Nomenklatur (Organische Chemie)

Zweck und grundlegende Benennungsarten

Die organisch-chemische Nomenklatur umfasst Trivialnamen sowie systematische Namen. Ein Name soll Struktur sowie gegebenenfalls Konfiguration und Konformation einer Verbindung eindeutig beschreiben. Umgekehrt kann eine Strukturformel mehrere mögliche Namen besitzen. Die umfassendsten Regeln stammen von der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) und werden im „Blue Book“ veröffentlicht.

Die wichtigste Methode ist die substitutive Nomenklatur. Sie geht von einem Stammsystem als atomarem Grundgerüst aus. Wasserstoffatome dieses Grundgerüsts werden durch Substituenten, Mehrfachbindungen, Ladungen oder Radikale ersetzt. Substituenten sind Atome, Seitenketten oder funktionelle Gruppen, die ein Wasserstoffatom substituieren. Die ranghöchste funktionelle Gruppe, ein Radikal oder ein Ion bestimmt das Suffix; weitere Substituenten stehen als Präfixe davor. Lokanten, meist Nummern der C-Atome, geben ihre Position an. Deskriptoren wie cis-, trans-, (E)-, (Z)-, (R)- oder (S)- ergänzen den Namen um Angaben zur räumlichen Struktur.

Beispiel: Milchsäure heißt substitutiv 2-Hydroxypropansäure. Das Stammsystem ist Propan; Hydroxy- und (Carbon-)säuregruppe ersetzen Wasserstoffatome.

Weitere Verfahren haben besondere Anwendungsbereiche: Die radikofunktionelle Nomenklatur, etwa Methylalkohol für Methanol, wird vor allem noch für Carbonsäureester, Carbonsäurehalogenide und Pseudohalogene verwendet. Die multiplikative Nomenklatur beschreibt mehrere identische Stammsysteme, zum Beispiel 1,1',1''-Methantriyltribenzol für Triphenylmethan. Die Ersetzungs- oder „a“-Nomenklatur ersetzt Atome im Grundgerüst; 18-Krone-6 heißt so 1,4,7,10,13,16-Hexaoxacyclooctadecan. Die funktionelle Ersetzungsnomenklatur nennt den Ersatz von Sauerstoff durch Halogene, Chalkogene oder Stickstoff, etwa Ethanperoxosäure für Peroxyessigsäure. Die konjunktive Nomenklatur kann cyclische Substituenten an einem acyclischen, die ranghöchste Gruppe tragenden Stamm benennen, wird von der IUPAC jedoch nicht empfohlen.

Bei der Namensbildung werden substitutive, ersetzende, additive, subtraktive, konjunktive, multiplikative und Fusionsoperationen unterschieden. Sie ersetzen oder entfernen Atome beziehungsweise Wasserstoff, fügen Bausteine zusammen oder vereinigen Ringe.

Stammsysteme und Ringsysteme

Stammsysteme sind die Grundgerüste, auf die die Benennungsoperationen angewendet werden. Sie können Stammhydride mit oder ohne funktionelle Gruppe sein, etwa Cyclohexan oder Cyclohexanol, oder Stammverbindungen wie Essigsäure. Bei ihrer Auswahl muss das System unter anderem möglichst viele ranghöchste funktionelle Gruppen und möglichst viele Atome in der Reihenfolge N > P > … > C enthalten; bei gleichen Stoffklassen wird ein Ring gegenüber einer Kette bevorzugt. Die frühere Regel, eine Stammkette müsse möglichst viele Mehrfachbindungen enthalten, ist veraltet und der maximalen Atomzahl untergeordnet.

Stammhydride besitzen eine festgelegte Anzahl von Wasserstoffatomen. Sie sind gesättigte Ketten oder Ringe beziehungsweise ungesättigte Ringe mit der maximalen Zahl nichtkumulierter Doppelbindungen („mancude“, maximal number of non cumulated double bonds). Gesättigte acyclische Kohlenwasserstoffe heißen Alkane und enden auf -an. Die Namen Methan, Ethan, Propan und Butan bleiben erhalten; weitere Namen werden aus Zahlwörtern für die Zahl der C-Atome gebildet. Beispiele sind C32H66 = Dotriacontan, C99H200 = Nonanonacontan und C403H808 = Tritetractan. Ausnahmen sind unter anderem Undecan für 11, Icosan für 20 und Henicosan für 21 C-Atome.

Gesättigte monocyclische Kohlenwasserstoffe erhalten zusätzlich cyclo-, zum Beispiel Cyclohexan. Monocyclische Verbindungen mit mehr als sechs C-Atomen und maximal vielen nichtkumulier­ten Doppelbindungen können [n]Annulene heißen; Benzol behält seinen Trivialnamen. Heteromonocyclen enthalten Heteroatome. Für Ringe bis zehn Gliedern dient das Hantzsch-Widman-System: Präfixe bezeichnen Art und Position der Heteroatome, die Endung Ringgröße und Sättigung. Oxolan ist beispielsweise ein fünfgliedriger gesättigter Ring mit Sauerstoff; der häufige Name lautet Tetrahydrofuran.

Anellierte Ringe besitzen eine gemeinsame Bindung. Für zahlreiche polycyclische Kohlenwasserstoffe bleiben Namen wie Naphthalin, Anthracen oder Phenanthren erhalten; weitere Ringe können als Vorsilben eingefügt werden, etwa in Indeno(2,3-cd)pyren. Bei verbrückten Systemen verbindet eine Bindung oder Kette zwei verschiedene Atome. Das Von-Baeyer-System bestimmt Brückenköpfe und gibt die Brückenlängen in eckigen Klammern an: Norbornan heißt Bicyclo[2.2.1]heptan. Spiroverbindungen besitzen dagegen genau ein gemeinsames Spiro-Atom. Die Atomzahlen beider Ringe ohne dieses Atom stehen aufsteigend in Klammern, zum Beispiel im Stammsystem spiro[4.4]nonan von 1,6-Dioxaspiro[4.4]nonan-2,7-dion.

Mehrfachbindungen, Substituenten und funktionelle Gruppen

Das Stammsystem hat eine definierte Wasserstoffpopulation. Additive oder subtraktive Operationen erlauben Namen für abweichende Wasserstoffzahlen. Doppelbindungen entstehen durch Entfernen von Wasserstoff und erhalten bei Kohlenwasserstoffen die Endung -en, Dreifachbindungen die Endung -in. Ihr Lokant steht unmittelbar vor der Endung: CH2=CH–CH2–CH3 heißt But-1-en, CH3–CH=CH–CH3 But-2-en und CH≡C–CH2–CH3 But-1-in. Bei mehreren Bindungen werden di-, tri-, tetra- usw. verwendet: Buta-1,3-dien und Hepta-1,3,5-triin. Eine Verbindung mit beiden Bindungsarten kann Hept-1-en-4-in heißen.

Bei Ringen mit normalerweise maximal vielen konjugierten Doppelbindungen zeigen dihydro-, tetrahydro-, hexahydro- usw. zusätzliche Wasserstoffatome an, etwa 1,2-Dihydropyridin. Ein einzelnes zusätzliches Atom Wasserstoff wird als indiziertes H vorangestellt, zum Beispiel 4H-Pyrazol. dehydro- zeigt entfernte Wasserstoffatome an, etwa in 1,2-Didehydrobenzol.

Substituenten werden als Präfix oder, bei der ranghöchsten funktionellen Gruppe, als Suffix an den Stammnamen angefügt. Mehrere Präfixe werden alphabetisch geordnet; multiplizierende Vorsilben beeinflussen diese Reihenfolge nicht. Ein Stammsystem als einfach, doppelt oder dreifach gebundener Substituent endet auf -yl, -yliden oder selten -ylidin. Beispiele sind Methyl (–CH3), Methyliden (=CH2), Ethinyl (–C≡CH), Propan-2-yl, Prop-2-enyl und Cyclohexyl. Daraus ergeben sich etwa 2-Methylpropan und 3-Ethyl-5-methylheptan. Erhaltene Trivialnamen für weiter substituierbare Reste sind Phenyl und Benzyl; Isopropyl, Vinyl und Allyl sind nur für die allgemeine Nomenklatur erlaubt und dürfen im Allgemeinen nicht weiter substituiert werden.

Funktionelle Gruppen haben eine Rangfolge: Die ranghöchste wird als Suffix, die übrigen als Präfixe genannt. Deshalb heißt CH3–CH(OH)–CH3 Propan-2-ol, während bei CH3–CH(OH)–C(OOH) die Carbonsäure Vorrang hat und der Name 2-Hydroxypropansäure lautet. Die Rangfolge beginnt im Artikel mit Radikalen, Radikalanionen, Radikalkationen, Anionen, Kationen, Zwitterionen, Säuren, Anhydriden, Estern und Säurehalogeniden.

Zusammensetzung und Zeichensetzung der Namen

Lokanten beschreiben Positionen von Atomen oder Gruppen; meist sind sie arabische Zahlen. Bei Bedarf unterscheiden Hochkommas gleiche Lokanten in verschiedenen Strukturteilen, etwa 1′, 2′′, N′ oder α′. Die Nummerierung soll zuerst der prioritären Gruppe und dann Mehrfachbindungen möglichst kleine Nummern geben. Außerdem gilt die kleinste erste unterscheidbare Zahl, nicht die kleinste Summe aller Zahlen. Daher heißt eine Verbindung 2-Methylpentan statt 4-Methylpentan und ClCH2–CF3 2-Chlor-1,1,1-trifluorethan statt 1-Chlor-2,2,2-trifluorethan. Lokanten stehen direkt vor dem betroffenen Namensteil: Propan-2-ol, nicht 2-Propanol. Sie dürfen nur in bestimmten Fällen wegfallen, etwa bei Ethanol, Cyclohexanol oder Hexachlorbenzol.

Gleiche Substituenten, Gruppen oder Mehrfachbindungen erhalten di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta- usw.: 1,3,5-Trimethylbenzol, Tetrachlormethan, Ethandisäure und 2-Methylbuta-1,3-dien. Für identische, bereits weiter substituierte Seitenketten werden bis-, tris- oder tetrakis- verwendet; für direkt verknüpfte identische Einheiten bis-, ter- oder quater-.

Kommas trennen Lokanten derselben Reihe, etwa in 1,2-Dichlorethan. Punkte trennen Ringgrößenindikatoren im Von-Baeyer-System, zum Beispiel Bicyclo[3.3.0]octan. Doppelpunkte trennen zusammenhängende Lokantensätze, Semikolons stärker getrennte Sätze. Bindestriche trennen unter anderem Lokanten von Namensteilen und Stereodeskriptoren vom Namen, etwa But-2-en und (E)-But-2-en. Zahlwörter werden dagegen ohne Bindestrich verbunden.

Klammern machen verschachtelte Angaben eindeutig. In organischen Namen werden von innen nach außen runde, eckige und geschweifte Klammern verwendet: {[( )]}. Runde Klammern umfassen beispielsweise weiter substituierte Substituenten wie (Chlormethyl)silan. Eckige Klammern geben unter anderem Verschmelzungsstellen anellierter Ringe an, etwa Benzo[a]anthracen, die Brückenzahlen in Bicyclo[4.4.0]decan oder die Ringgrößen in Spiro[2.4]heptan.

Räumliche Struktur und weitere Kennzeichnungen

Stereoisomere haben dieselbe Verknüpfung der Atome, unterscheiden sich aber in ihrer räumlichen Anordnung. Für tetraedrische Stereozentren stehen die kursiven Stereodeskriptoren R oder S nach den Cahn-Ingold-Prelog-Regeln (CIP-Regeln) in runden Klammern vor dem Namen. Ein 1:1-Gemisch beider Enantiomere heißt Racemat und kann mit rac, für allgemeine IUPAC-Namen auch mit RS oder SR, gekennzeichnet werden. Unsichere oder unbekannte R-/S-Konfigurationen werden mit ξ oder Ξ angegeben. Die Fischer-Nomenklatur mit D- und L- wird besonders bei Kohlenhydraten und Aminosäuren verwendet; (+) und (−) bezeichnen den Drehsinn optisch aktiver Verbindungen. R/S, D/L und (+)/(−) lassen sich nicht jeweils voneinander ableiten. D-Glucose kann beispielsweise als (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexanal bezeichnet werden.

An Doppelbindungen kennzeichnen E („entgegen“) und Z („zusammen“) die Konfiguration. Der Lokant steht unmittelbar vor E oder Z, und der vollständige Deskriptor steht in Klammern. Beim Z-Isomer liegen die nach CIP-Regeln jeweils höherrangigen Substituenten auf derselben Seite, beim E-Isomer auf entgegengesetzten Seiten. Haben beide Doppelbindungs-C-Atome je ein Wasserstoffatom, sind auch cis und trans erlaubt: trans-1,2-Dibromethen entspricht (E)-1,2-Dibromethen, cis-1,2-Dibromethen entspricht (Z)-1,2-Dibromethen. Anomere von Kohlenhydraten werden mit α- oder β- unterschieden. Für Naturstoffe bestehen weitere Regeln, etwa die sn-Nomenklatur für Glycerin.

Außerhalb der IUPAC-Namen dienen weitere Standards der eindeutigen oder praktischen Kennzeichnung: E-Nummern bezeichnen in der Europäischen Union zugelassene Lebensmittelzusatzstoffe, ISO-Kurzzeichen Kunststoffe und Recycling-Codes, und der Colour Index Farbstoffe und Pigmente. CAS-Nummern sind eindeutige Identifikatoren für Stoffe und Gemische; die CAS-Datenbank umfasste im April 2018 rund 140 Millionen Einträge. UN-Nummern ordnen Gefahrgüter einzelnen Stoffen oder Gruppen gleicher Gefahr zu. EG-Nummern sind für in der EU gehandelte Stoffe eine wichtige Ordnungskategorie des europäischen Chemikalienrechts, insbesondere der REACH-Verordnung.