Organic chemistry

Die Organische Chemie ist ein Teilgebiet der Chemie, das sich mit der wissenschaftlichen Untersuchung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen und Materialien befasst. Ihre Arbeit umfasst die Bestimmung der Strukturformeln organischer Substanzen, die Analyse ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie die Bewertung ihrer chemischen Reaktivität, um ihr Verhalten zu erklären. Das Fachgebiet umfasst auch die chemische Synthese von Naturstoffen, Arzneimitteln und Polymeren sowie die Untersuchung einzelner organischer Moleküle sowohl im Labor als auch mit theoretischen computergestützten Methoden. Die untersuchten Chemikalien umfassen Kohlenwasserstoffe – Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen – sowie kohlenstoffbasierte Verbindungen, die auch Elemente wie Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor (häufig in Biochemikalien) und die Halogene enthalten. Ein verwandtes Gebiet, die metallorganische Chemie, untersucht Verbindungen mit Kohlenstoff-Metall-Bindungen. Organische Verbindungen sind die Grundlage allen bekannten Lebens und machen die meisten bekannten Chemikalien aus. Da Kohlenstoff Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen sowie Strukturen mit delokalisierten Elektronen eingehen kann, sind diese Verbindungen strukturell vielfältig und haben ein breites Anwendungsspektrum. Sie bilden die Grundlage vieler kommerzieller Produkte wie Pharmazeutika, Petrochemikalien, Agrochemikalien, Schmierstoffe, Lösungsmittel, Kunststoffe, Kraftstoffe und Sprengstoffe. Die Untersuchung der organischen Chemie überschneidet sich mit der metallorganischen Chemie, Biochemie, medizinischen Chemie, Polymerchemie und Materialwissenschaft. Organische Chemie wird in der Regel auf College- oder Universitätsniveau gelehrt. Sie gilt als sehr anspruchsvolles Fach, obwohl Bemühungen unternommen wurden, sie für Studierende zugänglicher zu machen. Vor dem 18. Jahrhundert glaubten Chemiker allgemein, dass Verbindungen aus lebenden Organismen eine „Lebenskraft“ enthielten, die sie von anorganischen Verbindungen unterschied. Diese Idee wurde Vitalismus genannt. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts begannen systematische Untersuchungen organischer Verbindungen. Um 1816 untersuchte Michel Chevreul Seifen aus Fetten und Laugen und trennte die Säuren, aus denen die Seife bestand. Er zeigte, dass chemische Veränderungen an Fetten – traditionell aus organischen Quellen – ohne jede Lebenskraft vorgenommen werden konnten. Im Jahr 1828 synthetisierte Friedrich Wöhler Harnstoff (ein Bestandteil des Urins) aus anorganischen Salzen (Kaliumcyanat und Ammoniumsulfat) in der heute als Wöhler-Synthese bekannten Reaktion. Obwohl Wöhler selbst zurückhaltend war, war dies das erste Mal, dass eine organische Substanz im Labor ohne biologische Ausgangsmaterialien hergestellt wurde, und es gilt heute als Widerlegung des Vitalismus. Nach Wöhler trug Justus von Liebig zur Systematisierung der organischen Chemie bei und gilt als einer ihrer Hauptbegründer. Im Jahr 1856 entdeckte William Henry Perkin zufällig den organischen Farbstoff Perkin's Mauve, als er Chinin herstellen wollte; sein finanzieller Erfolg weckte ein breites Interesse an diesem Gebiet. Ein entscheidender Durchbruch gelang 1858, als Friedrich August Kekulé und Archibald Scott Couper unabhängig voneinander das Konzept der chemischen Struktur vorschlugen. Sie postulierten, dass vierbindige Kohlenstoffatome miteinander verbunden werden können, um ein Kohlenstoffgitter zu bilden, und dass die Muster der Atombindungen aus chemischen Reaktionen abgeleitet werden können. Die pharmazeutische Industrie begann in den 1890er Jahren, als Bayer erstmals Acetylsalicylsäure (Aspirin) herstellte. Bis 1910 entwickelten Paul Ehrlich und sein Team das arsenbasierte Arsphenamin (Salvarsan) als erste wirksame Behandlung gegen Syphilis und leiteten damit die Praxis der Chemotherapie ein. Ehrlich förderte die Ideen der „magischen Kugel“-Medikamente und der systematischen Arzneimittelverbesserung, und sein Labor trug auch zur Entwicklung von Antiserum gegen Diphtherie und zur Standardisierung therapeutischer Seren bei. Frühe organische Reaktionen und Anwendungen waren oft das Ergebnis von Glück und unerwarteten Beobachtungen, aber in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts begannen systematischere Studien. Die Entwicklung von synthetischem Indigo ist ein Beispiel: Adolf von Baeyers Synthesemethoden ließen die Indigoproduktion aus Pflanzen von 19.000 Tonnen im Jahr 1897 auf 1.000 Tonnen im Jahr 1914 fallen; bis 2002 wurden 17.000 Tonnen synthetisches Indigo aus Petrochemikalien hergestellt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Polymere und Enzyme als große organische Moleküle erkannt, und es wurde gezeigt, dass Erdöl einen biologischen Ursprung hat. Die Totalsynthese komplexer organischer Verbindungen – wie Glucose, Terpineol, cholesterinverwandte Verbindungen und später Lysergsäure und Vitamin B12 – wurde immer komplexer und ermöglichte die Herstellung menschlicher Hormone und ihrer Derivate. Die Entdeckung des Erdöls und der Aufstieg der petrochemischen Industrie trieben die organische Chemie weiter voran.