Formen der Isomerie in organischen Verbindungen

Entwicklung des Begriffs

Der Wissenschaftler JUNGIUS soll im 19. Jahrhundert die ersten Überlegungen zur Isomerie angestellt haben. Der Begriff bedeutet soviel wie „gleiche Teile“.

JUSTUS VON LIEBIG (1803-1873) beschäftigte sich mit der Elementaranalyse von organischen Stoffen und schaffte es, dass sie zur Routineuntersuchung wurde. Dabei stellte er 1823 fest, dass einige Stoffe gleiche Summenformeln aufweisen. So z. B. die Cyansäure (HOCN) und die Knallsäure (HCNO). Diese beiden Verbindungen haben aber trotz gleicher Summenformel unterschiedliche chemische Eigenschaften. LIEBIG formulierte zur Veranschaulichung, dass aus gleichen Buchstaben ebenfalls unterschiedliche Worte gebildet werden können: „Dome – Mode – Odem“.

FRIEDRICH WÖHLER (1800-1882) stellte 1828 aus Ammoniumcyanat Harnstoff her und synthetisierte damit eine organische Verbindung aus einer anorganischen. Dass Harnstoff und Ammoniumcyanat die gleiche Summenformel besitzen, also isomer sind, stellte er erst später fest.

$\begin{array}{l}N{H}_{4}OCN\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\to \begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}{(}_{N}CO\\ Ammoniumcyanat\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}\begin{array}{c}\\ \end{array}Harnstoff\end{array}$
Die Begriffe Isomerie und Isomere wurde 1830 von JÖNS JACOB BERZELIUS (1779-1848) in die Chemie eingeführt. Nach BERZELIUS sind isomere Stoffe die, „die gleiche Elementaratome, aber in ungleicher Weise zusammengelegt“ enthalten.

Der Begriff Isomerie

Isomere Verbindungen sind Verbindungen mit gleicher Summenformel, also gleicher atomarer Zusammensetzung, aber unterschiedlicher Struktur. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften der Verbindungen (z. B. Geruch, Siede- und Schmelztemperatur, chemische Reaktionsfähigkeit).

In der organischen Chemie haben Isomere die gleiche Summenformel (Bruttoformel), aber unterschiedliche Strukturformeln. Auch die Benennung der Stoffe ist unterschiedlich.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten für Isomerien.

Konfigurationsisomerie

Befindet sich in einem Molekül ein Kohlenstoffatom mit vier unter-schiedlichen Substituenten (asymmetrisches Kohlenstoffatom), können Bild und Spiegelbild nicht zur Deckung gebracht werden. Solche Verbindungen, die zwei Spiegelbildisomere bzw. Enantiomere besitzen, nennt man chirale Verbindungen.

Die cis-, trans-Isomerie ist eine Form der Konfigurationsisomerie, die auftritt, wenn an beiden Enden der C=C-Doppelbindung je zwei verschiedene Substituenten gebunden sind. Die größeren Substituenten können entgegengesetzt, trans-, oder auf einer Seite der Doppelbindung, cis-, angeordnet sein.

D-, L-Nomenklatur, FISCHER-Projektion

Die FISCHER-Projektion ist die Darstellung der räumlichen Struktur tetraedrisch koordinierter Kohlenstoffatome in der Ebene. Chirale Verbindungen können so eindeutig als D- oder L-Enantiomer identifiziert werden. Folgende Regeln wurden von EMIL FISCHER am Glycerinaldehyd als Stammverbindung für die FISCHER-Projektion aufgestellt:

R-, S-Nomenklatur

Mit der FISCHER-Nomenklatur wird nur die absolute Konfiguration eines Kohlenstoffatoms eindeutig festgelegt. Die Festlegung der absoluten Konfiguration nach CAHN, INGOLD und PRELOG ermöglicht die Zuordnung für alle Chiralitätszentren in einem Molekül. Dabei werden den Substituenten am asymmetrischen C-Atom Prioritäten zugeordnet (Regeln). Blickt man jetzt auf das Kohlenstoffatom in Richtung des Substituenten mit der kleinsten Priorität, ordnen sich die anderen im (R) oder gegen den Uhrzeigersinn (S) an.