Funktionelle Gruppe

Grundbegriff und Einteilung

Eine funktionelle Gruppe, auch charakteristische Gruppe genannt, ist in der Organischen Chemie ein Atom oder eine Atomgruppe, die bei jedem Auftreten – auch in verschiedenen Verbindungen – ähnliche Stoffeigenschaften und ein ähnliches Reaktionsverhalten zeigt. Ein Molekül wird deshalb gedanklich in ein relativ unreaktives Grundgerüst und eine oder mehrere funktionelle Gruppen gegliedert.

Moleküle mit mehreren unterschiedlichen funktionellen Gruppen heißen heteropolyfunktional; bei zwei solchen Gruppen spricht man von heterobifunktional. Beispiele sind Ethanolamin und L-Tyrosin. Enthält ein Molekül mehrere gleiche funktionelle Gruppen, wird es als homopolyfunktional beziehungsweise bei zwei Gruppen als homobifunktional bezeichnet. Beispiele sind Glycerin und Ethylenglycol.

Verbindungen mit gleichen funktionellen Gruppen, aber unterschiedlichen Alkyl- oder Arylresten werden wegen ihrer ähnlichen Eigenschaften zu Stoffklassen zusammengefasst. Funktionelle Gruppen können Heteroatome enthalten, meist O, N, S, P oder Halogene. Auch Gruppen ohne Heteroatome, etwa C=C-Doppelbindungen, C≡C-Dreifachbindungen und Aromaten, zeigen ein typisches Reaktionsverhalten und werden deshalb als funktionelle Gruppen oder Strukturbausteine betrachtet.

Bei anorganischen und metallorganischen Verbindungen können auch einfache Alkyl- oder Arylgruppen als funktionelle Gruppen gelten. Organische Seitenketten und funktionelle Gruppen werden dann zusammenfassend Organylgruppen genannt. Für Strukturformeln und Texte existieren außerdem Abkürzungen.

L-Tyrosin enthält eine Hydroxy-, eine Amino- und eine Carboxy-Gruppe. Es gehört dadurch zu den Aminosäuren und den Phenolen.

Einfluss auf die Eigenschaften

Eine funktionelle Gruppe beeinflusst die chemischen und physikalischen Eigenschaften einer Verbindung meist erheblich. Das zeigt der Vergleich von Butan mit drei strukturellen Abkömmlingen, die jeweils die gleiche Anzahl an Kohlenstoffatomen besitzen:

• Butan (H₃C–CH₂–CH₂–CH₃) ist gasförmig.
• Butansäure, auch Buttersäure genannt (H₃C–CH₂–CH₂–COOH), ist flüssig, übelriechend und reagiert sauer. Sie enthält eine Carboxy-Gruppe.
• Butan-2-amin, auch 2-Butylamin genannt (H₃C–CH(NH₂)–CH₂–CH₃), ist flüssig, übelriechend und reagiert basisch. Es enthält eine Amino-Gruppe.
• 4-Aminobutansäure, auch 4-Aminobuttersäure oder γ-Aminobuttersäure (GABA) genannt (H₂N–CH₂–CH₂–CH₂–COOH), ist fest. In wässriger Lösung liegt sie als Zwitterion H₃N⁺–CH₂–CH₂–CH₂–COO⁻ vor und enthält sowohl eine Amino- als auch eine Carboxy-Gruppe.

Formeln und Benennung nach der IUPAC

Nach der IUPAC wird grundsätzlich die substitutive Nomenklatur verwendet. Dabei erscheint eine funktionelle Gruppe im Namen entweder als Vorsilbe (Präfix) oder als Endung (Suffix). Die funktionelle Gruppe mit der höchsten Rangfolge wird als Suffix verwendet; alle anderen werden alphabetisch geordnet als Präfixe angegeben. Radikale und geladene Gruppen bilden eine Ausnahme und können kumulative Suffixe bilden.

Manche Präfixe und Suffixe werden durch Ersetzungsnomenklatur aus sauerstoffhaltigen Gruppen abgeleitet. Dabei kann beispielsweise das O-Atom durch Schwefel ersetzt werden: Aus -thio und -ol entsteht -thiol. Für manche Gruppen gibt es kein eigenes Präfix; sie werden aus kleineren enthaltenen Gruppen zusammengesetzt. Amide werden beispielsweise mit -oxo- und -amino- wie ein Keton und ein Amin behandelt.

Die wichtigsten Gruppen der nach abnehmender Priorität geordneten Übersicht sind:

• Säuren: Carbonsäuren R–COOH erhalten carboxy- sowie -carbonsäure oder -säure, zum Beispiel Butansäure. Peroxycarbonsäuren R–COOOH heißen unter anderem Ethanperoxosäure; Thiocarbonsäuren können die Endungen -carbothio-O-säure, -thio-O-säure, -carbothio-S-säure, -thio-S-säure, -carbodithiosäure oder -dithiosäure tragen. Sulfonsäuren R–SO₂–OH erhalten sulfo- und -sulfonsäure, Sulfinsäuren R–SO–OH sulfino- und -sulfinsäure. Auch die entsprechenden Carbonsäure-, Sulfon- und Sulfinsäuresalze werden mit Endungen wie -carboxylat, -sulfonat und -sulfinat bezeichnet.
• Anhydride R¹–CO–O–CO–R² heißen Carbonsäureanhydride; bei gleichen Säuren steht beispielsweise Essigsäureanhydrid.
• Ester R¹–CO–O–R² heißen Carbonsäureester und tragen beispielsweise die Endungen -carboxylat oder -oat; ein Beispiel ist Ethylacetat. Weitere Esterarten sind Thiolester R¹–CO–S–R², Sulfonsäureester R¹–SO₂–O–R² und Salpetersäureester R–O–NO₂ mit der Endung -nitrat, etwa Nitroglycerin und Nitrocellulose.
• Säurehalogenide R–CO–X heißen Carbonsäurehalogenide und werden mit Halogencarbonyl- beziehungsweise -carbonylhalogenid oder -oylhalogenid benannt, zum Beispiel Benzoylchlorid. Sulfonsäurehalogenide R–SO₂–X erhalten Halogensulfonyl- beziehungsweise -sulfonylhalogenid.
• Amide R–CO–NH₂ heißen Carbonsäureamide und erhalten carbamoyl- sowie -carboxamid oder -amid. Sulfonsäureamide R–SO₂–NH₂ werden mit sulfamoyl- und -sulfonamid bezeichnet. Carbonsäurehydrazide R–CO–NH–NH₂ erhalten hydrazinocarbonyl- sowie -carbohydrazid oder -ohydrazid. Imide besitzen die Struktur R¹–CO–NR²–CO–R³.
• Nitrile R–C≡N werden mit cyan- sowie -carbonitril oder -nitril bezeichnet, zum Beispiel Acetonitril.
• Aldehyde R–CO–H besitzen die Formyl-Gruppe. Mögliche Bezeichnungen sind formyl- oder oxo- sowie -carbaldehyd oder -al; Beispiele sind Formaldehyd und Acetaldehyd. Thioaldehyde R–CS–H erhalten thioformyl- oder thioxo- sowie -carbothialdehyd oder -thial.
• Ketone R¹–CO–R² enthalten eine Carbonylgruppe und werden mit oxo- sowie -on benannt; ein Beispiel ist Aceton. Thioketone R¹–CS–R² erhalten thioxo- sowie -thion oder -thioketon.
• Oxime R¹R²–C=N–OH werden als Hydroxyimino-Verbindungen mit Endungen wie -aloxim oder -onoxim bezeichnet. Alkohole und Phenole R–OH heißen mit dem Präfix hydroxy- oder der Endung -ol, zum Beispiel Methanol, Ethanol, Isopropanol und Phenol. Thiole R–SH erhalten sulfanyl- oder historisch mercapto- sowie -thiol oder -mercaptan; ein Beispiel ist Methylmercaptan.
• Hydroperoxide R–OOH werden mit hydroperoxy- und -peroxol bezeichnet. Für R–O–SH und R–S–OH gibt es die Bezeichnungen OS-thioperoxy- beziehungsweise SO-thioperoxy- sowie -OS-thioperoxol beziehungsweise -SO-thioperoxol.
• Amine R–NH₂ enthalten eine Amino-Gruppe und werden mit amino- und -amin bezeichnet, zum Beispiel Anilin und Aminosäuren. Imine R¹R²–C=N–R³ erhalten imino- und -imin. Hydrazone R¹R²–C=N–NH₂ werden mit hydrazono- und Endungen wie -alhydrazon oder -onhydrazon benannt.

In den Strukturangaben steht R für einen organischen Rest, X für ein Halogenid, Z für ein beliebiges Atom außer Wasserstoff und # für einen Lokanten, sofern sinnvoll.

Gruppen mit Rangfolge der Atome

Einige funktionelle Gruppen bestimmen nicht nur die Benennung einer Verbindung, sondern das Stammsystem. Ihre Rangfolge nimmt in dieser Reihenfolge ab: N (ohne die bereits genannten funktionellen Gruppen) > P > As > Sb > Bi > Si > Ge > Sn > Pb > B > Al > Ga > In > Tl > O (ohne die bereits genannten funktionellen Gruppen, Peroxide und Ether) > S (ohne Sulfide und Disulfide) > Se > Te > Halogenverbindungen mit mehr als zwei Atomen in der Kette > C > Ether, Sulfide, Sulfoxide, Sulfone > Peroxide > Halogenverbindungen mit einzelnen Halogenatomen.

Beispiele für solche Stammsysteme sind Hydrazin bei Hydrazinen R–NH–NH₂, Diazen bei Azoverbindungen R¹–NN–R², Ethen bei Alkenen R–C=C–R und Ethin bei Alkinen R–C≡C–R. Konkrete Beispiele sind Methylhydrazin, Diphenyldiazen (Azobenzol), Ethen, Buta-1,3-dien und Ethin.

Nur als Präfix verwendete Gruppen

Einige funktionelle Gruppen werden grundsätzlich nur als Präfixe verwendet. Sie besitzen keine eigene Rangfolge und werden alphabetisch in den Namen eingefügt. Dazu gehören:

• Halogenkohlenwasserstoffe R–X mit halogen-; Beispiele sind Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Frigen und Chloroform.
• Ether R¹–O–R² mit (R²yl)-oxy-; bei R = C₁–C₄ entfällt -yl. Nach der radikofunktionellen Nomenklatur heißen sie (R¹yl)-(R²yl)-ether. Beispiele sind Ethoxyethan (Diethylether) und Dioxan.
• Thioether R¹–S–R² mit (R²yl)-sulfanyl-, früher -thio-. Radikofunktionell heißen sie (R¹yl)-(R²yl)-sulfid; ein Beispiel ist Methylsulfanylmethan (Dimethylsulfid).
• Sulfoxide R¹–SO–R² mit sulfinyl-, Peroxide R¹–OO–R² mit (R-)dioxy- und Diazoverbindungen R¹R²–CNN mit diazo-, zum Beispiel Diazomethan.
• Isocyanate R–NCO, Isothiocyanate R–NCS und Isocyanide R–NC mit isocyanato-, isothiocyanato- beziehungsweise isocyan-.
• Nitrosoverbindungen R–NO mit nitrosyl-, Nitroverbindungen R–NO₂ mit nitro-, zum Beispiel Trinitrotoluol (TNT), sowie Diazoniumsalze R–NN⁺Z⁻ mit diazonium-.
• Cyanate R–OCN und Thiocyanate R–SCN mit cyanato- beziehungsweise thiocyanato-.

Alternative Nomenklatur

Neben der substitutiven IUPAC-Nomenklatur existieren weniger gebräuchliche oder veraltete Systeme. In der radikofunktionellen Nomenklatur wird Chlormethan beispielsweise als Methylchlorid und Ethanol als Ethylalkohol bezeichnet.