Die organische Chemie oder Organik ist eine Fachrichtung der Chemie, die sich mit allen organischen Stoffen befasst. Organische Stoffe sind dabei alle kohlenstoffbasierten Substanzen. Die organische Chemie ist eine der wichtigsten Fachrichtungen neben den Fachrichtungen anorganische Chemie, analytische Chemie, physikalische Chemie und Biochemie. Die anorganische Chemie befasst sich im Gegensatz zur organischen Chemie grundsätzlich mit allen kohlenstofffreien Elementen.
Grundlagen der organischen Chemie
Die organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoff-Verbindungen. Aus diesem Grund kann man die organische Chemie auch als die Chemie der Kohlenwasserstoffe und ihrer Derivate beschreiben. Hierbei gibt es einige Ausnahmen, die der anorganischen Chemie zugeordnet werden. Dazu gehören die als anorganische Verbindungen klassifizierten Verbindungen: Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Carbonate, Cyanide und Carbide.
Kohlenwasserstoffe sind Verbindungen, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Der Begriff Derivate beschreibt Verbindungen, die aus anderen Verbindungen entstanden sind. Es gibt über zehn Millionen Verbindungen, die Kohlenstoffe enthalten. Dafür gibt es mehrere Gründe.
Das Kohlenstoff-Atom ist unglaublich flexibel, da es vier Valenzelektronen besitzt und mithilfe von Hybridisierung Bindungen mit bis zu vier unterschiedlichen Partnern eingehen kann.
Unter der Hybridisierung versteht man eine Mischung von Atomorbitalen. Dazu erfährst Du im Laufe dieser Erklärung noch mehr.
Durch die stabile kovalente C-C-Einfachbindung können komplizierte Ketten, Gerüste und Ringe aus C-Atomen aufgebaut werden. Dazu kommt, dass auch C=C-Doppel- und -Dreifachbindungen ausgebildet werden können. Es ist also kein Wunder, dass es mehrere Millionen bekannte organische Verbindungen, im Vergleich zu mehreren Tausend anorganischen Verbindungen, gibt.
Kohlenwasserstoffe bilden in der Regel die Grundlage für komplexere Moleküle, weshalb es hilfreich ist, mit der Nomenklatur und dem Aufbau vertraut zu sein.
Nomenklatur der Kohlenwasserstoffe in der organischen Chemie
Alkane sind die einfachsten organischen Verbindungen. Sie bestehen nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff und haben keine Mehrfachbindungen. Dabei ist jedes Kohlenstoff-Atom mit vier weiteren Atomen verbunden. Das einfachste Alkan ist Methan (CH4).
Wenn weitere CH2-Gruppen in die C-H-Bindungen des Methans eingefügt werden, entstehen lange, kettenförmige Moleküle. Die allgemeine Summenformel dieser Moleküle lautet CnH2n+2. So bildet sich eine homologe Reihe, deren einfachste Vertreter Ethan, Propan und Butan sind.
Die IUPAC-Nomenklatur (International Union of Pure and Applied Chemistry) hat den Zweck, chemische Verbindungen anhand eines bestimmten Namens, einem eindeutigen Aufbau zuzuordnen. Um die Kohlenwasserstoffe zu benennen, musst Du bestimmte Schritte befolgen, über die Du im Artikel IUPAC-Nomenklatur mehr erfährst.
In der folgenden Tabelle erkennst Du den Namen und die Formel einiger unverzweigter Alkane:
| Formel | CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | C5H12 | C6H14 | C7H16 | C8H18 | C9H20 | C10H22 |
| Name | Methan | Ethan | Propan | Butan | Pentan | Hexan | Heptan | Octan | Nonan | Decan |
Alkene sind Kohlenwasserstoffe mit einer C=C-Doppelbindung, die auch als ungesättigte Kohlenwasserstoffe bezeichnet werden. Ethen ist der einfachste Vertreter.
Alkine sind Kohlenwasserstoffe mit einer -Dreifachbindung. Die allgemeine Struktur lautet dabei CnH2n-2. Alkine zählen genau wie Alkene zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen. Das einfachste Alkin ist Ethin.
Stoffklassen und funktionelle Gruppen der organischen Chemie
In der organischen Chemie gibt es verschiedene Stoffe, die sich in ihrem Aufbau und ihren Eigenschaften unterscheiden. Diese Stoffe werden je nach ihren Eigenschaften in Stoffklassen unterteilt. Stoffklassen fassen chemische Verbindungen, die ein ähnliches Reaktionsverhältnis zeigen, zusammen. Die sogenannte funktionelle Gruppe gibt dabei Auskunft über die Art der Stoffklasse.
Funktionelle Gruppen sind Atome in den Molekülen organischer Verbindungen. Diese Atome bestimmen die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Verbindungen. Um die Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen gezielt zu modifizieren, werden funktionelle Gruppen eingeführt. Eine funktionelle Gruppe gibt einem regulären Kohlenwasserstoff also eine Funktion.
Nicht jede dieser Stoffklassen verfügt nur über eine funktionelle Gruppe. Einige Verbindungen bestehen aus einer Kombination mehrerer funktioneller Gruppen. Ein Beispiel dafür sind Aminosäuren, die aus einer Aminogruppe (NH2) und einer Carboxy-Gruppe (OH) bestehen. Aminosäuren sind die Bausteine von Proteinen. Die einfachste Aminosäure ist Glycin.
Die wichtigsten Themen in der organischen Chemie
Die Organik hat viele wichtige Themen zu bieten. Damit Du Dich in der Chemie rund um den Kohlenstoff gut zurechtfindest, erfährst Du in den Erklärungen zu folgenden Themen weitere Informationen.
Schreibweise in der organischen Chemie
Die Schreibweisen in der organischen Chemie weichen oftmals von den regulären Schreibweisen für Moleküle ab. Im Gegensatz zur anorganischen Chemie bringt es hier nichts, die Verhältnisformel einer Verbindung anzugeben, da in der organischen Chemie besonders die Struktur eines Moleküls zählt, und es mehrere Strukturen mit demselben Verhältnis gibt.
Der Fachbegriff, mit dem die unterschiedlichen Strukturen eines Moleküls beschrieben wird, lautet Isomerie. Die Isomerie beschreibt den Sachverhalt, dass Verbindungen mit der gleichen Summenformel, eine unterschiedliche Verknüpfung oder räumliche Anordnung aufweisen.
Das ganze Molekül mit allen Atomen und Bindungen auszuschreiben, dauert bei großen Molekülen sehr lange und macht das Lesen komplizierter. Daher wird manchmal zu Abkürzungen und der Skelettschreibweise gegriffen. Mehr darüber lernst Du in der entsprechenden Erklärung.
Mesomerie
Oft lassen sich in der organischen Chemie die Strukturen auf dem Papier nicht so zeichnen, wie sie in der Realität aussehen. Als Lösung werden Grenzfälle gezeichnet, die im Prinzip zwei Strukturen desselben Moleküls darstellen. Diese Grenzstrukturen nennt man oft Resonanzstrukturen oder mesomere Grenzstrukturen, ganz analog zu dem generellen Phänomen, das Resonanz oder Mesomerie genannt wird.
Farbstoffe
Farbstoffe sind organische Substanzen, die Kohlenstoff enthalten. Sie werden durch das Absorbieren und Reflektieren von weißem Licht auf einen Gegenstand sichtbar. Farbstoffe haben verschiedene Anwendungsmöglichkeiten, wie das Einfärben von Materialien oder als Hilfsmittel in der Chemie (beispielsweise pH-Bestimmung).
Aromaten
Aromaten sind benannt nach ihren oftmals intensiven Gerüchen, die auch damit zusammenhängen, dass Aromaten in der Regel sehr flüchtige organische Verbindungen sind. Sie gehen also leicht bei Raumtemperatur in die Gasphase über. Die Chemie rund um die Aromaten ist sehr vielseitig. Sie bringen aufgrund ihrer überraschenden Stabilität besondere Reaktionen, wie die Elektrophile Substitution, mit sich.
Hybridisierung
Bei der Hybridisierung handelt es sich um eine Mischung von Atomorbitalen. Orbitale sind dabei die wahrscheinlichsten Aufenthaltsorte von Elektronen. In der Realität kommen Bindungen zwischen Atomen oftmals anders vor, als man theoretisch erwarten würde.
Ein Kohlenstoff-Atom hat zum Beispiel zwei freie Elektronen in seiner äußersten Schale, kann jedoch vier kovalente Bindungen zu Wasserstoffatomen ausbilden. So wird Methan gebildet. Dieser Sachverhalt wird durch die Hybridisierung ermöglicht.
Organische Reaktion
Kunststoffe dominieren in unserer modernen Welt den Alltag. Im entsprechenden Artikel lernst Du alles über die Zuordnung eines Kunststoffs als Thermoplast, Duroplast und Elastomer, sowie der Reaktion von einzelnen Monomeren zu dem gewünschten Polymer; sei es über Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation. Davon abgesehen lernst Du einiges über interessante Stoffe, die Du aus dem Alltag kennst, wie dem Polyethylenterephthalat (kurz PET) oder Polyurethan, das oft für Schaumstoffe verwendet wird.
Organische Chemie – Das Wichtigste
- Die organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoff-Verbindungen. Aus diesem Grund kann man die organische Chemie auch als die Chemie der Kohlenwasserstoffe und ihrer Derivate beschreiben.
- Kohlenwasserstoffe sind Verbindungen, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen.
- Um die Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen gezielt zu modifizieren, werden funktionelle Gruppen eingeführt. Eine funktionelle Gruppe gibt einem regulären Kohlenwasserstoff also eine Funktion.
- Die wichtigsten Themen in der organischen Chemie sind die:
Nachweise
- Hart; Craine (2007). Organische Chemie. Wiley-VCH.
- Mortimer; Müller (2010). Chemie. Georg Thieme Verlag KG.
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