Isomer

Der Name Isomer ist von Iso (ίσος, isos griech. = gleich) und meros (μέρος, griech. = Teil) abgeleitet. Isomere sind chemische Verbindungen der gleichen Summenformel, aber unterschiedlicher chemischer Struktur und teilweise auch mit unterschiedlichen chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften. Isomerasen sind die Enzyme der Zelle, die Isomere ineinander umwandeln.

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Isomeriearten in der Organischen Chemie

Es gibt eine Reihe sehr unterschiedlicher Formen der Isomerie - sie reichen von im Grunde völlig verschiedenen Verbindungen bis zu sehr subtilen Unterschieden. Man kann alle Formen in zwei Gruppen einteilen, die Konstitutionsisomere und die Stereoisomere.

Konstitutionsisomerie oder Strukturisomerie

Konstitutionsisomere besitzen die gleiche Summenformel, aber eine andere Struktur (Konstitution). Die Isomere sind daher im Allgemeinen verschiedene Substanzen mit unterschiedlichen chemischen (u.a. Reaktivität) und physikalischen Eigenschaften (u.a. Schmelz- und Siedepunkt, Löslichkeit). Man kann vier Fälle unterscheiden:

• Funktionsisomere besitzen unterschiedliche funktionelle Gruppen, z.B. Ethanol (CH₃-CH₂-OH) und Dimethylether CH₃-O-CH₃.
• Skelettisomere haben verschieden verzweigte Kohlenstoffgrundgerüste, so Butanol und 2-Methyl-1-propanol.
• Bei Stellungsisomeren (auch Ortsisomere genannt) liegt die gleiche funktionelle Gruppe an verschiedenen Positionen, ein Beispiel ist 1,2-Propandiol und 1,3-Propandiol. Von Tautomerie spricht man, wenn die beiden Isomere in einer reversiblen chemischen Reaktion ineinander übergehen können, indem Teile des Moleküls ihren Platz wechseln.
• Bindungsisomere (auch Valenzisomere) unterscheiden sich in der Anzahl und/oder Position von σ- und π-Bindungen (wie etwa für C₃H₄ Cyclopropen, Propadien und Propin).

Stereoisomerie

    Stereoisomere haben grundsätzlich die gleiche Struktur (Konstitution) – und damit auch die gleiche Summenformel – unterscheiden sich aber durch die räumliche Anordnung (Konfiguration) der Atome.

• Ein außerordentlich wichtiger Spezialfall sind Enantiomere, Stereoisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten und keine Symmetrieebene aufweisen. Enantiomere unterscheiden sich deshalb in allen Chiralitätszentren (Atome, die aufgrund von vier unterschiedlichen Substituenten unter diesen zwei verschiedene Reihenfolgen erlauben). Wichtige Beispiele sind Zucker und Aminosäuren.

• Alle Stereoisomere, die keine Enantiomere sind, bezeichnet man als Diastereomere. Ein Spezialfall ist die cis-trans-Isomerie an Doppelbindungen.

Diasstereoisomere unterteilen sich wie folgt:

• Als Epimere bezeichnet man Paare von Diastereoisomeren eines Moleküls mit mehreren Stereozentren, die sich nur an einem dieser Zentren unterscheiden (z.B. Isoleucin und Alloisoleucin (siehe Grafik rechts) oder auch Glucose und Galactose). Epimere sind somit immer auch Diastereomere, aber nicht umgekehrt.

• Eine meso-Form besitzt zwar mehrere Chiralitätszentren, aber bei starrer Struktur auch eine Symmetrieebene und lässt sich daher mit dem Spiegelbild zur Deckung bringen. Allgemein gültig ist die Formulierung, dass eine meso-Form äquivalente Chiralitätszentren mit entgegengesetzter Konfiguration besitzt. Zwei meso-Formen sind also entgegen dem ersten Anschein keine Enantiomere und optisch inaktiv.

• In der Zuckerchemie benutzt man den Begriff Anomer als Spezialfall eines Epimers, dessen Unterschied am ersten Kohlenstoff liegt (relevant bei Bildung der α- oder β-Form eines Zuckers wie der Glucose).

Allen diesen Gruppen ist gemeinsam, dass ein Isomer nur durch Bindungsbruch in eine andere Form überführt werden kann. Das trifft auf die letzte Gruppe von Isomeren, die auch unter den Oberbegriff Stereoisomere fallen, nicht zu: Konformationsisomere sind Stereoisomere, die sich schon durch die Drehung von Einfachbindungen ineinander überführen lassen. Thermische Energie bei Raumtemperatur reicht dafür meist aus. Ein Beispiel ist das ekliptische und das gestaffelte Ethan (gut sichtbar in der Newman-Projektion). Die beiden Gruppen des Ethans können im Prinzip in jedem beliebigen Winkel zueinander stehen, wobei die Energiedifferenz geringer als die thermische Energie ist, so dass in einer Lösung die isomeren Formen kontinuierlich ineinander übergehen und sich normalerweise nicht isolieren lassen.

Berechnung der maximalen Anzahl an Stereoisomeren eines Moleküls: 2ⁿ bei n Chiralitätszentren. Wenn meso-Formen vorhanden sind, verringert sich die Anzahl der Isomere jeweils pro meso-Form um eins.

Bsp: Cyclohexan mit 2 Substituenten ---> hat 6 Chiralitätszentren, also maximal 2⁶ = 32 Stereoisomere.

Weitere Begriffe

  Im Zusammenhang mit Stereoisomeren tritt oft optische Aktivität auf, d.h. ein chirales Molekül dreht die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht.

Der Begriff der Mesomerie gehört trotz der sprachlichen Ähnlichkeit nicht in diesen Themenbereich.

Tabelle

Die folgende Tabelle gibt eine kurze Übersicht über die wichtigsten Formen der Isomerie:

Isomeriearten in der Komplexchemie

Auch in der Komplexchemie gibt es eine Reihe sehr unterschiedlicher Formen der Isomerie, aber alle Formen lassen sich wieder in zwei große Gruppen einteilen, die Konstitutionsisomere und die Stereoisomere.

Konfigurationsisomerie (Stereoisomerie)

Analog zur Stereoisomerie bei organischen Molekülen, unterscheidet man Komplexe die zwar eine gleiche Zusammensetzung, aber einen anderen räumlichen Aufbau haben. Je nach Geometrie des Komplexes, kann es zu unterschiedlichen Ausprägungen der Stereoisomerie kommen.

• Völlig analog zu einem Chiralitätszentrum am Kohlenstoff in der organischen Chemie, können tetraedrische Komplexe mit vier unterschiedlichen Liganden als Bild und Spiegelbild vorliegen.
• Bei tetraedrischen und oktaedrischen Komplexen kann eine cis/trans-Isomerie vorliegen.
  

• Liegen drei gleiche Liganden in einem oktaedrischen Komplex vor, kann zwischen fac(ialen)- und mer(idionalen)-Isomeren unterschieden werden.

Konstitutionsisomerien

• Bindungsisomerie (Salzisomerie) tritt immer dann auf, wenn ein Ligand über mehrere verschiedene seiner Atome mit dem Zentralatom verbunden werden kann.

Beispiel: Nitrokomplex oder Nitritokomplex

                  O
                 /
           X5Co-N     oder    X5Co-O-N-O
                 \
                  O

mit einen beliebigen Liganden X (z.B. NH₃, H₂O...) und Co(balt) als Zentralatom

• Koordinationsisomerie: Liegen in einem Komplex sowohl Anion als auch Kation als Komplexe vor, können die Liganden von Zentralatom 1 mit dem Zentralatom 2 vertauscht werden.

Bedeutung in der Medizin

In der Medizin ist bei vielen Medikamenten die Stereoisomerie von Bedeutung. Häufig liegen medizinisch wirksame Präparate in zwei räumlich unterschiedlichen Anordnungen vor. Bei der chemischen Erzeugung mancher Präparate werden beide Isomere zu gleichen Anteilen erzeugt, obwohl im menschlichen Körper nur eine der Varianten wirksam ist. Die andere Variante ist im besten Fall unwirksam, im ungünstigen Fall aber schädlich. Für solche Präparate muss daher eine asymmetrische Synthesestrategie angewandt werden, oder aber sie werden mit Hilfe der Gentechnik erzeugt, oder aus natürlichen Quellen gewonnen.

Ein prominentes und tragisches Beispiel ist der Wirkstoff Thalidomid (Contergan), der in zwei möglichen Enantiomeren vorliegt. Dabei liegen beide im Gleichgewicht vor, d. h. auch bei Gabe nur eines Enantiomers wandelt es sich im Körper teilweise in das andere um. Es wurde behauptet, dass das eine als Schlafmittel wirkt, das andere jedoch teratogen. Jedoch konnte das bisher noch nicht wirklich bewiesen werden.

Literatur

• Eliel, Ernest Ludwig ; Lüttringhaus, Arthur ; Cruse, Rudolf: Stereochemie der Kohlenstoffverbindungen. Weinheim : Wiley-VCH, 1982 – ISBN 3527250646
• Eliel, Ernest Ludwig ; Wilen, Samuel H. ; Hopf, Henning ; Mulzer, Johann: Organische Stereochemie. Weinheim : Wiley-VCH, 1998 – ISBN 3527293493

Siehe auch

• Konformation
• Enantiomer
• Diastereomer