Zwei Moleküle können dieselbe chemische Formel haben und sich völlig unterschiedlich verhalten. Ethanol und Dimethylether haben beide die Summenformel C₂H₆O. Ethanol ist eine Flüssigkeit, die sich mit Wasser mischt und betrunken macht. Dimethylether ist ein Gas, das als Treibstoff verwendet wird. Gleiche Atome, unterschiedliche Anordnung. Sie sind Isomere. Die Formel gibt Auskunft über die Zusammensetzung. Die Struktur gibt Auskunft über die Funktion.

Es gibt verschiedene Arten von Isomeren. Strukturisomere unterscheiden sich in der Art der Atomverknüpfung. Butan und Isobutan sind Strukturisomere. Stereoisomere haben die gleiche Verknüpfung, unterscheiden sich aber in ihrer räumlichen Anordnung. Cis-trans-Isomere unterscheiden sich in der Geometrie um eine Doppelbindung oder einen Ring. Enantiomere sind Spiegelbilder, die nicht deckungsgleich sind, wie die linke und die rechte Hand. Sie können dramatisch unterschiedliche biologische Wirkungen haben. Thalidomid ist ein klassisches Beispiel: Ein Enantiomer behandelte Schwangerschaftsübelkeit, das andere verursachte Geburtsfehler.

Isomerie spielt eine wichtige Rolle bei der Arzneimittelentwicklung. Ein Wirkstoff muss die richtige Struktur aufweisen, um an sein Zielmolekül zu binden. Das falsche Isomer kann unwirksam oder sogar schädlich sein. Zulassungsbehörden fordern Arzneimittelhersteller daher auf, jedes Isomer separat zu charakterisieren und zu testen.