Isomeren: zelfde formule, andere stof

Het woord isomeer komt van het Griekse isos (gelijk) en meros (deel): ‘uit gelijke delen’. De Zweedse chemicus Jöns Jacob Berzelius bedacht de term rond 1830, toen bleek dat twee stoffen met precies dezelfde samenstelling toch totaal verschillende eigenschappen konden hebben. Isomerie is de reden dat er van koolstofverbindingen miljoenen bestaan: met dezelfde handvol atomen kun je vaak veel verschillende moleculen bouwen.

Om isomeren te herkennen kijk je naar de molecuulformule (brutoformule). Is die gelijk, maar verschilt de structuurformule, dan heb je isomeren. Is de molecuulformule anders, dan zijn het geen isomeren, ook niet als de stoffen op elkaar lijken.

Soorten isomerie in één overzicht

Er zijn twee hoofdgroepen. Bij structuurisomerie zijn de atomen in een andere volgorde aan elkaar gebonden. Bij stereo-isomerie is de volgorde van bindingen gelijk, maar verschilt de ruimtelijke ordening.

Ketenisomerie: butaan en methylpropaan

Het eenvoudigste voorbeeld zit in de koolwaterstoffen. Met vier koolstofatomen en tien waterstofatomen (C₄H₁₀) kun je twee skeletten bouwen:

• butaan: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃, een rechte keten van vier C-atomen;
• methylpropaan (isobutaan): CH₃–CH(CH₃)–CH₃, een keten van drie met een methylgroep op het middelste atoom.

Tel na: beide hebben 4 C en 10 H. Toch kookt butaan bij ongeveer −0,5 °C en methylpropaan bij ongeveer −12 °C. Het vertakte molecuul is compacter, heeft minder contactoppervlak met zijn buren en dus zwakkere vanderwaalskrachten. Algemene regel: hoe meer vertakt, hoe lager het kookpunt bij dezelfde molecuulformule.

Het aantal mogelijke ketenisomeren groeit snel met het aantal koolstofatomen:

De rij pentaan, methylbutaan, dimethylpropaan laat de vertakkingsregel mooi zien: hoe bolvormiger het molecuul, hoe lager het kookpunt.

Plaatsisomerie

Bij plaatsisomerie is het koolstofskelet gelijk, maar zit een functionele groep of een dubbele binding op een andere plek. Het plaatsnummer in de naam laat het verschil zien.

• Propaan-1-ol (OH aan het eind, kookpunt ca. 97 °C) en propaan-2-ol (OH in het midden, kookpunt ca. 82 °C). Propaan-2-ol is de ‘isopropylalcohol’ uit schoonmaakdoekjes.
• But-1-een (CH₂=CH–CH₂–CH₃) en but-2-een (CH₃–CH=CH–CH₃): de dubbele binding zit op een andere plaats (zie alkanen versus alkenen).
• Bij benzeenringen met twee groepen spreek je van 1,2-, 1,3- en 1,4-plaatsing (ook wel ortho, meta en para).

Functionele isomerie: het voorbeeld C₂H₆O

Hier verschilt zelfs het soort stof. Met twee C-atomen, zes H-atomen en één O-atoom kun je precies twee moleculen tekenen:

Het verschil van ruim 100 °C in kookpunt komt door de waterstofbruggen: ethanolmoleculen hebben een O–H-groep en houden elkaar daardoor stevig vast, methoxymethaan heeft geen H aan het zuurstofatoom. Andere klassieke paren zijn alkanalen en alkanonen (propanal en propanon, C₃H₆O) en carbonzuren en esters (propaanzuur en methylethanoaat, C₃H₆O₂).

Oefenvoorbeeld — hoeveel isomeren heeft C₃H₈O? Begin met de alcoholen: de OH kan aan een eind-C (propaan-1-ol) of aan het middelste C (propaan-2-ol). Dan de ethers: het O-atoom kan alleen tussen een CH₃ en een C₂H₅ zitten (methoxyethaan). Totaal: drie structuurisomeren. Controleer altijd door de atomen te tellen en door te kijken of twee tekeningen niet stiekem hetzelfde molecuul zijn, alleen gedraaid.

Cis-trans-isomerie

Rond een enkele C–C-binding kunnen atoomgroepen vrij draaien; rond een dubbele binding niet. Daardoor kunnen bij een C=C twee groepen aan dezelfde kant (cis) of aan tegenovergestelde kanten (trans) liggen. Die twee vormen zijn echte, verschillende stoffen.

Cis-trans-isomerie is alleen mogelijk als elk van de twee koolstofatomen van de dubbele binding twee verschillende groepen draagt. Bij but-2-een (CH₃–CH=CH–CH₃) is dat zo: elk C-atoom heeft een H en een CH₃. Bij but-1-een (CH₂=CH–CH₂–CH₃) draagt het eerste C-atoom twee H-atomen, dus geen cis-trans. Ook bij ringen komt cis-trans-isomerie voor, omdat een ring evenmin vrij kan draaien.

• Cis- en trans-but-2-een koken bij ongeveer 4 °C en 1 °C.
• Maleïnezuur (cis) en fumaarzuur (trans), beide HOOC–CH=CH–COOH, smelten bij ongeveer 135 °C en 287 °C. Het trans-isomeer stapelt beter in een kristal.
• Transvetten. Natuurlijke onverzadigde vetzuren hebben vrijwel altijd de cis-vorm, met een knik in de keten. Bij het gedeeltelijk harden van plantaardige olie ontstaan ook trans-vetzuren, die rechter zijn en ongezond voor hart en vaten (zie vetten en lipiden).
• Zien. In je netvlies zit retinal; licht verandert een cis-dubbele binding in trans, en die vormverandering zet het zenuwsignaal in gang.

In de officiële IUPAC-naamgeving gebruikt men tegenwoordig vaak Z (zusammen, samen) en E (entgegen, tegenover), gebaseerd op prioriteitsregels. Bij eenvoudige gevallen zoals but-2-een valt Z samen met cis en E met trans.

Spiegelbeeldisomerie en chiraliteit

Je linker- en rechterhand zijn elkaars spiegelbeeld, maar je kunt ze niet zo draaien dat ze precies samenvallen: een linkerhandschoen past niet om je rechterhand. Moleculen met die eigenschap heten chiraal (van het Griekse cheir, hand). De twee spiegelbeeldvormen heten enantiomeren.

De meest voorkomende oorzaak is een asymmetrisch koolstofatoom (chiraal centrum): een C-atoom met vier verschillende groepen. Een paar voorbeelden:

• Butaan-2-ol, CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃: het tweede C-atoom draagt H, OH, CH₃ en C₂H₅, vier verschillende groepen, dus chiraal. Bij propaan-2-ol draagt het middelste C twee keer CH₃: niet chiraal.
• Melkzuur (2-hydroxypropaanzuur), CH₃–CH(OH)–COOH, heeft één asymmetrisch C-atoom en komt in twee vormen voor.
• Aminozuren. Behalve glycine zijn alle aminozuren chiraal; eiwitten bevatten vrijwel alleen de L-vorm (zie eiwitten).
• Carvon. De ene vorm ruikt naar karwijzaad, de andere naar kruizemunt. Je neus bevat eiwitreceptoren die zelf chiraal zijn en de twee dus van elkaar onderscheiden.

Enantiomeren hebben hetzelfde kookpunt, smeltpunt en dezelfde oplosbaarheid. Ze verschillen op twee punten: ze draaien het vlak van gepolariseerd licht even ver maar in tegengestelde richting (optische activiteit), en ze reageren verschillend met andere chirale moleculen, zoals enzymen en receptoren. Een 50/50-mengsel van beide vormen heet een racemisch mengsel en draait het licht netto niet. Louis Pasteur ontdekte dit in 1848, toen hij onder een vergrootglas spiegelbeeldkristallen van een zout van wijnsteenzuur met een pincet van elkaar scheidde.

Rekenregel. Een molecuul met n asymmetrische C-atomen heeft maximaal 2ⁿ stereo-isomeren. De open-ketenvorm van glucose heeft er vier, dus 2⁴ = 16 stereo-isomeren; glucose is er daar één van, galactose en mannose zijn andere (zie koolhydraten).

Thalidomide: waarom spiegelbeelden ertoe doen

Thalidomide werd tussen 1957 en 1961 onder de merknaam Softenon verkocht als kalmerings- en slaapmiddel, ook tegen ochtendmisselijkheid bij zwangere vrouwen. Het middel was een racemisch mengsel. Wereldwijd werden ongeveer 10 000 kinderen geboren met ernstige afwijkingen, vooral aan armen en benen. Later bleek dat de ene enantiomeer het kalmerende effect geeft en de andere de schadelijke werking op het embryo heeft.

Een belangrijke nuance die vaak ontbreekt: ook met alleen de ‘goede’ vorm was de ramp niet voorkomen, omdat thalidomide in het lichaam van de ene vorm in de andere overgaat. De les voor de farmacie was blijvend: nieuwe medicijnen worden sindsdien veel strenger getest, en van chirale medicijnen moet men beide enantiomeren apart onderzoeken. Tegenwoordig wordt een groot deel van de chirale medicijnen als zuivere enantiomeer op de markt gebracht.

Veelgestelde vragen

Verder lezen