Izomerii sunt compuşi organici cu aceeaşi formulă moleculară, dar care au structuri chimice diferite. Izomerii diferă între ei prin:

• aranjarea atomilor în moleculă;
• tipul legăturilor covalente dintre atomi;
• orientarea atomilor faţă de un plan sau faţă de un centru al moleculei.

Izomerii se împart în două mari categorii: izomeri de constituţie şi stereoizomeri.

Izomerii de constituţie sau izomerii de structură sunt izomeri în care atomii au conectivităţi, sau vecinătăţi, diferite. La rândul lor, izomerii de constituţie se împart în următoarele trei subcategorii:

• Izomerii de catenă diferă prin aranjamentul atomilor de carbon în catenă.
• Izomerii de poziţie diferă prin poziţia unei grupe funcţionale în catenă.
• Izomerii de funcţiune conţin în moleculă grupe funcţionale diferite, şi astfel aparţin unor clase de substanţe diferite.

Stereoizomerii sunt izomeri care au aceleaşi conectivităţi, însă diferă prin felul în care atomii sunt aranjaţi în spaţiu. Interconversia stereoizomerilor are loc cu dificultate.

Interconversia se referă la momentul în care un compus trece, sau se converteşte, în izomerul său.

Stereoizomerii se împart în izomeri de conformaţie şi în izomeri de configuraţie.

Izomerii de conformaţie sau conformerii sunt stereoizomeri care pot trece unul în celălalt prin rotirea atomilor în jurul unei legături simple din moleculă.

Izomerii de configuraţie sunt stereoizomerii care se diferenţiază între ei prin modul diferit de orientare a atomilor faţă de un element structural rigid (un centru sau un plan) şi a căror interconversie presupune desfacerea şi refacerea unor legături. La rândul lor, izomerii de configuraţie se împart în enantiomeri şi diastereoizomeri.

• Enantiomerii sunt molecule nesuperpozabile cu imaginea lor în oglindă şi care au un centru de chiralitate.
• Diastereoizomerii sunt izomerii în care distanţele dintre atomii nelegaţi direct între ei diferă de la un izomer la altul. Nu se găsesc unul faţă de celălalt în relaţia obiect-imagine în oglindă. Diastereoizomerii se împart în izomeri polichirali şi în izomeri geometrici (cis-trans).

Chiralitatea este proprietatea unui obiect sau a unei molecule de a avea o imagine în oglindă nesuperpozabilă (care nu se suprapune exact). Aşadar, imaginea din oglindă a unui obiect chiral nu e aceeaşi cu imaginea obiectului. De exemplu, mâinile sunt obiecte chirale.

Un obiect achiral are o imagine în oglindă superpozabilă, deci o imagine care se suprapune cu imaginea obiectului. De exemplu, o masă este un obiect achiral.

În cazul moleculelor chimice, elementul care cauzează chiralitatea este, de cele mai multe ori, un atom de carbon asimetric.

Atomul de carbon asimetric, numit şi centru de chiralitate, este un atom de carbon legat de patru atomi sau grupuri de atomi diferite. De obicei, pentru a se desemna centrul de chiralitate, se foloseşte un asterix, *. Pot fi centri de chiralitate numai atomii de carbon hibridizaţi sp³.

Moleculele cu un centru de chiralitate se găsesc în relaţia obiect-imagine în oglindă şi există sub forma a doi stereoizomeri diferiţi, numiţi enantiomeri.

Exemplu – Enantiomerii 1 – cloroetanolului:

Cei doi izomeri sunt imagini în oglindă nesuperpozabile, adică structurile moleculeleor A şi B nu sunt identice pentru că nu se suprapun. 

Enantiomerii sunt molecule care conţin aceeiaşi atomi, cu vecinătăţi identice, dar care totuşi, sunt substanţe diferite. Diferenţa constă în felul în care sunt dispuşi cei patru substituenţi în jurul centrului de chiralitate al moleculei.

Pentru reprezentarea enantiomerilor se folosesc fie formule de perspectivă, fie proiecţii Fischer.

Formulele de perspectivă prezintă în felul următor legăturile carbonului asimetric:

• două legături în planul hârtiei, trasate cu linii normale,
• o legătură trasată îngroşat, ca şi cum ar ieşi din planul hârtiei, care reprezintă o legătură îndreptată spre privitor,
• o legătură trasată punctat, ca şi cum ar ieşi din planul hârtiei prin cealaltă parte, opusă privitorului.

Formulele de proiecţie Fischer prezintă, de obicei, atomul de carbon asimetric ca punctul de intersecţie dintre două linii perpendiculare. Liniile orizontale reprezintă legături care sunt proiectate în afara planului hârtiei, spre privitor, iar liniile verticale reprezintă legăturile care sunt proiectate în partea opusă a planului hârtiei, depărtându-se de privitor. Catena de carbon a moleculei se desenează întotdeauna vertical, cu primul atom de carbon al catenei în vârf.

Este nevoie de denumiri ale enantiomerilor care să indice configuraţia, adică felul în care sunt aranjaţi cei 4 substituenţi în jurul atomului de carbon asimetric.

Denumirea enantiomerilor se foloseşte de sistemul R, S pentru a nota cele două configuraţii diferite pe care le pot avea enantiomerii. În cazul oricărei perechi de enantiomeri cu un atom de carbon asimetric, un enantiomer va avea configuraţia R, şi un enantiomer va avea configuraţia S.

            R – vine din limba latină de la rictus şi înseamnă dreapta;

            S – vine tot din latină de la sinister şi înseamnă stânga.

Pentru determinarea configuraţiilor enantiomerilor conform sistemului R, S, trebuie urmaţi mai mulţi paşi:

1. Aranjarea  substituenţilor în ordinea priorităţii lor:

Prioritatea este determinată de numerele atomice ale atomilor legaţi direct de atomul de carbon asimetric. Cu cât e mai mare numărul atomic, cu atât e mai mare prioritatea. În cazul atomilor identici se iau în considerare numerele atomice ale celorlalţi atomi din structura substituenţilor. De exemplu, dacă unul dintre substituenţi este o grupă metil, iar celălalt substituent este o grupă etil, atomii cu care aceştia se leagă de centrul de chiralitate sunt identici.

2. Orientarea moleculei:

În continuare, orientăm molecula în aşa fel încât atomul sau grupul de atomi cu prioritatea cea mai mică, adică cu prioritatea 4, să fie cât mai departe de privitor, ca în imaginea de mai jos:

3. Trasarea unei săgeţi de la substituentul cu prioritate 1, la cel cu prioritate 2:

Mai departe, se trasează o săgeată imaginară de la atomul cu prioritatea cea mai mare, adică cu prioritatea 1, către atomul cu următoarea prioritate, adică 2. Avem două cazuri:

• dacă săgeata merge în sensul acelor de ceasornic, atunci atomul de carbon asimetric are configuraţia R;
• dacă săgeata merge în sensul opus acelor de ceasornic, atunci atomul de carbon asimetric are configuraţia S.

Exemplu – Stabilirea configuraţiei celor doi enantiomeri ai 2-bromobutanului:

Enantiomerii au foarte multe proprietăţi fizice identice:

• aceleaşi puncte de fierbere şi de topire,
• aceeaşi densitate,
• aceeaşi solubilitate.

Toate proprietăţile fizice ale enantiomerilor sunt identice, cu excepţia celor care rezultă din felul în care sunt aranjaţi în spaţiu atomii legaţi de carbonul asimetric. Una dintre aceste proprietăţi este interacţia cu lumina polarizată.

Lumina plan polarizată (pe scurt lumina polarizată) oscilează într-un singur plan atunci când se propagă, spre diferenţă de lumina normală care oscilează în toate direcţiile. Lumina polarizată se produce prin trecerea luminii normale printr-un polarizor.

Activitatea optică este proprietatea substanţelor de a roti planul luminii polarizate atunci când sunt străbătute de aceasta.

Compuşii chirali prezintă activitate optică, deci rotesc planul de polarizare al luminii polarizate.

Compuşii achirali sunt inactivi optic, deci nu rotesc planul de polarizare al luminii polarizate.

Enantiomerii sunt substanţe optic active şi se mai numesc şi izomeri optici sau antipozi optici.

Polarimetrul este instrumentul cu care este pusă în evidenţă activitatea optică.

Enantiomerul care roteşte planul luminii polarizate cu un anumit număr de grade spre dreapta, sau în sensul acelor de ceasornic, se numeşte dextrogir şi se notează cu semnul plus: (+). Celălalt enantiomer roteşte planul luminii polarizate cu acelaşi număr de grade, dar spre stânga, în sensul opus acelor de ceasornic. Acest enantiomer se numeşte levogir şi se notează cu semnul minus: (-).

Termenii dextro şi levo sunt prefixe din limba latină şi înseamnă către dreapta, respectiv către stânga.

Amestecul racemic este amestecul echimolecular al unei perechi de enantiomeri, deci este un amestec în care se găsesc cantităţi egale din enantiomerii R şi S ai unei substanţe. Amestecul racemic este inactiv optic, şi se notează cu simbolul: (±).

Procesele biochimice care asigură funcţionarea organismelor vii sunt catalizate de enzime. Enzimele sunt compuşi organici chirali cu structuri foarte complicate.

Proprietăţile chimice ale enantiomerilor sunt identice atunci când este vorba despre interacţia cu compuşi achirali. Însă nu este cazul reacţiilor cu alţi compuşi chirali. Acesta este motivul pentru care proprietăţile biologice ale enantiomerilor dintr-o pereche pot fi foarte diferite. În compuşii naturali apare numai unul dintre enantiomerii dintr-o pereche, şi numai acesta poate îndeplini funcţiile biologice naturale.

Există compuşi care pot conţine mai mulţi atomi de carbon asimetrici. În general, pentru un compus cu n atomi de carbon asimetrici există 2ⁿ enantiomeri. De exemplu, un compus cu 2 atomi de carbon asimetrici în structura lui, poate avea 4 stereoizomeri, adică 2 perechi de enantiomeri.

Diastereoizomerii sunt stereoizomeri în structura cărora diferă, de la un izomer la altul, distanţele dintre atomii nelegaţi direct între ei, şi în plus, nu se găsesc unul faţă de celălalt în relaţia obiect-imagine în oglindă.