­Isomerie: Konstitutionsisomerie und E/Z-Isomerie

Wichtige Formen der Isomerie von Kohlenwasserstoffen anhand ausgewählter Beispiele

Die Isomerie beschreibt in der Chemie das Auftreten von mindestens zwei chemischen Verbindungen mit gleicher Molekülmasse und Summenformel, die sich jedoch hinsichtlich ihrer Verknüpfung oder räumlichen Anordnung der beteiligten Atome unterscheiden.
Abgeleitet ist der Begriff des Isomers von den altgriechischen Wortbildungselementen „isos“ („gleich“) und „meros“ („Stück“, „Teil“). Isomerie tritt vorwiegend bei organischen Kohlenwasserstoffverbindungen auf.
Die mit unterschiedlichen Strukturformeln darstellbaren Isomeren unterscheiden sich zusätzlich auch in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise ihrer Brennbarkeit.
(Hier würde sich ein Übersichtsbild der Isomerieformen anbieten)

Konstitutionsisomerie

Bei der Konstitutionsisomerie, auch gerne als Strukturisomerie bezeichnet, treten Moleküle mit gleicher Summenformel aber unterschiedlicher Verknüpfung der Atome auf. Sie unterscheiden sich also in ihrer Konstitution.

Beispiel n-Butan und Iso-Butan

Strukturformel von n-Butan
n-Butan
Strukturformel von Iso-Butan
Iso-Butan

Beispiel Pentan

Pentan als Strukturformel.
n-Pentan
Isopentan als Strukturformel
2-Methylbutan (Isopentan)
Neopentan als Strukturformel
2,2-Dimethylpropan (Neopentan)

Beispiel Propanol

Auch am Beispiel des Propanols kann die Konstitutionsisomerie dargestellt werden:

Propanol als Strukturformel
Propan-1-ol (n-Propanol)
Strukturformel des Isopropanols.
Propan-2-ol (iso-Propanol)

Stereoisomerie

Bei Stereoisomeren treten Moleküle mit gleicher Summenformel und gleicher Verknüpfung der beteiligten Atome auf, unterscheiden sich aber in ihrer räumlichen Anordnung.
Die Stereoisomerie lässt sich wieder in zwei Unterarten unterteilen:

1) Konformationsisomerie:

Diese Isomere entstehen durch alle möglichen Anordnungen, die durch Rotation um die σ-Bindung (Einfachbindung) zweier C-Atome (C-C) entstehen können. Die Isomere sind somit durch Drehung entlang der Bindungsachse ineinander überführbar. Sie spielen aber häufig keine große Rolle. Durch die hohen Rotationsgeschwindigkeiten sind die verschiedenen Stellungen der Atome zueinander sowieso nur schwer nachweisbar.
Beispiel: das „verdeckte“ oder „gestaffelte“ Ethan C2H6.

2) Konfigurationsisomerie

Konfigurationsisomere lassen sich durch Bindungsdrehung nicht ineinander überführen, sie unterschieden sich also in ihrer räumlichen Anordnung.
Sie lassen sich nochmals in Enantiomere und Diastereomere unterteilen.

Enantiomere sind dabei Verbindungen, die sich in ihrer räumlichen Struktur zu einem anderen Molekül wie dessen nicht-deckungsgleiches Spiegelbild verhalten. Hier wird auch gerne von Chiralität gesprochen. Solche Isomere verhalten sich praktisch wie unsere linken und rechten Hände bzw. Füße zueinander.

Diastereomere sind dagegen Verbindungen gleicher Konstitution und nicht spiegelbildlicher Anordnung zueinander, die sich in mindestens einem Stereozentrum unterschieden. Stereozentrum bedeutet in diesem Zusammenhang ein Atom, dass mindestens vier unterschiedliche Substituenten trägt.

E/Z-Isomerie der Kohlenwasserstoffe

Unter die Gruppe der Diastereomere fallen auch die E/-Z-Isomeren der Kohlenwasserstoffe. Sie treten beispielsweise bei Alkenen auf, da diese durch ihre Kohlenstoff-Doppelbindungen und den darin beteiligten π-Bindungen keine freie Drehbarkeit um die Bindungsachse aufweisen.
Sie unterscheiden sich daher nur in der der Stellung ihrer Substituenten entlang der Doppelbindung und weisen unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften auf.

Die E/Z-Isomerie wird gerne mit der cis-trans-Isomerie in Verbindung gebracht, dennoch gibt es einen kleinen Unterschied zwischen den beiden.
Betrachten wir zunächst die cis-trans-Isomerie. Hierbei bedeutet das vorangestellte „cis-“, dass die gleichartigen Substituenten der betrachteten Verbindung auf der gleichen Seite der Referenzebene liegen. Bei vorangestellten „trans-“ liegen sie dagegen jeweils entgegengesetzt.

Beispiel Dichlorethen (C2H2Cl2)

  • trans-Dichlorethen (die Chloratome liegen hier jeweils auf der unteren oder oberen Seite der jeweiligen C-Atome)
  • cis-Dichlor-Ethen (ein Chloratom liegt unterhalb und eines oberhalb der jeweilig doppeltgebundenen C-Atome)
trans-Dichlorethen als Strukturformel
trans-Dichlorethen
cis-Dichlor-Ethen als Strukturformel.
cis-Dichlor-Ethen

Analog wird die Beziehung der Substituenten auch bei der E/Z-Benennung vorgenommen und ist daher vergleichbar:

  • cis- entspricht (Z)-Anordnung (Zusammen)
  • trans- entspricht (E)-Anordnung (Entgegengesetzt)


Die E/Z-Benennung hat sich mittlerweile gegenüber der cis-/trans-Benennung durchgesetzt, da sie auch bei unterschiedlichen Substituenten im jeweiligen Kohlenwasserstoffmolekül eine eindeutige Nomenklatur zulässt.
In diesem Zusammenhang kommen hier die CIP-Prioritätsregeln (nach der Cahn-Ingold-Prelog-Konvention) zur Anwendung.
Diese dienen der Ordnung der an der Doppelbindung beteiligten Substituenten anhand ihrer Ordnungszahl (OZ).
Stehen dann bei einem Isomer die beiden höchstrangigen Substituenten auf einer Seite, dann handelt es sich hierbei um ein (Z)-Isomer.
Befinden sie sich jedoch auf entgegengesetzten Seiten, dann handelt es sich um ein (E)-Isomer.

Beispiel: 1-Brom-1,2-dichlorethen

  • Prioritätsregel 1. C-Atom: Br > Cl
  • Prioritätsregel 2. C-Atom: Cl > H


1. Fall: Beide Chloratome unterhalb der Referenzebene des Moleküls, Brom oberhalb der Referenzebene:
Die beiden Substituenten mit der jeweils höchsten Rangordnung (Br und Cl) liegen auf gegenüberliegenden Seiten.
Daraus folgt: (E)-Bromdichlorethan

2. Fall: Jeweils ein Chloratom befindet sich unter- bzw. oberhalb der Referenzebene des Moleküls:
Die beiden Substituenten mit der jeweils höchsten Rangordnung (Br und Cl) liegen auf gegenüberliegenden Seiten.
Daraus folgt: (Z)-Bromdichlorethen