Formen der Isomerie in organischen Verbindungen

Der Begriff Isomerie

JUSTUS VON LIEBIG beschäftigte sich mit der Elementaranalyse von organischen Verbindungen und entwickelte daraus eine Routinemethode zur Bestimmung der quantitativen Zusammensetzung. Dabei stellte er 1823 fest, dass viele unterschiedliche Stoffe wie die Cyansäure (HOCN) und die Knallsäure (HCNO) gleiche Summenformeln aufweisen. Diese Verbindungen haben aber trotz gleicher Summenformel unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften. LIEBIG formulierte zur Veranschaulichung, dass aus gleichen Buchstaben ebenfalls unterschiedliche Worte gebildet werden können: „Dome - Mode - Odem“.

F. WÖHLER stellte 1828 aus Ammoniumcyanat Harnstoff her und synthetisierte damit eine organische Verbindung aus einer anorganischen Verbindung. Dass Harnstoff und Ammoniumcyanat Isomere 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 BERZELIUS in die Chemie eingeführt. Nach BERZELIUS sind isomere Stoffe, die „die gleichen Elementaratome, aber in ungleicher Weise zusammengelegt“ enthalten.

Heute versteht der Chemiker unter Isomeren Verbindungen gleicher atomarer Zusammensetzung bzw. Summenformel, die sich jedoch in der Anordnung der Atome, d. h. ihrer räumlichen Struktur unterscheiden. Daraus ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften der Verbindungen (z.B. Siede- und Schmelztemperatur, chemische Reaktionsfähigkeit). Auch die Benennung der Stoffe ist unterschiedlich.

Es gibt verschiedene Arten der Isomerie :

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.

Beispiele sind die Isomere der Milchsäure und des Glycerinaldehyds (Bild 3). Die Moleküle sind räumliche Spiegelbilder obwohl die Verknüpfung der Atome durch chemische Bindungen gleich ist. Physikalisch unterscheiden sich die Enantiomere nur in ihrem optischen Drehwert.

Enantiomere der Milchsäure

Milchsäure kann in einer L- Form (diese dreht polarisiertes Licht nach links) und in einer spiegelbildlich gleichen D- Form (diese dreht polarisiertes Licht nach rechts) vorkommen.

Verblüffend ist die unterschiedliche pharmakologische, toxische oder biochemische Wirkung solcher Enantiomere. Alle auf der Erde lebenden Lebewesen enthalten nur L- Aminosäuren und können auch nur L- Formen von organischen Verbindungen verstoffwechseln. Diese seltsame Eigenschaft ist bis heute unerklärlich. Auch bei Arzneistoffen sind oft nur bestimmte Isomere wirksam.

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 in (R) oder gegen den Uhrzeigersinn (S) an.

Konformationsisomere

Konformationsisomere sind Isomere, die durch Rotationen um die C-C-Einfachbindung entstehen.
Sie sind normalerweise nicht zu unterscheiden, da diese Rotation ständig und mit hoher Geschwindigkeit stattfindet. Betrachtet wird die Stellung von je einem Substituenten (oder) an zwei benachbarten C-Atomen. Sind die Substituenten sehr groß, wird die Rotation behindert, sodass einzelne Zustände experimentell nachweisbar sind.

Zu den Konformationsisomeren zählt man aber auch die einzelnen Zustände des Cyclohexanringes, die durch das sogenannte Durchschwingen entstehen (Sessel - Wanne - Sessel). Zu beachten ist dabei, dass bei diesem „Durchschwingen„ äquatoriale (e) und axiale (a) Substituenten die Plätze tauschen.

Konformationsisomere lassen sich auch anschaulich in der Sägebockschreibweise darstellen:

gestaffelt, anti

verdeckt (eclipsed)

Es existieren noch eine Reihe weiterer Formen der Isomerie. Diese Erscheinung ist nicht nur auf organische Moleküle begrenzt. So findet man noch weitere Isomerieformen bei anorganischen Komplexverbindungen.