Isomer
Der Name Isomer ist von Iso isos (griech.) = gleich und meros (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. Auch in der Kernphysik spricht man von Isomeren, siehe hierzu Kernisomere.
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Isomeriearten in der Organischen Chemie
Es gibt eine Reihe sehr unterschiedlicher Formen der Isomerie - sie reichen von im Grunde völlig verschieden 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 drei 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 liegt die gleiche funktionelle Gruppe an verschieden Positionen, ein Beispiel ist 1,2-Propandiol und 2,2-Propandiol.
Stereoisomerie
thumb|Die beiden Enantiomere der Milchsäure in einer Fischer-Projektion, R- bzw. S-Konfiguration am einzigen chiralen Kohlenstoffatom [[Bild:Isoleucin_Diastereomere.png|thumb|Isoleucin (S,S) und Alloisoleucin (S,R) in einer Fischer-Projektion, Epimer bzw. Diastereomerenpaar]] Stereoisomere haben grundsätzlich die gleiche Struktur (Konstitution) - und damit natürlich auch die gleiche Summenformel - unterscheiden sich aber durch die räumliche Anordnung 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.
- Als Epimere bezeichnet man Paare von Diastereoisomeren eines Moleküls mit mehreren Chiralitätszentren, 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 auch eine Symmetrieachse und lässt sich daher mit dem Spiegelbild zur Deckung bringen. 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.
Weitere Begriffe
thumb|Enantiomere (oben) und Mesoform der Weinsäure (unten, Spiegelebene gestrichelt) 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.
Folgende Tabelle gibt noch eine kurze Übersicht über die wichtigsten Formen der Isomerie:
| Kategorie | Variante | Gemeinsamkeiten | Unterschiede | Unterschiedliche chem./phys. Eigenschaften | Überführen nur durch Lösen von Bindungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Konstitutionsisomere | Summenformel | Struktur | ja | ja | |
| Stereoisomere | Diastereomere | Struktur | räumliche Anordnung | ja | ja |
| Enantiomere | räumliche Anordnung, aber wie Bild und Spiegelbild | optisch aktiv, Unterschiede bei chiralen Reaktionspartnern (Enzyme) | ja | ||
| Konformationsisomere | räumliche Stellung | nein | nein | ||
Isomeriearten in der Komplexchemie
Auch in der Kompexchemie 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 eine 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.
| |left|thumb|trans-Isomer eines planar-quadratischen Komplexes | thumb|right|cis-Isomer eines planar-quadratischen Komplexes |
| thumb|cis-Isomer eines oktaedrischen Komplexes | thumb|trans-Isomer eines oktaedrischen Komplexes |
- Liegen drei gleiche Liganden in einem oktaedrischen Komplex vor, kann zwischen fac(ialen)- und mer(idionalen)-Isomeren unterschieden werden.
| thumb|fac(iales) Isomer | thumb|mer(idionales) Isomer |
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 und von Zentralatom 1 mit dem Zentralatom 2 vertauscht werden.
Bedeutung in der Medizin
In der Medizin ist bei vielen Medikamenten die Stereoisomerie von Bedeutung. Viele medizinisch wirksame Präparate liegen zumindest in zwei räumlich unterschiedlichen Anordnungen vor. Bei der chemischen Erzeugung solcher Präparate werden beide Isomere zu gleichen Anteilen erzeugt, aber im menschlichen Körper ist nur eine Variante wirksam. Die andere Variante ist im besten Fall unwirksam, im ungünstigen Fall aber schädlich, so dass solche Präparate entweder mit Hilfe der Gentechnik oder aus natürlichen Quellen gewonnen werden müssen.
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. Das eine wirkt als Schlafmittel, das andere jedoch teratogen.
- Ernest L. Eliel: Stereochemie der Kohlenstoffverbindungen. Wiley/VCH Weinheim 1966
- Ernest L. Eliel: Organische Stereochemie. Wiley/VCH Weinheim 1998 ISBN 3527293493
Weblinks
- http://www.cdch.de/demos/isom1.htm : Strukturisomerie (Konstitutionsisomerie)