Organische Chemie

Klassische Molekülgeometrie der organischen Chemie – Benzolformel von Kekulé

Die organische Chemie (kurz: OC), häufig auch kurz Organik, ist ein Teilgebiet der Chemie, in dem die chemischen Verbindungen des Kohlenstoffs untersucht werden.

Die große Bindungsfähigkeit des Kohlenstoffatoms ermöglicht eine Vielzahl von unterschiedlichen Bindungen zu anderen Atomen. Während viele anorganischen Stoffe durch Temperatureinfluss, katalytische Reagenzien nicht verändert werden, finden viele organische Reaktionen bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur mit katalytischen Mengen an Reagenzien statt. Die Entstehung der Vielzahl der Naturstoffe (pflanzliche, tierische Farbstoffe, Zucker, Fette, Proteine, Nukleinsäuren) und letztlich der bekannten Lebewesen basiert auf der Bindungsfähigkeit des Kohlenstoffatoms. Organische Moleküle enthalten als Elemente neben Kohlenstoff häufig Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Halogene; die chemische Struktur und die funktionellen Gruppen sind die Grundlage für die Verschiedenartigkeit der Einzelmoleküle. Die Chemie ist nach Georg Ernst Stahl die Wissenschaft der Analyse und Synthese von Stoffen. In der organischen Analytik erfolgt zunächst aus einem Gemisch von Stoffen eine physikalische Trennung und Charakterisierung (Schmelzpunkt, Siedepunkt, Brechungsindex) von Einzelstoffen, dann wird die elementare Zusammensetzung (Elementaranalyse), Molekülmasse, funktionellen Gruppen (chemische Reagenzien, NMR-, IR-, UV-Spektroskopie) bestimmt, so dass sich bei wenig komplexen Verbindungen die Struktur der organischen Verbindung sicher angeben lässt.

Im Bereich der Synthese untersuchen organische Chemiker die Einwirkung von Reagenzien (Säuren, Basen, anorganischen und organischen Stoffen) auf organische Stoffe, um Gesetzmäßigkeiten von chemischen Reagenzien auf bestimmte funktionelle Gruppen und Stoffgruppen herauszufinden. Aus der Kenntnis der Vielzahl von Gesetzmäßigkeiten kann ein organischer Chemiker eigenständig Synthesen von organischen Naturstoffen (z. B. Zucker, Peptide, Naturfarbstoffe, Vitamine) planen oder in der Natur unbekannte organische Stoffe (Kunststoffe, Ionenaustauscher, Arzneistoffe, Pflanzenschutzmittel, Kunstfasern für Kleidungsstücke) synthetisieren, die den Wohlstand einer Gesellschaft erheblich beeinflussen.

Die Entwicklungen der organischen Chemie hatten in den letzten 150 Jahren einen bedeutenden Einfluss auf die menschliche Gesundheit, die Ernährung, die Kleidung, die Vielzahl der Konsumgüter.

Abgrenzung zur anorganischen Chemie

Mit wenigen Ausnahmen umfasst die Organik die Chemie aller Verbindungen, die der Kohlenstoff mit sich selbst und anderen Elementen eingeht. Dazu gehören auch alle Bausteine des derzeit bekannten Lebens. Es sind etwa 40 Millionen organische Verbindungen bekannt (2012).

Ausnahmen sind formal zunächst die elementaren Formen des Kohlenstoffs (Graphit, Diamant) und systematisch alle zur anorganischen Chemie zählenden wasserstofffreien Chalkogenide des Kohlenstoffs (Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Schwefelkohlenstoff), die Kohlensäure und Carbonate, die Carbide sowie die ionischen Cyanide, Cyanate und Thiocyanate (siehe Kohlenstoff-Verbindungen).

Die Blausäure gehört zum Grenzgebiet der anorganischen und organischen Chemie. Obwohl man sie traditionell zur anorganischen Chemie zählen würde, wird sie als Nitril (organische Stoffgruppe) der Ameisensäure aufgefasst. Die Cyanide werden in der Anorganik behandelt, wobei hier nur die Salze der Blausäure gemeint sind, wohingegen die unter selbigem Namen bekannten Ester als Nitrile zur Organik gehören. Auch die Cyansauerstoffsäuren, Thiocyansäuren und deren Ester gelten als Grenzfälle. Weiter ist die metallorganische Chemie (Metallorganyle) nicht konkret der organischen oder anorganischen Chemie zuzuordnen.

Auch völlig unnatürlich wirkende Stoffe, wie Kunststoffe und Erdöl, zählen zu den organischen Verbindungen, da sie wie die Substanzen von Lebensformen aus Kohlenstoffverbindungen bestehen. Erdöl, Erdgas und Kohle, die Ausgangsstoffe für viele synthetische Produkte, sind letztlich organischen Ursprungs.

Die in Lebewesen ablaufenden Stoffwechselprozesse werden nun in der Biochemie behandelt, die auf der organischen Chemie beruht.

Alle Lebewesen enthalten organische Stoffe: Aminosäuren, Proteine, Kohlenhydrate und die DNA. Das Teilgebiet der organischen Chemie, das sich mit den Stoffen und Stoffumsetzungen in Lebewesen befasst, ist die Biochemie (oder auch Molekularbiologie).

Allgemeines

Die Sonderstellung des Kohlenstoffs beruht darauf, dass das Kohlenstoffatom vier Bindungselektronen hat, wodurch es unpolare Bindungen mit ein bis vier weiteren Kohlenstoffatomen eingehen kann. Dadurch können lineare oder verzweigte Kohlenstoffketten sowie Kohlenstoffringe entstehen, die an den nicht mit Kohlenstoff besetzten Bindungselektronen mit Wasserstoff und anderen Elementen (vorwiegend Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor) verbunden sind, was zu großen und sehr großen Molekülen (z. B. Homo- und Heteropolymere) führen kann und die riesige Vielfalt an organischen Molekülen erklärt. Von dem ebenfalls vierbindigen Silicium gibt es auch eine große Anzahl Verbindungen, aber bei Weitem keine solche Vielfalt.

Die Eigenschaften organischer Substanzen werden sehr stark von ihrer jeweiligen Molekülstruktur bestimmt. Selbst die Eigenschaften von einfachen organischen Salzen wie den Acetaten werden deutlich von der Molekülform des organischen Teils geprägt. Es gibt auch viele Isomere, das sind Verbindungen mit der gleichen Gesamtzusammensetzung (Summenformel), aber unterschiedlicher Struktur (Strukturformel).

Dagegen bestehen die Moleküle in der anorganischen Chemie meist nur aus einigen wenigen Atomen, bei denen die allgemeinen Eigenschaften von Festkörpern, Kristallen und/oder Ionen zum Tragen kommen. Es gibt aber auch Polymere, die keinen Kohlenstoff enthalten (oder nur in Nebengruppen), z. B. die Silane.

Organische Synthesestrategien unterscheiden sich von Synthesen in der anorganischen Chemie, da organische Moleküle meist Stück für Stück aufgebaut werden können. Etwa 60 % der Chemiker in Deutschland und den USA haben als Schwerpunktfach die organische Chemie gewählt.

Geschichte

Friedrich Wöhler

Jöns Jakob Berzelius

Friedrich August Kekulé

Viele organische Naturstoffe wurden schon in der Frühzeit der menschlichen Entwicklung genutzt (die Farbstoffe Indigo, Alizarin, die ätherischen Öle, Weingeist). Eine künstliche Darstellung von organischen Stoffen durch Menschenhand ist jedoch in sehr früher Zeit nicht beschrieben worden.

Johann Rudolph Glauber beschrieb in seinen Werken eine Vielzahl von selbst dargestellten organischen Verbindungen, da jedoch die Elementaranalyse noch nicht entwickelt war, kann nur vermutet werden, welche Stoffe er damals erhalten hatte. Weingeist und Essig reinigte Glauber über eine fraktionierte Destillation, Ethylchlorid erhielt er aus Weingeist, Essigsäure aus der Holzdestillation, Aceton aus der Erhitzung von Zinkazetat, Acrolein entstand bei der Destillation von Rüb-, Nuss- und HanfölBenzol aus SteinkohleAlkaloide fand er durch eine Salpetersäure-Trennung.

Lemery schrieb 1675 das Buch Cours de Chymie. In diesem Werk wurden die Stoffe in drei Gebiete eingeteilt: Mineralreich (Metalle, Wasser, Luft, Kochsalz, Gips), Pflanzenreich (Zucker, Stärke, Harze, Wachs, Pflanzenfarbstoffe), Tierreich (Fette, Eiweiße, Hornsubstanzen). Lemery unterschied auch die Stoffe des Pflanzen- und Tierreiches als organische Stoffe im Gegensatz zu den Stoffen der unbelebten Natur des Mineralreiches.

Bereits im 18. Jahrhundert war eine beträchtliche Zahl von organischen Substanzen als Reinstoff isoliert worden.

Beispiele sind der Harnstoff (1773 von Hilaire Rouelle) und viele Säuren, wie die von Ameisen erhaltene Ameisensäure (1749 von Andreas Sigismund Marggraf), die Äpfelsäure aus Äpfeln, und die aus dem Weinstein gewonnene Weinsäure (1769), die Citronensäure (1784), das Glycerin (1783), die Oxalsäure, die Harnsäure (von Carl Wilhelm Scheele).

Antoine Laurent de Lavoisier bestimmte erstmalig qualitativ die in organischen Stoffen enthaltenen chemischen Elemente: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff. Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jacques Thenard führten erste Elementaranalysen zur Ermittlung der quantitativen Zusammensetzung von Elementen in organischen Stoffen aus. Die Elementaranalyse wurde 1831 von Justus von Liebig verbessert. Nun konnte die elementare Zusammensetzung von organischen Stoffen schnell bestimmt werden.

Jöns Jakob Berzelius stellte die These auf, dass organische Stoffe nur durch eine besondere Lebenskraft im pflanzlichen, tierischen oder menschlichen Organismus geschaffen werden kann. Berzelius wendete auch das Gesetz der multiplen Proportionen – mit dem er im Bereich der anorganischen Verbindungen Atomgewichte und Zusammensetzung, d.h. deren chemische Formeln, bestimmen konnte auch auf organische Verbindungen an.

Die Struktur und Zusammensetzung von organischen Verbindungen war um 1820 noch sehr ungeklärt. Gay-Lussac glaubte, dass das Ethanol eine Verbindung aus einem Teil Ethen und einem Teil Wasser sei.

Weiterhin glaubten die Chemiker damals, dass bei gleicher qualitativer und quantitativer Zusammensetzung (Summenformel) der Elemente einer Verbindung (Elementaranalyse) die Stoffe auch identisch sein müssen. Erste Zweifel traten im Jahr 1823 auf als Justus von Liebig und Friedrich Wöhler das knallsaure Silber sowie das cyansaure Silber untersuchten. Sie fanden bei gleicher chemischer Zusammensetzung sehr unterschiedliche Stoffe.

Beim Erhitzen der anorganischen Verbindung Ammoniumcyanat entsteht Harnstoff, eine typisch organische Verbindung. Dies ist die berühmte Harnstoffsynthese von Friedrich Wöhler, die zu einem Paradigmenwechsel führte.

Im Jahr 1828 erhitzte Friedrich Wöhler Ammoniumcyanat und erhielt einen ganz andersartigen Stoff, den Harnstoff. Ausgangsprodukt und Endprodukt haben die gleiche chemische Summenformel (Isomerie), sie besitzen jedoch sehr unterschiedliche Eigenschaften: das Ammoniumcyanat ist eine anorganische Verbindung, der Harnstoff ist eine organische Verbindung. Damit war die Hypothese von Berzelius, dass organische Verbindungen nur durch eine besondere Lebenskraft entstehen können, unrichtig.

Hermann Kolbe formulierte 1859 die These, dass alle organischen Stoffe Abkömmlinge der anorganischen Stoffe – insbesondere des Kohlenstoffdioxids – sind. So ergibt der Ersatz einer Hydroxylgruppe durch Alkylreste oder Wasserstoff Carbonsäuren, der Ersatz zweier Hydroxylgruppen durch Alkylgruppen oder Wasserstoff die Aldehyde, Ketone. Kolbe gebrauchte auch das Wort Synthese im Zusammenhang mit der künstlichen Darstellung von organischen Naturstoffen. Chemiker konnten bald durch eigene Forschungen neue organische Moleküle synthetisieren.

In Analogie zu positiv und negativ geladenen Ionen in der anorganischen Chemie vermutete Berzelius sogenannte Radikale in der organischen Chemie; darauf basierte seine Radikaltheorie. Ein Radikalteil des organischen Moleküls sollte eine positive, der andere Teil eine negative Ladung besitzen. Einige Jahre später untersuchten Jean Baptiste Dumas, Auguste Laurent, Charles Gerhardt und Justus von Liebig die Substitution bei organischen Verbindungen. Die Wasserstoffatome in organischen Verbindungen wurden durch Halogenatome ersetzt. Die alte Radikaltheorie von Berzelius, nach der sich positiv und negativ geladene Radikalteile in organischen Molekülen zusammenlagern, musste verworfen werden. In der Folge wurde von August Wilhelm von Hofmann, Hermann Kolbe, Edward Frankland, Stanislao Cannizzaro weitere Grundlagen über die Zusammensetzung von organischen Stoffen gefunden. 1857 veröffentlichte Friedrich August Kekulé seine Arbeit „Über die s. g. gepaarten Verbindungen und die Theorie der mehratomigen Radikale“ in Liebigs Annalen der Chemie (Bd. 104, Nr. 2, S. 129 ff.), die als Ausgangspunkt der organischen Strukturchemie gesehen wird. In dieser Arbeit wird der Kohlenstoff erstmals als vierwertig beschrieben.

Adolf von Baeyer, Emil Fischer, August Wilhelm von Hofmann erforschten Synthesen von Farbstoffen, Zuckern, Peptiden und Alkaloiden.

Ein Großteil der Arbeitszeit der früheren Chemiker lag in der Isolierung eines Reinstoffes.

Der Prüfung der Stoffidentität von organischen Stoffen erfolgte über Siedepunkt, Schmelzpunkt, Löslichkeit, Dichte, Geruch, Farbe, Brechungsindex.

Besonders wichtig wurde der Rohstoff Kohle für die organische Chemie. Ihren Aufschwung nahm die organische Chemie mit der Untersuchung der bei der Leuchtgaserzeugung entstehenden Abfallprodukte, als der deutsche Chemiker Friedlieb Ferdinand Runge (1795–1867) im Steinkohlenteer die Stoffe Phenol und Anilin entdeckt hatte. William Henry Perkin – ein Schüler August Wilhelm von Hofmann – entdeckte im Jahr 1856 den ersten synthetischen Farbstoff – das Mauvein. Von Hofmann und Emanuel Verguin führten das Fuchsin in die Färberei ein. Johann Peter Grieß entdeckte die Diazofarbstoffe. Die organische Chemie gewann nun zunehmende wirtschaftliche Bedeutung.

Grundlagen der organischen Synthese in Schule und Studium

Die organische Chemie ist ein Teilbereich der Wissenschaft (Lehrbücher, Studium), deren Grundlagen im 19. Jahrhundert nur für eine kleine Schicht der Bevölkerung zugänglich war. Durch die Bildungsreformen im 20. Jahrhundert erhalten fast alle Schüler eine Wissensgrundlage in organischer Chemie. Der Chemieunterricht ermöglicht dem Schüler die Teilhabe an kultureller Bildung, fördert das Verständnis für die Einordnung und Zusammenhänge bei Fragen, die chemisch relevant sind. Politiker, Juristen, Betriebswirte, Informatiker, Maschinenbauer benötigen in unserer Kultur Basiskenntnisse in organischer Chemie, um Zusammenhänge besser einordnen zu können.

Das geistige Vermögen der forschenden Chemiker und der Chemiker in der chemischen Industrie sorgten in den Industrieländern für ein großes Vermögen mit dauerhaft hohen Zinserträgen. Durch Auslandsinvestitionen und der Vernetzung mit Rohstoffanbietern konnte das gesellschaftliche Vermögen noch gesteigert werden.

Als Grundlage in der Naturwissenschaft dient das Experiment. Ein Experiment muss jedoch vor seiner Ausführung gut durchdacht sein. Der Chemiker prüft in der chemischen Fachliteratur, ob ein ähnliches Experiment von anderen Chemikern bereits unternommen wurde, damit überflüssige Arbeit vermieden wird. Für ein Experiment sollten in der Regel sehr reine Stoffe verwendet werden, um eindeutige Ergebnisse bei einem Experiment zu erhalten. Bei einer Stoffumsetzung kann es auch sehr entscheidend sein, ob Lösungsmittel, die sich bei einer Stoffumsetzung chemisch nicht verändern, zugesetzt werden oder nicht. Der Zusatz von anderen Lösungsmitteln kann zu geänderten Stoffumsetzungen führen.

Umwandlungen von organischen Stoffen im Labor

In früherer Zeit untersuchten die organischen Chemiker beispielsweise den Einfluss von konzentrierten Säuren (Schwefelsäure, Salpetersäure, Salzsäure) auf organische Stoffe wie Ethanol, Baumwolle, Benzol.

Bei der Einwirkung von konzentrierter Schwefelsäure auf Ethanol entsteht ein neuer Stoff, der Diethylether, der ganz andere Eigenschaften als das Ethanol hatte und als Narkosemittel und als neues Lösungsmittel Anwendung gefunden hat. Bei der Einwirkung von Salpetersäure und Schwefelsäure auf Baumwolle entsteht die Schießbaumwolle, die als Explosivstoff, als Weichmacher und Lösemittel von Lacken, als Faser Verwendung fand.

Aus Benzol entsteht durch Einwirkung von konzentrierter Schwefelsäure und Salpetersäure das Nitrobenzol. Dieser Stoff ließ sich mit Reduktionsmitteln wie Eisenpulver und Salzsäure zu Anilin umwandeln. Anilin war das Ausgangsprodukt für viele neue Farbstoffe, die den Wohlstand unseres Gemeinwesens erhöhten.

Die Einwirkung von konzentrierter Schwefelsäure auf Baumwolle oder Holz ergibt Zuckermoleküle. Ähnlich wie in der anorganischen Chemie benutzten auch organische Chemiker bestimmte Nachweisreagenzien. Für organische Chemiker sind jedoch die funktionellen Gruppen im Molekül von großer Wichtigkeit. Mit Fehlingscher Lösung lassen sich Aldehydgruppen nachweisen. Funktionelle Gruppen können dazu genutzt werden, zwei organische Moleküle mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen zu verknüpfen, so dass ein größeres Molekül entsteht. Durch Kenntnis der organischen Reaktionsmechanismen, der Wahl der Reagenzien und dem Einsatz von Schutzgruppen kann ein organischer Chemiker sehr komplexe organische Stoffe herstellen. Heutzutage können Peptide oder Proteine mit mehr als 100 Aminosäuren (mit einer molekularen Masse größer als 10.000) oder Kohlenhydrate sowie Pflanzeninhaltsstoffe (Terpene) synthetisiert werden. Kaum eine organische Reaktion verläuft mit 100 % Ausbeute, häufig ergeben sich auch unerwartete Nebenraktionen, so dass komplexe Stoffe auf synthetischer Basis nur in geringer Menge (wenigen Milligramm bis mehreren Kilogramm) anfallen.

Viele organische Grundstoffe werden in der Industrie bei der Herstellung von Kunststoffen, Farbstoffen, Lösungsmitteln in sehr großen Mengen (1000 – 1000.000 t) hergestellt. Spezialisierte Firmen verwenden die Industrieprodukte, um Feinchemikalien für Schule und Hochschule herzustellen. Der Organiker wünscht sich bei seinen Synthesen möglichst selektive Reagenzien, die nur eine bestimmte funktionelle Gruppe oxidieren, reduzieren oder mit einer anderen Gruppe verknüpfen.

Temperatureinfluss auf organische Reaktionen

Manchmal sind Stoffumsetzungen nur bei einer gesteigerten Temperatur möglich, Chemiker mussten viele Experimente machen, um etwas Neues aufzufinden. Hohe Temperaturen werden in der organischen Chemie jedoch nur selten angewendet, da viele organische Stoffe durch eine erhöhte Temperatur zerstört werden. Die Reaktionstemperaturen in der organischen Chemie liegen daher meist zwischen Raumtemperatur und 150 °C. Die Wahl des Lösungsmittels und dessen Siedepunkt sind entscheidend für die Einstellung der Reaktionstemperatur. Eine Temperaturerhöhung um 10 °C verdoppelt in der Regel die Reaktionsgeschwindigkeit (RGT-Regel).

Beispiele für organische Reaktionen bei hoher Temperatur sind die Bildung von Aceton aus Kalziumazetat und die Darstellung von 2,3-Dimethyl-butadien aus Pinakol.

Aus Calciumkarbonat und Essigsäure lässt sich das organische Salz Calciumazetat darstellen. Erhitzt man das Calciumacetat auf ca. 400 °C, so erhält man Aceton. Aceton und etwas Magnesium bilden den organischen Stoff Pinakol. Erhitzt man diesen Stoff bei 450°C mit Aluminiumoxid, so bildet sich 2,3-Dimethyl-1,3-butadien. Stoffe mit Doppelbindungen lassen sich unter dem Einfluss einer Säure oder von Radikalbildnern polymerisieren, so dass ein Kunststoff mit ganz anderen Eigenschaften als das Monomer entsteht. Das polymerisierte 2,3-Dimethyl-1,3-butadien spielte eine wichtige Rolle als Ersatzstoff des früher sehr teuren Kautschuks. Fritz Hofmann konnte aus dem 2,3-Dimethyl-1,3-butadien den ersten synthetischen (Methyl-)Kautschuk herstellen, der im Jahr 1913 in den Handel kam, als der Preis für natürliches Kautschuk im Handel Höchstwerte erreichte.

Aufarbeitung nach einer Umsetzung

Nach einer chemischen Umsetzung muss der organische Chemiker zunächst die stark reaktiven, ätzenden, brennbaren Stoffe wie konzentrierte Schwefelsäure, Natrium, Natriumhydrid, Lithiumaluminiumhydrid mit geeigneten Stoffen in harmlose Verbindungen überführen. Darauf folgt eine Abtrennung der anorganischen Salze durch Ausschütteln im Scheidetrichter – unter Zusatz von weiterem organischen Lösungsmittel und einer wässrigen Lösung. Die organische Phase wird über wasserfreien Salzen wie Natriumsulfat getrocknet, dabei werden die letzten Reste von Wasser aus der organischen Phase entfernt. Das organische Lösungsmittel wird durch Destillation – häufig am Rotationsverdampfer – entfernt. Der eingedampfte Rückstand enthält das Reaktionsprodukt. Sehr selten kommt es vor, dass bei einer organischen Reaktion nur ein chemisches Produkt entsteht, vielfach entstehen Stoffmischungen aus unterschiedlichen organischen Stoffen. Durch eine fraktionierte Destillation im Vakuum oder durch eine Säulenchromatographie lassen sich die einzelnen Stoffe isolieren.

Chemische Strukturformel und Reaktionsmechanismus

Grundlage der Stoffkenntnis ist die chemische Strukturformel. Dies ist der Bauplan eines organischen Moleküls. Die Strukturformel eines Stoffes muss immer gedanklich aus Ergebnissen der Stoffanalyse abgeleitet werden. Die Stoffanalyse umfasst mindestens den korrekten Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffgehalt eines Moleküls (Elementaranalyse), die Art der funktionellen Gruppen und die Bestimmung der molaren Masse.

Durch den kommerziellen Verkauf von Kernspinresonanzspektroskopen (NMR-Spektroskopie) und Massenspektrometern seit Anfang der sechziger Jahre an Hochschulen verkürzte sich die Zeit bis zur Strukturaufklärung von neuen komplizierten organischen Stoffen erheblich. Aus der Veränderung der Strukturformel vor und nach einer organischen Reaktion kann der Chemiker den Reaktionsmechanismus einer chemischen Reaktion ableiten. Alle organischen Moleküle, die einen ähnlichen Aufbau besitzen, können unter den gleichen Reaktionsbedingungen analoge Reaktionen eingehen. Der Chemiker kann durch die Kenntnis der Reaktionsmechanismen den Aufbau von neuen organischen Stoffen systematisch planen.

Eine sehr wichtige Reaktionsklasse bezieht sich auf den Ersatz eines Wasserstoffatoms im Molekül durch ein Halogen, eine Nitrogruppe, eine Sulfongruppe, man bezeichnet diese Reaktion als Substitution. Zu Beginn dieses Abschnittes wurden einige Beispiele aus dieser Reaktionsklasse genannt. Eine weitere wichtige Reaktionsklasse ist die Eliminierung. Die Abspaltung von Hydroxygruppen und Halogenen und der Ausbildung von Doppelbindungen im Molekül bezeichnet man als Eliminierung. Die Wasserabspaltung bei Pinakol zu 2,3-Dimethyl-1,3-butadien ist eine Eliminierung.

Bedeutung der organischen Chemie

In fast allen Gütern unseres täglichen Gebrauchs sind Stoffe der organischen Chemie vorhanden. Die Farbstoffe in Bildbänden, Zeitschriften, Verpackungsaufdrucken, die Kunststoffe im Großteil unserer Gebrauchsgüter in fast jedem Spielzeug, im Computergehäuse, in Rohrleitungen, Kabeln, Tragetaschen usw., die organischen Kunstfasern im großen Teil unserer Kleidung, die Lacke für Hausfassaden, Autos, den Wohnbereich, die Reinigungsmittel von einfachen Seifen bis komplexen Tensiden für Spezialanwendungen, die Arzneimittel, die Aroma- und Duftstoffe, die Lebensmittelkonservierungsstoffe, die Ionenaustauscher in Entsalzungsanlagen. Auch Holz und Baumwolle sind organische Stoffe, sie können durch ein reiches Vorkommen aus der Natur gewonnen werden. Die Mehrzahl der organischen Stoffe muss jedoch auf synthetischer Basis -hauptsächlich aus Erdöl- von der chemischen Industrie erzeugt werden. Bei einer weltweiten Verknappung von Erdöl könnte man gegenwärtig nur bedingt andere fossile Rohstoffe wie Kohle oder Erdgas nutzen, um die organischen Stoffe des täglichen Bedarfs herzustellen. Ein hoher Preis für Erdöl führt zu Anstrengungen, Substitutionsverfahren auf Basis von Kohle und Erdgas zu entwickeln. Die Verfahren werden jedoch weniger rentabel als auf Basis von Erdöl sein. Bei sehr hohen Preisen für Erdöl könnte es zu Verknappungen im Bereich der Konsumgüter kommen.

Organisch-chemische Industrie

Grundchemikalien

Basis für alle wichtigen synthetischen Stoffe sind die Grundchemikalien. Sie werden in großen Chemieanlagen aus Erdöl, Erdgas oder Kohle hergestellt.

Bis zum Zweiten Weltkrieg war die Kohle die Basis für die Grundchemikalien der organischen Chemie. Aus der Kohle konnte Benzol, Toluol, Xylol – Bausteine für organische Farbstoffe – gewonnen werden. Mit einem elektrischen Lichtbogen kann aus Kohle und Kalk das Kalziumcarbid (großtechnisch seit 1915) gewonnen werden. Kalziumcarbid lässt sich in Acetylen umwandeln und bildete damals nach Verfahren von Walter Reppe (Reppe Chemie) das Ausgangsprodukt für Acetaldehyd, Essigsäure, Aceton, Butylenglykol, Butadien, Acrylsäure, Acrylnitril. Aus Kohle ließ sich auch Methanol (Synthese nach Pier) und Dieselöl (nach Bergius) gewinnen. Auch nach dem Zweiten Weltkrieg wurden viele Grundchemikalien noch aus Kohle hergestellt. Zwischen 1960 bis1970 wurden die Verfahren in den westlichen Industriestaaten durch modernere Verfahren auf Basis von Erdöl ersetzt.

Die Investitionskosten für derartige Anlagen sind beträchtlich, hauptsächlich sind in diesem Geschäftsbereich Firmen der Mineralölindustrie involviert. Früher wurden die chemischen Rohstoffe in die Industrieländer transportiert und dort chemisch zu Grundchemikalien umgewandelt. Noch in den achtziger Jahren waren die USA, Japan und die Bundesrepublik Deutschland die wichtigsten Chemieländer mit mehr als 50% der Weltproduktion der organischen Grundstoffe. Im Zuge der weltweiten Verflechtungen und aus ökonomischen Gründen werden viele Anlagen in den Rohstoffländern (von Erdöl und Erdgas) errichtet.

Sehr wichtige Grundchemikalien sind Ethylen (19,5 Millionen Tonnen in EU-27, 2011), Propen (14,3 Mio. t, EU-27, 2011), Butadien (2,8 Mio. t, EU-27, 2011) , Methan, Benzol (7,4 Mio. t, EU-27, 2011), Toluol (1,5 Mio. t., EU-27, 2011), Xylol., Aus diesen Grundchemikalien können weitere wichtige organische Grundstoffe hergestellt werden. Seit 2005 schwanken die Verkaufspreise in der EU für die organischen Grundstoffe erheblich, im Jahr 2010 stiegen die Verkaufspreise in der EU deutlich an.

Aus Ethylen gewinnt die Industrie Polyethylen, Vinylacetat (nachfolgend Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetal), Acetaldehyd, Essigsäure, Dichlorethan (nachfolgend Polyvinylchlorid), Ethylenoxid, Ethanol (nachfolgend Diethylether).

Aus Propylen gewinnen Unternehmen Polypropylen, Isopropanol (nachfolgend Aceton, Keten, Essigsäureanhydrid, Diketen, Essigsäureester, Acetylcellulose), Propylenoxid (nachfolgend Polyetherpolyole, Polyurethan), Allylchlorid (nachfolgend Epichlorhydrin, Glyzerin, Allylalkohol), Acrylnitril (nachfolgend Polyacrylnitril, Acrylamid), Acrylsäure (nachfolgend Polyacrylate), Butanol.

Aus Methan gewinnt man Methanol (nachfolgend Formaldehyd und Ethylenglykol), Azetylen, Methylchlorid, Methylenchlorid, Chloroform (nachfolgend Tetrafluorethylen, Teflon), Tetrachlorkohlenstoff.

Aus Benzol wird Ethylbenzol (nachfolgend Styrol), Dihydroxybenzol (Resorcin, Hydrochinon und Brenzcatechin), Cumol (nachfolgend Phenol), Nitrobenzol (nachfolgend Anilin, Farbstoffe), Cyclohexan (nachfolgend Cyclohexanon, Adipinsäure, Nylon) synthetisiert. Aus Xylol kann Terephthalsäure, Phthalsäureanhydrid hergestellt werden.

Industrieprodukte, Spezialprodukte

Industrieprodukte sind überwiegend Mischungen von organischen Substanzen, die für eine anwendungstechnische Herstellung zubereitet worden sind., Industrieprodukte werden in sehr großen Mengen (bis mehrere Mio. Tonnen) von der chemischen Industrie hergestellt, bei diesen Produkten sind die Rohstoffkosten sehr entscheidend für den Verkaufspreis.

Wichtige organische Industrieprodukte sind: Chemiefasern, Kunststoffe, Farbmittel, Kautschuk, Lösemittel, Tenside. Seit 2009 ist der Umsatz für Kunststoffe deutlich zurückgegangen.

Spezialprodukte sind organische Stoffe, die im Vergleich zu Industrieprodukten in deutlich geringerer Menge produziert werden. Der Verkaufspreis ist in geringerer Weise von Rohstoffkosten abhängig. Zu dieser Gruppe gehören beispielsweise Arzneimittel, Aromen und Duftstoffe, Enzyme, Lacke, Desinfektionsmittel, Diagnostika, Ionenaustauscherharze, Klebstoffe, Herbizide, Pflanzenschutzmittel, Waschmittel.

Stoffgruppen der organischen Chemie

Es ergeben sich zwei Möglichkeiten für eine systematische Einteilung der einzelnen Substanzen der organischen Chemie in Stoffgruppen:

Einteilung nach funktioneller Gruppe (Auswahl):

• Kohlenwasserstoffe ohne funktionelle Gruppe bilden die Ausgangsstoffe der organischen Chemie und die Grundlage ihrer Nomenklatur.
• Sauerstoff- und Hydroxyverbindungen
  • Alkohole
  • Aldehyde
  • Ester
  • Ether
  • Ketone
  • Carbonsäuren
• Stickstoffverbindungen
  • Amine
  • Amide
  • Nitroverbindungen, beispielsweise TNT
  • Nitrile
• Schwefelverbindungen
  • Alkanthiole
  • Sulfide
  • Disulfide
  • Ester der Schwefelsäure
  • Sulfone
  • Sulfoxide
  • Thionamide
  • Thiolester
  • Thiosäure
• Phosphorverbindungen
  • Phosphate
  • Phosphine
• Metallorganische Verbindungen, beispielsweise Ferrocen

Einteilung nach Kohlenstoffgerüst:

• aliphatische Kohlenwasserstoffe (Aliphaten)
  • acyclische Kohlenwasserstoffe
    • gesättigt (Alkane)
    • ungesättigt (Alkene und Alkine)
  • cyclische Kohlenwasserstoffe
• aromatische Kohlenwasserstoffe (Aromaten)
  • einfache Aromaten
  • kondensierte Aromaten
• Heterocyclen
• biochemische Verbindungen (Alkaloide, Aminosäuren, Kohlenhydrate, Proteine, Steroide, Terpene, Vitamine )

Reaktionen

Siehe Reaktionsmechanismus

Die Reaktionen in der organischen Chemie lassen sich größtenteils in die folgenden Grundtypen einordnen:

• Radikalische Substitution (S_R)
• Nukleophile Substitution (S_N):
  • Nukleophile aliphatische Substitution
  • Nukleophile aromatische Substitution
• Elektrophile Substitution (S_E):
  • Elektrophile aliphatische Substitution
  • Elektrophile aromatische Substitution
• Eliminierung
• Nukleophile Addition (A_N)
• Elektrophile Addition (A_E)
• Radikalische Addition (A_R)
• Perizyklische Reaktionen
• Umlagerung (sofern sie nicht zu oben genannten Reaktionstypen gehören)
• Oxidation sowie Reduktion

Darüber hinaus sind viele Reaktionen unter dem Namen ihres Entdeckers bekannt (siehe: Namensreaktionen).

Eine Einteilung nach dem entstehenden Bindungstyp bzw. Baustein findet sich in der Liste der organischen Reaktionen (Einteilung nach entstehender Bindung).

Organische analytische Chemie

Die organische analytische Chemie beschäftigt sich mit der Untersuchung von organischen Stoffen. Dabei kann es darum gehen,

• Substanzen zu identifizieren (Nachweis);
• die Anwesenheit bzw. Abwesenheit von Verunreinigungen in Substanzen nachzuweisen (Bestimmung der Reinheit);
• die Mengenverhältnisse von Substanzen in Gemischen zu bestimmen (Zusammensetzung);
• die Molekülstruktur von Substanzen aufzuklären (Strukturaufklärung).

Wichtige Methoden zum Nachweis und zur Reinheitsbestimmung (qualitative Analyse) sind klassische nasschemische Farb- und Niederschlagsreaktionen, biochemische Immunassay-Methoden und eine Vielfalt von chromatographischen Methoden.

Mengenverhältnisse in Gemischen (quantitative Analyse) festzustellen ist möglich durch nasschemische Titrationen mit unterschiedlicher Endpunktsanzeige, durch biochemische Immunassayverfahren und durch eine Vielzahl von chromatographischen Verfahren so wie durch spektroskopische Methoden, von denen viele auch zur Strukturaufklärung herangezogen werden, wie Infrarotspektroskopie (IR), Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), Ramanspektroskopie, UV-Spektroskopie. Zur Strukturaufklärung werden neben charakteristischen chemischen Reaktionen weiterhin die Röntgenbeugungsanalyse und die Massenspektrometrie (MS) verwendet.

Literatur

• Carl Schorlemmer: Ursprung und Entwicklung der organischen Chemie, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig, Leipzig, 1984.
• H. Hart, L.E. Craine, D. J. Hart, C. M. Hadad, N. Kindler: Organische Chemie. 3. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-31801-8.
• K.P.C. Vollhardt und N.E. Schore: Organische Chemie. 4. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2005, ISBN 978-3-527-31380-8.
• Heinz A. Staab: Hundert Jahre organische Strukturchemie. Angewandte Chemie 70(2), S. 37–41 (1958), ISSN 0044-8249.
• Joachim Buddrus: Grundlagen der Organischen Chemie, Walter de Gruyter, Berlin - New York, 3. Auflage 2003, ISBN 978-3-11-014683-7.
• Hartmut Laatsch: Die Technik der organischen Trennungsanalyse, Georg Thieme Verlag Stuttgart/New York 1988, ISBN 3-13-722801-8.
• R. L. Shriner, R. C. Fuson, D. Y. Curtin, T. C. Morrill: The Systematic Identification of Organic Compounds - a laboratory manual 6. Edition, John Wiley & Sons New York/Chichester/Brisbane/Toronto 1980, ISBN 0-471-78874-0.

Weblinks

 Wikibooks: Organische Chemie – Lern- und Lehrmaterialien

Wiktionary: Organische Chemie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Organische Verbindung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Mitschnitte von Vorlesungen der Universität Tübingen, Experimentalchemie II, Organische Chemie, Sommersemester 2002, 52 Stunden
• Portal Organische Chemie
• Organicworldwide (englisch)
• Sammlung von frei zugänglichen online-Lehrgängen zur Organischen Chemie
• Die organische Chemie verständlich für Schüler und Studenten

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