Die Verbindungen des elementaren Kohlenstoffs zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche Vielfalt und ihre spezifischen Eigenschaften aus. Ihre Gewinnung, die Untersuchung ihrer Eigenschaften und ihre praktische Anwendung sind das Gebiet der organischen Chemie. Es ist ein Wissenschaftsbereich, der sich vor allem in den letzten Jahren rasant entwickelt hat. Von den wissenschaftlichen Errungenschaften der organischen Chemie profitieren zum Beispiel die Pharmazie, die Medizin und die Genetik.

Chemie der organischen Verbindungen

Die Schlüsselbereiche, mit denen sich die organische Chemie befasst, sind die Synthese, das Isolieren und die Untersuchung der Eigenschaften von organischen Verbindungen. Ursprünglich glaubte man, dass diese Stoffe nur im menschlichen Körper gebildet werden. Diese Theorie wurde widerlegt, als Harnstoff unter Laborbedingungen synthetisiert wurde. Die ersten organischen Verbindungen wurden bereits im 12. Jahrhundert untersucht und charakterisiert. Im Laufe der Zeit wurden weitere entdeckt und ihre Eigenschaften entdeckt. Zu den wichtigsten Ereignissen, die die Entwicklung der organischen Chemie beeinflussten, gehören unter anderem:

• Entwicklung einer Methode zur Analyse organischer Substanzen im Jahr 1784 durch A. Lavoisier. Sie bestand darin, eine kleine Menge einer organischen Verbindung in einer kleinen Lampe, die auf der Oberfläche von Quecksilber schwamm, in einem Gefäß zu verbrennen, das mit Sauerstoff angereicherte Luft enthielt. Die Verbrennungsprodukte gaben Aufschluss über die ungefähre Zusammensetzung.
• Analyse von Kohlenwasserstoffgasen durch deren Verbrennung im Sauerstoff in einem Eudiometer.  Dies wurde von J. Dalton im Jahr 1804 durchgeführt. Durch dieses Experiment wurden die Formeln von Methan und Ethylen ermittelt.
• Isolierung von Morphin aus Opium durch F. Sertuner im Jahre 1805. Damit wurde die Existenz von stickstoffhaltigen organischen Basen nachgewiesen.

Die elementare Zusammensetzung der organischen Verbindungen umfasst hauptsächlich Elemente wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff und Chlor.  Ihr Vorhandensein lässt sich durch Beobachtung ihrer Erhitzungsprozesse feststellen. Die überwiegende Mehrheit der organischen Verbindungen ist bei hohen Temperaturen nicht thermisch stabil – sie zersetzen sich. Die Zersetzungsprodukte sind einfache anorganische Verbindungen wie z. B. Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak oder Schwefeldioxid. Darüber hinaus sind häufig reine Elemente (Kohlenstoff, Wasserstoff oder Stickstoff) zu verzeichnen.  Bei der Verbrennung von organischen Verbindungen in Gegenwart von Sauerstoff oder Luft sowie bei deren Oxidation entstehen bestimmte Produkte. Die Bildung von Kohlendioxid (CO₂) beweist das Vorhandensein von Kohlenstoff in der organischen Substanz, von Wasser (H₂O) das Vorhandensein von Wasserstoff, von Cyanid-Ionen (CN^–) das Vorhandensein von Stickstoff und von Chlorid-Ionen (Cl^–) das Vorhandensein von Chlor, usw.

Wenn man die elementare Zusammensetzung der organischen Verbindungen und den prozentualen Anteil der einzelnen Komponenten kennt, kann man ihre Summenformel ermitteln.

Eigenschaften und Anwendungsbereiche von Verbindungen in der organischen Chemie

Organische Verbindungen, die Gegenstand der organischen Chemie sind, haben eine Reihe von Merkmalen und Eigenschaften, die sie deutlich von anorganischen Verbindungen unterscheiden. Diese Eigenschaften sind je nach der Gruppe, zu der die betreffende Substanz gehört (z.B. Alkohole, Alkane, Ether usw.), und je nach der Struktur des Moleküls (Kettenlänge oder Anzahl der Substituenten) sehr unterschiedlich. Kohlenstoff ist der Grundbaustein für diese Verbindungen. Nur wenige von ihnen haben ein einzelnes Kohlenstoffatom.  Andere wiederum haben Dutzende oder sogar Hunderte von Kohlenstoffatomen in ihren Molekülen.  Dies beweist die außerordentliche Vielfalt der Verbindungen in der organischen Chemie.

Die Atome in den Molekülen organischer Verbindungen sind meist durch kovalente Bindungen (polarisiert oder unpolarisiert) miteinander verbunden. In wässrigen Lösungen dissoziieren sie daher nicht in Ionen und leiten keinen Strom.  Die Wertigkeit von Kohlenstoff in organischen Verbindungen beträgt 4. Er bildet mit anderen chemischen Elementen Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen. Infolge des Auftretens von Mehrfachbindungen steigt der Grad der Ungesättigtheit der betreffenden organischen Verbindung. Die Fähigkeit des elementaren Kohlenstoffs, dauerhafte Bindungen zwischen Atomen zu bilden, ist der Grund dafür, dass organische Stoffe häufig Ringe und Ketten unterschiedlicher Länge und Form in ihrer Struktur aufweisen.

Organische Substanzen sind relativ empfindlich sowohl gegenüber hohen Temperaturen als auch gegenüber Oxidation. Unter bestimmten Bedingungen kann ihre Struktur leicht zerstört werden. Dann werden sie zersetzt oder anderweitig umgewandelt. Die meisten von ihnen zersetzen sich, schmelzen oder sublimieren bei Temperaturen über 300^ᵒC.

Die Löslichkeit organischer Verbindungen hängt weitgehend von der Aufbau des Moleküls, der Art und Anzahl der Substituenten und auch von dem Lösungsmittel ab. Die einzelnen Atome in den Molekülen organischer Verbindungen sind durch nicht polarisierte oder polarisierte kovalente Bindungen verbunden (es kommt zu einer Verschiebung des gemeinsamen Elektronenpaares in Richtung des Atoms mit der höheren Elektronegativität). Daher können diese Verbindungen in polare und unpolare unterteilt werden. Nach dem allgemeinen Prinzip „Gleiches löst sich in Gleichem“ lösen sich polare Substanzen leicht in Lösungsmitteln wie Wasser oder Methanol. Bei diesen Substanzen handelt es sich hauptsächlich um kurzkettige Verbindungen, die eine oder mehrere Hydroxyl-, Carboxyl- oder Estergruppen in ihrer Struktur enthalten. Ebenso sind unpolare Verbindungen (mit langen Kohlenstoffketten, meist ohne Substituenten) in unpolaren Lösungsmitteln wie Benzol, Toluol oder Hexan gut löslich.

Die organische Chemie ist eine sehr strukturierte wissenschaftliche Disziplin. Die chemischen Verbindungen, die im Rahmen dieser Disziplin betrachtet werden, unterliegen Reaktionen, die nach bestimmten Mechanismen ablaufen. Zu den grundlegenden Reaktionen, die für die organische Chemie charakteristisch sind, gehören unter anderem:

• Additionsreaktionen (Anbindung),
• Substitutionsreaktionen (Substitution),
• Eliminierungsreaktionen,
• Umlagerungsreaktionen,
• radikalische Reaktionen.

Industrielle Synthese in der organischen Chemie

Die Synthese organischer Verbindungen im industriellen Maßstab ist eng mit den Verfahren der anorganischen Technologie verknüpft. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Anlagen zur Gewinnung von organischen und anorganischen Produkten in derselben Produktionsstätte untergebracht sind. Der Grund dafür ist, dass sowohl organische als auch anorganische Verbindungen in demselben Prozess verwendet oder gewonnen werden.

Die Industrie der organischen Synthese umfasst derzeit hauptsächlich:

• Petrochemische Synthesen,
• Verarbeitung von Synthesegas,
• Gewinnung und Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen.

Die industrielle Synthese in der organischen Chemie befasst sich mit großtechnischen Verfahren zur Herstellung organischer Verbindungen mit relativ einfachem Aufbau. Sie erfüllen die Rolle von Lösungsmitteln oder Reagenzien. Zu einem großen Teil sind sie auch Rohstoffe für andere technologische Prozesse, z.B. für die Herstellung von Kunststoffen, Arzneimitteln, Farbstoffen, Tensiden oder Kunstfasern. Neben der Gewinnung von Synthesegas und Kohlenwasserstoffen konzentriert sich die organische Technologie auf die industrielle Produktion von Alkoholen (Methanol, Ethanol, Propanol und andere), Acetaldehyd und Ameisensäurealdehyd, Carbonsäuren, Phenol und chlororganischen Verbindungen.