Isomerie = das Auftreten von zwei oder mehreren Molekülen (chemischen Verbindungen) mit der gleichen Summenformel, aber unterschiedlicher Anordnung oder Verknüpfung der Atome.  

Dabei werden Konstitutionsisomere von Stereoisomeren unterschieden.  

2.3.1. Konstitutionsisomere

Konstitutionsisomere = Isomere, die sich in der Verknüpfung ihrer Atome unterscheiden. 

Bei den beiden folgenden Molekülen handelt es sich beide Male um Butan mit der Summenformel C₄H₁₀. Beide Moleküle haben also die selbe Summenformel und enthalten somit dieselbe Art und Anzahl an Atomen. Sie unterscheiden sich aber in ihrer Struktur.

Je mehr Kohlenstoffatome ein Molekül besitzt, desto mehr Konstitutionsisomere können auftreten.  
Für die Summenformel C₅H₁₂ gibt es drei mögliche Konstitutionsisomere:

Generell gilt, je mehr Atome eine Verbindung enthält, desto mehr Isomere können auftreten.
Zum Beispiel gibt es für Hexan (C₆H₁₄) bereits fünf Isomere. Für Heptan (C₇H₁₆) existieren neun Isomere, etc..

2.3.2. Stereoisomere

Stereoisomere = Isomere, die sowohl die gleiche Summenformel als auch die gleiche Struktur haben, sich aber in der räumlichen Anordnung ihrer Substituenten unterscheiden. 

2.3.2.1. Konformere

Konformere = Konformere sind Isomere, die ohne Bindungsbruch ineinander überführt werden. D.h. wenn zwei Verbindungen durch Rotation überführbar sind, spricht man von Konformeren.


Ein Beispiel hierfür wäre Methylcyclohexan. 

Bei der linken Verbindung steht die Methylgruppe in axialer Position. Durch einen Ringflipp kann sie in äquatoriale Position gebracht werden. Die, für die Umwandlung benötigte, Energie ist so klein, dass sich die Konformere bei Raumtemperatur ständig ineinander umwandeln.

              

Ein weiteres Beispiel für Konformere sind die verschiedenen Konformationen des Ethans:

Auch hier lassen sich die beiden Konformere ohne Bindungsbruch nur durch Drehung um eine C-C-Einfachbindung ineinander überführen. Konformere werden aus diesem Grund auch als Rotamere bezeichnet.

2.3.2.2. Konfigurationsisomere 

Konfigurationsisomere = Falls zwei Stereoisomere nur durch einen Bindungsbruch ineinander überführt werden können, spricht man von Konfigurationsisomeren. Dabei wird die Konformation an sich nicht berücksichtigt. 

2.3.2.2.1. Enantiomere


Enantiomere = Wenn sich zwei Moleküle wie Bild und Spiegelbild verhalten, aber keine Symmetrieelemente innerhalb des Moleküls aufweisen, handelt es sich dabei um Enantiomere. Sie werden als chiral bezeichnet (Chiraltität: griechisch für „Händigkeit“).

Ein Beispiel hierfür sind die menschlichen Hände:

Die rechte und die linke Hand sehen zwar gleich aus, aber sie lassen sich nicht zur Deckung bringen. Dieses Phänomen kann man auch auf chemische Verbindungen übertragen.

Ein Beispiel hierfür wäre Milchsäure:

Die absolute Konfiguration ((S)- oder (R)-Präfix) leiten sich aus der Cahn-Ingold-Prelog-Konvention (vgl. 2.1. Nomenklatur) ab. Enantiomere mit mehreren asymmetrischen Kohlenstoffatomen müssen sich in allen Stereozentren unterscheiden (sonst sind sie Diastereomere).

Wie beispielweise bei 2-Brom-3-chlorpentan oder bei 1,2-Dimethylclohexan:

                

                   

Enantiomere lassen sich sehr schwer trennen, da sie gleiche physikalische Eigenschaften haben. Allerdings drehen sie die Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht unterschiedlich und manche unterscheiden sich auch durch ihren spezifischen Geruch voneinander.

Das Terpen (S)-Carvon riecht beispielsweise nach Kümmel, dessen Enantiomer (R)-Carvon riecht nach Minze.

                 

Eine Besonderheit sind meso-Verbindungen. Solche Moleküle besitzen zwar Stereozentren, sind aber trotzdem achiral, da sie ein internes Symmetrieelement (Drehspiegelachse, Spiegelebene oder Punktsymmetrie) besitzen.

Meso-Weinsäure besitzt beispielweise eine interne Spiegeleben und ist aus diesem Grund achiral. Die gezeigten Verbindungen sind identisch und durch eine 180°-Drehung ineinander überführbar.

2.3.2.2.2. Diastereomere

Diastereomere = Falls sich zwei Konfigurationsisomere nicht wie Bild und Spiegelbild verhalten, handelt es sich dabei um Diastereomere. Dabei handelt es sich entweder um Isomere mit mehreren Stereozentren oder um geometrische Isomere. Diastereomere mit mehreren Stereozentren unterscheiden sich nicht in allen asymmetrischen Kohlenstoffatomen.

Der Unterschied von Enantiomeren und Diastereomeren ist hier am Beispiel von 2-Brom-3-chlorpentan gezeigt:

              

                           

                

Zeigen beide Reste in die gleiche Richtung, spricht man von einer cis-Konformation. Falls beide Reste in verschiedene Richtungen stehen, wird diese Anordnung als trans-Konformation bezeichnet.

Dies wird hier am Beispiel von 1,2-Dimethylcyclohexan dargestellt:

              

Geometrische Diastereomere stellen eine weitere Form von Diastereomeren dar.
Darunter fallen zum Beispiel E- und Z-Isomere:

Geometrische Diastereomere kommen häufig in der Natur vor.
Beispielsweise Fumarsäure und Maleinsäure:

                 

Die Anzahl an möglichen Stereisomeren einer Verbindung entspricht 2ⁿ, wobei n die Anzahl an Stereozentren darstellt. Falls meso-Formen vorhanden sind, verringert sich die Anzahlt der Stereoisomere. 4-Brom-1-chlor-2-methylcyclohexan besitzt drei asymmetrische Kohlenstoffatome. Damit sind 2³ = 8 Stereoisomere möglich.