광학 이성질체(光學異性質體)는 광학 활성을 갖는 두 분자가 서로 거울 대칭 관계를 이루는 입체 이성질체의 한 종류이다. 일반적으로 거울상 이성질체(鏡像異性質體, enantiomer)와 동의어로 사용된다.
광학 이성질체를 이루는 두 분자는 서로 거울상이지만, 아무리 회전시켜도 완전히 겹쳐지지 않는 성질(카이랄성, chirality)을 가진다. 이러한 성질은 분자 내에 네 개의 서로 다른 치환기가 결합된 탄소 원자(카이랄 중심 또는 비대칭 탄소)가 존재할 때 주로 나타난다. 카이랄 중심은 탄소뿐만 아니라 질소, 황 등의 원자에서도 형성될 수 있다.
광학 이성질체는 원소의 종류와 개수, 분자량, 녹는점, 끓는점 등 일반적인 물리적·화학적 성질이 동일하다. 그러나 다음 두 가지 측면에서 차이를 보인다. 첫째, 평면 편광(plane-polarized light)을 통과시킬 때 편광면을 회전시키는 방향이 서로 반대이다. 둘째, 다른 카이랄 환경(예: 효소나 생체 수용체)에서 서로 다르게 반응하므로 생물학적 활성이 다를 수 있다.
광학 이성질체를 구분하는 명명법은 크게 세 가지가 있다. 첫째, 편광면의 회전 방향에 따라 (+)(우회전성, dextrorotatory)와 (-)(좌회전성, levorotatory)로 표기한다. 둘째, 피셔 투영도(Fischer projection)에서 특정 치환기의 배열에 따라 D형과 L형으로 구분한다. 셋째, 칸-인골드-프렐로그 순위 규칙(CIP 규칙)에 따라 카이랄 중심의 입체 배열을 R(Rectus)과 S(Sinister)로 지정한다. 이 세 체계는 서로 독립적이므로, 예를 들어 R형이 반드시 (+)(우회전성)인 것은 아니다.
광학 이성질체의 역사는 1815년 프랑스의 물리학자 장바티스트 비오(Jean-Baptiste Biot)가 광학 활성도를 발견한 것에서 시작된다. 이후 1848년 루이 파스퇴르(Louis Pasteur)가 타타르산(tartaric acid)의 결정을 현미경으로 관찰하여 광학 이성질체를 최초로 분리해 냈다.
광학 이성질체는 의약학 분야에서 중요한 의미를 가진다. 대표적인 사례로 탈리도마이드(thalidomide)는 한쪽 거울상 이성질체는 입덧 진정 효과가 있었으나 다른 쪽은 기형을 유발하는 효과가 있어 참사로 이어졌다. 생명체에서 자연적으로 생성되는 아미노산은 대부분 L형, 당류는 대부분 D형으로 존재한다.
