[ 4 ]}

Strukturisomere besitzen die gleiche Anzahl an Atomen jedes Elements (und somit die gleiche Summenformel ), aber die Atome sind auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden. ^{[ 5 ]}

Es gibt beispielsweise drei verschiedene Verbindungen mit der Summenformel : ${\displaystyle {\ce {C3H8O}}}$

Die ersten beiden dargestellten Isomere sind Propanole , also Alkohole, die vom Propan abgeleitet sind . Beide bestehen aus einer Kette von drei Kohlenstoffatomen, die durch Einfachbindungen verbunden sind. Die restlichen Kohlenstoffatome sind durch sieben Wasserstoffatome und eine Hydroxylgruppe besetzt, die aus einem an ein Wasserstoffatom gebundenen Sauerstoffatom besteht . Diese beiden Isomere unterscheiden sich darin, an welches Kohlenstoffatom die Hydroxylgruppe gebunden ist: entweder an ein Ende der Kohlenstoffkette ( Propan-1-ol , auch n- Propylalkohol genannt, I ) oder an das mittlere Kohlenstoffatom ( Propan-2-ol , auch 2-Propanol genannt, auch Isopropylalkohol genannt, II ). Sie lassen sich durch die kondensierten Strukturformeln [ Propan-1-ol] und [Propan- 2 -ol ] beschreiben . ${\displaystyle {\ce {C3H8O}}}$${\displaystyle {\ce {-OH}}}$${\displaystyle {\ce {H3C-CH2-CH2OH}}}$${\displaystyle {\ce {H3C-CH(OH)-CH3}}}$

Das dritte Isomer ist der Ether Methoxyethan (Ethylmethylether; III ). Im Gegensatz zu den beiden anderen Isomeren ist hier das Sauerstoffatom an zwei Kohlenstoffatome gebunden, und alle acht Wasserstoffatome sind direkt an Kohlenstoffatome gebunden. Es lässt sich durch die kondensierte Formel beschreiben . ${\displaystyle {\ce {C3H8O}}}$${\displaystyle {\ce {H3C-CH2-O-CH3}}}$

Der Alkohol 3-Propanol ist kein weiteres Isomer, da der Unterschied zu 1-Propanol lediglich auf der unterschiedlichen Nummerierung der Kohlenstoffatome in der Kette beruht. Aus demselben Grund ist Ethoxymethan dasselbe Molekül wie Methoxyethan und kein weiteres Isomer.

1-Propanol und 2-Propanol sind Beispiele für Positionsisomere , die sich durch die Position unterscheiden, an der bestimmte Merkmale, wie Doppelbindungen oder funktionelle Gruppen , an einem „Stammmolekül“ (in diesem Fall Propan) auftreten.

Es gibt außerdem drei Strukturisomere des Kohlenwasserstoffs : ${\displaystyle {\ce {C3H4}}}$

I Propadien	II Propin	III Cyclopropen

In zwei der Isomere sind die drei Kohlenstoffatome in einer offenen Kette verbunden. Im einen Isomer ( Propadien oder Allen; I ) sind die Kohlenstoffatome über zwei Doppelbindungen verknüpft , im anderen ( Propin oder Methylacetylen; II ) über eine Einfach- und eine Dreifachbindung . Im dritten Isomer ( Cyclopropen ; III ) bilden die drei Kohlenstoffatome einen Ring, der durch zwei Einfach- und eine Doppelbindung verknüpft ist. In allen drei Isomeren werden die restlichen Valenzen der Kohlenstoffatome durch die vier Wasserstoffatome abgesättigt.

Beachten Sie nochmals, dass es nur ein Strukturisomer mit einer Dreifachbindung gibt, da die andere mögliche Position dieser Bindung lediglich eine andere Anordnung der drei Kohlenstoffatome darstellt. Aus demselben Grund gibt es nur ein Cyclopropen, nicht drei.

Tautomere sind Strukturisomere, die sich leicht ineinander umwandeln, sodass zwei oder mehr Spezies im Gleichgewicht koexistieren, wie zum Beispiel

${\displaystyle {\ce {HXY=Z <=> X=YZH}}}$. ^{[ 6 ]}

Wichtige Beispiele sind die Keto-Enol-Tautomerie und das Gleichgewicht zwischen neutralen und zwitterionischen Formen einer Aminosäure .

Stereoisomere bestehen aus denselben Atomen oder Isotopen, die durch Bindungen desselben Typs verbunden sind, unterscheiden sich aber in der räumlichen Anordnung dieser Atome. Man unterscheidet zwei Haupttypen von Stereoisomeren: Enantiomere und Diastereomere. Enantiomere besitzen identische physikalische Eigenschaften, Diastereomere hingegen nicht. ^{[ 7 ]}

Zwei Verbindungen werden als Enantiomere bezeichnet, wenn ihre Moleküle spiegelbildlich zueinander sind und sich nicht allein durch Drehungen oder Verschiebungen in ihre ursprüngliche Form bringen lassen – wie etwa eine linke und eine rechte Hand. Die beiden Formen werden als chiral bezeichnet .

Ein klassisches Beispiel ist Bromchlorfluormethan ( Cl₂). Die beiden Enantiomere lassen sich beispielsweise daran unterscheiden, ob der Reaktionsweg, vom Wasserstoffatom aus gesehen, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verläuft. Um die Konformation von einer in die andere zu ändern, müssten diese vier Atome irgendwann in derselben Ebene liegen – was eine starke Dehnung oder gar das Aufbrechen ihrer Bindungen zum Kohlenstoffatom erfordern würde. Die entsprechende Energiebarriere zwischen den beiden Konformationen ist so hoch, dass bei Raumtemperatur praktisch keine Umwandlung zwischen ihnen stattfindet; sie können daher als unterschiedliche Konfigurationen betrachtet werden. ${\displaystyle {\ce {CHFClBr}}}$${\displaystyle {\ce {F->Cl->Br}}}$

Die Verbindung Chlorfluormethan hingegen ist nicht chiral; das Spiegelbild ihres Moleküls erhält man ebenfalls durch eine halbe Drehung um eine geeignete Achse. ${\displaystyle {\ce {CH2ClF}}}$

Ein weiteres Beispiel für eine chirale Verbindung ist 2,3-Pentadien , ein Kohlenwasserstoff mit zwei überlappenden Doppelbindungen. Die Doppelbindungen sind so angeordnet, dass die drei mittleren Kohlenstoffatome auf einer geraden Linie liegen, während die ersten und die letzten drei in zueinander senkrechten Ebenen liegen. Das Molekül und sein Spiegelbild sind nicht deckungsgleich, obwohl das Molekül eine Symmetrieachse besitzt. Die beiden Enantiomere lassen sich beispielsweise mithilfe der Rechte-Hand-Regel unterscheiden . Diese Art der Isomerie wird als axiale Isomerie bezeichnet . ${\displaystyle {\ce {H3C-CH=C=CH-CH3}}}$

Enantiomere verhalten sich in chemischen Reaktionen identisch, außer bei der Reaktion mit chiralen Verbindungen oder in Gegenwart chiraler Katalysatoren , wie beispielsweise den meisten Enzymen . Aus diesem Grund haben die beiden Enantiomere der meisten chiralen Verbindungen in lebenden Organismen in der Regel deutlich unterschiedliche Wirkungen und Funktionen. In der Biochemie und Lebensmittelwissenschaft werden die beiden Enantiomere eines chiralen Moleküls – wie beispielsweise Glucose – üblicherweise als sehr unterschiedliche Substanzen identifiziert und behandelt.

Jedes Enantiomer einer chiralen Verbindung dreht typischerweise die Ebene des polarisierten Lichts , das es durchdringt. Die Drehung ist für beide Isomere gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet und kann zur Unterscheidung und Konzentrationsmessung in einer Lösung genutzt werden. Aus diesem Grund wurden Enantiomere früher als „optische Isomere“ bezeichnet. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Dieser Begriff ist jedoch mehrdeutig und wird von der IUPAC nicht mehr empfohlen . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Manche Enantiomerenpaare (wie beispielsweise die von trans -Cycloocten ) lassen sich durch interne Bewegungen ineinander umwandeln, die Bindungslängen und -winkel nur geringfügig verändern. Andere Paare (wie beispielsweise CHFClBr) können nicht ohne Bindungsbruch ineinander umgewandelt werden und weisen daher unterschiedliche Konfigurationen auf.

Stereoisomere, die keine Enantiomere sind, werden als Diastereomere bezeichnet . Einige Diastereomere können chirale Zentren enthalten , andere nicht. ^{[ 12 ]}

Eine Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen zwingt die verbleibenden vier Bindungen (sofern sie Einfachbindungen sind) dazu, in derselben Ebene zu liegen, senkrecht zur Ebene der Doppelbindung, wie sie durch ihr π-Orbital definiert ist . Sind die beiden Bindungen jedes Kohlenstoffatoms an unterschiedliche Atome gebunden, sind zwei verschiedene Konformationen möglich, die sich durch eine Drehung eines der Kohlenstoffatome um 180 Grad um die Doppelbindung unterscheiden.

Das klassische Beispiel ist Dichlorethen , insbesondere das Strukturisomer , bei dem an jedes Kohlenstoffatom ein Chloratom gebunden ist. Es existieren zwei Konformationsisomere, bei denen sich die beiden Chloratome entweder auf derselben Seite oder auf gegenüberliegenden Seiten der Doppelbindungsebene befinden. Traditionell werden sie als cis (vom Lateinischen „auf dieser Seite von“) und trans („auf der anderen Seite von“) bezeichnet, oder gemäß der IUPAC- Nomenklatur als Z und E. Die Umwandlung zwischen diesen beiden Formen erfordert üblicherweise das vorübergehende Aufbrechen von Bindungen (oder die Umwandlung der Doppelbindung in eine Einfachbindung), weshalb die beiden als unterschiedliche Konfigurationen des Moleküls gelten. ${\displaystyle {\ce {C2H2Cl2}}}$${\displaystyle {\ce {Cl-HC=CH-Cl}}}$

Allgemeiner gesprochen tritt cis - trans- Isomerie (früher als „geometrische Isomerie“ bezeichnet) in Molekülen auf, bei denen die relative Orientierung zweier unterscheidbarer funktioneller Gruppen durch ein gewissermaßen starres Gerüst anderer Atome eingeschränkt ist. ^{[ 13 ]}

Beispielsweise verhindert im cyclischen Alkohol Inositol (einem sechsfach gebundenen Alkohol des Cyclohexans) das sechsgliedrige Kohlenstoffgerüst weitgehend, dass die Hydroxylgruppen und die Wasserstoffatome an den einzelnen Kohlenstoffatomen ihre Positionen tauschen. Daher existieren verschiedene Konfigurationsisomere, je nachdem, ob sich die Hydroxylgruppen auf der einen oder der anderen Seite der mittleren Ringebene befinden. Abgesehen von den unter Rotation äquivalenten Isomeren gibt es neun Isomere, die sich nach diesem Kriterium unterscheiden und sich als unterschiedliche stabile Substanzen verhalten (zwei davon sind Enantiomere voneinander). Das in der Natur am häufigsten vorkommende Isomere ( myo -Inositol) besitzt die Hydroxylgruppen an den Kohlenstoffatomen 1, 2, 3 und 5 auf derselben Seite dieser Ebene und kann daher als cis -1,2,3,5 -trans -4,6-Cyclohexanhexol bezeichnet werden. Jedes dieser cis - trans- Isomere kann stabile Sessel- oder Wannenkonformationen einnehmen (wobei die Aktivierungsenergien zwischen diesen deutlich niedriger sind als die zwischen verschiedenen cis - trans- Isomeren). ${\displaystyle {\ce {(CHOH)6}}}$${\displaystyle {\ce {-OH}}}$${\displaystyle {\ce {-H}}}$

Cis- und trans- Isomere kommen auch in anorganischen Koordinationsverbindungen vor , wie zum Beispiel in quadratisch-planaren Komplexen und oktaedrischen Komplexen. ${\displaystyle {\ce {MX2Y2}}}$${\displaystyle {\ce {MX4Y2}}}$

Bei komplexeren organischen Molekülen können die cis- und trans- Bezeichnungen mehrdeutig sein. In solchen Fällen wird ein präziseres Kennzeichnungsschema auf Basis der Cahn-Ingold-Prelog-Prioritätsregeln verwendet . ^{[ 14 ] [ 12 ]}

Verschiedene Isotope desselben Elements können bei der Zählung von Isomeren eines Moleküls oder Ions als unterschiedliche Atomarten betrachtet werden. Der Austausch eines oder mehrerer Atome durch ihre Isotope kann aus einem einzigen Isomer mehrere Strukturisomere und/oder Stereoisomere erzeugen.

Beispielsweise führt der Austausch von zwei Wasserstoffatomen ( ) durch Deuteriumatome ( , oder ) in einem Ethanmolekül zu zwei unterschiedlichen Strukturisomeren, je nachdem, ob die Substitutionen beide am selben Kohlenstoffatom (1,1-Dideuteroethan, ) oder jeweils an jedem Kohlenstoffatom (1,2-Dideuteroethan, ) erfolgen; so als ob der Substituent Chlor anstelle von Deuterium wäre. Die beiden Moleküle lassen sich nicht ohne Weiteres ineinander umwandeln und weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, beispielsweise in ihrem Mikrowellenspektrum . ^{[ 15 ]}${\displaystyle {\ce {^1 H}}}$${\displaystyle {\ce {^2 H}}}$${\displaystyle {\ce {D}}}$${\displaystyle {\ce {HD2C-CH3}}}$${\displaystyle {\ce {DH2C-CDH2}}}$

Ein weiteres Beispiel wäre der Austausch eines Wasserstoffatoms in Chlorfluormethan ( ) durch ein Deuteriumatom. Während das ursprüngliche Molekül nicht chiral ist und nur ein einziges Isomer besitzt, erzeugt die Substitution ein Paar chiraler Enantiomere von , die sich (zumindest theoretisch) anhand ihrer optischen Aktivität unterscheiden ließen. ^{[ 16 ]}${\displaystyle {\ce {CH2ClF}}}$${\displaystyle {\ce {CHDClF}}}$

Wenn zwei Isomere identisch wären, falls alle Isotope jedes Elements durch ein einziges Isotop ersetzt würden, werden sie als Isotopomere oder Isotopenisomere bezeichnet. ^{[ 17 ]} In den beiden obigen Beispielen würden die beiden Dideuteroethane beide zu Ethan und die beiden Deuterochlorfluormethane beide zu . ${\displaystyle {\ce {D}}}$${\displaystyle {\ce {H}}}$${\displaystyle {\ce {CH2ClF}}}$

Das Konzept der Isotopomere unterscheidet sich von dem der Isotopologe oder Isotopenhomologen, die sich in ihrer Isotopenzusammensetzung unterscheiden. ^{[ 17 ]} Beispielsweise sind und Isotopologe, aber keine Isotopomere und daher auch keine Isomere voneinander. ${\displaystyle {\ce {C2H5D}}}$${\displaystyle {\ce {C2H4D2}}}$

Eine weitere Isomerieform, die auf Kerneigenschaften beruht, ist die Spinisomerie . Hierbei unterscheiden sich Moleküle lediglich in den relativen Spinquantenzahlen m _{_s} ihrer Atomkerne. Dieses Phänomen ist für molekularen Wasserstoff von Bedeutung, der teilweise in zwei langlebige Zustände aufgespalten werden kann, die als Spinisomere ^{[ 18 ]} oder Kernspinisomere ^{[ 19 ]} bezeichnet werden: Parawasserstoff, bei dem die Spins der beiden Kerne in entgegengesetzte Richtungen zeigen, und Orthowasserstoff, bei dem die Spins in dieselbe Richtung zeigen.

Isomere mit unterschiedlichen biologischen Eigenschaften sind häufig; beispielsweise durch die Position von Methylgruppen . Bei substituierten Xanthinen ist Theobromin , das in Schokolade vorkommt, ein Vasodilatator mit einigen Wirkungen, die es mit Koffein gemeinsam hat . Wird jedoch eine der beiden Methylgruppen an eine andere Position des Zweiringsystems verschoben, entsteht das Isomer Theophyllin , das vielfältige Wirkungen aufweist, darunter Bronchodilatation und entzündungshemmende Wirkung. Ein weiteres Beispiel hierfür sind Phenethylamin -basierte Stimulanzien. Phentermin ist eine nicht-chirale Verbindung mit einer schwächeren Wirkung als Amphetamin . Es wird als Appetitzügler eingesetzt und hat nur geringe oder gar keine stimulierende Wirkung. Eine alternative atomare Anordnung führt jedoch zu Dextromethamphetamin , das ein stärkeres Stimulans als Amphetamin ist.

In der medizinischen Chemie und Biochemie spielen Enantiomere eine besondere Rolle, da sie unterschiedliche biologische Aktivitäten aufweisen können . Viele präparative Verfahren liefern ein Gemisch gleicher Mengen beider Enantiomere. In manchen Fällen werden die Enantiomere chromatographisch mit chiralen stationären Phasen getrennt. Alternativ kann die Trennung durch Bildung diastereomerer Salze erfolgen . In anderen Fällen wurden enantioselektive Syntheseverfahren entwickelt.

Ein anorganisches Beispiel ist Cisplatin (siehe Struktur oben), ein wichtiges Medikament, das in der Krebschemotherapie eingesetzt wird, während das trans-Isomer (Transplatin) keine pharmakologische Wirkung besitzt.

Die Isomerie wurde erstmals 1827 beobachtet, als Friedrich Wöhler Silbercyanat herstellte und feststellte, dass dessen Elementzusammensetzung zwar mit der von Silberfulminat (das Justus von Liebig im Vorjahr hergestellt hatte) identisch war ^{[ 20 ]} , sich seine Eigenschaften jedoch unterschieden. Diese Erkenntnis stellte das damals vorherrschende chemische Verständnis in Frage, demzufolge sich chemische Verbindungen nur dann unterscheiden konnten, wenn sich ihre Elementzusammensetzung unterschied. (Heute wissen wir, dass die Bindungsstrukturen von Fulminat und Cyanat näherungsweise als ≡ bzw. beschrieben werden können .) ${\displaystyle {\ce {AgCNO}}}$${\displaystyle {\ce {O- N+}}}$${\displaystyle {\ce {C-}}}$${\displaystyle {\ce {O=C=N-}}}$

Weitere Beispiele wurden in den Folgejahren gefunden, etwa Wöhlers Entdeckung im Jahr 1828, dass Harnstoff die gleiche atomare Zusammensetzung ( ) wie das chemisch unterschiedliche Ammoniumcyanat besitzt . (Ihre Strukturen sind heute als und bekannt .) 1830 führte Jöns Jacob Berzelius den Begriff Isomerie ein , um dieses Phänomen zu beschreiben. ^{[ 4 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}${\displaystyle {\ce {CH4N2O}}}$${\displaystyle {\ce {(H2N-)2C=O}}}$${\displaystyle {\ce {[NH+4][O=C=N^{-}]}}}$

1848 beobachtete Louis Pasteur , dass Weinsäurekristalle zwei spiegelbildliche Formen annehmen. Durch manuelle Trennung der Kristalle erhielt er zwei Varianten der Weinsäure, von denen jede nur in einer der beiden Formen kristallisierte. Anschließend drehte er die Ebene des polarisierten Lichts um denselben Grad, jedoch in entgegengesetzte Richtungen. ^{[ 24 ] [ 25 ]} 1860 stellte Pasteur die Hypothese auf, dass die Moleküle von Isomeren dieselbe Zusammensetzung, aber unterschiedliche Anordnungen ihrer Atome aufweisen könnten. ^{[ 26 ]}