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Isomerie ist das Auftreten von zwei oder mehreren chemischen Verbindungen mit gleicher Summenformel und Molekülmasse, die sich jedoch in der Verknüpfung oder der räumlichen Anordnung der Atome unterscheiden. Die entsprechenden Verbindungen werden Isomere genannt und lassen sich durch unterschiedliche Strukturformeln darstellen. Sie unterscheiden sich in ihren chemischen oder/und physikalischen, und oft auch in ihren biochemischen Eigenschaften. Isomerie tritt vor allem bei organischen Verbindungen, aber auch bei (anorganischen) Koordinationsverbindungen auf. Die Isomerie wird in verschiedene Bereiche unterteilt.
Inhaltsverzeichnis |
Konstitutionsisomere besitzen die gleiche allgemeine 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 mehrere Fälle unterscheiden:
Stereoisomere haben grundsätzlich die gleiche Struktur (Konstitution) – und damit auch die gleiche Struktur- und Summenformel – unterscheiden sich aber durch die räumliche Anordnung der Atome.
Konfigurationsisomere sind Stereoisomere, jedoch ohne Berücksichtigung der Konformation.
Ein wichtiger Fall sind Enantiomere, Konfigurationsisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten, aber keine Symmetrieebene innerhalb des Moleküls aufweisen. Enantiomere unterscheiden sich deshalb in allen Stereozentren (Atome, die aufgrund von vier unterschiedlichen Substituenten unter diesen zwei verschiedene Reihenfolgen erlauben). Wichtige Beispiele sind Zucker, Aminosäuren und viele chirale Arzneistoffe.
Alle Stereoisomere, die keine Enantiomere sind, bezeichnet man als Diastereomere. Diastereoisomere unterteilen sich wie folgt:
Berechnung der maximalen Anzahl an Stereoisomeren eines Moleküls: <math>2^n</math> bei n Chiralitätszentren.
Wenn meso-Formen vorhanden sind, verringert sich die Anzahl der Isomere jeweils pro meso-Form um eins.
Bsp: Cyclohexan mit sechs Substituenten hat sechs Stereozentren, also maximal <math>2^6=64</math> Stereoisomere.
Im Zusammenhang mit Stereoisomeren tritt oft optische Aktivität auf, d. h., Enantiomere drehen die Ebene von linear polarisiertem Licht um den gleichen Betrag in entgegengesetzte Richtungen.
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 (Konformere) sind Stereoisomere, die sich schon durch die Drehung von Einfachbindungen ineinander überführen lassen. Daher wird häufig auch von Rotameren gesprochen. Die thermische Energie bei Raumtemperatur reicht für die Überführung 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. Ein Sonderfall ist die Atropisomerie, bei der eine axiale Chiralität auftritt.
Der Begriff der Mesomerie gehört trotz der sprachlichen Ähnlichkeit nicht in diesen Themenbereich.
Die folgende Tabelle gibt eine kurze Übersicht über die wichtigsten Formen der Isomerie:
| Isomere | Gemeinsamkeiten | Unterschiede | Unterschiedliche chem./phys. 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, Unterschiede bei chiralen Reaktionspartnern (Enzyme) | nein | |||
| Konformationsisomere | räumliche Stellung | nein | ja | |||
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.
Bindungsisomerie tritt dann auf, wenn ein Ligand über mehrere verschiedene seiner Atome mit dem Zentralatom verbunden werden kann. So unterscheiden sich Nitrokomplexe oder Nitritokomplexe:
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Analoges gilt für Cyanate (-OCN) und Isocyanate (-NCO), sowie für Thiocyanate (-SCN) und Isothiocyanate (-NCS)
Bei Komplexen, durch Auswechseln eines Liganden in der Koordinationssphäre mit einem gebundenen Ion, z.B.
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:
Liegen in einem Komplex sowohl Anion als auch Kation als Komplexe vor, können die Liganden von Zentralatom 1 mit dem Zentralatom 2 vertauscht werden.
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 zu einem Stereozentrum am Kohlenstoff in der organischen Chemie, können tetraedrische Komplexe mit vier unterschiedlichen Liganden als Bild und Spiegelbild vorliegen. Bei planar-quadratischen und oktaedrischen Komplexen kann eine cis-trans-Isomerie vorliegen.
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Liegen drei gleiche Liganden in einem oktaedrischen Komplex vor, kann zwischen fac(ialen)- und mer(idionalen)-Isomeren unterschieden werden.
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In der Medizin kann der Stereoisomerie von Arzneistoffen eine erhebliche Bedeutung zukommen. Zahlreiche Arzneistoffe enthalten mindestens ein Stereozentrum. Die unterschiedlichen Enantiomere (bei mehreren Stereozentren Isomere) können unterschiedliche pharmakodynamische und pharmakokinetische Eigenschaften 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 als Eutomer bezeichnet. Das andere Enantiomer (das Distomer) 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.[2] [3]
Ein in diesem Zusammenhang oft herangeführtes Beispiel ist der Arzneistoff Thalidomid, der als wirksamer Bestandteil des Schlafmittels Contergan in den 1960er Jahren zu zahlreichen Fehlbildungen bei Neugeborenen führte (Contergan-Skandal).
Der Arzneistoff Methylphenidat besitzt 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 als Racemat in 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 der threo-Form, das (2RS,2′RS)-Methylphenidat, wenngleich aus grundsätzlichen Überlegungen die Verwendung eines besser bzw. nebenwirkungsärmer wirksamen Enantiomers zu bevorzugen wäre.[2] Die pharmakologische Wirkung ist hauptsächlich auf die D-(+)-Form zurückzuführen [D-(+)-Methylphenidat, D-threo-Methylphenidat, d-TMP, (2R,2′R)-Methylphenidat].
Das in den USA zugelassene Focalin® enthält ausschließlich das (2R,2′R)-Methylphenidat-Stereoisomer und wirkt daher bereits in niedrigerer Dosierung.
Bei der klassischen chemischen Synthese wird in der Regel ein Racemat erzeugt, d. h. beide Enantiomere liegen zu gleichen Anteilen vor. Sofern ein enantiomerenreines Endprodukt gewünscht wird, muss daher eine asymmetrische Synthesestrategie verfolgt werden. Auch eine Trennung racemischer 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 Produkte entstehen.
Commons: Isomerism – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
