Rakenteellinen isomeria (konstitutionaalinen) — määritelmä ja tyypit

Rakenteellinen (konstitutionaalinen) isomeria: selkeä määritelmä ja esimerkit luurankoisomeereistä, asento- ja funktionaalisista isomeereistä.

Tekijä: Leandro Alegsa

19-01-2026 21:31

Rakenteellinen isomeria (IUPAC kutsuu tätä konstitutionaaliseksi isomeriaksi) on eräänlainen isomeria. Tässä isomeriassa kahdella kemikaalilla on sama molekyylikaava, mutta molekyylit eroavat toisistaan siinä, miten atomit ovat sitoutuneet toisiinsa — eli niiden sidokset (connectivity) ovat erilaiset. Tämä ero johtaa usein merkittäviin eroihin aineiden fysikaalisissa ja kemiallisissa ominaisuuksissa. Rakenteellisen isomerian vastakohta on stereoisomeria, jossa atomien liittymisjärjestys on sama mutta avaruudellinen järjestys eroaa (esim. cis/trans- ja enantiomeerit).

Rakenteellisen isomerian päätyypit

Konstitutionaalisia isomeerejä voidaan luokitella useaan ryhmään. Yleisimmät tyypit ovat:

Luurankoisomeerit (ketjusomeerit) — sama molekyylikaava mutta eri hiiliketjun rakenne: suora ketju vs haarautunut ketju. Esimerkkinä C4H10: n-butan (suora) ja 2-metyyli-propaani (isobutaani, haarautunut).
Asemoisomeerit (positional/regioisomeerit) — funktionaalinen ryhmä tai kaksoissidos sijaitsee eri kohdassa samaa runkoa. Esimerkkejä: 1-butanoli vs 2-butanoli, tai orto-, meta- ja para-xyleenit (sameaniliini-ydin, eri asentoihin liittyneet metyyli‑ryhmät). Asemoisomeerejä kutsutaan usein myös regioisomeereiksi.
Funktionaaliset isomeerit — molekyylikaava on sama mutta funktionaalinen ryhmä on erilainen, jolloin aineilla on eri funktionaalinen luokka. Tunnettu esimerkki on C2H6O: etanoli (alkoholi) ja dimetyylieetteri (eetteri). Toinen esimerkki C3H6O: propanali (aldehydi) ja propanoni (ketooni, asetonin).

Edellä mainittujen lisäksi voidaan huomioida mm. rengas–ketju-isomeria (esim. C6H12: sykloheksaani vs heks-1-eeni) ja muita alatyyppejä, jotka perustuvat samaan ajatukseen: sama summakaava, erilainen rakenne.

Tautomeriat — erityistapa funktionaalisista isomeereistä

Tautomeria on erikoistapaus funktionaalisesta isomeriasta, jossa kaksi isomeeria liittyy toisiinsa nopeasti kemiallisten reaktioiden (yleensä protoninsiirron) avulla ja ne ovat tasapainossa keskenään. Yleisimmät tautomeriat ovat keto–enoli-tautomeria (esim. keto‑muoto vs enolimuoto). Tautomeriat eroavat usein vain protonin paikasta ja kaksoissidoksen sijainnista, mutta niillä voi olla hyvin erilainen reaktiivisuus.

Miten rakenteelliset isomeerit eroavat käytännössä?

Fysikaaliset ominaisuudet: kiehumispisteet, sulamispisteet, tiheys ja liukoisuudet voivat poiketa paljonkin. Esimerkiksi etanoli (C2H6O, alkoholi) kiehuu noin 78 °C kun taas dimetyylieetterin kiehumispiste on noin −25 °C — sama summakaava mutta hyvin erilaiset ominaisuudet.
Kemiallinen reaktiivisuus: funktionaalisen ryhmän tyyppi ja sijainti määräävät, millaisia reaktioita yhdiste käy läpi ja kuinka helposti. Esimerkiksi aldehydit reagoivat eri tavoilla kuin ketonit.
Analyyttinen erottelu: rakenteelliset isomeerit voidaan erottaa ja tunnistaa mm. NMR‑, IR‑ ja massaspektrometrialla sekä kromatografisilla menetelmillä.

Yhteenveto

Rakenteellinen (konstitutionaalinen) isomeria tarkoittaa sitä, että samankokuisilla molekyyleillä on erilainen atomien sitoutumisjärjestys. Päätyyppejä ovat luurankoisomeerit, asemoisomeerit (regioisomeerit) ja funktionaaliset isomeerit; tautomeria on eräs erityistapa funktionaalisista isomeereistä. Näillä isomeereillä voi olla selvästi erottuvat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, joten niiden tunnistus ja luokittelu on tärkeää kemiallisessa tutkimuksessa ja käytännön sovelluksissa.

Luuston isomeria

Luuranko- tai ketjuisomeriassa luurangon komponentit (yleensä hiili) järjestäytyvät uudelleen ja muodostavat erilaisia rakenteita. Pentaanilla on kolme isomeeria. Ne ovat n-pentaani (jota usein kutsutaan yksinkertaisesti "pentaaniksi"), isopentaani (metyylibutaani) ja neopentaani (dimetyylipropaani).

Pentaanin luurangon isomeria

n-Pentaani	Isopentaani	Neopentaani

Sijainti-isomeria

Sijainti-isomeriassa funktionaalinen ryhmä tai muu substituentti muuttaa sijaintiaan kantarakenteessa. Alla olevassa taulukossa hydroksyyliryhmä voi olla n-pentaaniketjussa kolmessa eri asennossa ja muodostaa kolme erilaista yhdistettä.

Esimerkki sijainnin isomeriaa

1-pentanoli	2-pentanoli	3-pentanoli

On olemassa monia aromaattisia isomeerejä, koska substituentteja voidaan sijoittaa bentseenirenkaan eri osiin. Fenolilla tai hydroksibentseenillä on vain yksi isomeeri, mutta kresolilla tai metyylifenolilla on kolme isomeeria, joissa ylimääräinen metyyliryhmä voidaan sijoittaa kolmeen eri kohtaan rengasta. Ksyleenolilla on yksi hydroksyyliryhmä ja kaksi metyyliryhmää, ja isomeerejä on yhteensä kuusi.

Ksyleenolin isomeerit sijainnissa

2,3-ksylenoli	2,4-Xylenoli	2,5-Xyleenoli

2,6-ksylenoli	3,4-Xylenoli	3,5-ksyleenoli

Funktioryhmien isomeria

Funktionaaliset isomeerit ovat yksi rakenneisomeereistä. Kahdella funktionaalisessa isomeriassa olevalla yhdisteellä on sama molekyylikaava (jokaisen atomin numero on sama, kuten sykloheksaani: C
₆H
₁₂ ja 1-hekseeni:C
₆H
₁₂). Atomit ovat kuitenkin kytkeytyneet toisiinsa muilla tavoin, joten ryhmittymät ovat erilaiset. Kutsumme näitä atomiryhmiä funktionaalisiksi ryhmiksi, funktionaalisiksi ryhmiksi tai ryhmittymiksi. Toinen tapa sanoa tämä on, että kaksi yhdistettä, joilla on sama molekyylikaava mutta eri funktionaaliset ryhmät, ovat funktionaalisia isomeerejä.

Esimerkiksi sykloheksaanin ja 1-hekseenin kemiallinen kaava on C₆ H₁₂ . Kutsumme niitä funktionaalisten ryhmien isomeereiksi, koska sykloheksaani on sykloalkaani ja 1-hekseeni on alkeeni.

Esimerkki funktionaalisten ryhmien isomeriasta

Sykloheksaani	1-hekseeni

Jotta kaksi molekyyliä olisi funktionaalisia isomeerejä, niiden on sisällettävä keskeisiä atomiryhmiä, jotka on järjestetty tietyllä tavalla. Joitakin parhaita esimerkkejä löytyy orgaanisesta kemiasta. C₂ H₆ O on molekyylikaava. Riippuen siitä, miten atomit on järjestetty, se voi edustaa kahta eri yhdistettä dimetyylieetteri CH₃ -O-CH₃ tai etanoli CH₃ CH₂ -O-H. Dimetyylieetteri ja etanoli ovat funktionaalisia isomeerejä. Ensimmäinen on eetteri. Hiiliketju-happihiiliketju-hiiliketju-funktionaalisuutta kutsutaan eetteriksi. Toinen on alkoholi. Hiiliketju-happi-happi-vety-funktiota kutsutaan alkoholiksi.

Jos funktionaaliset ominaisuudet pysyvät samoina, mutta niiden sijainti muuttuu, rakenteelliset isomeerit eivät ole funktionaalisia isomeerejä. 1- ja 2-propanoli ovat rakenteellisia isomeerejä, mutta ne eivät ole funktionaalisia isomeerejä. Molemmat ovat alkoholeja. Funktionaalinen ryhmä (hiiliketju-O-H) on molemmissa yhdisteissä, mutta ne eivät ole samoja.

Vaikka jotkut kemistit käyttävät termejä rakenteellinen isomeeri ja funktionaalinen isomeeri vaihdellen, kaikki rakenteelliset isomeerit eivät ole funktionaalisia isomeerejä.

Funktionaaliset isomeerit tunnistetaan kemiassa useimmiten infrapunaspektroskopian avulla. Infrapunasäteily vastaa energioita, jotka liittyvät pääasiassa molekyylien värähtelyyn. Alkoholifunktionaalilla on hyvin selvä värähtely, jota kutsutaan OH-venymäksi ja joka johtuu vetysidoksesta. Kaikki alkoholit nestemäisessä ja kiinteässä muodossa absorboivat infrapunasäteilyä tietyillä aallonpituuksilla.

Yhdisteet, joilla on samat funktionaaliset ryhmät, absorboivat kaikki tiettyjä infrapunavalon aallonpituuksia näihin ryhmiin liittyvien värähtelyjen vuoksi. Infrapunaspektri on jaettu kahteen alueeseen. Ensimmäistä osaa kutsutaan funktionaalisten ryhmien alueeksi. Dimetyylieetterin ja etanolin infrapunaspektrit eroavat toisistaan funktionaalisten ryhmien alueella.

Infrapunaspektrin toista osaa kutsutaan sormenjälki-alueeksi; se liittyy molekyylin symmetrian sallimiin liiketyyppeihin, joihin vaikuttavat sidosenergiat. Sormenjälki-alue on yksilöllisempi yksittäiselle yhdisteelle. Vaikka 1-propanolin ja 2-propanolin infrapunaspektrit ovat samankaltaisia funktionaalisten ryhmien alueella, ne eroavat toisistaan sormenjälki-alueella.

Yksinkertaisesti sanottuna funktionaaliset isomeerit ovat rakenteellisia isomeerejä, joilla on eri funktionaalisia ryhmiä, kuten alkoholi ja eetteri.

Isomeerien laskenta

Esimerkkinä isomeerien laskennasta voidaan mainita, että on olemassa 7 rakenneisomeeria, joiden molekyylikaava on C₃ H₆ O, joilla kaikilla on erilainen sidosten kytkeytyneisyys ja jotka ovat ilmassa stabiileja. Kaksi muuta rakenteellista isomeeria ovat karbonyyli-isomeerien enoli-tautomeereja, mutta ne eivät ole stabiileja.

Kemiallinen yhdiste	Molekyylirakenne	Sulamispiste (°C)	Kiehumispiste (°C)	Kommentti
Allyylialkoholi		-129	97
Syklopropanoli			101-102
Propanal		- 81	48	Tautomeerinen (E)-1-propenolin ja (Z)-1-propenolin kanssa.
Asetoni		- 94.9	56.53	Tautomeerinen 2-propenolin kanssa
Oxetane		- 97	48
Propyleenioksidi		- 112	34	Voidaan erottaa kahtena enantiomeerinä.
Metyylivinyylieetteri		- 122	6