Funktionelle Gruppe

In der Organischen Chemie versteht man unter einer funktionellen Gruppe (auch charakteristische Gruppe) ein Atom oder eine Atomgruppe, die bei jedem Auftreten auch in verschiedenen Verbindungen ähnliche Stoffeigenschaften und ein ähnliches Reaktionsverhalten zeigen. Die Moleküle werden gedanklich in ein relativ unreaktives Grundgerüst und eine oder mehrere funktionelle Gruppen unterteilt.^[1] In diesem Zusammenhang wird von heterobifunktionalen Molekülen gesprochen (Beispiel: Ethanolamin) bzw. bei mehreren funktionellen Gruppen heteropolyfunktional (Beispiel: Tyrosin). Analog kann bei Molekülen mit mehreren gleichen funktionellen Gruppen von homobifunktional (Beispiel: Ethylenglycol) bzw. homopolyfunktional gesprochen werden (Beispiel: Glycerin).

L-Tyrosin enthält eine Hydroxy-, eine Amino- und eine Carboxy-Gruppe. Damit zählt es zu den Aminosäuren und den Phenolen.

Verbindungen, die gleiche funktionelle Gruppen, aber unterschiedliche Alkyl- oder Arylreste haben, werden auf Grund ihrer ähnlichen Eigenschaften zu Stoffklassen zusammengefasst.

Funktionelle Gruppen werden anhand der beteiligten Atome in funktionelle Gruppen mit Heteroatomen (meist O, N, S, P, Halogene) und solche ohne Heteroatome (z. B. C=C-Doppelbindungen, C≡C-Dreifachbindungen oder Aromaten) eingeteilt. Auch wenn Letztere manchmal nicht als „vollwertige“ funktionelle Gruppen, sondern nur als Strukturbausteine betrachtet werden, so zeigen sie doch ein besonderes und typisches Reaktionsverhalten, das die Bezeichnung funktionelle Gruppe und die jeweilige Zusammenfassung zu Stoffklassen rechtfertigt.

Im Fall von anorganischen oder metallorganischen Verbindungen werden auch einfache Alkyl- oder Arylgruppen als funktionelle Gruppen angesehen. Alle organischen Seitenketten und funktionellen Gruppen werden dann unter der allgemeinen Bezeichnung Organylgruppe zusammengefasst.

Für funktionelle Gruppen gibt es zur Vereinfachung der Schreibung in Strukturformeln und Texten Abkürzungen, die in der Liste der Abkürzungen in der organischen Chemie aufgelistet sind.

Eigenschaften

Nach der Definition beeinflusst eine funktionelle Gruppe die chemischen und physikalischen Eigenschaften der sie enthaltenden Ausgangsverbindung meist erheblich. Die Art der Beeinflussung wird am Beispiel des Alkans Butan und drei seiner strukturellen Abkömmlinge mit gleicher Anzahl von C-Atomen vor Augen geführt:

Struktureller Abkömmling mit gleicher Anzahl von C-Atomen	Verbindung	Halbstrukturformel	Eigenschaften
Ausgangsverbindung	Butan	H3C–CH2–CH2–CH3	gasförmig
Carboxyverbindung	Butansäure, auch Buttersäure	H3C–CH2–CH2–COOH	flüssig, übelriechend, reagiert sauer
Aminoverbindung	Butan-2-amin, auch 2-Butylamin	H3C–CH(NH2)–CH2–CH3	flüssig, übelriechend, reagiert basisch
Carboxy- und Aminoverbindung	4-Aminobutansäure, auch 4-Aminobuttersäure oder γ-Aminobuttersäure (GABA)	H2N–CH2–CH2–CH2–COOH	fest, liegt in wässriger Lösung als Zwitterion H3N+–CH2–CH2–CH2–COO− vor

Formeln und Nomenklatur

Gemäß Vorgabe der IUPAC ist die substitutive Nomenklatur, die im Folgenden beschrieben wird, zur Benennung von Substanzen heranzuziehen. Nach dieser Nomenklatur ist die funktionelle Gruppe entweder als Vorsilbe (Präfix) oder als Endung (Suffix) im Namen der Gesamtverbindung anzugeben. Die Präfixe und Suffixe einiger funktionelle Gruppen werden aus sauerstoffhaltigen Gruppen abgeleitet, indem das O-Atom mit der funktionellen Ersetzungsnomenklatur verändert wird (z. B. -thiol aus -thio und -ol, das O-Atom wird durch Schwefel ersetzt). Für gewisse Gruppen wurde kein eigenes Präfix festgelegt, sondern es wird aus kleineren, darin enthaltenen Gruppen zusammengesetzt (z. B. bei Amiden, welche mit Präfix -oxo- und -amino- wie ein Keton und ein Amin behandelt werden).

Die IUPAC hat für die verschiedenen funktionellen Gruppen eine Rangfolge festgelegt. Die ranghöchste Gruppe wird dabei als Suffix verwendet und alle anderen, alphabetisch geordnet, als Präfixe. Die Ausnahme bilden Radikale und geladene Gruppen, die sogenannte kumulative Suffixe bilden. Die funktionellen Gruppen sind in der folgenden Tabelle nach abnehmender Priorität geordnet. Die Tabelle gibt nicht die vollständige Liste der IUPAC wieder.^[2][3][4]

Siehe auch: Nomenklatur

Es gibt unterschiedliche Bezeichnungen, je nachdem ob das angegebene Kohlenstoffatom einen Teil des Stammsystems darstellt (Darstellung: R-CXYZ) oder nicht (Darstellung: R-CXYZ). Der zweite Fall erhält die höhere Priorität. Auf ggf. notwendige Klammerungen wurde verzichtet.

Verwendete Platzhalter:

• R für einen organischen Rest
• X für Halogenide
• Z für ein beliebiges Atom außer Wasserstoff H
• # für einen Lokanten, wo sinnvoll

Halbstrukturformel	Strukturformel	Stoffklasse	Vorsilbe (Präfix)	Endung (Suffix)	Beispiele
	Z• bzw. Z: Z•− Z•+	Radikale Radikalanionen Radikalkationen	keine (früher Ylo-)	-yl (Verlust eines H•) -yliden (Verlust zweier H•) u. a. m.	(2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxidanyl (TEMPO), Triplett-Carben
	Z−	Anionen	keine	-id (Verlust von H+) -uid (Addition von H−) Als Endung: -at, -it	Ethin-1-id (Acetlyid)
	Z+	Kationen	keine	-ylium (Verlust von H−) -ium (Addition von H+) (früher -onium)	Methanaminium (Methylammonium), kationische Tenside
Säuren
R–COOH R–COOH	Allgemeine Struktur der Monocarbonsäure mit der blau markierten Carboxy-Funktion	Carbonsäuren	Carboxy- Carboxy- (Stammhydrid wird um ein C verkürzt)	-carbonsäure -säure	Butansäure (Buttersäure), Aminosäuren
R–COOOH R–COOOH	Allgemeine Struktur der Peroxycarbonsäure mit dem blau markierten Peroxycarboxyl-Rest	Peroxycarbonsäuren	Carbonoperoxoyl- #-hydroperoxy-#-oxo-	-carboperoxosäure -peroxosäure	Ethanperoxosäure (Peroxyessigsäure)
R–CS–OH R–CS–OH R–CO–SH R–CO–SH R–CS–SH R–CS–SH	Allgemeine Strukturen der Thiocarbonsäuren	Thiocarbonsäuren	Hydroxycarbonothioyl- -#-hydroxy-#-sulfanyliden- Sulfanylcarbonyl- -#-oxo-#-sulfanyl- Sulfanylcarbonothioyl- -#-sulfanyl-#-sulfanyliden-	-carbothio-O-säure -thio-O-säure -carbothio-S-säure -thio-S-säure -carbodithiosäure -dithiosäure
R–SO2–OH	Allgemeine Struktur der Sulfonsäure	Sulfonsäuren	Sulfo-	-sulfonsäure	z. B. Benzolsulfonsäure
R–SO–OH	Allgemeine Struktur der Sulfinsäure	Sulfinsäuren	Sulfino-	-sulfinsäure
R–COO−M+ R–COO−M+	Allgemeine Struktur von Carbonsäuresalzen	Carbonsäuresalze	Metallcarboxylato- -	Metall-...-carboxylat Metall-...-oat	z. B. Acetat
R–SO2–O−M+	Allgemeine Struktur von Sulfonsäuresalzen	Sulfonsäuresalze	Metallsulfonato-	Metall-...-sulfonat
R–SO–O−M+	Allgemeine Struktur von Sulfinsäuresalzen	Sulfinsäuresalze	Metallsulfinato-	Metall-...-sulfinat
R–S–O−M+	Allgemeine Struktur von Sulfensäuresalzen	Sulfensäuresalze	Metallsulfenato-	Metall-...-sulfenat
Anhydride
R1–CO–O–CO–R2	Allgemeine Struktur des Carbonsäureanhydrids	Carbonsäureanhydride	-	...-säure...-säureanhydrid bei gleichen Säuren: ...-säureanhydrid	z. B. Essigsäureanhydrid
Ester
R1–CO–O–R2	Allgemeine Struktur des Carbonsäureesters	Carbonsäureester	(R yl-)oxycarbonyl	(R yl-)...-carboxylat (R yl-)...-oat -	z. B. Ethylacetat
R1–CO–S–R2	Allgemeine Struktur der Thiolester	Thiolester	R1oyl-thio-	S-R2yl-R1-thioat
R1–SO2–O–R2	Allgemeine Struktur des Sulfonsäureesters	Sulfonsäureester	(R yl-)oxysulfonyl-	(R yl-)...-sulfonat
R–O–NO2	Allgemeine Struktur des Salpetersäureesters mit der blaumarkierte Salpetersäureester-(Nitrat-)Gruppe	Salpetersäureester		-nitrat	z. B. Nitroglycerin, Nitrocellulose
Säurehalogenide und -pseudohalogenide
R–CO–X R–CO–X	Allgemeine Struktur der Carbonsäurehalogenide mit dem blau markierten Halogencarbonyl-Rest	Carbonsäurehalogenide	Halogencarbonyl- -	-carbonylhalogenid -oylhalogenid	z. B. Benzoylchlorid
R–SO2–X	Allgemeine Struktur der Sulfonsäurehalogenide mit dem blau markierten Halogensulfonyl-Rest	Sulfonsäurehalogenide	Halogensulfonyl-	-sulfonylhalogenid
Amide
R–CO–NH2 R–CO–NH2	Allgemeine Struktur der Carbonsäureamide mit dem blau markierten Carbamoyl-Rest. R = H oder Organylgruppe	Carbonsäureamide	Carbamoyl- #-amino-#-oxo-	-carboxamid -amid
R–SO2–NH2	Allgemeine Struktur der Sulfonsäureamide mit dem blau markierten Sulfamoyl-Rest. R = H oder Organylgruppe	Sulfonsäureamide	Sulfamoyl-	-sulfonamid
Hydrazide
R–CO–NH–NH2 R–CO–NH–NH2	Allgemeine Struktur der Carbonsäurehydrazide mit dem blau markierten Hydrazinocarbonyl-Rest. R = H oder Organylgruppe	Carbonsäurehydrazide	Hydrazinocarbonyl-	-carbohydrazid -ohydrazid
Imide
R1–CO–NR2–CO–R3		Imide
Nitrile
R–C≡N R–C≡N	Allgemeine Struktur der Nitrile	Nitrile	Cyan- -	-carbonitril -nitril	z. B. Acetonitril
Aldehyde
R–CO–H R–CO–H	Allgemeine Struktur der Aldehyde mit der blau markierten Aldehyd-(Formyl-)Gruppe	Aldehyde	Formyl- Oxo-	-carbaldehyd -al	z. B. Formaldehyd, Acetaldehyd
R–CS–H R–CS–H	Allgemeine Struktur der Thioaldehyde mit der blau markierten Thioaldehyd-Gruppe	Thioaldehyde	Thioformyl- Thioxo-	-carbothialdehyd -thial
Ketone
R1–CO–R2	Allgemeine Struktur der Ketone mit der blau markierten Carbonylgruppe	Ketone	Oxo-	-on	z. B. Aceton
R1–CS–R2	Allgemeine Struktur der Thioketone mit der blau markierten Thiocarbonylgruppe	Thioketone	Thioxo-	-thion -thioketon
Hydroxy-Verbindungen
R1R2–C=N–OH	Allgemeine Struktur der Oxime mit der blau markierten Oximgruppe. R = H oder Organylgruppe	Oxime	Hydroxyimino-	-aloxim -(carb)aldehydoxim -onoxim
R–OH	Allgemeine Struktur der Hydroxygruppe (blau markiert)	Alkohole und Phenole	Hydroxy-	-ol	Alkohole z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol, Phenol
R–SH	Allgemeine Struktur der Thiole mit der blau markierten Thio-(Mercapto-)Gruppe	Thiole	Sulfanyl- alt: Mercapto-	-thiol -mercaptan	Thioalkohole, Thiophenole z. B. Methylmercaptan
Hydroperoxide
R–OOH	Allgemeine Struktur der Hydroperoxide	Hydroperoxide	Hydroperoxy-	-peroxol
R–O–SH			OS-Thioperoxy-	-OS-thioperoxol
R–S–OH	Allgemeine Struktur der Sulfensäure	Sulfensäuren	SO-Thioperoxy-	-SO-thioperoxol (früher -sulfensäure)
Amine
R–NH2	Allgemeine Struktur der Amine mit der blau markierten Amino-Gruppe	Amine	Amino-	-amin	z. B. Anilin, Aminosäuren
Imine
R1R2–C=N–R3	Allgemeine Struktur der Imine mit der blau markierten Imino-Gruppe. R = H oder Organylgruppe	Imine	Imino-	-imin
R1R2–C=N–NH2	Allgemeine Struktur der Hydrazone mit der blau markierten Hydrazo-Gruppe. R = H oder Organylgruppe	Hydrazone	Hydrazono-	-alhydrazon -(carb)aldehydhydrazon -onhydrazon

Funktionelle Gruppen benannt aufgrund der Rangfolge der Atome

Die folgenden funktionellen Gruppen bestimmen den Namen des Stammsystems. Ihre Rangfolge nimmt in dieser Reihenfolge ab: N (ohne oben genannte funktionelle Gruppen) > P > As > Sb > Bi > Si > Ge > Sn > Pb > B > Al > Ga > In > Tl > O (ohne oben genannte funktionelle Gruppen, Peroxide und Ether) > S (ohne Sulfide und Disulfide) > Se > Te > Halogenverbindungen mit mehr als zwei Atomen in der Kette > C > Ether, Sulfide, Sulfoxide, Sulfone > Peroxide > Halogenverbindungen mit einzelnen Halogenatomen.^[4]

Halbstrukturformel	Strukturformel	Stoffklasse	Stammsystem	Beispiele
R–NH–NH2	Allgemeine Struktur der Hydrazine mit der blau markierten Hydrazino-Gruppe	Hydrazine	Hydrazin	Methylhydrazin
R1–NN–R2	Allgemeine Struktur der Azoverbindungen mit der blaumarkierten Azo-Gruppe	Azoverbindungen	Diazen	Diphenyldiazen (Azobenzol) Azofarbstoffe
R–C=C–R	Doppelbindung	Alkene	Ethen	Ethen, Buta-1,3-dien
R–C≡C–R	Dreifachbindung	Alkine	Ethin	Ethin

Nur mit Vorsilben bezeichnete funktionelle Gruppen

Grundsätzlich nur als Vorsilben (Präfixe) werden folgende funktionelle Gruppen verwendet. Sie haben keine Rangfolge, werden jedoch alphabetisch im Namen eingefügt. Die Tabelle ist nicht vollständig.^[5]

Halbstrukturformel	Strukturformel	Stoffklasse	Vorsilbe	Beispiele
R–X	Allgemeine Struktur der Halogenkohlenwasserstoffe mit blaumarkierten Halogen = F, Cl, Br, I	Halogenkohlenwasserstoffe	Halogen-	Fluorchlorkohlenwasserstoffe z. B. Frigen, Chloroform
R1–O–R2	Allgemeine Struktur der Ether	Ether	(R2yl)-oxy- (R = C1 - C4: ohne -yl) Nach radikofunktioneller Nomenklatur: (R1yl)-(R2yl)-ether	Ethoxyethan (Diethylether), Dioxan
R1–S–R2	Allgemeine Struktur der Thioether	Thioether	(R2yl)-sulfanyl- (früher -thio-) Nach radikofunktioneller Nomenklatur: (R1yl)-(R2yl)-sulfid	Methylsulfanylmethan (Dimethylsulfid)
R1–SO–R2	Allgemeine Struktur von Sulfoxiden mit der blau markiertenSulfinylgruppe	Sulfoxide	sulfinyl-	z. B. Dimethylsulfoxid
R1–OO–R2	Allgemeine Struktur der Peroxide mit der blaumarkierten Peroxid-Gruppe	Peroxide	(R-)dioxy-
R1R2–CNN	Allgemeine Struktur der Diazoverbindungen mit der blaumarkierten Diazo-Gruppe. R = H oder Organylgruppe	Diazoverbindungen	Diazo-	z. B. Diazomethan
R–NCO	Allgemeine Struktur der Isocyanate	Isocyanate	Isocyanato-
R–NCS	Allgemeine Struktur der Isothiocyanate	Isothiocyanate	Isothiocyanato-
R–NC	Allgemeine Struktur der Isocyanide	Isocyanide	Isocyan-
R–NO	Allgemeine Struktur der Nitrosoverbindungen mit der blaumarkierten Nitroso-Gruppe	Nitrosoverbindungen	Nitrosyl-
R–NO2	Allgemeine Struktur der Nitroverbindungen mit der blaumarkierten Nitro-Gruppe	Nitroverbindungen	Nitro-	Nitrite z. B. Trinitrotoluol (TNT)
R–NN+ Z−	Allgemeine Struktur der Diazoniumsalze mit einem nicht näher spezifizierten Anion Z	Diazoniumsalze	Diazonium-
R–OCN	Allgemeine Struktur der Cyanate	Cyanate	Cyanato-
R–SCN	Allgemeine Struktur der Thiocyanate	Thiocyanate	Thiocyanato-

Alternative Nomenklatursysteme

Neben diesem Nomenklatursystem gibt es noch weitere, weniger gebräuchliche oder veraltete Nomenklatursysteme. Eines davon ist z. B. die radikofunktionelle Nomenklatur, nach der z. B. Chlormethan als Methylchlorid oder Ethanol als Ethylalkohol bezeichnet werden.

Literatur

• Günter Baars, Roland Franik, Walter Jansen, Hans Pickel, Georg Schwedt, Herbert Sommerfeld: Handbuch der experimentellen Chemie: Sekundarbereich II. Band 10: Funktionelle Gruppen, Fette, Farbstoffe. (Herausgeber: Walter Jansen, Rudolf G Weissenhorn, Wolfgang Glöckner), Aulis, Hallbergmoos 2008, ISBN 978-3-7614-2388-2.
• Dieter Hellwinkel: Die systematische Nomenklatur der organischen Chemie: Eine Gebrauchsanweisung. 4. Auflage. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-63221-2.

Weblinks

Wikibooks: Organische Chemie für Schüler/ Organische Verbindungen mit funktionellen Gruppen – Lern- und Lehrmaterialien

Wiktionary: funktionelle Gruppe – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Offizielle Seite der International Union of Pure and Applied Chemistry (englisch)
• IUPAC-Regeln zur Nomenklatur in der organischen Chemie (Blue Book) (englisch)

Einzelnachweise

1. Eintrag zu functional group. In: IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”. doi:10.1351/goldbook.F02555.
2. Henri A. Favre, Warren H. Powell (Hrsg.): Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Royal Soc. of Chemistry [u. a.], Cambridge 2014, ISBN 978-0-85404-182-4, Kapitel P-33 (englisch, qmul.ac.uk [abgerufen am 18. April 2024]).
3. Henri A. Favre, Warren H. Powell (Hrsg.): Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Royal Soc. of Chemistry [u. a.], Cambridge 2014, ISBN 978-0-85404-182-4, Kapitel P-35 (englisch, qmul.ac.uk [abgerufen am 18. Dezember 2024]).
4. Henri A. Favre, Warren H. Powell (Hrsg.): Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Royal Soc. of Chemistry [u. a.], Cambridge 2014, ISBN 978-0-85404-182-4, Kapitel P-41 (englisch, qmul.ac.uk [abgerufen am 11. Januar 2025]).
5. Henri A. Favre, Warren H. Powell (Hrsg.): Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Royal Soc. of Chemistry [u. a.], Cambridge 2014, ISBN 978-0-85404-182-4, Kapitel P-59 (englisch, qmul.ac.uk [abgerufen am 14. Januar 2025]).

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