10.3 Isomeri

Samme formel, ulikt molekyl

Her er noe overraskende: to molekyler kan ha nøyaktig samme molekylformel og likevel være helt forskjellige stoffer med ulike egenskaper. Slike molekyler kaller vi isomerer -- forbindelser med samme molekylformel, men ulik struktur eller romlig orientering. Det finnes tre hovedtyper: strukturisomeri, geometrisk isomeri og optisk isomeri.

Den enkleste er strukturisomeri (også kalt konstitusjonsisomeri), der atomene er bundet sammen i ulik rekkefølge. Ta butan, $\text{C}_4\text{H}_{10}$. Det kan være n-butan, en rett kjede $\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3$, eller 2-metylpropan (isobutan), en forgrenet kjede der et karbonatom har en metylgren. Begge har formelen $\text{C}_4\text{H}_{10}$, men ulik struktur gir ulike egenskaper -- forskjellig kokepunkt og smeltepunkt.

Jo flere karbonatomer, jo flere strukturisomerer. Pentan, $\text{C}_5\text{H}_{12}$, har tre: n-pentan (5 C i rett kjede), 2-metylbutan (4 C hovedkjede med metyl på posisjon 2), og 2,2-dimetylpropan (3 C hovedkjede med to metylgrupper på posisjon 2). Tre ulike stoffer -- samme formel.

Cis og trans -- samme side eller motsatt

Den andre typen oppstår på grunn av en spesiell egenskap ved dobbeltbindingen: i motsetning til en enkeltbinding, kan ikke molekylet rotere fritt rundt en C=C-binding. Det låser atomene i en bestemt romlig orientering, og gir oss geometrisk isomeri (cis/trans-isomeri).

For at dette skal oppstå, må to krav være oppfylt: det må være en dobbeltbinding, og det må være to ulike grupper på hvert av de to karbonatomene i bindingen. Da kan de like gruppene ligge enten på samme side (cis) eller på motsatt side (trans) av dobbeltbindingen.

Ta 2-buten, $\text{C}_4\text{H}_8$. I cis-2-buten ligger de to metylgruppene på samme side av dobbeltbindingen; i trans-2-buten ligger de på motsatt side. Disse to er ulike stoffer med ulik geometri og dermed ulike egenskaper -- forskjellig kokepunkt, smeltepunkt og dipolmoment -- og de kan ikke gå over i hverandre fordi dobbeltbindingen ikke roterer. Men ikke alle alkener har geometrisk isomeri. Sjekk 1-buten, $\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2-\text{CH}_3$: det første karbonet i dobbeltbindingen har to hydrogenatomer (to like grupper), så kravet om to ulike grupper er ikke oppfylt -- ingen cis/trans. Men 2-buten, $\text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_3$, har H og $\text{CH}_3$ på hvert karbon i dobbeltbindingen, og kan derfor ha både cis og trans.

Speilbilder som ikke passer

Den mest subtile isomeritypen handler om noe du kjenner fra dine egne hender. Venstre og høyre hånd er speilbilder av hverandre, men du kan ikke legge den ene oppå den andre slik at de passer perfekt. Molekyler kan ha samme egenskap -- da kaller vi dem kirale, og de viser optisk isomeri.

Et kiralt molekyl har et kiralt senter: et karbonatom bundet til fire ulike grupper. Et slikt molekyl er ikke superponerbart med sitt speilbilde. Et akiralt molekyl har derimot en symmetri (et speilplan) og er superponerbart med speilbildet sitt. De to speilbildene av et kiralt molekyl kalles enantiomerer. De har samme fysiske egenskaper (kokepunkt, smeltepunkt), men de roterer polarisert lys i hver sin retning -- og, viktigst av alt, de kan ha helt ulik biologisk virkning på lukt, smak og medisinsk effekt.

For å skille enantiomerene bruker vi R/S-notasjonen (Cahn-Ingold-Prelog-systemet): man prioriterer de fire gruppene rundt det kirale senteret (høyere atomnummer gir høyere prioritet), orienterer molekylet med den laveste prioriteten bakover, og følger en pil fra prioritet 1 til 2 til 3. Går pilen med klokka, er det R (rectus); mot klokka, S (sinister). For å sjekke om et karbon er et kiralt senter, teller vi gruppene. I 2-propanol, $\text{CH}_3-\text{CH}(\text{OH})-\text{CH}_3$, er det midtre karbonet bundet til H, OH og to like $\text{CH}_3$-grupper -- to like grupper betyr ikke kiralt. Men i 2-butanol, $\text{CH}_3-\text{CH}(\text{OH})-\text{CH}_2-\text{CH}_3$, er det midtre karbonet bundet til fire ulike grupper (−H, −OH, −CH₃, −CH₂CH₃) -- altså et kiralt senter, med de to enantiomerene (R)-2-butanol og (S)-2-butanol.

Oppsummering

Isomerer har samme molekylformel men ulik struktur eller romlig orientering. Strukturisomerer har ulik bindingsrekkefølge (rett vs forgrenet kjede), som de tre isomerene av pentan. Geometriske isomerer (cis/trans) oppstår rundt en dobbeltbinding med to ulike grupper på hvert karbon, der like grupper ligger på samme side (cis) eller motsatt side (trans).

Optiske isomerer oppstår når et molekyl er kiralt -- har et kiralt senter med fire ulike grupper og ikke kan legges oppå sitt eget speilbilde. De to speilbildene kalles enantiomerer; de har samme fysiske egenskaper, men roterer polarisert lys ulikt og kan ha helt forskjellig biologisk virkning. R/S-notasjonen (CIP-systemet) skiller dem etter om prioritetsrekkefølgen går med (R) eller mot (S) klokka.