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Isomer

Dieser Artikel behandelt Isomer als chemischen Begriff; zum Begriff in der Kernphysik siehe Kernisomer.

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.

Inhaltsverzeichnis

Isomeriearten in der Organischen Chemie

Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Formen der Isomerie: Konstitutionsisomere und 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:

Stereoisomerie

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

Diastereoisomere unterteilen sich wie folgt:

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 6 Substituenten ---> hat 6 Chiralitätszentren, also maximal 26 = 64 Stereoisomere.

Weitere Begriffe

Im Zusammenhang mit Stereoisomeren tritt oft optische Aktivität auf, d. h. Enantiomere drehen die Ebene von linear polarisiertem Licht um der gleichen Betrag in entgegengesetzte Richtungen.

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

Formen der Isomerie

Die folgende Tabelle gibt 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 Summenformel
+
Struktur
räumliche Anordnung ja ja
Enantiomere räumliche Anordnung, aber wie Bild und Spiegelbild optisch aktiv, Unterschiede bei chiralen Reaktionspartnern (Enzyme) ja
Konformationsisomere räumliche Stellung ja nein

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.

Konstitutionsisomerien

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

Bedeutung in der Medizin

In der Medizin ist bei Medikamenten die Stereoisomerie der pharmazeutischen Wirkstoffe von erheblicher – häufig aus medizinischer und pharmakologischer Unwissenheit unterschätzter – Bedeutung[1]. Sehr häufig liegen pharmazeutische Wirkstoffe in zwei zueinander spiegelbildlichen verschiedenen Anordnungen (Enantiomere) vor. Diese zueinander enantiomeren (spiegelbildlichen) Arzneistoffe besitzen praktisch immer unterschiedliche physiologische Eigenschaften. Bei der chemischen Synthese werden in der Regel beide Enantiomere (Spiegelbildisomere) zu gleichen Anteilen (1:1 = Racemat) erzeugt, obwohl im menschlichen Körper nur eine der Varianten pharmakologisch günstig wirksam ist. Die andere Variante (das andere Enantiomer) ist im besten Fall unwirksam, im ungünstigen Fall aber schädlich oder gar toxisch. Für solche pharmazeutischen Wirkstoffe muss daher eine asymmetrische Synthesestrategie angewandt werden, um gezielt nur ein Enantiomer herzustellen. Auch eine Trennung der racemischen Wirkstoffe durch Racematspaltung wird oft angewandt. Mit Hilfe der Gentechnik oder durch Fermentation erzeugte pharmazeutische Wirkstoffe sind fast immer enantiomerenrein. Alternativ können Arzneistoffe auch aus Naturstoffen (dem chiralen Pool) synthetisiert werden, wobei in der Regel enantiomerenreine pharmazeutischen Wirkstoffe entstehen. Ein prominentes und tragisches Beispiel ist der Wirkstoff Thalidomid (Contergan), der als Racemat eingesetzt wurde, weil seinerzeit die meisten Mediziner die molekularen (stereochemischen) Hintergründe nicht kannten/verstanden. Dabei liegen die beiden Enantiomeren im Verhältnis 1:1 vor. In diesem konkreten Beispiel tritt jedoch auch bei Gabe jedes der beiden Enantiomere eine teratogene Wirkung ein, die nur einem der beiden Enantiomeren zuzuordnen ist. Das liegt daran, dass sich das ungefährliche Thalidomid-Enantiomer im Magen-Darm-Trakt in das Racemat umwandelt (racemisiert), was aus der chemischen Struktur von Thalidomid für Chemiker leicht ableitbar und verständlich ist, denn dessen stereogenes Zentrum ist leicht enolisierbar.

Quellen

  1. E. J. Ariëns: Stereochemistry, a basis for sophisticated nonsense in pharmacokinetics and clinical pharmacology, European Journal of Clinical Pharmacology 26 (1984) 663-668.

Literatur

Siehe auch