Organische Chemie

Gegenstand und Abgrenzung

Die organische Chemie (OC, Organik) ist das Teilgebiet der Chemie, das vor allem Verbindungen des Kohlenstoffs behandelt. Kohlenstoff kann sehr viele unterschiedliche Bindungen eingehen; deshalb gibt es eine besonders große Vielfalt organischer Stoffe. Organische Moleküle enthalten neben Kohlenstoff häufig Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Halogene oder Phosphor. Ihre Struktur und ihre funktionellen Gruppen bestimmen ihre Eigenschaften.

Zur Organik gehören grundsätzlich Verbindungen des Kohlenstoffs mit sich selbst und anderen Elementen, darunter die Bausteine des bekannten Lebens. 2012 waren etwa 40 Millionen organische Verbindungen bekannt. Ausgenommen sind formal die elementaren Kohlenstoffformen Graphit und Diamant sowie systematisch Verbindungen ohne Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung, etwa Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Schwefelkohlenstoff, Kohlensäure und Carbonate, Carbide sowie ionische Cyanide, Cyanate und Thiocyanate.

Einige Stoffe sind Grenzfälle: Blausäure kann als Nitril der Ameisensäure aufgefasst werden, wird traditionell aber der anorganischen Chemie zugeordnet. Bei „Cyaniden“ sind in der Anorganik Salze der Blausäure gemeint; die gleich benannten Ester sind als Nitrile organische Stoffe. Auch Cyansauerstoffsäuren, Thiocyansäuren und ihre Ester sowie die metallorganische Chemie lassen sich nicht eindeutig zuordnen.

Auch Kunststoffe und Erdöl sind organische Stoffe. Erdöl, Erdgas und Kohle sind Ausgangsstoffe vieler Syntheseprodukte und letztlich organischen Ursprungs. Lebewesen enthalten unter anderem Aminosäuren, Proteine, Kohlenhydrate und DNA. Die Biochemie beziehungsweise Molekularbiologie untersucht organische Stoffe und Stoffwechselprozesse in Lebewesen.

Kohlenstoffgerüste und Stoffgruppen

Das Kohlenstoffatom besitzt vier Bindungselektronen. Es kann unpolare Bindungen mit ein bis vier weiteren Kohlenstoffatomen bilden. Dadurch entstehen lineare oder verzweigte Ketten und Ringe; an den übrigen Bindungsstellen können Wasserstoff oder andere Elemente gebunden sein. So sind auch sehr große Moleküle wie Homo- und Heteropolymere möglich. Silicium ist ebenfalls vierbindig und bildet zahlreiche Verbindungen, aber keine vergleichbare Vielfalt.

Die Molekülstruktur prägt die Eigenschaften organischer Stoffe stark, auch bei einfachen Salzen wie Acetaten. Isomere besitzen dieselbe Summenformel, also dieselbe Gesamtzusammensetzung, aber unterschiedliche Strukturformeln und damit unterschiedliche Strukturen. Organische Moleküle können meist schrittweise aufgebaut werden; darin unterscheiden sich viele organische von anorganischen Synthesen.

Eine Einteilung erfolgt nach funktionellen Gruppen, also Atomgruppen, die das typische Reaktionsverhalten mitbestimmen. Kohlenwasserstoffe ohne funktionelle Gruppe sind Ausgangsstoffe der Organik und Grundlage der Nomenklatur. Weitere Gruppen sind Halogenkohlenwasserstoffe; Sauerstoff- und Hydroxyverbindungen wie Alkohole, Aldehyde, Ester, Ether, Ketone und Carbonsäuren; Stickstoffverbindungen wie Amine, Amide, Diazoniumsalze, Nitroverbindungen und Nitrile; Schwefelverbindungen sowie Phosphorverbindungen. Metallorganische Verbindungen werden ebenfalls genannt.

Nach dem Kohlenstoffgerüst unterscheidet man aliphatische Kohlenwasserstoffe, darunter acyclische gesättigte Alkane sowie ungesättigte Alkene und Alkine, außerdem cyclische Kohlenwasserstoffe und aromatische Kohlenwasserstoffe. Zu Aromaten gehören einfache und kondensierte Aromaten. Weitere Gruppen sind Heterocyclen sowie biochemische Verbindungen wie Alkaloide, Aminosäuren, Kohlenhydrate, Proteine, Steroide, Terpene und Vitamine.

Synthese, Reaktionsmechanismen und Laborarbeit

Die organische Chemie untersucht, wie Säuren, Basen sowie anorganische und organische Reagenzien auf organische Stoffe wirken. Ziel ist es, Gesetzmäßigkeiten für funktionelle Gruppen und Stoffgruppen zu erkennen und gezielt neue Stoffe herzustellen. Synthetisiert werden Naturstoffe wie Zucker, Peptide, Naturfarbstoffe, Alkaloide und Vitamine, aber auch Stoffe ohne natürliches Vorbild, etwa Kunststoffe, Ionenaustauscher, Arzneistoffe, Pflanzenschutzmittel und Kunstfasern.

Die Strukturformel ist der Bauplan eines Moleküls. Sie wird aus der Stoffanalyse abgeleitet: benötigt werden mindestens die Gehalte an Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, die funktionellen Gruppen und die molare Masse. NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie verkürzten seit Anfang der 1960er Jahre die Strukturaufklärung komplizierter Stoffe erheblich. Aus der Veränderung der Strukturformel vor und nach einer Reaktion lässt sich der Reaktionsmechanismus ableiten. Moleküle mit ähnlichem Aufbau können unter gleichen Bedingungen analoge Reaktionen eingehen; dieses Wissen ermöglicht die planmäßige Synthese.

Wichtige Reaktionstypen sind Substitution, Eliminierung, Addition, Umlagerung, Oxidation und Reduktion. Bei einer Substitution wird beispielsweise ein Wasserstoffatom durch ein Halogen, eine Nitrogruppe oder eine Sulfongruppe ersetzt. Bei der Eliminierung werden Hydroxygruppen oder Halogene abgespalten und Doppelbindungen gebildet. Die Aufzählung umfasst außerdem radikalische, nukleophile und elektrophile Substitutionen und Additionen sowie pericyclische Reaktionen.

Organische Reaktionen laufen oft bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur und mit katalytischen Mengen an Reagenzien ab. Meist liegen die Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 150 °C, weil viele organische Stoffe bei höherer Temperatur zerstört werden. Lösungsmittel und dessen Siedepunkt bestimmen die mögliche Reaktionstemperatur. Nach der RGT-Regel verdoppelt eine Temperaturerhöhung um 10 °C in der Regel die Reaktionsgeschwindigkeit. Beispiele bei hohen Temperaturen sind die Bildung von Aceton aus Calciumacetat bei etwa 400 °C und die Bildung von 2,3-Dimethyl-1,3-butadien aus Pinakol bei 450 °C mit Aluminiumoxid. Die Wasserabspaltung bei Pinakol ist eine Eliminierung.

Nach einer Umsetzung werden zunächst gefährliche Reagenzien wie konzentrierte Schwefelsäure, Natrium, Natriumhydrid oder Lithiumaluminiumhydrid in harmlose Verbindungen überführt. Anorganische Salze werden im Scheidetrichter abgetrennt; die organische Phase wird etwa mit Natriumsulfat getrocknet. Anschließend entfernt man das Lösungsmittel durch Destillation, häufig am Rotationsverdampfer. Da meist Stoffgemische entstehen, werden Produkte beispielsweise durch fraktionierte Vakuumdestillation oder Säulenchromatographie isoliert. Reaktionen liefern kaum jemals 100 % Ausbeute und können Nebenreaktionen haben.

Analytik organischer Stoffe

Die organisch-analytische Chemie dient dem Nachweis und der Identifizierung von Substanzen, der Prüfung auf Verunreinigungen und damit der Reinheit, der Bestimmung von Mengenverhältnissen in Gemischen sowie der Strukturaufklärung.

Zunächst können Stoffgemische physikalisch getrennt und Einzelstoffe über Kenndaten wie Schmelzpunkt, Siedepunkt und Brechungsindex charakterisiert werden. Danach bestimmt man die elementare Zusammensetzung durch Elementaranalyse, die Molekülmasse und funktionelle Gruppen.

Für qualitative Analysen, also Nachweis und Reinheitsprüfung, verwendet man klassische nasschemische Farb- und Niederschlagsreaktionen, biochemische Immunassays und chromatographische Methoden. Quantitative Analysen bestimmen Mengenverhältnisse, etwa durch Titrationen, Immunassays, Chromatographie und Spektroskopie. Zur Strukturaufklärung dienen neben charakteristischen chemischen Reaktionen insbesondere IR-, NMR-, Raman- und UV-Spektroskopie, Röntgenbeugungsanalyse sowie Massenspektrometrie.

Bedeutung und industrielle Herstellung

Organische Stoffe sind in fast allen Gütern des Alltags enthalten: in Farbstoffen, Kunststoffen, Kunstfasern, Lacken, Reinigungsmitteln und Tensiden, Arzneimitteln, Aroma- und Duftstoffen, Lebensmittelkonservierungsstoffen und Ionenaustauschern. Auch Holz und Baumwolle sind organische Stoffe. Die Entwicklungen der letzten 150 Jahre beeinflussten Gesundheit, Ernährung, Kleidung und die Vielfalt der Konsumgüter stark und trugen zum Wohlstand bei. Zugleich nennt der Artikel Probleme wie Treibhausgasausstoß, Zivilisationskrankheiten, Konflikte bei der Rohstoffgewinnung sowie Umweltverschmutzung durch Öl, Kunststoffabfälle und PFAS.

Viele Alltagsstoffe werden überwiegend aus Erdöl synthetisiert. Bei einer weltweiten Erdölverknappung könnten Kohle oder Erdgas nur begrenzt als Ersatz dienen; Verfahren auf dieser Grundlage wären weniger rentabel. Grundchemikalien entstehen in großen Anlagen aus Erdöl, Erdgas oder Kohle. Wichtige Mengen in der EU-27 im Jahr 2011 waren Ethylen mit 19,5 Millionen Tonnen, Propen mit 14,3 Mio. t, 1,3-Butadien mit 2,8 Mio. t, Benzol mit 7,4 Mio. t und Toluol mit 1,5 Mio. t.

Aus Ethylen entstehen unter anderem Polyethylen, Vinylacetat, Acetaldehyd, Essigsäure, 1,2-Dichlorethan, Ethylenoxid und Ethanol. Propylen liefert beispielsweise Polypropylen, Isopropanol, Propylenoxid, Acrylnitril, Acrylsäure und Butanol. Aus Benzol können unter anderem Ethylbenzol und daraus Styrol, Nitrobenzol und daraus Anilin sowie Cyclohexan und daraus Adipinsäure und Nylon hergestellt werden.

Industrieprodukte sind meist für Anwendungen zubereitete Mischungen organischer Stoffe, die bis zu mehreren Millionen Tonnen hergestellt werden; Rohstoffkosten sind für ihren Preis entscheidend. Dazu zählen Chemiefasern, Kunststoffe, Farbmittel, Kautschuk, Lösemittel und Tenside. Spezialprodukte entstehen in deutlich kleineren Mengen und umfassen etwa Arzneimittel, Aromen, Duftstoffe, Enzyme, Lacke, Desinfektionsmittel, Diagnostika, Klebstoffe, Herbizide, Pflanzenschutzmittel und Waschmittel.

Wichtige Entwicklungsschritte

Die Harnstoffsynthese von Friedrich Wöhler war ein entscheidender Schritt: 1828 erhitzte er Ammoniumcyanat und erhielt Harnstoff. Beide Stoffe haben dieselbe Summenformel, aber sehr unterschiedliche Eigenschaften; Ammoniumcyanat gilt als anorganisch, Harnstoff als organisch. Damit wurde die von Jöns Jakob Berzelius vertretene Hypothese widerlegt, organische Stoffe könnten nur durch eine besondere Lebenskraft entstehen.

Die Erkenntnis, dass gleiche Summenformeln nicht zwingend denselben Stoff bedeuten, wurde durch Untersuchungen von Justus von Liebig und Wöhler an knallsaurem und cyansaurem Silber vorbereitet. Die Verbesserung der Elementaranalyse durch Liebig im Jahr 1831 ermöglichte eine schnelle Bestimmung der elementaren Zusammensetzung. 1857 beschrieb Friedrich August Kekulé Kohlenstoff erstmals als vierwertig; diese Arbeit gilt als Ausgangspunkt der organischen Strukturchemie.

Die Untersuchung von Steinkohlenteer und die Entdeckung synthetischer Farbstoffe förderten die industrielle Bedeutung der Organik. William Henry Perkin entdeckte 1856 mit Mauvein den ersten synthetischen Farbstoff. In den 1960er Jahren gelang die Herstellung von Valenzisomeren des Benzols; 1973 wurde erstmals ein pentagonal-pyramidales Hexamethylbenzol-Dikation mit sechsfach koordiniertem Kohlenstoff synthetisiert, dessen Struktur 2016 kristallographisch nachgewiesen wurde.