Isomerie

Isomerie(von den altgr. Wortbildungselementen ἴσος (isos) „gleich “, μέρος (meros) „Anteil, Teil, Stück “) ist das Auftreten von zwei oder mehrerenchemischen Verbindungenmit gleicherSummenformelundMolekülmasse,die sich jedoch in der Verknüpfung oder der räumlichen Anordnung der Atome unterscheiden. Die entsprechenden Verbindungen werdenIsomeregenannt und lassen sich durch unterschiedlicheStrukturformelndarstellen. Sie unterscheiden sich in ihren chemischen und/oder physikalischen und oft auch in ihren biochemischen Eigenschaften. Isomerie tritt vor allem beiorganischen Verbindungen,aber auch bei (anorganischen)Koordinationsverbindungenauf. Die Isomerie wird in verschiedene Bereiche unterteilt.

Bereiche der Isomerie

Konstitutionsisomerie oder Strukturisomerie

Strukturisomere von Butan, Pentan und Hexan im Vergleich

Konstitutionsisomere (auch Strukturisomere genannt) besitzen die gleicheallgemeine Summenformel,unterscheiden sich aber in der Reihenfolge der Atome und in ihren Bindungen. 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 mehrere Fälle unterscheiden:

• Funktionsisomerebesitzen unterschiedlichefunktionelle Gruppen,z. B.Ethanol(CH₃–CH₂–OH) undDimethyletherCH₃–O–CH₃.

• Skelettisomerehaben verschieden verzweigte Kohlenstoffgrundgerüste. Sie werden oft in Stoffgruppen zusammengefasst. Bei Kohlenwasserstoffen sind dies z. B. diePentaneoder dieHexane.Ähnliches gilt für Verbindungen mit einer funktionellen Gruppe. So zählenButanolund2-Methyl-1-propanolzu denButanolen.Alkeneund deren Derivate mit einer unterschiedlichen Position der Doppelbindung bezeichnete man früher auch alsPositionsisomere.

• BeiStellungsisomeren(auch Ortsisomere oder Regioisomere genannt) liegt die gleiche funktionelle Gruppe an verschiedenen Positionen, z. B. beim1,2-Propandiolund1,3-Propandiol.

• Bindungsisomere(auchValenzisomere) unterscheiden sich in der Anzahl und/oder Position vonσ-undπ-Bindungen,z. B. bei C₃H₄alsPropadienoderPropin.

Ein Sonderfall der Bindungsisomerie ist dabei dieTautomerie,bei der (meist zwei) verschiedene Isomere in einerreversiblenchemischen Reaktion ineinander übergehen, indem Teile des Moleküls (meist Wasserstoffatome) ihren Platz wechseln und sich dadurch Bindungen verschieben, z. B. eine vormalige Doppelbindung zu einer Einfachbindung wird und dafür an anderer Stelle des Moleküls eine Doppelbindung oder ein Ringschluss entsteht. Aufgrund des schnellen Erreichens des chemischen Gleichgewichtes lassen sich die einzelnen Tautomere dabei allerdings meist nicht separat isolieren.

Stereoisomerie

Enantiomere und Diastereomere am Beispiel von Epoxiden: Enantiomere sind Spiegelbilder zueinander, Diastereomere nicht.

Die beiden Enantiomere derMilchsäurein einerFischer-Projektion,(R)- bzw. (S)-Konfiguration am Stereozentrum

Isoleucin (S,S) und Alloisoleucin (S,R) in einerFischer-Projektion,Epimer bzw. Diastereomerenpaar

Enantiomere (oben) und Mesoform der Weinsäure (unten, Spiegelebene gestrichelt). Es gibt alsodreiStereoisomere der Weinsäure.

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

Konfigurationsisomerie

Konfigurationsisomeresind Stereoisomere, jedoch ohne Berücksichtigung derKonformation.

Enantiomerie

Ein wichtiger Fall sindEnantiomere,Konfigurationsisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten, aber keineSymmetrieebeneinnerhalb des Moleküls aufweisen. Enantiomere unterscheiden sich deshalb inallenStereozentren(Atome, die aufgrund von vier unterschiedlichenSubstituentenunter diesen zwei verschiedene Reihenfolgen erlauben). Wichtige Beispiele sindZucker,Aminosäurenund vielechiraleArzneistoffe.Früher verwendete man auch den Begriff deroptischen Isomere,angelehnt an dieoptische Aktivitätenantiomerenreiner Verbindungen.

Diastereomerie

Alle Konfigurationsisomere, die keine Enantiomere sind, bezeichnet man alsDiastereomere.Diastereoisomere unterteilen sich wie folgt:

• Eine Form ist diecis-trans-Isomerie,die an unsymmetrisch substituiertenDoppelbindungenoder an Ringsystemen auftritt. Diese Isomerie liegt z. B. zwischenMaleinsäure(cis-Form) undFumarsäure(trans-Form) vor. Der veraltete Begriff dergeometrischen Isomeriesoll nicht mehr verwendet werden.
• AlsEpimerebezeichnet man Paare von Diastereoisomeren eines Moleküls mit mehreren Stereozentren, die sich in einem dieser Zentren unterscheiden (z. B. Isoleucin und Alloisoleucin – siehe Grafik rechts – oder auchGlucoseundGalactose), in den anderen jedoch gleich sind. Epimere sind somit immer auch Diastereomere, aber nicht umgekehrt.
• In der Zuckerchemie benutzt man den BegriffAnomerals Spezialfall eines Epimers, dessen Unterschied am ersten Kohlenstoff liegt (relevant bei Bildung der α- oder β-Form eines Zuckers wie derGlucose).
• Einemeso-Formbesitzt zwar mehrere Chiralitätszentren, aber auch eine Symmetrieebene und lässt sich daher mit dem Spiegelbild zur Deckung bringen. Allgemein gültig ist die Formulierung, dass einemeso-Formäquivalente(mit den gleichen Resten substituierte) Chiralitätszentren mit entgegengesetzter Konfiguration [z. B. ein Stereozentrum mit (R)- und ein gleichsubstituiertes mit (S)-Konfiguration] besitzt. Zweimeso-Formen sind also entgegen dem ersten Anschein keine Enantiomere und optisch inaktiv (optischer Drehwert α = 0 Grad). Die Anzahl der Stereozentren inmeso-Verbindungen ist geradzahlig (2, 4, 6, 8 usw.).
• eine Sonderform der Diastereomerie istendo-exo-Isomerie,die nur bei substituiertenverbrückten bicyclischen Kohlenwasserstoffenauftritt.

Berechnung der maximalen Anzahlan Stereoisomeren eines Moleküls: 2ⁿbei n Chiralitätszentren. Wennmeso-Formen vorhanden sind, verringert sich die Anzahl der Isomere jeweils promeso-Form um eins.

Bsp:Cyclohexan mit je einem unterschiedlichen Substituenten an jedem der sechs Kohlenstoffatome des Rings hat sechs Stereozentren, also gibt es maximal 2⁶= 64 Stereoisomere.

Im Zusammenhang mit Stereoisomeren tritt oftoptische Aktivitätauf, d. h., Enantiomere drehen die Ebene von linear polarisiertem Licht um den gleichen Betrag in entgegengesetzte Richtungen.

Konformationsisomerie

Allen bisher genannten Konfigurationsisomeren ist gemeinsam, dass ein Isomer nur durch Bindungsbruch in eine andere Form überführt werden kann. Das trifft auf die letzte Gruppe von Isomeren nicht zu:Konformationsisomere(Konformere) sind Stereoisomere, die sich schon durch die Drehung von Einfachbindungen ineinander überführen lassen. Daher wird häufig auch vonRotamerengesprochen. Die thermische Energie bei Raumtemperatur reicht für die Überführung meist aus. Ein Beispiel ist das ekliptische (verdeckte) und das gestaffelte Ethan (gut sichtbar in derNewman-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. Ein Sonderfall ist dieAtropisomerie,bei der eineaxiale Chiralitätauftritt.

Weitere Begriffe

Der Begriff derMesomeriegehört trotz der sprachlichen Ähnlichkeit nicht in diesen Themenbereich.

Formen der Isomerie

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

Isomere			Gemeinsamkeiten	Unterschiede	Unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften	Überführung ohne Bindungsbruch möglich
Konstitutionsisomere			Summenformel	Struktur	ja	nein
Stereoisomere	Konfigurationsisomere	Diastereomere	Summenformel + Struktur	räumliche Anordnung	ja	nein
		Enantiomere		räumliche Anordnung, aber wie Bild und Spiegelbild	optisch aktiv, chemische Unterschiede nur bei chiralen Reaktionspartnern (z. B.Enzymen)	nein
	Konformationsisomere			räumliche Stellung	nein	ja

Isomerie von Komplexverbindungen

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

Konstitutionsisomerie von Komplexverbindungen

Bindungsisomerie

Bindungsisomerie tritt dann auf, wenn ein Ligand über mehrere verschiedene seiner Atome mit dem Zentralatom verbunden werden kann. So unterscheiden sich Nitrokomplexe oder Nitritokomplexe:

Nitrokomplex (links) oder Nitritokomplex (rechts) mit einem beliebigen Liganden X (z. B. NH₃,H₂O,…) undCobaltals Zentralatom (freie Elektronenpaarewurden weggelassen)

Analoges gilt fürCyanate(–OCN) undIsocyanate(–NCO) sowie fürThiocyanate(–SCN) undIsothiocyanate(–NCS).

Ionisationsisomerie

Bei Komplexen, durch Auswechseln eines Liganden in der Koordinationssphäre mit einem gebundenen Ion, z. B.

a) [Co(NH₃)₅(SO₄)]Br (rot), und

b) [Co(NH₃)₅Br]SO₄(violett)

Hydratationsisomerie

Hydratationsisomerie ist ein Spezialfall der Ionisationsisomerie, bei dem Wassermoleküle als Liganden beteiligt sind. Die Teilchen in eckigen Klammern bilden den Komplex; die Chloridionen außerhalb der eckigen Klammern sind nur ionisch gebunden:

a) [Cr^III(H₂O)₄Cl₂)]Cl · 2 H₂O (dunkelgrün)

b) [Cr^III(H₂O)₅Cl)]Cl₂· H₂O (hellgrün)

c) [Cr^III(H₂O)₆]Cl₃(violett)

Koordinationsisomerie

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

Konfigurationsisomerie von Komplexverbindungen

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. Analog zur Diastereomerie in der organischen Chemie ist die cis-trans-Isomerie definiert. Sie tritt beispielsweise bei planar-quadratischen oder oktaedrischen Komplexen, aber nicht bei tetraedrischen Komplexen auf.

cis-Isomer eines planar-quadratischen Komplexes

cis-Isomer eines oktaedrischen Komplexes

trans-Isomer eines oktaedrischen Komplexes

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

fac(iales) Isomer

mer(idionales) Isomer

Wenn keine Drehspiegelachse im Molekül vorhanden ist, so tritt natürlich auch Enantiomerie auf. Im Gegensatz zur organischen Chemie (4 verschiedene Substituenten am Kohlenstoff) gibt es keine einfache Regel, wann das der Fall ist, außer der Komplex ist tetraedrisch koordiniert. Das liegt daran, dass Koordinationen > 4 und Chelatkomplexe auftreten können. So ist z. B.cis-[Co(Br)₂(en)₂] optisch aktiv, dietrans-Form dagegen nicht.

Bedeutung in der Medizin/ Pharmazie

Pharmakologische Bedeutung

In derMedizinkann der Stereoisomerie von Arzneistoffen eine erhebliche Bedeutung zukommen. Zahlreiche Arzneistoffe enthalten mindestens ein Stereozentrum. Die unterschiedlichen Enantiomere (bei mehreren Stereozentren Isomere) können unterschiedlichepharmakodynamischeundpharmakokinetischeEigenschaften besitzen; im Hinblick auf die Pharmakodynamik ist dies insbesondere davon abhängig, ob sich das Stereozentrum in einem für die Wirkstoff-Rezeptor-Interaktion relevanten Bereich des Arzneistoffmoleküls befindet. Ist dies der Fall, dann ist sehr oft – jedoch nicht immer – nur eines der Enantiomere für die erwünschten Wirkungen verantwortlich; dieses wird auch alsEutomerbezeichnet. Das andere Enantiomer (dasDistomer) kann zur Hauptwirkung beitragen, unwirksam, im ungünstigen Fall aber auch schädlich oder toxisch sein. Im letzten Fall kann das Distomer als 50%ige Verunreinigung des Wirkstoffs aufgefasst werden.

Enantiomere

→Hauptartikel:Contergan-Skandal

Thalidomid, der Wirkstoff von Contergan ist einechiraleVerbindung, die alsRacematverkauft wurde. DiesedierendeWirkung kommt dem (+)-(R)-Enantiomerzu,diefruchtschädigendeWirkung wird dem (−)-(S)-Enantiomer zugeschrieben.

Enantiomere und Diastereomere

Der Arzneistoff Methylphenidatbesitzt zwei Stereozentren. Es gibt also vier Konfigurationsisomere: (2R,2′R)-Form, (2S,2′S)-Form, (2R,2′S)-Form und die (2S,2′R)-Form. Bei der Synthese entstehen die (2R,2′R)-Form und die (2S,2′S)-Form alsRacematin gleicher Menge. Weiterhin wird bei der Synthese das Racemat aus der (2R,2′S)-Form und der (2S,2′R)-Form gebildet. Arzneilich verwendet wird das Racemat derthreo-Form, das (2RS,2′RS)-Methylphenidat, wenngleich aus grundsätzlichen Überlegungen die Verwendung eines besser bzw. nebenwirkungsärmer wirksamen Enantiomers zu bevorzugen wäre.Die pharmakologische Wirkung ist hauptsächlich auf dieD-(+)-Form zurückzuführen [D-(+)-Methylphenidat,D-threo-Methylphenidat, d-TMP, (2R,2′R)-Methylphenidat].

Stereoisomere von Methylphenidat

Das in den USA und in der Schweizzugelassene Focalin^®enthält ausschließlich das (2R,2′R)-Methylphenidat-Stereoisomer und wirkt daher bereits in niedrigerer Dosierung.

Pharmazeutisch-chemische Bedeutung

Bei der klassischen chemischen Synthese wird in der Regel einRacematerzeugt, d. h., beide Enantiomere liegen zu gleichen Anteilen vor. Sofern ein enantiomerenreines Endprodukt gewünscht wird, muss daher eineasymmetrische Synthesestrategieverfolgt werden. Die Enantiomerentrennung racemischer Wirkstoffe durchRacematspaltungkann ebenso genutzt werden, um enantiomerenreine Arzneistoffe zu gewinnen. Mit Hilfe derGentechnikoder durchFermentationerzeugte pharmazeutischeWirkstoffesind fast immer enantiomerenrein. Alternativ können Arzneistoffe auch ausNaturstoffen(demchiralen Pool) isoliert werden, wobei in der Regel ebenfalls enantiomerenreine Produkte erhalten werden.

Historisches

Die Isomerie wurde in den 1820er Jahren entdeckt. Das erste Beispiel dafür war die Isomerie vonSilbercyanat(AgOCN) mitSilberfulminat(AgONC). Silbercyanat war 1822 vonJustus Liebig(zusammen mitJoseph Louis Gay-Lussac) analysiert worden, Silberfulminat 1823 vonJöns Jakob Berzelius.Zunächst kam es zu einem Streit über die Richtigkeit der Analysen. Nachdem weitere Beispiele unterschiedlicher Substanzen mit gleicher prozentualer Zusammensetzung gefunden worden waren, z. B. Ammoniumcyanat undHarnstoff,wurde schließlich – zunächst von Gay-Lussac – anerkannt, dass verschiedene Stoffe dieselbe quantitative Zusammensetzung haben können. Berzelius, der 1832 für Trauben- undWeinsäuredie gleicheelementareZusammensetzung feststellte, prägte dafür den Begriff Isomerie.

Siehe auch

• Topologische Isomerie
• Topomerisierung

Literatur

• Ernest Ludwig Eliel, Arthur Lüttringhaus, Rudolf Cruse:Stereochemie der Kohlenstoffverbindungen.Wiley-VCH, Weinheim 1982,ISBN 3-527-25064-6.
• Ernest Ludwig Eliel; Samuel H. Wilen,Henning Hopf,Johann Mulzer:Organische Stereochemie.Wiley-VCH, Weinheim 1998,ISBN 3-527-29349-3.
• Bernard Testa:Grundlagen der Organischen Stereochemie.Verlag Chemie, Weinheim 1983,ISBN 3-527-25935-X.
• Wolfgang Bähr, Hans Theobald:Organische Stereochemie.Springer, Berlin 1973,ISBN 3-540-06339-0.
• Sheila R. Buxton, Stanley M. Roberts:Einführung in die Organische Stereochemie.Vieweg, Braunschweig 1999,ISBN 3-528-06996-1.
• Karl-Heinz Hellwich:Stereochemie – Grundbegriffe.Springer, Berlin 2002,ISBN 3-540-42347-8.

Weblinks

Commons:Isomerie– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Konstitutionsisomerie (Chempage)(zuletzt abgerufen am 2. November 2012)
• Uni Saarbrücken:Vorlesungsscript Stereochemie(PDF, 499 KiB, zuletzt abgerufen am 2. November 2012)