MOLiS: Hintergrundinformation zum Isomerie-Begriff

1. Definition der Isomerie:

"One of several species (or molecular entities) that have the same atomic composition (molecular formula) but different line formulae or different stereochemical formulae and hence different physical and/or chemical properties."

Problem 1: Es ist nicht einfach, Mesomerie von Isomerie abzugrenzen. Rouvray [nach 22] verlangte deshalb, dass isomere Spezies eine bestimmte Mindestlebensdauer (Stabilität) haben müssten, um als Isomere zu gelten. (Scharfe) Grenzwerte nannte er allerdings nicht. Möglicherweise läßt sich das Problem auf der energetischen Ebene lösen: Isomere sind Minima auf der Energiehyperfläche, mesomere Grenzformen nicht. Isomere sind daher im Gemisch nebeneinander beobachtbar, mesomere Grenzformen nicht.

Problem 2: Isotope verursachen Molekülmassenänderungen, ohne dass dies notwendigerweise in der Elementarformel erkennbar wäre. Solche Verbindungen bezeichnet man  besser als Isotopomere:

Beispiele: NH₃ und N²H₃^*; oder H₂O und ²H₂O^*.

^*Die Symbole D für ²H und T für ³H sollten nach IUPAC nicht verwendet werden.

Bei spezifisch markierten Verbindungen wie H₃¹³C-COOH und H₃C¹³COOH liegt tatsächlich Isomerie vor: man würde das Beispiel über die Konstitutionsisomerie, oder in komplexeren Fällen die Stereoisomerie beschreiben.

Problem 3: Hammer [2] weist mit Recht auf zwei sehr wesentliche Punkte hin:

1. dass auch hier (wie in vielen anderen Fällen) klar zwischen der (submikroskopischen) Ebene einzelner Moleküle (isomere Moleküle) und der (makroskopischen) Ebene der Stoffe (isomeren Stoffen) unterschieden werden sollte; denn

2. gleiche Molekülformeln können unterschiedliche Eigenschaften bedingen, OHNE dass es sich dabei um Isomerie handelt.

Begriffe wie Polymorphie, Polymerie und Stöchiometrie werden hier im Tutorium auf Ebene der Anfänger nicht weiter thematisiert (didaktische Reduktion: Vernachlässigung), sollten dem Lehrenden aber grundsätzlich bekannt sein. Als Beispiel führt Hammer [2] die cis-Zimtsäure an: als Molekül eindeutig beschrieben, gibt es dennoch drei kristalline Erscheinungsformen, die sich durch unterschiedliche Schmelzpunkte (42, 58 bzw. 68°C) doch deutlich unterscheiden (Polymorphie). Als Lösung bietet er an, dass man sich auf Schmelzen bzw. flüssige Phasen beschränken sollte: sind da die Eigenschaften immer noch unterschiedlich, hat man es mit Isomerie zu tun, ansonsten mit Polymorphie o.ä. So ganz eindeutig ist auch diese Maßnahme nicht: für Wasser z.B. gibt es mindestens zwei flüssigen Phasen, die in ihren Eigenschaften zu unterscheiden sind. Diese Diskussion in Schulen zu führen überfordert meines Erachtens Schüler wie Lehrer.

2. Geschichte des Isomerie-Begriffes

• 1807 Thomson vermutet Isomerie bei Essigsäure C₂H₄O₂ und Bernsteinsäure C₄H₆O₄.

• 1811 Dalton vermutet Isomerie bei Albumin und Gelatine.

• 1811 Gay-Lussac vermutet Isomerie bei Saccharose (C₆H₁₂O₆)-H₂O, Gummi Arabicum (Arabinsäure) und Stärke (C₆H₁₂O₆)_n-(n-1)H₂O.

• 1816 Gay-Lussac und Berzelius beschreiben unterschiedliche Zinnsäuren SnO₂*nH₂O.

Diese Fälle erwiesen sich als Analysefehler bzw., im letzten Fall, als Strukturen mit wechselndem Wassergehalt (Zinn(IV)-oxid-Hydrate); die Existenz von Zinnsäuren ist auch heute noch nicht bestätigt [17].

• 1823 Liebig, Gay-Lussac, Wöhler diskutieren die AgCNO-Struktur. Die Silberfulminat-Struktur ist auch heute noch nicht zweifelsfrei geklärt. [22]

• 1825 Faraday vergleicht Ethen C₂H₄ mit Buten C₄H₈.

• 1828 Wöhler überführt Ammoniumcyanat NH₄NCO = CH₄N₂O in Harnstoff H₂NCONH₂ = CH₄N₂O und beweist die Isomerie somit.

• 1830 Berzelius vergleicht "Weinsäure" C₄H₆O₆ mit "Uveinsäure" C₄H₆O₆; heute kennen wir beide als D- und L-Weinsäure im Gemisch, das Racemat.