Das Wort Isomerie stammt aus dem Altgriechischen und besteht aus den zwei Worten „isos“ für „gleich“ und „meros“ für „Form“. Mit dem Begriff Isomerie werden in der Chemie zwei Stoffe bezeichnet, die zwar die gleiche Summenformel besitzen, jedoch eine unterschiedliche räumliche Anordnung, verschiedene funktionelle Gruppen oder Eigenschaften besitzen.

Diese Moleküle besitzen zwar die gleiche Summenformel, unterscheiden sich aber in der Reihenfolge und Bindungsart der Atome.

Daher kann man bei Molekülen dieser Gruppe sagen, dass sie sich in ihrer Struktur unterscheiden, weshalb Sie auch Strukturisomere genannt werden. Diese Strukturisomere können weiter in Funktionsisomere und Stellungsisomere unterschieden werden:

1. Bei den Funktionsisomeren liegt bei gleicher Summenformel eine unterschiedliche funktionelle Gruppe vor. Das ist beispielsweise bei Alkanolen und Ethern der Fall. Diese Art von Isomeren verbindet wohl die geringste Gemeinsamkeit, da sie weder ähnlich reagieren noch eine ähnliche Schmelz- bzw. Siedetemperatur besitzen.
2. Bei den Stellungsisomeren bleibt die funktionelle Gruppe gleich, jedoch unterscheiden sie sich in ihrer räumlichen Anordnung. Hierbei kann z.B. die OH-Gruppe eines Alkanols an einem jeweils unterschiedlichen Ort vorliegen. Das übt einen Einfluss auf die weiteren Reaktionsmöglichkeiten dieses Moleküls aus. Auch die unterschiedlichen Anordnungen der Alkylreste bei Alkanen gehört zur Stellungsisomerie.

Im Gegensatz zu den Konstitutionsisomeren haben die Stereoisomere die gleiche Konstitution, was bedeutet, dass neben der Summenformel auch die Anordnung und Bindung der Atome identisch ist. Sie unterscheiden sich jedoch in der räumlichen Anordnung der Atome.

Bei den Stereoisomere kann in Konformationsisomeren und Konfigurationsisomeren unterschieden werden:

Bei dem Ethan-1,2-diol-Molekül können alle Einfachbindungen rotieren. Durch Rotation der C-C-Bindung entstehen zwei Konformationsisomere. Verdecken sich die Wasserstoffatome (man guckt dabei durch die C-C Bindung), spricht man von der ekliptische Konformation. Beträgt der Winkel zwischen allen Wasserstoffatomen 60°, so nennt man dies gestaffelte Konformation.

• Enantiomere: Enantiomere sind Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Diese Eigenschaft entsteht durch sogenannte Chiralitätszentren. Dies sind Atome mit vier unterschiedlichen Substituenten. Wichtig ist bei Enantiomeren, dass diese nicht ineinander überführt werden können (ähnlich wie deine linke Hand auch nicht zu deiner Hand werden kann). Merke dir hierbei, dass immer ein Chiralitätszentrum vorhanden sein muss, damit Enantiomere existieren.

  Enantiomere haben Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften eines Moleküls. Sie beeinflussen, ob linear polarisiertes Licht (einfarbiges Licht) nach links oder rechts abgelenkt wird. Zusätzlich hat diese Art Isomere extrem unterschiedliche Wirkungen auf Lebewesen und die Wirkung von Medikamenten. Das bekannteste Beispiel hierfür ist wohl Contergan. Hierbei führte das eine Enantiomer zur gewünschten sedierenden (beruhigenden) Wirkung, während das Spiegelbild zur Schädigung des Embryos führte. Enantiomere kommen in vielen Zuckern und Aminosäuren vor.

• Diastereomere: Diastereomere sind alle Stereoisomere, die auch chirale Zentren besitzen, sich aber nicht wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten.

  Zu dieser Gruppe gehören auch die cis-trans-Isomerie. Eine solche Isomerie kann beispielsweise vorliegen, wenn zwei Atome eines Moleküls mindestens eine Doppelbindung sowie unterschiedliche Substituenten tragen.

  Durch die Starrheit der Doppelbindung sind die Substituenten nicht (wie bei einer Einzelbindung) frei drehbar und befinden sich somit in einer festen räumlichen Anordnung zueinander. Diese Anordnung kann in cis- und trans-Isomerie unterschieden werden:

  Bei der cis-Isomerie liegen beide Substituenten auf der gleichen Seite, während bei der trans-Isomerie die Substituenten auf entgegengesetzten Seiten der Doppelbindung liegen.

Eine Tautomerie ist eine spezielle Art der Isomerie. Die tautomeren Moleküle haben die gleiche Summenformel, die Atome sind aber unterschiedlich miteinander verknüpft. Im Gegensatz zu der Konstitutionsisomerie entstehen die beiden Tautomere durch sehr schnelles Umlagern von Atomen innerhalb des gleichen Moleküls. Nach einiger Zeit stellt sich somit ein chemisches Gleichgewicht zwischen den tautomeren Formen des Moleküls ein.

Das bekannteste Beispiel einer Tautomerie ist die Keto-Enol-Tautomerie. Diese bezeichnet das Gleichgewicht zwischen zwei konstitutionsisomeren Formen eines Aldehyds oder Ketons. Dabei unterscheiden sich die beiden Formen durch die Position der Doppelbindung und eines H-Atoms.

In einer wässrigen Lösung (besonders in sauren Lösungen) reagiert ein protoniertes Keton durch Abspaltung eines Wasserstoffatoms zu einem sogenannten Enol. Das abgespaltete Wasserstoffatom muss sich direkt neben der Carbonylgruppe befinden. Ein Enol enthält zwei durch eine Doppel­bindung verbundene Kohlenstoffatome, wobei eines mit einer Hydroxylgruppe verknüpft ist.

Das Keto-Enol-Gleichgewicht der meisten Verbindungen liegt sehr stark auf der Seite der Keto-Form. Es gibt jedoch auch einige Verbindungen, wie beispielsweise Pentan-2,4-dion, bei denen dies nicht der Fall ist!