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化学において、異性体とは、分子式（つまり、各元素の原子の数が同じ）は同じであるが、空間における原子の配置が異なる分子または多原子イオンのことである。[ 1 ]異性体とは、異性体の存在または可能性を指す。
異性体は必ずしも化学的または物理的性質が類似しているとは限りません。異性体には主に2つの形態があり、1つは構造異性体（または構成異性体）で、原子間の結合が異なります。もう1つは立体異性体（または空間異性体）で、結合は同じですが、原子の相対的な位置が異なります。
異性体関係は階層構造を形成する。2つの化学物質は同じ構造異性体であっても、より詳細な分析を行うと互いに立体異性体である場合がある。同じ立体異性体である2つの分子でも、異なる立体配座をとっていたり、異なる同位体異性体であったりする可能性がある。分析の深さは、研究分野や対象となる化学的・物理的性質によって異なる。
英語の「isomer」（/ˈaɪsəmər / ）は「isomeric」[2]からの逆成語で、これはドイツ語のisomerisch [3]を経てスウェーデン語のisomerriskから借用されたもので、さらにギリシャ語のἰσόμερoς isómerosから造語されたもので、語根はisos =「等しい」、 méros =「部分」である。[ 4 ]
位置異性体は、同じ分子式と官能基を持ちますが、炭素鎖の官能基の位置が異なります。この現象は位置異性体として知られています[ 5 ]。
例：C3 H8 O
プロパン-1-オール
CH₃-CH₂-CH₂-OH
プロパン-2-オール[ 6 ]
CH₃-CH(OH)-CH₃
この場合、官能基の位置が変わることがわかります。両方ともヒドロキシル官能基を持っていますが、異性体のため位置が変わります。[ 7 ]
構造異性体は各元素の原子数が同じ（したがって分子式も同じ）ですが、原子の結合の仕方が異なります。[ 8 ]
例えば、分子式が 3 種類の異なる化合物が存在する。:
最初の2つの異性体は これらはプロパノール、すなわちプロパンから誘導されるアルコールである。どちらも単結合で連結された3つの炭素原子の鎖を持ち、残りの炭素原子の価電子は7つの水素原子とヒドロキシル基で満たされている。酸素原子が水素原子に結合した構造を持つ。これら 2 つの異性体は、ヒドロキシル基が結合している炭素原子が異なる。すなわち、プロパン-1-オール(1-プロパノール、n-プロピルアルコール、n-プロパノール; I )は炭素鎖の末端に結合し、プロパン-2-オール(2-プロパノール、イソプロピルアルコール、イソプロパノール; II ) は中央の炭素に結合している。これらは、簡略化された構造式で表すことができる。そして。
3番目の異性体はこれはエーテルメトキシエタン（エチルメチルエーテル；III ）です。他の2つとは異なり、酸素原子は2つの炭素に結合しており、8つの水素はすべて炭素に直接結合しています。これは、簡略化された式で表すことができます。。
アルコール「3-プロパノール」は、1-プロパノールとの異性体ではありません。なぜなら、3-プロパノールと1-プロパノールの違いは、炭素鎖に沿った炭素の番号付けの方向の違いによるものだからです。同様の理由で、「エトキシメタン」はメトキシエタンと同じ分子であり、異性体ではありません。
1-プロパノールと2-プロパノールは位置異性体の例であり、二重結合や官能基などの特定の構造が「親」分子（この場合はプロパン）上のどの位置に存在するかによって区別される。
この炭化水素には3つの構造異性体も存在する。:
2つの異性体では、3つの炭素原子は開鎖状に結合しているが、そのうちの1つ（プロパジエンまたはアレン；I）では炭素原子は2つの二重結合で結合しており、もう1つ（プロピンまたはメチルアセチレン；II）では単結合と三重結合で結合している。3番目の異性体（シクロプロペン；III）では、3つの炭素原子は2つの単結合と1つの二重結合で環状に結合している。これら3つすべてにおいて、炭素原子の残りの価数は4つの水素原子によって満たされている。
繰り返しになりますが、三重結合を持つ構造異性体は1種類しかありません。なぜなら、その結合のもう1つの配置は、3つの炭素原子を異なる順序で描くだけだからです。同じ理由で、シクロプロペンも1種類しか存在せず、3種類は存在しません。
互変異性体は、容易に相互変換する構造異性体であり、2 つ以上の種が平衡状態で共存します。
重要な例としては、ケト-エノール互変異性や、アミノ酸の中性型と両性イオン型の間の平衡などが挙げられる。
立体異性体は、同じ種類の結合で結ばれた同じ原子または同位体を持つが、それらの原子の空間的な相対位置が異なる。立体異性体には大きく分けてエナンチオマーとジアステレオマーの2種類が存在する。エナンチオマーは物理的性質が同一であるが、ジアステレオマーはそうではない。[ 10 ]
2つの化合物は、分子が互いに鏡像関係にあり、回転や並進だけでは一致させることができない場合、エナンチオマーであると言われます。これは、左手と右手のような関係です。このような2つの形状はキラルであると言われます。
典型的な例はブロモクロロフルオロメタン（2 つのエナンチオマーは、例えば、経路が水素原子から見て、時計回りまたは反時計回りに回転します。一方の配座から他方の配座に変化させるには、いずれかの時点でこれら4つの原子が同じ平面上に位置する必要があります。そのためには、炭素原子との結合を大きく歪ませるか、切断する必要があります。2つの配座間の対応するエネルギー障壁は非常に高いため、室温では実質的に両者の変換は起こらず、これらは異なる配置とみなすことができます。
化合物クロロフルオロメタン一方、はキラルではない。その分子の鏡像も、適切な軸を中心に半回転させることで得られる。
キラル化合物のもう一つの例は2,3-ペンタジエンである。2つの重なり合った二重結合を持つ炭化水素。二重結合は、中央の3つの炭素が一直線上に並び、最初の3つと最後の3つが互いに垂直な平面上に位置するように配置されている。分子には対称軸があるにもかかわらず、分子とその鏡像は重ね合わせることができない。2つのエナンチオマーは、例えば右手の法則によって区別することができる。このタイプの異性体は軸異性体と呼ばれる。
エナンチオマーは、キラル化合物との反応や、ほとんどの酵素などのキラル触媒の存在下を除き、化学反応において同一の挙動を示します。後者の理由から、ほとんどのキラル化合物の2つのエナンチオマーは、生体内で著しく異なる効果と役割を持つのが一般的です。生化学や食品科学においては、グルコースなどのキラル分子の2つのエナンチオマーは、通常、全く異なる物質として識別され、扱われます。
キラル化合物の各エナンチオマーは、通常、それを通過する偏光面を回転させます。回転の大きさは2つの異性体で同じですが、向きが逆であり、溶液中の濃度を区別および測定するのに役立つ場合があります。このため、エナンチオマーは以前は「光学異性体」と呼ばれていました。[ 11 ] [ 12 ]しかし、この用語は曖昧であり、 IUPACによって推奨されていません。[ 13 ] [ 14 ]
（トランスシクロオクテンのような）一部の鏡像異性体ペアは、結合長と結合角をわずかに変化させる内部運動によって相互変換できる。一方、（CHFClBrのような）他のペアは、結合を切断せずに相互変換することはできないため、異なる立体配置となる。
エナンチオマーではない立体異性体はジアステレオマーと呼ばれます。ジアステレオマーの中にはキラル中心を含むものもあれば、含まないものもあります。[ 15 ]
2つの炭素原子間に二重結合が存在すると、残りの4つの結合（単結合の場合）は、π軌道によって定義される結合面に対して垂直な同一平面上に配置される。各炭素原子上の2つの結合が異なる原子に結合している場合、二重結合を中心として一方の炭素原子が180度回転することで異なる2つの異なる配座が存在する可能性がある。
典型的な例はジクロロエテンである。具体的には構造異性体各炭素原子に塩素原子が1つずつ結合している構造を持つ分子です。この分子には2つの立体異性体があり、2つの塩素原子が二重結合の平面の同じ側にある場合と反対側にある場合があります。これらは伝統的にそれぞれシス（ラテン語で「こちら側」を意味する）とトランス（「反対側」を意味する）と呼ばれ、IUPAC推奨命名法ではZとEで表されます。これら2つの形態間の変換には通常、一時的に結合を切断する（または二重結合を単結合にする）必要があるため、これらは分子の異なる配置とみなされます。
より一般的には、シス-トランス異性体（以前は「幾何異性体」と呼ばれていた）は、2つの区別可能な官能基の相対的な配向が他の原子のやや硬い骨格によって制限される分子で発生する。[ 16 ]
例えば、環状アルコールであるイノシトール（シクロヘキサンの6重アルコール）6炭素環状骨格はヒドロキシル基のそして水素各炭素上のヒドロキシル基の位置が入れ替わることはありません。したがって、各ヒドロキシル基が環の平均平面の「こちら側」にあるか「反対側」にあるかによって、異なる配置異性体が生じます。回転に対して等価な異性体を除外すると、この基準で異なる異性体は 9 つあり、それぞれ異なる安定な物質として振る舞います (そのうち 2 つは互いに鏡像異性体です)。自然界で最も一般的なもの (ミオイノシトール) は、炭素 1、2、3、5 上のヒドロキシル基がその平面の同じ側にあるため、cis -1,2,3,5– trans -4,6-シクロヘキサンヘキソールと呼ぶことができます。そして、これらのcis - trans異性体のそれぞれは、安定な「いす型」または「舟型」配座をとる可能性があります (ただし、これらの間の障壁は、異なるcis - trans異性体間の障壁よりもかなり低くなっています)。
シス異性体とトランス異性体は、正方形平面構造などの無機配位化合物にも存在する。錯体と八面体複合体。
より複雑な有機分子の場合、シスとトランスのラベルは曖昧になることがあります。そのような場合は、 Cahn-Ingold-Prelog 優先順位規則に基づいたより正確なラベル付けスキームが採用されます。[ 17 ] [ 15 ]
分子やイオンの異性体を列挙する際、同じ元素の異なる同位体は、異なる種類の原子とみなすことができる。1つまたは複数の原子をその同位体で置換することにより、単一の異性体から複数の構造異性体や立体異性体が生じる可能性がある。
例えば、一般的な水素原子 2 個を置き換えると(）重水素によって（、 またはエタン分子上の置換は、置換が両方とも同じ炭素上にあるかどうかに応じて、2つの異なる構造異性体（1,1-ジ重水素エタン、）または各炭素に 1 つ (1,2-ジ重水素エタン、置換基が重水素ではなく塩素であるかのように。2つの分子は容易に相互変換せず、マイクロ波スペクトルなどの異なる特性を持つ。[ 18 ]
別の例としては、クロロフルオロメタン中の水素原子の1つを重水素原子1つに置き換えることが挙げられる（）元の分子はキラルではなく単一の異性体を持つが、置換によりキラルなエナンチオマーのペアが生成される。これらは（少なくとも理論的には）光学活性によって区別できる。[ 19 ]
各元素のすべての同位体を単一の同位体に置き換えた場合に2つの異性体が同一になる場合、それらは同位体異性体または同位体異性体と呼ばれます。[ 20 ]上記の2つの例では、すべての同位体が単一の同位体に置き換えられた場合、に置き換えられた2つのジ重水素エタンは両方ともエタンになり、2つの重水素クロロフルオロメタンは両方とも。
同位体異性体の概念は、同位体組成が異なる同位体異性体や同位体同族体とは異なります。 [ 20 ]例えば、そしてこれらは同位体異性体ではなく同位体分子であり、したがって互いに異性体ではない。
核特性に基づくもう1つの異性体はスピン異性体であり、分子は構成原子核の相対スピン磁気量子数m sのみが異なる。この現象は分子水素にとって重要であり、分子水素はスピン異性体[ 21 ]または核スピン異性体[ 22 ]と呼ばれる2つの長寿命状態に部分的に分離することができる。2つの原子核のスピンが反対方向を向いているパラ水素と、スピンが同じ方向を向いているオルト水素である。
生物学的特性が異なる異性体はよく見られます。例えば、メチル基の位置の違いなどが挙げられます。置換キサンチン類では、チョコレートに含まれるテオブロミンは、カフェインと共通する作用を持つ血管拡張剤ですが、2つのメチル基のうち1つが2環構造の別の位置に移動すると、異性体はテオフィリンとなり、気管支拡張作用や抗炎症作用など、さまざまな作用を示します。フェネチルアミン系の刺激薬にも同様の例が見られます。フェンテルミンは非キラル化合物で、アンフェタミンよりも作用が弱いです。食欲抑制剤として使用され、刺激作用は軽度または全くありません。しかし、原子の配置が異なると、アンフェタミンよりも強い刺激作用を持つデキストロメタンフェタミンが得られます。
医薬品化学および生化学において、エナンチオマーは異なる生物活性を持つ可能性があるため、特に注目されています。多くの合成法では、両方のエナンチオマーが等量混合された混合物が得られます。場合によっては、キラル固定相を用いたクロマトグラフィーによってエナンチオマーを分離します。また、ジアステレオマー塩の形成によって分離することも可能です。さらに、エナンチオ選択的合成法が開発されている場合もあります。
無機化合物の例として、シスプラチン（上記の構造を参照）は癌化学療法で用いられる重要な薬剤であるが、そのトランス異性体（トランスプラチン）には有用な薬理活性はない。
異性体は1827年に初めて観察され、フリードリヒ・ヴェーラーがシアン酸銀を調製し、その元素組成が（前年にユストゥス・フォン・リービッヒによって調製された）雷酸銀と同一であったが、 [ 23 ]その性質は異なっていた。この発見は、化学化合物は元素組成が異なる場合にのみ区別できるという当時の一般的な化学理解に異議を唱えた。（現在では、雷酸とシアン酸の結合構造は近似的に次のように記述できることがわかっている。）≡そして、 それぞれ。）
その後数年間で、尿素が同じ原子組成を持つことをヴェーラーが1828年に発見するなど、追加の例が発見された（化学的に異なるアンモニウムシアン酸塩として。（それらの構造は現在ではそして（それぞれ）1830年にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスは、この現象を説明するために異性体という用語を導入した。[ 4 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
1848年、ルイ・パスツールは酒石酸の結晶が互いに鏡像関係にある2種類の形状をとることを観察した。彼は結晶を手で分離し、それぞれが2つの形状のうちの1つにしか結晶化しない2種類の酒石酸を得て、偏光面を同じ角度で逆方向に回転させた。 [ 27 ] [ 28 ] 1860年、パスツールは異性体の分子は同じ組成を持つが原子の配置が異なる可能性があると明確に仮説を立てた。 [ 29 ]
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