Referenz Organische Chemie

Kohlenstoff ist das einzige Element, das vier Bindungen eingeht, eine mittlere Elektronegativität hat und sich mit sich selbst zu Ringen, Verzweigungen und Gerüsten verkettet — so sehr, dass die organische Chemie, die Chemie der Kohlenstoffverbindungen, Millionen bekannter Stoffe umfasst, während alle anderen gut hundert Elemente zusammen nur einen kleinen Teil ausmachen. Der Name ist ein historisches Überbleibsel: Chemiker glaubten einst, diese Verbindungen brauchten eine „Lebenskraft“ aus Lebewesen, bis Wöhler 1828 aus anorganischen Salzen den Harnstoff des Urins herstellte. Das Grundgerüst des Fachs ist einfach zu beschreiben: ein weitgehend reaktionsträges Kohlenwasserstoffgerüst, das eine oder mehrere funktionelle Gruppen trägt, die die eigentliche Chemie ausführen.

Das Panel funktionelle Gruppen listet 18 Gruppen nach der IUPAC-Prioritätsreihenfolge. Priorität bezeichnet hier die Nomenklatur, nicht die Reaktivität: Trägt ein Molekül mehrere Gruppen, bestimmt die Gruppe mit der höchsten Priorität die Endung, die übrigen werden zu Präfixen herabgestuft — Milchsäure, CH₃CH(OH)COOH, heißt offiziell 2-Hydroxypropansäure: „-säure“ hat Vorrang vor „-ol“. Die allgemeinen Formeln verwenden R (eine beliebige Kohlenstoffkette) als Zuschauer, und genau darin liegt der Punkt: Ersetzt man R, bemerkt die Chemie der Gruppe kaum etwas davon.

Die Benennung läuft in vier festen Schritten ab: (1) die längste zusammenhängende Kette mit der Hauptgruppe finden, (2) sie so nummerieren, dass die Hauptgruppe (oder der erste Substituent) die niedrigste Locant-Zahl erhält, (3) die Substituenten alphabetisch mit Positionsnummern auflisten, (4) die Endung der siegreichen Gruppe anhängen. Das Beispiel CH₃CH(CH₃)CH₂CH₃ im Alkan-Panel zeigt den Klassiker: Fünf Atome in der längsten Kette? Nein — vier, also heißt es 2-Methylbutan und nicht Pentan. Zwei Gruppen entziehen sich der Nummerierung ganz: Aldehyd- und Carboxylkohlenstoff sind per Definition immer C1.

Die Summenformel allein bestimmt nichts über die Struktur. C₄H₁₀ ist Butan (unverzweigt) oder 2-Methylpropan (verzweigt) — gleiche Atome, andere Verknüpfung, andere Siedepunkte (−0,5 °C gegenüber −11,7 °C). C₂H₆O ist Ethanol (flüssig, mit Wasserstoffbrücken) oder Dimethylether (gasförmig) — eine Isomerie funktioneller Gruppen so drastisch, dass sich beide kaum ähneln. Das Panel Isomertypen sortiert all das: Kettenisomerie, Stellungsisomerie, Isomerie funktioneller Gruppen sowie Tautomerie (Keto ↔ Enol), das dynamische Gleichgewicht, das die biologische Chemie ständig nutzt.

Die Verknüpfung kann identisch sein, und das Molekül existiert trotzdem in zwei Varianten. Geometrische Isomere (cis/trans, E/Z) benötigen eingeschränkte Drehbarkeit — eine Doppelbindung oder einen Ring — damit die Bruchstücke auf ihrer Seite festgehalten bleiben. Enantiomere sind nicht deckungsgleiche Spiegelbilder (wie Ihre Hände): Sie drehen polarisiertes Licht in entgegengesetzte Richtungen und können vor allem unterschiedliche biologische Wirkungen haben, weil Enzyme und Rezeptoren selbst chiral sind. Diastereomere sind Stereoisomere, die keine Spiegelbilder sind, und meso-Verbindungen haben chirale Zentren, heben sich aber intern auf. Schon die Drehung um Einfachbindungen erzeugt Konformationsisomere — Sessel- und Wannenform des Cyclohexans sind das berühmte Paar. E/Z-Benennung ist die strenge Form von cis/trans: Z (zusammen) setzt die Gruppen hoher Priorität auf dieselbe Seite, E (entgegen) auf entgegengesetzte — unverzichtbar, wenn keines der Enden identische Gruppen trägt.

Alkane sind gesättigt: C_nH_2n+2, jeder Kohlenstoff ist voll mit Wasserstoff, chemisch träge. Fügt man eine Doppel- oder Dreifachbindung hinzu, wird die Verbindung ungesättigt — C_nH_2n bei einer Doppelbindung — mit einem Bereich hoher Elektronendichte, der einen Angriff herausfordert. Dieser eine Unterschied treibt die Reaktionsfamilien an: Alkene gehen Additionen ein (HBr addiert sich über die Doppelbindung, wobei nach Markownikow das H an den weniger substituierten Kohlenstoff geht), während Alkane nur radikalische Substitution unter UV-Licht zulassen. Das Abzählen der Wasserstoffe gegenüber C_nH_2n+2 ist der Standardweg, Ringe und Mehrfachbindungen allein aus der Formel zu finden.

Vierzehn Reaktionskarten lassen sich auf wenige wiederkehrende Denkmuster zurückführen. Die Substitution tauscht eine Abgangsgruppe gegen ein Nucleophil über zwei konkurrierende Wege: SN1 verläuft über ein Carbokation in zwei Schritten (der erste langsam, der zweite schnell) mit Kinetik erster Ordnung und ist bei tertiären Substraten in polar-protischen Lösungsmitteln begünstigt; SN2 ist ein einstufiger Rückseitenangriff mit Kinetik zweiter Ordnung und vollständiger Konfigurationsumkehr und ist bei primären Substraten in polar-aprotischen Lösungsmitteln begünstigt. Addition und Eliminierung sind Gegenstücke (eine Doppelbindung entsteht bzw. verschwindet). Die Oxidation steigt eine Leiter hinauf — primärer Alkohol → Aldehyd → Carbonsäure — während die Reduktion (NaBH₄, LiAlH₄, H₂/Pt) sie hinabsteigt, wobei jede Sprosse in Verkleidung ein Zweielektronen-Schritt ist (siehe Redox).

• Organisch bedeutet natürlich oder lebend. Es bedeutet kohlenstoffbasiert. Kunststoffe, Benzin und Aspirin sind ebenso organisch wie Zucker; Wöhlers Harnstoffsynthese beendete 1828 die Lehre von der Lebenskraft.
• Isomere haben ähnliche Eigenschaften. Ethanol siedet bei 78 °C, sein Isomer Dimethylether bei −24 °C. Andere Architektur bedeutet andere Physik.
• Die Prioritätentabelle ordnet die Reaktivität. Sie ordnet nur die Namensgebung — ein Säurechlorid ist weit reaktiver als eine Carbonsäure, obwohl es in der Nomenklatur weiter unten steht.
• 2-Methylbutan und Pentan sind dasselbe. Maßgeblich ist die längste zusammenhängende Kette: Die Verzweigung zählt nicht. Pentan bräuchte fünf verbundene Kohlenstoffe.

Verwandte Werkzeuge: Spektroskopie (wie man diese funktionellen Gruppen identifiziert), Chemische Bindung (warum C–C-Ketten stabil sind) und der Struktureditor zum Zeichnen.