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 — nucleophile Substitution (S<sub>N</sub>1, S<sub>N</sub>2), Eliminierung (E1, E2), 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. Die IUPAC-Nomenklatur benennt organische Verbindungen systematisch, indem sie die längste Kohlenstoffkette bestimmt, funktionelle Gruppen über Suffixe und Präfixe ausweist und Positionen der Substituenten durchnummeriert.
Die Pharmachemie ist die wirtschaftlich folgenreichste Anwendung der organischen Chemie: über 80 % der von der FDA zugelassenen Medikamente sind kleine organische Moleküle, gebaut um vertraute Gerüste funktioneller Gruppen. Jeder Massenkunststoff (Polyethylen, Polypropylen, PET, Nylon, Polystyrol) entsteht durch Polymerisation an bestimmten funktionellen Gruppen, und die Materialwissenschaft (Flüssigkristalle, organische Halbleiter in heutigen OLEDs, leitfähige Polymere, Photoresists für die Chipfertigung) ist Funktionelle-Gruppen-Chemie im großen Maßstab. Die Click-Chemie (Sharpless, Bertozzi, Meldal — Nobelpreis 2022) — ein kleiner Satz selektiver, robuster Reaktionen, die auch unter biologischen Bedingungen funktionieren — hat Biokonjugation und pharmazeutische Markierung umgekrempelt, und die KI-gestützte Syntheseplanung (IBMs RXN, MITs ASKCOS, mehrere Start-ups) schlägt aus Millionen Literaturbeispielen retrosynthetische Trennschnitte vor und packt zunehmend ganze mehrstufige Routen. Der Rahmen, den Wöhler 1828 versehentlich eröffnete, ist zwei Jahrhunderte später der vielfältigste und wirtschaftlich folgenreichste Zweig der Chemie.