Organische funktionelle Gruppen

Im Jahr 1828 synthetisierte Friedrich Wöhler, ein deutscher Chemiker in Berlin, versehentlich Harnstoff — bis dahin galt der als ausschließliches Produkt lebender Organismen — aus dem anorganischen Ammoniumcyanat. Das Ergebnis, in einem Brief an seinen Lehrer Jöns Jacob Berzelius mitgeteilt, riss die herrschende Lehre vom Vitalismus nieder, dem Glauben, organische Verbindungen brauchten zu ihrer Entstehung eine Lebenskraft, die nur dem Lebendigen eigen sei; Wöhler schrieb: Ich muß Ihnen erzählen, daß ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren, oder überhaupt ein Thier, sei es Mensch oder Hund, nöthig zu haben. Die organische Chemie — die Chemie des Kohlenstoffs — wurde nach Wöhler zu einer einheitlichen, mit dem Rest der Chemie verbundenen Disziplin statt einer abgesonderten Wissenschaft des Lebendigen, und die funktionellen Gruppen — kleine, wiederkehrende Atomanordnungen, die einem Kohlenstoffgerüst eine charakteristische Chemie verleihen — wurden zum Ordnungsprinzip, das die Millionen Verbindungen des Fachs überhaupt erst beherrschbar machte.

Kohlenstoff trägt die organische Chemie wegen seiner Bindungsvielseitigkeit: vier Valenzelektronen, die Fähigkeit, lange Ketten und Ringe zu bilden, gleiche Geschicklichkeit bei Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen sowie eine Neigung zur Selbstbindung, mit der sich Gerüste beliebiger Größe aufbauen lassen. Den größten Teil der Chemie kohlenstoffreicher Moleküle erledigen die Substituenten am Gerüst — die funktionellen Gruppen. Das Hydroxyl (−OH) der Alkohole und Phenole ist polar, bildet Wasserstoffbrücken und oxidiert 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 (pKa 4–5) und dimerisiert in Lösung; der Ester (R-COO-R') liefert angenehme Gerüche und wird durch Säure, Base oder Enzyme hydrolysiert; das Amino (−NH₂) ist basisch und polar; das Amid (R-CO-NR'R'') verknüpft Aminosäuren in Proteinen zur Peptidbindung und ist gegen Hydrolyse ungewöhnlich stabil; das Phosphat (-OPO₃²⁻) baut die energiereichen Bindungen des ATP und das Rückgrat von DNA und RNA; Sulfhydryl- (-SH) und Disulfid- (-S-S-)-Brücken halten Proteinstrukturen über Cystein-Reste zusammen; und der aromatische Ring (Benzol und Verwandte) verleiht die bemerkenswerte Stabilität delokalisierter π-Elektronen. Die kombinatorische Macht macht die organische Chemie zum vielfältigsten Zweig der Chemie überhaupt — etwa zwanzig funktionelle Gruppen, kombiniert auf Kohlenstoffgerüsten praktisch beliebiger Länge und Form, ergeben in der Größenordnung 10⁸ bekannte Verbindungen und schätzungsweise 10⁶⁰ mögliche wirkstoffgroße Moleküle. Reaktionsmechanismen ordnen sich um die Umwandlungen funktioneller Gruppen — Substitution und Eliminierung, Addition an Carbonyle, Oxidation und Reduktion, Kondensation, Cycloaddition —, und die Retrosyntheseanalyse (E. J. Corey, Nobelpreis 1990) liest Zielmoleküle als Ergebnisse von Trennschnitten an strategischen funktionellen Gruppen und arbeitet rückwärts bis zu kommerziell erhältlichen Startmaterialien.