ในวิชาเคมีไอโซเมอร์โครงสร้าง (หรือไอโซเมอร์องค์ประกอบ ในระบบการตั้งชื่อIUPAC ^{[ 1 ]} ) ของสารประกอบคือสารประกอบที่มีจำนวนและชนิดของอะตอมเหมือนกัน แต่มีการเชื่อมต่อ (เช่น การจัดเรียงพันธะ ) ระหว่างอะตอม ที่แตกต่างกัน ^{[ 2 ] [ 3 ]} เดิมที คำว่าเมตาเมอร์ถูกใช้สำหรับแนวคิดเดียวกันนี้^{[ 4 ]}

ตัวอย่างเช่นบิวทานอลH ₃ C−(CH ₂ ) ₃ −OH , เมทิลโพรพิลอีเทอร์H ₃ C−(CH ₂ ) ₂ −O−CH ₃และไดเอทิลอีเทอร์(H ₃ CCH ₂ −) ₂ O มี สูตรโมเลกุลเดียวกันคือC ₄ H ₁₀ Oแต่เป็นไอโซเมอร์โครงสร้างที่แตกต่างกันสามแบบ

แนวคิดนี้ยังใช้ได้กับไอออนหลายอะตอมที่มีประจุรวมเท่ากัน ตัวอย่างคลาสสิกคือไอออนไซยาเนตO=C=N ⁻และไอออนฟุลมิเนตC ⁻ ≡N ⁺ −O ⁻นอกจากนี้ยังขยายไปถึงสารประกอบไอออนิกด้วย ดังนั้น (ตัวอย่างเช่น) แอมโมเนียมไซยาเนต[NH ₄ ] ⁺ [O=C=N] ⁻และยูเรีย(H ₂ N−) ₂ C=Oจึงถือเป็นไอโซเมอร์โครงสร้าง^{[ 4 ]}เช่นเดียวกับเมทิลแอมโมเนียมฟอร์เมต [ H ₃ C−NH ₃ ] ⁺ [HCO ₂ ] ⁻และแอมโมเนียมอะซิเตต[NH ₄ ] ⁺ [H ₃ C−CO ₂ ] ⁻

ไอโซเมอริซึมเชิงโครงสร้างเป็น ไอโซเมอริซึมประเภทที่รุนแรงที่สุดตรงข้ามกับสเตอริโอไอโซเมอริซึมซึ่งอะตอมและรูปแบบพันธะเหมือนกัน แต่แตกต่างกันเฉพาะการจัดเรียงเชิงพื้นที่สัมพัทธ์ของอะตอมเท่านั้น^{[ 5 ] [ 6 ]}ตัวอย่างของประเภทหลัง ได้แก่เอนันติโอเมอร์ซึ่งโมเลกุลเป็นภาพสะท้อนซึ่งกันและกัน และ2-บิวทีนในรูปแบบซิสและทรานส์

ในบรรดาไอโซเมอร์โครงสร้าง สามารถจำแนกได้หลายประเภท ได้แก่ ไอโซเมอ ร์โครงกระดูกไอโซเมอร์ตำแหน่ง (หรือไอโซเมอร์เชิงภูมิภาค ) ไอโซเมอร์เชิงฟังก์ชันเทาโท เมอ ร์^{[ 7 ]}และ ไอโซโทปเมอ ร์โครงสร้าง^{[ 8 ]}

ไอโซเมอร์โครงร่างของสารประกอบ คือ ไอโซเมอร์โครงสร้างที่แตกต่างจากสารประกอบนั้นในอะตอมและพันธะที่ถือว่าเป็นส่วนประกอบ "โครงร่าง" ของโมเลกุล สำหรับสารประกอบอินทรีย์เช่นแอลเคนโดยทั่วไปแล้วหมายถึงอะตอมคาร์บอนและพันธะระหว่างอะตอมเหล่านั้น

ตัวอย่างเช่น เพนเทนมีไอโซเมอร์โครงสร้าง 3 ชนิดได้แก่n-เพนเทน (มักเรียกง่ายๆ ว่า "เพนเทน"), ไอโซเพนเทน (2-เมทิลบิวเทน) และนีโอเพนเทน (ไดเมทิลโพรเพน) ^{[ 9 ]}

ไอโซเมอร์โครงสร้างของเพนเทน

เอ็น - เพนเทน	ไอโซเพนเทน	นีโอเพนเทน

ถ้าโครงสร้างหลักเป็นแบบไม่มีวงแหวนดังตัวอย่างข้างต้น เราอาจใช้คำว่า ไอโซเมริซึมแบบลูกโซ่ได้

ไอโซเมอร์ตำแหน่ง (หรือไอโซเมอร์เชิงตำแหน่งหรือไอโซเมอร์เชิงภูมิภาค ) คือไอโซเมอร์โครงสร้างที่สามารถมองได้ว่าแตกต่างกันเฉพาะตำแหน่งของหมู่ฟังก์ชัน หมู่แทนที่หรือคุณลักษณะอื่น ๆ บนโครงสร้าง "แม่" เดียวกัน^{[ 10 ]}

ตัวอย่างเช่น การแทนที่อะตอมไฮโดรเจน –H หนึ่งใน 12 อะตอมด้วย หมู่ ไฮดรอกซิล –OH บน โมเลกุลหลักของ n -pentaneสามารถให้ไอโซเมอร์ตำแหน่งที่แตกต่างกันได้ถึงสามแบบ:

เพนทาน-1-โอล	เพนทาน-2-โอล	เพนทาน-3-โอล

อีกตัวอย่างหนึ่งของเรจิโอไอโซเมอร์ ได้แก่ กรด อัลฟา-ลิโนเลนิกและกรดแกมมา-ลิโนเลนิก ซึ่ง ทั้งคู่เป็นกรดออกตาเดคาไตรอีโนอิกโดยแต่ละกรดมีพันธะคู่สามพันธะ แต่ตั้งอยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกันตามสายโซ่

ไอโซเมอร์เชิงฟังก์ชันคือไอโซเมอร์เชิงโครงสร้างที่มีหมู่ฟังก์ชัน ต่างกัน ส่งผลให้คุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพแตกต่างกันอย่างมาก^{[ 11 ]}

ตัวอย่างเช่น โพรพานาล H ₃ C–CH ₂ –C(=O)-H และอะซิโตน H ₃ C–C(=O)–CH ₃ : ตัวแรกมีหมู่ฟังก์ชัน –C(=O)H ซึ่งทำให้มันเป็นอัลดีไฮด์ในขณะที่ตัวที่สองมีหมู่ C–C(=O)–C ซึ่งทำให้มันเป็นคี โตน

อีกตัวอย่างหนึ่งคือคู่ของเอทานอล H₃C –CH₂ _– OH ( แอลกอฮอล์ ) และไดเมทิลอีเทอร์ H₃C –O–CH₂H ₍อีเทอร์)ในทางตรงกันข้าม1-โพรพานอลและ2-โพรพานอล_เป็นไอโซเมอร์โครงสร้าง แต่ไม่ใช่ไอโซเมอร์เชิงฟังก์ชัน เนื่องจากมีหมู่ฟังก์ชันสำคัญเดียวกัน ( _ไฮดรอกซิล –OH) และต่างก็เป็นแอลกอฮอล์

นอกจากความแตกต่างทางเคมีแล้ว ไอโซเมอร์เชิงฟังก์ชันมักมีสเปกตรัมอินฟราเรด ที่แตกต่างกันมาก สเปกตรัมอินฟราเรดส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยโหมดการสั่นของโมเลกุล และหมู่ฟังก์ชัน เช่น ไฮดรอกซิลและเอสเทอร์ มีโหมดการสั่นที่แตกต่างกันมาก ดังนั้น 1-โพรพานอลและ 2-โพรพานอลจึงมีสเปกตรัมอินฟราเรดที่ค่อนข้างคล้ายกันเนื่องจากหมู่ไฮดรอกซิล ซึ่งแตกต่างจากเมทิลเอทิลอีเทอร์อย่างมาก

ในวิชาเคมี โดยทั่วไปเรามักไม่สนใจความแตกต่างระหว่างไอโซโทปของธาตุเดียวกัน อย่างไรก็ตาม ในบางสถานการณ์ (เช่น ใน สเปกโทรสโกปี แบบรามาน , NMRหรือไมโครเวฟ ) เราอาจถือว่าไอโซโทปที่แตกต่างกันของธาตุเดียวกันเป็นธาตุที่แตกต่างกัน ในกรณีที่สองนี้ โมเลกุลสองโมเลกุลที่มีจำนวนอะตอมของแต่ละไอโซโทปเท่ากัน แต่มีโครงสร้างพันธะที่แตกต่างกัน จะเรียกว่า ไอโซโทปเมอร์ เชิง โครงสร้าง

ดังนั้น ตัวอย่างเช่นอีเทนจะไม่มีไอโซเมอร์โครงสร้างภายใต้การตีความแบบแรก แต่การแทนที่อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอม ( ^1H ) ด้วย อะตอม ดิวเทอเรียม ( ^2H ) อาจทำให้เกิดไอโซโทปเมอร์โครงสร้างได้สองแบบ (1,1-ไดดิวเทอโรอีเทนและ 1,2-ไดดิวเทอโรอีเทน) หากอะตอมคาร์บอนทั้งสองเป็นไอโซโทปเดียวกัน นอกจากนี้ หากอะตอมคาร์บอนทั้งสองเป็นไอโซโทปที่แตกต่างกัน (เช่น^12Cและ^13C ) ก็จะมีไอโซโทปเมอร์โครงสร้างที่แตกต่างกันสามแบบ เนื่องจาก 1-13C ^- 1,1-ไดดิวเทอโรอีเทนจะแตกต่างจาก 1-13C ^- 2,2-ไดดิวเทอโรอีเทน และในทั้งสองกรณี ไอโซโทปเมอร์โครงสร้าง 1,2-ไดดิวเทอโรอีเทนจะเกิดขึ้นเป็นสเตอริโอไอโซโทปเมอร์สองแบบ คือซิสและทรานส์

โมเลกุลสองโมเลกุล (รวมถึงไอออนหลายอะตอม) A และ B จะมีโครงสร้างเดียวกันหากอะตอมแต่ละอะตอมของ A สามารถจับคู่กับอะตอมของ B ของธาตุเดียวกันได้แบบหนึ่งต่อหนึ่ง โดยที่พันธะทุกพันธะใน A จะมีพันธะใน B ที่มีประเภทเดียวกันระหว่างอะตอมที่สอดคล้องกัน และในทางกลับกัน^{[ 3 ]}ข้อกำหนดนี้ยังใช้กับพันธะที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับอะตอมสามอะตอมขึ้นไป เช่นพันธะแบบกระจายในโมเลกุลเบนซีนและสารประกอบอะโรมาติกอื่นๆ

ขึ้นอยู่กับบริบท อาจจำเป็นต้องจับคู่แต่ละอะตอมกับอะตอมที่มีไอโซโทปเดียวกัน ไม่ใช่แค่ธาตุเดียวกันเท่านั้น

ดังนั้น โมเลกุลสองชนิดจึงอาจกล่าวได้ว่าเป็นไอโซเมอร์โครงสร้าง (หรือหากไอโซโทปมีความสำคัญ ก็คือไอโซโทปเมอร์โครงสร้าง) หากมีสูตรโมเลกุลเดียวกันแต่ไม่มีโครงสร้างเดียวกัน

สมมาตรเชิงโครงสร้างของโมเลกุลสามารถกำหนดได้ทางคณิตศาสตร์ว่าเป็นการเรียงสับเปลี่ยนของอะตอมที่แลกเปลี่ยนอะตอมอย่างน้อยสองอะตอมแต่ไม่เปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโมเลกุล อะตอมสองอะตอมจึงสามารถกล่าวได้ว่ามีความสมมูลเชิง โครงสร้าง หากมีสมมาตรเชิงโครงสร้างที่เปลี่ยนอะตอมหนึ่งไปเป็นอีกอะตอมหนึ่ง^{[ 12 ]}

ดังนั้น ตัวอย่างเช่น อะตอมไฮโดรเจนทั้งสี่ของมีเทน นั้น มีโครงสร้างที่เทียบเท่ากัน เพราะการสลับตำแหน่งใดๆ ก็ตามจะยังคงรักษาพันธะทั้งหมดของโมเลกุลไว้ได้

ในทำนองเดียวกัน ไฮโดรเจนทั้งหกอะตอมของอีเทน ( C)₂ชม₆โครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจนทั้งสองกลุ่ม (และอะตอมไฮโดรเจนในกลุ่มเมทิลทั้งสอง) นั้นเทียบเท่ากัน เช่นเดียวกับอะตอมคาร์บอนทั้งสอง เพราะไฮโดรเจนใดๆ ก็สามารถสลับกับไฮโดรเจนอื่นๆ ได้ ไม่ว่าจะเป็นการสลับตำแหน่งที่เปลี่ยนเฉพาะอะตอมทั้งสอง หรือการเปลี่ยนตำแหน่งที่เปลี่ยนอะตอมคาร์บอนทั้งสองและไฮโดรเจนแต่ละตัวในกลุ่มเมทิลกลุ่มหนึ่งกับไฮโดรเจนอีกตัวในกลุ่มเมทิลอีกกลุ่มหนึ่ง การดำเนินการทั้งสองแบบนี้จะรักษาสภาพโครงสร้างของโมเลกุลไว้ได้ ซึ่งเป็นกรณีเดียวกันกับอะตอมไฮโดรเจนในไซโคลเพนเทนอัลลีน 2- บิวไทน์ เฮกซาเมทิลีนเตตระมี นพริสเมนคิวเบนโดเดคาเฮดเรนเป็นต้น

ในทางกลับกัน อะตอมไฮโดรเจนของโพรเพนไม่ได้มีโครงสร้างที่เทียบเท่ากันทั้งหมด ไฮโดรเจนหกอะตอมที่ติดอยู่กับคาร์บอนอะตอมแรกและอะตอมที่สามนั้นเทียบเท่ากัน เช่นเดียวกับในอีเทน และไฮโดรเจนสองอะตอมที่ติดอยู่กับคาร์บอนอะตอมกลางนั้นเทียบเท่ากัน แต่ไม่มีความเทียบเท่ากันระหว่างสองกลุ่มความเทียบเท่านี้

ความเท่าเทียมกันทางโครงสร้างระหว่างอะตอมของโมเลกุลหลักจะลดจำนวนไอโซเมอร์ตำแหน่งที่สามารถได้มาจากการแทนที่อะตอมเหล่านั้นด้วยธาตุหรือหมู่ที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ความเท่าเทียมกันทางโครงสร้างระหว่างไฮโดรเจนทั้งหกของอีเทนC60₂ชม₆หมายความว่า เอทานอลCมีไอโซเมอร์โครงสร้างเพียงชนิดเดียวเท่านั้น₂ชม₅OHไม่ใช่ 6 ไฮโดรเจนทั้งแปดของโพรเพนC₃ชม₈ไอโซเมอร์เชิงโครงสร้างแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม (หกไอโซเมอร์บนหมู่เมทิล และสองไอโซเมอร์บนคาร์บอนกลาง) ดังนั้นโพรพานอลจึงมีไอโซเมอร์เชิงตำแหน่งเพียงสองชนิด ( 1-โพรพานอลและ2-โพรพานอล ) ในทำนองเดียวกัน บิวทานอลก็มีไอโซเมอร์เชิงตำแหน่งเพียงสองชนิดและเพนทานอ ล หรือเฮกซานอล มีสามไอโซเม อร์

เมื่อมีการแทนที่อะตอมในโมเลกุลหลัก ความสมมาตรของโครงสร้างมักจะลดลง ซึ่งหมายความว่าอะตอมที่เคยสมมูลกันอาจไม่สมมูลกันอีกต่อไป ดังนั้น การแทนที่อะตอมที่สมมูลกันสองอะตอมขึ้นไปด้วยธาตุเดียวกัน อาจทำให้เกิดไอโซเมอร์เชิงตำแหน่งได้มากกว่าหนึ่งชนิด

ตัวอย่างคลาสสิกคืออนุพันธ์ของเบนซีนไฮโดรเจนทั้งหกอะตอมนั้นมีโครงสร้างที่เทียบเท่ากัน เช่นเดียวกับคาร์บอนทั้งหกอะตอม เพราะโครงสร้างจะไม่เปลี่ยนแปลงหากสลับตำแหน่งอะตอมในลักษณะที่สอดคล้องกับการพลิกโมเลกุลหรือการหมุนโมเลกุลเป็นองศาเท่าของ 60 องศา ดังนั้น การแทนที่ไฮโดรเจนใดๆ ด้วยคลอรีนจะให้คลอโรเบนซีน เพียงชนิดเดียว อย่างไรก็ตาม ด้วยการแทนที่นั้น การสลับตำแหน่งอะตอมที่ทำให้ไฮโดรเจนเคลื่อนที่นั้นจะไม่ถูกต้องอีกต่อไป เหลือเพียงการสลับตำแหน่งเดียวเท่านั้น ซึ่งสอดคล้องกับการพลิกโมเลกุลโดยที่คลอรีนยังคงอยู่กับที่ ไฮโดรเจนที่เหลืออีกห้าอะตอมจึงจัดอยู่ในสามกลุ่มความเทียบเท่าที่แตกต่างกัน ได้แก่ อะตอมที่อยู่ตรงข้ามกับคลอรีนเป็นกลุ่มหนึ่ง (เรียกว่า ตำแหน่ง พารา ) อะตอมสองตัวที่อยู่ใกล้คลอรีนที่สุดเป็นอีกกลุ่มหนึ่ง ( ออร์โธ ) และอะตอมสองตัวที่เหลือเป็นกลุ่มที่สาม ( เมตา ) ดังนั้น การแทนที่ไฮโดรเจนด้วยคลอรีนครั้งที่สอง สามารถให้ไอโซเมอร์เชิงตำแหน่งได้สามแบบ ได้แก่1,2- หรือออร์โธ - , 1,3- หรือเมตา -และ1,4- หรือพารา - ไดคลอโรเบนซีน

ออร์โธ -ไดคลอโรเบนซีน	เมตา -ไดคลอโรเบนซีน	พารา -ไดคลอโรเบนซีน
1,2-ไดคลอโรเบนซีน	1,3-ไดคลอโรเบนซีน	1,4-ไดคลอโรเบนซีน

ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ จึงมีฟีนอล (ไฮดรอกซีเบนซีน) เพียงชนิดเดียว แต่มีเบนซีนไดออล ถึงสามชนิด และมีโทลูอีน (เมทิลเบนซีน) เพียงชนิดเดียว แต่มีโทลูออล ถึงสามชนิด และไซลีนถึง สามชนิด

ในทางกลับกัน การแทนที่ครั้งที่สอง (ด้วยหมู่แทนที่เดียวกัน) อาจรักษาสมมาตรของโมเลกุลไว้ หรือแม้แต่เพิ่มสมมาตรขึ้น และด้วยเหตุนี้จึงอาจรักษาหรือลดจำนวนชั้นสมมูลสำหรับการแทนที่ครั้งต่อไปได้ ดังนั้น ไฮโดรเจนที่เหลืออีกสี่อะตอมในเมตา -ได คลอโรเบนซีนยังคงอยู่ในสามชั้น ในขณะที่ไฮโดรเจนของออร์โธ - อยู่ในสองชั้น และไฮโดรเจนของพารา - ทั้งหมดก็สมมูลกันอีกครั้ง ถึงกระนั้น การแทนที่ 3 + 2 + 1 = 6 เหล่านี้บางส่วนก็ให้โครงสร้างเดียวกัน ดังนั้นจึงมีไตรคลอโรเบนซีน ที่ มี โครงสร้างแตกต่างกันเพียงสามชนิดเท่านั้น คือ1,2,3- , 1,2,4-และ1,3,5-

1,2,3-ไตรคลอโรเบนซีน	1,2,4-ไตรคลอโรเบนซีน	1,3,5-ไตรคลอโรเบนซีน

ถ้าหมู่แทนที่ในแต่ละขั้นตอนแตกต่างกัน โดยทั่วไปแล้วจะมีไอโซเมอร์โครงสร้างมากขึ้นไซลีนอลซึ่งเป็นเบนซีนที่มีหมู่ไฮดรอกซิลหนึ่งหมู่และหมู่เมทิลสองหมู่ มีไอโซเมอร์ทั้งหมด 6 ชนิด:

2,3-ไซลีนอล	2,4-ไซลีนอล	2,5-ไซลีนอล
2,6-ไซลีนอล	3,4-ไซลีนอล	3,5-ไซลีนอล

การแจกแจงหรือนับไอโซเมอร์โครงสร้างโดยทั่วไปเป็นปัญหาที่ยาก เนื่องจากต้องคำนึงถึงพันธะหลายประเภท (รวมถึงพันธะแบบไม่จำกัดตำแหน่ง) โครงสร้างแบบวงแหวน และโครงสร้างที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้จริงเนื่องจากข้อจำกัดด้านวาเลนซ์หรือเรขาคณิต ตลอดจนทอโทเมอร์ที่ไม่สามารถแยกออกจากกันได้

ตัวอย่างเช่น มีไอโซเมอร์โครงสร้างเก้าชนิดที่มีสูตรโมเลกุลC₃H₆O ซึ่งมี_{ลักษณะ การเชื่อมต่อพันธะแตกต่างกัน เจ็ด ชนิด}ในจำนวนนี้มีความเสถียรในอากาศที่อุณหภูมิห้อง และแสดงไว้ในตารางด้านล่าง

สารประกอบ ที่มีสูตร_{โมเลกุลC₃H₆O}

ชื่อ	โครงสร้างโมเลกุล	จุดหลอมเหลว ( ° C)	จุดเดือด ( ° C)	ความคิดเห็น
อัลลิลแอลกอฮอล์		–129	97
ไซโคลโพรพานอล			101–102
โพรพิโอนัลดีไฮด์		–81	48	เป็นทอโทเมอร์กับโพรพ-1-เอน-1-โอล ซึ่งมีทั้งรูปแบบสเตอริโอไอโซเมอร์ แบบ ซิสและทรานส์
อะซิโตน		-94.9	56.53	ทอโทเมอร์กับโพรเพน-2-โอล
ออกซีเทน		–97	48
โพรพิลีนออกไซด์		–112	34	มีรูปแบบเอนันติโอเมอร์ สองรูปแบบ
เมทิลไวนิลอีเทอร์		–122	6

ไอโซเมอร์โครงสร้างสองชนิดคือเอโนลทอโทเมอร์ของ ไอโซเมอร์ คาร์บอนิล (โพรพิโอนัลดีไฮด์และอะซิโตน) แต่ไอโซเมอร์เหล่านี้ไม่เสถียร^{[ 13 ]}

• ไอโซเมอริซึมเชิงการประสานงาน
• คำอธิบาย (เคมี)
• สเตอริโอไอโซเมอร์
• เมตาเมอริซึม (การแยกความหมาย)