Funktionelle Gruppen

Die Bausteine heißen Hydroxylgruppe –OH, Carbonylgruppe C=O, Carboxylgruppe –COOH (Carbonyl und Hydroxyl am selben C), Aminogruppe –NH₂ und Thiolgruppe –SH (auch Sulfhydrylgruppe).

Alkohole, Thiole, Ether, Halogenalkane

Alkohole: Das O zieht Elektronen an, –OH ist polar und bildet Wasserstoffbrücken. Darum sieden Alkohole höher als gleich große Kohlenwasserstoffe und lösen sich in Wasser. Die Löslichkeit sinkt mit der Kettenlänge und steigt mit der Zahl der OH-Gruppen (Diole, Triole).

Der Name hängt -ol an den Alkan-Stamm, die Nummer sagt, wo die Gruppe sitzt: Propan-1-ol, Propan-2-ol. Zwei OH heißen -diol (Butan-1,4-diol). Primär, sekundär, tertiär zählt die C-Nachbarn des C, das die OH-Gruppe trägt: 1, 2 oder 3. Methanol (kein C-Nachbar) ist ein Sonderfall.

Ethanol entsteht bei der alkoholischen Gärung, wenn Hefen Glucose zu Ethanol und CO₂ vergären. Methanol ist giftig, weil die Alkoholdehydrogenase es zu Formaldehyd oxidiert, das weiter zu Ameisensäure (Formiat) wird.

Das Formiat löst Azidose und Sehschäden aus. Ethanol oder Fomepizol blockieren das Enzym und sind das Gegenmittel. Ethanol selbst wird über Ethanal (Acetaldehyd) zu Essigsäure abgebaut.

Thiole (R–SH) tauschen O gegen S. Ihre Wasserstoffbrücken sind schwach, darum sieden sie tiefer als Alkohole: Methanthiol bei 6 °C, Methanol bei 65 °C. Typisch ist der Geruch, etwa im Erdgas-Warnstoff. Werden zwei Cystein-SH oxidiert, entsteht die Disulfidbrücke R–S–S–R, die Proteine fixiert.

Ether (R–O–R) haben kein O-gebundenes H und bilden untereinander keine Wasserstoffbrücken. Sie sieden viel tiefer als isomere Alkohole und lösen sich nur begrenzt in Wasser. Sie entstehen, wenn zwei Alkohole unter Wasserabspaltung (Dehydratisierung) reagieren. Diethylether ist ein Lösungsmittel.

Halogenalkane (R–X mit F, Cl, Br, I) entstehen, wenn H durch ein Halogen ersetzt wird. Viele sind giftig. Der Name nennt das Halogen als Vorsilbe (Chlorethan). Chloroform (CHCl₃, Trichlormethan) ist ein Beispiel; heute dient es als Lösungsmittel und Ausgangsstoff.

Aldehyde und Ketone

Beide haben eine Carbonylgruppe C=O. Sitzt sie am Kettenende (das C trägt ein H), ist es ein Aldehyd (-al). Sitzt sie mitten in der Kette zwischen zwei C, ist es ein Keton (-on). Die Namen setzen -al oder -on an den Alkan-Stamm (Ethanal, Butanon).

Methanal (Formaldehyd) ist ein Gas, in Wasser gelöst heißt es Formalin und fixiert Gewebe. Propanon (Aceton) ist ein Lösungsmittel, z. B. im Nagellackentferner.

Das C=O ist polar, aber ohne O-gebundenes H: Aldehyde und Ketone bilden untereinander keine Wasserstoffbrücken und sieden tiefer als Alkohole. Kleine Vertreter lösen sich in Wasser.

Beide lassen sich zum Alkohol reduzieren: der Aldehyd zum primären, das Keton zum sekundären. Der Rückweg ist die Oxidation.

Oxidationsreihe der Alkohole

Ethanol → Ethanal → Ethansäureprimärer Alkohol → Aldehyd → Carbonsäure

Oxidation heißt hier: mehr Bindungen zu Sauerstoff, weniger C–H-Bindungen. Die formale Oxidationszahl des OH-tragenden C steigt von −I (Ethanol) über +I (Ethanal) auf +III (Ethansäure). Bei Propan-2-ol → Propanon geht sie von 0 auf +II. Das sind Rechengrößen, keine Ladungen. → Ausführlich in: Oxidationszahlen

Carbonsäuren und ihre Derivate

Die Carboxylgruppe –COOH gibt ihr H leicht als H⁺ ab, weil das Carboxylat durch Mesomerie stabilisiert ist. Deshalb ist –COOH saurer als –OH. Mit pKₛ meist um 3 bis 5 bleiben Carbonsäuren aber schwache Säuren.

Carbonsäuren bilden Wasserstoffbrücken und sieden noch höher als Alkohole ähnlicher Größe; kurze lösen sich gut in Wasser. Mit Basen entstehen Salze, die Carboxylate.

R–COOH + R'–OH ⇌ R–COO–R' + H₂OVeresterung, endet im Gleichgewicht

Ester benennst du nach Säure und Alkohol-Rest: Essigsäureethylester aus Essigsäure und Ethanol. Viele Ester riechen fruchtig, Fette sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren. → Ausführlich in: Fette

Verseifung ist die Rückreaktion mit Lauge: Ester + NaOH → Carbonsäure-Salz + Alkohol. Sie läuft praktisch vollständig, so entsteht aus Fetten Seife. → Ausführlich in: Fette

Beim Amid hängt das N direkt an der C=O-Gruppe, sein Elektronenpaar ist dorthin delokalisiert. Darum sind Amide nicht basisch, Amine schon. Peptidbindungen sind Amidbindungen. → Ausführlich in: Proteine

Amine

Ersetzt du im NH₃ ein, zwei oder drei H durch C-Reste, erhältst du primäre, sekundäre oder tertiäre Amine. Das freie Elektronenpaar am N nimmt H⁺ auf, deshalb sind Amine basisch. Primäre und sekundäre Amine bilden über N–H Wasserstoffbrücken. Aminosäuren tragen eine Aminogruppe und eine Carboxylgruppe.

Rangfolge beim Benennen

Hat ein Molekül mehrere Gruppen, bestimmt die ranghöchste die Endung. Alle anderen werden Vorsilben. Als Vorsilben heißen sie Hydroxy- (–OH), Oxo- (C=O), Amino- (–NH₂), Chlor-/Brom- (–X). Rang: Carbonsäure vor Carbonyl (Aldehyd, Keton) vor Hydroxyl. HOOC–CH₂–CH(OH)–CH₃ heißt daher 3-Hydroxybutansäure.