Die Bibliothek · ChemieTafel № 407 · Folio V
ILL. № 407
CHEM
Plate — Organische funktionelle Gruppen
·Tafel № 407

Organische funktionelle Gruppen

Reagiert wird an den Gruppen, nicht am Gerüst: Hydroxyl, Carbonyl, Carboxyl, Amino und Phosphat bestimmen die Chemie, das Kohlenstoffgerüst hält sie bloß an Ort und Stelle.
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Facetten
  • Carbon's four-bond backbonenoch nicht geprüft
  • Hydroxyl, carboxyl, carbonyl groupsnoch nicht geprüft
  • Ethanol, acetone, and their classesnoch nicht geprüft
Der Beitrag

1828 gelang Friedrich Wöhler, deutscher Chemiker in Berlin, aus Versehen die Synthese von Harnstoff — einem Stoff, den man bis dahin für ein ausschließliches Erzeugnis lebender Organismen hielt — aus dem anorganischen Ammoniumcyanat. Was er seinem Lehrer Jöns Jacob Berzelius brieflich mitteilte, galt lange als das Ende der herrschenden Lehre vom Vitalismus, wonach organische Verbindungen nur unter Mitwirkung einer allein dem Lebendigen eigenen Lebenskraft entstehen könnten. Wöhler schrieb: Ich muß Ihnen sagen, daß ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren, oder überhaupt ein Thier, sey es Mensch oder Hund, nöthig zu haben. Von da an war die organische Chemie — die Chemie des Kohlenstoffs — keine abgesonderte Wissenschaft des Lebendigen mehr, sondern ein Fach im Verbund mit der übrigen Chemie. Und die funktionellen Gruppen — kleine, immer wiederkehrende Atomanordnungen, die einem Kohlenstoffgerüst eine bestimmte Chemie aufprägen — wurden zu dem Ordnungsprinzip, das die Millionen Verbindungen des Fachs erst handhabbar machte.

Dass die organische Chemie auf dem Kohlenstoff ruht, liegt an der Vielseitigkeit seiner Bindungen: vier Valenzelektronen, die Bereitschaft, lange Ketten und Ringe zu bilden, gleiche Leichtigkeit bei Einfach-, Doppel- und Dreifachbindung und die Fähigkeit, sich an sich selbst zu binden, sodass Gerüste beliebiger Größe entstehen. Die eigentliche Chemie kohlenstoffreicher Moleküle spielt sich jedoch an den Substituenten dieses Gerüsts ab — an den funktionellen Gruppen. Das Hydroxyl (−OH) der Alkohole und Phenole ist polar, knüpft Wasserstoffbrücken und oxidiert weiter zu Aldehyden, Ketonen und Carbonsäuren; das Carbonyl (C=O) der Aldehyde und Ketone ist hochreaktiv und trägt einen Großteil der synthetischen organischen Chemie; das Carboxyl (-COOH) ist sauer (pKs 4–5) und lagert sich in Lösung zu Dimeren zusammen; der Ester (R-COO-R') sorgt für angenehme Gerüche und wird von Säure, Base oder Enzymen gespalten; das Amino (−NH₂) ist basisch und polar; das Amid (R-CO-NR'R'') verknüpft als Peptidbindung Aminosäuren zu Proteinen und hält der Hydrolyse ungewöhnlich gut stand; das Phosphat (-OPO₃²⁻) liefert die energiereichen Bindungen des ATP und das Rückgrat von DNA und RNA; Sulfhydryl (-SH) und Disulfid (-S-S-) versteifen über Cystein-Reste die Proteinstruktur; und der aromatische Ring (Benzol und seine Abkömmlinge) verdankt seine bemerkenswerte Stabilität delokalisierten π-Elektronen. Aus dieser Kombinatorik erwächst der vielfältigste Zweig der ganzen Chemie: rund zwanzig funktionelle Gruppen auf Kohlenstoffgerüsten fast beliebiger Länge und Gestalt ergeben in der Größenordnung 10⁸ bekannte Verbindungen und geschätzte 10⁶⁰ mögliche Moleküle von Wirkstoffgröße. Auch die Reaktionsmechanismen sind nach Umwandlungen funktioneller Gruppen geordnet — Substitution und Eliminierung, Addition an Carbonyle, Oxidation und Reduktion, Kondensation, Cycloaddition —, und die Retrosynthese (E. J. Corey, Nobelpreis 1990) liest das Zielmolekül rückwärts: Sie schneidet es an strategisch gewählten funktionellen Gruppen auf, bis nur noch käufliche Ausgangsverbindungen übrig bleiben.

Warum jetztWirtschaftlich am schwersten wiegt die pharmazeutische Chemie: die große Mehrheit der von der FDA zugelassenen Medikamente sind kleine organische Moleküle, gebaut um bekannte Gerüste funktioneller Gruppen. Jeder Massenkunststoff — Polyethylen, Polypropylen, PET, Nylon, Polystyrol — entsteht durch Polymerisation an ganz bestimmten Gruppen, und auch die Materialwissenschaft lebt davon: Flüssigkristalle, organische Halbleiter in heutigen OLEDs, leitfähige Polymere, Fotolacke für die Chipfertigung. Die Click-Chemie (Sharpless, Bertozzi, Meldal — Nobelpreis 2022), eine kleine Auswahl selektiver, robuster Reaktionen, die auch unter biologischen Bedingungen laufen, hat Biokonjugation und pharmazeutische Markierung von Grund auf verändert; die KI-gestützte Syntheseplanung (RXN von IBM, ASKCOS vom MIT, dazu mehrere Start-ups) schlägt aus Millionen Literaturbeispielen Schnitte vor und schafft zunehmend auch mehrstufige Routen. Was Wöhler 1828 versehentlich anstieß, ordnet zwei Jahrhunderte später die Chemie fast alles dessen, was Menschen herstellen.