Structural isomerism

Japanese: 構造異性 - こうぞういせい（英語表記）structural isomerism

This is a phenomenon called isomerism, which occurs when two substances have the same molecular formula but different structural formulas. Several types of isomerism are known.

Chain isomerism

It is found primarily in organic compounds. For example, there are two types of aliphatic saturated hydrocarbons with four carbon atoms: straight-chain butane, C ₄ H ₁₀ , and branched-chain isobutane (2-methylpropane), (CH ₃ ) ₃ CH.

[Iwamoto Shinbu]

Positional isomerism

Isomerism occurs when a substituent is bonded to a _carbon chain or ring structure of the same skeleton, depending on the position of the bond. For example, _propyl alcohol (1-propanol) _CH3CH2CH2OH and isopropyl alcohol (2-propanol) _CH3CH (OH) _CH3 are both straight-chain structures with three carbon atoms, and are structural isomers due to the difference in whether the carbon to which the OH group is bonded is at the end (1-position) or the center (2-position). When two substituents are introduced into a benzene ring, three isomers exist: ortho- , meta- , and para- . When the number of substituents increases and the types are different, the number of possible isomers increases even more.

[Iwamoto Shinbu]

Functional Group Isomerism

Isomerism occurs due to differences in functional groups. For example, ethanol (ethyl alcohol) C ₂ H ₅ OH and methyl ether CH ₃ OCH _3. Both have the molecular formula C ₂ H ₆ O.

[Iwamoto Shinbu]

Metamerism

It can be considered a type of functional group isomerism, but is often used when the chemical properties of each are similar. Examples include propylamine (CH ₃ CH ₂ CH ₂ NH _{2 )} , isopropylamine (CH ₃ ) ₂ CHNH ₂ , ethylmethylamine (C ₂ H ₅ NHCH _{3 )} , and trimethylamine (N(CH ₃ ) ₃ ).

[Iwamoto Shinbu]

Nuclear isomerism

This isomerism is mainly seen in alicyclic compounds, and arises from differences in the bonding patterns of the ring structure, such as camphane and pinane. The isomerism seen in the disubstituted benzenes given as an example of positional isomerism is sometimes called nuclear isomerism, and is also sometimes included in ring isomerism, which will be discussed next.

[Iwamoto Shinbu]

Ring isomerism

In the narrow sense, it refers to isomerism resulting from differences in the bonding order of atoms in heterocyclic compounds, such as imidazole and pyrazole.

Structural isomerism in complexes is complex, but if we limit it to differences in apparent structural formulas, the following are some examples:

Diisothiocyanato-bis(thiourea)mercury(II) [Hg(SCN) ₂ (SC(NH ₂ ) ₂ ) ₂ ] and ammonium tetraisothiocyanatomercurate(II) (NH ₄ ) ₂ [Hg(SCN) ₄ ]
Pentaammine(nitrito- κ N )cobalt(III) chloride [Co(NO ₂ )(NH ₃ ) ₅ ]Cl ₂ (yellow) and pentaammine(nitrito- κ O )cobalt(III) chloride [Co(ONO)(NH ₃ ) ₅ ]Cl ₂ (red)
The nitrito ligand NO ₂ ^- in pentaamminenitritocobalt(III) chloride is coordinated to the N atom in the former and to the O atom in the latter, which is called bond isomerism.

Pentaammine chloride cobalt(III) sulfate [CoCl(NH ₃ ) ₅ ]SO ₄ (reddish purple) and pentaammine sulfatocobalt(III) chloride [CoSO4(NH3)5]Cl (rose color)
This is also an example of ionization isomerism.

[Iwamoto Shinbu]

Types of structural isomerism
©Shogakukan ">

Types of structural isomerism

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

分子式は同じであるが、構造式が異なる場合におこる異性現象で、いくつかの種類が知られている。

鎖形異性

おもに有機化合物でみられる。たとえば、炭素原子数4の脂肪族飽和炭化水素には、直鎖状のブタンC₄H₁₀と、分鎖したイソブタン（2-メチルプロパン）(CH₃)₃CHの2種類がある。

［岩本振武］

位置異性

同じ骨格の炭素連鎖構造あるいは環状構造に置換基が結合する際に、その位置の違いによっておこる異性。たとえば、プロピルアルコール（1-プロパノール）CH₃CH₂CH₂OHとイソプロピルアルコール（2-プロパノール）CH₃CH(OH)CH₃は、互いに炭素原子数3の直鎖構造で、OH基の結合する炭素が末端（1-位）か中央（2-位）であるかの差による構造異性体である。ベンゼン環に2個の置換基が導入されるときには、オルトo-、メタm-、パラp-の3種の異性体が存在する。置換基の個数が増え、その種類も互いに異なるときには、考えうる異性体の種類はさらに多数となる。

［岩本振武］

官能基異性

官能基の違いによっておこる異性。たとえば、エタノール（エチルアルコール）C₂H₅OHとメチルエーテルCH₃OCH₃の場合がそうである。両者とも分子式はC₂H₆Oである。

［岩本振武］

メタメリズム

官能基異性の一種とも考えられるが、互いに化学的性質が類似しているときにいわれることが多い。プロピルアミンCH₃CH₂CH₂NH₂、イソプロピルアミン(CH₃)₂CHNH₂、エチルメチルアミンC₂H₅NHCH₃、トリメチルアミンN(CH₃)₃の場合がその例となる。

［岩本振武］

核異性

おもに脂環式化合物でみられ、環構造の結合様式の違いによって生ずる異性であり、カンファンとピナンの場合がその例となる。位置異性で例にあげたベンゼンの二置換体などにみられる異性を核異性とよぶこともあり、また、次に述べる環異性に含めることもある。

［岩本振武］

環異性

狭義には、複素環式化合物における原子の結合順序の差による異性をいい、イミダゾールとピラゾールがその例となる。

　錯体における構造異性は複雑であるが、見かけの構造式の差に限定すれば、次のような例がある。

ジイソチオシアナト-ビス（チオ尿素）水銀(Ⅱ) [Hg(SCN)₂(SC(NH₂)₂)₂]と
テトライソチオシアナト水銀酸(Ⅱ)アンモニウム (NH₄)₂[Hg(SCN)₄]
ペンタアンミン(ニトリト-κN)コバルト(Ⅲ)塩化物 [Co(NO₂)(NH₃)₅]Cl₂（黄色）と
ペンタアンミン(ニトリト-κO)コバルト(Ⅲ)塩化物 [Co(ONO)(NH₃)₅]Cl₂（赤色）
ペンタアンミンニトリトコバルト(Ⅲ)塩化物のニトリト配位子NO₂^-は、前者ではN原子、後者ではO原子で配位しており、結合異性とよばれている。