Die aufgeführten Informationen richten sich an Studierende sowie Angehörige eines Heilberufes und ersetzen keinen Arztbesuch. Disclaimer aufrufen.

banner image

amboss

Fachwissen für Mediziner im ärztlichen Alltag und Studium

Kostenfrei testen

Grundlagen der organischen Chemie

Letzte Aktualisierung: 17.3.2021

Abstracttoggle arrow icon

Die organische Chemie ist eines der wichtigsten Teilgebiete der Chemie und beschäftigt sich mit dem Aufbau, den Eigenschaften und den Umwandlungen von Kohlenstoffverbindungen, die auch als organische Verbindungen bezeichnet werden. Die Einteilung in Organik und Anorganik geht auf eine Zeit zurück, in der man glaubte, dass belebte Materie aus den Elementen Kohlen-, Wasser-, Stick- und Sauerstoff besteht (= organisch) und alles andere unbelebte Materie (= anorganisch) ist. Es sind über 10 Millionen dieser organischen Stoffe bekannt, im Gegensatz zu "nur" etwa 100.000 anorganischen. Dieser Vielfalt liegt das besondere Bindungsmuster des Kohlenstoffs zugrunde: Kohlenstoffatome besitzen vier Valenzelektronen, mit denen sie jeweils bis zu vier unpolare Bindungen zu anderen Kohlenstoffatomen eingehen können. Dadurch entstehen sowohl kurze als auch lange Kohlenstoffketten, verzweigte oder gar ringförmige Strukturen.

Neben Kohlenstoff enthalten organische Verbindungen zumeist Wasserstoff und Sauerstoff, aber auch Schwefel, Stickstoff, Phosphor und die Halogene Fluor, Chlor, Brom und Iod. Diese Elemente kommen in sogenannten "funktionellen" Gruppen vor, die ganz unterschiedliche Eigenschaften und Reaktionsverhalten zeigen, weshalb man die organischen Verbindungen entsprechend dieser Gruppen in verschiedene Stoffklassen einteilt. Dieses Kapitel beschäftigt sich vor allem mit den organischen Verbindungen, die in biologischen Systemen und damit auch in der Medizin häufig vorkommen. Dies sind vor allem Moleküle aus den Stoffklassen der Alkohole, der Aldehyde und Ketone, der Carbonsäuren, der Amine und der Thiole.

Streng genommen sind Kohlenwasserstoffe Verbindungen, die ausschließlich aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) bestehen. Tatsächlich werden unter dem Begriff "Kohlenwasserstoffe" aber auch Verbindungen subsumiert, die neben den Komponenten Kohlen- und Wasserstoff auch sog. funktionelle Gruppen enthalten (siehe: Kohlenwasserstoffe mit funktionellen Gruppen). Funktionelle Gruppen binden an ein C-Atom anstelle eines Wasserstoffatoms und "ersetzen" dieses sozusagen. Daher leitet sich auch die Bezeichnung "Substituenten" für diese Gruppen ab. Oft wird der Begriff "Substituent" auch auf H-Atome selber angewendet.

Kohlenwasserstoffe bilden Ketten, Ringe oder Kombinationen aus beiden und werden nach ihrer Art und Struktur in verschiedene Gruppen eingeteilt. Kohlenwasserstoffe, die nur Kohlen- und Wasserstoff enthalten (z.B. Alkane), sind unpolar und lösen sich daher schlecht in Wasser, aber gut in anderen unpolaren Lösungsmitteln.

Offenkettige Kohlenwasserstoffe sind Verbindungen, die ausschließlich aus Kohlen- und Wasserstoff bestehen und keine Ringstrukturen ausbilden. Je nach Sättigung der C-C-Bindungen werden sie in Alkane, Alkene und Alkine eingeteilt.

Alkane

Alkane (früher auch Paraffine genannt) sind Moleküle aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, die eine kettenförmige Struktur besitzen und ausschließlich Einfachbindungen enthalten. Solche Verbindungen besitzen die maximale Anzahl an H-Atomen im Verhältnis zu den vorhandenen C-Atomen in der jeweiligen Bindungsgeometrie. Daher bezeichnet man sie auch als „gesättigt“.

Aufbau

  • n-Alkane: Bestehen aus langen Kohlenstoffketten (CH3-Kopfgruppen und CH2-Bindegliedern), eine Auflistung der ersten zehn n-Alkane ist in der Tabelle unten zu finden
    • Primäres C-Atom: Bindet nur an ein weiteres C-Atom (z.B. CH3-Kopfgruppe)
    • Sekundäres C-Atom: Bindet an zwei weitere C-Atome (z.B. CH2-Bindeglieder)
  • i-Alkane (iso-Alkane): Bestehen aus verzweigten Kohlenstoffketten, dazu müssen mindestens vier C-Atome vorhanden sein
    • Tertiäres C-Atom: Bindet an drei weitere C-Atome (z.B. Verzweigungspunkt zwischen drei C-Kettenstücken)
    • Quartäres C-Atom: Bindet an vier weitere C-Atome (z.B. Verzweigungspunkt zwischen vier C-Kettenstücken)

Räumliche Struktur

Nomenklatur wichtiger Alkane im Vergleich
C-Atome Name Summenformel Strukturformel
1
  • Methan
  • CH4
2
  • Ethan
  • C2H6
3
  • Propan
  • C3H8
4
  • n-Butan
  • C4H10
5
  • n-Pentan
  • C5H12
6
  • n-Hexan
  • C6H14
7
  • n-Heptan
  • C7H16
8
  • n-Oktan
  • C8H18
9
  • n-Nonan
  • C9H20
10
  • n-Dekan
  • C10H22

Bei offenkettigen Alkanen unterscheidet man drei verschiedene räumliche Anordnungen, sog. Konformere.

  • Gestaffelte Konformation: Substituenten liegen sich gegenüber → haben daher größtmöglichen Abstand zueinander
    • Stabilste Form
  • Ekliptische Struktur: Substituenten liegen "aufeinander"
    • Instabilste mögliche Form
  • Windschiefe Struktur: Substituenten sind verdreht zueinander → große Substituenten liegen aber nebeneinander statt sich gegenüber
    • Stabiler als ekliptisch und instabiler als gestaffelt

Reaktionen

Alkane sind äußerst reaktionsträge, reagieren nur bei Anwesenheit starker Katalysatoren oder wenn sie durch funktionelle Gruppen aktiviert werden.

Alkene

Ungesättigte Kohlenwasserstoffketten, die an mindestens einer Stelle eine C-C-Doppelbindung aufweisen. Die C-Atome, die durch eine Doppelbindung verbunden sind, haben noch jeweils zwei andere Bindungspartner (da jedes C-Atom ja vierbindig ist).

  • Summenformel: CnH2n
  • Nomenklatur: Entspricht der der Alkane, allerdings mit der Endung "-en" (Ethen, Propen, Buten, etc.)
  • Typische Reaktionen: Elektrophile Addition
    • Z.B. die Bromierung (beide ungesättigten C-Atome erhalten je einen Brom-Substituenten)

Polyethylen
Durch Kettenpolymerisation von Alkenen entstehen sog. Polyolefine, bei denen es sich um gesättigte Kohlenwasserstoffe handelt. So wird aus Ethen der weltweit am meisten verwendete Kunststoff Polyethylen erzeugt. Er findet aufgrund seiner hohen Verschleißfestigkeit auch in der Medizin in Implantaten oder Oberflächen von Endoprothesen Anwendung.

Alkine

Ungesättigte Kohlenwasserstoffketten, die an mindestens einer Stelle eine C-C-Dreifachbindung aufweisen.

  • Summenformel: CnH2n-2
  • Nomenklatur: Entspricht der der Alkane, allerdings mit der Endung "-in" (Ethin, Propin, Butin, etc.)

Ionische Kohlenwasserstoffe

Kohlenwasserstoffe können als Ionen vorliegen, die vor allem als Zwischenprodukte von mehrstufigen Reaktionsprozessen eine Rolle spielen. Die Ionen sind reaktiver als vergleichbare nicht-ionische Moleküle, d.h. ihre Stabilität ist erniedrigt (siehe auch: Reaktionen der organischen Chemie).

  • Carbanion
  • Carbokation
    • Trägt eine positive Ladung an einem C-Atom
    • Carbenium-Ion: C-Atom mit drei Einfachbindungen und daher sechs Bindungselektronen (zwei pro Bindung)
    • Carbonium-Ion: C-Atom mit fünf Einfachbindungen und daher acht Bindungselektronen (in drei Bindungen befinden sich je zwei Elektronen, die restlichen zwei Bindungen besitzen ebenfalls zwei Elektronen, die sich aber auf drei Atome verteilen: 3×2+2=8).
    • Stabilisierung
      • Substitutionsgrad: Je weniger H-Atome das C-Atom mit der ionischen Ladung trägt, desto stabiler ist das Ion – d.h. für die Stabilisierung der Ladung an einem C-Atom: primär (3 H-Atome) < sekundär (2 H-Atome) < tertiär (1 H-Atom)
      • Konjugation (sog. Mesomerie): Durch Delokalisation (Umklappen) von Doppelbindungen wird die Ladung auf mehrere C-Atome verteilt und dadurch stabilisiert
        • Ladungen in α-Position zu einer Doppelbindung (allylische Position)
        • Ladung in α-Position zu einem aromatischen C6-Ring (benzylische Position)
      • Abschirmung: Besitzt das Carbokation mehrere so große Substituenten, dass die positive Ladung des Moleküls für potentielle Reaktionspartner nicht erreichbar ist, dann spricht man von einem abschirmenden Effekt, der ebenfalls zur Stabilisierung führt.
    • Sonderfall stabile Carbokationen: Ionen, die so stabil sind, dass sie isoliert, d.h. "in Flaschen gefüllt" werden können, sind sehr selten. Ein Beispiel dafür ist das Tritylkation.

Durch intramolekularen Ringschluss entstehen aus den offenen Kohlenwasserstoffen zyklische Kohlenwasserstoffe. Es gibt sowohl zyklische Alkane als auch Alkene und Alkine. Unter den zyklischen Kohlenwasserstoffen gibt es zwei besonders bedeutende Gruppen, die aromatischen Kohlenwasserstoffe und die Heterozyklen.

  • Definition: Kohlenwasserstoffverbindungen, die nicht aus kettenförmig, sondern aus zyklisch angeordneten Atomen bestehen
  • Nomenklatur: Stammname des n-Alkans mit der gleichen C-Atomanzahl plus die Vorsilbe "Cyclo-" (Cyclopentan, Cyclohexan, Cycloheptan etc.)

Allgemeiner Aufbau

  • Ringgröße
    • Ein Alkan muss mindestens drei C-Atome haben, damit sich ein Ring bilden kann.
    • C3- und C4-Ringe sind jedoch sehr stark gespannt und daher nicht besonders stabil.
    • C5- und C6-Ringe sind sehr stabil.
    • Größere Ringe sind dann wieder weniger stabil, jedoch nicht gespannt.
  • Mehrfachbindungen: Alkene und Alkine bilden weniger einfach zyklische Verbindungen als Alkane, da der Bindungswinkel von Mehrfachbindungen mit 180° extrem groß ist und die Ringspannung daher besonders groß wird

Cyclohexan (C6H12)

Ein zyklischer Kohlenwasserstoff mit 6 Kohlenstoffatomen, die jeweils zwei Bindungen zu benachbarten C-Atomen im Ring bilden und zwei weitere Bindungen zu Substituenten - im Cyclohexanmolekül sind dies H-Atome

Räumliche Struktur

Vorliegen in 3 verschiedenen räumlichen Strukturen (sog. Konformationen), die stabilste und daher häufigste Konformation ist die sog. Sesselform.

  • Sesselform: Man stellt sich den flachen C6-Ring vor und "klappt" dann gedanklich zwei einander gegenüberliegende Ecken von den sechs Ecken des Ringes um, die eine nach oben, die andere nach unten.
    • Stabilste und häufigste Konformation
    • Substituenten
      • Jedes C-Atom im Ring bindet an zwei Substituenten (s.o.).
      • Um möglichst wenig Spannung aufzubauen, drehen sich die Substituenten so weit wie möglich voneinander weg.
      • Dadurch kann man zwei räumlich verschiedene Typen von Substituenten unterscheiden, die jedoch durch Ringinversion (Umstülpen des Rings) ineinander überführt werden können
        • Äquatorial (äq): Nennt man die Substituenten, die in der gleichen Ebene wie das C-Atom liegen, an das sie binden.
        • Axial (ax): Nennt man die Substituenten, die senkrecht nach oben oder unten aus der Ebene herausragen, in der das C-Atom liegt, an das sie binden.
  • Wannenform: Man stellt sich den flachen C6-Ring vor und "klappt" dann gedanklich zwei einander gegenüberliegende Ecken von den sechs Ecken des Ringes nach oben.
  • Twistform: Man stellt sich den flachen C6-Ring vor, "packt" dann zwei einander gegenüberliegende Ecken von den sechs Ecken des Ringes und verdreht beide gegeneinander.

Aromaten

Bei zyklischen Molekülen, in denen konjugierte Doppelbindungen auftreten, kann man nicht mehr genau sagen, zwischen welchen der ringförmig verbundenen Atomen die Doppelbindungen lokalisiert sind: Im 6-Ring können dies z.B. entweder die Bindungen C1-C2, C3-C4, C5-C6 oder die Bindungen C2-C3, C4-C5, C6-C1 sein. Deshalb bezeichnet man diese Elektronen als "delokalisiert". Zyklische Moleküle mit delokalisierten Elektronen nennt man Aromaten. Sie haben eine ganz eigene Reaktivität, da sie besonders stabil sind.

  • Definition (nach Hückel): Aromaten haben 4n+2 delokalisierte Elektronen (also 6, 10, 14, etc.)
  • Eigenschaften: Reaktionsträge wegen delokalisierter Elektronen

Aufbau

  • Ringgröße
    • In der Medizin spielen v.a. Verbindungen aus aromatischen C6-Ringen eine Rolle
    • Beispiel Benzol: Ist ein Benzolring ein Bestandteil eines größeren Moleküls, dann bezeichnet man diesen als Phenylgruppe oder Phenylrest
  • Räumliche Struktur: Wegen der delokalisierten Doppelbindungen sind alle Aromaten völlig flache, man sagt auch "planare", Moleküle.
  • Ringpositionen
    • Bei Aromaten verwendet man oft die relative Lage eines Substituenten zu einem anderen als nähere Angabe zur Lokalisation.
    • Man unterscheidet vier relative Positionen
      • ipso-Position: Position, an die der Substituent selbst bindet
      • ortho-Position: Substituent liegt direkt neben dem Bezugspunkt
      • meta-Position: Zwischen Substituenten und seinem Bezugspunkt liegt noch ein C-Atom im aromatischen Ring
      • para-Position: Substituent und Bezugspunkt liegen sich im Ring gegenüber

Darstellung

Die delokalisierten Elektronen und die sich daraus ergebende Gleichheit der Bindungen (alle Bindungen sind gleich aromatisch) werden durch einen Kreis dargestellt, den man in den aromatischen Ring zeichnet.

Heterozyklen

Zyklische Verbindungen, ob aromatisch oder nicht, können noch andere Elemente enthalten als nur Kohlenstoff und Wasserstoff. Wenn diese anderen Atome - sogenannte Heteroatome - in den Ring selber eingebaut sind und nicht nur als Substituenten am Ring sitzen, nennt man die Ringe auch "Heterozyklen".

Überblick über medizinisch wichtige Heterozyklen
Name des Heterozyklus Strukturformel Heteroatom Anzahl Heteroatome Ringgröße Aromatizität Medizinische Relevanz
Pyrrol N 1 5-Ring ja Cytochrome: Häm, Cobalamin
Imidazol N 2 5-Ring ja Histidin
Pyridin N 1 6-Ring ja NAD, Nikotinsäure, Pyridoxin, Omeprazol
Pyrimidin N 2 6-Ring ja DNA/RNA-Basen (Cytosin, Thymin, Uracil)
Indol N 1 (im 5-Ring) anellierter 6-Ring und 5-Ring ja Tryptophan
Purin N 4 (2 im 5-Ring, 2 im 6-Ring) anellierter 6-Ring und 5-Ring ja DNA/RNA-Basen (Adenin, Guanin)
Tetrahydrofuran O 1 5-Ring nein Furanosen (Zucker)
Tetrahydropyran O 1 6-Ring nein Pyranosen (Zucker)

Größere Ringsysteme (Organische Chemie)

Sowohl aromatische als auch nicht-aromatische Ringe können in einem Molekül miteinander in Verbindung stehen, sodass sich größere Ringsysteme bilden.

Anellierte Ringe

  • Definition: Ringe, bei denen mind. eine Atombindung Teil von zwei Ringen gleichzeitig ist
  • Formale Entstehung: Durch Kondensation (= Fusion) mehrerer (hetero‑)zyklischer Verbindungen
  • Beispiele
  • Eigenschaften
    • Die Elektronen von aromatischen, anellierten Ringen sind über das gesamte Ringsystem delokalisiert
    • Anellierung verhindert die Rotation um die Achse der zu beiden Ringen gehörenden Einfachbindung bei nicht-aromatischen Ringen, sodass cis/trans-Isomere gebildet werden können

Verbrückte Ringe

  • Definition: System, bei dem mind. zwei Atome eines Rings gleichzeitig Teil eines weiteren Rings im Molekül sind
  • Formale Entstehung: Durch Bindung beider Enden eines offenkettigen Kohlenwasserstoffs an C-Atome eines zyklischen Kohlenwasserstoffs
  • Beispielmolekül: Adamantan (Struktureinheit des Diamanten), Norbornen
  • Eigenschaften

Spiroverbindungen

Funktionelle Gruppen sind Atomgruppen, die in Kohlenwasserstoffen an die Stelle der Wasserstoffatome treten und das Reaktionsverhalten der sie tragenden Verbindung maßgeblich beeinflussen. Aufgrund ihrer ähnlichen Eigenschaften werden die Kohlenwasserstoffe anhand ihrer funktionellen Gruppen zu verschiedenen Stoffklassen zusammengefasst.

Die wichtigsten funktionellen Gruppen im Überblick
Name der funktionellen Gruppe Strukturformel Stoffklasse Nomenklatur Priorität
Carboxylgruppe
  • R-COOH'
1
Ester
  • R-COOR'
2

Carbonylgruppe

  • R-COH
  • "-al"
  • "-carbaldehyd"
  • "Formyl-"
3
  • R-CO-R'
  • "-on"
  • "Oxo-"
  • "Keto-"
4
Hydroxylgruppe
  • R-OH
  • "Hydroxy-"
  • "-ol"
5
Thiolgruppe
  • R-SH
  • "-thiol"
  • "-mercaptan"
  • "Sulfanyl-"
6
Aminogruppe
  • NR3
7
Ethergruppe
  • R-O-R'
8
Thioethergruppe
  • R-S-R'
  • "-thio-"
  • "-sulfid"
9

Regeln für die Benennung von Kohlenwasserstoffen mit funktionellen Gruppen

Die Kohlenwasserstoffe werden entsprechend ihrer chemischen Struktur wie folgt benannt:

  1. Man sucht die längste C-Kette im Molekül; der Name des zugrundeliegenden Alkans wird als Stammname der Verbindung verwendet (z.B. Meth-, Eth-, Prop-, But- etc.).
  2. An dieser Kette hängen weitere Kohlenwasserstoffketten (Verzweigungen) und oder funktionelle Gruppen, die in den Namen aufgenommen werden.
    • Wo in der längsten Kette sitzt die Verzweigung/funktionelle Gruppe: Wird angegeben über die Nummer des C-Atoms in der längsten C-Kette
      • Dazu nummeriert man die längste C-Kette des Moleküls durch. Man wählt als Anfangspunkt das Ende der C-Kette, das den Seitenketten und funktionellen Gruppen am nächsten liegt, damit diese möglichst kleine Nummern tragen.
      • Sonderfall: Endständige funktionelle Gruppen
        • Benennung der C-Atome in der längsten Kette mit griechischen Buchstaben, dabei mit dem C-Atom beginnen, das neben dem C-Atom liegt, das die funktionelle Gruppe trägt
    • Was sitzt als Verzweigung/funktionelle Gruppe an der C-Kette: Benennung der "Substituenten"
      • C-Seitenketten: Werden ihrer Länge entsprechend mit dem Stammnamen des zugrundeliegenden Kohlenwasserstoffs benannt und bekommen die Endung -yl
      • Funktionelle Gruppen: Bekommen den Namen, der für sie typisch ist (siehe Tabelle oben)
        • Gibt es mehr als eine funktionelle Gruppe im Molekül, dann wird die Gruppe mit höchster Priorität (siehe Tabelle oben) als Suffix angehängt, alle anderen werden als Präfix vorangestellt
    • In welcher Reihenfolge werden Verzweigungen/funktionelle Gruppen im Name genannt: Der Name wird NICHT nach steigender C-Atom-Nummer der Substituenten zusammengesetzt, sondern alphabetisch sortiert.
  3. Zum Schluss wird der Name des Moleküls zusammengesetzt. Dabei bildet der Stammname der längsten C-Kette das Ende des Namens, davor stehen (in alphabetischer Reihenfolge) alle Namen von Seitenketten/funktionellen Gruppen, denen jeweils die Nummer des C-Atoms der längsten Kette, an dem sie binden, vorangeht.

Die funktionelle Gruppe der Stoffklasse der Alkohole ist die Hydroxylgruppe (OH-Gruppe). Alkohole entstehen also durch die Substitution mindestens eines Wasserstoffatoms mit einer Hydroxylgruppe. Handelt es sich um aromatische Alkohole, dann werden diese auch als Phenole bezeichnet. Sie entstehen, wenn mindestens ein Wasserstoffatom eines Aromaten durch eine Hydroxylgruppe ersetzt wird.

Alkohole

  • Entstehung:
  • Nomenklatur: Name des organischen Grundgerüsts + Suffix "-ol" (Butan → Butanol)

Einteilung

  • Nach Wertigkeit: Je nach Anzahl der Hydroxylgruppen unterscheidet man ein- und mehrwertige Formen
    • Z.B. Ethanol ist einwertig , Glycerol ist ein dreiwertiger Alkohol
  • Nach Substitutionsgrad: d.h. nach der Anzahl der C-Atome, die dem die Hydroxylgruppe tragenden C-Atom benachbart sind

Eigenschaften

  • Besser wasserlöslich als Alkane
  • Höherer Siedepunkt

Typische Reaktionen

Ether und Ester dürfen nicht miteinander verwechselt werden. Zwar entstehen beide säurekatalysiert aus Alkoholen, jedoch entstehen Ether aus einer Reaktion zweier Alkohole miteinander, wohingegen Ester aus einer Reaktion zwischen einem Alkohol und einer Säure entstehen!

Phenole

  • Einteilung: Nach Wertigkeit - Je nach Anzahl der Hydroxylgruppen unterscheidet man ein- und mehrwertige Formen
  • Eigenschaften: Kristallin, Siedepunkt steigt mit Anzahl der Hydroxylgruppen

Typische Reaktionen

Die funktionelle Gruppe der Aldehyde und Ketone ist die Carbonylgruppe (C=O). Sie unterscheiden sich durch die Stellung der Carbonylgruppe im Molekül.

Aldehyde

Ketone

  • Definition: Kohlenwasserstoff mit nicht-endständiger Carbonylgruppe ("Ketogruppe" )
  • Entstehung: Durch Oxidation von sekundären Alkoholen
  • Nomenklatur: Name des organischen Grundgerüsts + Suffix "-on" (Butan → Butanon) oder Präfix "Oxo-" oder "Keto-" (z.B. 2-Oxoglutarat)

Typische Reaktionen von Carbonylen

Da die chemische Struktur und die Eigenschaften von Aldehyden und Ketonen ähnlich sind, ähneln sie sich auch in den für sie typischen Reaktionen. Die Carbonylgruppe ist aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativität ihrer Komponenten polarisiert . Das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe ist negativ polarisiert und reagiert daher mit elektrophilen Verbindungen; das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe hingegen ist positiv polarisiert und reagiert daher mit nukleophilen Verbindungen.

  • Oxidation
  • Aldolbildung (nur Aldehyde)
    • Aldole sind Moleküle, die eine Aldehydfunktion in Nachbarschaft zu einer Alkoholfunktion besitzen
    • Sie entstehen durch Reaktion zweier Aldehyde miteinander
  • Halbacetal- und Acetalbildung
  • Schiff'sche-Base-Reaktion
    • Durch Reaktion von Aldehyden und Ketonen mit einem primären Amin entstehen unter Abspaltung von Wasser Imine der Form R-N=CR2, die man auch Schiff'sche Basen nennt.
  • Keto-Enol-Tautomerie
    • Ketone können sich zu Alkoholen mit einer Doppelbindung in der C-Atomkette umlagern.
    • Solche Alkohole bezeichnet man gemäß der Nomenklatur als Enole.
    • In wässriger Lösung sind beide Formen stabil, d.h. sie existieren nebeneinander und wandeln sich kontinuierlich ineinander um; ein solches Gleichgewicht bezeichnet man auch als "Tautomerie".
    • Stark vereinfachter Ablauf: Ein Proton von dem der Carbonylgruppe benachbarten Kohlenstoffatom wird auf das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe übertragen, woraufhin sich die C=O-Doppelbindung umlagert und zu einer C=C-Doppelbindung wird.
      • Deprotonierung am benachbarten C-Atom: Durch starke Basen wird dem Kohlenstoffatom, das der Carbonylgruppe benachbart ist, ein Proton entzogen .
      • Reprotonierung: Bei Ansäuerung der Lösung kann sich ein Proton nun entweder an das Kohlenstoffatom (dann entsteht die Ketoform mit der C=O-Doppelbindung) oder an das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe (dann entsteht die Enolatform mit der C=C-Doppelbindung) anlagern.

Eine weitere Oxidation von nicht-endständigen Carbonylgruppen ist nicht möglich!

Die funktionelle Gruppe der Carbonsäuren ist die Carboxylgruppe (COOH-Gruppe) . Carbonsäuren spielen eine große Rolle in biochemischen Prozessen und sind in der Natur weit verbreitet.

Carbonsäuren

Einteilung

Typische Reaktionen

Die OH-Gruppe der Carbonsäure ist keine Hydroxylgruppe, sondern Bestandteil der Carboxylgruppe und hat damit fundamental andere Eigenschaften!

Wichtige Vertreter der Carbonsäuren

Trivialname Chemischer Name Anion Vorkommen
Wichtige Monocarbonsäuren
Ameisensäure
  • Honig
  • Tabakrauch
Essigsäure
  • Pflanzensäfte
  • Ätherische Öle
  • Alkoholische Getränke
Propionsäure
  • Ätherische Öle
  • Käse
Wichtige Dicarbonsäuren
Oxalsäure
  • Ethandisäure
  • Oxalat
Malonsäure
  • Zuckerrübensaft
Bernsteinsäure (auch: Succinylsäure)
  • Succinat
Fumarsäure
  • Fumarat
Glutarsäure
  • Glutarat
Phthalsäure
  • Phthalat
  • Ausgangsstoff für die Herstellung von Polyestern, Weichmachern und Farbstoffen
Weitere biochemisch wichtige Carbonsäuren
Zitronensäure
  • Citrat
Isozitronensäure
  • Isocitrat
Milchsäure
Apfelsäure
  • Malat
Oxalessigsäure
  • Oxobutandisäure
  • Oxalacetat
Brenztraubensäure
  • 2-Oxopropansäure

Carbonsäurederivate

Als Carbonsäurederivate bezeichnet man organische Verbindungen, deren funktionelle Gruppe sich von einer Carboxylgruppe ableitet. Sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und in ihrem Reaktionsverhalten von den Carbonsäuren.

Ester

Die säurekatalysierte Esterhydrolyse ist reversibel, die basenkatalysierte Esterhydrolyse (Verseifung) ist irreversibel!

Ester anorganischer Säuren

Lactone

  • Definition: Zyklische Carbonsäureester
  • Lactonbildung: Durch die intramolekulare (Kondensations‑)Reaktion von Säurefunktionen mit Alkoholfunktionen bilden sich zyklische Verbindungen, die man Lactone nennt.

Carbonsäureamide

  • Definition: Verbindungen, die die funktionelle Gruppe CONR2 enthalten; der wichtigste biochemische Vertreter ist Harnstoff (Diamid der Kohlensäure)
  • Strukturelle Besonderheit: Können auch in einer alternativen Strukturformel mit C=N-Doppelbindung und C-O-Einfachbindung vorliegen.
    • Diese zweite Resonanzstruktur der Säureamide erklärt, warum das freie Elektronenpaar am N-Atom bei diesen Molekülen so gut wie nicht mit Protonen reagiert und Säureamide nahezu nicht basisch sind.
  • Amidbildung: Siehe Peptidbindung

Lactam

Thioester

  • Definition: Schwefelderivate der Ester, bei denen O-Atome durch S-Atome ersetzt sind.
  • Dithioester: Beide Sauerstoffatome werden ersetzt.
  • Thionester: Das Sauerstoffatom der C=O-Doppelbindung wird ersetzt.
  • Thiolester: Das einfach gebundene Sauerstoffatom wird durch ein Schwefelatom ersetzt.
    • Bei der Spaltung von Thiolestern wird viel Energie frei, weshalb sie eine große Rolle als Energie- oder Acylgruppenüberträger (z.B. Acetyl-CoA, Malonyl-CoA) im Stoffwechsel spielen.

Carbonsäureanhydrid

Thiole sind die Schwefelanaloga der Alkohole; ihre funktionelle Gruppe ist die Thiolgruppe (-SH) .

Allgemein

Amine sind organische Abkömmlinge des Ammoniaks (NH3), ihre funktionelle Gruppe ist die Aminogruppe mit der allgemeinen Form NR3.

Biogene Amine

Biogene Amine sind primäre Amine, die im Organismus durch Decarboxylierung von Aminosäuren entstehen. Sie spielen eine wichtige Rolle als Synthesevorstufen von Alkaloiden, Hormonen, Coenzymen und Vitaminen.

Aus dem Aufbau und der Geometrie von Molekülen lassen sich strukturelle Verwandtschaften von Molekülen mit gleicher Summenformel ableiten, die vor allem dann helfen, wenn Moleküle sehr groß sind und mehrere funktionelle Gruppen enthalten. Hierzu verwendet man das Konzept der Isomerie. Um alle Formen der Isomerie verstehen zu können, muss man sich aber zunächst noch mit dem Konzept der Chiralität beschäftigen: Auch wenn man oft nicht daran denkt, haben alle Moleküle dennoch einen dreidimensionalen Aufbau. Dies führt dazu, dass Moleküle, die auf den ersten Blick als zweidimensionale Zeichnung auf Papier gleich aussehen, in Wirklichkeit gar nicht identisch sind, sondern sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Solche Moleküle nennt man Enantiomere bzw. "chiral", abgeleitet von dem griechischen Wort chiros = "Händigkeit" (da sich auch eine linke und eine rechte Hand wie Bild und Spiegelbild verhalten).

  • Chiralität: Räumliche Asymmetrie von Molekülen, die sich entweder in einem Punkt (dem sog. Chiralitätszentrum) oder entlang einer Achse (axiale Chiralität) konzentriert
  • Chiralitätszentrum (auch Stereozentrum): C-Atome, an denen vier verschiedene Substituenten binden
    • Für jedes dieser Stereozentren existieren zwei räumliche Anordnungsmöglichkeiten, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten und nicht zur Deckung gebracht werden können.
    • Bei Molekülen, die mehr als nur ein Stereozentrum haben (Zahl der Stereozentren = n), ergeben sich folglich 2n dreidimensionale Formen des Moleküls.
  • Bedeutung in der Biochemie: Viele biochemisch relevante Moleküle sind chiral, z.B. Aminosäuren und damit auch Proteine.

Wirkung unterschiedlicher Enantiomere (bspw. Thalidomid-Embryopathie)
Die physiologischen Eigenschaften von Enantiomeren sind meist völlig verschieden! So riecht (+)-Limonen z.B. nach Orange, während (‑)-Limonen nach Terpentin riecht. Besonders wichtig für die Medizin ist die Chiralität im Hinblick auf die pharmakologische Wirkung von Molekülen: So wirkt nur das (+)-Ibuprofen, wohingegen das (‑)-Ibuprofen wirkungslos ist und im Körper erst in die (+)-Form umgewandelt werden muss. Oft werden Nebenwirkungen von Medikamenten auch nur einem von beiden Enantiomeren zugeschrieben. Das bekannteste Beispiel hierfür ist Contergan, dessen Wirkstoff Thalidomid in der (+)-Form sedierend wirkt und in der (‑)-Form fruchtschädigend. Da im Körper (+)-Thalidomid aber zu einem gewissen Anteil in (‑)-Thalidomid umgewandelt wird, ist auch eine Medikation mit reinem (+)-Thalidomid nicht ohne Nebenwirkung möglich.

Prochiralität

Prochiral“ sind solche Moleküle, die durch die Addition eines neuen Substituenten oder durch die Substitution eines bereits existierenden Substituenten chiral werden können. Prochirale Zentren in Molekülen sind planar (Additionsvariante) oder bereits tetraedrisch (Substitutionsvariante). Beispiele für planare, prochirale Moleküle sind Carbonylverbindungen wie Aldehyde und Ketone.

  • Beispiel: Butanon ist ein unsymmetrisches Molekül und wird durch Reduktion zum Alkohol Butanol. Das C-Atom, das nach Reduktion an die Alkoholfunktion (OH-Gruppe) bindet, trägt dann vier verschiedene Substituenten und ist somit chiral.

Nomenklatur von Enantiomeren

Für den Umgang mit chiralen Verbindungen ist es wichtig, deutlich machen zu können, um welches Enantiomer es sich handelt. Hierzu gibt es verschiedene Nomenklaturen, die im medizinischen Kontext auch ihre Anwendung finden.

Einteilung von Enantiomeren nach ihren physikalischen Eigenschaften

Aufgrund der großen Ähnlichkeit von Enantiomeren sind viele ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften (wie Siedepunkt, Schmelzpunkt, Dichte) gleich. Ein wesentlicher Unterschied besteht bei der optischen Aktivität: Wenn man einen polarisierten Lichtstrahl durch die Probe eines reinen Enantiomers leitet, dann beeinflussen alle Moleküle das Licht auf die gleiche Weise. Die Schwingung des Lichtstrahls wird in eine Richtung verändert bzw. „gedreht“.

  • (+)-Enantiomer: Dreht polarisiertes Licht mit dem Uhrzeigersinn (also rechts herum)
  • (‑)-Enantiomer: Dreht polarisiertes Licht gegen den Uhrzeigersinn (also links herum)
  • Racemat: Ein Gemisch aus beiden Enantiomeren, das polarisiertes Licht nicht dreht

R/S-Nomenklatur

Die offizielle Benennung von Enantiomeren erfolgt nach der sogenannten R/S-Nomenklatur. Hierbei spielt nicht etwa die Drehrichtung von polarisiertem Licht eine Rolle, wie bei der (+)- oder (‑)- Form (s.o.), sondern die Geometrie des Stereozentrums.

Um zu bestimmen, ob ein Enantiomer die R- oder S-Form hat, geht man wie folgt vor:

  1. Man sucht ein Stereozentrum des Moleküls, z.B. ein C-Atom mit vier unterschiedlichen Substituenten.
  2. Man nummeriert alle Substituenten an diesem Zentrum nach ihrer Priorität.
    • Zur Bestimmung der Priorität gibt es ein paar allgemeine Regeln: Die Priorität steigt mit steigender Ordnungszahl (bzw. Massenzahl bei Isotopen) und/oder mit steigender Kettenverzweigung am nächsten bindenden Atom des Substituenten.
    • In den Fällen, bei denen zwei Substituenten am chiralen Zentrum mit gleichen Atomen binden , wird auf das nächste Atom in der Gruppe des Substituenten geschaut. Wenn dieses ebenfalls gleich sein sollte (z.B. wieder beides C-Atome), dann wird das diesem Atom benachbarte Atom betrachtet usw., bis sich der erste Unterschied in beiden Substituenten ergibt.
  3. Man stellt sich jetzt vor, dass der Rest mit niedrigster Priorität nach hinten aus der Papierebene ragt (wird in Strukturformeln oft durch gestrichelte Bindung gekennzeichnet), ein weiterer vorne aus der Papierebene ragt (wird in Strukturformeln oft durch eine keilförmige, fette Bindung gekennzeichnet) und alle anderen in der Papierebene liegen (wird in Strukturformeln oft durch einen normalen Strich gekennzeichnet).
  4. An dem so gedrehten Molekül verbindet man nun gedanklich die Substituenten in der Papierebene miteinander, beginnend beim Substituenten höchster Priorität hin zu dem mit zweithöchster und dann dem mit dritthöchster Priorität. Wandert man dabei im Uhrzeigersinn um das Stereozentrum herum, dann handelt es sich um das R-Enantiomer. Wandert man gegen den Uhrzeigersinn um das Stereozentrum herum, dann handelt es sich um das S-Enantiomer.

D/L-Nomenklatur

In der Biochemie wird bei Enantiomeren der Kohlenhydrate und Aminosäuren statt der R/S-Nomenklatur die D/L-Nomenklatur verwendet.

Je mehr Atome ein Molekül hat, desto mehr Möglichkeiten gibt es diese miteinander zu verknüpfen. Schon bei verhältnismäßig kleinen Molekülen ist daher die Summenformel keine eindeutige Angabe mehr dafür, was für ein Molekül vorliegt. Moleküle mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Struktur nennt man Isomere. Man unterscheidet dabei verschiedene Arten von Isomeren:

Konstitutionsisomere

Moleküle mit gleicher Summenformel und unterschiedlicher Reihenfolge, in der die Atome verknüpft sind, z.B. n-Butan und i-Butan, Dihydroxyaceton und Glycerinaldehyd oder Fructose-6-phosphat und Galactose-1-phosphat.

Stereoisomere

Moleküle mit gleicher Summenformel und gleicher Konstitution (Atomreihenfolge), aber verschiedener räumlicher Anordnung (Konfiguration).

Konformationsisomere

Stereoisomere, die sich durch Drehung um eine C-C-Einfachbindung ineinander überführen lassen wie z.B. Cyclohexan in Sesselform und in Wannenform.

Konfigurationsisomere

Stereoisomere, die sich NICHT durch Drehung um eine C-C-Einfachbindung ineinander überführen lassen, weil entweder die Drehbarkeit der Bindung wegfällt (Doppelbindung und verbrückende Bindungen ) oder weil die Verbindung chiral ist.

  • Cis-/trans-Isomere: Moleküle mit Doppelbindung oder Brückenkopfatomen, die sich nicht mehr frei um die Bindungsachse drehen lassen, haben eine festgelegte räumliche Beziehung zwischen den Substituenten.
    • cis-Isomer (auch Z-Isomer): Nennt man die Bindungspartner auf der gleichen Seite der Bindung
    • trans-Isomer (auch E-Isomer): Nennt man die Bindungspartner auf unterschiedlichen Seiten der Bindung
  • Enantiomere
  • Diastereomere: Konfigurationsisomere, die keine Enantiomere sind (z.B. L-Glucose und D-Galactose )
    • Die Moleküle verhalten sich nicht wie Bild und Spiegelbild
    • Epimere (Chemie)

Grundlagen Kohlenwasserstoffe

Welche Polarität haben unsubstituierte Kohlenwasserstoffe?

Offenkettige Kohlenwasserstoffe

Was versteht man unter einem quartären C-Atom?

Welche Konformation (= Geometrie) ist die stabilste bei offenkettigen Kohlenwasserstoffen?

Zu welchem Reaktionstyp gehört die Bromierung von Alkenen?

Welchen Einfluss haben Substituenten auf die Stabilität von Carbokationen?

Zyklische Kohlenwasserstoffe

Was ist eine Ringinversion?

Welchen Molekülteil nennt man Phenylgruppe?

Welche Geometrie ist charakteristisch für Aromaten?

Welche Heterozyklen sind Bestandteil von Cytochrom C, Histidin, Omeprazol bzw. NAD, Tryptophan und Adenin und wie sehen sie jeweils aus?

Alkohole

Was ist ein Alkohol und wodurch unterscheiden sich primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole?

Aldehyde und Ketone

Was ist ein Aldol und wie wird es gebildet?

Wie unterscheiden sich Halbacetal und Acetal voneinander?

Was ist eine Schiff'sche-Base-Reaktion?

Was versteht man unter dem Begriff „Keto-Enol-Tautomerie“?

Carbonsäuren und ihre Derivate

Wie nennt man Carbonsäuren mit zwei Carboxylgruppen?

Was ist ein Carbonsäureanhydrid?

Was passiert bei einer Decarboxylierungsreaktion?

Formiat ist das Anion welcher Carbonsäure?

Welche Carbonsäuren werden i.d.R. mit den Trivialnamen „Oxalsäure“, „Bernsteinsäure“ und „Fumarsäure“ bezeichnet?

Was haben ein Carbonsäureester und ein Phosphorsäureester gemeinsam, bzw. worin unterscheiden sie sich?

Was ist ein Lacton und wie wird es gebildet?

Was sind Carbonsäureamide?

Welche Eigenschaft von Carbonsäureamiden resultiert aus ihrer Resonanzstruktur?

Wie nennt man die Schwefelanaloga von Carbonsäureestern?

Thiole

Was ist eine Sulfonsäure und wie entsteht sie?

Chiralität

Was ist ein Chiralitätszentrum und welchen anderen Namen gibt es dafür?

Erkläre das Konzept der Prochiralität.

Was ist ein Racemat?

Bei der Bestimmung der R/S-Nomenklatur eines chiralen Moleküls muss die Priorität der verschiedenen Substituenten am chiralen Zentrum festgelegt werden. Wonach richtet sich diese?

Isomerie

Was sind Isomere?

Welche Arten von Isomeren gibt es und worin unterscheiden sie sich jeweils?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.

Suche dir in einem Chemiebuch drei beliebige organische Moleküle heraus und benenne alle funktionellen Gruppen des Moleküls. Siehe: Funktionelle Gruppen.

Beschreibe an einem kettenförmigen Alkan, welche drei unterschiedlichen räumlichen Anordnungen möglich sind, welche davon die energieärmste ist und warum. Siehe: Alkane.

Welche verschiedenen Möglichkeiten gibt es, größere Ringsysteme in einem Molekül zu bilden? Siehe: Größere Ringsysteme (Organische Chemie).

Was sind Amine und welche Eigenschaften haben sie? Siehe: Aminogruppe.

  1. Zeeck: Chemie für Mediziner. 8. Auflage Urban & Fischer 2014, ISBN: 978-3-437-42444-1 .
  2. Clayden et al.: Organic Chemistry. Oxford University Press 2001, ISBN: 978-0-198-50346-0 .