Istnieją dwa główne rodzaje izomerii związków organicznych:

1. Izomeria konstytucyjna – związana z różną kolejnością i sposobem powiązania atomów w cząsteczce. W ramach izomerii konstytucyjnej rozróżnia się izomerię łańcucha lub szkieletu węglowego, izomerię położenia (podstawienia) i izomerię funkcyjną (budowy);

2. Izomeria przestrzenna (stereoizomeria) – związana z różnym położeniem atomów cząsteczki w przestrzeni. Do izomerii przestrzennej zalicza się izomerię geometryczną, izomerię optyczną (enancjomerię) i izomerię konformacyjną. W obecnym opracowaniu zostaną omówione tylko dwa pierwsze rodzaje izomerii przestrzennej.

Przykłady izomerów konstytucyjnych pokazano na Rysunku 5.

Izomeria łańcucha występuje w związkach łańcuchowych i wynika z możliwości powstawania rozgałęzionych łańcuchów węglowych. Izomerami łańcucha są więc n-butan i 2-metylopropan. Związki te mają ten sam wzór sumaryczny: C₄H₁₀ (Rysunek 5a).

Związki cykliczne mogą tworzyć izomery szkieletowe. Cykloheksan i metylocyklopentan (Rysunek 5b) są izomerami szkieletowymi. Wzór sumaryczny każdego z tych związków to C₆H₁₂.

Izomeria położenia (podstawienia) związana jest z różnym położeniem grup funkcyjnych w cząsteczkach izomerów. W przypadku związków nienasyconych ta izomeria dotyczy różnego miejsca występowania wiązania wielokrotnego w cząsteczce. Butan-1-ol i butan-2-ol pokazane na Rysunek 5c oraz but-2-yn i but-1-yn pokazane na Rysunek 5d są więc izomerami położenia.

Izomery funkcyjne, nazywane inaczej izomerami budowy, to związki zawierające różne grupy funkcyjne, a więc należące do różnych klas związków organicznych. To właśnie te izomery różnią się nie tylko właściwościami fizycznymi, ale też chemicznymi. Izomerami funkcyjnymi są etanol i eter dimetylowy oraz but-1-en i cyklobutan przedstawione na Rysunku 5e-f.

Przykłady izomerów przestrzennych przedstawiono na Rysunku 6 i Rysunku 7.

Izomeria geometryczna jest charakterystyczna dla związków zawierających wiązania podwójne, a także dla cyklicznych związków nasyconych. W przypadku tych pierwszych, jej przyczyną jest brak możliwości obrotu atomów wokół wiązania podwójnego, co powoduje, że położenie w przestrzeni podstawników znajdujących się przy atomach węgla połączonych wiązaniem podwójnym, jest ustalone. Jeżeli podstawniki znajdują się po tej samej stronie wiązania podwójnego, to taki izomer nazywa się izomerem cis, jeśli po przeciwnej – izomerem trans. W przypadku nasyconych związków cyklicznych izomeria geometryczna związana jest z różnym położeniem podstawników względem pierścienia węglowego. W izomerach cis- podstawniki występują po tej samej stronie pierścienia, w izomerach trans- po przeciwnych stronach. Przykłady izomerów geometrycznych związków zawierających wiązania podwójne i nasyconych związków cyklicznych pokazano na Rysunku 6.

Izomerię optyczną wykazują związki zawierające tak zwane centrum stereogeniczne. Takim centrum może być asymetryczny atom węgla, czyli atom węgla połączony z czterema różnymi podstawnikami. Cząsteczki izomerów optycznych są chiralne, to znaczy mogą występować w dwóch formach, pozostających względem siebie jak odbicia lustrzane. Chiralne są tylko takie cząsteczki, które nie mają środka ani płaszczyzny symetrii. Pozostałe cząsteczki nazywa się achiralnymi. Dwie cząsteczki chiralne, będące nienakładalnymi na siebie odbiciami lustrzanymi, to izomery optyczne lub enancjomery. Enancjomery wykazują czynność optyczną, czyli skręcają płaszczyznę polaryzacji światła. Jeśli jeden z enancjomerów skręca płaszczyznę polaryzacji światła w prawo (+), to drugi o taki sam kąt w lewo (-). Równomolowa mieszanina enancjomerów nie wykazuje więc czynności optycznej. Nazywa się ją mieszaniną racemiczną lub racematem. Przykłady enancjomerów przedstawiono na Rysunku 7 Zapisano je w postaci bardzo wygodnych do analizy budowy izomerów optycznych wzorów projekcyjnych Fischera. Są one rzutem przestrzennej cząsteczki związku nasyconego na płaszczyznę kartki. W przecięciach linii znajduje się asymetryczny atom węgla, który - zgodnie z powszechnie przyjętą zasadą – zaznaczono gwiazdką.

 

Jeżeli liczba asymetrycznych atomów węgla w cząsteczce związku organicznego wynosi n, to taki związek ma 2n stereoizomerów, o ile przy żadnym z asymetrycznych atomów węgla nie znajdują się identyczne podstawniki. Jeśli asymetryczne atomy węgla połączone są z identycznymi podstawnikami, to liczba stereoizomerów zmniejsza się. Spośród tych związków, izomery nie będące względem siebie enancjomerami nazywają się diastereoizomerami. Stereoizomery 2,3-dibromopentanu, tj. związku zawierającego dwa asymetryczne atomy węgla, przedstawiono na Rysunku 8. Pary związków oznaczone literami A i B, C i D są enancjomerami. Związki A i C, A i D, B i C, B i D to diastereoizomery.